一种可变喷油策略结合废气能量利用的汽油机启动方法技术

本发明专利技术公开了一种可变喷油策略结合废气能量利用的汽油机启动方法，该控制方法是基于同时具有火花点火、缸内直接喷射燃油、可变气门机构的汽油机。在该汽油机冷启动工况下，通过可变气门机构设置气门重叠负角。在负气门重叠期内进行缸内燃油直接喷射。根据启动水温大小，控制汽油机负气门重叠期喷射不同比例的燃油，利用废气能量提高启动工况燃料的可燃性和火焰传播速度。本发明专利技术可以有效降低冷启动期间有害排放和燃油消耗，对原机改动小，且对汽油机启动环境下排放性都有针对性地改善。

【技术实现步骤摘要】
一种可变喷油策略结合废气能量利用的汽油机启动方法
本专利技术涉及一种汽油机燃烧控制技术。
技术介绍
汽油机冷启动工况是燃烧过程最恶劣的工况。配有三效催化后处理器的汽油机，在美国联邦测试规程FTP75中，80％的HC、CO排放来自冷启动阶段。燃油空气混合气的浓度、温度及混合程度、燃烧反应的程度等，都将对汽油机在冷启动过程中的燃烧过程产生显著的影响。为了汽油机快速和可靠的启动，启动过程中需要提供过量燃油，弥补燃油雾化、混合效果差引起不易点燃的问题，从而形成很浓的混合气，进而引起大量不完全氧化产物排放甚至是未燃燃油排放，进而引起大量的未燃碳氢物。在高寒地区，这一问题显得更为突出，甚至出现点火困难引发无法着火启动的问题，启动过程中排放也会更加恶化。因此，汽油机冷启动的排放控制面临很大的挑战。目前，国内外关于汽油机冷启动的研究主要采用控制补偿油量的方法对缸内形成的可燃混合气的浓度进行优化，包括：缸内油膜和燃油蒸发的建模、环境温度的补偿、冷启动空燃比变化建模等，这些方法虽然可以通过补足燃油供给量的方式，保证启动着火的可靠性，但是仍无法解决冷机状态下大量未雾化或不完全燃烧的燃油引发的高油耗和排放问题，只能期望快速起燃可以缩短启动所用时间，提高汽油机的工作温度，从而尽早进入正常工作模式，这仍然会造成启动工况大量污染物排放。针对冷启动过程中的油耗和排放控制问题，当前的研究中主要以储集启动工况的排放尾气、然后集中处理方式为主，但在实际中储集气体的装置会带来重量超支、安装空间有限、费效比低和成本增加的难题，难以应用。因此，开展汽油机启动过程中快速有效的燃油和排放控制方法有重要的现实意义和紧迫的现实需求。
技术实现思路
为了改善汽油机冷启动排放问题，本专利技术提供一种可变喷油策略结合废气能量利用的汽油机启动方法，该方法可应用于同时具有火花点火、缸内直接喷射燃油、可变气门机构的四冲程汽油机，即该汽油机应具有的具体功能为：可以通过所述可变气门运动功能形成负气门重叠期，即当排气门关闭时刻处于进气门开启时刻之前；排气门关闭时刻至进气门开启时刻这段期间称为负气门重叠期，这样配气参数可以存留上个循环燃烧所产生的高温废气，在启动过程中，这些高温废气中还会存有易燃的不完全燃烧产物；通过缸内直接喷射方式可以在负气门重叠期向存有废气的缸内进行喷油，供油量为燃烧所需油量的全部或者部分，具体油量由启动温度决定；利用废气的热量改善冷启动时燃油雾化差的问题，当废气温度升高并引发负气门重叠期内缸内温度升高到一定程度后(压缩上止点时缸内温度达到800K)，高温废气还可引发直喷燃油发生重整反应，生成更易着火的小分子碳氢成分或含氧化合物，显著提高与空气混合后的可燃物混合气的可燃性和火焰传播速度，使得燃烧的稳定性和完全性均得到提高，经济性改善，污染物排放降低；在汽油机处于压缩行程时期，通过缸内直喷方式补足燃烧所需的燃油量(当负气门重叠期燃油喷射量为部分时)，形成所需的可燃混合气；同时在合理的时刻使用火花点火的方式点燃混合气。在负气门重叠期存留废气的能量可以提高所有启动过程工作循环负气门重叠期燃油雾化的速率。不仅仅使负气门重叠期内燃油喷射雾化速率提升，同时也提高了压缩阶段的缸内温度，改善了缸内第二次喷射燃油的雾化速率。