專利名稱：發(fā)動(dòng)機(jī)高效低排放新型復(fù)合熱力循環(huán)的控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及內(nèi)燃機(jī)領(lǐng)域，特別涉及一種發(fā)動(dòng)機(jī)高效低排放新型復(fù)合熱力循環(huán)的控制方法。
背景技術(shù)：
內(nèi)燃機(jī)是交通運(yùn)輸、工程和農(nóng)用機(jī)械等動(dòng)力裝置的主要?jiǎng)恿υ?，?nèi)燃機(jī)消耗石油占我國石油總消耗量的60%以上，2011年我國原油對外依存度已達(dá)56. 5 %。通過技術(shù)創(chuàng)新，大幅度提高內(nèi)燃機(jī)熱效率是確保國家能源安全的重大需求。同時(shí)，在人類活動(dòng)導(dǎo)致的0)2排放中，以內(nèi)燃機(jī)為動(dòng)力的交通運(yùn)輸占25%。提高內(nèi)燃機(jī)熱效率是降低CO2排放的主戰(zhàn)場之一。目前機(jī)動(dòng)車排放的氮氧化物、揮發(fā)性有機(jī)物和可吸入顆粒物在城市大氣污染源中的分擔(dān)率已分別達(dá)到66%、90%和26%，機(jī)動(dòng)車排放也是PM2. 5的最大“貢獻(xiàn)”者之一，分別占總PM2. 5·排放的22. 2% (北京)和25% (上海)。降低汽車內(nèi)燃機(jī)有害排放，改善大氣環(huán)境尤其是城市大氣環(huán)境是我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展必須解決的一個(gè)重要問題。近年來，以電動(dòng)汽車、燃料電池汽車等為代表的新能源動(dòng)力技術(shù)得到世界各國政府以及汽車公司的高度重視。但國際汽車學(xué)術(shù)界和工業(yè)界清醒地認(rèn)識(shí)到汽車產(chǎn)業(yè)不可能發(fā)生類似電子信息產(chǎn)業(yè)的短期跨越式發(fā)展。因此，新能源汽車的普及將是一個(gè)漫長的過程，而且如果沒有一定的保有量，其對能源安全、氣候變化和大氣環(huán)境的實(shí)際效果將非常有限?；趦?nèi)燃機(jī)在保障能源安全、應(yīng)對全球氣候變化和降低大氣環(huán)境污染的重要作用，世界各國在大力發(fā)展新能源動(dòng)力技術(shù)的同時(shí)，十分重視內(nèi)燃機(jī)節(jié)能減排工作。進(jìn)入新世紀(jì)以來，汽車發(fā)達(dá)國家都大力支持以“均質(zhì)壓燃、低溫燃燒”為代表的新一代內(nèi)燃機(jī)燃燒理論和技術(shù)的研究。我國也在科技部2001-2011年組織的兩項(xiàng)973計(jì)劃項(xiàng)目開展了相關(guān)的研究工作，并取得了重要進(jìn)展。已經(jīng)證明應(yīng)用新一代內(nèi)燃機(jī)燃燒技術(shù)可以同時(shí)提高內(nèi)燃機(jī)熱效率、降低CO2排放，降低內(nèi)燃機(jī)尾氣中有害排放。由于發(fā)動(dòng)機(jī)的清潔燃燒，減少了對后處理器的依賴，初步實(shí)現(xiàn)了節(jié)約能源、資源和環(huán)境友好的目標(biāo)。但是，國內(nèi)外在先進(jìn)“均質(zhì)壓燃、低溫燃燒”技術(shù)的研究中都遇到了一個(gè)新的技術(shù)瓶頸，即在發(fā)動(dòng)機(jī)高轉(zhuǎn)速、高負(fù)荷、高功率密度下，出現(xiàn)了五個(gè)難以協(xié)調(diào)的矛盾，即高充量壓力與發(fā)動(dòng)機(jī)強(qiáng)度的矛盾、有限的混合時(shí)間與抑制碳煙的矛盾、低氧濃度(高EGR率)與低氧含量的矛盾、低化學(xué)反應(yīng)率與高熱效率的矛盾、熱效率與有害排放控制的矛盾。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服已有技術(shù)的不足，提供一種提高內(nèi)燃機(jī)工作過程中的可用能/功的轉(zhuǎn)化效率，降低缸內(nèi)混合氣形成、壓縮、燃燒和膨脹做功過程中的不可逆損失，最終獲得高效清潔的發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過程的發(fā)動(dòng)機(jī)高效低排放新型復(fù)合熱力循環(huán)的控制方法。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的發(fā)動(dòng)機(jī)高效低排放新型復(fù)合熱力循環(huán)的控制方法，它包括以下步驟(I)控制單元分別讀取安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸上的傳感器的轉(zhuǎn)速信號(hào)、安裝在油門踏板上的傳感器的發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷信號(hào)并根據(jù)所述的轉(zhuǎn)速信號(hào)和發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷信號(hào)判斷發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的負(fù)荷和轉(zhuǎn)速工況；(2)如果步驟(I)中的判斷結(jié)果為中低轉(zhuǎn)速工況，則所述的控制單元向安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)排氣旁接管上的電控旁通閥發(fā)出關(guān)閉信號(hào)，此時(shí)中壓級(jí)廢氣再循環(huán)閥和低壓級(jí)廢氣再循環(huán)閥打開，發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸排出的廢氣經(jīng)高壓級(jí)渦輪機(jī)膨脹，經(jīng)膨脹的部分廢氣排氣流經(jīng)第二顆粒捕集器、中壓級(jí)廢氣再循環(huán)冷卻器、第二單向閥和中壓級(jí)廢氣再循環(huán)閥進(jìn)入低壓級(jí)壓氣機(jī)的出口，形成中壓級(jí)廢氣再循環(huán)回路；另一部分經(jīng)膨脹的廢氣排氣流經(jīng)低壓級(jí)渦輪機(jī)進(jìn)一步膨脹，然后依次通過第一顆粒捕集器、低壓級(jí)廢氣再循環(huán)冷卻器和低壓級(jí)廢氣再循環(huán)閥進(jìn)入低壓級(jí)壓氣機(jī)的進(jìn)氣口，形成低壓級(jí)廢氣再循環(huán)回路；進(jìn)氣以及經(jīng)過低壓級(jí)廢氣再循環(huán)回路的廢氣一起經(jīng)低壓級(jí)壓氣機(jī)被壓縮，然后與經(jīng)過中壓級(jí)廢氣再循環(huán)回路的廢氣形成混合氣再流經(jīng)第一級(jí)中冷器冷卻；經(jīng)第一級(jí)中冷器冷卻的混合氣進(jìn)入高壓級(jí)壓氣機(jī)進(jìn)一步壓縮，然后經(jīng)第二級(jí)中冷器被進(jìn)一步冷卻，最后經(jīng)進(jìn)氣總管進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸；(3)如果步驟(I)中的判斷結(jié)果為高轉(zhuǎn)速工況，則所述的控制單元向安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)排氣旁接管上的電控旁通閥發(fā)出打開信號(hào)，部分廢氣排氣直接經(jīng)低壓級(jí)渦輪機(jī)膨脹后排 出，此時(shí)高壓級(jí)廢氣再循環(huán)閥和低壓級(jí)廢氣再循環(huán)閥打開，部分發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸排出的廢氣排氣流經(jīng)高壓級(jí)廢氣再循環(huán)冷卻器、第一單向閥和高壓級(jí)廢氣再循環(huán)閥進(jìn)入高壓級(jí)壓氣機(jī)的出口，形成高壓級(jí)廢氣再循環(huán)回路；另一部分廢氣排氣經(jīng)低壓級(jí)渦輪機(jī)膨脹后通過第一顆粒捕集器、低壓級(jí)廢氣再循環(huán)冷卻器和低壓級(jí)廢氣再循環(huán)閥進(jìn)入低壓級(jí)壓氣機(jī)的進(jìn)氣口，形成低壓級(jí)廢氣再循環(huán)回路；進(jìn)氣以及經(jīng)過低壓級(jí)廢氣再循環(huán)回路的廢氣形成的混合氣一起經(jīng)低壓級(jí)壓氣機(jī)壓縮，壓縮后的混合氣經(jīng)第一級(jí)中冷器冷卻后進(jìn)入高壓級(jí)壓氣機(jī)進(jìn)一步壓縮，然后與經(jīng)過高壓級(jí)廢氣再循環(huán)回路的廢氣一起經(jīng)第二級(jí)中冷器進(jìn)一步冷卻，最后經(jīng)進(jìn)氣總管進(jìn)入氣缸；(4)如果步驟(I)中的判斷結(jié)果為中小負(fù)荷工況，則所述的控制單元向安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)上的可變排氣機(jī)構(gòu)發(fā)出排氣門早關(guān)信號(hào)，形成內(nèi)部廢氣再循環(huán)；(5)如果步驟(I)中的判斷結(jié)果為大負(fù)荷工況，則所述的控制單元向安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)上的可變進(jìn)氣機(jī)構(gòu)發(fā)出進(jìn)氣門晚關(guān)信號(hào)，形成米勒循環(huán)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下四方面優(yōu)勢第一，通過使用帶復(fù)合廢氣再循環(huán)的兩級(jí)布雷頓循環(huán)過程，可以改善發(fā)動(dòng)機(jī)的瞬態(tài)響應(yīng)特性，并且在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度允許的范圍內(nèi)，大幅度提高發(fā)動(dòng)機(jī)升功率和低速扭矩。三級(jí)復(fù)合廢氣再循環(huán)的組合使用可以靈活調(diào)節(jié)不同工況下對廢氣量的需求，有效降低NOx排放。兩級(jí)增壓可以大幅度提高進(jìn)氣量，提高廢氣再循環(huán)承受能力，改善燃空當(dāng)量比，降低碳煙排放。