CN102080598B - 一种采用二甲醚和高辛烷值燃料内燃机的控制方法 - Google Patents
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Abstract
一种采用二甲醚和高辛烷值燃料内燃机的控制方法，涉及DME与高辛烷值燃料的灵活现场混合方式并结合点燃与压燃复合混合燃烧模式。根据内燃机运行的工况选择燃烧模式并采用纯DME、纯高辛烷值燃料实时调整不同比例的现场混合以满足内燃机在全工况对燃料的要求。在起动-怠速工况采用纯DME点燃，0-30％小负荷采用高DME混合比例的高辛烷值燃料-DME均质预混和压燃，30-70％中负荷采用低DME混合比例的高辛烷值燃料-DME混合燃料火花点燃，70-100％高负荷采用纯高辛烷值燃料点燃。该技术将为车用内燃机达到欧4以上排放标准同时降低对石油及燃料的使用和消耗并提高发动机热效率和燃油经济性提供一条有效的技术途径。
Description
技术领域
本发明提供一种采用二甲醚DME和高辛烷值燃料现场混合和复合燃烧模式内燃机的控制方法，具体涉及一种内燃机的燃烧控制与运行方式、燃料配制与供给。
背景技术
随着车辆保有量的急剧增加，能源消耗和环境污染问题已经成为了人们关注的重点，同时也是目前亟待解决的问题之一。随着电控技术的发展，传统汽油机和柴油机在燃料消耗及尾气排放方面都有了大幅的改善和提高，但仍然存在着自身的弊端。传统的汽油机由于采用化学计量当量比、预混均质燃烧，因此NOx和PM排放较低。同时由于压缩比低，因此工作噪音较低，但同样是由于受爆震及低压缩比等因素的限制和影响，燃油消耗较大且热效率低。与汽油机相比，柴油机较高的压缩比使其具有较高的热效率和较低的燃油消耗。但是，传统柴油机的燃烧是燃料喷雾的扩散燃烧，依靠内燃机活塞压缩到接近上止点时的高温使混合气自燃着火。由于喷雾与空气的混合时间较短，燃料与空气混合的严重不均匀，形成高温浓混合气区和高温火焰区，导致碳烟和NOX大量生成。同时高压缩比还导致柴油机工作粗暴、噪音较大。均质预混压燃HCCI的燃烧方式是将传统柴油机的压燃与传统汽油机的预混均质燃烧相结合，通过较高的压缩比实现高热效率，均质预混合实现低排放。HCCI内燃机在进气冲程时将进气道内的预混合气吸入气缸，当压缩到上止点附近时均质混合气实现多点自燃着火。由于混合气较稀且均质多点同时燃烧，同时没有火花点火和传播、扩散燃烧峰面的局部高温区，因此HC、CO以及NOX和PM排放都很低，同时还具有较高的热效率。但HCCI燃烧方式受燃烧边界条件和燃料化学协同控制，很难对着火时刻进行准确控制，因此整机运行工况较窄。尽管目前采用电子控制和排气后处理装置可使汽油机达到极低的排放。同时，电控高压共轨和多次喷油技术并附以排气后处理技术的使用也使柴油机达到很低的排放。HCCI燃烧方式可以使热效率提高的同时显著降低排放。但由于车用发动机在运行过程中处于不断变化的复杂过程，单一的燃烧模式和传统单一燃料很难满足和适应全工况下发动机的运转要求，造成了降低排放的同时消耗部分功率或增加油耗等情况。
发明内容
本发明采用了如下技术方案：一种采用二甲醚和高辛烷值燃料现场混合和复合燃烧模式内燃机的控制方法，所述的二甲醚和高辛烷值燃料现场混合和复合燃烧模式内燃机由传统电控火花点火内燃机改造而成，包括气缸20、内燃机进气管16、内燃机排气管21、内燃机活塞19、点火模块11、火花塞12、电子节气门15以及曲轴转角位置传感器的曲轴转角信号1、冷却水温度传感器的冷却水温度信号2、进气温度传感器的进气温度信号3、进气压力传感器的进气压力信号4、节气门位置传感器的节气门位置信号5、爆震传感器的燃烧压力及爆震信号6、线性氧传感器的空燃比信号7；同时还包括混合燃料电子控制单元8、高辛烷值燃料箱9、高辛烷值燃料压力调节器10、高辛烷值燃料喷嘴13、二甲醚喷嘴14、二甲醚调压器17、二甲醚罐18以及控制混合燃料喷射的混合燃料点火控制信号a、高辛烷值燃料喷射信号b、二甲醚喷射信号c和电子节气门控制信号d；
曲轴转角位置传感器的曲轴转角信号1、冷却水温度传感器的冷却水温度信号2、进气温度传感器的进气温度信号3、进气压力传感器的进气压力信号4、节气门位置传感器的节气门位置信号5、爆震传感器的燃烧压力及爆震信号6、线性氧传感器的空燃比信号7输入进混合燃料电子控制单元8；混合燃料电子控制单元8是在现有ECU的基础上进行改进，在实现原有控制功能的基础上对混合燃料双喷嘴的喷射时刻以及喷射脉宽进行控制，各种信号的通信、采集以及判定遵循原机ECU的设定；混合燃料电子控制单元8向点火模块11发出混合燃料点火控制信号a使火花塞12发火或者关闭，实现点燃或压燃的复合燃烧模式；向电子节气门15发出电子节气门控制信号d以调整电子节气门15的开度，改变发动机的进气量，实现不同负荷和转速的要求；向高辛烷值燃料喷嘴13发出高辛烷值燃料喷射信号b，实现高辛烷值燃料的喷射，向二甲醚喷嘴14发出二甲醚喷射信号c，实现二甲醚的喷射，喷射的两种燃料在内燃机进气管16内现场混合，将喷入的二甲醚的能量占总喷入燃料能量的比例设定为αDME，以此来表明两种燃料的混合比例；当内燃机处于进气冲程时，随着内燃机活塞19下行将燃料与空气的混合气吸入内燃机气缸20，实现混合气的燃烧，在经过压缩、做功冲程后，在排气冲程时将燃烧过的废气随内燃机活塞19上行而通过内燃机排气管21排出内燃机气缸20；高辛烷值燃料箱9、高辛烷值燃料压力调节器10和高辛烷值燃料喷嘴13通过不锈钢管或耐压软管依次连接，高辛烷值燃料喷嘴13固连在内燃机进气管16上；二甲醚罐18、二甲醚调压器17和二甲醚喷嘴14通过不锈钢管或耐压防腐蚀软管依次连接，二甲醚喷嘴14固连在内燃机进气管16上；
