專利名稱：一種改善柴油機低溫燃燒碳煙排放和燃油經(jīng)濟(jì)性方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及內(nèi)燃機領(lǐng)域，特別涉及一種降低柴油機低溫燃燒過程碳煙排放、提高 低溫燃燒燃油經(jīng)濟(jì)性的方法。
背景技術(shù)：
柴油機以其高扭矩、低油耗的特點廣泛應(yīng)用于城市公共交通、物流運輸、工程機械 等領(lǐng)域。但是由于柴油機擴(kuò)散燃燒的本質(zhì)特征造成缸內(nèi)存在明顯的局部混合氣過濃區(qū)和高 溫區(qū)，使得柴油機具有較高的碳煙和氮氧化物排放。而且，柴油機的碳煙和氮氧化物排放的 控制策略是相互矛盾的，即降低碳煙排放的措施往往會導(dǎo)致氮氧化物排放升高，因此在控 制柴油機碳煙和氮氧化物排放時，總是力圖找尋一個可以使碳煙和氮氧化物排放折衷的控 制策略，即所謂的折衷關(guān)系。
近十年來，柴油機低溫燃燒作為一種新型燃燒模式，突破了傳統(tǒng)柴油機擴(kuò)散燃燒 概念，在實現(xiàn)柴油機高效清潔燃燒方面展現(xiàn)出巨大潛力，成為國際內(nèi)燃機燃燒科學(xué)與技術(shù) 研究的前沿和熱點。柴油機低溫燃燒通過采用大比例廢氣再循環(huán)策略，有效延長燃燒滯燃 期并降低燃燒溫度，從而改變缸內(nèi)燃燒反應(yīng)過程的混合氣濃度和溫度發(fā)展歷程，避開NOx和 碳煙生成區(qū)域，實現(xiàn)對有害排放產(chǎn)物的控制，擺脫了柴油機傳統(tǒng)燃燒中NOx與碳煙的折衷關(guān) 系，認(rèn)為是滿足未來柴油機嚴(yán)格排放法規(guī)的主要燃燒模式。
柴油機低溫燃燒過程大比例EGR使NOx排放接近于零，但EGR對碳煙排放影響較復(fù) 雜低比例EGR使碳煙排放相當(dāng)或略有升高；EGR提高到一定比例時，碳煙排放迅速升高，出 現(xiàn)碳煙峰值區(qū)域；EGR率進(jìn)一步提高后，碳煙排放開始明顯降低，甚至達(dá)到零碳煙排放。可 見，柴油機低溫燃燒低碳煙和低NOx排放局限于特定的EGR比率下，而且研究也表明低溫燃 燒過程的碳煙排放對EGR率變化很敏感，在高比例EGR區(qū)域(約50%)，EGR率細(xì)小的變化有 可能導(dǎo)致碳煙排放的急劇增加，顯著增大了燃燒控制的難度。此外，在高比例EGR區(qū)域，盡 管碳煙和氮氧化物排放都接近為零，但燃油經(jīng)濟(jì)性顯著惡化，生成大量HC和CO。因此，柴油 機低溫燃燒面臨的問題主要是以下2個方面1)在降低NOx和碳煙排放的同時，如何保持高 熱效率和低HC、CO排放；2)如何降低低溫燃燒過程對EGR的敏感性、提高柴油機低溫燃燒 過程的可控性。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服已有技術(shù)的缺點，提供可以有效降低低溫燃燒過程對EGR 率變化的敏感性，改善柴油機低溫燃燒過程的可控性，最終獲得高效清潔柴油機低溫燃燒 過程的一種改善柴油機低溫燃燒碳煙排放和燃油經(jīng)濟(jì)性方法。
本發(fā)明的一種改善柴油機低溫燃燒碳煙排放和燃油經(jīng)濟(jì)性方法，它包括以下步 驟
(I)控制單元分別讀取安裝在發(fā)動機曲軸上的傳感器的轉(zhuǎn)速信號、安裝在油門踏 板上的傳感器的發(fā)動機負(fù)荷信號并根據(jù)所述的轉(zhuǎn)速信號和發(fā)動機負(fù)荷信號判斷發(fā)動機運行的負(fù)荷和轉(zhuǎn)速工況；
(2)如果步驟(I)中的判斷結(jié)果為中低負(fù)荷工況，進(jìn)氣條件控制器根據(jù)讀取的進(jìn) 氣溫度傳感器的進(jìn)氣溫度參數(shù)輸出控制信號，控制方法如下減小高壓級和低壓級廢氣再 循環(huán)回路中的高壓級和低壓級廢氣再循環(huán)冷卻器開度以及進(jìn)氣總管上第一第二級中冷器 的開度；同時電子控制單元控制噴霧錐角為140度的小噴射錐角噴油器的噴油時刻為上止 點前0-10度曲軸轉(zhuǎn)角；
(3)如果步驟(I)中的判斷結(jié)果為大負(fù)荷工況，進(jìn)氣條件控制器根據(jù)讀取的進(jìn)氣 溫度參數(shù)輸出控制信號，控制方法如下增大高壓級和低壓級廢氣再循環(huán)回路中的高壓級 和低壓級廢氣再循環(huán)冷卻器開度以及進(jìn)氣總管上第一、第二級中冷器的開度；同時電子控 制單元控制小噴射錐角噴油器的第一次噴油時刻為上止點前10-20度曲軸轉(zhuǎn)角，第二次噴 油時刻為上止點后0-26度曲軸轉(zhuǎn)角；
