CN104989539A - Egr条件下缸内直喷双气体燃料的内燃机及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种缸内直喷双气体燃料发动机。本发明设计出一种EGR条件下缸内直喷双燃料的内燃机及控制方法，旨在提高气体燃料发动机的热效率、降低其NO_X排放以及解决缸内直喷发动机分层稀燃不稳定的问题。该系统通过将两种燃料均直接喷射到缸内，实现了内燃机负荷的质调节，较点燃式气体发动机热效率得到了大幅度的提高；该系统的控制方法通过模式转换，可以使发动机在任意工况都在最佳的状态下运行，并可以在启动工况、怠速、中小负荷工况等都实现稀薄燃烧，大大的提高了经济性；另外，针对该发动机NO_X排放高的缺点，采用EGR技术以及稀燃催化转换器降低尾气的排放。

Description

EGR条件下缸内直喷双气体燃料的内燃机及控制方法

技术领域

本发明涉及车用内燃机技术领域，特别是涉及一种EGR条件下缸内直喷双气体燃料的内燃机及控制方法。

背景技术

当今世界环境问题和能源危机愈演愈烈，本世纪人类必须面对的不仅是能源危机，环境污染也不容忽视，而能源开发和利用的产物是环境污染的重要来源，所以各国对于汽车排放法规的制定越来越严格，而本着节能的原则，也对汽车经济性提出了更高的要求。为了应对能源危机与环境问题的挑战，人们需要一种新的方法使得汽车达到节能减排的目的，各大汽车厂家因此而绞尽脑汁，寻找新的技术。

传统的点燃式内燃机燃料一般在进气歧管喷射，这对于液体燃料或是气体燃料或多或少会有一定的弊端，液体燃料会有一部分在进气道形成油膜，而气体燃料会占用一定的混合气体积，造成充量系数下降。基于此，缸内直喷技术应运而生。顾名思义，缸内直喷技术就是将燃料直接喷入气缸，能够精确地控制空燃比，其响应性相比进气道喷射有了较大的提升，而且缸内直喷发动机能够采用分层稀燃技术，使发动机的热效率得到有效地提升，并能改善发动机的排放。而稀燃技术的不足之处在于燃烧稳定性不好，选择一种扩散速度快、火焰传播速度快的气体燃料就能很好的解决这一问题。

EGR技术是将发动机的一部分排气通过某种途径重新引入气缸并参与燃烧过程的技术，主要目的是利用废气比热容高、稀释新鲜空气、减缓燃烧速率的作用降低发动机的NO_X排放。EGR技术一般应用在柴油机上，但是随着缸内直喷发动机的出现，其在部分负荷时采用稀燃，使得缸内氧浓度较大，再加上与增压技术的配合使用使得缸内燃烧温度也很高，导致NO_X排放增加，所以现在EGR技术也逐渐应用在缸内直喷点燃式发动机上。另一方面，EGR的引入也有利于抑制点燃式发动机的爆震。

发明内容

本发明涉及一种缸内直喷双气体燃料发动机。本发明设计出一种EGR条件下缸内直喷双燃料的内燃机及控制方法，旨在提高气体燃料发动机的热效率、降低其NO_X排放以及解决缸内直喷发动机分层稀燃不稳定的问题。该系统通过将两种燃料均直接喷射喷射到缸内，实现了内燃机负荷的质调节，较点燃式气体发动机热效率得到了大幅度的提高；该系统的控制方法通过模式转换，可以使发动机在任意工况都在最佳的状态下运行，并可以在启动工况、怠速、中小负荷工况等都实现稀薄燃烧，大大的提高了经济性；另外，针对该发动机NO_X排放高的缺点，采用EGR技术以及稀燃催化转换器降低尾气的排放。

