一种汽油直接压燃发动机的运行控制方法

摘要

本发明公开了一种汽油直接压燃发动机的运行装置，缸内装有电热塞，在经过中冷器的进气管中旁通了一段进气旁通管，管路的流向由一进气控制阀控制，ECU根据读取转速和油门位置信号判断发动机运行的负荷，当冷起动时，控制电热塞对缸内混合气加热、控制高温的压缩空气不经中冷器冷却；小负荷时，采用负气门叠开角的方式解决汽油压燃发动机在小负荷工况下部分燃烧的问题；中等负荷时，利用内外部EGR协同控制实现汽油压燃发动机的高效清洁燃烧；高负荷时，采用小的内部EGR，大的外部EGR，以抑制缸内的最大压力升高率。本发明可以实现汽油压燃发动机在宽负载范围内的高效清洁燃烧。在改善燃油消耗率的同时保持较低的氮氧化物和碳烟排放。

权利要求

1.一种汽油直接压燃发动机的运行控制方法，所涉及到的汽油直接压燃发动机的运行装置包括气缸(15)，所述气缸(15)内设有活塞(82)，所述气缸(15)的缸盖(81)上安装有进气门(7)和排气门(9)，由缸盖(81)、进气门(7)、排气门(9)、活塞(82)和气缸套包围形成的空腔为燃烧室(8)，进气由进气管(1)通入燃烧室(8)，排气由排气管(11)从燃烧室(8)内排出；所述进气管(1)的末端安装有电热塞(6)和汽油喷油器(5)，所述汽油喷射器(5)与电热塞(6)并列位于缸盖(81)下方，在所述进气管(1)上沿着进气方向安装有压气机(2)和中冷器(4)，所述排气管(11)上设有与所述压气机(2)同轴连接的涡轮机(12)；在进气管(1)上、位于所述中冷器(4)的两端与所述中冷器(4)并联一进气旁通管(10)，所述进气旁通管(10)的进气端与所述进气管(1)的交汇处设有进气控制阀(3)，所述进气控制阀(3)为三向阀；所述进气控制阀(3)与ECU相连，所述ECU控制所述进气控制阀(3)，从而实现进气是经过所述中冷器(4)进入燃烧室(8)还是经过进气旁管(10)进入所述燃烧室(8)；所述进气管(1)的进气端与所述排气管(11)的排气端之间连接有外部EGR循环管(14)，所述外部EGR循环管(14)上设有外部EGR阀(13)；所述外部EGR阀(13)与ECU相连；排气经所述排气管(11)带动所述涡轮机(12)转动，部分排气经外部EGR循环管(14)流向所述进气管(1)，所述ECU控制所述外部EGR阀(13)的开度大小；

其特征在于，利用VVT控制进气门(7)和排气门(9)；并包括以下步骤：

步骤一、ECU分别读取安装在发动机曲轴上传感器的转速信号、安装在油门踏板上传感器的位置信号并根据所读取的信号判断发动机运行的工况；

步骤二、当冷起动时，ECU控制进气控制阀(3)开向进气旁通管(10)，使得高温的压缩空气不经中冷器(4)冷却，ECU控制电热塞(6)对燃烧室(8)内的混合气进行加热；在非冷起动工况，电热塞(6)不工作；

步骤三、根据步骤一判断的结果有以下几种情形之一：

如果判断结果为小负荷工况，则ECU控制进气控制阀(3)开向进气旁通管(10)，并采用负气门叠开角的方式，此时，ECU控制外部EGR阀(13)关闭；利用内部EGR解决汽油压燃发动机在小负荷工况下部分燃烧的问题；

