一种可切换多燃料的压燃式内燃机及控制方法
本发明属于发动机领域，具体涉及一种可切换多燃料的压燃式内燃机及控制方法，通过对压燃式内燃机的具体结构进行具体设置，使得该压燃式内燃机可识别出当前喷入气缸的燃油种类；通过对控制方法中各步骤进行具体设置，可以实现使用该装置根据测定的燃油种类对控制策略进行优化调整，从而可以使得该压燃式内燃机能够适应不同燃料，达到节能减排的效果。
发明专利
CN202311310181.3
2023-10-11
CN117469040A
2024-01-30
F02D19/06(2006.01)
杭州肇鹏科技有限公司
请求不公布姓名
310020 浙江省杭州市下城区善贤路4号4546室
北京慧而行专利代理事务所(普通合伙)
张辉
浙江;33
1.一种可切换多燃料的压燃式内燃机，其特征在于，所述压燃式内燃机包括缸体(1)、缸盖(3)、活塞(2)、喷油器(5)、电热塞(6)、电热塞控制单元及发动机控制单元；所述活塞(2)设置于缸体(1)内，所述的缸体(1)、缸盖(3)及活塞(2)形成燃烧室，缸盖(3)盖设于缸体(1)的正上方，所述燃烧室的缸盖(3)上开设有进气道(7)和排气道(4)，所述喷油器(5)和电热塞(6)分别贯穿设置于缸体(1)上或缸盖(3)上，所述喷油器(5)用于向燃烧室或进气管内喷射燃料，所述发动机控制单元用于对喷油器(5)的喷油量、喷油次数和/或喷油时间点进行控制；所述电热塞控制单元用于对电热塞(6)的加热开始时间点、加热结束时间点和/或加热温度进行控制；发动机控制单元和电热塞控制单元分别设置于独立的控制器内或二者集成在同一个控制器内； 所述电热塞包括陶瓷加热体、电热塞外壳及电极；所述电热塞外壳包覆所述陶瓷加热体，且电热塞外壳的外部与缸盖或缸体贯穿连接，所述电极设置于陶瓷加热体的尾端，并向外引出至电热塞外壳的尾端，并通过绝缘体与外壳隔开，其中陶瓷加热体的尾端和电热塞外壳的尾端均为背向燃烧室的一端；陶瓷加热体设置有伸出电热塞外壳并伸入燃烧室的部分，所述陶瓷加热体为多层同轴回旋结构或多层平面层叠结构，所述多层同轴回旋结构为从内至外顺次包括导电层、加热层和绝缘层，其中所述导电层与所述电极相连接；所述多层平面层叠结构包括多层绝缘基体层以及夹在多层绝缘基体层中间的至少一层金属材质或陶瓷材质的加热层，所述加热层与所述电极相连接，多层平面层叠结构的多层绝缘基体层或金属加热层与陶瓷加热体的轴线平行或基本平行； 所述陶瓷加热体在25℃时的电阻为R，满足3×L≥R≥0.006×L的要求，其中L为发动机的排气量，单位为升，R的单位为欧姆(Ω)； 所述陶瓷加热体为正温度系数(PTC)材料，即陶瓷加热体的电阻随温度上升而上升。 2.根据权利要求1所述的压燃式内燃机，其特征在于，陶瓷加热体伸出电热塞外壳的部分长度为6～55mm，且陶瓷加热体伸出电热塞外壳的部分，其顶端的1.4至50mm暴露于喷油器喷出的燃油喷雾中； 多层同轴回旋结构中的所述导电层、加热层和绝缘层中均包含有氮化硅和硅化钼，且各层的氮化硅和硅化钼的含量配比各不相同；多层平面层叠结构中的所述基体层包含有氮化硅，所述加热层中包含有钨、钛、含钨的合金或含钛的合金。 3.根据权利要求1所述的压燃式内燃机，其特征在于，所述电热塞控制单元与电热塞的陶瓷加热体电连接，电热塞控制单元通过脉宽调制的方波电压加热所述电热塞，通过方波的占空比调节电热塞的温度，所述方波电压的频率为15至120Hz。 4.