CN101509442A - 进气组分变密度分层外环流富氧控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明是利用进气过程富氧气流在进气道喷射的时空控制，组织富氧气流在进气主气流中变密度分布或分层，达到进气在缸内邻壁区域的外环流富氧程度提高，实现缸内富氧浓度梯级分布，通过引入富氧气流，组织进气富氧浓度场重整，形成富氧燃烧的分区控制技术，创新富氧燃烧控制技术。通过更有效地的区域性燃烧控制，实现燃烧室内区域性的燃烧平衡和燃烧温度均匀，降低最高燃烧温度，解决以往常规全区域均匀富氧造成的高燃烧温度和NOx排放问题，使富氧燃烧不仅有利于冷启动过程，也逐渐向常规燃烧工况应用拓展。通过进一步的充分燃烧和完全燃烧控制，实现真正意义的清洁燃烧和燃料节省。

Description

进气组分变密度分层外环流富氧控制方法

技术领域

本发明属于内燃机应用技术领域，特别涉及燃烧与排放控制问题。

背景技术

内燃机燃烧控制技术发展和排放限制的提高，要求更完善的燃烧过程控制，实现更高的动力性、更佳的经济性和超低的排放性能。在内燃机创新进程中，不断有新的技术产生，如增压、三元催化后处理、废气再循环EGR、稀薄燃烧、均质压燃HCCI等。对于常规海拔条件下的内燃机已经达到较高的技术水平，但是高原和特殊环境下的内燃机技术仍然薄弱，存在诸如动力性下降、燃烧不充分、排放恶化、发动机过热，爆燃、工作稳定性差和循环变动剧烈等问题。同时，在内燃机冷起动、暖机、急变过程等工况下，由于燃烧不利，需要燃烧促进和强化。此外，随着不断严格的汽车排放法规要求，探求新的燃烧控制方式成为必然。寻求燃烧源头的前端控制，开拓前处理技术途径，不但有利于燃烧控制，而且有利于通过组织燃烧降低燃料消耗，节省能源，根本地减少有害排放物。

尽管随着催化器后处理技术的进步，汽油机的排放得到显著降低，但是起动阶段HC和CO排放问题仍然是实现超低排放的主要障碍；柴油机解决NOx的排放问题一直面临挑战，在平衡NOx和微粒中存在矛盾和困难。富氧供气在发动机冷起动和暖机过程更加显示优势，弥补排气催化器起动初期低温惰性期的限制。

在复杂的内燃机燃烧过程中，存在着燃烧的共性，即燃烧都利用空气的氧组分作为氧化剂。这样，通过进气氧组分变密度分布或分层，可根据内燃机缸内不同燃烧区域特点，实现燃烧的促进和控制。众所周知，内燃机燃烧过程中，燃烧室缸内壁面、活塞间隙等处是发生淬熄的主要区域，火焰传播距离远，不完全燃烧也主要发生在这些远离火焰中心区域的缸内最边缘的外环区域，是造成HC和CO排放的主要区域。采用进气组分变密度分布和分层供气，使缸内最边缘的外环区域富氧程度增加。有利于使燃料分子和更多的氧分子接触，改善该区域的氧化氛围，增强燃料分子活化能力，强化燃烧链反应，利于未燃物的完全燃烧，燃烧迅速推进，火焰温度升高，减少淬熄和远距离的火焰前锋面失火，进一步降低CO和HC的排放。再者，氧组分变密度分布或分层可以抑制提高缸内中心区域的富氧浓度，有效减少以往均匀富氧供气造成全区域富氧燃烧所带来的不利后果，即燃烧温度过高、NOx排放显著增加。本发明提出进气组分变密度分层外环流富氧控制方法，即在主流空气进气的常规氧浓度基础上，增加缸内边缘区域外环富氧浓度，达到外高内低的缸内空气变密度富氧程度分布或分层。显然，进气氧浓度变密度分层，不但可以强化燃烧不足区域的燃烧，而且降低燃烧充分区域的富氧程度，减少高温NOx排放。

