一种可控温电热塞辅助压燃式甲醇发动机及其控制方法

1.本发明属于车用发动机控制技术领域，具体是一种可控温电热塞辅助压燃式甲醇发动机及其控制方法。


背景技术：

2.全球变暖，是目前为止对地球和人类最为严重的威胁因素之一，各行各业都在逐步减少使用和倚靠化石燃料。甲醇作为一种新型清洁燃料可以替代汽油、柴油，是新能源的重要组成部分。发动机燃用甲醇作为替代燃料时对原发动机的改动较小，能在满足原发动机的动力性能基础上，改善其经济性能与减少碳排放。
3.压燃式发动机具有油耗低、可靠性高、高度特性好、转速低、转矩大等优点，而甲醇的低热值，高汽化潜热及高自燃温度的特点使得甲醇难以被压燃，压燃式甲醇发动机需要解决燃烧不稳定的问题。
4.目前为使甲醇发动机稳定压燃采取措施包括进气加热、柴油引燃、电热塞助燃等。其中电热塞助燃方式可以改善冷启动性能，解决甲醇发动机点火难的问题，而电热塞存在寿命短、能耗高、无法随工况变化温度的问题，需要采取进一步措施优化电热塞辅助压燃的这种燃烧模式。


技术实现要素：

5.本发明为了解决上述问题，提供一种可控温电热塞辅助压燃式甲醇发动机及其控制方法。
6.本发明采取以下技术方案：一种可控温电热塞辅助压燃式甲醇发动机，包括由甲醇发动机水套、甲醇发动机缸体、甲醇发动机曲轴箱以及油底壳组成的发动机壳体，发动机壳体上部设置甲醇发动机缸盖，所述发动机壳体内设置甲醇发动机曲轴以及甲醇发动机连杆，甲醇发动机连杆驱动甲醇发动机曲轴，甲醇发动机连杆上端连接甲醇发动机活塞，甲醇发动机缸盖与甲醇发动机活塞之间形成气缸，所述甲醇发动机缸盖上设置甲醇发动机排气歧管、甲醇喷油器、可控温电热塞以及甲醇发动机进气歧管，甲醇喷油器与可控温电热塞都伸入气缸内，甲醇发动机进气歧管的进气口处的节气门，节气门与外界空气连通的管路上设置空气流量计，所述甲醇喷油器、可控温电热塞与节气门由甲醇发动机电子控制单元ecu控制，电子控制单元ecu根据甲醇发动机当前的负荷状态进行温度调节与节气门开度变化；所述负荷状态根据此时发动机转速与有效功率计算出发动机的平均有效压力作为判断指标。
7.所述可控温电热塞上设置有电热塞温度传感器，用于测量可控温电热塞表面温度并向电子控制单元ecu反馈温度信息。
8.所述节气门内设置有节气门位置传感器，用于监测节气门开度并向电子控制单元元ecu反馈位置信息。
9.一种可控温电热塞辅助压燃式甲醇发动机的控制方法，
s1：当发动机启动以及进入怠速状态时，电子控制单元ecu控制节气门开度保持在4
°
～８
°
范围内，此时进气量小，过量空气系数被控制保持在0.8～1.0范围内，可控温电热塞的温度保持在1200℃～1300℃范围内。
10.s2：当发动机平稳加速时，电子控制单元ecu根据实时变化的油耗量，调整节气门9开度，空气流量计16向电子控制单元ecu反馈空气流量的变化并进一步修正节气门9开度，使得油耗量增大的同时节气门开度随之增大，以此控制过量空气系数在1.4～1.8范围内，电热塞温度保持在1250℃～1300℃范围内。
11.发动机加速时由于转速加大，以及节气门开度加大，使得发动机吸入的空气流速以及流量加大。由于每循环的相同进气门开启时间内进气量加大，空气流速加大更快形成绕垂直于气缸轴线的有组织的空气旋流及进气滚流，增加压缩终了时的湍流强度，加速甲醇混合气的形成，从而使火焰前锋发生皱褶，增加火焰前锋的面积并加速已燃气体与未燃气体之间热量传递，提高燃烧速率，抑制爆震，减少循环变动，提高稀燃能力，改善甲醇发动机的性能。
12.s3：当发动机急加速时，电子控制单元ecu控制节气门全开，保证瞬时的进气量满足甲醇稳定燃烧，电热塞温度保持在1275℃～1300℃范围内。
13.s4：发动机平稳减速时，电子控制单元ecu减少油量供应，并调整节气门9开度，空气流量计16向电子控制单元ecu反馈实时空气流量的变化并进一步修正节气门9开度，使得油耗量减少的同时节气门开度随之减小，以此控制过量空气系数在1.2～1.4范围内，电热塞温度保持在950℃～1050℃范围内。
14.s5：发动机紧急制动时，ecu切断油量供应，此时节气门开度调至2
°
～5
°
，电热塞保持在700℃～750℃。
