CN104963778A - 一种废气稀释的双燃料发动机当量比燃烧的系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明旨在提供一种废气稀释的双燃料发动机当量比燃烧模式，这种燃烧模式发生在较大的EGR条件下并且可以保证燃烧进行。利用两种燃料的理化特性保证发动机在分区均质的当量比混合气下可以稳定燃烧，利用大量的废气稀释减少了发动机的排放并且维持缸内混合气空燃当量比为1，可以使用成本较低的传统的三效催化器。这种新的燃烧模式在提高燃烧效率、降低发动机排放和减少循环变动三个方面都具有一定的优势。

Description

一种废气稀释的双燃料发动机当量比燃烧的系统及方法

技术领域

本发明涉及内燃机技术领域，特别是涉及一种废气稀释的双燃料发动机当量比燃烧的方法。适用于采用废气稀释的缸内直喷发动机的车辆。

背景技术

随着汽车产业的发展，汽车保有量持续增加，随之而来的能源和经济问题也逐渐显著。随着各项法规的逐渐严格，发动机的排放与经济性问题也越来越受到重视，新的发动机控制技术应运而生。

缸内直喷发动机具有更好的燃油经济性，更好的响应性，更准确的空燃比控制，以及减少了部分排放并加强整机系统优化潜力的优势。但同时由于缸内直喷技术本身的需求，对点火系统和喷油系统的要求较高，工作在分层模式下容易在火花塞处形成积碳。第一代缸内直喷发动机主要采用了分层稀燃的工作模式，除了分层燃烧控制难度较大外，稀燃燃烧模式也为后处理系统增加了困难，专门的稀燃后处理系统相比传统的汽油机三效催化剂成本和制造难度增加很多。

废气再循环技术(EGR)长期应用在柴油机上用以降低缸内的温度进而降低NOx的排放。随着汽油机的发展，缸内直喷技术和增压技术的出现引领了汽油机小型化的发展，更高的功率密度及更紧凑的形状成为了发展的方向，同时这也导致了直喷汽油机NOx排放的增加。缸内直喷汽油机采用废气再循环技术既可以减少NOx的排放，又可以减小泵气损失，提高燃烧效率。废气在缸内起到了容积稀释、密度稀释和活性稀释作用，这些现象和稀薄燃烧的影响非常类似，称作废气稀释。废气再循环(EGR)技术分为内部EGR和外部EGR,采用外部EGR时EGR率受到一定限制，若要使用较大的EGR率需要采用内部EGR，内部EGR主要靠配气相位的改变来实现，配气相位的改变主要靠可变气门正时机构实现(VVT机构)。

为了使用成本较低、难度较小的三效催化剂，选择使用当量比混合气进行燃烧。又为了进一步的提高燃油经济性，减小泵气损失、控制排放,采用了废气再循环技术，通过这种废气稀释的当量比燃烧模式实现更高的燃油经济性和制造成本。但是由于EGR率过高时，缸内的循环变动较大，燃烧恶化影响了发动机的动力性和经济性，所以考虑在缸内另外加入一种点火能量低、燃烧速度快、燃烧界限宽的气体以实现在较大EGR率下稳定的当量比燃烧。

发明内容

本发明旨在提供一种废气稀释的双燃料发动机当量比燃烧模式，这种燃烧模式发生在较大的EGR条件下并且可以保证燃烧稳定进行。通过这种新型的燃烧模式，进一步增大缸内直喷汽油机的燃油经济性，并使用了传统的三效催化剂减小了发动机的制造成本。这种新的燃烧模式在燃烧效率、废气排放和循环变动三个方面都具有一定的优势。

为达到上述目的，本发明提供了一种废气稀释的当量比燃烧方法，所述方法包括以下步骤：换气过程中，排气门早关进气门晚开，利用负阀重叠角(NVO)实现废气的滞留，NVO的大小决定了不同的EGR率；在进气过程中实现主燃料的第一次喷射，在进气冲程末期形成了均质的稀薄混合气；在压缩过程中进行辅助燃料的第二次喷射，在火花塞周围形成了辅助燃料的浓混合气区；压缩过程结束，火花塞点火，缸内混合燃料进行燃烧。

