CN105715367A - 基于可变气道的双燃料点燃式内燃机及控制方法 - Google Patents

基于可变气道的双燃料点燃式内燃机及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明设计出一种基于可变气道的双燃料点燃式内燃机及控制方法，其目的在于解决传统进气结构的内燃机，特别是采用四气门结构的内燃机，其进气流量和气流方向在气道中无法进行有效调节的问题，同时解决稀薄燃烧时产生的燃烧不稳定、点火困难和失火等问题，开发出一种基于可变气道的双燃料点燃式内燃机及控制方法。本发明提供一种可变进气系统，通过控制涡流控制阀的开闭，配合特殊形状的活塞顶面，获得不同工况下的最佳气流运动；本发明是基于两种燃料分别进行缸内直喷和进气道喷射组合式的内燃机技术，通过控制喷射时刻和喷射脉宽，并结合气流运动实现缸内混合气的不同燃烧模式，进而提高内燃机在不同工况下的工作效率，降低油耗和排放。

Description

基于可变气道的双燃料点燃式内燃机及控制方法
技术领域
本发明涉及内燃机技术领域，特别是涉及可变气道在双燃料点燃式内燃机中的应用。
背景技术
近年来，随着汽车保有量的逐年增加，汽车产业在不断的发展，对石油的需求量不断增加，然而由此引发的环境问题和能源问题也愈发严重。所以各国对于汽车排放法规的制定越来越严格，对汽车的经济性提出了更高的要求。
在内燃机中，进排气系统的优劣是决定混合气形成、燃烧过程好坏与充量更换的关键之一。进入气缸中的空气量和进气的流动状态是对内燃机的动力性、经济性以及排放性能产生重要影响的主要因素，进气道作为内燃机进气系统的重要组成部分，其结构直接影响进入气缸的空气量、气体的速度分布及其流动方式等，这些因素都直接关系到内燃机的燃烧过程，从而影响内燃机的经济性、动力性和排放性。对于采用传统进气结构的内燃机，特别是采用四气门结构的内燃机，其进气流量和气流方向在气道中无法进行有效的调节，导致燃烧室内气流扰动不够充分，进而造成燃烧室内的燃料不能充分燃烧，排放恶劣等一系列问题。
车用内燃机在实际运行中通常处于中、低转速部分负荷，因此现代内燃机技术的一个主要目标就是提高部分负荷的性能，希望在满足高功率的同时，保证中低速、中小负荷的动力性和经济性，避免出现扭矩低谷。
为了提高内燃机在中小负荷下的经济性，由于受燃料燃烧特性的限制，火花点火式内燃机的压缩比受到爆震的限制，进而限制了理论效率的提高。实现高压缩比又不爆震的有效方法之一是采用稀薄燃烧技术，采用稀薄燃烧可以进一步提高点燃式内燃机的效率，但此时会出现点火困难、循环变动大和失火等问题。
要解决上述问题，如果给内燃机增加一个可变进气系统，针对不同工况对进气形式的不同需求，实现高负荷时多进气，低的进气涡流强度，低负荷时少进气，高的进气涡流强度，就可兼顾高低负荷的不同工况；同时为了提高中小负荷下的燃油经济性，采用稀薄燃烧技术，但需解决稀薄燃烧出现的点火困难、失火等问题，采用双燃料的复合喷射，利用一种具有点火能量低、火焰传播速度快、着火界限宽等优点的燃料引燃另一种燃料，即可解决稀薄燃烧出现的点火困难、失火等问题。因此，稀薄燃烧、可变进气系统再结合双燃料的复合喷射是提高内燃机效率和降低排放的有效方式之一。
发明内容
本发明设计出一种基于可变气道的双燃料点燃式内燃机及控制方法，其目的在于解决传统进气结构的内燃机，特别是采用四气门结构的内燃机，其进气流量和气流方向在气道中无法进行有效调节的问题，同时解决稀薄燃烧产生的燃烧不稳定、点火困难和失火等问题，开发出一种可满足不同负荷对缸内气流运动模式需求的发动机，提出基于可变气道的双燃料点燃式内燃机及控制方法。本发明提供一种可变进气系统，每缸进气系统采用一个直进气道和一个螺旋进气道，两个进气道通过旁通道相连接，通过涡流控制阀控制直进气道的开闭，配合特殊形状的活塞顶面，获得不同工况下最佳的气流运动；本发明是基于两种燃料分别进行缸内直喷和进气道喷射组合式的内燃机技术，通过控制喷射时刻和喷射脉宽，并结合气流运动实现缸内混合气的不同燃烧模式，进而提高内燃机在不同工况下的工作效率，降低油耗和排放。
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，既要提高燃烧的效率，又要提高燃烧的稳定性，需要对双燃料点燃式内燃机的进气系统、燃料的燃烧特性以及控制方法进行优化、完善，以满足性能要求。