15.过量空气系数的计算过程如下，电子控制单元ecu根据节气门位置传感器以及空气流量传感器采集的信息得到此时的进气量l（m3/h），由总燃油消耗量q(kg/h)计算出此时的实际空燃比l =1.29
×
l/q，甲醇理论空燃比l0为6.5，则理论进气量为l0= l0×
q/1.29，过量空气系数为实际空燃比l与理论空燃比l0的比值，λ= l / l0，同时λ也为实际进气量与理论进气量的比值，λ=l/l0。
16.所述s3中，当发动机加速过程结束后进入如下的稳定工况，电子控制单元ecu根据稳定工况的设定范围控制节气门开度与电热塞温度；s31：当平均有效压力为0.2mpa～0.4mpa时，发动机为小负荷工况，此时电子控制单元ecu控制节气门开度，使过量空气系数λ保持在范围1.5≤λ≤1.8内；电子控制单元ecu根据电热塞温度传感器信号得到此时的可控温电热塞温度，并控制可控温电热塞的温度使其达到1150℃～1200℃范围内。
17.s32：当平均有效压力为0.4mpa～0.7mpa时，发动机为中负荷工况，此时电子控制单元ecu控制节气门开度，使过量空气系数λ范围为1.4≤λ≤1.7。电子控制单元ecu根据电热塞温度传感器信号得到此时的可控温电热塞温度，并控制可控温电热塞的温度使其达到1050℃～1150℃。
18.s33：当平均有效压力大于等于0.7mpa时，发动机为大负荷工况，此时电子控制单元ecu控制节气门开度，使过量空气系数λ范围为1.2≤λ≤1.4 ；电子控制单元ecu根据电热塞温度传感器信号得到此时的可控温电热塞温度，并控制可控温电热塞温度使其达到1000
℃～1050℃。
19.平均有效压力的公式为,式中为平均有效压力，为冲程数，为有效功率，为单缸工作容积，i为气缸数，n为转速。
20.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：1.可控温电热塞能够根据实际工况需要来选择合适的电热塞温度，小负荷选择高电热塞温度，大负荷则降低电热塞温度以满足在甲醇混合气充分燃烧的基础上最大限度的减少电热塞的能耗，延长电热塞寿命。
21.2.合理的过量空气系数与相应的电热塞温度配合，小负荷时高电热塞温度高过量空气系数使得燃烧更充分提高热效率，中大负荷适当增加的混合气浓度可以优化甲醇混合气着火性能更容易压燃，并降低循环波动率，降低燃油消耗量，降低未燃甲醇、甲醛、甲酸等有害物质排放。
附图说明
22.图1是本发明可控温电热塞辅助压燃式甲醇发动机示意图；图2是本发明可控温电热塞辅助压燃式甲醇发动机电热塞与喷油器布置示意图；图3是小负荷工况下缸内压力随节气门开度变化的曲线；图4是小负荷工况下放热率随节气门开度变化的曲线；图5是小负荷工况下循环波动率随节气门开度变化的曲线；图中：1-甲醇发动机曲轴，2-甲醇发动机连杆，3-甲醇发动机活塞，4-甲醇发动机排气歧管，5-甲醇发动机缸盖，6-甲醇喷油器，7-可控温电热塞，8-甲醇发动机进气歧管，9-电控节气门，10-电子控制单元，11-甲醇发动机水套，12-甲醇发动机缸体，13-甲醇发动机曲轴箱，14-油底壳，15-输出法兰盘，16-空气流量计。
具体实施方式
23.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
24.如图1、2所示，一种可控温电热塞辅助压燃式甲醇发动机，包括由甲醇发动机水套11、甲醇发动机缸体12、甲醇发动机曲轴箱13以及油底壳14组成的发动机壳体，发动机壳体上部设置甲醇发动机缸盖5，所述发动机壳体内设置甲醇发动机曲轴1以及甲醇发动机连杆2，甲醇发动机连杆2驱动甲醇发动机曲轴1，甲醇发动机连杆2上端连接甲醇发动机活塞3，甲醇发动机缸盖5与甲醇发动机活塞3之间形成气缸，所述甲醇发动机缸盖5上设置甲醇发动机排气歧管4、甲醇喷油器6、可控温电热塞7以及甲醇发动机进气歧管8，甲醇喷油器6与可控温电热塞7都伸入气缸内，甲醇发动机进气歧管8的进气口处的节气门9，节气门9与外界空气连通的管路上设置空气流量计16，所述甲醇喷油器6、可控温电热塞7与节气门9由甲醇发动机电子控制单元ecu控制，电子控制单元ecu根据甲醇发动机当前的负荷状态进行温
度调节与节气门开度变化；所述负荷状态根据此时发动机转速与有效功率计算出发动机的平均有效压力作为判断指标。