在内燃机燃烧控制过程中，有效的分层变密度空气组分组织进气和控制模式既可对冷启动燃烧与排放效果起到举足轻重的作用，也对其它工况的缸内燃烧不均衡问题起到积极的改进作用。通过富氧变密度分布和分层，不但利于降低冷壁淬熄的燃烧不利作用，而且减少燃烧高温区域的富氧程度，抑制由富氧燃烧造成NOx增加的负面影响，达到更有效的区域性燃烧控制。在富氧燃烧技术上，全新创新控制理念和方法。

实际上，内燃机富氧燃烧已有发明，如中国专利“发动机富氧燃烧法(00131589.7)”，该方法提到在现有发动机进气环节中加入空气分离法制氧技术，提升进气氧气浓度；中国专利“缸内喷氧的内燃发动机及其富氧燃烧控制方法(200510107741.0)”，该专利提到开设专用富氧气体进气门，实施富氧燃烧。但是，这些专利均没有提到进气组分变密度分布和分层概念，以便实现分别控制缸内不同区域燃烧和排放的全新控制技术。

在国际上，很早就提出并开展内燃机富氧燃烧的研究，如美国专利“Internal combustion engine with anair separator and methods for realizing such an internal combustion engine(20060042466)”、“Oxygenenrichment for internal combustion engines(7337770)”、“Intake air separation system for an internalcombustion engine(6453893)”、“Method and apparatus for enriching the oxygen content in the intake air ofaninternal combustion engine(5908023)”等。但是，没有阐述进气组分变密度分布或分层问题。事实上，富氧燃烧技术已经在内燃机领域得到研究和应用，国际上也开展了许多实验研究。但是迫于富氧燃烧的NOx排放问题，一直制约富氧燃烧技术的快速应用与发展。因此，通过内燃机进气过程富氧程度的区域性组织，结合内燃机燃烧区域差异，重整组分变密度部分和分层控制是富氧燃烧应用深层次发展的关键技术。

本发明方法克服了现有富氧燃烧受限于氮氧化物生成的缺陷，通过调整内燃机缸内富氧浓度区域性控制，NOx的增加明显得到抑制，而且可以提高缸内燃烧弱势区域的富氧程度氛围，促进燃烧，达到更加充分燃烧和完全燃烧，对于解决非充分燃烧排放产物具有重要作用，也使富氧燃烧不仅仅限于内燃机冷启动工况。

发明内容

针对现有富氧燃烧技术存在的不足，本发明目的是提供一种富氧燃烧系统和基于该系统的有效控制方法，通过组织进气组分变密度分布和分层，使进气在缸内邻壁的外环流区域提升富氧程度，而不过分提高燃烧中心区域的富氧程度。一方面促进火焰向边缘区域传播和强化边缘区燃烧，实现燃烧充分，降低冷壁淬熄，减轻CO、HC等非充分燃烧的排放产物；另一方面相对减少火焰和燃烧中心区的富氧程度，降低燃烧温度，减轻随之造成的NOx排放问题。实现富氧燃烧的分区控制，保证富氧燃烧更有效控制和技术实施。

本发明是利用进气过程富氧气流在进气道喷射的时空控制，组织富氧气流在进气主气流中变密度分布或分层，达到进气在缸内邻壁区域的外环流富氧程度提高，实现缸内富氧浓度梯级分布，通过引入富氧气流，组织进气富氧浓度场重整，形成富氧燃烧的分区控制技术，创新富氧燃烧控制技术。通过更有效的区域性燃烧控制，实现燃烧室内区域性的燃烧平衡和燃烧温度均匀，降低最高燃烧温度，解决以往常规全区域均匀富氧造成的高燃烧温度和NOx排放问题，使富氧燃烧不仅有利于冷启动过程，也逐渐向常规燃烧工况应用拓展。通过进一步的充分燃烧和完全燃烧控制，实现真正意义的清洁燃烧和燃料节省。