基于可变气道的双燃料点燃式内燃机，该内燃机由可变进气系统、点火系统、第一燃料供给系统、第二燃料供给系统、排气系统、点燃式内燃机17和内燃机电控系统11组成；可变进气系统由进气总管1、节气门2、进气总成3、第一进气歧管4、第二进气歧管5、旁通道8、涡流控制阀6、直进气道9、螺旋气道10和信号通讯线路20组成；点火系统由蓄电池29、火花塞18和点火线路30组成；第一燃料供给系统由第一燃料箱12、第一燃料供给管路13和第一燃料喷射器7组成；第二燃料供给系统由第二燃料箱15、第二燃料供给管路16和第二燃料喷射器14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7、第二燃料喷射器14和火花塞18与点燃式内燃机17相连；内燃机电控系统11通过对涡流控制阀6、节气门2、火花塞18、第一燃料喷射器7和第二燃料喷射器14的控制实现对该内燃机的控制。
所述的双燃料点燃式内燃机，可变进气系统的每个气缸采用两个独立的进气道，分别为直进气道9和螺旋气道10，每个进气道与进气歧管相连接，第一进气歧管4和第二进气歧管5的尺寸和形状相同，第一进气歧管4与直进气道9相连接，第二进气歧管5与螺旋气道10相连接，第一进气歧管4和第二进气歧管5通过旁通道8相连通，且旁通道8进气口与第一进气歧管4相连接，旁通道8出气口与第二进气歧管5相连接，旁通道8是一种渐缩状圆形通道，出气口较进气口更靠近气缸，旁通道8与第二进气歧管5的夹角为30°-60°，旁通道8与第一进气歧管4相交处下沿、第二进气歧管5相交处上沿均采用圆滑过渡。
所述的双燃料点燃式内燃机，可变进气系统所采用的螺旋气道10横截面积逐渐缩小，螺旋气道10围绕进气门22轴线逆时针旋转而成，进气口布置在合理位置上，使得气体沿气缸内壁螺旋喷入气缸内，进而形成沿气缸轴线的涡流；所采用的直进气道9，在靠近气门处在气道内设置有导流块31，导流块31固定在气道内，导流块(31)为三面体，导流块上表面(31-a)为半椭圆形，导流块下表面(31-b)展开图为扇形，导流块底面(31-c)为半圆形，且圆形半径与此处气道的半径相同，导流块(31)纵剖面为三角形，其作用是引导气流，使流入直进气道9的气流以高位喷入到燃烧室内，利用燃烧室和气缸内壁形成绕垂直于气缸轴线的滚流；涡流控制阀6布置在直进气道9内，且涡流控制阀6的旋转轴线与旁通道8靠近气缸一侧的内壁相切，旋转叶片呈椭圆形，使得涡流控制阀6处于关闭状态时，气体无法从直进气道9流出，电子控制系统11通过步进式电动机控制涡流控制阀6的开闭从而实现直进气道9的开闭。
所述内燃机采用两种不同物化性质的燃料，两种不同燃料采用两套独立的供给系统，分别为第一燃料供给系统和第二燃料供给系统；其中第一燃料喷射器7安置在第二进气岐管5内，靠近旁通道8与第二进气歧管5相交处，第一燃料通过第一燃料喷射器7喷入第二进气歧管5内，再经螺旋形气道10进入气缸；第二燃料喷射器14直接安置在气缸盖28上，第二燃料通过第二燃料喷射器14，以缸内直喷的方式进入气缸。
所述点燃式内燃机采用两种不同燃料，以第一燃料为主燃料，第二燃料为辅助燃料；第二燃料在燃烧性能上优于第一燃料，主要表现在燃烧速度快、点火能量低以及有害排放物少三方面；第二燃料以缸内直喷的方式进入气缸，形成局部浓的分层混合气，火花塞18先点燃第二燃料，点燃的第二燃料引燃第一燃料混合气，进而引燃整个燃烧室；第二燃料的引燃作用是通过内燃机电控系统11控制第二燃料喷射器14在合适的喷射时刻将第二燃料喷射在燃烧室顶部，配合一定的气流运动，在火花塞18周围形成易于点燃的第二燃料混合气，通过第二燃料快速燃烧释放出的能量引燃第一燃料混合气，基于第二燃料着火界限宽的优点，可以进一步提高混合气的稀燃极限，使点燃式内燃机在更大的空燃比和压缩比下工作，提高发动机热效率和降低污染物的排放。
所述点燃式内燃机在冷启动、怠速工况下，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，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，并且在此阶段缸内温度较低，采用纯辅助燃料不会造成NOX的升高，所以在冷启动、怠速工况下仅采用辅助燃料燃烧能有效改善发动机的排放；在中小负荷工况下，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，所以采用主燃料与辅助燃料的混合燃料，既能满足一定的输出功率，又能改善发动机在中小负荷工况下的燃烧及排放特性；在大负荷工况下，发动机对动力性需求较高，需要能够输出较大的功率，所以选择纯高辛烷值燃料，即采用主燃料燃烧。
