CN102619636A

CN102619636A - 一种汽油机节能减排燃烧方法

Info

Publication number: CN102619636A
Application number: CN2012100947873A
Authority: CN
Inventors: 刘斌; 詹樟松; 张晓宇; 闵龙; 杨琴
Original assignee: Chongqing Changan Automobile Co Ltd
Current assignee: Chongqing Changan Automobile Co Ltd
Priority date: 2012-04-01
Filing date: 2012-04-01
Publication date: 2012-08-01
Anticipated expiration: 2032-04-01
Also published as: CN102619636B

Abstract

本发明公开一种汽油机节能减排燃烧方法，该方法基于气液复相低压直喷燃油系统，第一工段，在发动机怠速以及低速低负荷区域，采取两次喷油策略实现分层稀薄燃烧模式；第二工段，在中低转速中低负荷区域，将喷油次数由两次调整为一次，再结合VVT和VVL系统实现大量的内部EGR实现CAI燃烧模式；第三工段，随着发动机负荷、转速进一步增大至中高转速及负荷，保持一次喷射的喷油策略，再结合VVT/VVL以及EGR系统，切换回当量燃烧模式；第四工段，当发动机在高速、高负荷区域工作时，则采用当量比控制条件下的当量比燃烧模式。采用本燃烧方法，能使发动机在不同的转速和负荷范围内实现不同的节能减排燃烧模式，能在发动机的全部范围内最大限度地降低油耗和排放。

Description

一种汽油机节能减排燃烧方法

技术领域

本发明涉及一种汽油机节能减排燃烧方法。

背景技术

节能减排目前已经成为全球的关注焦点，同时也成为了各国汽车产业发展最主要的制约因素。对于此，各国的汽车生产企业都积极推陈出新，开发出各种型式的新产品，以满足各国日益严格的节能减排法规要求。发动机作为汽车的心脏，其燃烧过程的组织是实现汽车节能减排的关键，已经引起了各汽车厂商的高度重视。

传统汽油机燃烧过程的组织大致上都采用简单方法：高速高负荷区域采用加浓混合气（当量比λ<1）和优化点火提前角控制排气温度，提升输出功率；中低转速及中低负荷运行范围内则采取当量混合气燃烧（当量比λ＝1），通过调整点火提前角来优化发动机油耗和输出功率。

这里，“当量比”是提供给单位质量燃料实际燃烧时的空气质量与其理论上完全燃烧所需的空气质量的比值，是衡量燃烧过程中燃油与空气的比例的物理量，当量比小于1表明实际空气量小于理论空气量，则缸内部分燃油由于缺氧会不完全燃烧，称之为加浓燃烧。反之，当量比大于1则是实际空气量大于理论空气量，缸内空气剩余，此时是稀薄燃烧过程。当量比为1的燃烧过程即是指实际提供给燃料燃烧的空气质量与其理论上完全燃烧所需的空气质量相等的燃烧过程。“点火提前角”是汽油机在工作过程中，某个气缸的火花塞点火时刻对应的曲轴转角位置相对该气缸压缩上止点之间的曲轴转角角度。

传统汽油机在中低转速及中低负荷运行范围内采取当量混合气燃烧，由于汽油机负荷控制属于量调节，通过调节节气门的开度来调节进入气缸的空气量。当节气门部分开启时会存在较大的泵气损失，导致发动机油耗增加。因此，传统的汽油机燃烧过程组织方法在发动机中低转速和中低负荷时不能从根本上改善发动机的油耗和排放水平。

