技术领域
[0001] 本
发明涉及发动机技术领域，尤其涉及
汽油发动机过量空气系数燃烧控制方法及燃烧控制系统。
背景技术
[0002] 均质充量压缩燃烧(Homogeneous Charging Compression Ignition，HCCI)控制技术通过控制进气
温度，并采用预混合、压缩着火的燃烧方式实现了低温稀薄燃烧，有效提升了发动机有效热效率，并降低了污染物排放。然而，由于进气温度难以精确控制，且随着发动机负荷的增加，压缩着火对进气温度的敏感程度大幅增加，细微的
温度控制差异将会导致压缩着火时出现较大的变动，最终导致HCCI控制技术的燃烧始点和放热率无法获得控制；同时发动机负荷的增加，还会使燃烧压
力升高率急剧上升，出现类似
爆震的不可控、不正常的燃烧过程。
[0003] 现有汽油发动机燃烧控制技术中，汽油与空气通常以化学计量
空燃比进行混合
后燃烧，过量空气系数不会随着发动机工况(负荷情况)的变化而改变，难以发挥稀薄燃烧有效提升发动机热效率的优势。
发明内容
[0004] 本发明的目的在于针对
现有技术的不足之处，提供一种汽油发动机过量空气系数燃烧控制方法及燃烧控制系统，针对汽油发动机不同的工况，采用不同的过量空气系数，获得汽油发动机在全工况范围内有效热效率、动力性和污染物排放的综合改善的效果。
[0005] 本发明提供一种汽油发动机过量空气系数燃烧控制方法，包括步骤：
[0006] 监测发动机的运行工况；
[0007] 根据发动机的运行工况判断发动机当前的负荷状态，其中发动机的负荷状态分为：部分负荷状态、大负荷状态及满负荷状态；
[0008] 根据发动机当前的负荷状态选择相适配的过量空气系数燃烧模式，其中，[0009] 当发动机当前的负荷状态为部分负荷状态时，发动机采用过量空气系数为1.6～2.0的稀薄燃烧模式；
[0010] 当发动机当前的负荷状态为大负荷状态时，发动机采用过量空气系数为1的燃烧模式；
[0011] 当发动机当前的负荷状态为满负荷状态时，发动机采用过量空气系数为0.8～0.9的燃烧模式。
[0012] 进一步地，部分负荷状态为0～50％发动机功率运行的状态，大负荷状态为50％～90％发动机功率运行的状态，满负荷状态为90％～100％发动机功率运行的状态。
[0013] 进一步地，当发动机当前的负荷状态为部分负荷状态时，发动机采用过量空气系数为1.6～2.0的稀薄燃烧模式，所述燃烧模式如下：利用
燃油喷射系统精确控制燃油供给量和可变配气系统精确控制新鲜空气进气量，使
气缸内形成过量空气系数为1.6～2.0的稀薄混合气并进行点火；同时，发动机采用米勒循环结合废气再循环降低发动机气缸内的燃烧温度，使发动机气缸内的燃烧温度处于1900K以下。
[0014] 进一步地，利用废气再循环控制燃烧后的废气回流量和废气回流温度，使气缸内过量空气系数为1.6～2.0的稀薄混合气在点火
时间窗口的混合气温度等于临界自燃温度。
[0015] 进一步地，所述过量空气系数为1.6～2.0的稀薄混合气采用大于400MJ的点火
能量进行点火。
[0016] 进一步地，当所述发动机当前的负荷状态为大负荷状态时，发动机采用过量空气系数为1的燃烧模式，所述燃烧模式如下：利用燃油喷射系统精确控制燃油供给量和可变配气系统精确控制新鲜空气进气量，使气缸内形成过量空气系数为1的混合气并进行点火；同时，发动机利用废气再循环调节废气回流量和废气回流温度进行燃烧适配。
[0017] 进一步地，当所述发动机当前的负荷状态为满负荷状态时，发动机采用过量空气系数为0.8～0.9的燃烧模式，所述燃烧模式如下：利用燃油喷射系统精确控制燃油供给量和可变配气系统精确控制新鲜空气进气量，使气缸内形成过量空气系数为0.8～0.9的浓混合气并进行点火；同时，发动机利用废气再循环调节废气回流量和废气回流温度进行燃烧适配。
[0018] 进一步地，该汽油发动机过量空气系数燃烧控制方法还包括利用废气再循环控制燃烧后的废气回流量，其中三种燃烧模式下的废气回流量的大小为：过量空气系数为1.6～2.0的稀薄燃烧模式>过量空气系数为1的燃烧模式>过量空气系数为0.8～0.9的燃烧模式。
[0019] 进一步地，该汽油发动机过量空气系数燃烧控制方法还包括利用废气再循环控制燃烧后的废气回流温度，其中三种燃烧模式下的废气回流温度的大小为：过量空气系数为1.6～2.0的稀薄燃烧模式>过量空气系数为1的燃烧模式>过量空气系数为0.8～0.9的燃烧模式。
