CN111042955B - 发动机系统及燃烧方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种发动机系统及燃烧方法，所述发动机系统包括发动机进排气系统和发动机燃烧系统，所述发动机燃烧系统包括缸内直喷式高压喷油器、缸内直喷式高压喷水器、火花塞、高压缩比活塞、两阶段可变气门升程机构和连续可变气门正时机构；控制所述缸内直喷式高压喷油器、所述缸内直喷式高压喷水器、所述火花塞、所述高压缩比活塞，和：所述两阶段可变气门升程机构控制所述进气门和所述排气门的升程变化，和：所述连续可变气门正时机构控制所述进气门和所述排气门的开启时刻，并结合外部废气再循环系统，以使所述发动机燃烧系统以理论空燃比下的均质压燃和火花点燃相结合的方式进行燃烧，从而实现废气再循环率大于30％的稳定燃烧。

Description

发动机系统及燃烧方法
技术领域
本发明涉及发动机控制技术领域，特别涉及一种发动机系统及燃烧方法。
背景技术
开发高效低油耗汽油机是汽车工业面临的一个重要课题。从乘用车整车循环工况来看，发动机的工作区域主要集中在低速、中低负荷工况。因此，降低整车油耗的关键在提高汽油机中低负荷工况下的热效率。制约汽油机低负荷热效率提升的主要因素包括泵气损失高、几何压缩比低以及混合气比热比低等。而对于高负荷而言，爆震燃烧是导致汽油机热效率低的主要障碍。同时改善汽油机低负荷和中负荷热效率的其中一个技术路线是混合气稀释燃烧，包括空气稀释(即稀薄燃烧)和废气稀释(即废气再循环EGR)。稀薄燃烧通过降低泵气损失、提高混合气比热比以及降低传热损失来达到中低负荷节油的效果，但稀薄燃烧面临的主要障碍是现有三元催化器在稀燃条件下对NOx的转化效率接近为零，需要配置NOx稀燃催化器，增加了系统成本。而废气稀释燃烧是将发动机排出的废气经冷却后，重新进入缸内参与燃烧。图1为一典型的外部废气再循环系统系统结构示意图。相比稀薄燃烧，基于外部废气再循环系统的废气稀释燃烧由于采用理论空燃比，因此保留了三元催化器对NOx的高转化效率,不需要配置NOx稀燃催化器。同时，基于废气稀释充分发挥了其在低负荷降低泵气损失的优势，并利用其含有的惰性气体成分抑制了中负荷的爆震燃烧，从而实现了在中低负荷工况下油耗改善的效果。
但相比空气稀释，单纯依靠外部高压EGR实现的理论空燃比废气稀释燃烧，其在低负荷下改善泵气损失和高负荷下抑制爆震方面明显不足，不能充分发挥其节油的潜力。
在低负荷工况下，增加EGR率(进入缸内的废气质量与废气质量和空气质量之和的比值)可以提高汽油热效率，但进一步提高EGR率会受到两个因素的制约：1)高的EGR率会导致燃烧不稳定，进而终止油耗随EGR率增加而降低的趋势。主要原因是废气中含有的惰性气体使得汽油机燃烧速度，特别是初始燃烧速度降低。2)EGR阀上下游压差不足以实现大的EGR率。随着发动机负荷的上升，位于EGR阀下游的进气歧管的压力会随之而升高。也就是说EGR上下游的压差降低，这是不利于提高EGR率的。
在中高负荷工况下，由于废气未经三元催化转化即引入到EGR回路中，所以，废气中包括大量的NOx(含量约为三元催化转化后的50倍)。而大量的研究表明，NOx会诱发爆震。即高压EGR抑制爆震的效果大打折扣。
因此，为了进一步提高EGR的节油效果，必须要突破现有高压EGR系统对EGR率的限制，实现高稀释度、大EGR率燃烧，并弥补其抗爆震性能的不足，使其在低负荷、中负荷和高负荷工况下热效率提升的幅度均达到最大化。
发明内容
本发明的目的在于提供一种发动机系统及燃烧方法，以解决现有的外部高压废气再循环稀释燃烧面临的低负荷稀释度不够和燃烧稳定性差的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种发动机系统，所述发动机系统包括发动机进排气系统和发动机燃烧系统，其中：
