CN104005871A - 一种发动机稀薄或稀释燃烧的着火和燃烧控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种发动机稀薄或稀释燃烧的着火和燃烧控制方法，在装有缸内直接喷油器的内燃发动机上，利用火花塞点燃分层混合气形成火焰，利用火焰释放的能量致使缸内其余的预混的稀释或者稀薄混合气形成稳定的快速燃烧或多点自燃燃烧。可以通过EGR回路向进气道内引入冷却的已燃废气，以使当发动机遭遇爆震或最大爆发压力超限时，将发动机燃烧过程转换为快速火焰传播方式燃烧。还可以在缸内热状态不足以满足分层混合气点火或形成稳定压燃燃烧时，通过引入内部残余废气的方式提高缸内热状态。本发明可以克服预混稀释或稀薄混合气的着火及燃烧过程控制这两个汽油压燃着火燃烧的难题。

Description

一种发动机稀薄或稀释燃烧的着火和燃烧控制方法

技术领域

本发明涉及一种发动机燃烧控制技术。

背景技术

汽油压燃着火燃烧方式(Gasoline compression ignition，GCI)由于其具有同时改善燃油经济性和发动机尾气排放的潜力而成为一种极具发展前景的新发动机燃烧技术。在汽油压燃着火技术的发展历史中，由于应用平台和控制策略的不同，其也被称为预混充量压燃着火技术、均质充量压燃技术、可控自燃燃烧技术和部分预混压燃技术等。以上何种技术虽然在实施上各有不同，但是其技术核心同属于压缩汽油着火燃烧的范畴。汽油压燃燃烧技术的共同特点之一就是通过额外热源或者缸内高温残余废气的加热和发动机自身的压缩过程使得稀释或稀薄的空气燃油混合物在燃烧上止点附近自燃着火。

所谓稀释混合气是指缸内充量除了燃油和空气外还存留有大量的已燃气体，其燃油和空气的比例并不局限于理论当量比。而所谓稀薄混合气是指缸内充量主要只包含燃油和空气，但是空气量与燃油的比例必大于理论上的空燃当量比。因此，稀释燃烧是指缸内着火燃烧时缸内充量为稀释混合气，而稀薄燃烧是指缸内着火燃烧时缸内充量为稀薄混合气。无论是稀释燃烧还是稀薄燃烧，其核心本质都是在发动机着火燃烧时，填充大量不参与燃烧的气体以控制发动机燃烧过程，无论填充的是已燃废气还是过量空气。

但是汽油压燃燃烧技术若要在实际应用，仍然需要解决燃烧过程控制中几个技术问题。首先需要解决汽油机压燃燃烧的控制问题。汽油压燃燃烧的着火取决于压缩过程中缸内预混充量的温度历程。只有当缸内状态满足着火需求时，缸内混合气才会自燃着火。因而汽油压燃燃烧缺乏直接的着火控制方法来实现着火时刻的精确控制。其次，汽油压燃燃烧对环境温度非常敏感，这就造成了在发动机处于冷机状态时很难正常工作于压燃燃烧方式。最后，由于缺乏着火时刻的控制手段，汽油压燃着火燃烧在大负荷很容易引起高的放热率和压力升高率。高的压力升高率对发动机长期稳定运行是不利的，过高的压力升高率会导致发动机的损害。

发明内容

为了克服预混稀释或稀薄混合气的着火及燃烧过程控制的难题，本发明提供一种发动机稀薄或稀释燃烧的着火和燃烧控制方法，该控制方法是基于同时具有火花点火、缸内直接喷射燃油、外部废气再循环和可变气门定时功能的发动机，即该发动机应具有的具体功能为：可以通过缸内直接喷射方式在点火时刻于火花塞附近形成当量比混合气；同时还可以通过在进气行程或压缩行程初期通过缸内直接喷射方式或者通过进气道喷射方式，在缸内形成稀薄或稀释的分层混合气。在合理的时刻使用火花点火的方式可以点燃分层混合气形成稳定火核。

本发明提出的发动机稀薄或稀释燃烧的着火和燃烧控制方法的技术方案是：发动机是一台每缸均配有火花塞、进气道喷油器、缸内直接喷油器以及至少一个进气门和一个排气门的四冲程内燃发动机；包括以下步骤：

步骤一、通过所述进气道喷油器向进气道喷射燃油，或在发动机处于进气行程或压缩行程初期时，通过缸内直接喷油器向缸内喷射燃油，从而在缸内形成预混稀释或稀薄的空气燃油混合物：