混合燃料电子控制单元8通过读取曲轴转角位置传感器的曲轴转角信号1、节气门位置传感器的节气门位置信号5以及进气压力传感器的进气压力信号4确定发动机当前的转速及负荷，同时读取冷却水温度传感器的冷却水温度信号2、进气温度传感器的进气温度信号3、爆震传感器的燃烧压力及爆震信号6以及线性氧传感器的空燃比信号7，通过对各种信号进行分析由此确定发动机所运行的工况；
其特征在于：包括了起动-怠速、低负荷、中负荷和高负荷四种控制方式：
1)起动-怠速工况：该工况根据具体的运行环境分为三种不同的情况，分别是起动工况、暖机工况和怠速工况；当发动机处于起动-怠速工况时，采用单独依靠火花塞点火点燃高十六烷值二甲醚的点燃燃烧方式；
起动工况：当曲轴位置传感器的曲轴转角信号1显示发动机的转速高于220r/min时，混合燃料电子控制单元8判断发动机处于起动工况，之后向点火模块11发出点火控制信号a，由点火模块11控制火花塞12跳火，同时混合燃料电子控制单元8还将向二甲醚喷嘴14发出二甲醚喷射信号c，实现由纯二甲醚点燃起动；
发动机起动时根据冷却水温度传感器的冷却水温度信号2和线性氧传感器的空燃比信号7确定起动时发动机的状态，并根据具体工况来确定燃料混合比α、过量空气系数λ和点火提前角β；起动工况时燃料采用αDME＝1纯二甲醚，过量空气系数λ＝0.5-0.8，点火提前角β＝6°ATDC；随着冷却水温度传感器的冷却水温度信号2显示发动机的水温不断提高，混合燃料电子控制单元8实时动态调整二甲醚喷射信号c，使得过量空气系数λ逐渐趋于1，直至发动机水温达到90-95℃的正常工作范围，同时发动机进入怠速稳定状态；
起动工况依据发动机的水温分为两种状态：
[1]当混合燃料电子控制单元8接收冷却水温度传感器的冷却水温度信号2所显示的水温低于30℃时，判断发动机为冷机起动工况，此时应根据具体的冷却水温度将二甲醚喷入量提高，以满足发动机在冷机起动时所需要的λ＝0.5-0.6的过浓混合气；此时由αDME＝1纯二甲醚点燃，过量空气系数处于λ＝0.5-0.6的过浓混合气区域；
[2]当混合燃料电子控制单元8接收冷却水温度传感器的冷却水温度信号2所显示的水温不低于30℃时，判断发动机为热机起动工况，所需要的混合气浓度比冷机起动时低；混合燃料电子控制单元8)根据冷却水温调整点火控制信号a和二甲醚喷射信号c，此时由αDME＝1纯二甲醚点燃，过量空气系数处于λ＝0.6-0.8的浓混合气区域；
暖机工况：当曲轴位置传感器的曲轴转角信号1显示发动机的转速高于700r/min时，混合燃料电子控制单元8判断发动机已正常起动，此时如果冷却水温低于75℃则属于暖机工况；在暖机工况下采用αDME＝1纯二甲醚点燃燃烧方式，混合气浓度高于λ＝1的理论当量比10％-20％，混合燃料电子控制单元8根据线性氧传感器的空燃比信号7将过量空气系数控制在λ＝0.8-1的较浓混合气区域，并随着冷却水温的提高而通过控制二甲醚喷射信号c，逐渐降低二甲醚喷入量，使得混合气浓度趋于化学计量比浓度；
混合燃料电子控制单元8根据相关信号向点火模块11发出混合燃料点火控制信号a，使火花塞12跳火；向二甲醚喷嘴14发出二甲醚喷射信号c；同时向电子节气门15发出电子节气门控制信号d；通过控制电子节气门15开度和点火时刻使得发动机能够稳定运行在发动机循环变动小于10％的范围内，目标转速设定在1000-1400r/min；
怠速工况：当发动机水温高于75℃，混合燃料电子控制单元8)根据传感器信号确定发动机属于怠速工况时，向点火模块11发出混合燃料点火控制信号a并使火花塞12跳火，同时向二甲醚喷嘴14发出二甲醚喷射信号c使其喷射二甲醚燃料，根据相应的信号向电子节气门15发出电子节气门控制信号d使得电子节气门15在0-10％的区间内调整；在怠速工况下，由αDME＝1纯二甲醚点燃燃烧模式运行，混合气浓度为化学计量比浓度，混合燃料电子控制单元8)通过推迟或提前点火时刻、改变二甲醚喷射量以及电子节气门15开度实现对于发动机怠速运行的稳定控制，使过量空气系数λ＝1，点火提前角β＝0-6°ATDC围内调整，同时目标转速控制在790-800r/min；
以上所述的冷机起动、正常起动工况、暖机工况以及怠速工况均应通过台架进行验证试验，确定相应的二甲醚喷射量以及点火时刻，使得发动机能够正常起动并不出现失火或爆震；
