CN105134373B - 基于燃烧反应路径可调控的发动机及其调控方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种燃烧反应路径可调控的发动机。主体部分将发动机汽缸分为工作缸及燃料重整缸。根据发动机运行工况特点，对重整缸喷油器喷入的燃油进行压缩加热重整，通过控制燃油与空气反应的边界条件，使重整缸排出不同氧化阶段的部分中间产物或完全氧化产物，令其在混合腔内与进气混合，再导入到工作缸中。发动机运行在不同工况条件下，通过控制重整缸相应的重整反应边界条件，可以排出不同氧化阶段不同活性的混合气，再结合工作缸喷油器直喷的燃料，可以实现缸内混合气活性与浓度分层，改变燃油燃烧反应反应路径，可以有效拓宽高效清洁燃烧范围。本发明只需要采用简单的氧化反应后处理器即可以满足欧VI排放法规的要求。

Description

基于燃烧反应路径可调控的发动机及其调控方法
技术领域
本发明涉及一种发动机燃烧反应路径可调的新的燃烧模式与装置，具体涉及一种利用一台发动机中若干个汽缸作为燃料重整缸，其余气缸作为工作缸，根据不同工况需求将重整缸内不同氧化阶段产生的不同活性的氧化产物导入到工作缸内的装置系统。
背景技术
内燃机发展至今依旧是热效率最高、单位体积和单位质量功率最大的原动机，应用非常广泛，但是随着世界能源的短缺以及环境资源的不断恶化，我们需要发动机满足更高的性能需求，即更加高效节能。内燃机传统的EGR技术(Exhaust Gas Recirculation)将一部分废气重新引入气缸，降低了氧浓度和燃烧温度，抑制了NOx的生成，现在已经成为改善排放的一个有效手段，也是内燃机新型燃烧方式燃烧控制的主要技术手段之一，如柴油机低温燃烧是通过采用大比例的EGR实现的。近年来，国际上内燃机新型燃烧技术发展迅速，如均质压燃(HCCI)、低温燃烧(LTC)和部分预混合燃烧(PPC)，这些燃烧方式的缺点是高效清洁燃烧运行工况范围较小。美国Wisconsin大学提出的基于活性控制的压燃燃烧技术(RCCI)，则是采用两种活性燃料如汽油、柴油双燃料方式，通过两种燃料比例的控制实现混合气活性控制，从而可以大大拓宽高效清洁运行工况范围，但该燃烧技术的缺点是需要采用两种燃料，安装两个油箱和两套燃油系统。美国西南院提出的D-EGR(Dedicated EGR)，即特定单缸EGR技术，是利用若干个气缸产生EGR，而后通过一个催化装置重整产生氢和CO，该技术着重点在于产生氢气H2，他们的研究结果表明该技术可以使发动机有效降低有害排放，提高热效率。
发明内容
针对上述现有技术，本发明提供一种基于燃烧反应路径可调控的发动机。本发明实现了发动机缸内燃料重整，也可以实现发动机气缸内混合气浓度分层和活性分层燃烧，且不需另加其他催化装置，从而使发动机更加高效节能的运行。
为了解决上述技术问题，本发明提出的一种基于燃烧反应路径可调控的发动机，包括一个油箱、一套供油系统、一套喷油系统和发动机空气进气系统，并具有多个工作缸和至少一个燃料重整缸，所述发动机空气进气系统包括涡轮机和增压器，与所述增压器连接的进气总管，所述进气总管上设有一个三通阀；所述进气总管自所述三通阀后分为两路，一路为工作缸进气管，另一路为重整缸进气管，所述进气总管与所述工作缸进气管之间连接有工作回路，所述工作缸进气管与所述重整缸进气管之间连接有燃料重整回路；所述工作回路是自增压器依次经过进气总管、三通阀、工作缸进气管、进气歧管、多个工作缸喷油器、多个工作缸至排气歧管，所述工作缸进气管与所述进气歧管之间设有混合腔；自所述排气歧管后分为两条支路，一条支路是经过EGR管返回至所述工作缸进气管，所述EGR管上设有EGR阀和EGR冷却器；另一条支路是经过涡轮机后自工作缸排气管至排气后处理装置；所述燃料重整回路是由重整缸进气管后依次经过重整缸喷油器、重整缸、重整缸气管、重整气中冷器至所述混合腔；其中，所述重整气中冷器设置在重整缸气管上、且介于所述重整缸与所述混合腔之间。
进一步讲，所述三通阀单向控制所述进气总管中的进气分别流向重整缸进气管和工作缸进气管。所述混合腔内、在与所述工作缸进气管和所述重整缸气管之间的接口处分别安装有进气单向阀。利用发动机的至少一个气缸作为重整缸，根据发动机运行工况需要，将重整缸内相应阶段的燃烧产物直接导入到工作缸内进行混合燃烧。
本发明一种发动机燃烧反应路径的调控方法，利用上述基于燃烧反应路径可调控的发动机，且只用一种燃料，该调控方法如下：