步骤二、在发动机处于压缩行程后期、且在燃烧开始前，通过安装在缸盖上的缸内直接喷油器进行一次或多次喷射，从而在火花塞附近制造分层混合气；

步骤三、利用火花塞点燃所述分层混合气形成火焰；

步骤四、利用该火焰传播释放的能量致使缸内其余的预混的稀释或者稀薄混合气形成稳定的快速燃烧或多点自燃燃烧。

本发明发动机稀薄或稀释燃烧的着火和燃烧控制方法，其中，所述发动机上，还设有高压EGR回路和低压EGR回路；首先，通过所述高压EGR回路或者低压EGR回路，向进气道内引入冷却的已燃废气，从而在缸内形成预混的稀释混合气；所述稀释混合气的燃烧采用前述的稀薄或稀释燃烧的着火和燃烧控制方法来控制；增加EGR功能的优势是，在汽油压燃发动机遭遇爆震、最大压力升高率过大或最大爆发压力过大时，利用EGR对燃烧的抑制作用可以调整自燃放热的比例，如有需要甚至可将明显的自燃放热过程转换为快速的火焰传播燃烧，以维持发动机运行的可靠性。前述的快速火焰传播过程是指包含有局部自燃以致于放热速度快于稀释条件下火焰传播速度的火焰传播过程，并不等同于传统汽油机中的火焰传播过程。

本发明发动机稀薄或稀释燃烧的着火和燃烧控制方法，其中，在所述发动机上，由于负荷和稀释程度的变化，依靠火花点火分层混合气形成多点自燃的方法，可能会遇到自燃难以形成或者不稳定的问题。因此，在缸内热状态不足满足分层混合气点火或形成稳定压燃燃烧时，通过引入内部残余废气的方式提高预混的稀释或者稀薄混合气的温度，提高缸内热状态，以满足在不同负荷下火花点燃分层混合气和多点同时自燃的需求。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

将本发明发动机稀薄或稀释燃烧的着火和燃烧控制方法应用在已有的Ricardo Hydra140型单缸发动机上，可以拓展稀释燃烧的运行范围。于此同时，还可以大幅降低稀释燃烧的循环变动，稀释燃烧的循环变动在本发明控制方法的作用下可降低到5％以下。与均质喷射的稀释燃烧方式相比可以明显改善燃油经济性，在IMEP＝6bar时，利用本发明方法较均质喷射的稀释燃烧，其燃油经济性可改善4.8％。

附图说明

图1是本发明中同时具有进气道喷射和缸内直喷能力的单缸发动机系统结构图；

图2是在图1所示发动机上进行直喷喷油器位置变换而形成的系统结构图；

图3是在图1所示发动机系统上安装外部废气再循环系统后的系统结构图；

图4是在图2所示发动机系统上安装外部废气再循环系统后的系统结构图；

图5(a)基于进气冲程打开排气门方式存留废气的气门定时示意图；

图5(b)基于排气冲程打开进气门方式存留废气的气门定时示意图；

图5(c)负气门重叠角方式存留废气的气门定时示意图；

图5(d)正气门重叠角方式存留废气的气门定时示意图。

图中：1、缸内工作容积；2、活塞；3、连杆；4、排气门；5、进气门；6、进气道喷油器；7、缸内直喷喷油器；8、火花塞，9、涡轮机；10、压气机；11、中冷器；12、高压EGR回路；13、低压EGR回路；14、高压EGR回路EGR控制阀；15、低压EGR回路EGR控制阀。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述。

本发明提出的控制方法是：在一台针对汽油压燃设计的汽油发动机上，通过在进气道喷射的方式形成预混的稀薄或者稀释混合气，并将该混合气引入缸内。其中进气道内的稀释混合气是通过在进气系统中引入外部废气再循环的方式实现的，无论是通过高压外部废气再循环回路或低压外部废气再循环回路或两种外部废气再循环回路兼用的方法均可。预混燃油的注入并不局限于进气道喷射方式，也可以直接向缸内引入过量空气或者空气与废气混合物，然后通过在进气冲程和压缩冲程早期的进行缸内燃油直接喷射方式获得。在得到预混稀释/稀薄混合气后，通过压缩冲程后期缸内燃油直接喷射方式，即在活塞接近压缩上止点时进行喷射，在火花塞周围形成可点燃的当量比混合气，从而在缸内形成分层混合气，进而利用火花跳火的方式，在合理的时刻点燃分层混合气。借助火焰传播和发展过程中释放的热量和该过程造成的缸内压力升高以及活塞的继续压缩引起的压力升高使缸内其余未燃的预混稀薄或稀释混合气自燃着火。其中，火花点燃分层混合气的过程在汽油压燃发动机上可作为混合稀释或稀薄混合物在全部工况下实现可控压缩着火的手段。除汽油燃料外，醇类燃料以及其他高辛烷值燃料也均可采用本发明的方法实现预混稀薄或稀释充量在缸内的压燃着火燃烧。