2)低负荷工况：当发动机运转在其全负荷0-30％的低负荷工况时，采用高辛烷值燃料与二甲醚的均质预混合压燃燃烧方式，此时αDME应不小于30％。
混合燃料电子控制单元8)在确定发动机属于其全负荷0-30％的低负荷工况运行后，首先通过混合燃料点火控制信号a关闭点火模块11，使火花塞12停止点火，实现均值充量混合压燃HCCI的燃烧模式；同时混合燃料电子控制单元8)根据各传感器信号判断转速及负荷区间，调整二甲醚喷射信号c和高辛烷值燃料喷射信号b，使得二甲醚喷嘴14和高辛烷值燃料喷嘴13按αDME不小于30％的适当比例喷射二甲醚和高辛烷值燃料，混合燃料电子控制单元8)同时对电子节气门15发出电子节气门控制信号d使电子节气门15100％开启，实现发动机在1200-6500r/min转速区间内、发动机全负荷0-30％的低负荷均质混合燃料压燃运行；
发动机运行在低负荷区间时需要辛烷值较低易于燃烧爆炸的燃料，因此需要采用的αDME应不小于30％；在此基础上通过台架试验验证并优化二甲醚与高辛烷值燃料的混合比例以及喷射脉宽，使混合燃料的过量空气系数λ在1-3之间，确保发动机不出现失火等情况发生；
3)中负荷工况：当发动机运转在其全负荷30-70％的中负荷工况时，采用高辛烷值燃料与二甲醚混合燃料火花点燃燃烧方式，此时采用的αDME小于30％；
混合燃料电子控制单元8)在确定发动机属于其全负荷30-70％的中负荷工况运行后，连通点火模块11并控制火花塞12点火，混合燃料电子控制单元8)根据各传感器信号判断转速及负荷区间，调整二甲醚喷射信号c和高辛烷值燃料喷射信号b，使得二甲醚喷嘴14和高辛烷值燃料喷嘴13按αDME小于30％的比例喷射二甲醚和高辛烷值燃料，混合燃料电子控制单元8)同时对电子节气门15发出电子节气门控制信号d以实时调整节气门开度在20-55％之间变化，随着发动机负荷和转速的不断提高而将点火提前角β由8°BTDC不断提前至40°BTDC，实现发动机在1200-6500r/min转速区间内、过量空气系数λ＝1情况下发动机全负荷30-70％的中负荷运行；在该工况下采用的αDME小于30％是避免由于燃料辛烷值过低而导致爆震等情况发生。
4)高负荷工况：当发动机运转在其全负荷70-100％的高负荷工况时，发动机燃用αDME＝0纯高辛烷值燃料，并采用火花塞点燃的燃烧方式；
混合燃料电子控制单元8)在确定发动机属于高负荷工况运行后，连通点火模块11并控制火花塞12点火，关闭二甲醚喷射信号c使得二甲醚喷嘴14停止喷射二甲醚，同时发出高辛烷值燃料喷射信号b使高辛烷值燃料喷嘴13喷射高辛烷值燃料，实现在发动机全负荷70-100％的高负荷工况下αDME＝0单纯点燃高辛烷值燃料；
混合燃料电子控制单元8同时对电子节气门15发出电子节气门控制信号d以使得节气门开度在55-100％之间实时调整，在全部燃用高辛烷值燃料的基础上，随着发动机负荷和转速的不断提高而将点火提前角β由8°BTDC不断提前至40°BTDC，实现发动机在1200-6500r/min转速区间内、过量空气系数λ＝1情况下发动机全负荷70-100％的高负荷运行；在此基础上通过台架试验验证并优化高辛烷值燃料的喷射脉宽及点火时刻，确保发动机不出现失火爆震等情况发生。
所述的高辛烷值燃料为甲醇或乙醇或液化石油气或天然气。
当混合燃料电子控制单元8检测到来自线性氧传感器的空燃比信号7所测得的过量空气系数λ与理论目标值偏离3％以上时，混合燃料电子控制单元8)重新检测曲轴转角位置传感器的曲轴转角信号1、节气门位置传感器的节气门位置信号5以及进气压力传感器的进气压力信号4并再次确定发动机当前的转速及负荷，并以此确定当前的燃烧方式以及燃料的喷射比例；同时通过调整PID算法调节二甲醚喷嘴14和高辛烷值燃料喷嘴13的喷油脉宽实现对各工况过量空气系数λ的有效闭环控制。
本发明的工作过程：内燃机起动，混合燃料电控单元8接收曲轴转角位置传感器的曲轴转角信号1、冷却水温度传感器的冷却水温度信号2和节气门位置传感器的节气门位置信号5确定发动机为起动工况，控制DME喷嘴14喷射DME燃料，同时向点火模块11发出混合燃料点火控制信号a使火花塞12发火，为了确保燃料点燃，根据不同的冷却水温度采用不同浓度的混合气，由线性氧传感器的空燃比信号7显示过量空气系数，使其在λ＝0.5-1范围内，点火角β＝0-6°ATDC。随着冷却水温度的不断提高，通过调整DME喷射量使过量空气系数λ根据工况动态变化，直至进入怠速状态。怠速工况，混合燃料电子控制单元8接收曲轴转角位置传感器的曲轴转角信号1、冷却水温度传感器的冷却水温度信号2、节气门位置传感器的节气门位置信号5和线性氧传感器的空燃比信号7，控制DME喷嘴14喷射DME燃料，发出电子节气门控制信号d，通过调整电子节气门15的开度、点火角β实现内燃机稳定的怠速运行，过量空气系数λ＝1，点火角β＝0°ATDC。0-30％低负荷工况，混合燃料电控单元8根据各传感器信号判断发动机当前属于0-30％低负荷工况时，向DME喷嘴14发出DME喷射信号c，使其喷射DME，同时向高辛烷值燃料喷嘴13发出高辛烷值燃料喷射信号b，使其喷射高辛烷值燃料。