一種改善柴油機低溫燃燒碳煙排放和燃油經濟性方法

2023-11-03 17:39:22

專利名稱：一種改善柴油機低溫燃燒碳煙排放和燃油經濟性方法
技術領域：
本發明涉及內燃機領域，特別涉及一種降低柴油機低溫燃燒過程碳煙排放、提高 低溫燃燒燃油經濟性的方法。
背景技術：
柴油機以其高扭矩、低油耗的特點廣泛應用於城市公共運輸、物流運輸、工程機械 等領域。但是由於柴油機擴散燃燒的本質特徵造成缸內存在明顯的局部混合氣過濃區和高 溫區，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，即所謂的折衷關係。
近十年來，柴油機低溫燃燒作為一種新型燃燒模式，突破了傳統柴油機擴散燃燒 概念，在實現柴油機高效清潔燃燒方面展現出巨大潛力，成為國際內燃機燃燒科學與技術 研究的前沿和熱點。柴油機低溫燃燒通過採用大比例廢氣再循環策略，有效延長燃燒滯燃 期並降低燃燒溫度，從而改變缸內燃燒反應過程的混合氣濃度和溫度發展歷程，避開NOx和 碳煙生成區域，實現對有害排放產物的控制，擺脫了柴油機傳統燃燒中NOx與碳煙的折衷關 系，認為是滿足未來柴油機嚴格排放法規的主要燃燒模式。
柴油機低溫燃燒過程大比例EGR使NOx排放接近於零，但EGR對碳煙排放影響較復 雜低比例EGR使碳煙排放相當或略有升高；EGR提高到一定比例時，碳煙排放迅速升高，出 現碳煙峰值區域；EGR率進一步提高後，碳煙排放開始明顯降低，甚至達到零碳煙排放。可 見，柴油機低溫燃燒低碳煙和低NOx排放局限於特定的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區域(約50%)，EGR率細小的變化有 可能導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區域，盡 管碳煙和氮氧化物排放都接近為零，但燃油經濟性顯著惡化，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。發明內容
本發明的目的在於克服已有技術的缺點，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濟性方法。
本發明的一種改善柴油機低溫燃燒碳煙排放和燃油經濟性方法，它包括以下步 驟
(I)控制單元分別讀取安裝在發動機曲軸上的傳感器的轉速信號、安裝在油門踏 板上的傳感器的發動機負荷信號並根據所述的轉速信號和發動機負荷信號判斷發動機運行的負荷和轉速工況；
(2)如果步驟(I)中的判斷結果為中低負荷工況，進氣條件控制器根據讀取的進 氣溫度傳感器的進氣溫度參數輸出控制信號，控制方法如下減小高壓級和低壓級廢氣再 循環迴路中的高壓級和低壓級廢氣再循環冷卻器開度以及進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度曲軸轉角；
(3)如果步驟(I)中的判斷結果為大負荷工況，進氣條件控制器根據讀取的進氣 溫度參數輸出控制信號，控制方法如下增大高壓級和低壓級廢氣再循環迴路中的高壓級 和低壓級廢氣再循環冷卻器開度以及進氣總管上第一、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度曲軸轉角，第二次噴 油時刻為上止點後0-26度曲軸轉角；