[0020] 进一步地，所述发动机燃烧产生的待排放废气最后经催化转化后排出。
[0021] 本发明还提供一种汽油发动机过量空气系数燃烧控制系统，所述燃烧控制系统包括
气缸体结构、可变配气系统、燃油喷射系统、高能
点火系统、废气再循环系统、工况监测系统和发动机电控单元，所述气缸体结构包括气缸，所述可变配气系统用于控制新鲜空气进入所述气缸的进气量，所述燃油喷射系统用于控制喷射进入所述气缸的燃油量，所述高能点火系统包括高能
火花塞并用于放电点火，所述废气再循环系统用于控制废气回流量和废气回流温度，其中：
[0022] 所述发动机电控单元与所述工况监测系统、所述可变配气系统、所述燃油喷射系统、所述高能点火系统和所述废气再循环系统电连接；
[0023] 所述工况监测系统用于监测发动机的运行工况并将监测结果传递给所述发动机电控单元；
[0024] 所述发动机电控单元根据发动机的运行工况判断发动机当前的负荷状态，其中发动机的负荷状态分为：部分负荷状态、大负荷状态及满负荷状态；
[0025] 所述发动机电控单元根据发动机当前的负荷状态选择相适配的过量空气系数燃烧模式，其中，
[0026] 当发动机当前的负荷状态为部分负荷状态时，所述发动机电控单元控制发动机采用过量空气系数为1.6～2.0的稀薄燃烧模式；
[0027] 当发动机当前的负荷状态为大负荷状态时，所述发动机电控单元控制发动机采用过量空气系数为1的燃烧模式；
[0028] 当发动机当前的负荷状态为满负荷状态时，所述发动机电控单元控制发动机采用过量空气系数为0.8～0.9的燃烧模式。
[0029] 进一步地，所述工况监测系统包括
发动机转速监测
传感器和功率监测装置。
[0030] 进一步地，所述废气再循环系统包括废气再循环管路、废气再循环控制
阀、废气再循环中冷器、废气回流旁通管路及
废气旁通阀，所述废气再循环管路的出气端与进气管相连通，所述废气再循环管路的入气端与排气管相连通，所述废气再循环
控制阀和所述废气再循环中冷器串接设置于所述废气再循环管路中，所述废气回流旁通管路与所述废气再循环中冷器并联，所述废气旁通阀设置于所述废气回流旁通管路中。
[0031] 进一步地，所述废气再循环系统用于控制燃烧后的废气回流量，其中三种燃烧模式下的废气回流量的大小为：过量空气系数为1.6～2.0的稀薄燃烧模式>过量空气系数为1的燃烧模式>过量空气系数为0.8～0.9的燃烧模式。
[0032] 进一步地，所述废气再循环系统用于控制燃烧后的废气回流温度，其中三种燃烧模式下的废气回流温度的大小为：过量空气系数为1.6～2.0的稀薄燃烧模式>过量空气系数为1的燃烧模式>过量空气系数为0.8～0.9的燃烧模式。
[0033] 进一步地，所述高能火花塞的点火能量可点燃过量空气系数为0.8～0.9的浓混合气及过量空气系数为1的混合气，且还可点燃过量空气系数为1.6～2.0的稀薄混合气。
[0034] 本发明
实施例的技术方案带来的有益效果是：上述汽油发动机过量空气系数燃烧控制方法和燃烧控制系统，针对汽油发动机不同的工况，采用不同的过量空气系数燃烧模式，获得汽油发动机在全工况范围内的有效热效率、动力性和污染物排放的综合改善效果。
附图说明
[0035] 为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0036] 图1是本发明的汽油发动机过量空气系数燃烧控制系统的结构示意图。
[0037] 图2是本发明的汽油发动机过量空气系数燃烧控制系统的模
块示意图。
[0038] 图3是本发明的汽油发动机过量空气系数燃烧控制方法的
流程图。
具体实施方式
[0039] 为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对本发明的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。
[0040] 图1是本发明的汽油发动机过量空气系数燃烧控制系统的结构示意图，图2是本发明的汽油发动机过量空气系数燃烧控制系统的模块示意图，请参图1与图2所示，本发明的汽油发动机过量空气系数燃烧控制系统100，包括气缸体结构10、可变配气系统20、燃油喷射系统30、高能点火系统40、废气再循环系统50、催化转化器60、工况监测系统70和发动机电控单元80。