混合燃料电控单元8停止向点火模块11发出点火控制信号a，关闭火花塞12，同时发出电子节气门控制信号d使电子节气门15全开，实现DME与高辛烷值燃料混合压燃燃烧模式。30-70％中负荷工况，混合燃料电控单元8根据各传感器信号判断发动机当前属于30-70％中负荷工况。此时混合燃料电控单元8向DME喷嘴14发出DME喷射信号c，使其喷射DME，同时向高辛烷值燃料喷嘴13发出高辛烷值燃料喷射信号b，使其喷射高辛烷值燃料。混合燃料电控单元8向点火模块11发出点火控制信号a，点火角β＝18°BTDC，发出电子节气门控制信号d，通过调整电子节气门15的开度，实现DME与高辛烷值燃料混合点燃燃烧模式。70-100％高负荷工况，混合燃料电控单元8根据各传感器信号判断发动机当前属于70-100％高负荷工况。此时混合燃料电控单元8关闭DME喷嘴14，打开高辛烷值燃料喷嘴13，喷射高辛烷值燃料。混合燃料电控单元8向点火模块11发出点火控制信号a，点火角β＝24°BTDC，发出电子节气门控制信号d，通过调整电子节气门15的开度，实现纯高辛烷值燃料点燃燃烧模式。
本发明的有益效果是，针对传统点燃和压燃式内燃机存在的不足，提出一种采用二甲醚和高辛烷值燃料现场混合和复合燃烧模式内燃机的控制方法。本发明的内燃机采用点燃与压燃复合混合燃烧模式，燃料采用DME与高辛烷值燃料的灵活现场混合方式。根据内燃机运行的工况选择燃烧模式并采用纯DME、纯高辛烷值燃料以及高辛烷值和DME燃料实时调整不同比例的现场混合以满足所述内燃机在全工况对燃料的要求。
采用高辛烷值和DME燃料现场混合技术和复合燃烧模式是一条方便可行的技术路线，通过控制火花塞的开启与关闭可满足内燃机在不同工况使用复合燃烧以及混合燃料现场混合的要求，即在起动-怠速工况下采用αDME＝1纯DME点燃燃烧模式，提高发动机的冷启动性能，降低怠速工况的排放；0-30％低负荷采用较高αDME的均质混合燃料压燃燃烧方式，即在高辛烷值燃料中混入较多的DME，通过高辛烷值燃料降低混合燃料的十六烷值，控制DME的着火时刻，改善混合燃料发动机的性能；在30-70％中等负荷区域，采用较低αDME的点燃燃烧方式，即在高辛烷值燃料中混入较少的DME来降低燃料的辛烷值，在不爆震的基础上提高燃料的着火性能；在70-100％高负荷区域，采用αDME＝0纯高辛烷值燃料点燃燃烧方式，使得发动机在高负荷运转时不出现爆震现象。采用以上燃料现场混合、符合燃烧模式，实现了混合燃料内燃机燃料辛烷值及十六烷值的灵活控制，提高内燃机起动性能、降低了油耗和排放，成为改善内燃机性能的简单且实用的技术手段。
附图说明
图1本发明的结构和工作原理图
图中1曲轴转角位置传感器的曲轴转角信号；2冷却水温度传感器的冷却水温度信号；3进气温度传感器的进气温度信号；4进气压力传感器的进气压力信号；5节气门位置传感器的节气门位置信号；6爆震传感器的燃烧压力及爆震信号；7线性氧传感器的空燃比信号；8混合燃料电子控制单元；9高辛烷值燃料箱；10高辛烷值燃料压力调节器；11点火模块；12火花塞；13高辛烷值燃料喷嘴；14高十六烷值燃料喷嘴；15电子节气门；16内燃机进气管；17高十六烷值燃料压力调节器；18高十六烷值燃料箱；19内燃机活塞；20内燃机气缸；21内燃机排气管。混合燃料点火控制信号a；高辛烷值燃料喷射信号b；高十六烷值燃料喷射信号c；电子节气门控制信号d。
具体实施方式
本实施例对各种工况作了如下实验：
实验内燃机为1台直列4缸1.6L电喷汽油机，按图1所示改造成DME和高辛烷值燃料现场混合负荷燃烧模式内燃机。实验选用的高辛烷值燃料为甲醇CH3。用一台日本堀场株式会社生产的Horiba-7100DEGR排放分析仪，分别测量内燃机各个运行工况下的HC、CO和NOx排放。
1.起动实验
起动发动机，混合燃料电控单元8根据冷却水温度传感器的冷却水温度信号2所示温度确定DME的喷射量以及混合气浓度。实验结果表明，当冷却水温度信号2为0.3V时，冷却水温为10-12℃，进气温度信号3为0.4V，进气温度14-15℃、进气压力信号4为3.7V，进气压力为0.91bar，混合燃料电控单元8向点火模块11发出点火控制信号a(4.1V)，点火角β＝6°ATDC，同时向DME喷嘴14发出DME喷射信号c(2.3V)，使其以8.62L/min的喷射量将DME喷入进气道，此时节气门位置信号5为0.1V，节气门开度为3％，发动机正常起动燃烧，此时线性氧传感器的空燃比信号7为2.3V，过量空气系数λ为0.71，属于冷机启动且混合气较浓状况。
试验中，用Horiba-7100DEGR排放分析仪测得HC排放为768ppm，CO排放为0.51％，NOx排放为11ppm。而采用单一燃料异辛烷C8H18点燃的HC排放为2101ppm，CO排放为1.08％，NOx排放为34ppm。原因是DME属于高十六烷值燃料，且闪点为-24℃，不仅着火性能良好，且同样易于点燃，特别是DME存在明显的低温放热现象，因此燃料的着火性能较单一燃料异辛烷大大提高，起动容易，燃烧迅速，排放物得到较大降低。
2.暖机实验n＝1000-1800r/min，冷却水温13-75℃，节气门开度3-10％
发动机起动后，混合燃料电控单元8根据冷却水温度传感器的冷却水温度信号2为0.4V时测得当前水温为13-15℃，进气温度信号3为0.4V，进气温度14-15℃、进气压力信号4为3.7V，进气压力为0.91bar，因此判断发动机当前属于暖机工况，继续向点火模块11发出点火控制信号a(4.1V)，点火角β＝6°ATDC，同时向DME喷嘴14发出DME喷射信号c(2.1V)，使其以7.48L/min的喷射量将DME喷入进气道，发动机正常运行，此时节气门位置信号5为0.5V，节气门开度为10％线性氧传感器的空燃比信号7为2.6V，过量空气系数λ为0.85，发动机的目标转速设定在1800r/min。随着发动机在暖机工况下运行，冷却水温度传感器的冷却水温度信号2由0.4V增加到3.8V，显示发动机的温度逐渐升高至70-73℃，其它信号不变，混合燃料电控单元8逐渐降低DME喷射量的DME喷射信号c(1.6V)，使其以7.08L/min的喷射量将DME喷入进气道，使混合气浓度逐渐降低，此时节气门位置信号5为0.1V，节气门开度为3％，发动机正常起动燃烧，此时线性氧传感器的空燃比信号7为3.1V，过量空气系数λ为0.94，发动机的目标转速设定在1000r/min。
3.怠速实验n＝790-800rpm，冷却水温＞75℃，节气门开度6-8％
当发动机冷却水温度信号2为3.9V时测得当前冷却水温达到75℃之后，进气温度信号3为0.6V，进气温度20-23℃、进气压力信号4为3.7V，进气压力为0.91bar，混合燃料电控单元8判断发动机当前属于怠速工况，继续纯DME点燃燃烧模式。混合燃料电控单元8向点火模块11发出点火控制信号a(3.7V)，点火角β＝0°ATDC，同时向DME喷嘴14发出DME喷射信号c(1.4V)，使其以6.7L/min的喷射量将DME喷入进气道，发动机正常运行，此时过量空气系数λ为1，混合燃料电控单元8向电子节气门15发出电子节气门控制信号d(0.3V)以调整电子节气门15的开度至6-8％，此时节气门位置信号5为0.3V，节气门开度为7％，发动机正常怠速运转，此时线性氧传感器的空燃比信号7为3.5V，过量空气系数λ为1.01，发动机的目标转速设定在791r/min。
怠速阶段的实验结果表明，纯DME点燃燃烧模式，发动机实际平均转速791r/min，转速循环变动COVn＜5％。Horiba-7100DEGR排放分析仪测得HC排放为834ppm，CO排放为0.47％，NOx排放为20ppm。而采用单一燃料异辛烷C8H18点燃的HC排放为3326ppm，CO排放为0.531％，NOx排放为87ppm。发动机在怠速工况下需要易于燃烧的燃料，DME较高的十六烷值、低温氧化放热以及含氧等特性使其能够在怠速工况下改善缸内燃烧、提高发动机的效率并降低排放。
4.低负荷实验n＝1400rpm，冷却水温＝90℃，节气门开度100％
混合燃料电控单元8根据发动机冷却水温度信号2为4.4V时测得当前冷却水温达到90℃之后，进气温度信号3为0.9V，进气温度25-26℃、进气压力信号4为3.7V，进气压力为0.91bar，节气门位置信号5为1V，节气门开度为20％，判断发动机当前属于0-30％低负荷工况时，向DME喷嘴14发出DME喷射信号c(1.2V)，使其以6.9L/min的流量喷射DME进入发动机进气管16，同时向高辛烷值燃料喷嘴13发出高辛烷值燃料喷射信号b(1.1V)，使其以2.81kg/h的流量将甲醇喷入进气管16。混合燃料电控单元8停止向点火模块11发出点火控制信号a(0V)，关闭火花塞12，同时发出电子节气门控制信号d(5V)使电子节气门15全开，节气门位置信号5为5V，实现DME与甲醇混合压燃燃烧模式。发动机正常运行。
实验结果表明，曲轴转角信号1为0.8V，内燃机转速1400rpm，按以上的高辛烷值燃料和高十六烷值燃料喷射量，Horiba-7100DEGR排放分析仪测得HC排放为455ppm，CO排放为0.35％，NOx排放为566ppm。而采用单一燃料异辛烷C8H18点燃的HC排放为677ppm，CO排放为0.51％，NOx排放为512ppm。当采用均质混合气压燃燃烧方式时，混合气在缸内多点同时爆炸燃烧，同时过量空气系数λ＞1，因此排放有所降低，同时热效率有所增加。
5.30-70％中负荷实验n＝2000rpm，冷却水温＝95℃，节气门开度35％
随着发动机转速和负荷的提高，混合燃料电控单元8根据发动机冷却水温度信号2为4.6V时测得当前冷却水温达到95℃之后，进气温度信号3为0.9V，进气温度25-26℃、进气压力信号4为3.7V，进气压力为0.91bar，节气门位置信号5为1.4V，节气门开度为35％，判断发动机当前属于30-70％中负荷工况。此时混合燃料电控单元8向DME喷嘴14发出DME喷射信号c(0.3V)，以2.2L/min的流量喷射DME进入发动机进气管16同时向高辛烷值燃料喷嘴13发出高辛烷值燃料喷射信号b(1.9V)，以4.8kg/h的流量将甲醇喷入进气管16。混合燃料电控单元8向点火模块11发出点火控制信号a(2.2V)，点火角β＝18°BTDC，实现DME与甲醇混合点燃燃烧模式。发动机正常运行，此时线性氧传感器的空燃比信号7为3.5V，过量空气系数λ为1.01。