随着发动机技术的发展，近年来出现了基于燃油直喷（Gasoline Direct Injection， GDI）、可变气门定时（Variable Valve Timing，VVT）、可变气门升程（Variable Valve Lift，VVL）和废气再循环（Exhaust Gas Recirculation， EGR，分为内部废气再循环和外部废气再循环两种）等技术的分层稀薄燃烧（Stratified Lean Burn Combustion）、EGR稀释燃烧（Diluted Combustion, DC）甚至可控自燃着火燃烧（Controllable Auto- Ignition, CAI）等先进节能减排燃烧概念，能有效降低发动机的油耗和排放水平，提升发动机输出功率。其中，分层稀薄燃烧是气缸内的燃油空气混合气存在空间上的浓度梯度（分层）的燃烧过程，由于大幅降低了发动机的泵气损失，发动机具有低油耗的特点，但其氮氧化物（NOx）排放较高。EGR稀释燃烧通过引入外部EGR实现发动机泵气损失的降低，进而降低发动机油耗。同时，外部EGR还能有效降低发动机燃烧过程温度，减少NOx排放。CAI燃烧是气缸内的燃油/空气混合气多点同时自燃着火，而非依靠火花塞点火燃烧的燃烧过程，具有低排放、低油耗的巨大优势。

发明内容

本发明的目的是提供一种汽油机节能减排燃烧方法，该方法将多种燃烧模式在一台发动机上同时耦合实现，能解决各燃烧模式的实现及相互间的平稳切换难题，并能最大限度地降低发动机的油耗和排放。

本发明所述的一种汽油机节能减排燃烧方法，该方法基于气液复相低压直喷燃油系统，其步骤如下：

第一工段，在发动机怠速以及低速低负荷区域，采取两次喷油策略实现分层稀薄燃烧模式；通过大幅降低发动机的泵气损失，实现降低发动机的油耗，同时通过三元催化器和稀燃后处理器对发动机尾气进行处理实现发动机的清洁燃烧；

第二工段，在中低转速中低负荷区域，将喷油次数由两次调整为一次，再结合VVT和VVL系统实现大量的内部EGR实现CAI燃烧模式；通过降低发动机的泵气损失、传热损失和CAI燃烧固有的低温燃烧特性实现发动机油耗和排放的大幅降低；

第三工段，随着发动机负荷、转速进一步增大至中高转速及负荷，保持一次喷射的喷油策略，再结合VVT/VVL以及EGR系统，切换回当量燃烧模式；但此时通过外部EGR系统将大量的发动机排气引入发动机进气歧管，实现稀释燃烧，一方面减小汽油机的泵气损失提高效率，一方面降低发动机原始氮氧化物（NOx）排放的水平；

第四工段，当发动机在高速、高负荷区域工作时，则采用当量比控制条件下的当量比燃烧模式；充分利用三元催化器（Three Way Catalyst, TWC）对碳氢、一氧化碳和氮氧化物三种排放物的高催化转化效率实现发动机的低排放。

本发明结合独特的气液复相低压燃油直喷技术、VVT/VVL、内外部EGR和稀薄燃烧排气后处理等多种技术手段开发了一种汽油机节能减排燃烧方法，将以上先进燃烧概念在一台发动机上同时耦合实现，解决了各燃烧模式的实现及相互间的平稳切换难题，能最大限度地降低发动机的油耗和排放水平，突破传统燃烧方法的技术瓶颈限制。

本发明采用的气液复相燃油直喷系统与传统的高压直喷燃油系统不同，其喷射压力只有0.8MPa左右，后者的喷射压力则可达到20MPa。此外，本发明采用的低压燃油直喷系统是将空气和燃油的混合物直接喷射到气缸内，而高压直喷燃油系统则是将燃油直接喷到气缸内。低的喷射压力和燃油和空气混合物的喷射特征使得本发明采用的低压直喷燃油系统的喷射燃油质量和贯穿距离显著加降低，不易引起燃油“湿壁”现象，不会引起高压直喷系统的机油稀释及相应的发动机HC排放增加等问题，同时低的喷射压力使燃油系统对其本身的材料、结构和工艺性要求相对高压直喷系统大幅降低，成本也相应大幅降低。

本发明的有益效果：采用上述复合燃烧方法，能使发动机在不同的转速和负荷范围内根据发动机的工作特点实现不同的节能减排燃烧模式，多个优化燃烧模式的组合，即节能减排燃烧过程能在发动机运行转速和负荷的全部范围内最大限度地降低油耗和排放，突破传统燃烧方法对降低油耗和排放的限制。