其中，在所述压缩过程中进行辅助燃料第二次喷射后，缸内混合气整体处于化学计量比，过量空气系数为1。

其中，EGR率(EGR％)＝(进气中测量的CO2浓度-环境中测量的CO2浓度)/(排气管中测量的CO2浓度-环境中测量的CO2浓度)。

其中，所述稀薄混合气的空燃当量比λ>1。

其中，所述稀薄混合气区的空燃当量比λ的范围为1.3-2.1。

其中，所述浓混合气的空燃当量比λ<1。

其中，所述弄混合气区的空燃当量比的范围为0.6-0.8。

其中，所述第一次燃料喷射中喷入的主燃料量及第二次喷射的辅助燃料喷射量，及其两种燃料的喷射比例由EGR率决定，在保证发动机缸内燃烧平稳进行的同时，使发动机的燃油经济性达到最优。

其中辅助燃料具有燃烧速度快，点火能量低，扩散系数大，熄火间隙小的特点，如氢气等。主燃料采用汽油，利用辅助燃料自身的特点点燃混合气实现缸内的正常燃烧。

本发明还提供了一种双燃料缸内直喷分层当量比燃烧的系统，所述系统包括：主燃料喷射器，用于向缸内喷入主燃料；辅助燃料喷射器，用于向缸内喷入辅助燃料；电控单元，用于控制两种燃料的喷射时刻和喷射脉宽，实现进气冲程喷入主燃料，压缩冲程喷入辅助燃料的要求，通过对电控系统的优化实现分区均质；火花塞，用于实现缸内点火。

与现有技术相比，本技术方案具有如下优点：

1.利用废气稀释技术解决了传统直喷汽油机NOx排放较高的问题。

2.发动机缸内整体为当量比混合气，可以采用三效催化剂，避免了使用较为昂贵的稀燃催化剂。

3.采用了废气稀释和当量比燃烧结合的方式，既得到了稀燃降低排放的性能又减少了发动机制造成本。

4.采用缸内直喷双燃料发动机，可以通过辅助燃料的优势在较大的EGR率下点燃混合气，实现这种新型的燃烧模式。

附图说明

图1是控制流程图。

图2是结构示意图。

图3是配气相位的示意图。

图4是电控单元接受和发送信号的示意图。

图2中：发动机进气管1、空气滤清器2、主燃料罐3、管路压力表4、蓄电池5、辅助燃料罐6、管路压力表7、主燃料喷嘴8、火花塞9、辅助燃料喷嘴10、三效催化器11、排气管12、活塞13、发动机ECU14、VVT机构15。

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。

本发明实施例的一种采用废气稀释的双燃料发动机当量比燃烧的方法如图1所示，包括以下步骤：

步骤S101，ECU采集发动机的状态信号，进行查表计算得出此时合适的EGR率，通过调整可变气门正时机构(VVT)得到相应的负阀叠开角，进而得到ECU发出的EGR率。ECU还通过计算分别得出主燃料和辅助燃料的喷射时刻及喷射脉宽。

步骤S102，在进气冲程中进行主燃料喷射，使得缸内在压缩上止点前形成均质稀薄混合气，所述稀薄混合气的空燃当量比λ>1,范围为1.3-2.1。

步骤S103，在压缩冲程末期进行辅助燃料喷射，使得火花塞周围形成较浓的混合气，所述浓混合气区的空燃当量比λ<1,范围为0.6-0.8。辅助燃料喷射结束后，缸内混合气整体处于化学当量比的状态，即总体λ＝1。