中负荷实验结果表明，曲轴转角信号1为1.3V，内燃机转速2000rpm，按以上的高辛烷值燃料和DME燃料喷射量，Horiba-7100DEGR排放分析仪测得HC排放为454ppm，CO排放为0.48％，NOx排放为513ppm。燃烧压力及爆震信号6为0.1V，循环变动小于2％。而采用单一燃料异辛烷C8H18点燃的HC排放为423ppm，CO排放为0.51％，NOx排放为392ppm。当发动机的运转在中负荷时，需要燃料的辛烷值有所提高以防止出现爆震现象，但同时为了保证燃料易于燃烧，因此需要混入较低比例的DME以提高燃料整体的着火性能，HC和CO排放物得到进一步降低，但NOx排放有所提高。
6.70-100％高负荷实验n＝4500r/min，冷却水温95℃，节气门开度75％
随着发动机转速和负荷的提高，混合燃料电控单元8根据发动机冷却水温度信号2为4.6V时测得当前冷却水温达到95℃之后，进气温度信号3为0.9V，进气温度25-26℃、进气压力信号4为3.7V，进气压力为0.91bar，节气门位置信号5为3.8V，节气门开度为75％，判断发动机当前属于70-100％高负荷工况。此时混合燃料电控单元8向DME喷嘴14发出DME喷射信号c(0V)关闭DME喷嘴14，打开高辛烷值燃料喷嘴13，向高辛烷值燃料喷嘴13发出高辛烷值燃料喷射信号b(2.6V)，以6.3kg/h的流量将甲醇喷入进气道。混合燃料电控单元8向点火模块11发出点火控制信号a(1.9V)，点火角β＝24°BTDC，实现纯甲醇点燃燃烧模式。发动机正常运行，此时线性氧传感器的空燃比信号7为3.5V，过量空气系数λ为1。
实验结果表明，曲轴转角信号1为2.9V，内燃机转速4500r/min，内燃机功率为74.2kW，而原汽油机为75.3kW。燃烧压力及爆震信号6为0.1V，循环变动小于2％。Horiba-7100DEGR排放分析仪测得HC排放为222ppm，CO排放为0.21％，NOx排放为677ppm。而采用单一燃料异辛烷C8H18的HC排放为254ppm，CO排放为0.34％，NOx排放为339ppm。当高负荷运转时需要抗爆性能较好的燃料参与燃烧，甲醇的辛烷值超过110，因此能够有效避免发动机因负荷过高而引起的爆震等现象发生。在高负荷情况下采用纯甲醇点燃模式可以使得发动机在该工况范围内正常合理的运转，并有效降低循环变动以及排放等问题。同时由于DME属于含氧燃料，因此HC和CO排放物进一步降低，但NOx排放由于缸内燃烧温度提高而有较大提高。
通过对二甲醚和高辛烷值燃料现场混合和复合燃烧模式内燃机的台架试验，其结果表明，采用本发明提供二甲醚和高辛烷值燃料现场混合和复合燃烧模式内燃机的控制方法，可以在全工况及转速下运行，并在较宽广的转速和负荷范围实现低排放和高效率，。该内燃机在怠速、低负荷以及中负荷工况均较采用单一高辛烷值燃料点燃有明显提高。该技术将为车用内燃机达到欧4以上排放标准同时降低对石油及燃料的使用和消耗提供一条有效的技术途径。
Claims (3)
1.一种采用二甲醚和高辛烷值燃料现场混合和复合燃烧模式的内燃机的控制方法，所述的二甲醚和高辛烷值燃料现场混合和复合燃烧模式内燃机由传统电控火花点火内燃机改造而成，包括气缸(20)、内燃机进气管(16)、内燃机排气管(21)、内燃机活塞(19)、点火模块(11)、火花塞(12)、电子节气门(15)以及曲轴转角位置传感器的曲轴转角信号(1)、冷却水温度传感器的冷却水温度信号(2)、进气温度传感器的进气温度信号(3)、进气压力传感器的进气压力信号(4)、节气门位置传感器的节气门位置信号(5)、爆震传感器的燃烧压力及爆震信号(6)、线性氧传感器的空燃比信号(7)；同时还包括混合燃料电子控制单元(8)、高辛烷值燃料箱(9)、高辛烷值燃料压力调节器(10)、高辛烷值燃料喷嘴(13)、二甲醚喷嘴(14)、二甲醚调压器(17)、二甲醚罐(18)以及控制混合燃料喷射的混合燃料点火控制信号(a)、高辛烷值燃料喷射信号(b)、二甲醚喷射信号(c)和电子节气门控制信号(d)；