如果判断结果为中等负荷工况，则ECU控制进气控制阀(3)开向中冷器(4)，使进气经中冷器(4)流向燃烧室(8)；并采用内部EGR与外部EGR协同控制，通过负气门叠开角实现内部EGR，ECU控制外部EGR阀(13)的开度实现外部EGR，利用内部EGR保证汽油压燃发动机在压缩上止点附近达到压燃温度，外部EGR抑制最大压力升高率；随着负荷的增加，缸内工作环境温度逐渐升高，减少内部EGR对混合气加热，增加外部EGR，实现抑制缸内的最大压力升高率，从而实现汽油压燃发动机的高效清洁燃烧；

如果判断结果为高负荷工况，ECU控制进气控制阀(3)开向中冷器(4)，使得进气经中冷器(4)流向燃烧室(8)，采用尽可能小的内部EGR、大的外部EGR；并采用大的正气门叠开角，以减少内部EGR；随着负荷的增大，利用外部EGR以抑制缸内最大压力升高率。

说明书

一种汽油直接压燃发动机的运行控制方法

技术领域

[0001] 本发明涉及内燃机技术领域，特别是涉及一种汽油直接压燃发动机的运行装置及控制方法。

背景技术

[0002] 随着汽油机技术的发展以及排放法规的日益严格，对现有汽油机技术提出了更为严峻的挑战。目前的较为先进的技术，如汽油机的分层稀薄混合气燃烧和缸内直喷，以及废气再循环、废气催化转化等，都难以满足新法规的要求。

[0003] 近年来，为实现汽油机技术在性能和排放方面取得新的突破，国内外正在积极研究一种汽油压燃技术。均质混合气压燃燃烧(HCCI)、高预混合压燃燃烧(HPCI)、部分预混合压燃燃烧(PPCI)等多种技术都属于汽油压燃技术的范畴。

[0004] 汽油压燃不同于传统的汽油机的燃烧过程，也不同于传统的柴油机燃烧过程，对于点燃式汽油机，氮氧化物产生的主要原因是因为燃烧温度高、富氧两个因素，采用汽油压燃后，虽然混合气浓度变稀，但由于多点燃烧的特征，燃烧温度降低，因此可有效的降低氮氧化物排放。此外汽油压燃技术可采用高的压缩比，从而提高了发动机的热效率，改善了燃油经济性。

[0005] 虽然汽油压燃技术可提高汽油机性能、降低排放，但汽油压燃技术的应用仍存在以下几个难点，第一，冷起动时着火困难。汽油机压燃技术燃烧的起燃温度大致在1000K左右，冷起动时，燃烧室壁面温度低，不能从进气歧管吸收热量，也没有可用的高温废气，要在燃烧室内得到高温混合气比较困难，不容易使混合气实现压缩自燃。因此，若无温度补偿，在冷起动阶段要实现压燃非常困难。第二，运行工况有限。汽油压燃发动机在小负荷工况下由于稀薄燃烧，容易发生部分燃烧；在大负荷工况下，混合气过浓，燃烧非常迅速，极易发生爆震。因此目前汽油压燃技术只能运行在中小负荷工况。第三，汽油压燃的着火时刻和燃烧速率难以控制。汽油压燃的着火过程主要受化学反应动力学控制，着火时刻取决于混合气的成分、温度和压力，如果汽油压燃发动机燃烧控制较好，则汽油机可在较宽的大空燃比范围内进行高效稳定的燃烧，循环波动小，工作柔和。如果汽油压燃发动机燃烧组织的不好，则容易出现爆震或失火，发动机的性能反内变差。

发明内容

[0006] 本发明的目的在于克服已有技术的不足，提供一种汽油直接压燃发动机的运行装置及控制方法，在冷起动时，解决起动困难的问题；在小负荷工况，解决部分燃烧的问题；在大负荷工况，解决爆震的问题。