所述发动机进排气系统包括节气门、进气歧管、排气歧管、废气后处理装置、消声器和外部废气再循环系统；
新鲜空气通过所述节气门和所述进气歧管，进入发动机燃烧系统内部；
所述发动机燃烧系统产生的废气通过所述排气歧管、所述废气后处理装置和所述消声器排出，或通过所述外部废气再循环系统返回至所述发动机燃烧系统；
所述发动机燃烧系统与所述进气歧管通过进气门相连通，所述发动机燃烧系统与所述排气歧管通过排气门相连通；
所述发动机燃烧系统包括缸内直喷式高压喷油器、缸内直喷式高压喷水器、火花塞、高压缩比活塞、两阶段可变气门升程机构和连续可变气门正时机构；
控制所述缸内直喷式高压喷油器、所述缸内直喷式高压喷水器、所述火花塞和所述高压缩比活塞的动作，以及：
所述两阶段可变气门升程机构控制所述进气门和所述排气门的升程变化，以及：
所述连续可变气门正时机构控制所述进气门和所述排气门的开启时刻，并结合外部废气再循环系统，以使所述发动机燃烧系统以理论空燃比下的均质压燃和火花点燃相结合的方式进行燃烧，以实现废气再循环率大于30％的稳定燃烧。
可选的，在所述的发动机系统中，所述外部废气再循环系统和所述发动机燃烧系统并联，所述外部废气再循环系统和所述发动机燃烧系统的连接点分别为位于所述排气歧管后端的取废气口和所述节气门的后端；
所述发动机燃烧系统进行燃烧，产生第一种废气和第二种废气，所述第一种废气滞留于所述发动机燃烧系统中继续燃烧，所述第二种废气由所述发动机燃烧系统和排气歧管排出，形成第三种废气和第四种废气，所述第三种废气由所述取废气口进入所述外部废气再循环系统，由所述节气门的后端返回所述发动机燃烧系统，所述第四种废气完全排出所述废气后处理装置和消声器。
可选的，在所述的发动机系统中，所述废气再循环率为：
(M1+M3)/(M0+M1+M3)，
其中，M1为所述第一种废气质量，M3为所述第三种废气质量，M0为所述新鲜空气质量。
可选的，在所述的发动机系统中，所述外部废气再循环系统包括中冷器、旁通阀和高压EGR阀，所述中冷器的一端连接所述取废气口，另一端连接所述高压EGR阀的前端，所述旁通阀与所述中冷器并联，所述高压EGR阀的后端连接所述节气门的后端；
当所述旁通阀开启时，所述第三种废气通过所述取废气口、所述旁通阀直接流经所述高压EGR阀；
当所述旁通阀关闭时，所述第三种废气通过所述取废气口先进入所述中冷器，再流经所述高压EGR阀；
通过电机驱动所述高压EGR阀开合，控制所述高压EGR阀的流通面积，调节所述第三种废气的流量。
可选的，在所述的发动机系统中，所述缸内直喷式高压喷油器位于发动机燃烧室顶部中间区域；所述缸内直喷式高压喷水器位于所述进气歧管下方；所述火花塞位于所述排气歧管侧的燃烧室顶部；所述高压缩比活塞使得所述燃烧室的几何压缩比不小于11：1；所述两阶段可变气门升程机构控制所述进气门和所述排气门的升程为第一升程或第二升程，所述第一升程小于所述第二升程。
可选的，在所述的发动机系统中，在所述发动机燃烧系统中，第一阶段为膨胀冲程，高压缩比活塞向燃烧室容积增大的方向运动，第二阶段为排气冲程，所述排气门打开，第三阶段为进气冲程，所述进气门打开，第四阶段为压缩冲程，高压缩比活塞向燃烧室容积减小的方向运动；
所述第一阶段至所述第四阶段反复循环，所述第二阶段和所述第三阶段之间的时间点为进气上止点，所述第四阶段与所述第一阶段之间的时间点为压缩上止点。
可选的，在所述的发动机系统中，当发动机转速小于第一速度值，且发动机负荷小于第一负荷值时，发动机工况位于第一区域；
当所述发动机转速小于所述第一速度值，且发动机负荷大于所述第一负荷值，小于第二负荷值时，发动机工况位于第二区域；