[0041] 气缸体结构10包括气缸11和缸盖12。缸盖12设于中空的气缸11的上方，气缸11包括中空的缸体111、插设于缸体111中且可沿缸体111轴线移动的
活塞112、以及与活塞112铰接连接的
连杆113。由缸盖12的底面、气缸11的活塞112顶面、及气缸11的缸体111所形成的空间为
燃烧室13，本实施例采用米勒循环(Miller Cycle)技术，故燃烧室13为米勒循环燃烧室。
[0042] 可变配气系统20用于精确控制向气缸11提供的燃烧所需空气量。可变配气系统20包括进气管21、排气管22、进气
门23、排气门24、节气门25及
可变气门正时装置26。进气门23和排气门24设置在缸盖12上，进气管21和排气管22设置于缸盖12外侧且与缸盖12固定连接，进气管21通过进气门23与气缸11连通，排气管22通过排气门24与气缸11连通。本实施例采用米勒循环技术，因此进气门23采用米勒循环小升程进气门。可变气门正时装置26采用可变气门正时(Variable Valve Timing，VVT)技术，根据发动机的运行情况调整进气(排气)的量，即进气门23(进气门24)开合时间和
角度，使进入的空气量达到最佳，以提高燃烧效率。可变气门正时装置26包括可变进气门
驱动器261和可变排气门驱动器262，可变进气门驱动器261设置于进气门23的上端以控制进气门23的开启与关闭，可变排气门驱动器262设置于排气门24的上端以可控制排气门24的开启与关闭。节气门25设置于进气管21上，节气门25可控制进气管21的进气量。可变进气门驱动器261、可变排气门驱动器262和节气门25为电控驱动部件，具体地，发动机电控单元80与可变进气门驱动器261、可变排气门驱动器262和节气门25电连接并控制这些部件进行工作。
[0043] 气缸体结构10与可变配气系统20相配合采用米勒循环技术，米勒循环能够实现膨胀比大于有效压缩比的燃烧循环，提高发动机热效率，同时可以实现降低最高燃烧温度的效果。
[0044] 燃油喷射系统30用于控制向气缸11内喷射的燃油量，燃油喷射系统30采用缸内直喷(Gasoline Direct Injection，GDI)技术。燃油喷射系统30包括油箱31、输油管32、低压输油
泵33、高压输油泵34及高压
喷油器35，输油管32的两端分别与油箱31和高压喷油器35连接，低压输油泵33与油箱31相连，高压输油泵34对燃油加压而将其输送，高压输油泵34设置于输油管32上，高压输油泵34对输油管32中的燃油进一步加压，高压喷油器35设于缸盖12上用于往气缸11内直接喷射燃油，高压喷油器35的喷油嘴位于气缸11(燃烧室13)内，输油管32中燃油经高压喷油器35的喷油嘴喷射至气缸11内。高压喷油器35为电控驱动部件，具体地，发动机电控单元80与高压喷油器35电连接并控制其进行喷油工作。
[0045] 燃油喷射系统30与可变配气系统20配合实现对气缸11燃油量和进气量的精确控制，进而实现了发动机过量空气系数的可变控制。
[0046] 高能点火系统40包括高能火花塞41和高能放电电源(图未示)，高能放电电源为高能火花塞41提供
电能。高能火花塞41设于缸盖12上，高能火花塞41的打火端位于燃烧室21内。高能火花塞41可产生高达400MJ的点火能量，其不仅可点燃过量空气系数为0.8～0.9的浓混合气及过量空气系数为1的混合气，还可点燃过量空气系数为1.6～2.0的稀薄混合气。高能火花塞41为电控驱动部件，具体地，发动机电控单元80与高能火花塞41电连接并控制其进行放电点火。
[0047] 废气再循环(Exhaust Gas Recirculation，EGR)系统50包括废气再循环管路51、废气再循环控制阀52、废气再循环中冷器53、废气回流旁通管路54、及废气旁通阀55。废气再循环管路51的出气端与位于节气门25后的进气管21相连通，废气再循环管路51的入气端与排气管22相连通。废气再循环控制阀52和废气再循环中冷器53串接设置于废气再循环管路51中。废气回流旁通管路54与废气再循环中冷器53并联，废气旁通阀55设置于废气回流旁通管路54中，废气旁通阀55用于控制废气再循环管路51中经过与不经过的废气再循环中冷器53的废气比例以精确控制回流废气温度。废气再循环控制阀52和废气旁通阀55为电控驱动部件，具体地，发动机电控单元80与废气再循环控制阀52和废气旁通阀55电连接并控制这些阀的开启与关闭。
