專利名稱：實現汽油機hcci燃燒的進排氣熱控制裝置及方法
技術領域：
本發明涉及一種汽油機進排氣熱控制系統，尤其涉及一種實現汽油機HCCI燃燒的進排氣熱控制系統。
背景技術：
汽油機上采用均質壓燃燃燒方式(Homogeneous Charge Compression Ignition, HCCI)具有較高的燃油經濟性和較低的NOx排放潛力。為了實現汽油機的均質壓燃燃燒方式，需要在壓縮上止點附近將缸內的油氣混合氣壓縮至1000K的高溫。在不對機體做較大改動，保持常規汽油機壓縮比條件下，對發動機進氣進行加熱是實現汽油機HCCI燃燒的一種主要途徑。由于發動機排氣具有較高的熱量，故利用換熱器實現排氣-進氣的熱交換，從而實現對發動機進氣溫度的提升，成為不附加能耗而實現汽油機HCCI燃燒的一種較優方案。美國Lawrence Livermore國家實驗室在文獻SAE2000-01-2869中，在采用了進氣增壓對溫度輔助提升的前提下，利用排氣-進氣換熱器滿足了 HCCI燃燒對進氣溫度的需要。該系統一方面依賴進氣增壓帶來的的溫度提升，另一方面該套試驗系統無法做到進氣溫度的快速調節，即無法實現發動機HCCI燃燒瞬態變工況的運轉。美國福特汽車公司在文獻 SAE2002-01-2832, SAE2006-01-1082 和專利 US6675579-B1、US2006150952-A1 中采用排氣-進氣換熱來提升進氣溫度，并修改發動機進氣系統使之具備冷、熱兩個進氣管道， 通過將冷、熱兩股進氣在進入氣缸前按比例混合，以獲得所需的進氣溫度，最終實現HCCI 燃燒。但由于排氣-進氣的換熱能力受到了氣-氣換熱器效率較低的限制，在實際試驗過程中會遇到換熱熱量難以滿足進氣溫升需求的問題，須采用電加熱裝置來輔助提升進氣溫度。此外，上述提到的福特公司的HCCI發動機采用了非常規的、較高的壓縮比，也是為了能從一定程度上解決換熱熱量不足加熱進氣至所需溫度的矛盾。瑞典Limd大學在SAE文獻2004-01-0943中，在汽油機HCCI燃燒的研究方面，搭建了與美國福特汽車公司類似的排氣-進氣熱管理系統，也是期望利用排氣-進氣的熱交換來實現對發動機進氣的加熱，但同樣遇到了換熱器換熱能力不足的問題，在實際的試驗中也是采用了電加熱裝置提升進氣溫度。從目前采用排氣-進氣換熱以實現汽油機HCCI燃燒的研究狀況可以看出，在常規的汽油機壓縮比下，汽油機HCCI燃燒對進氣溫度的較高需求，對排氣-進氣換熱器的換熱效率提出了較高的要求。如圖1所示為發動機工作在HCCI模式時，汽油機排氣溫度、換熱后可實現的進氣溫度與實現HCCI燃燒所需的進氣溫度的示意圖。從圖1中可以看出，在汽油機中小負荷時，特別是在小負荷時，發動機的排氣溫度較低，而實現HCCI燃燒模式所需求的進氣溫度反而更高，常規換熱器很難使得換熱后的進氣溫度滿足HCCI燃燒對進氣溫度的要求；而在汽油機中高負荷時，發動機的排氣溫度較高，實現HCCI燃燒的溫度需求較低，故而排氣熱量與進氣換熱后還有較多盈余。從上述分析中可以看出，若要使得汽油機在全工況下實現HCCI燃燒，則必須使進氣溫度在各種工況均滿足HCCI燃燒的進氣溫度
3需求。而在排氣溫度較低的小負荷工況時，即使在冷卻水-進氣換熱對進氣溫度的輔助提升作用下，也必須使排氣-進氣換熱器達到極高的換熱能力才能滿足汽油機實現HCCI燃燒。而氣-氣換熱器本身就存在著換熱效率較低的缺點，換熱器結構參數的優化很難大幅提升其換熱效率，同時還會帶來氣流阻力上升、尺寸增大等負面影響，這樣的矛盾就導致了排氣-進氣換熱器很難實際應用于汽油機HCCI燃燒。
發明內容