(4)如果步驟(I)中的判斷結果為中低轉速工況，進氣條件控制器根據讀取的進 氣壓力參數，輸出控制信號，控制方法如下調小或關閉安裝在發動機排氣旁接管上的電控 旁通閥開度，同時進氣條件控制器根據讀取的進氣氧濃度參數和中低轉速工況下負荷的變 化參數，向高壓級廢氣再循環閥和低壓級廢氣再循環閥發出脈衝指令，調節高壓級廢氣再 循環閥和低壓級廢氣再循環閥的閥門開度使廢氣再循環率保持在40%-55%，此時經氣缸的 排氣門排出的部分廢氣排氣流經高壓級廢氣再循環冷卻器、單向閥和高壓級廢氣再循環閥 進入高壓級壓氣機的出口，形成高壓級廢氣再循環迴路；另一部分廢氣排氣流經高壓級渦 輪機或者直接通過電控旁通閥進入低壓級渦輪機、顆粒捕集器、低壓級廢氣再循環冷卻器 和低壓級廢氣再循環閥進入低壓級壓氣機的進氣口，形成低壓級廢氣再循環迴路；進氣以 及經過低壓級廢氣再循環迴路的廢氣形成的混合氣一起經低壓級壓氣機壓縮，然後流經第 一級中冷器冷卻以增加空氣密度、增大進氣量；經第一級中冷器後，混合氣進入高壓級壓氣 機進一步壓縮，然後與經過高壓級廢氣再循環迴路的廢氣再經第二級中冷器進一步冷卻， 最後經進氣總管進入氣缸；
(5)如果步驟(I)中的判斷結果為高轉速工況，進氣條件控制器根據讀取的進氣 壓力參數，輸出控制信號，控制方法如下調高或完全打開安裝在發動機排氣旁接管上的電 控旁通閥開度，同時進氣條件控制器根據讀取的進氣氧濃度參數和高轉速工況下負荷的變 化參數，向高壓級廢氣再循環閥和低壓級廢氣再循環閥發出脈衝指令，調節高壓級廢氣再 循環閥和低壓級廢氣再循環閥的閥門開度使廢氣再循環率保持在40%-55%，此時經氣缸的 排氣門排出的部分廢氣排氣流經高壓級廢氣再循環冷卻器、單向閥和高壓級廢氣再循環閥 進入高壓級壓氣機的出口，形成高壓級廢氣再循環迴路；另一部分廢氣排氣流經高壓級渦 輪機或者直接通過電控旁通閥進入低壓級渦輪機、顆粒捕集器、低壓級廢氣再循環冷卻器 和低壓級廢氣再循環閥進入低壓級壓氣機的進氣口，形成低壓級廢氣再循環迴路；進氣以 及經過低壓級廢氣再循環迴路的廢氣形成的混合氣一起經低壓級壓氣機壓縮，然後流經第 一級中冷器冷卻以增加空氣密度、增大進氣量；經第一級中冷器後，混合氣進入高壓級壓氣 機進一步壓縮，然後與經過高壓級廢氣再循環迴路的廢氣再經第二級中冷器進一步冷卻， 最後經進氣總管進入氣缸。
與現有技術相比，本發明具有如下四方面優勢
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排放增大後，其增大的幅度也較之前明顯降低；
第三，本發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化過程，燃油經濟性改善了 2. 5%-5%。
第四，EGR率變化對燃燒排放和燃油經濟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是本發明的控制邏輯示意圖；圖2是本發明的改善柴油機低溫燃燒碳煙排放和燃油經濟性的方法的系統示意 圖；圖3是本發明圖2所示的系統中的低壓縮比強湍流活塞示意圖；圖4是採用本發明方法後發動機碳煙排放效果圖；圖5-1是採用本發明後柴油機排放和燃油經濟性效果圖；圖5-2是圖5_1縱坐標局部放大圖。
具體實施方式
下面結合附圖和具體實施例對本發明作以詳細描述。
如圖所示，本發明的一種改善柴油機低溫燃燒碳煙排放和燃油經濟性方法，它包括以下步驟(I)控制單元分別讀取安裝在發動機曲軸上的傳感器的轉速信號、安裝在油門踏板上的傳感器的發動機負荷信號並根據所述的轉速信號和發動機負荷信號判斷發動機運行的負荷和轉速工況；(2)如果步驟(I)中的判斷結果為中低負荷工況，進氣條件控制器18根據讀取的進氣溫度傳感器15的溫度參數輸出控制信號，控制方法如下減小高壓級和低壓級廢氣再循環迴路中的高壓級和低壓級廢氣再循環冷卻器10、13開度以及進氣總管上第一、第二級中冷器2、4的開度，提高進入進氣總管內的EGR溫度，獲取較高的進氣溫度，保證中低負荷燃燒穩定性，降低中低負荷由於較低的燃燒溫度產生的