[0048] 本实施例利用废气再循环技术来控制回流废气量和回流废气温度。具体地，从气缸11排出的一部分废气经排气管22进入废气再循环管路51，通过废气再循环控制阀52控制进入废气再循环管路51的废气量，废气再循环管路51中的废气分为两部分，一部分经由废气再循环中冷器53冷却降温，另一部分则经由废气回流旁通管路54绕过废气再循环中冷器53再进入废气再循环管路51，与经由废气再循环中冷器53的冷却降温的废气相混合，之后回流至进气管21，再与新鲜空气混合重新进入气缸11中。其中，经由废气再循环中冷器53的废气和经由废气回流旁通管路54的废气的比例是通过废气回流旁通管路54中的废气旁通阀55的开启与关闭来进行调整，进而精确控制回流至进气管21的废气温度。
[0049] 废气再循环系统50的作用是控制废气回流量和废气回流温度，实现不同工况对废气回流量和废气回流温度需求的控制。通过废气再循环系统50控制废气回流温度和废气回流量，进而控制气缸内混合气在点火时间窗口的混合气温度。废气回流量大小，直接影响混合气点火燃烧后的最高燃烧温度，废气回流量越大，最高燃烧温度越低。
[0050] 催化转化器60设置于排气管22中，催化转化器60中可填充有铂或钯等催化剂，可将气缸11燃烧后排入排气管22中的含氮
氧化物、
碳氢及
一氧化碳等废气催化转
化成符合环保要求可排放的废气再进行排放。催化转化器60根据燃烧温度及空气系数的不同所产生的污染废气(如低温稀薄燃烧时产生碳氢和一氧化碳等废气，高温燃烧时产生氮氧化物、碳氢和一氧化碳等废气)不同，分别将污染废气转化为可排放废气。
[0051] 如图2所示，发动机电控单元80与工况监测系统70、可变配气系统20、燃油喷射系统30、高能点火系统40和废气再循环系统50电连接。工况监测系统70用于监测发动机的运行工况，如发动机转速和发动机功率等，工况监测系统可以包括发动机转速监测传感器(图未示)和功率监测装置(图未示)等，用于监测发动机转速和发动机功率等，并将监测得到的监测结果传递给发动机电控单元80。然后，发动机电控单元80根据这些监测结果，控制可变配气系统20、燃油喷射系统30、高能点火系统40和废气再循环系统50进行工作。
[0052] 图3是本发明的汽油发动机过量空气系数燃烧控制方法的流程图，请参图3所示，本发明的汽油发动机过量空气系数燃烧控制方法，包括步骤：
[0053] S1：监测发动机的运行工况；
[0054] S2：根据发动机的运行工况判断发动机当前的负荷状态；
[0055] S3：根据发动机当前的负荷状态选择相适配的过量空气系数燃烧模式；
[0056] S4：发动机燃烧产生的待排放废气经催化转化后排出。
[0057] 在步骤S1中，监测发动机的运行工况，例如是监测包括发动机转速和发动机功率在内的发动机运行参数，来获得发动机的运行工况。
[0058] 在步骤S2中，根据获得的发动机的运行工况，判断发动机当前的负荷状态，其中发动机的负荷状态分为：部分负荷状态、大负荷状态及满负荷状态，本实施例中，部分负荷状态为0～50％发动机功率运行的状态，大负荷状态为50％～90％发动机功率运行的状态，满负荷状态为90％～100％发动机功率运行的状态。
[0059] 在步骤S3中，根据获得的发动机当前的负荷状态，选择相适配的过量空气系数燃烧模式，本实施例中，当发动机当前的负荷状态为部分负荷状态时，发动机采用过量空气系数为1.6～2.0的稀薄燃烧模式；当发动机当前的负荷状态为大负荷状态时，发动机采用过量空气系数为1的燃烧模式；当发动机当前的负荷状态为满负荷状态时，发动机采用过量空气系数为0.8～0.9的燃烧模式。
[0060] 当发动机当前的负荷状态为部分负荷状态时，发动机采用过量空气系数为1.6～2.0的燃烧模式，该燃烧模式是利用可变配气系统20精确控制进气量和利用燃油喷射系统
30精确控制燃油量，使气缸11内形成过量空气系数为1.6～2.0的稀薄混合气并利用高能点火系统40的点火能量进行点火；同时，发动机采用米勒循环结合废气再循环(废气再循环系统50)降低发动机气缸11内的燃烧温度，控制发动机气缸11内的燃烧温度处于1900K以下。