曲轴转角位置传感器的曲轴转角信号(1)、冷却水温度传感器的冷却水温度信号(2)、进气温度传感器的进气温度信号(3)、进气压力传感器的进气压力信号(4)、节气门位置传感器的节气门位置信号(5)、爆震传感器的燃烧压力及爆震信号(6)、线性氧传感器的空燃比信号(7)输入进混合燃料电子控制单元(8)；混合燃料电子控制单元(8)是在现有ECU的基础上进行改进，在实现原有控制功能的基础上对混合燃料双喷嘴的喷射时刻以及喷射脉宽进行控制，各种信号的通信、采集以及判定遵循原机ECU的设定；混合燃料电子控制单元(8)向点火模块(11)发出混合燃料点火控制信号(a)使火花塞(12)发火或者关闭，实现点燃或压燃的复合燃烧模式；向电子节气门(15)发出电子节气门控制信号(d)以调整电子节气门(15)的开度，改变发动机的进气量，实现不同负荷和转速的要求；向高辛烷值燃料喷嘴(13)发出高辛烷值燃料喷射信号(b)，实现高辛烷值燃料的喷射，向二甲醚喷嘴(14)发出二甲醚喷射信号(c)，实现二甲醚的喷射，喷射的两种燃料在内燃机进气管(16)内现场混合，将喷入的二甲醚的能量占总喷入燃料能量的比例设定为αDME，以此来表明两种燃料的混合比例；当内燃机处于进气冲程时，随着内燃机活塞(19)下行将燃料与空气的混合气吸入内燃机气缸(20)，实现混合气的燃烧，在经过压缩、做功冲程后，在排气冲程时将燃烧过的废气随内燃机活塞(19)上行而通过内燃机排气管(21)排出内燃机气缸(20)；高辛烷值燃料箱(9)、高辛烷值燃料压力调节器(10)和高辛烷值燃料喷嘴(13)通过不锈钢管或耐压软管依次连接，高辛烷值燃料喷嘴(13)固连在内燃机进气管(16)上；二甲醚罐(18)、二甲醚调压器(17)和二甲醚喷嘴(14)通过不锈钢管或耐压防腐蚀软管依次连接，二甲醚喷嘴(14)固连在内燃机进气管(16)上；
混合燃料电子控制单元(8)通过读取曲轴转角位置传感器的曲轴转角信号(1)、节气门位置传感器的节气门位置信号(5)以及进气压力传感器的进气压力信号(4)确定发动机当前的转速及负荷，同时读取冷却水温度传感器的冷却水温度信号(2)、进气温度传感器的进气温度信号(3)、爆震传感器的燃烧压力及爆震信号(6)以及线性氧传感器的空燃比信号(7)，通过对各种信号进行分析由此确定发动机所运行的工况；
其特征在于：包括了起动-怠速、低负荷、中负荷和高负荷四种控制方式：
1)起动-怠速工况：该工况根据具体的运行环境分为三种不同的情况，分别是起动工况、暖机工况和怠速工况；当发动机处于起动-怠速工况时，采用单独依靠火花塞点火点燃高十六烷值二甲醚的点燃燃烧方式；
起动工况：当曲轴位置传感器的曲轴转角信号(1)显示发动机的转速高于220r/min时，混合燃料电子控制单元(8)判断发动机处于起动工况，之后向点火模块(11)发出点火控制信号(a)，由点火模块(11)控制火花塞(12)跳火，同时混合燃料电子控制单元(8)还将向二甲醚喷嘴(14)发出二甲醚喷射信号(c)，实现由纯二甲醚点燃起动；
发动机起动时根据冷却水温度传感器的冷却水温度信号(2)和线性氧传感器的空燃比信号(7)确定起动时发动机的状态，并根据具体工况来确定燃料混合比α、过量空气系数λ和点火提前角β；起动工况时燃料采用αDME＝1纯二甲醚，过量空气系数λ＝0.5-0.8，点火提前角β＝6°ATDC；随着冷却水温度传感器的冷却水温度信号(2)显示发动机的水温不断提高，混合燃料电子控制单元(8)实时动态调整二甲醚喷射信号(c)，使得过量空气系数λ逐渐趋于1，直至发动机水温达到90-95℃的正常工作范围，同时发动机进入怠速稳定状态；
起动工况依据发动机的水温分为两种状态：
[1]当混合燃料电子控制单元(8)接收冷却水温度传感器的冷却水温度信号(2)所显示的水温低于30℃时，判断发动机为冷机起动工况，此时应根据具体的冷却水温度将二甲醚喷入量提高，以满足发动机在冷机起动时所需要的λ＝0.5-0.6的过浓混合气；此时由αDME＝1纯二甲醚点燃，过量空气系数处于λ＝0.5-0.6的过浓混合气区域；
[2]当混合燃料电子控制单元(8)接收冷却水温度传感器的冷却水温度信号(2)所显示的水温不低于30℃时，判断发动机为热机起动工况，所需要的混合气浓度比冷机起动时低；混合燃料电子控制单元(8)根据冷却水温调整点火控制信号(a)和二甲醚喷射信号(c)，此时由αDME＝1纯二甲醚点燃，过量空气系数处于λ＝0.6-0.8的浓混合气区域；
暖机工况：当曲轴位置传感器的曲轴转角信号(1)显示发动机的转速高于700r/min时，混合燃料电子控制单元(8)判断发动机已正常起动，此时如果冷却水温低于75℃则属于暖机工况；在暖机工况下采用αDME＝1纯二甲醚点燃燃烧方式，混合气浓度高于λ＝1的理论当量比10％-20％，混合燃料电子控制单元(8)根据线性氧传感器的空燃比信号(7)将过量空气系数控制在λ＝0.8-1的较浓混合气区域，并随着冷却水温的提高而通过控制二甲醚喷射信号(c)，逐渐降低二甲醚喷入量，使得混合气浓度趋于化学计量比浓度；
混合燃料电子控制单元(8)根据相关信号向点火模块(11)发出混合燃料点火控制信号(a)，使火花塞(12)跳火；向二甲醚喷嘴(14)发出二甲醚喷射信号(c)；同时向电子节气门(15)发出电子节气门控制信号(d)；通过控制电子节气门(15)开度和点火时刻使得发动机能够稳定运行在发动机循环变动小于10％的范围内，目标转速设定在1000-1400r/min；