当所述发动机转速大于所述第一速度值，且发动机负荷小于所述第三负荷值时，发动机工况位于第四区域；
当发动机负荷大于所述第二负荷值或第三负荷值时，发动机工况位于第三区域；
所述第一负荷值小于所述第三负荷值，所述第三负荷值小于所述第二负荷值。
可选的，在所述的发动机系统中，当发动机工况位于第一区域时，
在所述外部废气再循环系统中，打开所述旁通阀，使所述第三种废气绕开所述中冷器的冷却，保持原始高的温度经所述高压EGR阀进入发动机燃烧系统；
在所述两阶段可变气门升程机构控制所述进气门和所述排气门的升程均为所述第一升程；
所述连续可变气门正时机构控制所述排气门在进气上止点之前关闭，所述进气门在进气上止点之后打开，所述进气门和所述排气门在进气上止点附近均处于关闭状态；
所述缸内直喷式高压喷油器在进气上止点附近完成燃油的喷射；
所述火花塞在压缩上止点前采用火花点火。
可选的，在所述的发动机系统中，当发动机工况位于第二区域时，
在所述外部废气再循环系统中，关闭所述旁通阀，使所述第三种废气通过所述中冷器的冷却，降低温度经所述高压EGR阀进入发动机燃烧系统；
在所述两阶段可变气门升程机构控制所述进气门和所述排气门的升程均为所述第一升程；
所述连续可变气门正时机构控制所述排气门在进气上止点之前关闭，所述进气门在进气上止点之后打开，所述进气门和所述排气门在进气上止点附近均处于关闭状态；
所述缸内直喷式高压喷油器在进气上止点附近完成燃油的喷射；
所述缸内直喷式高压喷水器在第四阶段前期完成水的喷射；
所述火花塞在压缩上止点前采用火花点火。
可选的，在所述的发动机系统中，当发动机工况位于第三区域时，
在所述外部废气再循环系统中，关闭所述旁通阀，使所述第三种废气通过所述中冷器的冷却，关闭或减小所述高压EGR阀的流通面积；
在所述两阶段可变气门升程机构控制所述进气门和所述排气门的升程均为所述第二升程；
所述缸内直喷式高压喷油器在所述第三阶段前期完成燃油的喷射；
所述缸内直喷式高压喷水器在第四阶段前期完成水的喷射；
所述火花塞在压缩上止点前采用火花点火。
可选的，在所述的发动机系统中，当发动机工况位于第四区域时，
在所述外部废气再循环系统中，关闭所述旁通阀，使所述第三种废气通过所述中冷器的冷却，关闭或减小所述高压EGR阀的流通面积；
在所述两阶段可变气门升程机构控制所述进气门和所述排气门的升程均为所述第二升程；
所述缸内直喷式高压喷油器在所述第三阶段前期完成燃油的喷射；
所述火花塞在压缩上止点前采用火花点火。
本发明还提供一种发动机系统燃烧方法，所述发动机系统燃烧方法包括：
新鲜空气通过节气门和进气歧管，进入发动机燃烧系统内部；
所述发动机燃烧系统产生的废气通过排气歧管、废气后处理装置和消声器排出，或通过外部废气再循环系统返回至所述发动机燃烧系统；
控制所述缸内直喷式高压喷油器、所述缸内直喷式高压喷水器、所述火花塞和所述高压缩比活塞的动作，以及：
两阶段可变气门升程机构控制所述进气门和所述排气门的升程变化，以控制所述进气歧管向所述发动机燃烧系统提供的进气量和所述发动机燃烧系统向所述排气歧管提供的排气量，以及：
连续可变气门正时机构控制所述进气门和所述排气门的开启时刻，并结合外部废气再循环系统，以使所述发动机燃烧系统以理论空燃比下的均质压燃和火花点燃相结合的方式进行燃烧，以实现废气再循环率大于30％的稳定燃烧。
在本发明提供的发动机系统及燃烧方法中，通过对发动机燃烧系统(内部废气再循环系统)与外部废气再循环系统的协调控制，在影响整车油耗的关键区域，即低速低负荷区域实现了EGR率超过30％的高废气稀释度燃烧。
本发明提出了理论空燃比条件下，均质压燃和火花点燃相结合的复合燃烧模式来实现高废气稀释度的稳定燃烧，从而提高发动机低负荷和中负荷下的燃油经济性。