(4)如果步驟(I)中的判斷結(jié)果為中低轉(zhuǎn)速工況，進(jìn)氣條件控制器根據(jù)讀取的進(jìn) 氣壓力參數(shù)，輸出控制信號，控制方法如下調(diào)小或關(guān)閉安裝在發(fā)動機排氣旁接管上的電控 旁通閥開度，同時進(jìn)氣條件控制器根據(jù)讀取的進(jìn)氣氧濃度參數(shù)和中低轉(zhuǎn)速工況下負(fù)荷的變 化參數(shù)，向高壓級廢氣再循環(huán)閥和低壓級廢氣再循環(huán)閥發(fā)出脈沖指令，調(diào)節(jié)高壓級廢氣再 循環(huán)閥和低壓級廢氣再循環(huán)閥的閥門開度使廢氣再循環(huán)率保持在40%-55%，此時經(jīng)氣缸的 排氣門排出的部分廢氣排氣流經(jīng)高壓級廢氣再循環(huán)冷卻器、單向閥和高壓級廢氣再循環(huán)閥 進(jìn)入高壓級壓氣機的出口，形成高壓級廢氣再循環(huán)回路；另一部分廢氣排氣流經(jīng)高壓級渦 輪機或者直接通過電控旁通閥進(jìn)入低壓級渦輪機、顆粒捕集器、低壓級廢氣再循環(huán)冷卻器 和低壓級廢氣再循環(huán)閥進(jìn)入低壓級壓氣機的進(jìn)氣口，形成低壓級廢氣再循環(huán)回路；進(jìn)氣以 及經(jīng)過低壓級廢氣再循環(huán)回路的廢氣形成的混合氣一起經(jīng)低壓級壓氣機壓縮，然后流經(jīng)第 一級中冷器冷卻以增加空氣密度、增大進(jìn)氣量；經(jīng)第一級中冷器后，混合氣進(jìn)入高壓級壓氣 機進(jìn)一步壓縮，然后與經(jīng)過高壓級廢氣再循環(huán)回路的廢氣再經(jīng)第二級中冷器進(jìn)一步冷卻， 最后經(jīng)進(jìn)氣總管進(jìn)入氣缸；
(5)如果步驟(I)中的判斷結(jié)果為高轉(zhuǎn)速工況，進(jìn)氣條件控制器根據(jù)讀取的進(jìn)氣 壓力參數(shù)，輸出控制信號，控制方法如下調(diào)高或完全打開安裝在發(fā)動機排氣旁接管上的電 控旁通閥開度，同時進(jìn)氣條件控制器根據(jù)讀取的進(jìn)氣氧濃度參數(shù)和高轉(zhuǎn)速工況下負(fù)荷的變 化參數(shù)，向高壓級廢氣再循環(huán)閥和低壓級廢氣再循環(huán)閥發(fā)出脈沖指令，調(diào)節(jié)高壓級廢氣再 循環(huán)閥和低壓級廢氣再循環(huán)閥的閥門開度使廢氣再循環(huán)率保持在40%-55%，此時經(jīng)氣缸的 排氣門排出的部分廢氣排氣流經(jīng)高壓級廢氣再循環(huán)冷卻器、單向閥和高壓級廢氣再循環(huán)閥 進(jìn)入高壓級壓氣機的出口，形成高壓級廢氣再循環(huán)回路；另一部分廢氣排氣流經(jīng)高壓級渦 輪機或者直接通過電控旁通閥進(jìn)入低壓級渦輪機、顆粒捕集器、低壓級廢氣再循環(huán)冷卻器 和低壓級廢氣再循環(huán)閥進(jìn)入低壓級壓氣機的進(jìn)氣口，形成低壓級廢氣再循環(huán)回路；進(jìn)氣以 及經(jīng)過低壓級廢氣再循環(huán)回路的廢氣形成的混合氣一起經(jīng)低壓級壓氣機壓縮，然后流經(jīng)第 一級中冷器冷卻以增加空氣密度、增大進(jìn)氣量；經(jīng)第一級中冷器后，混合氣進(jìn)入高壓級壓氣 機進(jìn)一步壓縮，然后與經(jīng)過高壓級廢氣再循環(huán)回路的廢氣再經(jīng)第二級中冷器進(jìn)一步冷卻， 最后經(jīng)進(jìn)氣總管進(jìn)入氣缸。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下四方面優(yōu)勢
第一，有效推遲柴油機低溫燃燒碳煙開始顯著增大的EGR率，使EGR容忍度從35%提高到55%以上，而且使碳煙排放峰值有效降低；
第二，有效推遲柴油機低溫燃燒HC和CO排放開始增大的EGR率，使EGR容忍度從 35%提高到55%以上，而且即使HC和CO排放增大后，其增大的幅度也較之前明顯降低；
第三，本發(fā)明使柴油機低溫燃燒定容燃燒比例增大，燃燒速率和燃燒持續(xù)期縮短， 傳熱損失和排氣損失降低，加之廢氣旁通閥對高低壓級渦輪機能量分布的優(yōu)化過程，燃油經(jīng)濟(jì)性改善了 2. 5%-5%。
第四，EGR率變化對燃燒排放和燃油經(jīng)濟(jì)性影響的敏感性降低，從而有效提高低溫燃燒EGR率的控制可執(zhí)行性，增大了柴油機低溫燃燒EGR率的控制窗口寬度，降低了控制難度。