[0007] 为了解决上述技术问题，本发明提出的一种汽油直接压燃发动机的运行装置的控制方法，所述涉及到的汽油直接压燃发动机的运行装置包括气缸，所述气缸内设有活塞，所述气缸的缸盖上安装有进气门和排气门，由缸盖、进气门、排气门、活塞和气缸套包围形成的空腔为燃烧室，进气由进气管通入燃烧室，排气由排气管从燃烧室内排出；所述进气管的末端安装有电热塞和汽油喷油器，所述汽油喷射器与电热塞并列位于缸盖下方，在所述进气管上沿着进气方向安装有压气机和中冷器，所述排气管上设有与所述压气机同轴连接的涡轮机；在进气管上、位于所述中冷器的两端与所述中冷器并联一进气旁通管，所述进气旁通管的进气端与所述进气管的交汇处设有进气控制阀，所述进气控制阀为三向阀；所述进气控制阀与ECU相连，所述ECU控制所述进气控制阀，从而实现进气是经过所述中冷器进入燃烧室还是经过进气旁管进入所述燃烧室；所述进气管的进气端与所述排气管的排气端之间连接有外部EGR循环管，所述外部EGR循环管上设有外部EGR阀；所述外部EGR 阀与ECU相连；排气经所述排气管带动所述涡轮机转动，部分排气经外部EGR循环管流向所述进气管，所述ECU控制所述外部EGR阀的开度大小；该控制方法是利用VVT控制进气门和排气门，步骤如下：

[0008] 步骤一、ECU分别读取安装在发动机曲轴上传感器的转速信号、安装在油门踏板上传感器的位置信号并根据所读取的信号判断发动机运行的工况；

[0009] 步骤二、当冷起动时，ECU控制进气控制阀开向进气旁通管，使得高温的压缩空气不经中冷器冷却，ECU控制电热塞对燃烧室内的混合气进行加热；在非冷起动工况，电热塞不工作；

[0010] 步骤三、根据步骤一判断的结果有以下几种情形之一：

[0011] 如果判断结果为小负荷工况，则ECU控制进气控制阀开向进气旁通管，并采用负气门叠开角的方式，此时，ECU控制外部EGR阀关闭；利用内部EGR解决汽油压燃发动机在小负荷工况下部分燃烧的问题；

[0012] 如果判断结果为中等负荷工况，则ECU控制进气控制阀开向中冷器，使进气经中冷器流向燃烧室；并采用内部EGR与外部EGR协同控制，通过负气门叠开角实现内部EGR， ECU控制外部EGR阀的开度实现外部EGR，利用内部EGR保证汽油压燃发动机在压缩上止点附近达到压燃温度，外部EGR抑制最大压力升高率；随着负荷的增加，缸内工作环境温度逐渐升高，减少内部EGR对混合气加热，增加外部EGR，实现抑制缸内的最大压力升高率，从而实现汽油压燃发动机的高效清洁燃烧；

[0013] 如果判断结果为高负荷工况，ECU控制进气控制阀开向中冷器，使得进气经中冷器流向燃烧室，采用尽可能小的内部EGR、大的外部EGR；并采用大的正气门叠开角，以减少内部EGR；随着负荷的增大，利用外部EGR以抑制缸内最大压力升高率。

[0014] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：

[0015] (1)本发明的运行装置中设置有进气旁通管，由进气控制阀控制进气走向。使得进气在冷起动与小负荷工况下，不经过中冷器冷却，保持进气经过压气机后较高的温度，有利于混合气达到其压燃温度。

[0016] (2)利用VVT控制进气门、排气门，实现在不同工况下合理的内部EGR。

[0017] (3)内部EGR与外部EGR的协同控制，解决汽油压燃发动机在实际应用过程中所遇到的问题。

[0018] (4)燃烧室的设计实现了更好的换气过程、更高的压缩比、更有利的分层控制、更小的面容比。

附图说明

[0019] 图1是一种汽油直接压燃发动机的运行装置示意图。

[0020] 图2是一种汽油直接压燃发动机的燃烧室结构示意图。

[0021] 图3是一种汽油直接压燃发动机控制方法的控制原理图。

[0022] 图4是汽油直接压燃发动机在不同工况下，进气门、排气门开闭时刻图。

[0023] 图中：1-进气管，2-压气机，3-进气控制阀，4-中冷器，5-汽油喷油器，6-电热塞，7- 进气门，8-燃烧室，9-排气门，10-进气旁通管，11-排气管，12-涡轮机，13-外部EGR阀，14-外部EGR循环管，15-气缸，81-缸盖、82-活塞、83-口径、84-坑深、85-凹坑。

