CN101787922A - 柴油机双卷流燃烧系统喷油正时控制策略 - Google Patents

Abstract

本发明旨在提出一种针对双卷流燃烧系统的喷油正时控制系统及其控制策略，其优点是：用现代精确控制技术，对不同工况下燃油射流与双卷流燃烧室2之间进行匹配优化，并对喷油提前角进行精确的控制：(1)在怠速和小负荷下，喷射始点是柴油机喷油量和柴油机转速的函数，通过标定的脉谱图来获得；(2)在大负荷下，喷射始点由发动机转速、缸内压力、喷射压力共同决定。这时的燃油油束将通过弧脊分裂成两部分，以最佳比例分配到内、外室，并形成双卷流，从而能较快地形成均匀的可燃混合气，使燃烧迅速和完善，而且不需要大的进气涡流，在明显改善发动机的经济性和动力性指标的同时，还可以降低有害污染物排放。

Description

柴油机双卷流燃烧系统喷油正时控制策略

技术领域

本发明涉及一种针对双卷流燃烧系统柴油机的喷油正时控制策略，属于柴油机燃油混合和燃烧控制领域，其技术方案是为了对采用双卷流燃烧系统的直喷式柴油机提供一种优化喷油控制策略和模型。

背景技术

内燃机燃料供给与调节系统是内燃机重要的系统之一，其主要功能是及时、优质地为内燃机气缸提供适量的燃料，以保证缸内混合气形成与燃烧的有效进行，它对于内燃机的主要性能指标如动力性、燃料经济性、排放与噪声以及可靠性、耐久性等都具有十分重要的影响。因此，对于柴油机来讲燃料供给与调节系统能在品质(高压喷雾与喷油规律)、数量(油量精确控制)、时间(喷射始点与持续期)和可靠性方面均能满足与整机匹配的要求，以满足柴油机在达到动力性能指标并保证可靠性的前提下，满足对其在节能与环保指标方面日益严格的要求。

由于双卷流燃烧系统的柴油机与传统的ω型燃烧室的柴油机相比显示出了很多强大的优势：双卷流燃烧室迫使喷雾按照设计的方向、方式流动，油束被分为两束后，其扩散燃烧的区域也得以扩展；双卷流燃烧系统可以在不提高爆发压力、不提高燃油喷射压力的情况下，仅依靠双卷流油、室、气的匹配就可以达到油耗大幅度下降的效果，同时对发动机其它性能指标也能实现较大的改善。因此，双卷流燃烧系统是符合当前柴油机革新方向的重要途径之一，也是当前柴油机研究和开发中的一个热点。

但是，在研究中发现将现有的燃料供给与调节系统直接拿来应用到在双卷流燃烧室上的话，双卷流燃烧系统的优势不但发挥不出来，而且还会恶化燃烧，随着工况的不同有时会出现柴油机噪声增大、工作粗暴的现象；有时会出现燃烧效率下降，未燃碳氢化合物与烟度增加的现象。

之所以会出现上述燃烧被恶化的现象，究其原因在于双卷流燃烧系统的工作过程与传统的ω型燃烧室有着很大的不同。在双卷流燃烧系统的工作过程中，燃油射流通过在弧脊处发生碰撞，燃油分裂形成双卷流；在外室为主的前提下，燃油在内、外室得以均匀地分布；内、外室内分别形成的双卷流冲破了传统ω型燃烧室内的热束缚，并且产生热混合作用，从而促进了燃油和空气的混合与燃烧。要想把双卷流燃烧系统的优势发挥出来获得好的燃烧性能，就必须使燃油射流与燃烧室形状有很好的配合，使燃油在内、外室内得以合理比例的分配。由于内室的空气比外室的空气少得多，所以要求分布在内室的燃油也相应要少于外室所分布的燃油。按照双卷流燃烧系统的设计经验来看，内室分配的燃油量应该占总油量的10％左右。然而，在现有的燃料供给与调节系统的控制理念中并不存在这个总油量触脊后以1∶9的比例被分配的概念，于是在喷油始点的控制上必然不能与双卷流燃烧室有良好的匹配关系，由此引发了匹配不当，造成了燃烧恶化的出现。