实现方式的具体描述。

图1所示的是一台单缸往复式二冲程或者四冲程发动机的系统结构图。活塞2通过连杆3与曲轴相连，通过其往复运动而实现缸内工作容积1变化。发动机燃烧室至少配备一个进气门5和一个排气门4。一个安装在发动机缸盖上的用于缸内直接喷射的喷油器7将燃油直接注入缸内。一个火花塞安8装于气缸盖上用于点燃缸内混合气。

图2展示了一台和图1相同的发动机，但是图2所示的发动机缸内直接喷射的喷油器较图1所示的发动机处于远离火花塞的位置。在此例应用中，为了在火花塞附近形成可用的分层混合气，需要活塞上设计专门的燃烧室进行配合。其设计方式按现有的壁面引导汽油直喷发动机中燃烧室设计即可。

图3和图4分别展示的是在与图1和图2相同的发动机系统上，只是额外地加装了冷却的外部废气再循环回路(高压EGR回路12和/或低压EGR回路13)。在压气机10的下游加装有中冷器11，用以降低增压后的充量温度。部分废气是从涡轮机9的上游导出，经过一个换热器的冷却回到进气系统中压气机10的下游。其废气数量是通过高压EGR回路EGR控制阀14或低压EGR回路EGR控制阀15调节的。这种提取压力明显大于环境压力的EGR系统在本例中将会被称为高压EGR。此外，外部废气还可以从涡轮机9的下游引出回到进气系统中压气机10的上游。此时，外部废气的提取压力与环境压力接近，这种外部废气再循环回路在本例中将会被称为低压EGR。虽然未在图中注出，但是该发动机也可配更多的涡轮增压器或者机械增压器。其中涡轮增压器由连接在排气道内的涡轮机9和连接在进气道内的压气机11组成。涡轮增压器和机械增压器对于本发明来说不是必须的部件，可以按照其常规状态工作。

整个燃烧控制为，而进气道喷油器6提供了一个预混的稀薄/稀释充量(主要是由是否使用EGR决定其类型)，在新鲜充量进入缸内后与残余废气混合形成稀释充量。其中进气道内的稀释混合气是在图3所示的配有EGR系统的发动机上，通过在进气系统中引入外部废气再循环的方式实现的，无论是通过高压外部废气再循环回路12或低压外部废气再循环回路13或两种外部废气再循环回路兼用的方法均可。预混燃油的注入并不局限于进气道喷射方式，也可以通过图1或图2所示的发动机上的缸内直喷喷油器7在进气冲程和压缩冲程早期向缸内直接喷射燃油获得。在得到预混稀释/稀薄混合气后，通过压缩冲程后期的合适时刻利用缸内直喷喷油器7，在活塞接近压缩上止点时进行一次或喷射的方式，在火花塞周围形成可点燃的接近当量比的混合气。从而在缸内形成如下分层混合气，即火花塞附近则是接近当量比的混合气，在燃烧室的其他位置填充的是预混的稀释混合气。进而利用火花塞8跳火的方式，在合理的时刻点燃分层混合气。火核首先在火花塞附近形成，然后逐步扩散到周围其他区域。借助火焰传播和发展过程中释放的热量和该过程造成的缸内压力升高以及活塞的继续压缩引起的压力升高使缸内其余未燃的预混稀薄或稀释混合气自燃着火。

在本方法中前期火焰传播过程释放的能量作为一个放大的点火源使火焰扩散向预混的稀释混合气。分层充量的数量可以根据发动机当前运行条件，如负荷、转速和进气压力等，通过缸内直喷的脉宽进行调节，以优化整个燃烧过程。当通过火焰传播释放的能量达到一定程度后，缸内的预混的均质混合气会由于受到内部废气加热、活塞压缩和来自已燃混合气传热等三方面的作用，达到自燃条件，发生自燃放热。其中，内部废气加热和活塞压缩是为了自燃放热提供基础条件，而已燃混合气传热作为直接控制着火的手段而存在。

有两种实际情况需要采用辅助控制手段，一是在稀释度过大和压缩比不足的情况下，点燃分层混合气的方式也难以获得稳定和理想的自燃过程。此时可通过如图5(a)至图5(d)所示气门控制参数，利用可变气门机构，在缸内存留一定量的内部残余废气。利用残余废气的能量加热预混稀释混合气，以确保点燃分层混合气的方式可触发稳定理想可接受的压燃燃烧；二是在汽油压燃发动机遭遇爆震、最大压力升高率过大或最大爆发压力过大时，利用所采用高压EGR回路12和低压EGR回路13；EGR回路，调整EGR率以降低自燃放热的比例和速度，在极端情况下甚至将自燃放热过程转换为快速的火焰传播燃烧，以维持发动机运行的可靠性。