所述的双燃料点燃式内燃机，为了获得不同工况下最佳的工作效率，根据目标转矩确定负荷状态，采用基于转矩需求的控制策略，通过控制第一燃料和第二燃料的喷射量和喷射时刻，以及涡流控制阀6的开闭控制缸内气流运动来完成对内燃机燃烧模式的控制，实现对发动机性能的提升。
现在的汽车发动机通常在中小负荷下工作，但也需要在高转速、高负荷下工作，这就要求设计的内燃机在不同工况下都有理想的动力性与经济性。在中小负荷下，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。稀薄燃烧可以使内燃机采用更大的空燃比以及更高的压缩比，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由于节气门引起的泵气损失，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，因此中小负荷状态下采用稀薄燃烧的方式。另一方面，大负荷状态下以满足功率需求为主，此时采用均匀混合气而不是稀薄混合气，结合气流运动，形成均匀的混合气，满足大负荷状态下的动力性需求。
通过提前对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。
所述的双燃料点燃式内燃机，根据目标转矩需求，在不同的负荷下采用不同控制策略，具体如下：
小负荷状态下，采用分层稀燃的方式，利用步进式电动机控制涡流控制阀6，使其处于闭合状态，在进气冲程初期，随着活塞向下运动，来自第一进气岐管4的空气经旁通道8进入第二进气岐管5，气体经过渐缩状旁通道8后，流速增加、扰动能力增强，与第二进气岐管5的气体混合，再经螺旋气道10进入气缸内，缸内形成较强的涡流，涡流的轴心与气缸中心大体一致，形成沿气缸轴线的涡流运动。第一燃料在进气冲程的后期进行喷射，借助于螺旋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。涡流在压缩冲程随着活塞上行逐渐减弱，但涡流的分层效果仍大体一直保持到压缩上止点，第二燃料在压缩冲程后期以缸内直喷的方式喷入气缸，配合蓬顶形燃烧室24在火花塞18附近形成第二燃料混合气浓区，通过火花塞18点燃第二燃料，利用第二燃料点火能量低、燃烧速度快等特点引燃第一燃料，从而实现分层稀薄燃烧，提高小负荷状态下的燃油经济性。
中负荷状态下，采用均质稀燃的方式，即第一燃料形成均匀稀薄混合气，此时，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。采用均质稀燃的方式时，采用与小负荷状态下相同的涡流运动方式，涡流控制阀6关闭以获得沿气缸轴线的涡流运动，第一燃料在进气冲程前期喷入到第二进气歧管5内，再经螺旋气道10进入到气缸内，由于第一燃料在进气行程前期喷入，在点火前有更长的时间与空气混合形成均匀的混合气，而第二燃料在压缩冲程后期喷入气缸，在点火前能在火花塞18附近形成一定浓度梯度的易于点燃的混合气。通过火花塞18跳火点燃第二燃料，利用第二燃料的燃烧速度快、点火能量低等特性引燃第一燃料,使得整个燃烧室内的混合气都可以燃烧充分，在满足功率需求下，降低油耗，从而提高燃油经济性。
大负荷状态下，主要考虑动力性的要求。为满足高负荷、高转速的功率需求，增加进气量、第一燃料的喷射量，采用均质燃烧的方式。为了获得更多的进气量、更加均匀的混合气，利用步进式电动机打开涡流控制阀6，由于第一进气岐管4和第二进气岐管5的形状和尺寸相同，气道内的流体压力、温度相近，使得第一进气岐管4的空气不经过旁通道8而直接从直进气道9进入气缸，由于进气行程缩短，使得沿程损失减少，增加了进入气缸的空气量，利用导流块使得空气以较大角度喷入到气缸内，形成绕垂直于气缸轴线的滚流，第二进气岐管5的气体经螺旋气道10进入气缸内形成涡流运动，两种气流运动形成斜轴涡流，斜轴涡流可以更快更有效的将燃油喷雾或浓混合气散布于整个气缸容器中，在压缩过程中，滚流的动量衰减较少，在活塞接近压缩上止点时，大尺度的斜轴涡流被破碎成许多小尺度的涡流和湍流，可以大大改善混合燃烧过程。根据目标转矩确定第一燃料喷射脉宽，在进气冲程前期喷入到第二进气歧管5内，再经螺旋气道10进入到气缸内，配合蓬顶形燃烧室24以及缸内斜轴涡流运动，形成第一燃料均匀混合气，利用火花塞18点燃第一燃料，完成均匀燃烧。