附图说明

图1是传统汽油机燃烧方法示意图；

图2是本发明的示意图；

图3是本发明对应的发动机结构的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

参见图2和图3，所述的一种汽油机节能减排燃烧方法基于气液复相低压直喷燃油系统，其步骤如下：

当发动机7运行在怠速及低速低负荷区域3时，通过控制直喷喷油器8，实现两次喷油策略，在进气冲程末期或压缩过程早期喷射一次燃油，在压缩冲程末期再喷射一次燃油；第一次喷入气缸的燃油在较长的混合时间下，与空气混合后在气缸内形成了浓度分布均匀且较稀（当量比λ>1）的燃油/空气混合气；第二次在压缩上止点附近喷入气缸的燃油在火花塞电极周围形成当量比λ＝1的当量混合气，随后火花塞开始跳火并点燃当量混合气；当量混合气的燃烧使得气缸内的压力和温度快速增加，火焰开始从气缸内当量混合气所在的区域向稀薄混合气所在的区域传播并引燃稀薄混合气，形成气缸内的分层稀薄燃烧过程。

当发动机工作在低速低负荷区域时，所需的燃油量非常小，若采用传统的当量比燃烧过程，需要的空气量也很小，因此对应的发动机节气门开度也相应很小，这就大大增加了发动机气缸里面的真空度，引起发动机泵气损失大幅增加。采用分层稀薄燃烧后，由于当量比λ>1，气缸内的空气量远大于λ=1时的空气量，要求节气门开度大幅增加，导致气缸内的真空度降低，发动机泵气损失大幅降低，进而大幅度降低发动机油耗。

发动机在采用稀薄燃烧时，由于燃烧温度相对传统的当量比（λ＝1）燃烧大幅增加，导致发动机的NOx排放大幅增加；为解决该问题，本发明采用了三元催化器18结合稀薄燃烧NOx排放专用的NSR催化器19的排气后处理系统，两个排气后处理器安装在排气总管20上，并通过对流经排气总管20的发动机排气中的各种污染物进行催化转化处理，以确保发动机排放处于低水平。

随着发动机转速和负荷逐渐增加到区域4（中低转速中低负荷）时，一方面基于进气和排气系统的DVVT控制油路9和DVVT控制阀12推迟进气门的开启时刻和提前排气门的关闭时刻。这使得发动机在排气冲程还未结束时排气门就关闭，部分废气被保留在气缸内，形成内部EGR，并随着活塞向上止点运动被再次压缩，高温废气的加热效应和再压缩过程使得气缸内的温度压力显著增加。活塞运动到上止点后，开始反向向下止点运动，发动机开始进气冲程。此时由于气缸内废气的压力较高，若立即打开进气门，会引起废气倒流进入进气道甚至进气歧管，影响发动机进气。因此，采用进气门推迟开启的策略，待缸内高压废气随活塞下行膨胀至压力较低时再开启进气门，新鲜空气通过进气总管11进入气缸。新鲜空气在较高的缸内温度和高温废气的加热作用下温度显著增加，这使得发动机压缩冲程末期缸内温度会显著增加。另一方面，使用VVL控制阀15和VVL控制油路16将进气和排气的气门升程切换到低升程状态。进气门升程切换到低升程后，可有效降低进气流通面积，对进入气缸的空气起到了节流作用，控制了进入气缸的空气量，这允许发动机节气门开度可以增加甚至全开，可有效降低气缸内的真空度，进而降低发动机的泵气损失。排气门升程切换到低升程后，同样由于排气流通面积的减小对排出气缸的废气起到了节流作用，可使更多的高温废气保留在气缸内，可进一步提高气缸内压缩冲程末期的温度。

在VVT控制油路/控制阀9/12和VVL控制油路/阀16/15的作用下，压缩冲程末期气缸内的温度会大幅度增加到汽油燃料自燃着火温度以上，汽油/空气混合物会在高温下发生多点自燃着火燃烧（CAI燃烧），而不是依靠火花塞点燃燃烧，并依靠发动机泵气损失的大幅下降而降低发动机油耗。

