CN104373207A - 一种稀燃气体双燃料点燃式内燃机系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种稀燃气体双燃料点燃式内燃机系统及控制方法，其目的在于针对气体燃料点燃式内燃机采用稀薄燃烧时燃烧不稳定等问题，开发出一种稀燃气体双燃料点燃式内燃机系统及控制方法，本发明是基于气体燃料缸内直喷和进气道组合式的双燃料点燃式内燃机技术，该系统及控制方法能够使点燃式内燃机燃用气体燃料时，采用高压缩比以及稀薄混合气，实现快速稀薄燃烧和稳定燃烧，避免稀薄燃烧时失火现象的发生，提高点燃式内燃机的热效率，从点燃式内燃机源头上实现能耗的降低和污染物的超低排放。

Description

一种稀燃气体双燃料点燃式内燃机系统及控制方法

技术领域

本发明涉及内燃机技术领域，特别是涉及一种稀燃气体双燃料点燃式内燃机。适用于采用稀混合气、高压缩比气体燃料点燃式内燃机的车辆。

背景技术

近年来，随着汽车保有量的逐年增加，汽车产业也在不断发展，然而由此引发的能源问题与环境问题也愈发严重。随着排放法规的日益严格，仅通过对常规发动机的控制已经很难达到标准。

基于这些负面作用，早有学者提出了气体燃料发动机。常用的气体燃料有天然气、液化石油气等，这些燃料具有储量大、价格适宜、对环境友好等优点，但对于发动机而言，这类燃料燃烧速度慢，会导致发动机热效率降低，功率下降；同时，其所需的点火能量大，对点火系统的要求也更高。

点燃式内燃机采用稀薄燃烧的措施，可以降低爆震倾向，进一步提高压缩比，改善燃烧，提高效率，同时,压缩比的增加又能够降低内燃机的排放，实现既改善内燃机的经济性又提高其动力性的目的。但是，稀薄燃烧受到燃烧不稳定等因素的影响，燃烧循环变动系数较大，限制了稀燃极限的提高。

发明内容

本发明的目的在于针对气体燃料点燃式内燃机采用稀薄燃烧方式时燃烧不稳定等问题，开发出一种稀燃气体双燃料点燃式内燃机系统及控制方法。本发明是基于气体燃料缸内直喷和进气道喷射组合式的双燃料点燃式内燃机技术，该系统及控制方法能够使点燃式内燃机燃用气体燃料时，采用高压缩比以及稀薄混合气，实现快速稀薄燃烧和稳定燃烧，避免稀薄燃烧时失火现象的发生，提高点燃式内燃机的效率，从点燃式内燃机源头上实现能耗的降低和污染物的超低排放。

本发明的上述目的通过以下技术方案予以实现，结合附图说明如下：

针对上述问题，既要提高燃烧的稳定性，又要提高燃烧的效率，需要对气体燃料内燃机的结构、燃料的燃烧特性以及控制方法进行优化，不断完善，满足要求。

一种稀燃气体双燃料点燃式内燃机系统，其特征在于，该系统由第一燃料供给系统、第二燃料供给系统、点火系统、进气系统、排气系统、点燃式内燃机21和内燃机电控系统24组成；第一燃料供给系统由第一燃料供给箱16、第一燃料供给管路22和第一燃料喷射器5组成；第二燃料供给系统由第二燃料供给箱17、第二燃料供给管路23和第二燃料喷射器9组成；点火系统由蓄电池18、点火线路和火花塞7组成；第一燃料供给系统、第二燃料供给系统和点火系统分别通过第一燃料喷射器5、第二燃料喷射器9和火花塞7与点燃式内燃机21相连；内燃机电控系统24通过对节气门3、火花塞7、第一燃料喷射器5和第二燃料喷射器9的控制实现对该燃烧系统的控制。

所述的一种稀燃气体双燃料点燃式内燃机系统，其特征在于，所述点燃式内燃机21采用两种不同的气体燃料作为燃料，两种不同的气体燃料采用两套供应系统，分别为主气体燃料(第一燃料)供应系统和辅助气体燃料(第二燃料)供应系统，其中，第一燃料采用进气道预混的形式进入气缸，第二燃料采用缸内直喷的形式进入气缸。

所述的一种稀燃气体双燃料点燃式内燃机系统，其特征在于，点燃式内燃机21采用两种不同燃料的作用是通过第二燃料自身良好的燃烧特性，降低燃烧变动，进一步提高混合气的稀燃极限，可以使点燃式内燃机21在更大的空燃比和压缩比下工作，提高稀燃时的效率和降低污染物的排放，第二燃料引燃作用的实现是靠内燃机电控系统控制第二燃料喷射器9在合适的喷射时刻将第二燃料喷射在燃烧室顶部，也就是火花塞周围，使得在燃烧室顶部形成易于点燃的第二燃料可燃混合气，通过第二燃料快速燃烧放出的能量，进而点燃第一燃料形成的混合气。