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度曲軸轉角，使發動機工作在燃油經濟性最優的噴油時刻下，改善燃油經濟性；(3)如果步驟(I)中的判斷結果為大負荷工況，進氣條件控制器根據讀取的進氣溫度參數輸出控制信號，控制方法如下增大高壓級和低壓級廢氣再循環迴路中的高壓級和低壓級廢氣再循環冷卻器開度以及進氣總管上第一、第二級中冷器的開度，降低進入進氣管內的EGR溫度和進入氣缸內的氣體溫度，獲取更大的進氣量，改善大負荷下燃空當量比分布；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度曲軸轉角；使大負荷下較大的噴油質量可以有更充分的時間與空氣混合，此外針對大負荷下碳煙控制的難題，增加一次後噴，第二次噴油時刻為上止點後0-26度曲軸轉角；(4)如果步驟(I)中的判斷結果為中低轉速工況，進氣條件控制器根據讀取的進氣壓力參數，輸出控制信號，控制方法如下調小或關閉安裝在發動機排氣旁接管上的電控旁通閥開度，同時進氣條件控制器根據讀取的進氣氧 濃度參數和中低轉速工況下負荷的變化參數，向高壓級廢氣再循環閥和低壓級廢氣再循環 閥發出脈衝指令，調節高壓級廢氣再循環閥和低壓級廢氣再循環閥的閥門開度使廢氣再循 環率(廢氣再循環率是指進入氣缸內的廢氣質量與進氣總質量之比)保持在40%-55%，此時 經氣缸的排氣門排出的部分廢氣排氣流經高壓級廢氣再循環冷卻器10、單向閥11和高壓 級廢氣再循環閥12進入高壓級壓氣機3的出口，形成高壓級廢氣再循環迴路；另一部分廢 氣排氣流經高壓級渦輪機或者直接通過電控旁通閥進入低壓級渦輪機7、顆粒捕集器8、低 壓級廢氣再循環冷卻器13和低壓級廢氣再循環閥14進入低壓級壓氣機的進氣口，形成低 壓級廢氣再循環迴路，從而滿足低溫燃燒對大比例廢氣再循環的需求、有效降低氮氧化物 排放；進氣以及經過低壓級廢氣再循環迴路的廢氣形成的混合氣一起經低壓級壓氣機I壓 縮，然後流經第一級中冷器2冷卻以增加空氣密度、增大進氣量；經第一級中冷器後，混合 氣進入高壓級壓氣機進一步壓縮，然後與經過高壓級廢氣再循環迴路的廢氣再經第二級中 冷器4進一步冷卻，最後經進氣總管進入氣缸，兩級壓氣機的增壓效果可以保持低溫燃燒 大比例EGR下進入缸內的新鮮空氣量，降低燃空當量比和碳煙排放。(5)如果步驟(I)中 的判斷結果為高轉速工況，進氣條件控制器根據讀取的進氣壓力參數，輸出控制信號，控制 方法如下調高或完全打開安裝在發動機排氣旁接管上的電控旁通閥開度，同時進氣條件 控制器根據讀取的進氣氧濃度參數和高轉速工況下負荷的變化參數，向高壓級廢氣再循環 閥和低壓級廢氣再循環閥發出脈衝指令，調節高壓級廢氣再循環閥和低壓級廢氣再循環閥 的閥門開度使廢氣再循環率保持在40%-55%，此時經氣缸的排氣門排出的部分廢氣排氣流 經高壓級廢氣再循環冷卻器、單向閥和高壓級廢氣再循環閥進入高壓級壓氣機的出口，形 成高壓級廢氣再循環迴路；另一部分廢氣排氣流經高壓級渦輪機或者直接通過電控旁通閥 進入低壓級渦輪機、顆粒捕集器、低壓級廢氣再循環冷卻器和低壓級廢氣再循環閥進入低 壓級壓氣機的進氣口，形成低壓級廢氣再循環迴路；進氣以及經過低壓級廢氣再循環迴路 的廢氣形成的混合氣一起經低壓級壓氣機壓縮，然後流經第一級中冷器冷卻以增加空氣密 度、增大進氣量；經第一級中冷器後，混合氣進入高壓級壓氣機進一步壓縮，然後與經過高 壓級廢氣再循環迴路的廢氣再經第二級中冷器進一步冷卻，最後經進氣總管進入氣缸。在 步驟(2)-(5)的實施過程中，通過溫度傳感器15和進氣條件控制器18對高壓級和低壓級 廢氣再循環冷卻器開度以及進氣總管上第一第二級中冷器的開度進行調節，始終保持對進 氣溫度進行比例-積分-微分(PID)閉環控制；通過壓力傳感器16、氧濃度傳感器17、進氣 條件控制器18對電控旁通閥和廢氣再循環(EGR)閥開度進行調節，始終保持對進氣壓力和 燃空當量比(進氣成分)進行PID閉環控制，根據上述不同的發動機工況，獲取最優的進氣條 件。