從而在提高發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性的基礎(chǔ)上，降低污染物排放。第二，通過使用可變進(jìn)氣機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)進(jìn)氣壓縮終了溫度和壓力，控制隨后的燃燒放熱時(shí)刻和放熱重心使燃燒壓力提高，增大有效功面積、降低燃燒傳熱損失；通過使用可變排氣機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)排氣終了溫度和壓力，控制排氣能量、內(nèi)部廢氣再循環(huán)率和膨脹做功能力。同時(shí)利用可變進(jìn)排氣機(jī)構(gòu)組成的米勒循環(huán)過程，改變柴油機(jī)有效壓縮比，形成壓縮比小于膨脹比的米勒循環(huán)過程，提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率。第三，通過針對發(fā)動(dòng)機(jī)排氣能量利用率的最大化優(yōu)化過程，使排氣能量在內(nèi)外部廢氣再循環(huán)、驅(qū)動(dòng)渦輪的廢氣能量、朗肯循環(huán)等方面合理分布，有效利用廢氣能量，降低發(fā)動(dòng)機(jī)排氣熱損失。第四，在內(nèi)燃機(jī)傳統(tǒng)的奧托(Otto)循環(huán)和狄塞爾(Diesel)循環(huán)中，增加帶EGR的兩級(jí)布雷頓循環(huán)和米勒循環(huán)，對發(fā)動(dòng)機(jī)全工況范圍內(nèi)復(fù)合熱力循環(huán)過程進(jìn)行協(xié)同控制。并基于熱力學(xué)第一定律和第二定律，在減少傳熱損失和排氣熱量損失的條件下提高發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒熱量的做功能力，提出使內(nèi)燃機(jī)熱效率達(dá)到最高的發(fā)動(dòng)機(jī)優(yōu)化控制模型，使缸內(nèi)工質(zhì)熱力學(xué)狀態(tài)實(shí)時(shí)處于不可逆損失最小的平衡“極限狀態(tài)(extreme state)”，使發(fā)動(dòng)機(jī)滿足動(dòng)力性和排放性要求的前提下熱效率在現(xiàn)有基礎(chǔ)上提高10%_15%。


圖I是本發(fā)明發(fā)動(dòng)機(jī)高效低排放新型復(fù)合熱力循環(huán)實(shí)現(xiàn)方法及其裝置的系統(tǒng)示意圖； 圖2是本發(fā)明的控制原理示意圖；圖3是本發(fā)明的控制邏輯示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。本發(fā)明方法是針對發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷多變的特點(diǎn)進(jìn)行分階段優(yōu)化，進(jìn)而基于熱力學(xué)第一定律和第二定律構(gòu)建在減少傳熱損失和排氣熱量損失的條件下提高發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒熱量的做功能力的優(yōu)化控制模型，提高內(nèi)燃機(jī)工作過程中的可用能/功的轉(zhuǎn)化效率，降低缸內(nèi)混合氣形成、壓縮、燃燒和膨脹做功過程中的不可逆損失，最終獲得高效清潔的發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過程。如圖I、圖2所示，本發(fā)明的發(fā)動(dòng)機(jī)高效低排放新型復(fù)合熱力循環(huán)的控制方法，它包括以下步驟(1)控制單元分別讀取安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸上的傳感器的轉(zhuǎn)速信號(hào)、安裝在油門踏板上的傳感器的發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷信號(hào)并根據(jù)所述的轉(zhuǎn)速信號(hào)和發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷信號(hào)判斷發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的負(fù)荷和轉(zhuǎn)速工況；(2)如果步驟(I)中的判斷結(jié)果為中低轉(zhuǎn)速工況，則所述的控制單元向安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)排氣旁接管上的電控旁通閥8發(fā)出關(guān)閉信號(hào)，此時(shí)中壓級(jí)廢氣再循環(huán)閥18和低壓級(jí)廢氣再循環(huán)閥20打開(在中低轉(zhuǎn)速工況，排氣能量較低，排氣背壓與進(jìn)氣壓力之間壓差較小)，發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸排出的廢氣經(jīng)高壓級(jí)渦輪