本发明提出了通过缸内直喷水来抑制中负荷下复合燃烧模式的爆震，以及高负荷下点燃式燃烧模式的爆震，从而提高发动机中负荷和高负荷下的燃油经济性。
附图说明
图1是现有的发动机系统示意图；
图2是本发明一实施例的发动机系统示意图；
图3是本发明另一实施例的发动机燃烧系统示意图；
图4是本发明另一实施例的发动机运行阶段示意图；
图5是本发明另一实施例的发动机工况区域划分示意图；
图6是本发明另一实施例的第一区域发动机燃烧方法示意图；
图7是本发明另一实施例的第二区域发动机燃烧方法示意图；
图8是本发明另一实施例的第三区域发动机燃烧方法示意图；
图9是本发明另一实施例的第四区域发动机燃烧方法示意图；
图中所示：10-发动机进排气系统；11-节气门；12-进气歧管；13-外部废气再循环系统；131-中冷器；132-旁通阀；133-高压EGR阀；14-排气歧管；15-废气后处理装置；16-消声器；17-进气门；18-排气门；19-取废气口；20-发动机燃烧系统；21-缸内直喷式高压喷油器；22-缸内直喷式高压喷水器；23-火花塞；24-高压缩比活塞；25-两阶段可变气门升程机构；26-连续可变气门正时机构；27-燃烧室。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的发动机系统及燃烧方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
本发明的核心思想在于提供一种发动机系统及燃烧方法，以解决现有的外部高压废弃再循环稀释燃烧面临的低负荷稀释度不够和燃烧稳定性差的问题。
为实现上述思想，本发明提供了一种发动机系统及燃烧方法，所述发动机系统包括发动机进排气系统和发动机燃烧系统，其中：所述发动机进排气系统包括节气门、进气歧管、排气歧管、废气后处理装置、消声器和外部废气再循环系统；新鲜空气通过所述节气门和所述进气歧管，进入发动机燃烧系统内部；所述发动机燃烧系统产生的废气通过所述排气歧管、所述废气后处理装置和所述消声器排出，或通过所述外部废气再循环系统返回至所述发动机燃烧系统；所述发动机燃烧系统与所述进气歧管通过进气门相连通，所述发动机燃烧系统与所述排气歧管通过排气门相连通；所述发动机燃烧系统包括缸内直喷式高压喷油器、缸内直喷式高压喷水器、火花塞、高压缩比活塞、两阶段可变气门升程机构和连续可变气门正时机构；控制所述缸内直喷式高压喷油器、所述缸内直喷式高压喷水器、所述火花塞和所述高压缩比活塞的动作，以及：所述两阶段可变气门升程机构控制所述进气门和所述排气门的升程变化，以及：所述连续可变气门正时机构控制所述进气门和所述排气门的开启时刻，并结合外部废气再循环系统，以使所述发动机燃烧系统以理论空燃比下的均质压燃和火花点燃相结合的方式进行燃烧，以实现废气再循环率大于30％的稳定燃烧。
<实施例一>
本实施例提供一种发动机燃烧系统，如图2所示，所述发动机系统包括发动机进排气系统10和发动机燃烧系统20，其中：所述发动机进排气系统10包括节气门11、进气歧管12、外部废气再循环系统13、排气歧管14、废气后处理装置15和消声器16，新鲜空气通过节气门11和进气歧管12，进入发动机燃烧系统20内部，所述发动机燃烧系统20产生的废气通过所述排气歧管14、所述废气后处理装置15和所述消声器16排出，或通过所述外部废气再循环系统13返回至所述发动机燃烧系统20；所述发动机燃烧系统20与所述进气歧管12通过进气门17相连通，所述发动机燃烧系统20与所述排气歧管14通过排气门18相连通；所述发动机燃烧系统20包括缸内直喷式高压喷油器21、缸内直喷式高压喷水器22、火花塞23、高压缩比活塞24、两阶段可变气门升程机构25和连续可变气门正时机构26；控制所述缸内直喷式高压喷油器21、所述缸内直喷式高压喷水器22、所述火花塞23和所述高压缩比活塞24的动作，以及：所述两阶段可变气门升程机构25控制所述进气门17和所述排气门18的升程变化，以及：所述连续可变气门正时机构26控制所述进气门17和所述排气门18的开启时刻，并结合外部废气再循环系统，以使所述发动机燃烧系统以理论空燃比下的均质压燃和火花点燃相结合的方式进行燃烧，从而实现废气再循环率大于30％的稳定燃烧。