25.可控温电热塞7上设置有电热塞温度传感器，用于测量可控温电热塞表面温度并向电子控制单元ecu反馈温度信息。节气门9内设置有节气门位置传感器，用于监测节气门开度并向电子控制单元元ecu反馈位置信息。所述的甲醇喷油器的喷油量由ecu控制喷油器加电时间所得，ecu可以根据加电时间计算出实际喷油量，每支喷油器喷油量总和为总燃油消耗量。
26.电热塞辅助压燃式甲醇发动机的控制策略通过控制节气门开度改变进气量并控制电热塞温度来使甲醇混合气燃烧达到最优。当混合气过浓时，会使甲醇燃烧不完全，碳烟、co与nox等有害物排放增多。当混合气过稀时，燃料的燃烧速度降低，这部分混合气燃烧放出的热量中变为机械功的相对较少，输出扭矩下降。合适的混合气浓度选择对发动机性能有很大改善，电热塞温度的选择可以使电热塞在使甲醇混合气的着火性能达到最优的同时降低能耗。
27.平均有效压力的公式为,式中为平均有效压力，为冲程数，为有效功率，为单缸工作容积，i为气缸数，n为转速。根据此时发动机转速与有效功率可以计算出发动机的平均有效压力，平均有效压力可以作为判断发动机负荷状态的重要指标。
28.一种可控温电热塞辅助压燃式甲醇发动机得控制方法：s1：当发动机启动以及进入怠速状态时，电子控制单元ecu控制节气门9开度保持在4
°
～８
°
范围内，此时进气量小，过量空气系数被控制保持在0.8～1.0范围内，可控温电热塞7的温度保持在1200℃～1300℃范围内。可控温电热塞7温度保持在1200℃～1300℃范围内，以保证喷入的甲醇可以迅速被压燃，发动机快速启动。
29.s2：当发动机平稳加速时，电子控制单元ecu根据实时变化的油耗量与实际空气流量，通过调整节气门开度控制过量空气系数在1.4～1.8范围内。ecu首先根据油耗量与空气流量计向电子控制单元ecu反馈的实际空气流量计算出实时变化的过量空气系数λ。当λ≤1.4时，则ecu驱动电机增大节气门开度；当λ≥1.8则减小节气门开度，以此不断修正节气门开度，使得油耗量增大的同时增大合适的节气门开度，并且电热塞温度保持在1250℃～1300℃范围内。
30.发动机加速时由于转速加大，以及节气门开度加大，使得发动机吸入的空气流速以及流量加大。由于每循环的相同进气门开启时间内进气量加大，空气流速加大更快形成绕垂直于气缸轴线的有组织的空气旋流及进气滚流，增加压缩终了时的湍流强度，加速甲醇混合气的形成，从而使火焰前锋发生皱褶，增加火焰前锋的面积并加速已燃气体与未燃气体之间热量传递，提高燃烧速率，抑制爆震，减少循环变动，提高稀燃能力，改善甲醇发动机的性能。
31.s3：当发动机急加速时，电子控制单元ecu控制节气门9全开，保证瞬时的进气量满足甲醇稳定燃烧，电热塞温度保持在1275℃～1300℃范围内。当发动机加速过程结束后进入如下的稳定工况，电子控制单元ecu根据稳定工况的设定范围控制节气门开度与电热塞
温度。
32.s31：当平均有效压力为0.2mpa～0.4mpa时，发动机为小负荷工况，此时电子控制单元ecu控制节气门9开度，使过量空气系数λ保持在范围1.5≤λ≤1.8内；电子控制单元ecu根据电热塞温度传感器信号得到此时的可控温电热塞7温度，并控制可控温电热塞7的温度使其达到1150℃～1200℃范围内。以使小负荷工况下甲醇混合气燃烧达到最优效果，此时发动机输出功率增大，平均有效压力在当前范围内增加。
33.s32：当平均有效压力为0.4mpa～0.7mpa时，发动机为中负荷工况，此时电子控制单元ecu控制节气门9开度，使过量空气系数λ范围为1.4≤λ≤1.7；电子控制单元ecu根据电热塞温度传感器信号得到此时的可控温电热塞7温度，并控制可控温电热塞7的温度使其达到1050℃～1150℃。以使中负荷工况下甲醇混合气燃烧达到最优效果，此时发动机输出功率增大，平均有效压力在当前范围内增加。
34.s33：当平均有效压力大于等于0.7mpa时，发动机为大负荷工况，此时电子控制单元ecu控制节气门9开度，使过量空气系数λ范围为1.2≤λ≤1.4 ；电子控制单元ecu根据电热塞温度传感器信号得到此时的可控温电热塞7温度，并控制可控温电热塞7温度使其达到1000℃～1050℃。以使大负荷工况下甲醇混合气燃烧达到最优效果，此时发动机输出功率增大，平均有效压力在当前范围内增加。