所述的一种稀燃气体双燃料点燃式内燃机系统，其特征在于，所述第一燃料为现在应用较为广泛的气体代用燃料，例如天然气，液化石油气等气体。

所述的一种稀燃气体双燃料点燃式内燃机系统，其特征在于，所述第二燃料在性能上优于第一燃料，其性能主要包括燃烧速度、所需点火能量以及燃烧排放物等方面，例如氢气等气体。

采用稀薄燃烧的燃烧方式可以使内燃机采用更大的空燃比以及更高的压缩比，稀薄燃烧可以降低内燃机的传热损失，采用更大的空燃比可以在相同的燃料喷射量下进入更多的空气，这也就意味着节气门开度的增大，节气门开度的增大降低了节气门带来的节流损失，提高了内燃机的热效率；压缩比增大使得热效率进一步提高，因此稀薄燃烧可以提高内燃机的效率和降低污染物的排放。

所述稀燃气体双燃料点燃式内燃机由于采用稀薄燃烧以及高压缩比，因此其常用的工况为中低负荷工况。即在满足转矩要求的前提下，充分提高燃料的利用率,降低节气门带来的节流损失，提高内燃机的经济性。

所述稀燃气体双燃料点燃式内燃机，在中低负荷下，根据负荷的不同采用不同的混合气形成方式以及不同的燃烧方式。在小负荷下，采用分层燃烧的方式，进一步提高空燃比，扩大稀燃极限，提高经济性；在中等负荷下，采用均匀稀燃的燃烧模式，满足输出转矩的要求。

所述的一种稀燃气体双燃料点燃式内燃机系统的控制方法适用于对点燃式内燃机21在中低负荷工况下的控制。

在中低负荷下，由于该工况所需要的扭矩以及功率较小，因此主要从燃油经济性方面考虑，内燃机采用稀薄燃烧的方式，同时，为了扩大混合气的稀燃极限，可以采用分层燃烧的方式。另一方面，在大负荷下，正常内燃机供给功率混合气，希望其功率可以有所提升，因此要以满足功率需求为主，此时应采用均匀的功率混合气而不是稀薄混合气，因此本发明所述的稀燃气体双燃料点燃式内燃机主要的运转工况为中小负荷工况,适用于混合动力汽车以及以恒定工况运转的内燃机。

通过提前对稀燃气体双燃料点燃式内燃机的标定，对于不同的工况，采用基于转矩的控制策略，在满足转矩要求的前提下，寻找最佳的总燃料热值以及燃料分配比例，以获得最佳的燃油经济性。

在中低负荷下，固定当前工况，采用基于转矩的控制策略，通过测量内燃机输出端的扭矩值，在满足最小扭矩的前提下，通过调整燃料的总热值以及第一燃料和第二燃料的不同比例，实现燃油经济性达到最佳。第一燃料和第二燃料喷射量的控制，是通过ECU发出指令，信号经过驱动芯片的放大，进而作用于气体燃料喷射器，控制进入缸内的燃料量；同时，第一燃料和第二燃料的比例，也是通过气体燃料的喷射脉宽计算出来的。在总燃料热值一定的情况下，通过计算公式，第一燃料的质量*第一燃料的热值+第二燃料的质量*第二燃料的热值＝总热值，在改变第一燃料的质量流量时，实时的计算出第二燃料的质量流量，进而通过内燃机控制器同时对第一燃料和第二燃料的喷射脉宽进行修改。

第一燃料和第二燃料的喷射时刻可以定义为：第一燃料在进气行程喷射，即气门开启的时刻进行喷射，第二燃料在压缩冲程的后期进行喷射。另一方面，气体燃料喷射器，尤其是缸内直喷的喷射器，可以进行单次喷射，也可以进行多次喷射。

中小负荷下，由于分层稀燃要比均匀稀燃的稀燃极限更大，因此将中小负荷的工况进一步细分，分为小负荷和中等负荷两种工况。

在小负荷下，采用分层稀燃的方式。

实现分层稀燃需要对燃料喷射时刻进行调整。通过燃烧室的形状、活塞的形状以及缸内的气流运动三者的配合，实现分层稀燃。实现分层稀燃时，第一燃料要在进气冲程的后期进行喷射，借助于进气道在缸内形成的涡流，配合喷射时刻，在缸内形成沿气缸轴向方向的分层混合气，即缸内下部为纯空气或者较稀的混合气，而缸内上部的混合气浓度要大于下部，可以点燃或者还不能进行点燃，沿着气缸轴线方向向上，混合气逐渐变浓，缸内混合气整体过量空气系数大于1.6。而第二燃料在临近上止点附近进行喷射，使得第二燃料在火花塞附近区域形成可燃混合气，由于第二燃料具有点火能力低、燃烧速度快等优点，因此火花塞可以很容易的点燃整体较稀、局部较浓的可燃混合气，实现气体燃料点燃式内燃机的稀薄燃烧，提高经济性。