針對上述現有技術，本發明提供一種實現汽油機HCCI燃燒的進排氣熱控制裝置及方法，通過對發動機進排氣熱量的控制，使排氣-進氣的熱交換易于滿足各工況下汽油機HCCI燃燒對進氣溫度的需求，特別是解決汽油機小負荷時排氣熱量不足以加熱進氣至所需溫度的問題，從而實現排氣-進氣換熱在汽油機HCCI燃燒的實際應用。為了解決上述技術問題，本發明實現汽油機HCCI燃燒的進排氣熱控制裝置的技術方案是包括排氣管路、進氣管路和排氣-進氣換熱器，所述排氣管路上設有一貫穿于所述排氣-進氣換熱器的排氣旁路，所述進氣管路上設有一貫穿于所述排氣-進氣換熱器的進氣旁路；所述排氣-進氣換熱器內填充有儲熱材料；所述排氣管路、所述排氣旁路、所述進氣管路和所述進氣旁路上均分別設有一電動閥；所述排氣管路上、且位于所述排氣旁路的上游處設有排氣溫度傳感器，所述進氣管路上、且位于所述進氣旁路的下游處設有進氣溫度傳感器，所述排氣-進氣換熱器中設有換熱器內部溫度傳感器；上述各電動閥和排氣溫度傳感器、進氣溫度傳感器及換熱器內部溫度傳感器均與一控制器連接；所述控制器包括與一單片機連接的信號調理電路和驅動電路，其中，所述信號調理電路與所述排氣溫度傳感器、進氣溫度傳感器及換熱器內部溫度傳感器相連，所述信號調理電路用于對溫度傳感器信號進行處理；所述驅動電路與上述各電動閥相連，所述驅動電路用于實現對各電動閥的驅動；所述單片機用于數據計算及邏輯判斷，即所述單片機根據從所述信號調理電路獲取的處理結果對上述各電動閥的開閉及開度狀態進行調整，從而實現進排氣的熱控制。本發明實現汽油機HCCI燃燒的進排氣熱控制方法包括以下步驟步驟一、對各溫度傳感器及各電動閥進行功能性檢測；步驟二、根據脈譜表設定當前發動機工況所對應的進氣溫度；步驟三、信號調理電路通過排氣溫度傳感器獲取排氣管路上游位置處的溫度，單片機判斷該溫度是否高于排氣-進氣換熱器內儲熱材料的溫度，若“是”，則單片機向驅動電路發出打開所述排氣旁路上的電動閥并同時關閉所述排氣管路上電動閥的指令；否則， 反之；步驟四、信號調理電路通過進氣溫度傳感器獲取進氣管路下游位置處的實際溫度，判斷該實際溫度是否滿足進氣溫度的設定值，若“是”，則返回步驟二 ；否則，則計算實際溫度與設定值的差值，進而利用PID算法得到驅動進氣管路和進氣旁路的電動閥所需的占空比，再由驅動電路按照上述的占空比驅動進氣管路和進氣旁路的電動閥動作，使實際溫度趨向進氣溫度的設定值；步驟五、判斷系統是否進行下一個熱控制循環，若“是”，返回上述步驟二，否則，結束熱控制。與現有技術相比，本發明的有益效果是
本發明與現有技術相比，在可實現對排氣熱量的利用和進氣溫度快速調節的基礎上，采用了內含儲熱材料的換熱器，使換熱器具備了熱量的存儲能力，并利用排氣管路和旁路電動閥調節排氣是否流經換熱器，實現了換熱器中排氣熱量留存和積累，特別是在汽油機中大負荷工況時，可以實現對排氣熱量在換熱器中的大幅積累；同時再通過進氣管路和旁路電動閥調節進氣流經換熱器的流量，實現了對換熱器中熱量的選擇性適量利用，尤其是在汽油機小負荷時，可將大負荷時積累于換熱器中的熱量進行充分釋放和利用。可以看出，本發明由于具備了換熱器的儲熱能力，可以實現對排氣熱量合理地存儲或釋放。這樣在汽油機工作在大負荷時，可以將多余的排氣熱量存儲在換熱器中，并在小負荷時用于進氣加熱，解決小負荷時排氣熱量不足以加熱進氣的問題，降低了對排氣-進氣換熱效率的需求，使得排氣-進氣換熱方案可實際應用于汽油機HCCI燃燒。
圖1是現有技術中汽油機在HCCI燃燒模式下常規排氣溫度、常規換熱后的進氣溫度和實現HCCI燃燒所需的進氣溫度的示意圖；圖2是本發明實現汽油機HCCI燃燒的進排氣熱控制裝置結構示意簡圖；圖3是本發明實現汽油機HCCI燃燒的進排氣熱控制方法流程框圖。圖中1——儲熱材料2——排氣-進氣換熱器3、4、11、12——電動閥 5——排氣溫度傳感器6——發動機7——進氣溫度傳感器8——進氣電加熱器9——換熱器內部溫度傳感器10——控制器
具體實施例方式下面結合具體實施方式