圖1是本發(fā)明的控制邏輯示意圖；圖2是本發(fā)明的改善柴油機低溫燃燒碳煙排放和燃油經(jīng)濟(jì)性的方法的系統(tǒng)示意 圖；圖3是本發(fā)明圖2所示的系統(tǒng)中的低壓縮比強湍流活塞示意圖；圖4是采用本發(fā)明方法后發(fā)動機碳煙排放效果圖；圖5-1是采用本發(fā)明后柴油機排放和燃油經(jīng)濟(jì)性效果圖；圖5-2是圖5_1縱坐標(biāo)局部放大圖。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作以詳細(xì)描述。
如圖所示，本發(fā)明的一種改善柴油機低溫燃燒碳煙排放和燃油經(jīng)濟(jì)性方法，它包括以下步驟(I)控制單元分別讀取安裝在發(fā)動機曲軸上的傳感器的轉(zhuǎn)速信號、安裝在油門踏板上的傳感器的發(fā)動機負(fù)荷信號并根據(jù)所述的轉(zhuǎn)速信號和發(fā)動機負(fù)荷信號判斷發(fā)動機運行的負(fù)荷和轉(zhuǎn)速工況；(2)如果步驟(I)中的判斷結(jié)果為中低負(fù)荷工況，進(jìn)氣條件控制器18根據(jù)讀取的進(jìn)氣溫度傳感器15的溫度參數(shù)輸出控制信號，控制方法如下減小高壓級和低壓級廢氣再循環(huán)回路中的高壓級和低壓級廢氣再循環(huán)冷卻器10、13開度以及進(jìn)氣總管上第一、第二級中冷器2、4的開度，提高進(jìn)入進(jìn)氣總管內(nèi)的EGR溫度，獲取較高的進(jìn)氣溫度，保證中低負(fù)荷燃燒穩(wěn)定性，降低中低負(fù)荷由于較低的燃燒溫度產(chǎn)生的HC和CO排放；同時電子控制單元20控制噴霧錐角為140度的小噴射錐角噴油器21的噴油時刻為上止點前 0-10度曲軸轉(zhuǎn)角，使發(fā)動機工作在燃油經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)的噴油時刻下，改善燃油經(jīng)濟(jì)性；(3)如果步驟(I)中的判斷結(jié)果為大負(fù)荷工況，進(jìn)氣條件控制器根據(jù)讀取的進(jìn)氣溫度參數(shù)輸出控制信號，控制方法如下增大高壓級和低壓級廢氣再循環(huán)回路中的高壓級和低壓級廢氣再循環(huán)冷卻器開度以及進(jìn)氣總管上第一、第二級中冷器的開度，降低進(jìn)入進(jìn)氣管內(nèi)的EGR溫度和進(jìn)入氣缸內(nèi)的氣體溫度，獲取更大的進(jìn)氣量，改善大負(fù)荷下燃空當(dāng)量比分布；同時電子控制單元控制噴油器的噴油時刻為上止點前10-20度曲軸轉(zhuǎn)角；使大負(fù)荷下較大的噴油質(zhì)量可以有更充分的時間與空氣混合，此外針對大負(fù)荷下碳煙控制的難題，增加一次后噴，第二次噴油時刻為上止點后0-26度曲軸轉(zhuǎn)角；(4)如果步驟(I)中的判斷結(jié)果為中低轉(zhuǎn)速工況，進(jìn)氣條件控制器根據(jù)讀取的進(jìn)氣壓力參數(shù)，輸出控制信號，控制方法如下調(diào)小或關(guān)閉安裝在發(fā)動機排氣旁接管上的電控旁通閥開度，同時進(jìn)氣條件控制器根據(jù)讀取的進(jìn)氣氧 濃度參數(shù)和中低轉(zhuǎn)速工況下負(fù)荷的變化參數(shù)，向高壓級廢氣再循環(huán)閥和低壓級廢氣再循環(huán) 閥發(fā)出脈沖指令，調(diào)節(jié)高壓級廢氣再循環(huán)閥和低壓級廢氣再循環(huán)閥的閥門開度使廢氣再循 環(huán)率(廢氣再循環(huán)率是指進(jìn)入氣缸內(nèi)的廢氣質(zhì)量與進(jìn)氣總質(zhì)量之比)保持在40%-55%，此時 經(jīng)氣缸的排氣門排出的部分廢氣排氣流經(jīng)高壓級廢氣再循環(huán)冷卻器10、單向閥11和高壓 級廢氣再循環(huán)閥12進(jìn)入高壓級壓氣機3的出口，形成高壓級廢氣再循環(huán)回路；另一部分廢 氣排氣流經(jīng)高壓級渦輪機或者直接通過電控旁通閥進(jìn)入低壓級渦輪機7、顆粒捕集器8、低 壓級廢氣再循環(huán)冷卻器13和低壓級廢氣再循環(huán)閥14進(jìn)入低壓級壓氣機的進(jìn)氣口，形成低 壓級廢氣再循環(huán)回路，從而滿足低溫燃燒對大比例廢氣再循環(huán)的需求、有效降低氮氧化物 排放；進(jìn)氣以及經(jīng)過低壓級廢氣再循環(huán)回路的廢氣形成的混合氣一起經(jīng)低壓級壓氣機I壓 縮，然后流經(jīng)第一級中冷器2冷卻以增加空氣密度、增大進(jìn)氣量；經(jīng)第一級中冷器后，混合 氣進(jìn)入高壓級壓氣機進(jìn)一步壓縮，然后與經(jīng)過高壓級廢氣再循環(huán)回路的廢氣再經(jīng)第二級中 冷器4進(jìn)一步冷卻，最后經(jīng)進(jìn)氣總管進(jìn)入氣缸，兩級壓氣機的增壓效果可以保持低溫燃燒 大比例EGR下進(jìn)入缸內(nèi)的新鮮空氣量，降低燃空當(dāng)量比和碳煙排放。