所述的步驟(I)至步驟(5)中的發動機氣缸的壓縮比為16，發動機氣缸的活塞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 ;活塞環槽25距頂面高 度H2為4mm。
當電子控制單元控制噴油器的噴油時刻同時與本發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擴散、蒸發、混合。
當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溼壁的可能性，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，有效增大燃燒室內湍流強度及湍流保持率，進一步增強燃燒前和燃燒期間油氣的混合過程，此外針對大負荷下碳煙控制的難題，增加一次後噴，進一步促進燃燒後期碳煙以及未燃HC和CO的氧化,實現低溫清潔燃燒。在不同發動機轉速工況下，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，有利於提升燃燒室內湍流強度及湍流保持率，進一步增強燃燒前和燃燒期間油氣的混合過程，尤其是在高轉速下，低壓縮比強湍流燃燒室可以有效補充因為轉速提高造成混合時間縮短這一問題。圖2是實現本發明方法的一種系統示意圖，它包括氣缸、空氣管理系統、噴油策略控制系統，所述的空氣管理系統包括進氣總管和排氣總管，在所述的進氣總管上沿進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，所述的進氣總管的出氣口與氣缸的進氣門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軸相連，所述的高壓級壓氣機與高壓級渦輪機通過轉軸相連，高壓級廢氣再循環迴路的進氣端與位於排氣總管的進氣口端和高壓級渦輪機之間的排氣總管相連通並且高壓級廢氣再循環迴路的排氣端與位於高壓級壓氣機3和第二級中冷器之4間的進氣總管相連通，在所述的高壓級廢氣再循環迴路上沿進氣端依次裝有高壓級廢氣再循環冷卻器10、單向閥11和高壓級廢氣再循環閥12，低壓級廢氣再循環迴路的進氣端與位於排氣總管的顆粒捕集器9之後的排氣管路相連通並且低壓級廢氣再循環迴路的出氣端與所述的進氣總管的進氣端相連通，在所述的低壓級廢氣再循環迴路上沿進氣端依次裝有低壓級廢氣再循環冷卻器13和低壓級廢氣再循環閥14，在高壓級渦輪機的上遊和下遊之間安裝有廢氣旁通閥，廢氣旁通閥進氣口端與排氣總管的排氣端相連通並且其出氣口端與位於低壓級渦輪機和高壓級渦輪機之間的排氣總管相連通，在進氣總管的出氣口與氣缸的進氣門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、氧濃度傳感器與進氣條件控制器(PID) 18相連並把反饋信號傳輸給高壓級廢氣再循環冷卻器、高壓級廢氣再循環閥、低壓級廢氣再循環冷卻器、低壓級廢氣再循環閥、進氣總管上的第一級、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通過向噴油器發送控制信號，按照發動機不同運轉工況的需求調整噴油時刻。如圖3所示，發動機氣缸內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，有效增大燃燒室內湍流強度及湍流保持率，進一步增強燃燒前和燃燒期間油氣的混合過程；活塞環槽距頂面高度H2為4mm，減小狹縫容積內碳氫和一氧化碳的生成。本活塞結構可以形成較低的壓縮比結構(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。