进一步地，还利用废气再循环控制燃烧后的废气回流量和废气回流温度，使气缸内过量空气系数为1.6～2.0的稀薄混合气在点火时间窗口的混合气温度等于临界自燃温度，实现燃烧始点可控的同时提高燃烧等容度。进一步地，过量空气系数为1.6～2.0的稀薄混合气采用大于400MJ的点火能量进行点火，即高能点火系统40的点火能量可达到400MJ以上。
[0061] 当发动机当前的负荷状态为大负荷状态时，发动机采用过量空气系数为1的燃烧模式，该燃烧模式是利用可变配气系统20精确控制进气量和利用燃油喷射系统30精确控制燃油量，使气缸11内形成过量空气系数为1的混合气；同时，发动机利用废气再循环(废气再循环系统50)调节废气回流量和废气回流温度，使得与当前燃烧模式下的燃烧相适配，以对燃烧的粗暴程度进行抑制。
[0062] 当发动机当前的负荷状态为满负荷状态时，发动机采用过量空气系数为0.8～0.9的燃烧模式，该燃烧模式是利用可变配气系统20精确控制进气量和利用燃油喷射系统30精确控制燃油量，使气缸内形成过量空气系数为0.8～0.9的浓混合气；同时，发动机利用废气再循环(废气再循环系统50)调节废气回流量和废气回流温度，使得与当前燃烧模式下的燃烧相适配，以确保发动机动力的有效输出。
[0063] 具体地，发动机利用废气再循环控制燃烧后的废气回流量，其中三种燃烧模式下的废气回流量的大小为：过量空气系数为1.6～2.0的稀薄燃烧模式>过量空气系数为1的燃烧模式>过量空气系数为0.8～0.9的燃烧模式。
[0064] 具体地，发动机利用废气再循环控制燃烧后的废气回流温度，其中三种燃烧模式下的废气回流温度的大小为：过量空气系数为1.6～2.0的稀薄燃烧模式>过量空气系数为1的燃烧模式>过量空气系数为0.8～0.9的燃烧模式。
[0065] 在步骤S4中，发动机燃烧产生的待排放废气经催化转化后排出。当发动机当前的负荷状态为部分负荷状态时，发动机采用过量空气系数为1.6～2.0的燃烧模式，发动机燃烧产生的待排放废气含有碳氢和一氧化碳，通过催化转化器60的催化转化后再排出；当发动机当前的负荷状态为大负荷状态时，发动机采用过量空气系数为1的燃烧模式，发动机燃烧产生的待排放废气含有碳氢、一氧化碳及氮氧化物，通过催化转化器60的催化转化后再排出；当发动机当前的负荷状态为满负荷状态时，发动机采用过量空气系数为0.8～0.9的燃烧模式，发动机燃烧产生的待排放废气含有碳氢、一氧化碳及氮氧化物，通过催化转化器60的催化转化后再排出。
[0066] 本发明的汽油发动机过量空气系数燃烧控制方法，采用废气再循环技术、燃烧循环膨胀比大于有效压缩比的米勒循环技术、可控制气缸内喷油量的缸内直喷技术、可控制气缸内进气量的可变配气系统技术以及高能点火系统控制燃烧始点技术来控制发动机燃烧，并采用催化转化器处理燃烧废气。废气再循环技术实现废气再利用，可控制废气回流量和废气回流温度，以对燃烧进行控制。
[0067] 如上所述，本发明实施例的技术方案带来的有益效果是：上述汽油发动机过量空气系数燃烧控制方法和燃烧控制系统，针对汽油发动机不同的运行工况，采用不同的过量空气系数燃烧模式，获得汽油发动机在全工况范围内的有效热效率、动力性和污染物排放的综合改善效果。
[0068] 在本发明中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，除了包含所列的那些要素，而且还可包含没有明确列出的其他要素。
[0069] 在本发明中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的
位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本
申请请求保护的范围。
[0070] 在不冲突的情况下，本发明中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。
[0071] 以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何
修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