(5)如果步驟(I)中 的判斷結(jié)果為高轉(zhuǎn)速工況，進(jìn)氣條件控制器根據(jù)讀取的進(jìn)氣壓力參數(shù)，輸出控制信號，控制 方法如下調(diào)高或完全打開安裝在發(fā)動機排氣旁接管上的電控旁通閥開度，同時進(jìn)氣條件 控制器根據(jù)讀取的進(jìn)氣氧濃度參數(shù)和高轉(zhuǎn)速工況下負(fù)荷的變化參數(shù)，向高壓級廢氣再循環(huán) 閥和低壓級廢氣再循環(huán)閥發(fā)出脈沖指令，調(diào)節(jié)高壓級廢氣再循環(huán)閥和低壓級廢氣再循環(huán)閥 的閥門開度使廢氣再循環(huán)率保持在40%-55%，此時經(jīng)氣缸的排氣門排出的部分廢氣排氣流 經(jīng)高壓級廢氣再循環(huán)冷卻器、單向閥和高壓級廢氣再循環(huán)閥進(jìn)入高壓級壓氣機的出口，形 成高壓級廢氣再循環(huán)回路；另一部分廢氣排氣流經(jīng)高壓級渦輪機或者直接通過電控旁通閥 進(jìn)入低壓級渦輪機、顆粒捕集器、低壓級廢氣再循環(huán)冷卻器和低壓級廢氣再循環(huán)閥進(jìn)入低 壓級壓氣機的進(jìn)氣口，形成低壓級廢氣再循環(huán)回路；進(jìn)氣以及經(jīng)過低壓級廢氣再循環(huán)回路 的廢氣形成的混合氣一起經(jīng)低壓級壓氣機壓縮，然后流經(jīng)第一級中冷器冷卻以增加空氣密 度、增大進(jìn)氣量；經(jīng)第一級中冷器后，混合氣進(jìn)入高壓級壓氣機進(jìn)一步壓縮，然后與經(jīng)過高 壓級廢氣再循環(huán)回路的廢氣再經(jīng)第二級中冷器進(jìn)一步冷卻，最后經(jīng)進(jìn)氣總管進(jìn)入氣缸。在 步驟(2)-(5)的實施過程中，通過溫度傳感器15和進(jìn)氣條件控制器18對高壓級和低壓級 廢氣再循環(huán)冷卻器開度以及進(jìn)氣總管上第一第二級中冷器的開度進(jìn)行調(diào)節(jié)，始終保持對進(jìn) 氣溫度進(jìn)行比例-積分-微分(PID)閉環(huán)控制；通過壓力傳感器16、氧濃度傳感器17、進(jìn)氣 條件控制器18對電控旁通閥和廢氣再循環(huán)(EGR)閥開度進(jìn)行調(diào)節(jié)，始終保持對進(jìn)氣壓力和 燃空當(dāng)量比(進(jìn)氣成分)進(jìn)行PID閉環(huán)控制，根據(jù)上述不同的發(fā)動機工況，獲取最優(yōu)的進(jìn)氣條 件。
所述的步驟(I)至步驟(5)中的發(fā)動機氣缸的壓縮比為16，發(fā)動機氣缸的活塞22 的縮口 23直徑Rl為65. 6mm,縮口直徑與氣缸直徑比為62. 5% ;燃燒室凹坑24深度Hl為 18. 8mm,凹坑深度與氣缸直徑比為17. 9%，活塞圓弧處半徑R2為6mm ;活塞環(huán)槽25距頂面高 度H2為4mm。
當(dāng)電子控制單元控制噴油器的噴油時刻同時與本發(fā)明的低壓縮比強湍流活塞相 匹配，油束可以很好的在燃燒室內(nèi)擴(kuò)散、蒸發(fā)、混合。
當(dāng)所述的小噴霧錐角噴油器與增大的燃燒室活塞縮口直徑相匹配，減少早噴燃燒撞擊到活塞頂面造成濕壁的可能性，同時低壓縮比燃燒室有效延長著火滯燃期，從而進(jìn)一步增大燃油與空氣的混合時間，燃燒室凹坑深度的增大以及凹坑圓弧處形狀的改變，有效增大燃燒室內(nèi)湍流強度及湍流保持率，進(jìn)一步增強燃燒前和燃燒期間油氣的混合過程，此外針對大負(fù)荷下碳煙控制的難題，增加一次后噴，進(jìn)一步促進(jìn)燃燒后期碳煙以及未燃HC和CO的氧化,實現(xiàn)低溫清潔燃燒。在不同發(fā)動機轉(zhuǎn)速工況下，低壓縮比燃燒室同樣可有效延長著火滯燃期，從而進(jìn)一步增大燃油與空氣的混合時間，燃燒室凹坑深度的增大以及凹坑圓弧處形狀的改變，有利于提升燃燒室內(nèi)湍流強度及湍流保持率，進(jìn)一步增強燃燒前和燃燒期間油氣的混合過程，尤其是在高轉(zhuǎn)速下，低壓縮比強湍流燃燒室可以有效補充因為轉(zhuǎn)速提高造成混合時間縮短這一問題。