来自排气管的废气驱动涡轮机转动，涡轮机13驱动增压器压缩进气，实现进气增压；发动机电控单元ECU根据进气总管、重整缸进气管和工作缸进气管内压力大小的差异通过所述三通阀控制来自进气总管的空气的分配与流向，用以防止废气回流到进气总管中；所述工作缸进气管将通过三通阀的空气或者是EGR废气与空气的混合气导入到所述混合腔中；
所述混合腔混合来自于工作缸进气管的空气和来自所述重整缸并经重整缸气管的重整气或者混合EGR废气与空气的混合气和来自所述重整缸并经重整缸气管的重整气；
所述工作缸喷油器控制工作缸内燃油的喷入时刻与喷油量；所述EGR阀控制导入混合腔的EGR废气量；
发动机电控单元ECU根据发动机运行工况特点，对重整缸喷油器喷入的燃油进行压缩加热重整，通过控制燃油与空气反应的边界条件，该边界条件至少包括燃料的当量比、混合气成份、初始进气温度和进气压力、进气门关闭时刻和排气门开启时刻，从而使重整缸排出不同氧化阶段的部分中间产物或完全氧化产物，使从重整缸排出的重整气经重整缸气管在混合腔内与空气或者是与EGR废气和空气的混合气混合，之后再导入到工作缸中，与工作缸喷入的引燃燃油混合燃烧，通过调整燃油燃烧氧化反应的反应路径，调整工作缸内混合气的浓度分层与活性分层情况，实现对混合气活性的调整，从而获得不同活性的重整混合气。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明基于燃烧反应路径可调控的发动机，可以根据发动机运行工况特点，对重整缸喷油器喷入的燃油进行压缩加热重整，通过控制燃油与空气反应的边界条件，重整缸排出不同氧化阶段的部分中间产物或完全氧化产物，使其与空气(或者EGR与空气的混合气) 混合，再导入到工作缸中。重整混合气在缸外以及压缩过程与进入工作缸的空气和EGR混合气充分混合，重整缸排出的不同氧化阶段的混合气活性不同，结合工作缸喷油器直喷的燃料，从而可以实现缸内混合气活性与浓度分层协同控制的高效清洁燃烧。
本发明将燃料经重整缸重整，重整后的燃油中间产物混合气经冷却、混合进入工作缸，与工作缸喷入的引燃燃油混合燃烧，实现了燃油燃烧氧化反应反应路径可调控制，从而实现高效清洁燃烧的目标。
发动机运行在不同转速、负荷等工况条件下，通过控制重整缸相应的重整反应边界条件，改变燃油燃烧反应反应路径，获得不同活性的重整混合气，可以有效拓宽高效清洁燃烧范围。本发明只需要采用简单的氧化反应后处理器即可以满足欧VI排放法规的要求。
附图说明
图1是本发明基于燃烧反应路径可调控的发动机结构示意简图。
图中：
1-重整缸进气管 2-工作缸进气管 3-混合腔
4-工作缸喷油器 5-工作缸进气歧管 6-发动机
7-工作缸 8-重整缸 9-进气总管
10-EGR管 11-EGR阀 12-压气机
13-涡轮机 14-排气歧管 15-排气管
16-排气后处理装置 17-重整气中冷器 18-重整缸气管
19-重整缸喷油器 20-三通阀 21-EGR冷却器
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，所描述的具体实施例仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。
如图1所示，本发明一种基于燃烧反应路径可调控的发动机，包括一个油箱、一套供油系统、一套喷油系统和发动机空气进气系统，并具有多个工作缸7和至少一个燃料重整缸8。
所述发动机空气进气系统包括涡轮机13和增压器12，与所述增压器12连接的进气总管9，所述进气总管9上设有一个三通阀20；所述进气总管9自所述三通阀20后分为两路，一路为工作缸进气管2，另一路为重整缸进气管1。
所述进气总管9与所述工作缸进气管2之间连接有工作回路，所述工作缸进气管2与所述重整缸进气管1之间连接有燃料重整回路，所述三通阀20单向控制(即所述三通阀20只允许)所述进气总管9中的进气分别流向重整缸进气管1和工作缸进气管2。