具体的，所述外部废气再循环系统13和所述发动机燃烧系统20并联，所述外部废气再循环系统13和所述发动机燃烧系统20的连接点分别为位于所述排气歧管14后端的取废气口19和所述节气门11的后端；所述发动机燃烧系统20以理论空燃比下的均质压燃和火花点燃相结合的方式进行燃烧，形成第一种废气和第二种废气，所述第一种废气滞留在所述发动机燃烧系统20中继续燃烧，所述第二种废气由所述发动机燃烧系统20和排气歧管14排出，形成第三种废气和第四种废气，所述第三种废气由所述取废气口19进入所述外部废气再循环系统13，由所述节气门11的后端返回所述发动机燃烧系统20，所述第四种废气完全排出所述废气后处理装置15和消声器16；所述废气再循环率为：(M1+M3)/(M0+M1+M3)，其中，M1为所述第一种废气质量，M3为所述第三种废气质量，M0为所述新鲜空气质量。
进一步的，如图2所示，在所述的发动机燃烧系统中，所述外部废气再循环系统13包括中冷器131、旁通阀132和高压EGR阀133，所述中冷器131的一端连接所述取废气口19，另一端连接所述高压EGR阀133的前端，所述旁通阀132与所述中冷器131并联，所述高压EGR阀133的后端连接所述节气门11的后端；当所述旁通阀132开启时，所述第三种废气通过所述取废气口19、所述旁通阀132直接流经所述高压EGR阀133；当所述旁通阀132关闭时，所述第三种废气通过所述取废气口19先进入所述中冷器131，再流经所述高压EGR阀133；通过电机驱动所述高压EGR阀133开合，控制所述高压EGR阀133的流通面积，调节所述第三种废气的流量。
如图3所示，在所述的发动机燃烧系统中，所述缸内直喷式高压喷油器21位于发动机燃烧室27顶部中间区域；所述缸内直喷式高压喷水器22位于所述进气歧管12下方；所述火花塞23位于所述排气歧管14侧的燃烧室27顶部；所述高压缩比活塞24使得所述燃烧室27的几何压缩比不小于11:1；所述两阶段可变气门升程机构25控制所述进气门17和所述排气门18的升程为第一升程或第二升程，所述第一升程小于所述第二升程；所述连续可变气门正时机构26控制所述进气门17和所述排气门18的开启时刻。
具体的，如图4所示，在所述的发动机燃烧系统中，在所述发动机燃烧系统20中，第一阶段为膨胀冲程，高压缩比活塞24向燃烧室27容积增大的方向运动，第二阶段为排气冲程，所述排气门18打开，第三阶段为进气冲程，所述进气门17打开，第四阶段为压缩冲程，高压缩比活塞24向所述燃烧室27容积减小的方向运动；所述第一阶段至所述第四阶段反复循环，所述第二阶段和所述第三阶段之间的时间点为进气上止点，所述第四阶段与所述第一阶段之间的时间点为压缩上止点。
如图5所示，在所述的发动机燃烧系统中，当发动机转速小于第一速度值a，且发动机负荷小于第一负荷值时b1，发动机工况位于第一区域；当所述发动机转速小于所述第一速度值a，且发动机负荷大于所述第一负荷值b1，小于第二负荷值b2时，发动机工况位于第二区域；当所述发动机转速大于所述第一速度值a，且发动机负荷小于所述第三负荷值b3时，发动机工况位于第四区域；当发动机负荷大于所述第二负荷值b2或第三负荷值b3时，发动机工况位于第三区域；所述第一负荷值b1小于所述第三负荷值b3，所述第三负荷值b3小于所述第二负荷值b2。