附图说明
图1为双燃料点燃式内燃机系统结构示意图。
图2为可变进气系统结构示意图。
图3为涡流控制阀处于关闭状态下缸内气流运动示意图。
图4、5为涡流控制阀处于打开状态时气道及缸内气流运动示意图。
图6为双燃料点燃式内燃机的燃烧模式图。
图7为双燃料点燃式内燃机控制策略流程图。
图中：1进气总管，2节气门，3进气总成，4第一进气岐管，5第二进气岐管，6涡流控制阀，7第一燃料喷射器，8旁通道，9直进气道，10螺旋气道，11电控系统，12第一燃料箱，13第一燃料供给管路，14第二燃料喷射器，15第二燃料箱，16第二燃料供给管路，17点燃式内燃机机体，18火花塞，19排气道，20信号通讯线路，21气缸体，22进气门，23排气门，24蓬顶形燃烧室，25排气总管，26活塞，27活塞环，28气缸盖，29蓄电池，30点火线路，31导流块，31-a导流块上表面，31-b导流块下表面，31-c导流块底面。
具体实施方式
下面结合附图所示实施例进一步说明本实用新型的具体实施方式。
图1为双燃料点燃式内燃机系统结构示意图。该内燃机由可变进气系统、点火系统、第一燃料供给系统、第二燃料供给系统、排气系统、点燃式内燃机17和内燃机电控系统11组成；可变进气系统由进气总管1、节气门2、进气总成3、第一进气岐管4、第二进气岐管5、旁通道8、涡流控制阀6、直进气道9、螺旋气道10和控制线路20组成；点火系统由蓄电池29、火花塞18和点火线路30组成；第一燃料供给系统由第一燃料箱12、第一燃料供给管路13和第一燃料喷射器7组成；第二燃料供给系统由第二燃料箱15、第二燃料供给管路16和第二燃料喷射器14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7、第二燃料喷射器14和火花塞18与点燃式内燃机17相连；内燃机电控系统11通过对涡流控制阀10、节气门2、火花塞18、第一燃料喷射器7和第二燃料喷射器14的控制实现对该内燃机的控制。
图2为可变进气系统结构示意图。可变进气系统的每个气缸采用两个独立的进气道，分别为直进气道9和螺旋气道10，每个进气道与进气歧管相连接，第一进气歧管4和第二进气歧管5的尺寸和形状相同，第一进气歧管4与直进气道9相连接，第二进气歧管5与螺旋气道10相连接，第一进气歧管4和第二进气歧管5通过旁通道8相连通，且旁通道8进气口与第一进气歧管4相连接，旁通道8出气口与第二进气歧管5相连接，旁通道8是一种渐缩状圆形通道，出气口较进气口更靠近气缸，旁通道8与第二进气歧管5的夹角为30°-60°，旁通道8与第一进气歧管4相交处下沿、第二进气歧管5相交处上沿均采用圆滑过渡。涡流控制阀6布置在直进气道9内，且涡流控制阀6的旋转轴线与旁通道8靠近气缸一侧的内壁相切，旋转叶片呈椭圆形，使得涡流控制阀6处于关闭状态时，气体无法从直进气道9流出，内燃机电控系统11通过步进式电动机驱动涡流控制阀6的开闭来改变气流运动方式。并且第一燃料喷射器7安装在第二进气岐管5内，靠近旁通道8与第二进气岐管5的连接处，第二燃料喷射器14直接安装在气缸盖28上，通过与火花塞18位置的合理安排，实现系统稳定燃烧的工作要求。
图3为涡流控制阀处于关闭状态下缸内气流运动示意图。结合图2可知，当涡流控制阀6处于关闭状态时，从第一进气岐管4进入的空气无法进入直进气道9，只能经渐缩状旁通道8流向第二进气岐管5，与第二进气岐管5内的气体混合，由于旁通道8的横截面积缩小，所以流速增加，混合气体再经螺旋形气道10流入气缸21内，由于气体非对称的流入气缸和螺旋气道对气流的引导作用，在气缸内产生较强的沿气缸轴线的涡流运动。
图4、5为涡流控制阀处于打开状态时气道及缸内气流运动示意图。由于第一进气岐管4和第二进气岐管5的形状和尺寸相同，气道内的流体压力、温度相近，使得第一进气岐管4的空气不经过旁通道8而直接从直进气道9进入气缸，并且直进气道9内设置有导流块31，使得直进气道9内的气体从高位喷入到蓬顶形燃烧室24壁面上，进而改变气体运动轨迹，再利用气缸壁形成滚流运动，与此同时，第二进气岐管5的气体经螺旋气道10进入气缸内，形成沿气缸轴线的涡流运动，两种气流运动形成斜轴涡流，斜轴涡流能够极大的促进燃料和空气的混合，获得均匀混合气。