對本發明作進一步詳細地描述。本發明的基本思想是采用內含儲熱材料的排氣-進氣換熱器，并在排氣和進氣管路上設有電動閥，通過排氣管路電動閥的開閉實現排氣中熱量在換熱器中的積累和存儲， 同時可通過進氣管路及旁路電動閥的開度調節實現進氣對換熱器中熱量的適量使用。如圖2所示，本發明實現汽油機HCCI燃燒的進排氣熱控制裝置，包括排氣管路、進氣管路和排氣-進氣換熱器2，所述排氣管路上設有一貫穿于所述排氣-進氣換熱器的排氣旁路，所述進氣管路上設有一貫穿于所述排氣-進氣換熱器的進氣旁路；所述排氣-進氣換熱器2內填充有儲熱材料1，所述儲熱材料1可以采用耐高溫的顯熱儲熱材料，由于相變儲熱材料可實現較高的儲熱密度，為了使排氣-進氣換熱器2的體積較小，所述儲熱材料1 最好采用相變溫度在400至700度的固-液相變儲熱材料，例如可以采用Al-Si合金等相變儲熱材料。所述排氣管路、所述排氣旁路、所述進氣管路和所述進氣旁路上均分別設有一電動閥；所述排氣管路上、且位于所述排氣旁路的上游處設有排氣溫度傳感器5，所述進氣管路上、且位于所述進氣旁路的下游處設有進氣溫度傳感器7，所述排氣-進氣換熱器2中設有換熱器內部溫度傳感器9 ；上述各電動閥3、4、11、12和排氣溫度傳感器5、進氣溫度傳感器7及換熱器內部溫度傳感器9均與一控制器10連接；所述控制器10包括與一單片機連接的信號調理電路和驅動電路，所述單片機可以采用英飛凌公司的TC1766/TC1793，對于控制器中的單片機的選型、信號調理電路和驅動電路的構成及三者之間的連接關系均屬于本領域內技術人員所公知的常識，在此不再贅述。其中，所述信號調理電路與所述排氣溫度傳感器5、進氣溫度傳感器7及換熱器內部溫度傳感器9相連，所述信號調理電路用于對溫度傳感器信號進行處理；所述驅動電路與上述各電動閥相連，所述驅動電路用于實現對各電動閥的驅動；所述單片機用于數據計算及邏輯判斷，即所述單片機根據從所述信號調理電路獲取的處理結果對上述各電動閥的開閉及開度狀態進行調整，從而實現進排氣的熱控制。另外，針對有可能出現的極端情況，即發動機長時間工作于小負荷工況而使得換熱器中排氣熱量不足，可以在所述進氣旁路上、且位于所述排氣-進氣換熱器2的下游處設有一進氣電加熱器8。其主要目的是當出現儲熱換熱器提供的熱量不足時，為了使發動機的進氣溫度滿足當前工況下HCCI燃燒的需求，此刻開啟進氣電加熱器8，對換熱后的進氣進行再一次的加熱，使其滿足HCCI燃燒的進氣溫度要求。如圖3所示，利用上述實現汽油機HCCI燃燒的進排氣熱控制裝置的控制方法包括以下步驟，這里以一單缸汽油機為例來對進排氣熱控制進行具體說明步驟一、對各溫度傳感器及各電動閥進行功能性檢測；步驟二、根據脈譜表設定當前發動機工況所對應的進氣溫度，如當前發動機工作于IMEP為4bar的負荷，查表知，當前發動機工況所需的進氣溫度為230°C ；步驟三、信號調理電路通過排氣溫度傳感器5獲取排氣管路上游位置處的溫度， 可知排氣溫度為400°C，而此時換熱器儲熱內部溫度傳感器9所獲取的溫度為350°C，單片機判斷知，此時排氣溫度高于排氣-進氣換熱器2內儲熱材料1的溫度，則單片機向驅動電路發出打開所述排氣旁路上的電動閥并同時關閉所述排氣管路上電動閥的指令，使發動機排氣流經排氣-進氣換熱器，從而進行排氣熱量在換熱器中的累積和存儲；步驟四、信號調理電路通過進氣溫度傳感器7獲取進氣管路下游位置處的實際溫度為220°C，單片機判斷得知該實際溫度不滿足進氣溫度的設定值230°C，并計算實際溫度與設定值的差值為-10°C，進而利用PID算法得到驅動進氣管路和進氣旁路的電動閥所需的占空比，再由驅動電路按照上述的占空比驅動進氣管路的電動閥和進氣旁路的電動閥動作，使進氣旁路電動閥開度適當增大、進氣管路電動閥開度適當減小，從而使實際溫度趨向進氣溫度的設定值；步驟五、判斷系統是否進行下一個熱控制循環，若“是”，返回上述步驟二，繼續進行熱控制，否則，結束熱控制。盡管上面結合圖對本發明進行了描述，但是本發明并不局限于上述的具體實施方式
，上述的具體實施方式
僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領域的普通技術人員在本發明的啟示下，在不脫離本發明宗旨的情況下，還可以作出很多變形，這些均屬于本發明的保護之內。