当发动机工作在中高转速、中高负荷运行区域5时，由于在该区域内发动机节气门仍没有完全打开，发动机的泵气损失仍会导致油耗的增加。此时，通过装在发动机上的外部EGR阀13从发动机排气歧管17中引入大量尾气通过EGR管路14进入发动机节气门后的进气歧管10中，并最终随进气总管11过来的新鲜空气进入气缸内，实现外部EGR。但此时气缸内的燃油和新鲜空气混合气的当量比仍然保持为1，引入的外部EGR废气只起到了对混合气的“稀释”作用，实现了外部EGR稀释燃烧。

由于进入气缸内的废气使得缸内的压力增加，进气真空度相应降低。为保证发动机转速和负荷不变，必须增加节气门开度保证进入气缸的新鲜空气量相等（当量比仍然为1），这就相应地降低了发动机的泵气损失，进而降低发动机的油耗水平。同时，引入气缸内的外部中冷EGR废气由于本身比热容较高，可降低气缸内的燃烧温度，进而大幅降低发动机的氮氧化物排放，实现发动机的清洁燃烧。

当发动机工作在高转速高负荷运行区域6时，仍采用传统汽油机的当量燃烧模式，通过对当量比和发动机点火提前角的精确控制，在降低发动机排气温度和避免爆震等不正常燃烧的同时确保发动机的扭矩、功率输出，并通过三元催化器的高效催化转化实现发动机的低排放。

当发动机从区域3的分层稀薄燃烧切换到区域4的CAI燃烧时，由于两种燃烧模式完全不同（前者需要火花塞点燃，后者则依靠缸内高的温度压力环境使混合气发生自燃，不需要火花塞点火），从稀薄燃烧切换到CAI燃烧采取了如下的切换策略：首先通过低压直喷喷油器8的控制，将稀薄燃烧的两次喷射切换为一次喷射喷油策略，保持发动机火花塞继续工作。同时逐步将一次喷射的喷油正时提前至进气冲程末期或压缩冲程初期。在缸内燃烧过程逐步稳定的过程中，通过VVL控制阀15和VVL控制油路16，将进排气门从高升程状态切换到低升程状态，同时通过DVVT控制油路9和DVVT控制阀12，逐步将进气门的开启正时推迟，排气正时提前，实现负气门重叠角，使得缸内的燃烧废气逐步增加。当废气量增加到缸内温度增加到使混合气发生自燃的温度时，通过控制系统使火花塞停止工作，实现CAI燃烧。

当发动机从区域4的CAI燃烧切换到区域5的稀释燃烧过程时，采用如下控制策略：通过DVVT控制油路9和DVVT控制阀12将进气开启正时逐步提前，排气关闭正时逐步推后，同时通过控制火花塞实现正常点火，在进排气门低升程状态实现正的气门重叠角下稳定的火花点火燃烧过程，然后通过VVL控制阀15和VVL控制油路16将进排气门从低升程状态逐步切换到高升程状态，同时逐渐增加外部EGR阀13的开度，使发动机进入进气歧管10的废气量逐渐增加（EGR率逐渐增加），从而实现稳定的外部EGR稀释燃烧过程。

当发动机从区域5的EGR稀释燃烧切换到区域6的传统当量燃烧过程时，只需要通过逐渐减小EGR阀13的开度至零将EGR率逐渐降低到零，同时通过安装在排气总管20上的氧传感器实现对当量比的闭环反馈控制，使其保持在1左右，实现传统当量燃烧过程。

图1是传统汽油机燃烧方法示意图。图中的1 表示采用当量比混合气燃烧模式区域，2表示采用加浓混合气燃烧模式区域。

Claims

1.一种汽油机节能减排燃烧方法，该方法基于气液复相低压直喷燃油系统，其步骤如下：

第三工段，随着发动机负荷、转速进一步增大至中高转速及负荷，保持一次喷射的喷油策略，再结合VVT/VVL以及EGR系统，切换回当量燃烧模式；但此时通过外部EGR系统将大量的发动机排气引入发动机进气歧管，实现稀释燃烧，一方面减小汽油机的泵气损失提高效率，一方面降低发动机原始氮氧化物排放的水平；

第四工段，当发动机在高速、高负荷区域工作时，则采用当量比控制条件下的当量比燃烧模式；充分利用三元催化器对碳氢、一氧化碳和氮氧化物三种排放物的高催化转化效率实现发动机的低排放。