經檢驗本發明一種改善柴油機低溫燃燒碳煙排放和燃油經濟性的方法可以實現在寬廣的EGR率下使柴油機的碳煙排放和燃油經濟性保持在很好的數值內，實現缸內燃燒反應物混合充分均勻、充分廢氣稀釋的大比例預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，進一步增大燃油與氣體的混合過程，保證燃燒反應物混合充分均勻，抑制碳煙排放；進氣溫度、壓力、成分的閉環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；新結構的較小狹縫容積的活塞、結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；儘管壓縮比降低會導致熱效率的降低，但是滯燃期的延長導致預混燃燒比例增大、燃燒放熱重心、燃燒持續期得到優化，燃油經濟性得到一定改善。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，實現高效清潔低溫燃燒，其有害汙染物缸內原始排放滿足國5排放法規，並在加裝簡單的柴油機氧化催化器和顆粒補集器後可滿足歐6排放法規，同時柴油機燃油經濟性提高
2.5%-5%。圖4和圖5是在本發明的發動機裝置上，應用本發明的一種改善柴油機低溫燃燒碳煙排放和燃油經濟性方法之後取得的具體試驗結果。圖4是採用本發明的低壓縮比強湍流活塞後採集的碳煙排放數據，圖中表明，採用新設計的低壓縮比活塞後，碳煙排放明顯降低，進一步結合噴油策略的控制(推遲噴油時刻)，基本消除碳煙峰值區域。圖5是使用兩級增壓、高EGR率、結合低壓縮比活塞、噴油策略控制後獲得的碳煙、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、噴油策略控制系統以及新設計的低壓縮比活塞，本發明可以使發動機承受更高比例的EGR (達到55%)而不引起碳煙、HC、C0和燃油經濟性的惡化，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，提高了燃油經濟性。圖5-2為圖5-1的局部坐標放大效果，虛線標明的是國5排放限值，其中HC、C0排放滿足限值要求，NOx遠低於歐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濟性改進2. 5%。圖5-1和5-2隻是實際應用的一個工況測試點，其他工況下依據本發明的控制方法，可以實現很好的排放物與燃油經濟性測試結果。最後，應用本發明所述控制方法、按照排放測試法規測試後，本發明發動機的有害汙染物缸內原始排放可滿足國5排放法規，並在加裝氧化催化器和顆粒捕集器後可滿足歐6排放法規，同時柴油機燃油經濟性提高2. 5%-5%。實施例1(I)控制單元分別讀取安裝在發動機曲軸上的傳感器的轉速信號、安裝在油門踏板上的傳感器的發動機負荷信號並根據所述的轉速信號和發動機負荷信號判斷發動機運行的負荷和轉速工況；發動機氣缸的壓縮比控制在16，活塞環槽距頂面高度為4mm。