在中等负荷下，采用均匀稀燃的方式。

均匀稀燃，即第一燃料形成均匀稀薄混合气，而不是分层的稀薄混合气。采用均匀混合气时，进入气缸的气体燃料量较大，因此输出功率可以相应的提高，满足中等负荷对功率输出的要求。采用均匀稀燃的方式时，第一燃料进入气缸的时刻在进气冲程初期，即进气门开启混合气便进入缸内。在进气冲程初期进行喷射，可以使得第一燃料与空气混合的更加均匀，在第一燃料与空气混合好的基础上、临近上止点附近时，进行第二燃料的喷射，同样使得火花塞区域形成易于点燃的可燃混合气，通过火花塞跳火，首先点燃第二燃料，再由已燃的第二燃料点燃第一燃料，使得整个燃烧室内的混合气都可以燃烧完全。

附图说明

图1为气体双燃料点燃式内燃机系统结构图。

图2为气体双燃料点燃式内燃机纵剖图。

图3为燃烧室内第二燃料在火花塞附近形成的可燃混合气示意图。

图4为气体双燃料点燃式内燃机控制策略流程图。

图5为气体双燃料点燃式内燃机的燃烧模式图。

图6为气体双燃料点燃式内燃机的燃料喷射时刻与喷射脉宽示意图。

图中：1节气门体，2滤清器，3节气门，4进气歧管，5第一燃料喷射器，6进气门，7火花塞，8燃烧室，9第二燃料喷射器，10排气门，11排气道，12汽缸体，13活塞环，14活塞，15连杆，16第一燃料供给箱，17第二燃料供给箱，18蓄电池，19气缸盖，20点火线圈供电线，21点燃式内燃机，22第一燃料供给管路，23第二燃料供给管路，24内燃机电控系统。

下面结合附图所示实施例进一步说明本发明的具体实施方式。

图1为气体双燃料点燃式内燃机系统结构图。该系统由第一燃料供给系统、第二燃料供给系统、点火系统、进气系统、排气系统、点燃式内燃机21和内燃机电控系统24组成；第一燃料供给系统由第一燃料供给箱16、第一燃料供给管路22和第一燃料喷射器5组成；第二燃料供给系统由第二燃料供给箱17、第二燃料供给管路23和第二燃料喷射器9组成；点火系统由蓄电池18、点火线路和火花塞7组成；第一燃料供给系统、第二燃料供给系统和点火系统分别通过第一燃料喷射器5、第二燃料喷射器9和火花塞7与点燃式内燃机21相连；内燃机电控系统24通过对节气门3、火花塞7、第一燃料喷射器5和第二燃料喷射器9的控制实现对该燃烧系统的控制。

图2为气体双燃料点燃式内燃机纵剖图。新鲜空气通过节气门进入气缸,节气门也同时控制进入气缸的新鲜空气充量,第一燃料喷射器安装在进气歧管上,靠近进气门的位置,以便第一燃料可以更好的进入气缸,第一燃料通过第一燃料喷射器5在进气道进行喷射,与新鲜空气同时进入气缸,可以形成均匀的第一燃料混合气。第二燃料喷射器9直接安装在气缸盖19上，其喷孔位于燃烧室20的上部，第二燃料通过第二燃料喷射器9直接喷入气缸。火花塞7也安装在气缸盖19上，也位于燃烧室20的上部，火花塞7的位置和第二燃料喷射器9的位置需要合理布局，以满足系统工作的要求。

图3为燃烧室内第二燃料在火花塞附近形成的可燃混合气示意图。在合理布局火花塞7的位置和第二燃料喷射器9的位置基础上，也要合理的调整第二燃料喷射器9的喷射时刻和火花塞7的点火时刻，第二燃料喷射器在合适的喷射时刻，进行第二燃料的喷射，要求在火花塞点火的时刻，燃烧室20内火花塞7周围要求具有由第二燃料形成的适合点燃的可燃混合气，通过第二燃料的引燃作用引燃外围较稀的第一燃料混合气，进而实现燃料的燃烧和对外输出转矩。