機(jī)4膨脹，經(jīng)膨脹的部分廢氣排氣流經(jīng)第二顆粒捕集器15、中壓級(jí)廢氣再循環(huán)冷卻器16、第二單向閥17和中壓級(jí)廢氣再循環(huán)閥18進(jìn)入低壓級(jí)壓氣機(jī)7的出口，形成中壓級(jí)廢氣再循環(huán)回路；另一部分經(jīng)膨脹的廢氣排氣流經(jīng)低壓級(jí)渦輪機(jī)6進(jìn)一步膨脹，然后依次通過第一顆粒捕集器11、低壓級(jí)廢氣再循環(huán)冷卻器19和低壓級(jí)廢氣再循環(huán)閥20進(jìn)入低壓級(jí)壓氣機(jī)7的進(jìn)氣口，形成低壓級(jí)廢氣再循環(huán)回路，從而滿足中低轉(zhuǎn)速下對大比例廢氣再循環(huán)的需求；進(jìn)氣以及經(jīng)過低壓級(jí)廢氣再循環(huán)回路的廢氣一起經(jīng)低壓級(jí)壓氣機(jī)7被壓縮，然后與經(jīng)過中壓級(jí)廢氣再循環(huán)回路的廢氣形成混合氣再流經(jīng)第一級(jí)中冷器9冷卻以增加空氣密度、增大進(jìn)氣量；經(jīng)第一級(jí)中冷器9冷卻的混合氣進(jìn)入高壓級(jí)壓氣機(jī)5進(jìn)一步壓縮，然后經(jīng)第二級(jí)中冷器10被進(jìn)一步冷卻，最后經(jīng)進(jìn)氣總管進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸I。(3)如果步驟(I)中的判斷結(jié)果為高轉(zhuǎn)速工況，則所述的控制單元向安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)排氣旁接管上的電控旁通閥8發(fā)出打開信號(hào)，部分廢氣不經(jīng)高壓級(jí)渦輪機(jī)4，直接經(jīng)低壓級(jí)渦輪機(jī)6膨脹后排出(使進(jìn)氣壓比不至于達(dá)到設(shè)定的最高極限、優(yōu)化高低壓級(jí)渦輪機(jī)廢氣能量分布)。此時(shí)高壓級(jí)廢氣再循環(huán)閥14和低壓級(jí)廢氣再循環(huán)閥20打開(在高轉(zhuǎn)速工況，排氣能量較大，排氣背壓與進(jìn)氣壓力之間壓差較大)，部分發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸排出的廢氣流經(jīng)高壓級(jí)廢氣再循環(huán)冷卻器12、第一單向閥13和高壓級(jí)廢氣再循環(huán)閥14進(jìn)入高壓級(jí)壓氣機(jī)5的出口，形成高壓級(jí)廢氣再循環(huán)回路；另一部分廢氣排氣經(jīng)低壓級(jí)渦輪機(jī)6膨脹后通過第一顆粒捕集器11、低壓級(jí)廢氣再循環(huán)冷卻器19和低壓級(jí)廢氣再循環(huán)閥20進(jìn)入低壓級(jí)壓氣機(jī)7的進(jìn)氣口，形成低壓級(jí)廢氣再循環(huán)回路，從而滿足高轉(zhuǎn)速下對大比例廢氣再循環(huán)的需求；進(jìn)氣以及經(jīng)過低壓級(jí)廢氣再循環(huán)回路的廢氣形成的混合氣一起經(jīng)低壓級(jí)壓氣機(jī)7壓縮，然后經(jīng)第一級(jí)中冷器9冷卻以增加空氣密度、增大進(jìn)氣量；經(jīng)第一級(jí)中冷器9冷卻后的混合氣進(jìn)入高壓級(jí)壓氣機(jī)5被進(jìn)一步壓縮，然后與經(jīng)過高壓級(jí)廢氣再循環(huán)回路的廢氣一起經(jīng)第二級(jí)中冷器10被進(jìn)一步冷卻，最后經(jīng)進(jìn)氣總管進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸I。(4)如果步驟(I)中的判斷結(jié)果為中小負(fù)荷工況，則所述的控制單元向安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)上的可變排氣機(jī)構(gòu)3發(fā)出排氣門早關(guān)信號(hào),形成內(nèi)部廢氣再循環(huán),保證低溫燃燒在小負(fù)荷穩(wěn)定著火；同時(shí)由于中小負(fù)荷工況下排氣能量較低，主要供給內(nèi)部廢氣再循環(huán)和驅(qū)動(dòng)高壓級(jí)渦輪機(jī)4和低壓級(jí)渦輪機(jī)6使用；(5)如果步驟(I)中的判斷結(jié)果為大負(fù)荷工況，則所述的控制單元向安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)上的可變進(jìn)氣機(jī)構(gòu)2發(fā)出進(jìn)氣門晚關(guān)信號(hào)，控制氣缸內(nèi)壓縮溫度和壓力以 及隨后的燃燒放熱過程，從而提高燃燒壓力、增大有效功面積、降低燃燒傳熱損失；可變進(jìn)氣機(jī)構(gòu)2的調(diào)節(jié)，可以改變柴油機(jī)有效壓縮比，形成壓縮比小于膨脹比的米勒循環(huán)過程，提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率。