步骤S104，火花塞点火，缸内混合气进行燃烧。

本发明实施例的一种采用废气稀释的双燃料发动机当量比燃烧系统的结构示意图如图2所示，它由1、空气滤清器2、主燃料罐3、管路压力表4、蓄电池5、辅助燃料罐6、管路压力表7、主燃料喷嘴8、火花塞9、辅助燃料喷嘴10、三效催化器11、排气管12、活塞13、发动机ECU14、VVT机构15组成。本发明实施例为了得到较大的EGR率采用了发动机内部EGR，主要靠VVT机构15改变发动机的配气相位，获得不同的负阀叠开角来调整EGR率。主燃料和辅助燃料皆为缸内直喷，且通过管路压力表4和7来监控燃料供给线路。本发明实施例使用适合λ＝1的三效催化剂大大减少了发动机的成本。

图3是配气相位图，本发明实例中采用内部EGR，在配气相位中属于负阀重叠状态，通过VVT机构调节负阀重叠角即图中的Ts，Ts越大EGR率越高，反之Ts越小EGR率越小。

本发明实施例的一种废气稀释的双燃料发动机当量比燃烧系统中电控单元接受和发送信号的示意图如图4所示，发动机ECU采集发动机实时传来的发动机状态，以此计算出合适的VVT机构位置，主燃料喷射时刻，主燃料喷射脉宽，辅助燃料喷射时刻，辅助燃料喷射脉宽及火花塞点火时刻，通过对这些控制参数的配合实现了发动机的正常运转。

Claims (7)

1.本发明实施例的一种废气稀释的双燃料发动机当量比燃烧系统，它由发动机进气管空气滤清器2、主燃料罐3、管路压力表4、蓄电池5、辅助燃料罐6、管路压力表7、主燃料喷嘴8、火花塞9、辅助燃料喷嘴10、三效催化器11、排气管12、活塞13、发动机ECU14、VVT机构15组成。本发明实施例为了得到较大的EGR率采用了发动机内部EGR，主要靠VVT机构15改变发动机的配气相位，获得不同的负阀叠开角来调整EGR率。主燃料和辅助燃料皆为缸内直喷，且通过管路压力表4和7来监控燃料供给线路。本发明实施例使用适合λ＝1的三效催化剂大大减少了发动机的成本。

2.根据权利要求1所述的一种废气稀释的双燃料发动机当量比燃烧系统，其特征在于，本发明实施例火花塞周围较浓区域λ范围为0.6-0.8，火花塞较远出较稀区域λ范围为1.3-2.1，缸内整体λ为1，适合λ＝1的三效催化器，大大减少了发动机的成本。

3.根据权利要求1所述的一种废气稀释的双燃料发动机当量比燃烧系统，其特征在于，为了得到较大的EGR率采用了发动机内部EGR，主要靠VVT机构来改变发动机的配气相位，获得不同的负阀叠开角来调整EGR率。

4.根据权利要求1所述的一种废气稀释的双燃料发动机当量比燃烧系统，其特征在于，主燃料和辅助燃料皆为缸内直喷，主燃料为汽油，辅助燃料的基本要求为点火能量低、燃烧速度快，壁面淬熄距离小辅助燃料不固定。

5.根据权利要求1所述的一种废气稀释的双燃料发动机当量比燃烧的方法，其特征在于，利用废气稀释对容积稀释、密度稀释和活性稀释的作用使得缸内燃烧状态类似于稀薄燃烧，提高经济性并减少排放。

6.根据权利要求1所述的一种废气稀释的双燃料发动机当量比燃烧的方法，其特征在于，混合气采用当量比混合气可以使用制造成本相对较低的三效催化剂，减小了改进发动机的成本。

7.根据权利要求1所述的一种废气稀释的双燃料发动机当量比燃烧的方法，其特征在于，使用了缸内喷射系统和进气道喷射系统结合的方式，使得缸内形成整体均质并有一定浓度梯度的混合气，保证缸内燃烧顺利进行，确保发动机在全工况下稳定工作。