因此，针对双卷流燃烧室，根据不同的工况，制定合理的喷油正时控制策略，即准确地控制燃油射流与弧脊发生碰撞时的位置，是双卷流燃烧系统对性能改进中至关重要的一环，同时也是实现双卷流燃烧系统实现高效低污染燃烧的一项保障。

发明内容

本发明所涉及的喷油控制系统的构成有：发动机转速传感器、油门位置传感器、进气压力传感器和电控供油系统构成喷油控制系统；喷油器安装在缸盖上，当活塞运行到一定位置时，喷油器启喷，将燃油直接喷入燃烧室，燃油油束在触及弧脊后被分裂成两部分，随后分别在内、外室内形成卷流；喷油正时由电磁阀控制；ECU(发动机电子控制单元)是整个喷射系统的控制核心，相关信号(比如发动机转速、进气压力、油门位置等)输入ECU，经过ECU计算得到循环供油量、喷射压力和缸内压力，并输出喷油正时、喷油持续期等控制信号。

当双卷流燃烧系统在怠速和小负荷的工况下时，由于所需油量小，油束贯穿度不大，所喷射的油束只具有准自由射流阶段，在燃烧室内不会与弧脊发生碰撞和分裂，也不会形成双卷流现象，因此其控制策略可以继续延用传统的静止型开式燃烧室下的喷油正时控制策略。

当双卷流燃烧系统处于大负荷的工况下时，由于循环供油量增大，喷射压力提高，油束贯穿度长，在活塞上行中势必与燃烧室发生碰撞，于是就必须要对燃油喷射始点进行精确的控制，使得油束在与弧脊碰撞后，内、外室所分配得到的燃油量为1∶9的比例关系。并且喷射压力越高，燃油雾注的贯穿速度越大，油束与弧脊相碰撞的时间就越靠前，因此需要推后燃油喷射始点，以保证碰撞后内、外室油量的最佳比例。

本发明的控制策略的工作过程是：发动机运转时，油门踏板传感器把油门踏板信号传给ECU，ECU通过调用内部存储的喷油量脉谱图来确定供油量。当工况处于怠速和小负荷时，ECU调用传统静止式燃烧室下的脉谱图来判断燃油的喷射始点，喷油器的启喷电磁阀在ECU的控制下打开，进行燃油喷射。当工况处于大负荷时，ECU根据油门踏板信号计算循环供油量，根据循环供油量和转速信号计算喷射压力，根据进气压力信号和转速信号计算缸内压力，然后更具喷射压力和缸内压力计算油束贯速度，最后更具油束贯穿速度和转速信号来确定油束与活塞的相对位置，并确定最佳燃油启喷时刻，以满足燃油触脊后，内外室内所分配的油量比例为1∶9。

附图说明

图1为传统ω型燃烧室内的燃油喷射，其中A为燃烧室内未被利用的区域，B为燃油喷射所分布的区域。

图2为双卷流燃烧系统中油束匹配与混合示意图，其中C为燃烧室内室中内卷流区域，D为燃烧室的弧脊，E为燃烧室外室中的外卷流区域。

图3为燃烧室与燃油射流匹配图，其中D为燃烧室的弧脊，F-F为垂直于油束中心线的截面，O为喷孔，O”为F-F截面与油束中心线的交点。

图4为油束横截面示意图，其中D为燃烧室弧脊，D’-D”为弧脊线的投影。

图5为不同喷射压力下贯穿度随时间变化关系的比较，其中G为相对较高喷射压力下贯穿度随时间变化的曲线，H为相对较低喷射压力下的贯穿度随时间变化的曲线。

图6为不同缸内背景压力下贯穿度随时间变化关系的比较，其中I为相对较高背景压力下贯穿度随时间变化的曲线，J为相对较低背景压力下贯穿度随时间变化的曲线。

有益效果

采用本发明可以按柴油机不同运行工况进行喷油提前角的调整，还可以实现喷油持续期的电子控制，有效控制燃油油束分裂为双卷流使靠近芯部的燃油与空气直接接触、减少油束的扩散燃烧时间，满足采用双卷流燃烧系统的柴油机全工况下高效运转的要求，具有重大的实用价值。