为达到上述目的，本发明通过以下技术方案予以实现，并附图说明：

一种ERG条件下缸内直喷双气体燃料的内燃机，该系统由点燃式发动机25改装而成，并取消了节气门，其结构是由点燃式发动机25、空气滤清器4、废气涡轮增压器5、中冷器6、EGR阀3、氧传感器2、稀燃催化转换器1等组成；它的燃料供给系统包括主气体燃料供给系统和辅助燃料供给系统，主气体燃料供给系统由主气体燃料存储罐13、调压阀11、电磁阀9以及主气体燃料输送管路8组成，辅助气体燃料供给系统由辅助气体燃料存储罐14、调压阀12、电磁阀10以及辅助气体燃料输送管路7组成，主气体燃料与辅助气体燃料分别通过主气体燃料喷射器23、辅助气体燃料喷射器19直接喷入气缸；当同时燃烧主气体燃料和辅助气体燃料时，基于辅助气体燃料扩散速度快、火焰传播速度快等特点，混合气混合良好，燃烧速度快，缸内温度较高，再加上该系统取消了节气门，负荷调节方式为质调节，泵气损失较少而进气量较多，所以NO_X排放较高，需增加EGR系统以限制NO_X的排放，并使用稀燃催化转换器对尾气进行处理。ECU通过接收发动机转速、负荷以及各传感器等信号从而实现对主气体燃料喷射器23、辅助气体燃料喷射器19、火花塞20、EGR阀3的控制。

所述的双气体燃料，它们拥有各自的燃料供给系统，其中，主气体燃料为高辛烷值燃料，而辅助气体燃料相比于主气体燃料，其火焰传播速度快、点火能量低、淬熄距离短，所以能够促进燃料在低负荷充分燃烧，改善经济性，降低循环变动；并且辅助气体燃料着火界限宽广，能够拓展内燃机的稀燃范围，有利于提高其热效率；但是辅助气体燃料的净能量密度较主气体燃料低。

所述的EGR系统，其特征之处在于，通过在进气道内添加了一根导气管24，该导气管靠近进气道外侧，保持与气道外形流线平行，并使导气管末端深入到气门头部附近，以尽可能地阻止空气与废气的过早掺混，这样可以实现废气与进气在缸内的分层，将废气控制于气缸壁面附近，可燃混合气分布于中间区域，保证在点火时刻火花塞附近不受废气的影响，从而最大限度地发挥废气的作用，在降低NO_X排放的同时，也减小了发动机的传热损失。

所述的的双气体燃料喷射系统，包括主气体燃料喷射器23与辅助气体燃料喷射器19，这两个喷射器均布置在缸内，并且辅助气体燃料喷射器19布置在气缸的中心位置，主气体燃料喷射器23布置在燃烧室边缘，火花塞20靠近辅助气体燃料喷射器19的喷嘴，辅助气体燃料一般在压缩冲程喷入气缸，燃料会直接喷向火花塞，此种喷射方式，会在火花塞附近形成较浓的混合气，并且会形成一定的浓度梯度，有助于混合气的分层燃烧，而由于喷射的是气体燃料，能够避免辅助燃料喷射器19与火花塞20形成积碳。

发动机并不总在某一种工况下运行，其工作过程是复杂多变的，其运行工况大致可以分为冷启动工况，怠速及小负荷工况，高速、大负荷工况。而其控制方法的选择，往往需要考虑发动机在该工况下动力性、经济型、排放性等性能的侧重点。

一种ERG条件下缸内直喷双气体燃料的内燃机的控制方法，在发动机运转过程中，采用燃料与工况协同控制策略，在冷启动工况仅采用辅助气体燃料，在怠速及小负荷工况采用主气体燃料与辅助气体燃料的混合燃料，在高速、大负荷工况仅采用主气体燃料。