在高負(fù)荷工況下排氣能量較高，排氣能量主要驅(qū)動(dòng)高壓級(jí)渦輪機(jī)4和低壓級(jí)渦輪機(jī)6做功，同時(shí)為后續(xù)的換熱器21、膨脹機(jī)22、冷凝器23、回流泵24組成朗肯循環(huán)回收廢能驅(qū)動(dòng)空調(diào)等附件做功使用。如圖3所示，本發(fā)明的控制邏輯如下針對發(fā)動(dòng)機(jī)傳統(tǒng)的奧托(Otto)循環(huán)和狄塞爾(Diesel)循環(huán)中，增加帶EGR的兩級(jí)布雷頓循環(huán)、米勒循環(huán)和朗肯循環(huán)，對發(fā)動(dòng)機(jī)全工況范圍內(nèi)復(fù)合熱力循環(huán)過程進(jìn)行協(xié)同控制。全工況范圍內(nèi)控制策略基于熱力學(xué)第一定律和第二定律，在減少傳熱損失和排氣熱量損失的條件下提高發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒熱量的做功能力，使缸內(nèi)工質(zhì)熱力學(xué)狀態(tài)實(shí)時(shí)處于不可逆損失最小的平衡“極限狀態(tài)”，形成滿足缸內(nèi)超低排放要求和最大化有效熱效率的新型復(fù)合熱力循環(huán)優(yōu)化模型和燃燒控制策略。經(jīng)檢驗(yàn)本發(fā)明發(fā)動(dòng)機(jī)高效低排放新型復(fù)合熱力循環(huán)的控制方法可以實(shí)現(xiàn)缸內(nèi)燃燒反應(yīng)物混合充分均勻、充分稀釋的稀混合氣快速的低溫燃燒過程。充分稀釋(提高絕熱指數(shù))可以提高工質(zhì)做功能力，快速燃燒使熱力循環(huán)接近于理想的定容循環(huán)，而低溫燃燒可以降低傳熱損失，并降低廢氣帶走的熱量。針對發(fā)動(dòng)機(jī)排氣能量利用率的最大化優(yōu)化過程使排氣能量在內(nèi)外部廢氣再循環(huán)、驅(qū)動(dòng)渦輪的廢氣能量、朗肯循環(huán)等方面合理分布，有效利用廢氣能量，進(jìn)一步優(yōu)化提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率。最終通過可用能/功轉(zhuǎn)化效率最大化和新型可變復(fù)合熱力循環(huán)的協(xié)同控制使發(fā)動(dòng)機(jī)有效熱效率提高10%_15%，有害污染物缸內(nèi)原始排放滿足歐5排放法規(guī)，并在加裝后處理器后滿足歐6排放法規(guī)。實(shí)施例I(I)控制單元分別讀取安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸上的傳感器的轉(zhuǎn)速信號(hào)、安裝在油門踏板上的傳感器的發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷信號(hào)并根據(jù)所述的轉(zhuǎn)速信號(hào)和發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷信號(hào)判斷發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的負(fù)荷和轉(zhuǎn)速工況；(2)如果步驟(I)中的判斷結(jié)果為中低轉(zhuǎn)速工況，則所述的控制單元向安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)排氣旁接管上的電控旁通閥發(fā)出關(guān)閉信號(hào)，廢氣排氣經(jīng)高壓級(jí)渦輪機(jī)，低壓級(jí)渦輪機(jī)依次膨脹，此時(shí)中壓級(jí)廢氣再循環(huán)閥和低壓級(jí)廢氣再循環(huán)閥打開，部分廢氣排氣流經(jīng)第二顆粒捕集器、中壓級(jí)廢氣再循環(huán)冷卻器、第二單向閥和中壓級(jí)廢氣再循環(huán)閥進(jìn)入低壓級(jí)壓氣機(jī)的出口，形成中壓級(jí)廢氣再循環(huán)回路；另一部分廢氣排氣流經(jīng)第一顆粒捕集器、低壓級(jí)廢氣再循環(huán)冷卻器和低壓級(jí)廢氣再循環(huán)閥進(jìn)入低壓級(jí)壓氣機(jī)的進(jìn)氣口，形成低壓級(jí)廢氣再循環(huán)回路，從而滿足中低轉(zhuǎn)速下對大比例廢氣再循環(huán)的需求；進(jìn)氣以及經(jīng)過低壓級(jí)廢氣再循環(huán)回路的廢氣一起經(jīng)低壓級(jí)壓氣機(jī)被壓縮，然后與經(jīng)過中壓級(jí)廢氣再循環(huán)回路的廢氣再流經(jīng)第一級(jí)中冷器被冷卻以增加空氣密度、增大進(jìn)氣量；經(jīng)第一級(jí)中冷器后，混合氣進(jìn)入高壓級(jí)壓氣機(jī)被進(jìn)一步壓縮，然后經(jīng)第二級(jí)中冷器被進(jìn)一步冷卻，最后經(jīng)進(jìn)氣總管進(jìn)入氣缸；(3)如果步驟(I)中的判斷結(jié)果為高轉(zhuǎn)速工況，則所述的控制單元向安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)排氣旁接管上的電控旁通閥發(fā)出打開信號(hào)，部分廢氣排氣直接經(jīng)低壓級(jí)渦輪機(jī)膨脹后排出，此時(shí)高壓級(jí)廢氣再循環(huán)閥和低壓級(jí)廢氣再循環(huán)閥打開，部分廢氣排氣流經(jīng)高壓級(jí)廢氣再循環(huán)冷卻器、第一單向閥和高壓級(jí)廢氣再循環(huán)閥進(jìn)入高壓級(jí)壓氣機(jī)的出口，形成高壓級(jí)廢氣再循環(huán)回路；另一部分廢氣排氣流經(jīng)第一顆粒捕集器、低壓級(jí)廢氣再循環(huán)冷卻器和低壓級(jí)廢氣再循環(huán)閥進(jìn)入低壓級(jí)壓氣機(jī)的進(jìn)氣口，形成低壓級(jí)廢氣再循環(huán)回路；進(jìn)氣以及經(jīng) 