具体实施方式

双卷流燃烧系统下的喷油正时控制策略在实施的过程中分为两部分，一部分是确定喷油器与双卷流燃烧室之间的相对安装位置，另一部分是通过电子喷油控制系统确定喷油始点。

由于在双卷流燃烧系统中燃油射流与燃烧室形状之间的配合要求很高，因此在双卷流燃烧系统中对喷油器的安装位置也有很高的要求。所以在进行双卷流燃烧系统设计时，首先应该确定喷油器与双卷流燃烧室之间的相对安装位置，以保证油束在内室和外室的分配比例为1∶9。

图3所示为油束与燃烧室匹配图，假定活塞处于上止点位置不动的静态状态条件下，燃油射流半锥角θ假定为喷孔夹角，设定为150°。由于内室的理论燃油分配比例应为10％，则要求活塞在上止点位置时，图4中阴影部分D’DD”F的面积应该占整个截面积的10％，即，

[数学式1]

$S_{D^{\′}{\mathrm{DD}}^{\′\′}F}=S_{{\mathrm{OD}}^{\′}{\mathrm{FD}}^{\′\′}}-S_{\mathrm{\Δ}{\mathrm{OD}}^{\′}{D}^{\′\′}}=\mathrm{\α}\·\mathrm{\π}\·\frac{r^2}{360}-r^2\·\sin \left(\frac{\mathrm{\α}}{2}\right)\·\cos \left(\frac{\mathrm{\α}}{2}\right)=10\%\·\mathrm{\π}\·r^2$

其中α为D’FD”所对应的圆心角，通过对上式进行整理，得到超越方程；

α-180·sin(α/180)＝36，于是可以求得α为93°。因为r≈l×180°，所以OB≈r×sinγ＝1×sinθ＝l×sinθ×sinγ＝l×sinβ，即OB的长度为喷孔中心点到弧脊的距离与OB所对应的油束中心角的正弦值。因此，得出了满足燃烧室内燃油合理分配的喷油器相对与双卷流燃烧室弧脊位置之间的安装关系：

[数学式2]

即d₂＝5.34h₁+8.65，其中为d₂内室喉口直径，h₁为弧脊深度，为l’上止点时喷孔中心点到活塞顶的距离。

由于双卷流燃烧系统在油气混合过程中也与传统ω型燃烧系统有所不同，前者的油气混合过程可以分为四个阶段：准自由射流阶段、燃油射流触脊阶段、双卷流形成阶段和射流尾端过脊后的双卷流阶段。因此，对于双卷流燃烧系统来讲，不同工况下所需的喷油正时策略也各不相同。

在发动机运装时，油门踏板信号传感器把油门踏板信号传递给ECU，ECU通过调用内部存储的喷油量脉谱图来确定供油量，根据供油量判断当前工况是否是大负荷工况：

(1)如果输出的判断结果为否，即当前处于怠速和小负荷工况区域，则ECU直接调用已标定的传统静止式燃烧室下的喷油正时脉谱图，确定最佳喷射始点。

(2)如果判断输出结果为是，即当前处于大负荷的工况下，ECU接受转速传感器传来的转速信号，并结合循环供油量和转速信号计算燃油喷射压力；同时根据进气压力传感器传来的信号和转速信号计算出缸内压力；然后结合所得到的燃油喷射压力和缸内压力值计算出油束的贯穿速度，并根据油束贯穿速度和转速信号来确定油束与活塞的相对运动关系；根据所得到的相对运动关系调用ECU内部存储的已标定的双卷流燃烧室的喷油正时脉谱图，确定最佳喷射始点，以满足燃油油束触脊后，内外室所能分配到的油量比例为1∶9的关系。