图6为双燃料点燃式内燃机的燃烧模式图。为了满足不同工况下的动力性和经济性需求，该内燃机采用不同的燃烧模式。在小负荷下，以获得最佳的经济性为主，采用分层稀燃的方式，过量空气系数λ＞1.4；在中负荷下，在满足转矩需求的前提下，为获得最佳的经济性采用均质稀燃的方式，过量空气系数λ＝1～1.4；在大负荷下，以满足动力性为主，采用均质燃烧的方式，过量空气系数λ≤1。
图7为双燃料点燃式内燃机控制策略流程图。内燃机在某工况点下或者怠速下工作，当工况发生变化时，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(ECU)接收各路传感器信号，如转速、节气门开度、冷却水温、进气压力、氧浓度等，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、中等负荷还是大负荷。若为中小负荷，通过步进式电动机将涡流控制阀关闭以获得较强的涡流强度，并结合燃料喷射时刻和喷射脉宽实现小负荷下分层稀燃，中负荷下均质稀燃；若为大负荷，通过步进式电动机将涡流控制阀打开以获得更多的进气量、缸内形成斜轴涡流运动，并结合燃料喷射时刻和喷射脉宽实现大负荷下均质燃烧，最后实现内燃机的正常运转。

Claims (9)

1.基于可变气道的双燃料点燃式内燃机，其特征在于，该内燃机由可变进气系统、点火系统、第一燃料供给系统、第二燃料供给系统、排气系统、点燃式内燃机(17)和内燃机电控系统(11)组成；可变进气系统由进气总管(1)、节气门(2)、进气总成(3)、第一进气岐管(4)、第二进气岐管(5)、旁通道(8)、涡流控制阀(6)、直进气道(9)、螺旋气道(10)和信号通讯线路(20)组成；点火系统由蓄电池(29)、火花塞(18)和点火线路(30)组成；第一燃料供给系统由第一燃料箱(12)、第一燃料供给管路(13)和第一燃料喷射器(7)组成；第二燃料供给系统由第二燃料箱(15)、第二燃料供给管路(16)和第二燃料喷射器(14)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(7)、第二燃料喷射器(14)和火花塞(18)与点燃式内燃机(17)相连；内燃机电控系统(11)通过对涡流控制阀(6)、节气门(2)、火花塞(18)、第一燃料喷射器(7)和第二燃料喷射器(14)的控制实现对该内燃机的控制。
2.根据权利要求1所述的基于可变气道的双燃料点燃式内燃机，其特征在于，可变进气系统的每个气缸采用两个独立的进气道，分别为直进气道(9)和螺旋气道(10)，每个进气道与进气歧管相连接，第一进气歧管(4)和第二进气歧管(5)的尺寸和形状相同，第一进气歧管(4)与直进气道(9)相连接，第二进气歧管(5)与螺旋气道(10)相连接，第一进气歧管(4)和第二进气歧管(5)通过旁通道(8)相连通，且旁通道(8)进气口与第一进气歧管(4)相连接，旁通道(8)出气口与第二进气歧管(5)相连接，旁通道(8)是一种渐缩状圆形通道，出气口较进气口更靠近气缸，旁通道(8)与第二进气歧管(5)的夹角为30°-60°，旁通道(8)与第一进气歧管(4)相交处下沿、第二进气歧管(5)相交处上沿均采用圆滑过渡。
3.根据权利要求1所述的基于可变气道的双燃料点燃式内燃机，其特征在于，可变进气系统所采用的螺旋气道(10)横截面积逐渐缩小，螺旋气道(10)围绕进气门(22)轴线逆时针旋转而成，进气口布置在合理位置上，使得气体沿气缸内壁螺旋进入气缸内，进而形成沿气缸轴线的涡流；所采用的直进气道(9)，在靠近气门处在气道内设置有导流块(31)，导流块(31)固定在气道内，导流块(31)为三面体，导流块上表面(31-a)为半椭圆形，导流块下表面(31-b)展开图为扇形，导流块底面(31-c)为半圆形，且圆形半径与此处气道的半径相同，导流块(31)纵剖面为三角形，导流块(31)的作用是引导气流，使得进入直进气道(9)的气流以较大的喷射角度喷入到燃烧室内，从而形成绕垂直于气缸轴线的滚流；涡流控制阀(6)布置在直进气道(9)内，且涡流控制阀(6)的旋转轴线与旁通道(8)靠近气缸一侧的内壁相切，旋转叶片呈椭圆形，使得涡流控制阀(6)处于关闭状态时，气体无法从直进气道(9)流出，电子控制系统(11)通过步进式电动机控制涡流控制阀(6)的开闭从而实现直进气道(9)的开闭。