怠速工况：当发动机水温高于75℃，混合燃料电子控制单元(8)根据传感器信号确定发动机属于怠速工况时，向点火模块(11)发出混合燃料点火控制信号(a)并使火花塞(12)跳火，同时向二甲醚喷嘴(14)发出二甲醚喷射信号(c)使其喷射二甲醚燃料，根据相应的信号向电子节气门(15)发出电子节气门控制信号(d)使得电子节气门(15)在0-10％的区间内调整；在怠速工况下，由αDME＝1纯二甲醚点燃燃烧模式运行，混合气浓度为化学计量比浓度，混合燃料电子控制单元(8)通过推迟或提前点火时刻、改变二甲醚喷射量以及电子节气门(15)开度实现对于发动机怠速运行的稳定控制，使过量空气系数λ＝1，点火提前角β＝0-6°ATDC围内调整，同时目标转速控制在790-800r/min；
以上所述的冷机起动、正常起动工况、暖机工况以及怠速工况均应通过台架进行验证试验，确定相应的二甲醚喷射量以及点火时刻，使得发动机能够正常起动并不出现失火或爆震；
2)低负荷工况：当发动机运转在其全负荷0-30％的低负荷工况时，采用高辛烷值燃料与二甲醚的均质预混合压燃燃烧方式，此时αDME应不小于30％。
混合燃料电子控制单元(8)在确定发动机属于其全负荷0-30％的低负荷工况运行后，首先通过混合燃料点火控制信号(a)关闭点火模块(11)，使火花塞(12)停止点火，实现均值充量混合压燃HCCI的燃烧模式；同时混合燃料电子控制单元(8)根据各传感器信号判断转速及负荷区间，调整二甲醚喷射信号(c)和高辛烷值燃料喷射信号(b)，使得二甲醚喷嘴(14)和高辛烷值燃料喷嘴(13)按αDME不小于30％的适当比例喷射二甲醚和高辛烷值燃料，混合燃料电子控制单元(8)同时对电子节气门(15)发出电子节气门控制信号(d)使电子节气门(15)100％开启，实现发动机在1200-6500r/min转速区间内、发动机全负荷0-30％的低负荷均质混合燃料压燃运行；
发动机运行在低负荷区间时需要辛烷值较低易于燃烧爆炸的燃料，因此需要采用的αDME应不小于30％；在此基础上通过台架试验验证并优化二甲醚与高辛烷值燃料的混合比例以及喷射脉宽，使混合燃料的过量空气系数λ在1-3之间，确保发动机不出现失火等情况发生；
3)中负荷工况：当发动机运转在其全负荷30-70％的中负荷工况时，采用高辛烷值燃料与二甲醚混合燃料火花点燃燃烧方式，此时采用的αDME小于30％；
混合燃料电子控制单元(8)在确定发动机属于其全负荷30-70％的中负荷工况运行后，连通点火模块(11)并控制火花塞(12)点火，混合燃料电子控制单元(8)根据各传感器信号判断转速及负荷区间，调整二甲醚喷射信号(c)和高辛烷值燃料喷射信号(b)，使得二甲醚喷嘴(14)和高辛烷值燃料喷嘴(13)按αDME小于30％的比例喷射二甲醚和高辛烷值燃料，混合燃料电子控制单元(8)同时对电子节气门(15)发出电子节气门控制信号(d)以实时调整节气门开度在20-55％之间变化，随着发动机负荷和转速的不断提高而将点火提前角β由8°BTDC不断提前至40°BTDC，实现发动机在1200-6500r/min转速区间内、过量空气系数λ＝1情况下发动机全负荷30-70％的中负荷运行；在该工况下采用的αDME小于30％是避免由于燃料辛烷值过低而导致爆震等情况发生。
4)高负荷工况：当发动机运转在其全负荷70-100％的高负荷工况时，发动机燃用αDME＝0纯高辛烷值燃料，并采用火花塞点燃的燃烧方式；
混合燃料电子控制单元(8)在确定发动机属于高负荷工况运行后，连通点火模块(11)并控制火花塞(12)点火，关闭二甲醚喷射信号(c)使得二甲醚喷嘴(14)停止喷射二甲醚，同时发出高辛烷值燃料喷射信号(b)使高辛烷值燃料喷嘴(13)喷射高辛烷值燃料，实现在发动机全负荷70-100％的高负荷工况下αDME＝0单纯点燃高辛烷值燃料；
混合燃料电子控制单元(8)同时对电子节气门(15)发出电子节气门控制信号(d)以使得节气门开度在55-100％之间实时调整，在全部燃用高辛烷值燃料的基础上，随着发动机负荷和转速的不断提高而将点火提前角β由8°BTDC不断提前至40°BTDC，实现发动机在1200-6500r/min转速区间内、过量空气系数λ＝1情况下发动机全负荷70-100％的高负荷运行；在此基础上通过台架试验验证并优化高辛烷值燃料的喷射脉宽及点火时刻，确保发动机不出现失火爆震等情况发生。
2.根据权利要求1所述的一种采用二甲醚和高辛烷值燃料现场混合和复合燃烧模式的内燃机的控制方法，其特征在于，所述的高辛烷值燃料为甲醇或乙醇或液化石油气或天然气。
3.根据权利要求1所述的一种采用二甲醚和高辛烷值燃料现场混合和复合燃烧模式的内燃机的控制方法，其特征在于：当混合燃料电子控制单元(8)检测到来自线性氧传感器的空燃比信号(7)所测得的过量空气系数λ与理论目标值偏离3％以上时，混合燃料电子控制单元(8)重新检测曲轴转角位置传感器的曲轴转角信号(1)、节气门位置传感器的节气门位置信号(5)以及进气压力传感器的进气压力信号(4)并再次确定发动机当前的转速及负荷，并以此确定当前的燃烧方式以及燃料的喷射比例；同时通过调整PID算法调节二甲醚喷嘴(14)和高辛烷值燃料喷嘴(13)的喷油脉宽实现对各工况过量空气系数λ的有效闭环控制。
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