在内燃机工作过程中，根据工况状态和运行要求，通过富氧气流喷射正时、喷射量、喷射脉宽的时序控制，实现组织进气组分变密度分层外环流富氧控制。即，流经空气压缩机(1)的经过滤后自然空气(2)进入气体分离器(3)，分离后的富氧气流经逆止阀(4)，进入富氧气体储存器(5)储存。分离的富氮气流流经逆止阀(8)排空，或进入富氮气体储存器储存备用。富氧气流通过电动控制阀(6)，根据发动机工作过程控制要求，实施富氧气流喷射量、喷射正时和喷射脉宽的时序控制，使富氧气流通过富氧气流喷嘴(7)喷入内燃机进气歧管(12)，并通过开启进气门(11)时，喷射富氧气流置于缸内旋流的外环区域，与主流空气(13)行形成一定的富氧浓度变密度分层气流在内燃机(9)的汽缸(10)内。富氧气流喷射控制系统(16)与空气压缩机(1)、富氧气体储存器(5)、电动控制阀(6)、内燃机(9)和富氧气流喷嘴(7)结合，根据内燃机工作过程工况和运行状态，实施喷射正时、脉宽、频率和持续期的协调控制，达到控制要求。

这一进气流组织过程使汽缸内形成外高内低的富氧浓度分布形式，即高富氧浓度氛围在贴近缸壁的边缘区域，而向缸内中心区域，富氧浓度递减，甚至在中心区域不形成富氧氛围。一方面促进火焰和燃烧边缘区燃烧，实现充分燃烧，提高燃烧完全程度，降低CO、HC等有害燃烧排放产物；另一方面减少火焰和燃烧中心区的富氧程度，即减少燃烧高温区域的富氧程度，抑制燃烧温度，减轻NOx排放。从而，通过更有效地的区域性燃烧控制，实现燃烧室内区域性的燃烧平衡和燃烧温度均匀，降低最高燃烧温度，解决以往常规全区域均匀富氧造成的高燃烧温度和NOx排放问题，抑制了由于燃烧良好区域由于富氧而造成NOx增加的负面影响。

在冷启动和暖机过程中，由于燃烧环境更加恶劣，为了使缸内的内环区域也获得一定的富氧程度，通常电动控制阀(6)和富氧气流喷嘴(7)采用大喷射量和提前喷射正时的方法。提前喷射使富氧气流在进气门开启前喷射，达到一定的预混合，有利于全气流富氧程度的适当提高。在保证外环区域更大富氧程度的基础上，也适当增加一些中间内环区域的富氧浓度，进一步强化邻近缸壁和活塞缝隙区域着火、燃烧和减少火焰前锋过早失火现象。因此，不但利于降低冷壁淬熄的燃烧不利作用，减轻冷启动HC、CO和碳烟排放，更重要也保证一定的缸内中间内环区域的富氧浓度，有利于冷启动的着火和燃烧。同时，由于氧浓度场是由汽缸中心向缸壁外缘方向逐步递增，该变密度氧氛围有利于火焰的扩散传播和启动过程的稳定燃烧。

因此，该进气组分变密度分布和分层富氧浓度控制方法，不但解决富氧燃烧NOx排放剧增的问题，也进一步解决冷启动的冷壁淬熄CO、HC和碳烟排放问题；而且对一般工况的缸内燃烧均匀控制等起到重要作用。该技术理念的实施，将成为进气组分变密度分层外环流富氧控制方法的关键特征，从而为富氧燃烧拓展应用提供创新途径。

附图说明

图1为“进气组分变密度分层外环流富氧控制方法”的系统图。

图2为“进气组分变密度分层外环流富氧控制方法”的缸内进气组分变密度分层外环流富氧示意图。

图中各部件的编号和对应名称如下：

图1中：1-空气压缩机、2-过滤后自然空气、3-气体分离器、4-富氧气流逆止阀、5-富氧气体储存器、6-电动控制阀、7-富氧气流喷嘴、8-富氮气流逆止阀、9-内燃机、10-汽缸、11-进气门、12-进气歧管、13-主流自然空气、14-排气道歧管、15-排气门、16-富氧气流喷射控制系统。