根据权利要求3所述的压燃式内燃机，其特征在于，所述电热塞外壳和陶瓷加热体之间设置有压力传感元件；所述压力传感元件为压电陶瓷或集成应变片的弹性盘；所述压力传感元件的一端与陶瓷加热体直接或间接连接，另一端和电热塞外壳直接或间接连接；在所述陶瓷加热体与所述电热塞外壳之间设置有弹性支撑元件，所述弹性支撑元件在陶瓷加热体的轴向方向上的刚度为Ra1，电热塞外壳在陶瓷加热体的轴向方向上的刚度为Ra2，满足Ra1<0.01×Ra2的要求； 所述压力传感元件在陶瓷加热体的轴向方向上的刚度为Ra3，满足Ra1<0.2×Ra3的要求。 5.根据权利要求4所述的压燃式内燃机，其特征在于，所述陶瓷加热体与电热塞外壳上陶瓷加热体相对应的部分设置有径向的间隙G，其中G>0.15mm。 6.一种可切换多燃料压燃式内燃机的控制方法，其特征在于，所述控制方法使用权利要求1-5任一项所述的可切换多燃料的压燃式内燃机； 包括如下步骤： (1)预先测定陶瓷加热体的目标温度T0：将发动机进气温度T气在-40至80℃的温度范围内具体设定为具体工况条件下整车要求的环境温度，将冷却水温T水或润滑油温度T油在-40至140℃的温度范围内具体设定为具体工况条件下整车要求的环境温度冷却水温T水或润滑油温度T油，在设定好所述进气温度T气以及冷却水温T水或润滑油温度T油的参数配置下，在500至1400℃的范围内从低到高调整陶瓷加热体的工作温度T，直到发动机可以正常启动，此时陶瓷加热体的工作温度T设定为其目标温度T0； (2)所述电热塞控制器测量加热所述电热塞的方波电压高压部分的电压值，并经过滤波处理，然后将滤波处理后得到的加热所述电热塞方波电压的高压部分的电压标称值U0；所述电热塞控制器对流经电热塞所述陶瓷发热体的电流进行测量，并经过滤波处理后，将得到的加热所述电热塞方波电压的高压部分的电流设为标称值I0； 通过U0/I0得到当前温度下陶瓷发热体的电阻R0，然后通过陶瓷发热体的温度-电阻特性得到陶瓷发热体当前的温度T1； (3)当得到的T1偏离目标温度T0时，偏离温度ΔT＝T1-T0，对ΔT进行PID运算，具体为： 其中， D(n)为数值系列第n点时PID运算输出结果，即加热所述电热塞的方波电压的脉宽比例； p为比例增益； ΔT为偏离温度； i为积分时间常数； d为微分时间常数； 得到加热所述电热塞的方波电压的脉宽比例D，D＝(TU1/T(U0+U1))×100％，然后由电热塞控制器对所述方波电压进行脉宽调制，使得陶瓷发热体的温度逐步调整至目标温度T0； (4)在发动机怠速至发动机最大转速的发动机转速、发动机最小的喷油量至最大的喷油量、-40至140℃的冷却水温度和/或-40至60℃进气温度的范围内限定具体工况条件下具体的发动机转速、喷油量、冷却水温度和/或进气温度各参数，从电热塞控制器中通过车辆通讯总线读取不同目标温度T0下的不同燃油对应电热塞的方波电压脉宽比例的第一燃油最大阈值D1以及第二燃油最小阈值D2，其中D1<D2； (5)实际车辆运行中，在喷油周期之中，除去喷油开始建立压力的阶段，和喷油结束收尾阶段，在喷油稳定的时间段，通过车辆通讯总线读取电热塞控制器当前加热的电热塞方波电压的脉宽比例D，将D与阈值D1及D2进行对比，当D小于D1时，则判定当前喷油器喷出的是第一燃油；当D大于D2时，则判定当前喷油器喷出的是第二燃油。 7.