35.s4：发动机平稳减速时，电子控制单元ecu减少油量供应，并调整节气门开度，以此控制过量空气系数在1.2～1.4范围内。ecu首先根据油耗量与空气流量计向电子控制单元ecu反馈的实际空气流量计算出实时变化的过量空气系数λ。当λ≤1.2时，则ecu驱动电机增大节气门开度；当λ≥1.4则减小节气门开度，以此不断修正节气门开度，使得油耗量减少的同时减小适当的节气门开度，并且电热塞温度保持在950℃～1050℃范围内。
36.s5：发动机紧急制动时，ecu切断油量供应，此时节气门9开度调至2
°
～5
°
，电热塞保持在700℃～750℃。
37.上述控制过程出现的各种参数并非常规选择，而是经过实验后得出的最优选择。实验过程中，同一工况下只改变节气门开度或电热塞温度，并使用测功机、燃油消耗仪、燃烧分析仪、排放仪得到输出转矩、有效输出功率、燃油消耗量、缸内压力、循环波动率以及排放量等数据。根据实验数据选择最优的节气门开度及对应工况下的过量空气系数范围与最优电热塞温度范围。以下以小负荷工况为例。
38.如图3为发动机1200r/min小负荷工况下6%～18%节气门开度时的缸内压力曲线，从图中可知随着节气门开度的增大，缸内压力曲线整体呈上升趋势，最高压力逐渐增大，但当节气门开度为18%时曲轴转角在10.4
°
ca缸内最高压力为60.42bar，16%开度时曲轴转角在9.5
°
ca最高缸压为62.02bar，最高缸压下降了3%。则可知节气门开度继续增大会使缸压继续下降，所以最优的节气门开度控制在16%以内。开度为16%时油耗量测得2.73kg/h，空气流量测得25.18m3/h，则对应的计算所得过量空气系数λ=1.8305。
39.如图4为发动机1200r/min小负荷工况下6%～18%节气门开度时的放热率曲线，从图中可知随着节气门开度的增大，放热率曲线整体呈上升趋势，且12%开度时曲轴转角在6
°
ca放热率峰值达到最高46.88，16%与18%则时有所下降。则可知12%～16%开度范围内放热率较高，大于16%下降过多，节气门开度应控制在12%～16%开度范围。开度为12%时测得油耗量为2.58kg/h，空气流量为19.28m3/h此时对应的过量空气系数1.4831≤λ≤1.8305。
40.如图5为发动机1200r/min小负荷工况下6%～18%节气门开度时的循环波动率曲线，从图中可知随着节气门开度的增大，循环波动率逐渐升高，循环波动率大会导致燃烧不正常甚至失火的循环数逐渐增多，碳氢化合物等不可能完全燃烧产物增多，动力经济性下降。同时，由于燃烧过程不稳定，也使得振动噪声增大，零部件寿命下降。因此再次证明节气门开度不可继续增大，控制在范围内为最优解。
41.综上实验数据可以得出当前小负荷工况下节气门开度12%～16%内的发动机运行状态最好，在此节气门开度范围下的空气流量与油耗量由实验测得，即可计算出此时的最优过量空气系数范围约为1.5～1.8。再经实验证明发动机在不同转速的小负荷工况下最优过量空气系数范围也为1.5～1.8。
42.具体的，上述的各个参数的选择均和以上的步骤相似，在实验台架上测得过量空气系数与电热塞温度的最优范围，并刷写进ecu。在实车上由ecu控制节气门开度与电热塞温度并使其根据不同工况条件使过量空气系数与电热塞温度稳定在最优范围。
43.具体的，控制过量空气系数范围是ecu根据所述的节气门位置传感器信息、空气流量传感器信息得到此时的进气量l（m3/h），再由所述的总燃油消耗量q(kg/h)计算出此时的理论空燃比l与实际空燃比l0，过量空气系数为实际空燃比与理论空燃比的比值，甲醇的理论空燃比为6.5，实际空燃比l =1.29
×
l/q，过量空气系数λ= l /l0。控制进气量与总燃油消耗量达到控制过量空气系数的目的。
44.具体的，可控温电热塞材料为陶瓷，输入电压范围为20v～28v，可控制温度范围为750℃～1300℃。可以及时向ecu反馈温度，控制器使温度始终保持在范围内，甲醇混合气在缸内着火燃烧稳定，甲醇混合气着火燃烧稳定改善发动机经济性和动力性。
45.本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
46.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。