如图6所示，在所述的发动机燃烧系统中，当发动机工况位于第一区域时，在所述外部废气再循环系统13中，打开所述旁通阀132，使所述第三种废气绕开所述中冷器131的冷却，保持原始高的温度经所述高压EGR阀133进入发动机燃烧系统20；在所述两阶段可变气门升程机构25控制所述进气门17和所述排气门18的升程均为所述第一升程；所述连续可变气门正时机构26控制所述排气门18在进气上止点之前关闭，所述进气门17在进气上止点之后打开，所述进气门17和所述排气门18在进气上止点附近均处于关闭状态；所述缸内直喷式高压喷油器21在进气上止点附近完成燃油的喷射；所述火花塞23在压缩上止点前采用火花点火。
如图7所示，在所述的发动机燃烧系统中，当发动机工况位于第二区域时，在所述外部废气再循环系统13中，关闭所述旁通阀132，使所述第三种废气通过所述中冷器131的冷却，降低温度经所述高压EGR阀133进入发动机燃烧系统20；在所述两阶段可变气门升程机构25控制所述进气门17和所述排气门18的升程均为所述第一升程；所述连续可变气门正时机构26控制所述排气门18在进气上止点之前关闭，所述进气门17在进气上止点之后打开，所述进气门17和所述排气门18在进气上止点附近均处于关闭状态；所述缸内直喷式高压喷油器21在进气上止点附近完成燃油的喷射；所述缸内直喷式高压喷水器22在第四阶段前期完成水的喷射；所述火花塞23在压缩上止点前采用火花点火。
如图8所示，在所述的发动机燃烧系统中，当发动机工况位于第三区域时，在所述外部废气再循环系统13中，关闭所述旁通阀132，使所述第三种废气通过所述中冷器131的冷却，关闭或减小所述高压EGR阀133的流通面积；在所述两阶段可变气门升程机构25控制所述进气门17和所述排气门18的升程均为所述第二升程；所述缸内直喷式高压喷油器21在所述第三阶段前期完成燃油的喷射；所述缸内直喷式高压喷水器22在第四阶段前期完成水的喷射；所述火花塞23在压缩上止点前采用火花点火。
如图9所示，在所述的发动机燃烧系统中，当发动机工况位于第四区域时，在所述外部废气再循环系统13中，关闭所述旁通阀132，使所述第三种废气通过所述中冷器131的冷却，关闭或减小所述高压EGR阀133的流通面积；在所述两阶段可变气门升程机构25控制所述进气门17和所述排气门18的升程均为所述第二升程；所述缸内直喷式高压喷油器21在所述第三阶段前期完成燃油的喷射；所述火花塞23在压缩上止点前采用火花点火。
本发明通过理论空燃比下的压燃和点燃相结合的复合燃烧模式实现了EGR率大于30％的高废气稀释度燃烧，提高了发动机在低中负荷下的燃油经济性。并通过缸内直喷水，抑制了中负荷和高负荷下的爆震燃烧，降低了油耗，从而改善了发动机整体的燃油经济性。本发明不仅适用于在自然吸气发动机上使用本燃烧系统，也可以在增压发动机(包括涡轮增压发动机、机械增压发动机或者机械加涡轮增压的发动机)上使用该燃烧系统。
综上，上述实施例对发动机系统及燃烧方法的不同构型进行了详细说明，当然，本发明包括但不局限于上述实施中所列举的构型，任何在上述实施例提供的构型基础上进行变换的内容，均属于本发明所保护的范围。本领域技术人员可以根据上述实施例的内容举一反三。
<实施例二>
本实施例还提供一种发动机系统燃烧方法，如图2～8所示，所述发动机系统燃烧方法包括：新鲜空气通过节气门11和进气歧管12，进入发动机燃烧系统20内部，所述发动机燃烧系统20产生的废气通过排气歧管14、废气后处理装置15和消声器16排出，或通过外部废气再循环系统13，返回所述发动机燃烧系统20；控制缸内直喷式高压喷油器21、缸内直喷式高压喷水器22、火花塞23和高压缩比活塞24的动作，以及：两阶段可变气门升程机构25控制所述进气门17和所述排气门18的升程变化，以控制所述进气歧管12向所述发动机燃烧系统20提供的进气量和所述发动机燃烧系统20向所述排气歧管14提供的排气量，以及：连续可变气门正时机构26控制所述进气门17和所述排气门18的开启时刻，并结合外部废气再循环系统，以使所述发动机燃烧系统以理论空燃比下的均质压燃和火花点燃相结合的方式进行燃烧，从而实现废气再循环率大于30％的稳定燃烧。