本发明旨在提出一种针对双卷流燃烧系统的喷油正时控制策略。本发明的优点是：用现代精确控制技术，按照柴油机实际运转中工况的不同分别制定了燃油喷射始点的控制策略，实现双卷流燃烧室内燃油与空气之间进行充分、均匀的混合，达到了高效节能的要求并降低污染物排放。

Claims (10)

1.一种柴油机双卷流燃烧系统，所述双卷流燃烧系统包括：

设置在活塞顶部的双卷流燃烧室，所述双卷流燃烧室包括在其内部的弧脊，所述弧脊将双卷流燃烧室分为靠近燃烧室中心的内室和远离燃烧室中心的外室，

安装在缸盖上的燃料喷射器，

其特征在于，所述喷射器相对于双卷流燃烧室之间的相对安装位置如此设置，从而当燃料喷射器喷出的燃料射束进入燃烧室并撞击弧脊时，被所述弧脊分开的燃料射束分配到内室的燃料量与分配到外室的燃料量的比例为1∶9。

2.如权利要求1所述的双卷流燃烧系统，其特征在于，燃料射束与活塞的位置关系是：

3.如权利要求2所述的双卷流燃烧系统，其特征在于，还包括双卷流燃料喷射正时控制装置，所述喷射正时控制装置根据包括喷射压力和缸内压力的参数计算燃料射束贯穿速度，根据燃料射束贯穿速度和转速信号来确定在满足上述燃料射束与活塞的相对位置的燃料喷射正时。

4.一种用于如权利要求1所述的柴油机双卷流燃烧系统的燃料喷射控制装置，所述燃料喷射控制系统包括：发动机转速传感器、油门位置传感器、进气压力传感器和发动机电子控制单元ECU，其中ECU根据由所述传感器探测的发动机转速、进气压力、油门位置信号，计算得到循环供油量、喷射压力和缸内压力，并将输出燃料喷射正时、燃料喷射持续期到燃料喷射器。

5.如权利要求4所述的燃料喷射控制系统，其特征在于，ECU在怠速和小负荷时，调用传统静止式燃烧室下的脉谱图来确定燃料的喷射正时，并且根据喷射正时控制燃料喷射器的启喷电磁阀打开，进行燃料喷射。

6.如权利要求4所述的燃料喷射控制系统，其特征在于，ECU还包括双卷流燃料喷射正时控制装置，所述喷射正时控制装置在大负荷时根据包括喷射压力和缸内压力的参数计算燃料射束贯穿速度，根据燃料射束贯穿速度和转速信号来确定燃料喷射正时，以满足燃料撞击弧脊时被所述弧脊分开的燃料射束分配到内室的燃料量与分配到外室的燃料量的比例为1∶9。

7.如权利要求4所述的燃料喷射控制系统，其特征在于，所述大负荷是燃料供给量达到对应转速下最大循环喷油量的70％。

8.如权利要求4所述的燃料喷射控制系统，其特征在于，所述双卷流燃料喷射正时控制装置随着喷射压力的增高，燃料雾注的贯穿速度越大，燃料射束与弧脊相碰撞的时间就越靠前，因此延迟燃料喷射正时。

9.如权利要求4所述的燃料喷射控制系统，其特征在于，所述双卷流燃料喷射正时控制装置随着缸内背景压力的增大，燃料雾注的贯穿速度越小，燃料射束与弧脊发生碰撞的时间就靠后，因此提前燃料喷射正时。

10.如权利要求4-9之一所述的燃料喷射控制系统，其特征在于，所述双卷流燃料喷射正时控制装置包括存储的已标定的双卷流燃烧室的燃料喷射正时脉谱图。

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