過低壓級(jí)廢氣再循環(huán)回路的廢氣一起經(jīng)低壓級(jí)壓氣機(jī)被壓縮，然后經(jīng)第一級(jí)中冷器被冷卻；經(jīng)第一級(jí)中冷器后，混合氣進(jìn)入高壓級(jí)壓氣機(jī)被進(jìn)一步壓縮，然后與經(jīng)過高壓級(jí)廢氣再循環(huán)回路的廢氣一起經(jīng)第二級(jí)中冷器被進(jìn)一步冷卻，最后經(jīng)進(jìn)氣總管進(jìn)入氣缸；(4)如果步驟(I)中的判斷結(jié)果為中小負(fù)荷工況，則所述的控制單元向安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)上的可變排氣機(jī)構(gòu)發(fā)出排氣門早關(guān)信號(hào)，形成內(nèi)部廢氣再循環(huán)；(5)如果步驟(I)中的判斷結(jié)果為大負(fù)荷工況，則所述的控制單元向安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)上的可變進(jìn)氣機(jī)構(gòu)發(fā)出進(jìn)氣門晚關(guān)信號(hào)，形成米勒循環(huán)。經(jīng)檢驗(yàn)本發(fā)明發(fā)動(dòng)機(jī)高效低排放新型復(fù)合熱力循環(huán)的控制方法可以實(shí)現(xiàn)缸內(nèi)燃燒反應(yīng)物混合充分均勻、充分稀釋的稀混合氣快速的低溫燃燒過程。充分稀釋(提高絕熱指數(shù))可以提高工質(zhì)做功能力，快速燃燒使熱力循環(huán)接近于理想的定容循環(huán)，而低溫燃燒可以降低傳熱損失，并降低廢氣帶走的熱量。使發(fā)動(dòng)機(jī)有效熱效率提高10%，有害污染物缸內(nèi)原始排放滿足歐5排放法規(guī)，并在加裝后處理器后滿足歐6排放法規(guī)。實(shí)施例2(I)控制單元分別讀取安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸上的傳感器的轉(zhuǎn)速信號(hào)、安裝在油門踏板上的傳感器的發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷信號(hào)并根據(jù)所述的轉(zhuǎn)速信號(hào)和發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷信號(hào)判斷發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的負(fù)荷和轉(zhuǎn)速工況；(2)如果步驟(I)中的判斷結(jié)果為中低轉(zhuǎn)速工況，則所述的控制單元向安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)排氣旁接管上的電控旁通閥發(fā)出關(guān)閉信號(hào)，廢氣排氣經(jīng)高壓級(jí)渦輪機(jī)，低壓級(jí)渦輪機(jī)依次膨脹，此時(shí)中壓級(jí)廢氣再循環(huán)閥和低壓級(jí)廢氣再循環(huán)閥打開，部分廢氣排氣流經(jīng)第二顆粒捕集器、中壓級(jí)廢氣再循環(huán)冷卻器、第二單向閥和中壓級(jí)廢氣再循環(huán)閥進(jìn)入低壓級(jí)壓氣機(jī)的出口，形成中壓級(jí)廢氣再循環(huán)回路；另一部分廢氣排氣流經(jīng)第一顆粒捕集器、低壓級(jí)廢氣再循環(huán)冷卻器和低壓級(jí)廢氣再循環(huán)閥進(jìn)入低壓級(jí)壓氣機(jī)的進(jìn)氣口，形成低壓級(jí)廢氣再循環(huán)回路，從而滿足中低轉(zhuǎn)速下對大比例廢氣再循環(huán)的需求；進(jìn)氣以及經(jīng)過低壓級(jí)廢氣再循環(huán)回路的廢氣一起經(jīng)低壓級(jí)壓氣機(jī)被壓縮，然后與經(jīng)過中壓級(jí)廢氣再循環(huán)回路的廢氣再流經(jīng)第一級(jí)中冷器被冷卻以增加空氣密度、增大進(jìn)氣量；經(jīng)第一級(jí)中冷器后，混合氣進(jìn)入高壓級(jí)壓氣機(jī)被進(jìn)一步壓縮，然后經(jīng)第二級(jí)中冷器被進(jìn)一步冷卻，最后經(jīng)進(jìn)氣總管進(jìn)入氣缸；(3)如果步驟(I)中的判斷結(jié)果為高轉(zhuǎn)速工況，則所述的控制單元向安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)排氣旁接管上的電控旁通閥發(fā)