为了解决上述背景技术中所述的现有的外部废气再循环系统13稀释燃烧面临的低负荷稀释度不够和燃烧稳定性差的问题，以及中负荷抗爆震性能的不足，本发明提出了一种理论空燃比条件下高废气稀释度复合燃烧系统和方法。由于采用了理论空燃比，避免了空气稀释带来了NOx排放的问题。所谓高废气稀释度是指通过外部废气再循环系统13和发动机燃烧系统20共同实现EGR率大于30％。而所谓复合燃烧是指将理论空燃比下的均质压燃和火花点燃相结合的燃烧方式。
本发明中实现外部废气再循环系统13的系统构成如图2所示，包括中冷器131、旁通阀132、高压EGR阀133、以及连接这些部件的管道。废气由位于排气歧管14处的取废气口19出来后有两种可能的走向。一种是在旁通阀132开启时，废气从旁通阀132直接流经高压EGR阀133，进入节气门之后的进气歧管12。另外一种是在旁通阀132关闭时，废气先进入中冷器131，然后流经高压EGR阀133，最后进入节气门11之后的进气歧管12。在这两种流动方向中，废气的流量通过控制电机驱动的高压EGR阀133的流通面积来实现连续可调。包括缸内直喷式高压喷油器21、缸内直喷式高压喷水器22、火花塞23、高压缩比活塞24、两阶段可变气门升程机构25、连续可变气门正时机构26以及对于每个气缸设计有双进气门及其对应的双进气道的汽油机。其中，缸内直喷式高压喷油器21布置在燃烧室27顶部中间区域，缸内直喷式高压喷水器22位于进气歧管12下方，火花塞23布置在向排气侧燃烧室27顶部，高压缩比活塞24使得几何压缩比达到12:1以上。两阶段进排气升程机构可以实现进排气门18升程在大升程和小升程之前切换，分别如图4中的实线和点画线所示。而进排气连续可变气门正时可以连续改变进排气门的开启时刻。
图5为本发明提出的在发动机系统整个运行工况图中的理论空燃比废气稀释燃烧区域。其中，高废气稀释度复合燃烧主要集中在影响整车油耗最重要的第一区域I和第二区域II，而第三区域III采用理论空燃比的缸内喷水、火花点燃的燃烧方式，第四区域IV采用理论空燃比的火花点燃式燃烧方式。以下将对这四个区域采取的策略详细说明。
在第一区域I的低速低负荷工况，本发明专利提出了理论空燃比高废气稀释度复合燃烧方式的策略。高废气稀释通过高压的外部废气再循环系统13和发动机燃烧系统20实现，总的EGR率大于30％。对于外部废气再循环系统13，如图2所示，打开旁通阀132，使废气不经过中冷器131的冷却，保持原始高的温度经高压EGR阀133进入发动机燃烧系统20。废气的流量通过控制电机驱动的高压EGR阀133实现连续可调。这种废气不经过冷却的外部废气再循环系统13，有助于发动机系统在高EGR率下保持良好的燃烧稳定性。而对于发动机燃烧系统20，如图6所示，控制进排气门18到小气门升程，且通过气门正时的控制实现负气门重叠，即排气门18在进气上止点之前关闭、进气门17在进气上止点之后打开，进排气门18在进气上止点附近均处于关闭状态。通过这种方式，使发动机燃烧系统20在缸内产生了滞留废气，即内部废气再循环。最终通过外部和发动机燃烧系统20的内部废气实现了总的EGR率大于30％的目标。在传统的火花点燃燃烧模式下，30％的EGR率会导致小负荷下的燃烧温度性变差，达不到节油的效果。为此，本专利配合高几何压缩比(大于11:1)和喷油时刻的优化控制，使得混合气在压缩上止点附近达到或接近自燃温度，实现均质混合气压燃燃烧，利用压燃燃烧速度快的优势，解决发动机系统燃烧稳定性差的问题。