在冷启动阶段，发动机对动力性的要求较低，不需要对外输出功，燃烧所做的功仅需满足发动机自身的运转即可，冷启动阶段发动机对性能的要求是尽量减少发动机在此阶段的排放。由于辅助气体燃料扩散速度快、火焰传播速度快等特点，燃料能完全燃烧，相比于传统点燃式内燃机的排放，其HC及CO排放明显降低，并且在冷启动阶段缸内温度较低，采用纯辅助气体燃料不会造成NO_X的升高，所以在冷启动阶段采用辅助气体燃料燃烧能有效改善发动机的排放；在怠速及小负荷工况，发动机对性能的要求在经济性和排放性方面，此阶段要求发动机有较低的燃油消耗率以及较低的排放，虽然此阶段对发动机动力性的要求并不苛刻，但是由于辅助气体燃料的净体积能量密度较低，无法满足动力性要求，所以采用主气体燃料与辅助气体燃料混合，既能满足一定的驱动功率，又能改善发动机在怠速及小负荷工况下的燃烧及排放特性；在高速、大负荷工况下，发动机对性能的要求在于它的动力性，需要能够输出较大的功率，所以选择纯高辛烷值燃料，即采用主气体燃料燃烧。

如上所述，当同时燃烧主气体燃料和辅助气体燃料时，基于辅助气体燃料扩散速度快、火焰传播速度快等特点，混合气混合良好，火焰传播速度快，缸内温度较高，再加上该系统取消了节气门，减小了泵气损失的同时增加了进气量，导致NO_X排放较高，增加EGR系统可以限制NO_X的排放，所以在制定发动机控制策略的时候，需要对EGR率、混合气形成方式以及空燃比进行协同调节。

一种ERG条件下缸内直喷双燃料的内燃机的控制方法，由EGR率、混合气形成方式以及空燃比进行协同调节，在冷启动工况不采用EGR；在怠速及小负荷工况采用小的EGR率，并采用大的空燃比，主气体燃料和辅助气体燃料都采用分层稀燃；在中等负荷工况采用大的EGR率，并采用较小的空燃比，但总体来说混合气最终还是略稀，主气体燃料采用均匀稀燃，辅助气体燃料采用分层稀燃；在大负荷工况不采用EGR，混合气为功率混合气，采用主气体燃料并且为均匀燃烧。

在冷启动工况下，为保证燃料的正常燃烧，不采用EGR；同时仅采用辅助气体燃料燃烧，为保证发动机的经济性及减小排放，辅助气体燃料在压缩冲程后期喷入气缸，火花塞附近会形成较浓的混合气，并且会形成一定的浓度梯度，缸内混合气的燃烧状态为分层稀燃。

在怠速及小负荷工况下，发动机对动力性的要求并不是十分苛刻，此时采用较小的EGR率，目的在于对缸内混合气进行一定的加热，从而使混合气能够快速燃烧；为保证发动机的经济性，采用较大的空燃比，且主气体燃料和辅助气体燃料均在压缩冲程后期喷射，但是辅助气体燃料的喷射时刻晚于主气体燃料喷射时刻，主气体燃料与燃烧室的壁面相互作用形成了可燃混合气，并在缸内涡流、滚流及活塞顶部表面的特殊形状的共同作用下被引导到火花塞，在火花塞附近形成了一定的浓度梯度；而辅助气体燃料则在临近上止点时喷入燃烧室，由于辅助气体燃料直接喷向火花塞，在火花塞附近会形成较浓的混合气，又基于辅助气体燃料点火能量低、火焰传播速度快等特点，缸内混合气会出现良好的燃烧状态。

在中等负荷工况下，发动机对动力性的要求相比于怠速及小负荷工况有所提高，即在保证发动机良好经济性的同时，对动力性也有一定的要求。相比于小负荷工况，同样采用主气体燃料和辅助气体燃料混合，但是为保证动力性要求，辅助气体燃料的掺混比例会减少，并且主气体燃料不再是上述的分层稀燃，而采用均匀稀燃的方式，即主气体燃料在进气冲程中喷入缸内，在气缸内与空气均匀混合，而辅助气体燃料依旧在临近上止点时喷入气缸，形成分层混合气；为保证功率的输出，相比于小负荷工况空燃比会有所降低，但缸内总体空燃比仍大于1，由于主气体燃料与空气混合较均匀，缸内混合气燃烧速度加快，缸内温度增加，又由于缸内整体空燃比大于1，氧浓度较高，所以NO_X排放也会增加，此时就需采用较大的EGR率以限制NO_X的排放。