所述工作回路由涡轮机13和增压器12、三通阀20、工作缸进气管2、混合腔3、进气歧管5、多个工作缸7、多个工作缸喷油器4、排气歧管14、EGR(废气再循环)阀11、EGR 冷却器21、排气管15和排气后处理装置16(氧化反应器)等组成。所述工作回路的走向是自增压器12依次经过进气总管9、三通阀20、工作缸进气管2、进气歧管5、多个工作缸喷油器4、多个工作缸7至排气歧管14，所述工作缸进气管2与所述进气歧管5之间设有混合腔3，所述工作缸喷油器4控制着喷入工作缸内燃油的时刻与量。自所述排气歧管14 后分为两条支路，一条支路是经过EGR管10返回至所述工作缸进气管2，所述EGR管10上设有EGR阀11和EGR冷却器21；所述EGR阀11控制着导入混合腔3的废气量；另一条支路是经过涡轮机13后自工作缸排气管15至排气后处理装置16(如：氧化反应器)。
所述燃料重整回路由重整缸进气管1、重整缸喷油器19、至少一个重整缸8、重整缸气管18、重整气中冷器17和与工作回路共用的混合腔3组成。所述燃料重整回路的走向是由重整缸进气管1后依次经过重整缸喷油器19、重整缸8、重整缸气管18、重整气中冷器17 至所述混合腔3；所述重整缸8将不同燃烧阶段的燃烧产物导入到与之连接的重整缸气管 18中，其中，所述重整气中冷器17设置在重整缸气管18上、且介于所述重整缸8与所述混合腔3之间。
所述混合腔3混合来自工作缸进气管2的空气(或者EGR与空气的混合气)和来自重整缸8经重整缸气管18的重整气，同时要在混合腔3内、与工作缸进气管2和重整缸气管 18接口处分别安装进气单向阀，防止混合腔内气体回流，确保混合气只进入进气歧管。
本发明中是利用发动机的至少一个气缸作为重整缸8，根据发动机运行工况需要，将重整缸8内相应阶段的燃烧产物直接导入到工作缸7内进行混合燃烧。
利用上述基于燃烧反应路径可调控的发动机实现发动机燃烧反应路径的调控方法，特别强调的是，本发明中只用一种燃料，其调控方法如下：
来自排气管14的废气驱动涡轮机13转动，涡轮机13驱动增压器12压缩进气，实现进气增压；发动机电控单元ECU根据进气总管9、重整缸进气管1和工作缸进气管2内压力大小的差异通过所述三通阀20控制来自进气总管9的空气的分配与流向，用以防止废气回流到进气总管9中；所述工作缸进气管2将通过三通阀20的空气或者是EGR废气与空气的混合气导入到所述混合腔3中；
所述混合腔3混合来自于工作缸进气管2的空气和来自所述重整缸8并经重整缸气管 18的重整气或者混合EGR废气与空气的混合气和来自所述重整缸8并经重整缸气管18的重整气；
所述工作缸喷油器4控制工作缸7内燃油的喷入时刻与喷油量；所述EGR阀11控制导入混合腔3的EGR废气量；
发动机电控单元ECU根据发动机运行工况特点，对重整缸喷油器19喷入的燃油进行压缩加热重整，通过控制燃油与空气反应的边界条件，该边界条件至少包括燃料的当量比、混合气成分 、初始进气温度和进气压力、进气门关闭时刻和排气门开启时刻，从而使重整缸8排出不同氧化阶段的部分中间产物或完全氧化产物，使从重整缸8排出的重整气经重整缸气管18在混合腔3内与空气或者是与EGR废气和空气的混合气混合，之后再导入到工作缸7中，与工作缸7喷入的引燃燃油混合燃烧，通过调整燃油燃烧氧化反应的反应路径，调整工作缸7内混合气的浓度分层与活性分层情况，实现对混合气活性的调整，从而获得不同活性的重整混合气。
利用上述基于燃烧反应路径可调控的发动机在下述几种工况下工作时的表现：
在低速小负荷工况条件下，控制重整缸内的燃料转化为低温燃烧反应生成的高活性自由基物质，并导入工作缸中。因为高活性自由基物质点火滞燃期短，更容易点火，与工作缸缸内直喷燃料相互作用，促进点火，保证了在低速小负荷条件下燃烧的稳定性，从而扩展了小负荷运行区域。
在中高负荷工况，控制重整缸燃料氧化边界条件，将重整缸内的燃料转化为氧化中间产物，如过氧化物、CH2O、CO，H2等中间产物，中间产物混合气导入到工作缸中。因为中间产物经冷却后活性降低，着火滞燃期长，通过与工作缸直喷高活性燃料混合实现混合气活性与浓度耦合控制的高效清洁燃烧。
在大负荷和满负荷工况区域，重整缸可以通过调整进气门开启时刻和边界条件控制，切换成与工作缸相同的普通工作模式，以保证满负荷功率需求。
制定对于上述不同工况条件下的控制策略是本技术领域内技术人员采用常规的技术手段就能实现的，例如，结合电控方面的相关设计开发相应的电控单元ECU是本技术领域中成熟的技术，在此不再赘述。