4.根据权利要求1所述的基于可变气道的双燃料点燃式内燃机，其特征在于，所述内燃机采用两种不同物化性质的燃料，两种不同燃料采用两套独立的供给系统，分别为第一燃料供给系统和第二燃料供给系统；其中第一燃料喷射器(7)安置在第二进气岐管(5)内，靠近旁通道(8)与第二进气歧管(5)相交处，第一燃料通过第一燃料喷射器(7)喷入第二进气歧管(5)内，再经螺旋形气道(10)进入气缸；第二燃料喷射器(14)直接安置在气缸盖(28)上，第二燃料通过第二燃料喷射器(14)，以缸内直喷的方式进入气缸。
5.根据权利要求1所述的基于可变气道的双燃料点燃式内燃机，其特征在于，点燃式内燃机采用两种不同燃料，以第一燃料为主燃料(高辛烷值燃料)，第二燃料为辅助燃料；第二燃料在燃烧性能上优于第一燃料，主要表现在燃烧速度快、点火能量低以及着火界限宽三方面，但是其体积能量密度要低于主燃料；第二燃料以缸内直喷的方式进入气缸，在火花塞(18)附近产生易于点燃的分层混合气，利用第二燃料良好的燃烧特性引燃第一燃料混合气，进而引燃整个燃烧室；第二燃料的引燃作用是通过内燃机电控系统(11)控制第二燃料喷射器(14)在合适的喷射时刻将第二燃料喷入缸内，配合一定的气流运动，在火花塞(18)周围形成易于点燃的第二燃料混合气，通过第二燃料快速燃烧释放出的能量引燃第一燃料混合气。
6.根据权利要求1所述的基于可变气道的双燃料点燃式内燃机的控制方法，其特征在于，点燃式内燃机在冷启动、怠速工况时，单独使用第二燃料以缸内直喷的方式工作；在中小负荷下采用主燃料与辅助燃料的混合燃料；在大负荷下仅采用主燃料。
7.根据权利要求1所述的基于可变气道的双燃料点燃式内燃机的控制方法，其特征在于，对上述内燃机在不同负荷工况下进行基于转矩的控制，通过控制第一和第二燃料的喷射量和喷射时刻，以及涡流控制阀(6)控制气缸内气流运动来完成对内燃机燃烧模式的控制。
8.根据权利要求1所述的基于可变气道的双燃料点燃式内燃机的控制方法，其特征在于，根据目标转矩需求，在不同的负荷下采用不同的气流运动方式：在中小负荷下，利用步进式电动机驱动涡流控制阀(6)，使其处于关闭状态，来自第一进气歧管(4)的空气经旁通道(8)流入第二进气歧管(5)，气体经过渐缩状旁通道(8)后，流速增加，与第二进气歧管(5)的气体经螺旋气道(10)进入气缸内，获得较大的涡流强度，涡流的轴心与气缸中心大体一致；在大负荷下，利用步进式电动机打开涡流控制阀(6)，由于第一进气歧管(4)和第二进气歧管(5)的形状和尺寸相同，气道内的流体压力、温度相近，使得第一进气歧管(4)的空气不经过旁通道(8)而直接从直进气道(9)进入气缸，第二进气歧管(5)的流体经螺旋气道(10)进入气缸内，两种气流运动形成斜轴涡流，促进燃料和空气的混合。
9.根据权利要求1所述的基于可变气道的双燃料点燃式内燃机的控制方法，其特征在于，根据转矩需求，在不同的负荷下采用不同的控制策略：在小负荷下采用分层稀燃的方式，涡流控制阀(6)关闭以获得较大的涡流强度，第一燃料在进气冲程后期喷入第二进气歧管(5)内，再经螺旋进气道(10)进入缸内，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，形成上浓下稀的混合气分布状况，第二燃料在压缩冲程后期以缸内直喷的方式喷入气缸，在火花塞(18)附近形成第二燃料混合气浓区；在中负荷下采用均质稀燃的方式，涡流控制阀(6)关闭以获得较大的涡流强度，第一燃料在进气冲程前期喷入第二进气歧管(5)内，再经螺旋进气道(10)进入缸内，第二燃料在压缩冲程后期以缸内直喷的方式喷入气缸，配合蓬顶形燃烧室(24)以及缸内涡流运动，形成第一燃料混合气均匀分布、第二燃料混合气富集在火花塞(18)附近的分布方式；在大负荷下采用均质燃烧的方式，涡流控制阀(6)打开以获得更多的进气量、缸内形成斜轴涡流，斜轴涡流可以更快更有效的将浓混合气散布于整个气缸容器中，第一燃料在进气冲程前期喷入第二进气歧管(5)内，并根据目标转矩确定喷射脉宽，配合蓬顶形燃烧室(24)以及缸内斜轴涡流运动，形成第一燃料均匀混合气，利用火花塞(18)点燃第一燃料，完成均质燃烧。