在大负荷工况，为保证发动机的动力输出，此时采用主气体燃料燃烧，并且不使用EGR，通过燃烧功率混合气保证发动机对动力性的要求。

附图说明

图1为缸内直喷双气体燃料发动机的系统结构图。

图2为缸内直喷双气体燃料发动机纵剖图。

图3为缸内直喷双气体燃料发动机EGR系统机构简图。

图4为缸内直喷双气体燃料发动机控制策略图。

图中：1—稀燃催化转换器 2—氧传感器 3—EGR阀 4—空气滤清器 5—废气涡轮增压器 6—中冷器 7—辅助气体燃料输送管路 8—主气体燃料输送管路 9、10—电磁阀11、12—调压阀 13—主气体燃料存储罐 14—辅助气体燃料存储罐 15—活塞 16—活塞环 17—进气道 18—进气门 19—辅助气体燃料喷油器 20—火花塞 21—排气门 22—排气管 23—主气体燃料喷射器 24—导气管 25—发动机

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为缸内直喷双气体燃料发动机的系统结构图。该系统由发动机25、稀燃催化转换器1、氧传感器2、EGR阀3、空气滤清器4、飞机涡轮增压器5、中冷器6、辅助气体燃料输送管路7、主气体燃料输送管路8、电磁阀9和10、调压阀11和12、主气体燃料存储罐13、福主气体燃料存储罐14组成。空气经过空气滤清器5进入进气系统，在废气涡轮增压器5的作用下进行增压，由于增压之后空气温度升高，所以加压后的空气进入中冷器6中冷却，以提高充量系数；基于该发动机的特点，缸内温度较普通点燃式发动机高，而又因为该发动机大部分工况下都处于稀燃状态，故采用EGR系统降低该发动机NO_X排放，并采用稀燃催化转换器1对发动机的尾气进行处理，而EGR阀3根据不同的工况调节EGR率。该系统还包括两套燃料供给系统，主气体燃料存储罐13的主气体燃料根据发动机的要求通过调压阀11调节其喷射压力，并通过电磁阀9调节主气体燃料的喷射脉宽；辅助气体燃料的燃料供给系统的工作原理与主气体燃料类似，辅助气体燃料存储罐14的辅助气体燃料根据发动机的要求通过调压阀12调节其喷射压力，并通过电磁阀10调节辅助气体燃料的喷射脉宽。

图2为缸内直喷双气体燃料发动机纵剖图。与普通点燃式发动机不同的是，本发明中所使用的发动机燃料喷射器均布置在缸内。其中，辅助气体燃料喷射器19布置在气缸的中心位置，主气体燃料喷射器23布置在燃烧室边缘，火花塞20靠近辅助气体燃料喷射器19的喷嘴，辅助气体燃料通过喷束引导的方式形成混合气，即辅助气体燃料在压缩冲程喷入气缸，燃料会直接喷向火花塞19，在火花塞19附近形成较浓的混合气，并且会形成一定的浓度梯度，有助于混合气的分层燃烧，再加上喷射的是气体燃料，能够避免辅助燃料喷射器19与火花塞20形成积碳；而主气体燃料通过壁面引导的方式形成混合气，由于活塞顶部表面的特殊形状，主气体燃料与燃烧室壁面的相互作用形成可燃混合气，并在缸内涡流、滚流的作用下被引导到火花塞。

图3为缸内直喷双气体燃料发动机EGR系统机构简图。通过在进气道内添加了一根导管24，该导管靠近进气道17外侧，保持与气道外形流线平行，并使导管末端深入到进气门附近，以尽可能地阻止空气与废气的过早掺混，这样可以实现废气与进气在缸内的分层，将废气控制于气缸壁面附近，可燃混合气分布于中间区域，保证在点火时刻火花塞附近不受废气的影响，在降低NO_X排放的同时，也减小了发动机的传热损失。