發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)中的判斷結果為中低負荷工況，進氣條件控制器根據讀取的進氣溫度參數輸出控制信號，控制方法如下減小高壓級和低壓級廢氣再循環迴路中的高壓級和低壓級廢氣再循環冷卻器開度以及進氣總管上第一、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度曲軸轉角；(3)如果步驟(I)中的判斷結果為大負荷工況，進氣條件控制器根據讀取的進氣溫度參數輸出控制信號，控制方法如下增大高壓級和低壓級廢氣再循環迴路中的高壓級和低壓級廢氣再循環冷卻器開度以及進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度曲軸轉角，第二次噴油時刻為上止點後0-26度曲軸轉角；(4)如果步驟(I)中的判斷結果為中低轉速工況，進氣條件控制器根據讀取的進氣壓力參數，輸出控制信號，控制方法如下調小或關閉安裝在發動機排氣旁接管上的電控旁通閥開度，同時進氣條件控制器根據讀取的進氣氧濃度參數和中低轉速工況下負荷的變化參數，向高壓級廢氣再循環閥和低壓級廢氣再循環閥發出脈衝指令，調節高壓級廢氣再循環閥和低壓級廢氣再循環閥的閥門開度使廢氣再循環率保持在40-55%，此時經氣缸的排氣門排出的部分廢氣排氣流經高壓級廢氣再循環冷卻器、單向閥和高壓級廢氣再循環閥進入高壓級壓氣機的出口，形成高壓級廢氣再循環迴路；另一部分廢氣排氣流經高壓級渦輪機或者直接通過電控旁通閥進入低壓級渦輪機、顆粒捕集器、低壓級廢氣再循環冷卻器和低壓級廢氣再循環閥進入低壓級壓氣機的進氣口，形成低壓級廢氣再循環迴路；進氣以及經過低壓級廢氣再循環迴路的廢氣形成的混合氣一起經低壓級壓氣機壓縮，然後流經第一級中冷器冷卻以增加空氣密度、增大進氣量；經第一級中冷器後，混合氣進入高壓級壓氣機進一步壓縮，然後與經過高壓級廢氣再循環迴路的廢氣再經第二級中冷器進一步冷卻，最後經進氣總管進入氣缸；(5)如果步驟(I)中的判斷結果為高轉速工況，進氣條件控制器根據讀取的進氣壓力參數，輸出控制信號，控制方法如下調高或完全打開安裝在發動機排氣旁接管上的電控旁通閥開度，同時進氣條件控制器根據讀取的進氣氧濃度參數和高轉速工況下負荷的變化參數，向高壓級廢氣再循環閥和低壓級廢氣再循環閥發出脈衝指令，調節高壓級廢氣再循環閥和低壓級廢氣再循環閥的閥門開度使廢氣再循環率保持在40-55%，此時經氣缸的排氣門排出的部分廢氣排氣流經高壓級廢氣再循環冷卻器、單向閥和高壓級廢氣再循環閥進入高壓級壓氣機的出口，形成高壓級廢氣再循環迴路；另一部分廢氣排氣流經高壓級渦輪機或者直接通過電控旁通閥進入低壓級渦輪機、顆粒捕集器、低壓級廢氣再循環冷卻器和低壓級廢氣再循環閥進入低壓級壓氣機的進氣口，形成低壓級廢氣再循環迴路；進氣以及經過低壓級廢氣再循環迴路的廢氣形成的混合氣一起經低壓級壓氣機壓縮，然後流經第一級中冷器冷卻以增加空氣密度、增大進氣量；經第一級中冷器後，混合氣進入高壓級壓氣機進一步壓縮，然後與經過高壓級廢氣再循環迴路的廢氣再經第二級中冷器進一步冷卻，最後經進氣總管進入氣缸。經測試應用本發明所述控制方法，很好實現了高比例EGR條件下碳煙排放降低、燃油經濟性提高的目標。按照排放測試法規測試後，本發明發動機的有害汙染物缸內原始排放(即在無後處理器的情況下)可滿足國5排放法規要求，並在加裝氧化催化器和顆粒捕集器後可滿足歐6排放法規，同時柴油機燃油經濟性提高2. 5%-5%。
權利要求
1.一種改善柴油機低溫燃燒碳煙排放和燃油經濟性方法，其特徵在於它包括以下步驟(1)控制單元分別讀取安裝在發動機曲軸上的傳感器的轉速信號、安裝在油門踏板上的傳感器的發動機負荷信號並根據所述的轉速信號和發動機負荷信號判斷發動機運行的負荷和轉速工況；(2)如果步驟(I)中的判斷結果為中低負荷工況，進氣條件控制器根據讀取的進氣溫度參數輸出控制信號，控制方法如下減小高壓級和低壓級廢氣再循環迴路中的高壓級和低壓級廢氣再循環冷卻器開度以及進氣總管上第一、