图4为气体双燃料点燃式内燃机控制策略流程图。电控系统控制内燃机顺利起动之后，点燃式内燃机进入怠速工况。驾驶员通过油门踏板来表达对内燃机转矩的需求，通过改变油门踏板的位置，实现对内燃机目标转矩的控制，当电控系统接收到油门踏板位置信号时，通过预先标定好的MAP图，判断该转矩对应的工况是处于小负荷下还是中等负荷下，若为小负荷，则需要控制燃料喷射器实现分层稀燃的模式，若为中等负荷，则要控制燃料喷射器实现均匀稀燃的模式，最后实现内燃机的正常运转。

图5为气体双燃料点燃式内燃机的燃烧模式图。该气体双燃料点燃式发动机的燃烧模式是由工况决定的。在满足转矩需要的前提下，也需要合理控制空燃比，才能实现该发动机在中小负荷时经济性的提高。

图6为气体双燃料点燃式内燃机的燃料喷射时刻与喷射脉宽示意图。在小负荷下，采用分层稀燃的方式。为实现分层稀燃，第一燃料要在进气冲程的后期进行喷射，而第二燃料在临近上止点附近进行喷射，借助第二燃料点火能力低、燃烧速度快等优点引燃第一燃料。在中等负荷下，采用均匀稀燃的方式。采用均匀混合气时，第一燃料要在进气冲程初期就进入气缸，以使燃料与空气混合均匀，第二燃料同样在临近上止点附近喷射用来引燃缸内已混合均匀的第一燃料。要合理的控制喷射时刻与喷射脉宽才能保证其经济性能。

Claims (7)

1.一种稀燃气体双燃料点燃式内燃机系统，其特征在于，该系统由第一燃料供给系统、第二燃料供给系统、点火系统、进气系统、排气系统、点燃式内燃机(21)和内燃机电控系统(24)组成；第一燃料供给系统由第一燃料供给箱(16)、第一燃料供给管路(22)和第一燃料喷射器(5)组成；第二燃料供给系统由第二燃料供给箱(17)、第二燃料供给管路(23)和第二燃料喷射器(9)组成；点火系统由蓄电池(18)、点火线路和火花塞(7)组成；第一燃料供给系统、第二燃料供给系统和点火系统分别通过第一燃料喷射器(5)、第二燃料喷射器(9)和火花塞(7)与点燃式内燃机(21)相连；内燃机电控系统(24)通过对节气门(3)、火花塞(7)、第一燃料喷射器(5)和第二燃料喷射器(9)的控制实现对该燃烧系统的控制。

2.根据权利要求1所述的一种稀燃气体双燃料点燃式内燃机系统，其特征在于，所述点燃式内燃机(21)采用两种不同的气体燃料作为燃料，两种不同的气体燃料采用两套供应系统，分别为主气体燃料(第一燃料)供应系统和辅助气体燃料(第二燃料)供应系统，其中，第一燃料采用进气道预混的形式进入气缸，第二燃料采用缸内直喷的形式进入气缸。

3.根据权利要求1所述的一种稀燃气体双燃料点燃式内燃机系统，其特征在于，点燃式内燃机(21)采用两种不同燃料的作用是通过第二燃料自身良好的燃烧特性，降低循环变动，进一步提高混合气的稀燃极限，可以使点燃式内燃机(21)在更大的空燃比和压缩比下工作，提高稀燃时的效率和降低污染物的排放，第二燃料的引燃作用的实现是靠内燃机电控系统控制第二燃料喷射器(9)在合适的喷射时刻将第二燃料喷射在燃烧室顶部，也就是火花塞周围，使得在燃烧室顶部形成易于点燃的第二燃料可燃混合气，通过第二燃料快速燃烧放出的能量，进而点燃第一燃料形成的混合气。

4.根据权利要求1所述的一种稀燃气体双燃料点燃式内燃机系统，其特征在于，所述第一燃料为现在应用较为广泛的气体代用燃料，例如天然气，液化石油气等气体。

5.根据权利要求1所述的一种稀燃气体双燃料点燃式内燃机系统，其特征在于，所述第二燃料在性能上优于第一燃料，其性能主要包括燃烧速度、所需点火能量以及燃烧排放物等方面，例如氢气等气体。

6.一种用于权利要求1所述的稀燃气体双燃料点燃式内燃机系统的控制方法，其特征在于，对点燃式内燃机(21)在中低负荷工况下进行基于转矩的控制,在满足转矩要求的前提下,采用稀薄燃烧的方式,提高压缩比,降低节气门的节流损失,提高燃料的利用率和内燃机的经济性能。

7.根据权利要求6所述的稀燃气体双燃料点燃式内燃机系统的控制方法，其特征在于，在中低负荷下，根据负荷的不同,采用不同的燃烧方式,在小负荷下，第一燃料采用分层燃烧的方式，进一步提高空燃比，扩大稀燃极限，提高经济性,在中等负荷下，第一燃料采用均质稀燃的燃烧模式，满足输出转矩的要求。