圖2是實現(xiàn)本發(fā)明方法的一種系統(tǒng)示意圖，它包括氣缸、空氣管理系統(tǒng)、噴油策略控制系統(tǒng)，所述的空氣管理系統(tǒng)包括進(jìn)氣總管和排氣總管，在所述的進(jìn)氣總管上沿進(jìn)氣流動方向依次安裝有低壓級壓氣機1、第一級中冷器2、高壓級壓氣機3以及第二級中冷器4，所述的進(jìn)氣總管的出氣口與氣缸的進(jìn)氣門5相連通，在所述的排氣總管上沿排氣方向依次安裝有高壓級渦輪機6、低壓級渦輪機7以及顆粒捕集器8，所述的排氣總管的進(jìn)氣口與氣缸的排氣門9相連通，所述的低壓級壓氣機與低壓級渦輪機通過轉(zhuǎn)軸相連，所述的高壓級壓氣機與高壓級渦輪機通過轉(zhuǎn)軸相連，高壓級廢氣再循環(huán)回路的進(jìn)氣端與位于排氣總管的進(jìn)氣口端和高壓級渦輪機之間的排氣總管相連通并且高壓級廢氣再循環(huán)回路的排氣端與位于高壓級壓氣機3和第二級中冷器之4間的進(jìn)氣總管相連通，在所述的高壓級廢氣再循環(huán)回路上沿進(jìn)氣端依次裝有高壓級廢氣再循環(huán)冷卻器10、單向閥11和高壓級廢氣再循環(huán)閥12，低壓級廢氣再循環(huán)回路的進(jìn)氣端與位于排氣總管的顆粒捕集器9之后的排氣管路相連通并且低壓級廢氣再循環(huán)回路的出氣端與所述的進(jìn)氣總管的進(jìn)氣端相連通，在所述的低壓級廢氣再循環(huán)回路上沿進(jìn)氣端依次裝有低壓級廢氣再循環(huán)冷卻器13和低壓級廢氣再循環(huán)閥14，在高壓級渦輪機的上游和下游之間安裝有廢氣旁通閥，廢氣旁通閥進(jìn)氣口端與排氣總管的排氣端相連通并且其出氣口端與位于低壓級渦輪機和高壓級渦輪機之間的排氣總管相連通，在進(jìn)氣總管的出氣口與氣缸的進(jìn)氣門5之間安裝有溫度傳感器15、壓力傳感器16和氧濃度傳感器17，溫度、壓力、氧濃度傳感器與進(jìn)氣條件控制器(PID) 18相連并把反饋信號傳輸給高壓級廢氣再循環(huán)冷卻器、高壓級廢氣再循環(huán)閥、低壓級廢氣再循環(huán)冷卻器、低壓級廢氣再循環(huán)閥、進(jìn)氣總管上的第一級、第二級中冷器以及廢氣旁通閥19 ;噴射策略控制系統(tǒng)包括電子控制單元(ECU) 20和噴霧錐角為140度的小噴射錐角噴油器21，所述的小噴射錐角噴油器安裝在氣缸上，所述的電子控制單元與所述的小噴射錐角噴油器相連。在噴射策略控制上，E⑶通過向噴油器發(fā)送控制信號，按照發(fā)動機不同運轉(zhuǎn)工況的需求調(diào)整噴油時刻。如圖3所示，發(fā)動機氣缸內(nèi)活塞為低壓縮比強湍流活塞22，所述氣缸活塞的縮口直徑Rl為65. 6mm，與較小噴霧錐角相匹配，減少油束撞壁量，增強油氣空間預(yù)混合能力；活塞凹坑深度Hl為18. 8mm,活塞凹坑圓弧處半徑R2為6mm，有效增大燃燒室內(nèi)湍流強度及湍流保持率，進(jìn)一步增強燃燒前和燃燒期間油氣的混合過程；活塞環(huán)槽距頂面高度H2為4mm，減小狹縫容積內(nèi)碳?xì)浜鸵谎趸嫉纳?。本活塞結(jié)構(gòu)可以形成較低的壓縮比結(jié)構(gòu)(16壓縮比)，提供更長的著火滯燃期，增強燃燒著火前混合氣的均勻性。
經(jīng)檢驗本發(fā)明一種改善柴油機低溫燃燒碳煙排放和燃油經(jīng)濟(jì)性的方法可以實現(xiàn)在寬廣的EGR率下使柴油機的碳煙排放和燃油經(jīng)濟(jì)性保持在很好的數(shù)值內(nèi)，實現(xiàn)缸內(nèi)燃燒反應(yīng)物混合充分均勻、充分廢氣稀釋的大比例預(yù)混快速的低溫清潔燃燒過程。充分的廢氣稀釋可以有效抑制氮氧化物排放，延長著火滯燃期，增大預(yù)混合度；低壓縮比強湍流活塞和小噴霧錐角、靈活噴油時刻的燃油噴射策略相匹配，進(jìn)一步增大燃油與氣體的混合過程，保證燃燒反應(yīng)物混合充分均勻，抑制碳煙排放；進(jìn)氣溫度、壓力、成分的閉環(huán)控制增強了燃燒邊界條件的控制精度，降低了 EGR的控制難度；新結(jié)構(gòu)的較小狹縫容積的活塞、結(jié)合燃燒邊界條件和二次噴油的控制，提高了 HC和CO的氧化速率；盡管壓縮比降低會導(dǎo)致熱效率的降低，但是滯燃期的延長導(dǎo)致預(yù)混燃燒比例增大、燃燒放熱重心、燃燒持續(xù)期得到優(yōu)化，燃油經(jīng)濟(jì)性得到一定改善。通過上述燃油噴射策略控制、空氣管理系統(tǒng)控制、油氣混合控制(低壓縮比強湍流燃燒室與噴油策略的結(jié)合)，獲取了不同工況所需的混合氣濃度和溫度分布狀況，實現(xiàn)高效清潔低溫燃燒，其有害污染物缸內(nèi)原始排放滿足國5排放法規(guī)，并在加裝簡單的柴油機氧化催化器和顆粒補集器后可滿足歐6排放法規(guī)，同時柴油機燃油經(jīng)濟(jì)性提高