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Cited By (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109026412A (zh) * 2018-07-24 2018-12-18 哈尔滨工程大学 一种双燃料发动机稀薄燃烧组织方法
CN109236478A (zh) * 2018-07-24 2019-01-18 哈尔滨工程大学 一种采用高压天然气喷射阀的双燃料发动机燃烧组织方法
CN109268170A (zh) * 2018-07-24 2019-01-25 哈尔滨工程大学 带双针阀喷油器复合式供气双燃料发动机系统及燃烧方法
CN109424463A (zh) * 2017-08-25 2019-03-05 马自达汽车株式会社 发动机的燃料喷射装置
CN109424453A (zh) * 2017-08-25 2019-03-05 马自达汽车株式会社 发动机的燃料喷射装置
CN110318891A (zh) * 2019-06-26 2019-10-11 哈尔滨工程大学 一种天然气/柴油双燃料发动机多模式燃烧组织方法
CN110612386A (zh) * 2017-05-12 2019-12-24 爱信精机株式会社 内燃机的控制装置
CN110778411A (zh) * 2018-07-26 2020-02-11 马自达汽车株式会社 压缩着火式发动机的控制装置
CN115199398A (zh) * 2022-07-25 2022-10-18 东风汽车集团股份有限公司 一种点燃压燃的发动机
CN115263594A (zh) * 2022-07-29 2022-11-01 东风汽车集团股份有限公司 一种点燃压燃的发动机及其控制方法
CN117569941A (zh) * 2024-01-12 2024-02-20 潍柴动力股份有限公司 一种发动机缸盖以及发动机

Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5832894A (en) * 1994-08-31 1998-11-10 Siemens Aktiengesellschaft Variable air intake device
CN101142420A (zh) * 2005-03-15 2008-03-12 爱信精机株式会社 轴体的保持结构、可变进气阀及进气装置
JP2009174384A (ja) * 2008-01-23 2009-08-06 Toyota Motor Corp インテークマニホールド
CN101503974A (zh) * 2008-07-08 2009-08-12 太原理工大学 任选燃料混合式发动机
US7634982B2 (en) * 2006-12-12 2009-12-22 Wilson Keith D Intake manifold
JP5529478B2 (ja) * 2009-09-29 2014-06-25 株式会社マーレ フィルターシステムズ 内燃機関の可変吸気装置
CN104033237A (zh) * 2014-06-19 2014-09-10 中国第一汽车股份有限公司无锡油泵油嘴研究所 一种多气门发动机可变涡流进气道
CN204663713U (zh) * 2015-04-21 2015-09-23 吉林大学 汽油机空气与废气分层调节装置
CN204783366U (zh) * 2015-06-29 2015-11-18 重庆小康工业集团股份有限公司 长度可变型进气歧管
CN205532872U (zh) * 2016-03-30 2016-08-31 吉林大学 一种基于可变气道的双燃料点燃式内燃机

Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5832894A (en) * 1994-08-31 1998-11-10 Siemens Aktiengesellschaft Variable air intake device
CN101142420A (zh) * 2005-03-15 2008-03-12 爱信精机株式会社 轴体的保持结构、可变进气阀及进气装置