随着循环间能量的累积，缸内温度不断提升，缸内第二次喷射燃油的雾化速率也得到持续改进。启动工况中首个喷油循环，可以通过负气门重叠方式存留上个未喷油循环中经过压缩的空气，从而提高首个喷油循环中燃油和新鲜空气混合时的缸内温度，改善循环燃油雾化的速率。通过负气门重叠策略在启动过程中不断存留前一个循环产生的废气，实现热量的累积，在进一步提高燃油和空气混合时缸内温度的基础上，利用废气中存留的不完全燃烧产物，提高缸内混合气的可燃性和燃烧的完全性。随着启动过程的进行，由于存留废气在循环间存在传递和积累作用，在接下来的循环中负重叠期内缸内温度不断提升，混合气的雾化条件持续改善，雾化速率持续提升，燃烧的完全性也持续改善。通过负气门重叠角策略，可以在缸内大量存留上个循环的燃烧产物。所存留的废气质量最大可以达到缸内总质量的50％，其中包括大量未燃碳氢和上一个循环未燃烧完全的燃料，在新的循环中，这些物质与新喷入的燃油一起燃烧。上述过程的特征在于，与传统汽油机相比，由于废气存留部分不完全氧化产物，导致每次循环汽油机所排出废气中的碳氢和一氧化碳总量较实际生成量明显减少，优化了汽油机冷启动工况的污染物排放；同时，在上一循环中存在大量未完全燃烧的燃烧中间产物，可以在接下来的循环中得到更为充分的燃烧，燃烧效率显著提升，使每循环汽油机排出废气中的未燃碳氢和一氧化碳都较前一个循环减少，改善了汽油机冷启动工况的污染物排放和燃油经济性。启动过程中，对上个循环的燃烧产物的截留，能提高缸内气体的温度，提升燃油雾化速率；通过负气门阶段的重整反应，可以提高可燃物的燃料活性。在冷启动相同点火能量的前提下，采用上述方法能提高可燃混合物的可燃性性，进而提高点火的成功率和着火可靠性，改善了低温条件下特别是极低温度条件下汽油机的启动性能。为了解决上述技术问题，本专利技术提出的一种可变喷油策略结合废气能量利用的汽油机启动方法，其中，汽油机是一台每缸均配有火花塞、缸内直接喷油器以及至少一个进气门和一个排气门的电控可变气门正时机构的四冲程汽油机，且该汽油机对排气温度有直接或间接的监测能力；该汽油机启动工况下，根据启动时的环境温度，在负气门重叠角下喷射不同量的燃油，进而实现燃烧改善：该汽油机冷启动工况下，通过可变气门机构设置气门重叠负角，并且在启动过程中在负气门重叠期内向缸内直接喷射部分燃油，通过存留废气，提高启动时的缸内温度，改善雾化，引发在负气门重叠角期间新喷入的燃料发生重整反应生成小分子碳氢或与废气中存留的不完全燃烧产物和残氧发生部分氧化反应生成小分子含氧化合物，以提高启动工况汽油机混合气的可点燃性和火焰传播速度，并改善汽油机的经济性和排放；其余燃油在压缩行程中，也同样通过直接喷射方式喷入缸内，利用压缩过程产生高温改善混合气雾化效果的同时，补足燃烧过程所需的整体燃油数量；随着启动过程中汽油机着火成功，燃烧趋于稳定，排气温度升高，负气门重叠角期间的喷油量大小根据排气温度的上升相应减小。进一步讲，本专利技术所述的可变喷油策略结合废气能量利用的汽油机启动方法，如图3所示，当汽油机冷却水温低于25℃时，通过以下步骤启动汽油机：步骤一、通过可变气门机构使进排气门形成负气门重叠角，存留内部废气；负气门重叠角由标定过程产生，该负气门重叠角处于60-100°CA之间；步骤二、在汽油机处于负气门重叠期时，通过所述缸内直接喷油器向缸内喷射本循环内的部分或全部燃油，其中，喷射时刻在排气门关闭后10°CA或排气上止点，形成重整高温混合气；利用存留的废气，改善燃油雾化效果，促进可燃混合气的生成，减少喷入缸内、未能混合、参与燃烧的燃油数量。