2.5%-5%。圖4和圖5是在本發(fā)明的發(fā)動機裝置上，應(yīng)用本發(fā)明的一種改善柴油機低溫燃燒碳煙排放和燃油經(jīng)濟(jì)性方法之后取得的具體試驗結(jié)果。圖4是采用本發(fā)明的低壓縮比強湍流活塞后采集的碳煙排放數(shù)據(jù)，圖中表明，采用新設(shè)計的低壓縮比活塞后，碳煙排放明顯降低，進(jìn)一步結(jié)合噴油策略的控制(推遲噴油時刻)，基本消除碳煙峰值區(qū)域。圖5是使用兩級增壓、高EGR率、結(jié)合低壓縮比活塞、噴油策略控制后獲得的碳煙、N0X、HC、CO和指示油耗圖。圖中表明，通過綜合使用空氣管理系統(tǒng)、噴油策略控制系統(tǒng)以及新設(shè)計的低壓縮比活塞，本發(fā)明可以使發(fā)動機承受更高比例的EGR (達(dá)到55%)而不引起碳煙、HC、C0和燃油經(jīng)濟(jì)性的惡化，降低了 EGR率的控制難度，很好降低了柴油機低溫燃燒碳煙排放，提高了燃油經(jīng)濟(jì)性。圖5-2為圖5-1的局部坐標(biāo)放大效果，虛線標(biāo)明的是國5排放限值，其中HC、C0排放滿足限值要求，NOx遠(yuǎn)低于歐6排放限值，顆粒物排放也具備滿足國5排放要求潛力(以碳煙作為顆粒物代表)，與低增壓工況相比，高增壓工況下燃油經(jīng)濟(jì)性改進(jìn)2. 5%。圖5-1和5-2只是實際應(yīng)用的一個工況測試點，其他工況下依據(jù)本發(fā)明的控制方法，可以實現(xiàn)很好的排放物與燃油經(jīng)濟(jì)性測試結(jié)果。最后，應(yīng)用本發(fā)明所述控制方法、按照排放測試法規(guī)測試后，本發(fā)明發(fā)動機的有害污染物缸內(nèi)原始排放可滿足國5排放法規(guī)，并在加裝氧化催化器和顆粒捕集器后可滿足歐6排放法規(guī)，同時柴油機燃油經(jīng)濟(jì)性提高2. 5%-5%。實施例1(I)控制單元分別讀取安裝在發(fā)動機曲軸上的傳感器的轉(zhuǎn)速信號、安裝在油門踏板上的傳感器的發(fā)動機負(fù)荷信號并根據(jù)所述的轉(zhuǎn)速信號和發(fā)動機負(fù)荷信號判斷發(fā)動機運行的負(fù)荷和轉(zhuǎn)速工況；發(fā)動機氣缸的壓縮比控制在16，活塞環(huán)槽距頂面高度為4mm。發(fā)動機氣缸的活塞的縮口直徑為65. 6mm，活塞凹坑深度為18. 8mm，活塞凹坑圓弧處半徑為6mm，縮口直徑與氣缸直徑比為62. 5%，凹坑深度與氣缸直徑比為17. 9%。(2)如果步驟(I)中的判斷結(jié)果為中低負(fù)荷工況，進(jìn)氣條件控制器根據(jù)讀取的進(jìn)氣溫度參數(shù)輸出控制信號，控制方法如下減小高壓級和低壓級廢氣再循環(huán)回路中的高壓級和低壓級廢氣再循環(huán)冷卻器開度以及進(jìn)氣總管上第一、第二級中冷器的開度；同時電子控制單元控制噴霧錐角為140度的小噴射錐角噴油器的噴油時刻為上止點前0-10度曲軸轉(zhuǎn)角；(3)如果步驟(I)中的判斷結(jié)果為大負(fù)荷工況，進(jìn)氣條件控制器根據(jù)讀取的進(jìn)氣溫度參數(shù)輸出控制信號，控制方法如下增大高壓級和低壓級廢氣再循環(huán)回路中的高壓級和低壓級廢氣再循環(huán)冷卻器開度以及進(jìn)氣總管上第一第二級中冷器的開度；同時電子控制單元控制小噴射錐角噴油器的第一次噴油時刻為上止點前10-20度曲軸轉(zhuǎn)角，第二次噴油時刻為上止點后0-26度曲軸轉(zhuǎn)角；(4)如果步驟(I)中的判斷結(jié)果為中低轉(zhuǎn)速工況，進(jìn)氣條件控制器根據(jù)讀取的進(jìn)氣壓力參數(shù)，輸出控制信號，控制方法如下調(diào)小或關(guān)閉安裝在發(fā)動機排氣旁接管上的電控旁通閥開度，同時進(jìn)氣條件控制器根據(jù)讀取的進(jìn)氣氧濃度參數(shù)和中低轉(zhuǎn)速工況下負(fù)荷的變化參數(shù)，向高壓級廢氣再循環(huán)閥和低壓級廢氣再循環(huán)閥發(fā)出脈沖指令，調(diào)節(jié)高壓級廢氣再循環(huán)閥和低壓級廢氣再循環(huán)閥的閥門開度使廢氣再循環(huán)率保持在40-55%，此時經(jīng)氣缸的排氣門排出的部分廢氣排氣流經(jīng)高壓級廢氣再循環(huán)冷卻器、單向閥和高壓級廢氣再循環(huán)閥進(jìn)入高壓級壓氣機的出口，形成高壓級廢氣再循環(huán)回路；另一部分廢氣排氣流經(jīng)高壓級渦輪機或者直接通過電控旁通閥進(jìn)入低壓級渦輪機、顆粒捕集器、低壓級廢氣再循環(huán)冷卻器和低壓級廢氣再循環(huán)閥進(jìn)入低壓級壓氣機的進(jìn)氣口，形成低壓級廢氣再循環(huán)回路；進(jìn)氣以及經(jīng)過低壓級廢氣再循環(huán)回路的廢氣形成的混合氣一起經(jīng)低壓級壓氣機壓縮，然后流經(jīng)第一級中冷器冷卻以增加空氣密度、增大進(jìn)氣量；經(jīng)第一級中冷器后，混合氣進(jìn)入高壓級壓氣機進(jìn)一步壓縮，然后與經(jīng)過高壓級廢氣再循環(huán)回路的廢氣再經(jīng)第二級中冷器進(jìn)一步冷卻，最后經(jīng)進(jìn)氣總管進(jìn)入氣缸；(5)如果步驟(I)中的判斷結(jié)果為高轉(zhuǎn)速工況，進(jìn)氣條件控制器根據(jù)讀取的進(jìn)氣壓力參數(shù)，輸出控制信號，控制方法如下調(diào)高或完全打開安裝在發(fā)動機排氣旁接管上的電控旁通閥開度，同時進(jìn)氣條件控制器根據(jù)讀取的進(jìn)氣氧濃度參數(shù)和高轉(zhuǎn)速工況下負(fù)荷的變化參數(shù)，向高壓級廢氣再循環(huán)閥和低壓級廢氣再循環(huán)閥發(fā)出脈沖指令，調(diào)節(jié)高壓級廢氣再循環(huán)閥和低壓級廢氣再循環(huán)閥的閥門開度使廢氣再循環(huán)率保持在40-55%，此時經(jīng)氣缸的排氣門排出的部分廢氣排氣流經(jīng)高壓級廢氣再循環(huán)冷卻器、單向閥和高壓級廢氣再循環(huán)閥進(jìn)入高壓級壓氣機的出口，形成高壓級廢氣再循環(huán)回路；另一部分廢氣排氣流經(jīng)高壓級渦輪機或者直接通過電控旁通閥進(jìn)入低壓級渦輪機、顆粒捕集器、低壓級廢氣再循環(huán)冷卻器和低壓級廢氣再循環(huán)閥進(jìn)入低壓級壓氣機的進(jìn)氣口，形成低壓級廢氣再循環(huán)回路；進(jìn)氣以及經(jīng)過低壓級廢氣再循環(huán)回路的廢氣形成的混合氣一起經(jīng)低壓級壓氣機壓縮，然后流經(jīng)第一級中冷器冷卻以增加空氣密度、增大進(jìn)氣量；經(jīng)第一級中冷器后，混合氣進(jìn)入高壓級壓氣機進(jìn)一步壓縮，然后與經(jīng)過高壓級廢氣再循環(huán)回路的廢氣再經(jīng)第二級中冷器進(jìn)一步冷卻，最后經(jīng)進(jìn)氣總管進(jìn)入氣缸。經(jīng)測試應(yīng)用本發(fā)明所述控制方法，很好實現(xiàn)了高比例EGR條件下碳煙排放降低、燃油經(jīng)濟(jì)性提高的目標(biāo)。按照排放測試法規(guī)測試后，本發(fā)明發(fā)動機的有害污染物缸內(nèi)原始排放(即在無后處理器的情況下)可滿足國5排放法規(guī)要求，并在加裝氧化催化器和顆粒捕集器后可滿足歐6排放法規(guī)，同時柴油機燃油經(jīng)濟(jì)性提高2. 5%-5%。
權(quán)利要求
1.一種改善柴油機低溫燃燒碳煙排放和燃油經(jīng)濟(jì)性方法，其特征在于它包括以下步驟(1)控制單元分別讀取安裝在發(fā)動機曲軸上的傳感器的轉(zhuǎn)速信號、安裝在油門踏板上的傳感器的發(fā)動機負(fù)荷信號并根據(jù)所述的轉(zhuǎn)速信號和發(fā)動機負(fù)荷信號判斷發(fā)動機運行的負(fù)荷和轉(zhuǎn)速工況；(2)如果步驟(I)中的判斷結(jié)果為中低負(fù)荷工況，進(jìn)氣條件控制器根據(jù)讀取的進(jìn)氣溫度參數(shù)輸出控制信號，控制方法如下減小高壓級和低壓級廢氣再循環(huán)回路中的高壓級和低壓級廢氣再循環(huán)冷卻器開度以及進(jìn)氣總管上第一、第二級中冷器的開度；同時電子控制單元控制噴霧錐角為140度的小噴射錐角噴油器的噴油時刻為上止點前0-10度曲軸轉(zhuǎn)角；(3)如果步驟(I)中的判斷結(jié)果為大負(fù)荷工況，進(jìn)氣條件控制器根據(jù)讀取的進(jìn)氣溫度參數(shù)輸出控制信號，控制方法如下增大高壓級和低壓級廢氣再循環(huán)回路中的高壓級和低壓級廢氣再循環(huán)冷卻器開度以及進(jìn)氣總管上第一、第二級中冷器的開度；同時電子控制單元控制小噴射錐角噴油器的第一次噴油時刻為上止點前10-20度曲軸轉(zhuǎn)角，第二次噴油時刻為上止點后0-26度曲軸轉(zhuǎn)角；(4)如果步驟(I)中的判斷結(jié)果為中低轉(zhuǎn)速工況，進(jìn)氣條件控制器根據(jù)讀取的進(jìn)氣壓力參數(shù)，輸出控制信號，控制方法如下調(diào)小或關(guān)閉安裝在發(fā)動機排氣旁接管上的電控旁通閥開度，同時進(jìn)氣條件控制器根據(jù)讀取的進(jìn)氣氧濃度參數(shù)和中低轉(zhuǎn)速工況下負(fù)荷的變化參數(shù)，向高壓級廢氣再循環(huán)閥和低壓級廢氣再循環(huán)閥發(fā)出脈沖指令，調(diào)節(jié)高壓級廢氣再循環(huán)閥和低壓級廢氣再循環(huán)閥的閥門開度使廢氣再循環(huán)率保持在40%-55%，此時經(jīng)氣缸的排氣門排出的部分廢氣排氣流經(jīng)高壓級廢氣再循環(huán)冷卻器、單向閥和高壓級廢氣再循環(huán)閥進(jìn)入高壓級壓氣機的出口，形成高壓級廢氣再循環(huán)回路；另一部分廢氣排氣流經(jīng)高壓級渦輪機或者直接通過電控旁通閥進(jìn)入低壓級渦輪機、顆粒捕集器、低壓級廢氣再循環(huán)冷卻器和低壓級廢氣再循環(huán)閥進(jìn)入低壓級壓氣機的進(jìn)氣口，形成低壓級廢氣再循環(huán)回路；進(jìn)氣以及經(jīng)過低壓級廢氣再循環(huán)回路的廢氣形成的混合氣一起經(jīng)低壓級壓氣機壓縮，然后流經(jīng)第一級中冷器冷卻以增加空氣密度、增大進(jìn)氣量；經(jīng)第一級中冷器后，混合氣進(jìn)入高壓級壓氣機進(jìn)一步壓縮，然后與經(jīng)過高壓級廢氣再循環(huán)回路的廢氣再經(jīng)第二級中冷器進(jìn)一步冷卻，最后經(jīng)進(jìn)氣總管進(jìn)入氣缸；(5)如果步驟(I)中的判斷結(jié)果為高轉(zhuǎn)速工況，進(jìn)氣條件控制器根據(jù)讀取的進(jìn)氣壓力參數(shù)，輸出控制信號，控制方法如下調(diào)高或完全打開安裝在發(fā)動機排氣旁接管上的電控旁通閥開度，同時進(jìn)氣條件控制器根據(jù)讀取的進(jìn)氣氧濃度參數(shù)和高轉(zhuǎn)速工況下負(fù)荷的變化參數(shù)，向高壓級廢氣再循環(huán)閥和低壓級廢氣再循環(huán)閥發(fā)出脈沖指令，調(diào)節(jié)高壓級廢氣再循環(huán)閥和低壓級廢氣再循環(huán)閥的閥門開度使廢氣再循環(huán)率保持在40%-55%，此時經(jīng)氣缸的排氣門排出的部分廢氣排氣流經(jīng)高壓級廢氣再循環(huán)冷卻器、單向閥和高壓級廢氣再循環(huán)閥進(jìn)入高壓級壓氣機的出口，形成高壓級廢氣再循環(huán)回路；另一部分廢氣排氣流經(jīng)高壓級渦輪機或者直接通過電控旁通閥進(jìn)入低壓級渦輪機、顆粒捕集器、低壓級廢氣再循環(huán)冷卻器和低壓級廢氣再循環(huán)閥進(jìn)入低壓級壓氣機的進(jìn)氣口，形成低壓級廢氣再循環(huán)回路；進(jìn)氣以及經(jīng)過低壓級廢氣再循環(huán)回路的廢氣形成的混合氣一起經(jīng)低壓級壓氣機壓縮，然后流經(jīng)第一級中冷器冷卻以增加空氣密度、增大進(jìn)氣量；經(jīng)第一級中冷器后，混合氣進(jìn)入高壓級壓氣機進(jìn)一步壓縮，然后與經(jīng)過高壓級廢氣再循環(huán)回路的廢氣再經(jīng)第二級中冷器進(jìn)一步冷卻，最后經(jīng)進(jìn)氣總管進(jìn)入氣缸。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的改善柴油機低溫燃燒碳煙排放和燃油經(jīng)濟(jì)性方法，其特征在于所述的步驟(I)至步驟(5)中的發(fā)動機氣缸的壓縮比為16，發(fā)動機氣缸內(nèi)活塞的縮口直徑為65. 6mm，縮口直徑與氣缸直徑比為62. 5%，活塞凹坑深度為18. 8mm,凹坑深度與氣缸直徑比為17. 9%，活塞凹坑圓弧處半徑為6mm，活塞環(huán)槽距頂面高度為4mm。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種改善柴油機低溫燃燒碳煙排放和燃油經(jīng)濟(jì)性方法，它包括以下步驟(1)控制單元分別讀取安裝在發(fā)動機曲軸上的傳感器的轉(zhuǎn)速信號、安裝在油門踏板上的傳感器的發(fā)動機負(fù)荷信號并根據(jù)轉(zhuǎn)速信號和發(fā)動機負(fù)荷信號判斷發(fā)動機運行的負(fù)荷和轉(zhuǎn)速工況；(2)根據(jù)步驟(1)中的判斷結(jié)果輸出控制信號。本方法有效推遲柴油機低溫燃燒碳煙開始顯著增大的EGR率，使EGR容忍度從35%提高到55%以上，而且使碳煙排放峰值有效降低。
文檔編號F02D43/00GK103061909SQ20131000450
公開日2013年4月24日 申請日期2013年1月7日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月7日
發(fā)明者劉海峰, 堯命發(fā), 鄭尊清, 張全長 申請人:天津大學(xué)