图4为缸内直喷双气体燃料发动机控制策略图。ECU通过接收发动机的各温度压力传感器信号、转速信号、负荷信号、氧传感器信号、爆震传感器信号等，控制主气体燃料的电磁阀、辅助气体燃料的电磁阀以及EGR阀，通过调节主气体燃料的电磁阀、辅助气体燃料的电磁阀的开启时刻，可以调节混合气的形成方式，而调节电磁阀开启时间可以控制其喷射脉宽，由于该发动机为负荷的质调节，所以以此来调节发动机的空燃比，使发动机在各工况下都能在最优的空燃比下运行；通过调节EGR阀的开度改变EGR率，在对应工况下使发动机工作最佳。

Claims (7)

1.一种EGR条件下缸内直喷双气体燃料的内燃机，其特征在于，它是由点燃式发动机改装而成，其具体结构是由点燃式发动机(25)、空气滤清器(4)、废气涡轮增压器(5)、中冷器(6)、EGR阀(3)、氧传感器(2)、稀燃催化转换器(1)组成；它的燃料供给系统由主气体燃料供给系统和辅助燃料供给系统组成，主气体燃料供给系统由主气体燃料存储罐(13)、调压阀(11)、电磁阀(9)以及主气体燃料输送管路(8)组成，辅助气体燃料供给系统由辅助气体燃料存储罐(14)、调压阀(12)、电磁阀(10)以及辅助气体燃料输送管路(7)组成，主气体燃料与辅助气体燃料分别通过主气体燃料喷射器(23)、辅助气体燃料喷射器(19)直接喷入气缸；ECU通过接收发动机转速、负荷等信号从而实现对主气体燃料喷射器(23)、辅助气体燃料喷射器(19)、火花塞(20)、EGR阀(3)的控制。

2.根据权利要求1所述的一种EGR条件下缸内直喷双气体燃料的内燃机，其特征在于，该系统取消了节气门，主气体燃料与辅助气体燃料均直接喷入缸内，实现了内燃机负荷的质调节，从而其热效率相比点燃式发动机有了显著提高。

3.根据权利要求1所述的一种EGR条件下缸内直喷双气体燃料的内燃机，其特征在于，辅助气体燃料相比于主气体燃料(高辛烷值燃料)，其火焰传播速度快、点火能量低、淬熄距离短，并且辅助气体燃料的着火界限宽，但是其体积能量密度低于主气体燃料。

4.根据权利要求1所述的一种EGR条件下缸内直喷双气体燃料的内燃机，其特征在于，在进气道内添加一根导气管(24)，该导气管靠近进气道外侧，并保持与气道外形流线平行，使得废气通过导气管进入气缸，从而实现废气与进气在缸内的分层，通过气流运动将废气控制于气缸壁面附近，可燃混合气分布于中间区域，保证在点火时刻火花塞附近不受废气浓度的影响。

5.根据权利要求1所述的一种EGR条件下缸内直喷双气体燃料的内燃机，其特征在于，辅助气体燃料喷射器(19)布置在气缸的中心位置，火花塞(20)靠近辅助气体燃料喷射器喷嘴，主气体燃料喷射器(23)布置在燃烧室边缘。

6.根据权利要求1所述的一种EGR条件下缸内直喷双气体燃料的内燃机的控制方法，其特征在于，在发动机运转过程中，采用燃料配合工况的协同控制策略，在冷启动工况仅采用辅助气体燃料，在怠速及小负荷工况采用主气体燃料与辅助气体燃料的混合燃料，在高速、大负荷工况仅采用主气体燃料。

7.根据权利要求1所述的一种EGR条件下缸内直喷双气体燃料的内燃机的控制方法，其特征在于，由EGR率、混合气形成方式以及空燃比进行协同调节，在冷启动工况不采用EGR；在怠速及小负荷工况采用小的EGR率，并采用大的空燃比，主气体燃料采用分层稀燃，辅助气体燃料采用分层稀燃；在中等负荷工况采用大的EGR率，并采用较小的空燃比，但总体来说混合气最终还是稀燃，主气体燃料采用均匀稀燃，辅助气体燃料采用分层稀燃；在大负荷工况不采用EGR，混合气为功率混合气，仅采用主气体燃料并且为均匀燃烧。