综上，而本发明提出的是利用一台发动机若干个(至少一个)气缸作为重整缸产生不同阶段的氧化产物，不外加催化重整制氢装置。本发明与其他相应燃料重整技术方案最大的不同点在于将根据不同工况需求，通过对重整氧化反应边界条件控制，获得不同重整氧化阶段的中间产物或完全燃烧产物，如产生过氧化物、醛、酮、CO、H2等中间产物以及CO2和水等完全燃烧产物。燃料经重整后中间产物活性降低，不同氧化阶段的中间产物经缸外冷却后重新混合进入工作缸形成的混合气化学活性不同，并与工作缸喷入的引燃燃料再进行燃烧反应，从而实现采用单一燃料实现基于活性与浓度分层控制的高效清洁燃烧模式，并且由于重整缸重整反应边界条件可控制，重整氧化中间产物组成可控制，从而实现了燃烧反应路径可调控制。
尽管上述结合示意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，以上表述仅为示意性，并非限制性。本领域的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，还可以进行多种变形(例如发动机燃用包括该专利未提及的非柴油类燃料，像甲醇、乙醇、生物柴油、呋喃甚至汽油等其他燃料进行活性重整)，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (1)

1.一种发动机燃烧反应路径的调控方法，所用的发动机的结构是，该发动机包括一个油箱、一套供油系统、一套喷油系统和发动机空气进气系统，并具有多个工作缸(7)，该发动机还包括有至少一个燃料重整缸(8)，所述发动机空气进气系统包括涡轮机(13)和增压器(12)，与所述增压器(12)连接的进气总管(9)，所述进气总管(9)上设有一个三通阀(20)；
所述进气总管(9)自所述三通阀(20)后分为两路，一路为工作缸进气管(2)，另一路为重整缸进气管(1)，所述进气总管(9)与所述工作缸进气管(2)之间连接有工作回路，所述工作缸进气管(2)与所述重整缸进气管(1)之间连接有燃料重整回路；
所述工作回路是自增压器(12)依次经过进气总管(9)、三通阀(20)、工作缸进气管(2)、进气歧管(5)、多个工作缸喷油器(4)、多个工作缸(7)至排气歧管(14)，所述工作缸进气管(2)与所述进气歧管(5)之间设有混合腔(3)；自所述排气歧管(14)后分为两条支路，一条支路是经过EGR管(10)返回至所述工作缸进气管(2)，所述EGR管(10)上设有EGR阀(11)和EGR冷却器(21)；另一条支路是经过涡轮机(13)后自工作缸排气管(15)至排气后处理装置(16)；
所述燃料重整回路是由重整缸进气管(1)后依次经过重整缸喷油器(19)、重整缸(8)、重整缸气管(18)、重整气中冷器(17)至所述混合腔(3)；其中，所述重整气中冷器(17)设置在重整缸气管(18)上、且介于所述重整缸(8)与所述混合腔(3)之间；
其特征在于，该发动机只用一种燃料，该调控方法如下：
来自排气管(14)的废气驱动涡轮机(13)转动，涡轮机(13)驱动增压器(12)压缩进气，实现进气增压；发动机电控单元ECU根据进气总管(9)、重整缸进气管(1)和工作缸进气管(2)内压力大小的差异通过所述三通阀(20)控制来自进气总管(9)的空气的分配与流向，用以防止废气回流到进气总管(9)中；所述工作缸进气管(2)将通过三通阀(20)的空气或者是EGR废气与空气的混合气导入到所述混合腔(3)中；
所述混合腔(3)混合来自于工作缸进气管(2)的空气和来自所述重整缸(8)并经重整缸气管(18)的重整气或者混合EGR废气与空气的混合气和来自所述重整缸(8)并经重整缸气管(18)的重整气；
所述工作缸喷油器(4)控制工作缸(7)内燃油的喷入时刻与喷油量；所述EGR阀(11)控制导入混合腔(3)的EGR废气量；
发动机电控单元ECU根据发动机运行工况特点，对重整缸喷油器(19)喷入的燃油进行压缩加热重整，通过控制燃油与空气反应的边界条件，该边界条件至少包括燃料的当量比、混合气成分 、初始进气温度和进气压力、进气门关闭时刻和排气门开启时刻，从而使重整缸(8)排出不同氧化阶段的部分中间产物或完全氧化产物，使从重整缸(8)排出的重整气经重整缸气管(18)在混合腔(3)内与空气或者是与EGR废气和空气的混合气混合，之后再导入到工作缸(7)中，与工作缸(7)喷入的引燃燃油混合燃烧，通过调整燃油燃烧氧化反应的反应路径，调整工作缸(7)内混合气的浓度分层与活性分层情况，实现对混合气活性的调整，从而获得不同活性的重整混合气。
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