当负气门重叠期内缸内温度达到或超过800K时，还可以诱发喷入缸内的燃油发生重整反应，在高温作用下雾化的燃油会发生裂解反应生成小分子碳氢，并可进一步与废气存留的不完全氧化产物以及本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种可变喷油策略结合废气能量利用的汽油机启动方法，其中，汽油机是一台每缸均配有火花塞、缸内直接喷油器以及至少一个进气门和一个排气门的电控可变气门正时机构的四冲程汽油机，且该汽油机对排气温度有直接或间接的监测能力；其特征在于，/n该汽油机启动工况下，根据启动时的环境温度，在负气门重叠角下喷射不同量的燃油，进而实现燃烧改善：/n该汽油机冷启动工况下，通过可变气门机构设置气门重叠负角，并且在启动过程中在负气门重叠期内向缸内直接喷射部分燃油，通过存留废气，提高启动时的缸内温度，改善雾化，引发在负气门重叠角期间新喷入的燃料发生重整反应生成小分子碳氢或与废气中存留的不完全燃烧产物和残氧发生部分氧化反应生成小分子含氧化合物，以提高启动工况汽油机混合气的可点燃性和火焰传播速度，并改善汽油机的经济性和排放；其余燃油在压缩行程中，也同样通过直接喷射方式喷入缸内，利用压缩过程产生高温改善混合气雾化效果的同时，补足燃烧过程所需的整体燃油数量；/n随着启动过程中汽油机着火成功，燃烧趋于稳定，排气温度升高，负气门重叠角期间的喷油量大小根据排气温度的上升相应减小。/n

【技术特征摘要】
1.一种可变喷油策略结合废气能量利用的汽油机启动方法，其中，汽油机是一台每缸均配有火花塞、缸内直接喷油器以及至少一个进气门和一个排气门的电控可变气门正时机构的四冲程汽油机，且该汽油机对排气温度有直接或间接的监测能力；其特征在于，
该汽油机启动工况下，根据启动时的环境温度，在负气门重叠角下喷射不同量的燃油，进而实现燃烧改善：
该汽油机冷启动工况下，通过可变气门机构设置气门重叠负角，并且在启动过程中在负气门重叠期内向缸内直接喷射部分燃油，通过存留废气，提高启动时的缸内温度，改善雾化，引发在负气门重叠角期间新喷入的燃料发生重整反应生成小分子碳氢或与废气中存留的不完全燃烧产物和残氧发生部分氧化反应生成小分子含氧化合物，以提高启动工况汽油机混合气的可点燃性和火焰传播速度，并改善汽油机的经济性和排放；其余燃油在压缩行程中，也同样通过直接喷射方式喷入缸内，利用压缩过程产生高温改善混合气雾化效果的同时，补足燃烧过程所需的整体燃油数量；
随着启动过程中汽油机着火成功，燃烧趋于稳定，排气温度升高，负气门重叠角期间的喷油量大小根据排气温度的上升相应减小。


2.根据权利要求1所述的可变喷油策略结合废气能量利用的汽油机启动方法，其特征在于，当汽油机冷却水温低于25℃时，通过以下步骤启动汽油机：
步骤一、通过可变气门机构使进排气门形成负气门重叠角，存留内部废气；负气门重叠角由标定过程产生，该负气门重叠角处于60-100℃A之间；
步骤二、在汽油机处于负气门重叠期时，通过所述缸内直接喷油器向缸内喷射燃油，其中，喷射时刻在排气门关闭后10℃A或排气上止点，形成重整高温混合气；利用存留的废气，促进首次直喷燃油的雾化乃至在缸内引发燃油的重整反应，提高燃料的可燃性和火焰传播速度；
步骤三、在汽油机处于压缩行程时期，通过所述缸内直接喷油器向缸内进行燃油补充喷射，其中，燃烧上止点设为0℃A，喷射时刻在-90～0℃AATDC范围内，具体时刻由实验标定得出，从而在缸内形成可燃物与空气比例合适的可燃混合气；
步骤四、利用所述火花塞，在0～20℃AATDC范围内，一次跳火点燃所述空气燃油混合物；
步骤五、在冷启动的过程中，通过对排气温度的测试，评价汽油机的燃烧状态，减少负气门重叠期喷油量占循环总喷油量的比例；在启动着火成功且稳定后，在启动工况向怠速工况过渡的过程中，根据排气温度的升高程度，相应地减少负气门喷油量，避免废气对燃油与新鲜充量混合过程的不利影响，保持整个启动工况的高效和低...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈韬，石皓天，药卓效，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津;12