US7634982B2 (en) * 2006-12-12 2009-12-22 Wilson Keith D Intake manifold
JP2009174384A (ja) * 2008-01-23 2009-08-06 Toyota Motor Corp インテークマニホールド
CN101503974A (zh) * 2008-07-08 2009-08-12 太原理工大学 任选燃料混合式发动机
JP5529478B2 (ja) * 2009-09-29 2014-06-25 株式会社マーレ フィルターシステムズ 内燃機関の可変吸気装置
CN104033237A (zh) * 2014-06-19 2014-09-10 中国第一汽车股份有限公司无锡油泵油嘴研究所 一种多气门发动机可变涡流进气道
CN204663713U (zh) * 2015-04-21 2015-09-23 吉林大学 汽油机空气与废气分层调节装置
CN204783366U (zh) * 2015-06-29 2015-11-18 重庆小康工业集团股份有限公司 长度可变型进气歧管
CN205532872U (zh) * 2016-03-30 2016-08-31 吉林大学 一种基于可变气道的双燃料点燃式内燃机

Cited By (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110612386A (zh) * 2017-05-12 2019-12-24 爱信精机株式会社 内燃机的控制装置
CN110612386B (zh) * 2017-05-12 2022-03-15 株式会社爱信 内燃机的控制装置
CN109424463B (zh) * 2017-08-25 2021-10-26 马自达汽车株式会社 发动机的燃料喷射装置
CN109424463A (zh) * 2017-08-25 2019-03-05 马自达汽车株式会社 发动机的燃料喷射装置
CN109424453A (zh) * 2017-08-25 2019-03-05 马自达汽车株式会社 发动机的燃料喷射装置
CN109268170B (zh) * 2018-07-24 2020-11-20 哈尔滨工程大学 带双针阀喷油器复合式供气双燃料发动机系统及燃烧方法
CN109026412A (zh) * 2018-07-24 2018-12-18 哈尔滨工程大学 一种双燃料发动机稀薄燃烧组织方法
CN109268170A (zh) * 2018-07-24 2019-01-25 哈尔滨工程大学 带双针阀喷油器复合式供气双燃料发动机系统及燃烧方法
CN109236478A (zh) * 2018-07-24 2019-01-18 哈尔滨工程大学 一种采用高压天然气喷射阀的双燃料发动机燃烧组织方法
CN110778411A (zh) * 2018-07-26 2020-02-11 马自达汽车株式会社 压缩着火式发动机的控制装置
CN110778411B (zh) * 2018-07-26 2022-05-13 马自达汽车株式会社 压缩着火式发动机的控制装置
CN110318891A (zh) * 2019-06-26 2019-10-11 哈尔滨工程大学 一种天然气/柴油双燃料发动机多模式燃烧组织方法
CN110318891B (zh) * 2019-06-26 2022-01-14 哈尔滨工程大学 一种天然气/柴油双燃料发动机多模式燃烧组织方法
CN115199398A (zh) * 2022-07-25 2022-10-18 东风汽车集团股份有限公司 一种点燃压燃的发动机
CN115199398B (zh) * 2022-07-25 2023-12-19 东风汽车集团股份有限公司 一种点燃压燃的发动机
CN115263594A (zh) * 2022-07-29 2022-11-01 东风汽车集团股份有限公司 一种点燃压燃的发动机及其控制方法
CN117569941A (zh) * 2024-01-12 2024-02-20 潍柴动力股份有限公司 一种发动机缸盖以及发动机

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