出打開信號(hào)，部分廢氣排氣直接經(jīng)低壓級(jí)渦輪機(jī)膨脹后排出，此時(shí)高壓級(jí)廢氣再循環(huán)閥和低壓級(jí)廢氣再循環(huán)閥打開，部分廢氣排氣流經(jīng)高壓級(jí)廢氣再循環(huán)冷卻器、第一單向閥和高壓級(jí)廢氣再循環(huán)閥進(jìn)入高壓級(jí)壓氣機(jī)的出口，形成高壓級(jí)廢氣再循環(huán)回路；另一部分廢氣排氣流經(jīng)第一顆粒捕集器、低壓級(jí)廢氣再循環(huán)冷卻器和低壓級(jí)廢氣再循環(huán)閥進(jìn)入低壓級(jí)壓氣機(jī)的進(jìn)氣口，形成低壓級(jí)廢氣再循環(huán)回路；進(jìn)氣以及經(jīng)過低壓級(jí)廢氣再循環(huán)回路的廢氣一起經(jīng)低壓級(jí)壓氣機(jī)被壓縮，然后經(jīng)第一級(jí)中冷器被冷卻；經(jīng)第一級(jí)中冷器后，混合氣進(jìn)入高壓級(jí)壓氣機(jī)被進(jìn)一步壓縮，然后與經(jīng)過高壓級(jí)廢氣再循環(huán)回路的廢氣一起經(jīng)第二級(jí)中冷器被進(jìn)一步冷卻，最后經(jīng)進(jìn)氣總管進(jìn)入氣缸；(4)如果步驟(I)中的判斷結(jié)果為中小負(fù)荷工況，則所述的控制單元向安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)上的可變排氣機(jī)構(gòu)發(fā)出排氣門早關(guān)信號(hào)，形成內(nèi)部廢氣再循環(huán)；
(5)如果步驟(I)中的判斷結(jié)果為大負(fù)荷工況，則所述的控制單元向安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)上的可變進(jìn)氣機(jī)構(gòu)發(fā)出進(jìn)氣門晚關(guān)信號(hào)，形成米勒循環(huán)；此外所述的控制單元向安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)上的可變排氣機(jī)構(gòu)發(fā)出信號(hào)，停止內(nèi)部廢氣再循環(huán)，部分廢氣經(jīng)換熱器、膨脹機(jī)、冷凝器、回流泵組成朗肯循環(huán)，對多于的廢氣能量進(jìn)行回收，進(jìn)一步提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率。經(jīng)檢驗(yàn)本發(fā)明發(fā)動(dòng)機(jī)高效低排放新型復(fù)合熱力循環(huán)的控制方法可以實(shí)現(xiàn)缸內(nèi)燃燒反應(yīng)物混合充分均勻、充分稀釋的稀混合氣快速的低溫燃燒過程。充分稀釋(提高絕熱指數(shù))可以提高工質(zhì)做功能力，快速燃燒使熱力循環(huán)接近于理想的定容循環(huán)，而低溫燃燒可以降低傳熱損失，并降低廢氣帶走的熱量。朗肯循環(huán)的增加使廢熱能量被有效回收，進(jìn)一步降低排氣能量損失。從而使發(fā)動(dòng)機(jī)有效熱效率提高15%，有害污染物缸內(nèi)原始排放滿足歐5排放法規(guī)，并在加裝后處理器后滿足歐6排放法規(guī)。
權(quán)利要求
1.發(fā)動(dòng)機(jī)高效低排放新型復(fù)合熱力循環(huán)的控制方法，其特征在于它包括以下步驟 (1)控制單元分別讀取安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸上的傳感器的轉(zhuǎn)速信號(hào)、安裝在油門踏板上的傳感器的發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷信號(hào)并根據(jù)所述的轉(zhuǎn)速信號(hào)和發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷信號(hào)判斷發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的負(fù)荷和轉(zhuǎn)速工況； (2)如果步驟(I)中的判斷結(jié)果為中低轉(zhuǎn)速工況，則所述的控制單元向安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)排氣旁接管上的電控旁通閥發(fā)出關(guān)閉信號(hào)，此時(shí)中壓級(jí)廢氣再循環(huán)閥和低壓級(jí)廢氣再循環(huán)閥打開，發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸排出的廢氣經(jīng)高壓級(jí)渦輪機(jī)膨脹，經(jīng)膨脹的部分廢氣排氣流經(jīng)第二顆粒捕集器、中壓級(jí)廢氣再循環(huán)冷卻器、第二單向閥和中壓級(jí)廢氣再循環(huán)閥進(jìn)入低壓級(jí)壓氣機(jī)的出口，形成中壓級(jí)廢氣再循環(huán)回路；另一部分經(jīng)膨脹的廢氣排氣流經(jīng)低壓級(jí)渦輪機(jī)進(jìn)一步膨脹，然后依次通過第一顆粒捕集器、低壓級(jí)廢氣再循環(huán)冷卻器和低壓級(jí)廢氣再循環(huán)閥進(jìn)入低壓級(jí)壓氣機(jī)的進(jìn)氣口，形成低壓級(jí)廢氣再循環(huán)回路；進(jìn)氣以及經(jīng)過低壓級(jí)廢氣再循環(huán)回路的廢氣一起經(jīng)低壓級(jí)壓氣機(jī)被壓縮，然后與經(jīng)過中壓級(jí)廢氣再循環(huán)回路的廢氣形成混合氣再流經(jīng)第一級(jí)中冷器冷卻；經(jīng)第一級(jí)中冷器冷卻的混合氣進(jìn)入高壓級(jí)壓氣機(jī)進(jìn)一步壓縮，然后經(jīng)第二級(jí)中冷器被進(jìn)一步冷卻，最后經(jīng)進(jìn)氣總管進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸； (3)如果步驟(I)中的判斷結(jié)果為高轉(zhuǎn)速工況，則所述的控制單元向安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)排氣旁接管上的電控旁通閥發(fā)出打開信號(hào)，部分廢氣排氣直接經(jīng)低壓級(jí)渦輪機(jī)膨脹后排出，此時(shí)高壓級(jí)廢氣再循環(huán)閥和低壓級(jí)廢氣再循環(huán)閥打開，部分發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸排出的廢氣排氣流經(jīng)高壓級(jí)廢氣再循環(huán)冷卻器、第一單向閥和高壓級(jí)廢氣再循環(huán)閥進(jìn)入高壓級(jí)壓氣機(jī)的出口，形成高壓級(jí)廢氣再循環(huán)回路；另一部分廢氣排氣經(jīng)低壓級(jí)渦輪機(jī)膨脹后通過第一顆粒捕集器、低壓級(jí)廢氣再循環(huán)冷卻器和低壓級(jí)廢氣再循環(huán)閥進(jìn)入低壓級(jí)壓氣機(jī)的進(jìn)氣口，形成低壓級(jí)廢氣再循環(huán)回路；進(jìn)氣以及經(jīng)過低壓級(jí)廢氣再循環(huán)回路的廢氣形成的混合氣一起經(jīng)低壓級(jí)壓氣機(jī)壓縮，壓縮后的混合氣經(jīng)第一級(jí)中冷器冷卻后進(jìn)入高壓級(jí)壓氣機(jī)進(jìn)一步壓縮，然后與經(jīng)過高壓級(jí)廢氣再循環(huán)回路的廢氣一起經(jīng)第二級(jí)中冷器進(jìn)一步冷卻，最后經(jīng)進(jìn)氣總管進(jìn)入氣缸； (4)如果步驟(I)中的判斷結(jié)果為中小負(fù)荷工況，則所述的控制單元向安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)上的可變排氣機(jī)構(gòu)發(fā)出排氣門早關(guān)信號(hào)，形成內(nèi)部廢氣再循環(huán)； (5)如果步驟(I)中的判斷結(jié)果為大負(fù)荷工況，則所述的控制單元向安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)上的可變進(jìn)氣機(jī)構(gòu)發(fā)出進(jìn)氣門晚關(guān)信號(hào)，形成米勒循環(huán)。
全文摘要
本發(fā)明公開了發(fā)動(dòng)機(jī)高效低排放新型復(fù)合熱力循環(huán)的控制方法，它包括以下步驟(1)控制單元分別讀取安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸上的傳感器的轉(zhuǎn)速信號(hào)、安裝在油門踏板上的傳感器的發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷信號(hào)并根據(jù)所述的轉(zhuǎn)速信號(hào)和發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷信號(hào)判斷發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的負(fù)荷和轉(zhuǎn)速工況；(2)如果步驟(1)中的判斷結(jié)果為中低轉(zhuǎn)速工況，則所述的控制單元向安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)排氣旁接管上的電控旁通閥發(fā)出關(guān)閉信號(hào)，此時(shí)中壓級(jí)廢氣再循環(huán)閥和低壓級(jí)廢氣再循環(huán)閥打開；(3)如果步驟(1)中的判斷結(jié)果為高轉(zhuǎn)速工況，則所述的控制單元向安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)排氣旁接管上的電控旁通閥發(fā)出打開信號(hào)。本方法大幅度提高發(fā)動(dòng)機(jī)升功率和低速扭矩。
文檔編號(hào)F02D43/00GK102889147SQ201210366189
公開日2013年1月23日 申請日期2012年9月26日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月26日
發(fā)明者堯命發(fā), 劉海峰, 鄭尊清 申請人:天津大學(xué)