具体实施方式

[0024] 下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述，所描述的具体实施例仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。

[0025] 如图1所示，本发明中涉及到的一种汽油直接压燃发动机的运行装置，包括气缸15，所述气缸15内设有活塞82，所述气缸15的缸盖81上安装有进气门7和排气门9，由缸盖
81、进气门7、排气门9、活塞82和气缸套包围形成的空腔为燃烧室8，进气由进气管1通入燃烧室8，排气由排气管11从燃烧室8内排出；所述进气管1的末端安装有电热塞6和汽油喷油器5，所述电热塞6用于加热进气，所述汽油喷射器5与电热塞6并列位于缸盖 81下方，在所述进气管1上沿着进气方向安装有压气机2和中冷器4，在进气管1上、位于所述中冷器4的两端与所述中冷器4并联一进气旁通管10，所述进气旁通管10的进气端与所述进气管1的交汇处设有进气控制阀3，所述进气控制阀3为三向阀；所述进气控制阀 3与ECU相连，所述ECU控制所述进气控制阀3，从而实现进气是经过所述中冷器4进入燃烧室8还是经过进气旁管10进入所述燃烧室8；所述排气管11上设有与所述压气机2同轴连接的涡轮机12；所述进气管1的进气端与所述排气管11的排气端之间连接有外部EGR 循环管14，所述外部EGR循环管14上设有外部EGR阀13；所述外部EGR阀13与ECU 相连；排气经所述排气管11带动所述涡轮机
12转动，部分排气经外部EGR循环管14流向所述进气管1，所述ECU控制所述外部EGR阀13的开度大小。

[0026] 本发明中，燃烧室8的结构是采用浅蓬顶、小ω形底的空腔结构形式，如图2所示，所述缸盖81为浅蓬顶形缸盖，在缸盖81的中央位置处加工有一个浅的凹坑85，所述活塞 82为浅坑宽径活塞，所述活塞82的顶部为宽口径83、浅坑深84、轴向断面呈ω形的活塞顶部。本发明中强调的缸盖81的中央位置的浅的凹坑85及浅坑宽径活塞均是与传统发动机的对比，缸盖上的凹坑更浅、活塞顶部的口径更宽和更浅。

[0027] 本发明中，浅蓬顶形缸盖81的设计与传统柴油机完全平的缸盖设计相比，可获得更高的表面积，从而可以将气门的直径增大，更有利于改善换气过程；浅蓬顶形缸盖81的设计与传统汽油机相比，没有传统汽油机那么深的凹坑85，从而减少了燃烧室8的容积，提高发动机的压缩比；浅坑宽径活塞82与传统柴油机燃烧室相比，具有更宽的口径83、更浅的坑深84，使得流动更弱，有利于汽油压燃通过分层来控制燃烧；浅蓬顶形缸盖81与传统汽油机相比，具有更浅的凹坑85，面容比减小，浅坑宽径活塞82与传统柴油机相比，具有更宽的口径83、更浅的坑深84，面容比减小，通过浅蓬顶形缸盖81、浅坑宽径活塞82减小面容比，从而有利于减少传热损失，达到节油的目的。

[0028] 图3示出了本发明汽油直接压燃发动机的运行装置的控制方法的控制原理，ECU分别读取安装在发动机曲轴上传感器的转速信号、安装在油门踏板上传感器的位置信号并根据所读取的信号判断发动机运行的负荷，ECU判断所在的工况，确定进气控制阀3的开向以及外部EGR阀13的开度大小，并利用VVT控制进气门7和排气门9；通过ECU确定所在的工况，并采取对应工况下的控制方法，实现汽油压燃发动机在宽负载范围内的高效清洁燃烧。在改善燃油消耗率的同时，并保持较低的氮氧化物和碳烟排放。具体步骤如下：