图2中：缸内进气组分变密度分层外环流富氧示意图。其中阴影区域为贴近缸壁的边缘区域和高富氧程度区域。粗虚线表明富氧分层气流的外环流行程。富氧气流喷嘴布置和角度主要基于富氧气流在进气门开启时能保证高浓度富氧层气流处在外环流和缸内贴壁处，通常需要结合气道、气门结构实验设计，并结合喷射正时、喷射脉宽、喷射频率、喷射量和工况状态等协调优化控制。

具体实施方式

在内燃机工作过程中，根据工况状态和运行要求，通过富氧气流喷射正时、喷射脉宽、喷射频率的时序控制，实现组织进气组分变密度分布和分层外环流富氧控制，即流经空气压缩机(1)的经过滤后的自然空气(2)进入气体分离器(3)，分离后的富氧气流经逆止阀(4)，进入富氧气体储存器(5)储存。电动控制阀(6)根据发动机工作过程控制要求，使富氧气流通过富氧气流喷嘴(7)喷入内燃机进气歧管(12)，并通过开启进气门(11)时，喷射富氧气流主要聚于缸内旋流的外环区域，与主流空气(13)形成一定的气流富氧浓度变密度分布和分层于内燃机(9)的汽缸(10)内。这一进气流组织过程中，使汽缸内贴近缸壁的燃烧边缘区域富氧浓度达到22～25％。富氧气流喷射控制由控制系统(16)完成。

在冷启动和暖机过程中，为了使缸内的内环区域也获得一定的富氧程度，通常电动控制阀(6)和富氧气流喷嘴(7)采用大喷射量和提前喷射的方法。提前喷射正时使富氧气流在进气门开启前喷射，达到一定的预混合，提高整体气流富氧程度，使内环区氧浓度达到21.5～23％。

在本发明的富氧气流喷射控制系统(16)中，要结合内燃机工作过程工况和运行状态，实施喷射正时、脉宽、频率和持续期的协调控制，达到进气气流组分变密度分布和分层外环流富氧控制要求。

在气体分离器(3)中，富氧气流经逆止阀(4)进入富氧气体储存器(5)储存备用；分离的富氮气流流经逆止阀(8)排空。

Claims (5)

1.进气组分变密度分层外环流富氧控制方法，其特征在于由气体分离器(5)分离出的富氧气流，通过电动控制阀(6)和进气歧管富氧气流喷嘴(7)，在进气歧管(12)内喷射。

2.根据权利要求1，所述的进气组分变密度分层外环流富氧控制方法，其特征在于电动控制阀(6)和富氧气流喷嘴(7)根据发动机工作过程控制要求，实施富氧气流喷射正时、脉宽、频率和持续期的协调控制，使富氧气流通过富氧气流喷嘴(7)喷入内燃机进气歧管(12)，并通过开启进气门(11)时，喷射富氧气流处在缸内旋流的外环区域，与主流空气(13)在内燃机(9)的汽缸(10)内形成富氧变密度分层，即汽缸内高富氧浓度氛围处于贴近缸壁的边缘区域。

3.根据权利要求1，所述的进气组分变密度分层外环流富氧控制方法，其特征在于在冷启动和暖机过程中，为了使缸内的内环区域也获得富氧浓度，通常电动控制阀(6)和富氧气流喷嘴(7)采用大喷射量和提前喷射正时的方法，提高全气流富氧程度。

4.根据权利要求2，所述的缸内旋流的外环区域，其特征在于该区域进行富氧控制时的富氧浓度为22～25％。

5.根据权利要求3，所述的内环区域，其特征在于该区域进行富氧控制时的富氧浓度为21.5～23％。

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