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，还包括步骤(6)：根据步骤(5)判定得到的燃油种类，在瞬时载荷、油门开度、档位信号保持不变的前提下，在燃油种类切换时，通过调整包括喷射时长、喷射次数在内的参数而调整喷油器的燃油喷射量I以保证发动机输出功率和扭矩基本保持稳定；当判定当前喷出从第一燃油切换为第二燃油时，喷油量I增加到之前的1.2至4倍；当判定当前喷出从第二燃油切换为第一燃油时，喷油量I减少到之前的25％至83％； 步骤(4)中，读取不同目标温度T0下的不同燃油对应电热塞的方波电压脉宽比例的第一燃油最大阈值D1以及第二燃油最小阈值D2为一次读取或多次读取并进行滤波处理后得到的数值。 8.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，当D>D2时，实际喷油量I的设定满足I＝I1×(w-c)×k的要求，其中w为含水系数，且w＝D/D2；I1为w＝1时的喷油量，c和k为常数，c∈[0,0.35]，k∈[1,1.25]。 9.一种可切换多燃料压燃式内燃机的控制方法，其特征在于，所述控制方法使用权利要求1-5任一项所述的可切换多燃料的压燃式内燃机； 包括如下步骤： (1)通过测量发动机燃烧循环的燃烧压力，对该燃烧压力进行滤波或不进行滤波，得到压力峰值即燃烧最大压力Pmax，通过将燃烧压力对时间或凸轮转角进行求导，并寻找导数最大值而得到燃烧压力上升最大速率Smax，以及通过将燃烧压力对该燃烧循环的时间或凸轮转角的积分而得到燃烧压力曲线下面积A； (2)将发动机进气温度T气在-40至80℃温度范围内具体设定为具体工况条件下整车要求的环境温度，将冷却水温T水在-40至140℃温度范围内具体设定为具体工况条件下整车要求的环境温度冷却水温T水，将发动机转速V转在600至4000rpm范围内设定为具体工况条件下整车要求的发动机转速V转，将喷油量I喷在怠速至全油门的范围内具体设定为具体工况条件下整车要求的喷油量I喷；根据步骤(1)的方式测得两种燃油的参数阈值矩阵：第一燃烧最大压力Pmax1、第二燃烧最大压力Pmax2、第一上升最大速率Smax1、第二上升最大速率Smax2和第一曲线下面积A1、第二曲线下面积A2； (3)在一个燃烧循环中，测得燃烧最大压力为Pmax，燃烧压力上升最大速率为Smax，燃烧压力曲线下面积为A，在T气、T水、V转以及I喷的同工况情况下将Pmax与阈值Pmax1及Pmax2进行对比，将Smax与阈值Smax1及Smax2进行对比，将A与阈值A1及A2进行对比，当Pmax，Smax，和A中，至少2项大于上限阈值时，则判定当前喷油器喷出的是第一燃油；当Pmax，Smax，和A中，至少2项小于下限阈值时，则判定当前喷油器喷出的是第二燃油；所述上限阈值为Pmax1、Smax1和A1，所述下限阈值为Pmax2、Smax2和A2； (4)根据步骤(3)判定得到的燃油种类，在瞬时载荷、油门开度、档位信号保持不变的前提下，在燃油种类切换时，通过调整包括喷射时长、喷射次数在内的参数而调整喷油器的燃油喷射量I以保证发动机输出功率和扭矩基本保持稳定；当判定当前喷出的燃油从第一燃油切换为第二燃油时，喷油量I增加到喷出第一燃油时的1.2至4倍；当判定当前喷出燃油从第二燃油切换为第一燃油时，喷油量I减少到之前的25％至83％。 10.根据权利要求6或8或9所述的控制方法，其特征在于，所述不同燃油为柴油、纯甲醇以及含水甲醇，且所述第一燃油为柴油，第二燃油为纯甲醇或含水甲醇。