[0029] 步骤一、ECU分别读取安装在发动机曲轴上传感器的转速信号、安装在油门踏板上传感器的位置信号并根据所读取的信号判断发动机运行的工况；

[0030] 步骤二、当冷起动时，ECU控制进气控制阀3开向进气旁通管10，使得高温的压缩空气不经中冷器4冷却，ECU控制电热塞6对燃烧室8内的混合气进行加热,通过旁通进气与混合气加热，更有利于混合气在进入燃烧室8内在气缸压缩上止点达到压燃温度。在非冷起动工况，电热塞6不工作；

[0031] 步骤三、根据步骤一判断的结果有以下三种情形之一：

[0032] 如果判断结果为小负荷工况，则ECU控制进气控制阀3开向进气旁通管10，使得高温压缩空气不经中冷器冷却。由于在小负荷工况下，在压缩上止点附近无法达到压燃温度，需利用内部EGR对混合气进行加热，此时采用负气门叠开角的方式使更多的缸内废气留在缸内(燃烧室8内)，即排气门在排气行程的上止点前提前关闭，而进气门在进气行程活塞从上止点下行一定曲轴转角时才开启，通过排气门早关、进气门晚开实现更多的缸内废气留在缸内对混合气进行加热；此时ECU控制外部EGR阀关闭。利用内部EGR解决汽油压燃发动机在小负荷工况下部分燃烧的问题。

[0033] 如果判断结果为中等负荷工况，则ECU控制进气控制阀3开向中冷器4，使进气经中冷器4流向气缸即燃烧室8内；采用内部EGR与外部EGR协同控制，通过负气门叠开角实现内部EGR，ECU控制外部EGR阀13的开度实现外部EGR，利用内部EGR保证汽油压燃发动机在压缩上止点附近达到压燃温度，外部EGR抑制最大压力升高率。随着负荷的增加，缸内工作环境温度逐渐升高，减少内部EGR对混合气加热，增加外部EGR，实现抑制缸内的最大压力升高率，利用内部EGR与外部EGR的协同控制，实现汽油压燃发动机的高效清洁燃烧。

[0034] 如果判断结果为高负荷工况，则ECU控制进气控制阀开向中冷器，使得进气经中冷器流向气缸内。在高负荷工况下，汽油压燃发动机易出现爆震，大负荷不需要内部EGR，但是内部EGR在发动机燃烧过程中，是不可能没有的，故采用尽可能小的内部EGR，尽可能大的外部EGR，可以采用外部EGR阀全开以获得尽可能大的外部EGR。随着负荷的增大，无需内部EGR加热混合气，且高温的内部EGR更容易促进爆震的产生，所以在大负荷工况，不采用负气门叠开角并且采用大的正气门叠开角，即排气门由原来的早关慢慢过渡到晚关，进气门由原来的晚开慢慢过渡到早开，以减少内部EGR。随着负荷的增大，利用外部EGR以抑制缸内最大压力升高率。

[0035] 图4是汽油直接压燃发动机在不同工况下的气门开闭时刻图。在小负荷，此时希望尽可能大的内部EGR加热混合气，利于混合气在压缩上止点附近压燃，故采用负气门叠开角的方式使部分废气留在缸内，即排气门在排气行程上止点前关闭，进气门在进气行程活塞从上止点下行一定的曲轴转角才开启；在中等负荷，内部EGR的需求逐渐减少，故相对于小负荷，负气门叠开角逐渐减小；在大负荷，希望尽可能小的内部EGR，因为在大负荷工况下，汽油压燃发动机容易产生爆震，随着负荷的增加，负气门叠开角逐渐减小，并逐渐向正气门叠开角过渡，而正气门叠开角随着负荷的增大而增大。

[0036] 尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。