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度曲軸轉角；(3)如果步驟(I)中的判斷結果為大負荷工況，進氣條件控制器根據讀取的進氣溫度參數輸出控制信號，控制方法如下增大高壓級和低壓級廢氣再循環迴路中的高壓級和低壓級廢氣再循環冷卻器開度以及進氣總管上第一、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度曲軸轉角，第二次噴油時刻為上止點後0-26度曲軸轉角；(4)如果步驟(I)中的判斷結果為中低轉速工況，進氣條件控制器根據讀取的進氣壓力參數，輸出控制信號，控制方法如下調小或關閉安裝在發動機排氣旁接管上的電控旁通閥開度，同時進氣條件控制器根據讀取的進氣氧濃度參數和中低轉速工況下負荷的變化參數，向高壓級廢氣再循環閥和低壓級廢氣再循環閥發出脈衝指令，調節高壓級廢氣再循環閥和低壓級廢氣再循環閥的閥門開度使廢氣再循環率保持在40%-55%，此時經氣缸的排氣門排出的部分廢氣排氣流經高壓級廢氣再循環冷卻器、單向閥和高壓級廢氣再循環閥進入高壓級壓氣機的出口，形成高壓級廢氣再循環迴路；另一部分廢氣排氣流經高壓級渦輪機或者直接通過電控旁通閥進入低壓級渦輪機、顆粒捕集器、低壓級廢氣再循環冷卻器和低壓級廢氣再循環閥進入低壓級壓氣機的進氣口，形成低壓級廢氣再循環迴路；進氣以及經過低壓級廢氣再循環迴路的廢氣形成的混合氣一起經低壓級壓氣機壓縮，然後流經第一級中冷器冷卻以增加空氣密度、增大進氣量；經第一級中冷器後，混合氣進入高壓級壓氣機進一步壓縮，然後與經過高壓級廢氣再循環迴路的廢氣再經第二級中冷器進一步冷卻，最後經進氣總管進入氣缸；(5)如果步驟(I)中的判斷結果為高轉速工況，進氣條件控制器根據讀取的進氣壓力參數，輸出控制信號，控制方法如下調高或完全打開安裝在發動機排氣旁接管上的電控旁通閥開度，同時進氣條件控制器根據讀取的進氣氧濃度參數和高轉速工況下負荷的變化參數，向高壓級廢氣再循環閥和低壓級廢氣再循環閥發出脈衝指令，調節高壓級廢氣再循環閥和低壓級廢氣再循環閥的閥門開度使廢氣再循環率保持在40%-55%，此時經氣缸的排氣門排出的部分廢氣排氣流經高壓級廢氣再循環冷卻器、單向閥和高壓級廢氣再循環閥進入高壓級壓氣機的出口，形成高壓級廢氣再循環迴路；另一部分廢氣排氣流經高壓級渦輪機或者直接通過電控旁通閥進入低壓級渦輪機、顆粒捕集器、低壓級廢氣再循環冷卻器和低壓級廢氣再循環閥進入低壓級壓氣機的進氣口，形成低壓級廢氣再循環迴路；進氣以及經過低壓級廢氣再循環迴路的廢氣形成的混合氣一起經低壓級壓氣機壓縮，然後流經第一級中冷器冷卻以增加空氣密度、增大進氣量；經第一級中冷器後，混合氣進入高壓級壓氣機進一步壓縮，然後與經過高壓級廢氣再循環迴路的廢氣再經第二級中冷器進一步冷卻，最後經進氣總管進入氣缸。
2.根據權利要求1所述的改善柴油機低溫燃燒碳煙排放和燃油經濟性方法，其特徵在於所述的步驟(I)至步驟(5)中的發動機氣缸的壓縮比為16，發動機氣缸內活塞的縮口直徑為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，活塞環槽距頂面高度為4mm。
全文摘要
本發明公開了一種改善柴油機低溫燃燒碳煙排放和燃油經濟性方法，它包括以下步驟(1)控制單元分別讀取安裝在發動機曲軸上的傳感器的轉速信號、安裝在油門踏板上的傳感器的發動機負荷信號並根據轉速信號和發動機負荷信號判斷發動機運行的負荷和轉速工況；(2)根據步驟(1)中的判斷結果輸出控制信號。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 優先權日2013年1月7日
發明者劉海峰, 堯命發, 鄭尊清, 張全長 申請人:天津大學