作为一种替代传统火焰传播方式燃烧用预混稀释或稀薄混合气的燃烧方式，预混稀释或稀薄混合气利用缸内残余的热废气提供的能量可以实现自燃燃烧。图5(a)、图5(b)、图5(c)和图5(d)分别示出了引入内部残余废气的气门定时原理图(即引入内部残余废气的方法)。其中，建立在四冲程发动机的基础上的实施方式有以下四种：

a.在进气冲程打开排气门的方式，即，排气门在整个换气过程中打开两次。首次为正常排气，其打开时刻为压缩行程末期或排气行程前期，其关闭时刻位于排气行程；第二次排气门打开和关闭都在进气冲程中，以便从排气道吸入废气。在这种方式下，进气门则如传统汽油机的设置一样，在进排气上止点前打开，在进气下止点后关闭。

b.在排气冲程中打开进气门。在这种方式下，排气门则如传统汽油机的设置一样，在排气下止点附近打开，在进排气上止点附近关闭。但进气门打开的时间大幅提前，根据需要，甚至可提前到排气行程的中期，以便在排气行程将废气排入进气道，然后在进气行程在排入进气道的废气吸回缸内。

c.负气门重叠角方式。这种方式是指，排气门关闭时刻在进排气上止点前，进气门打开时刻在进排气上止点后，以在活塞达到进排气上止点附近时创造出负气门重叠角，使得部分废气始终存留在气缸内。

d.正气门重叠角方式。即与传统进排气门时刻相比，进一步推迟排气门关闭时刻的同时进一步提前进气门打开时刻，在进排气门上止点附近形成明显大于正常使用时的正气门重叠角，使得进气过程中向缸内吸入部分回流到进气管废气，也可以从排气管吸入部分废气。

与预混稀释或者稀薄混合物的火焰传播燃烧相比，自燃燃烧在不同的负荷均允许缸内存在更大的稀释度(即，大量的废气或者过量空气)对于降低发动机的氮氧化合物排放和改善燃油经济性有很大的帮助。分层充量的数量和稀释率均需依据发动机运行的负荷、转速和进气压力等条件而调整。

需要特别强调的是缸内直接喷射的燃油和进气道内喷射的燃油即可以是汽油，也可以是乙醇、甲醇、丁醇等或其混合物。

本发明所描述的实现方式的主要优点是：稀释或稀薄的高辛烷值燃料可燃混合充量采用压燃燃烧方式可以同时实现高效和低排放的燃烧，燃烧过程可以依据发动机的负荷和转速等运行条件通过火花点燃缸内分层充量的方式来实现。

尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (3)

1.一种发动机稀薄或稀释燃烧的着火和燃烧控制方法，其中，发动机是一台每缸均配有火花塞、进气道喷油器、缸内直接喷油器以及至少一个进气门和一个排气门的四冲程内燃发动机；其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、通过所述进气道喷油器向进气道喷射燃油，或在发动机处于进气行程或压缩行程初期时，通过缸内直接喷油器向缸内喷射燃油，从而在缸内形成预混稀释或稀薄的空气燃油混合物：

步骤二、在发动机处于压缩行程后期、且在燃烧开始前，通过安装在缸盖上的缸内直接喷油器进行一次或多次喷射，从而在火花塞附近制造分层混合气；

步骤三、利用火花塞点燃所述分层混合气形成火焰；

步骤四、利用该火焰传播释放的能量致使缸内其余的预混的稀释或者稀薄混合气形成稳定的快速燃烧或多点自燃燃烧。

2.根据权利要求1所述发动机稀薄或稀释燃烧的着火和燃烧控制方法，其特征在于，所述发动机上，还设有高压EGR回路和低压EGR回路；

首先，通过所述高压EGR回路或者低压EGR回路，向进气道内引入冷却的已燃废气，从而在缸内形成预混的稀释混合气；

所述稀释混合气的燃烧采用如权利要求1所述的稀薄或稀释燃烧的着火和燃烧控制方法来控制；

当所述发动机大负荷遭遇爆震或最大爆发压力超限时，利用已燃废气将所述发动机燃烧过程转换为快速火焰传播方式燃烧。

3.根据权利要求1或2所述发动机稀薄或稀释燃烧的着火和燃烧控制方法，其特征在于，所述发动机上，在缸内热状态不足满足分层混合气点火或形成稳定压燃燃烧时，通过引入内部残余废气的方式提高预混的稀释或者稀薄混合气的温度，提高缸内热状态，以满足在不同负荷下火花点燃分层混合气和多点同时自燃的需求。