權利要求
1.一種實現汽油機HCCI燃燒的進排氣熱控制裝置，包括排氣管路、進氣管路和排氣-進氣換熱器( ，其特征在于所述排氣管路上設有一貫穿于所述排氣-進氣換熱器的排氣旁路，所述進氣管路上設有一貫穿于所述排氣-進氣換熱器的進氣旁路；所述排氣-進氣換熱器O)內填充有儲熱材料(1)；所述排氣管路、所述排氣旁路、所述進氣管路和所述進氣旁路上均分別設有一電動閥；所述排氣管路上、且位于所述排氣旁路的上游處設有排氣溫度傳感器(5)，所述進氣管路上、且位于所述進氣旁路的下游處設有進氣溫度傳感器(7)，所述排氣-進氣換熱器(2) 中設有換熱器內部溫度傳感器(9)；上述各電動閥(3、4、11、1幻和排氣溫度傳感器(5)、進氣溫度傳感器(7)及換熱器內部溫度傳感器(9)均與一控制器(10)連接；所述控制器(10)包括與一單片機連接的信號調理電路和驅動電路，其中，所述信號調理電路與所述排氣溫度傳感器(5)、進氣溫度傳感器(7)及換熱器內部溫度傳感器(9)相連，所述信號調理電路用于對溫度傳感器信號進行濾波處理；所述驅動電路與上述各電動閥相連，所述驅動電路用于實現對各電動閥的驅動；所述單片機用于數據計算及邏輯判斷， 即所述單片機根據從所述信號調理電路獲取的處理結果對上述各電動閥的開閉及開度狀態進行調整，從而實現進排氣的熱控制。
2.根據權利要求1所述的實現汽油機HCCI燃燒的進排氣熱控制裝置，其特征在于所述進氣旁路上、且位于所述排氣-進氣換熱器O)的下游處設有一進氣電加熱器(8)。
3.根據權利要求1所述的實現汽油機HCCI燃燒的進排氣熱控制裝置，其特征在于所述儲熱材料為耐高溫的顯熱儲熱材料。
4.根據權利要求1所述的實現汽油機HCCI燃燒的進排氣熱控制裝置，其特征在于所述儲熱材料為相變溫度在400至700度的固-液相變儲熱材料。
5.一種實現汽油機HCCI燃燒的進排氣熱控制方法，利用如權利要求1所述的熱控制裝置實現汽油機HCCI燃燒的進排氣熱控制，包括以下步驟步驟一、對各溫度傳感器及各電動閥進行功能性檢測；步驟二、根據脈譜表設定當前發動機工況所對應的進氣溫度；步驟三、信號調理電路通過排氣溫度傳感器( 獲取排氣管路上游位置處的溫度，單片機判斷該溫度是否高于排氣-進氣換熱器⑵內儲熱材料⑴的溫度，若“是”，則單片機向驅動電路發出打開所述排氣旁路上的電動閥并同時關閉所述排氣管路上電動閥的指令； 否則，反之；步驟四、信號調理電路通過進氣溫度傳感器(7)獲取進氣管路下游位置處的實際溫度，判斷該實際溫度是否滿足進氣溫度的設定值，若“是”，則返回步驟二 ；否則，則計算實際溫度與設定值的差值，進而利用PID算法得到驅動進氣管路和進氣旁路的電動閥所需的占空比，再由驅動電路按照上述的占空比驅動進氣管路和進氣旁路的電動閥動作，使實際溫度趨向進氣溫度的設定值；步驟五、判斷系統是否進行下一個熱控制循環，若“是”，返回上述步驟二，否則，結束熱控制。
全文摘要
本發明公開了一種實現汽油機HCCI燃燒的進排氣熱控制系統，包括進排氣管路、排氣-進氣換熱器，換熱器內填充有儲熱材料；排、進氣管路及旁路上均分別設有一電動閥；管路上設有多個溫度傳感器，上述各電動閥和溫度傳感器均與一控制器連接；控制器包括與一單片機連接的信號調理電路和驅動電路，用于實現進排氣的熱控制。本發明具備換熱器的儲熱能力，可以實現對排氣熱量合理地存儲和釋放。在汽油機工作在中大負荷時，可以實現過剩排氣熱量在換熱器中的存儲和積累，并在小負荷時用于進氣加熱，解決小負荷時排氣熱量不足以加熱進氣的問題，降低了對排氣-進氣換熱效率的需求，可實際應用于汽油機HCCI燃燒。
文檔編號F02M31/087GK102359411SQ201110243860
公開日2012年2月22日 申請日期2011年8月25日 優先權日2011年8月25日
發明者李樂, 謝輝 申請人:天津大學