如图6所示，缸内直喷喷油器在负气门重叠期完成燃油的喷射。此时，燃油在缸内高温缺氧的废气环境下发生化学重整反应，产生一氧化碳、氢气、甲烷和短链碳氢化合物，这些成分均有利于加快火焰传播的速度和燃烧放热率。同时，高温的混合气在高压缩比活塞24的作用下重新被压缩，从而在压缩上止点附近达到或接近自燃温度。这两方面的特点保证了混合气在压缩上止点附近达到或接近了多点自燃的条件，为实现多点压燃创造了条件。在本专利中，为了充分挖掘理论空燃比下的废气高稀释度燃烧的节油潜力，本专利在压燃的同时也采用火花助燃的复合燃烧模式，从而确保EGR率大于30％的稳定燃烧。
在第二区域II的低速中负荷工况，仍然采用理论空燃比高废气稀释度复合燃烧模式。但和第一区域I不同的是，爆震燃烧成为除燃烧稳定性以外的另一个制约发动机系统热效率提升的因素。为此，在第二区域II中引入了高压EGR废气的中冷功能和缸内直喷水技术。如下阐述具体的工作过程。高废气稀释包括外部废气再循环系统13和发动机燃烧系统20，总的EGR率大于30％。对于外部废气再循环系统13，如图2所示，关闭旁通阀132，使废气经过中冷器131的冷却经高压EGR阀133进入发动机燃烧系统20。废气的流量通过控制电机驱动的高压EGR阀133实现连续可调。EGR废气经过中冷器131的冷却之后，降低了废气的温度，减弱了发动机系统产生爆震的倾向，达到最佳的发动机系统油耗改善。而对于发动机燃烧系统20，如图7所示，控制进排气门18到小气门升程，且通过气门正时的控制实现负气门重叠，即排气门18在进气上止点之前关闭、进气门17在进气上止点之后打开，进排气门18在进气上止点附近均处于关闭状态。通过这种方式，使发动机燃烧系统20在缸内产生了滞留废气，即内部废气再循环。最终通过外部废气再循环系统13和发动机燃烧系统20的内部废气实现了总的EGR率大于30％的目标。和第一区域I的喷油策略类似，燃油在负气门重叠期完成喷射，并结合高压缩比活塞24对混合气的压缩加热作用，为均质压燃创造条件，从而支持废气高稀释度的稳定燃烧。但是在中负荷工况下，均质压燃的燃烧速度快的特点，在稳定稀释燃烧的同时，也带来了爆震燃烧的问题。为此，本专利引入了缸内直喷水技术。如图7所示，水在压缩冲程完成喷射，利用水高比热容吸热的作用，降低混合气和燃烧时的温度，达到抑制爆震的效果。同时，压缩上止点附近也采用了火花助燃的方式，在稳定燃烧的前提下，也实现了燃烧相位的可靠控制。
由于在第一区域I和第二区域II为实现复合燃烧模式而采用的高压缩比设计，会使得第三区域III的高负荷工况面临强烈的爆震燃烧，不仅导致热效率恶化，也会限制扭矩的输出。为此，在第三区域III的工况下，关闭图2所示的旁通阀132，并控制高压EGR阀133使其处于关闭或小开度状态。同时，如图8所示，控制进排气门18到大气门升程，且通过气门正时的控制实现对内部废气再循环率的控制。从而总体上减小外部和内部废气再循环率。缸内直喷喷油在进气门17开启的进气冲程完成喷射，而用来抑制爆震的关键措施，即缸内直喷水在压缩冲程喷射，并在随后的火花点火作用下实现点燃式燃烧。
在第四区域IV的高速低负荷工况，采用低废气稀释度火花点燃式燃烧，并关闭缸内直喷水。具体而言，关闭图2所示的旁通阀132，并控制高压EGR阀133使其处于关闭或小开度状态。同时，如图8所示，控制进排气门18到大气门升程，且通过气门正时的控制实现对内部废气再循环率的控制。从而总体上减小外部和内部废气再循环率。缸内直喷喷油在进气冲程完成喷射，关闭缸内直喷水，最终实现火花点燃式燃烧。
在本发明提供的发动机系统及燃烧方法中，通过发动机燃烧系统20的内部废气和外部废气再循环系统13的协调控制，在影响整车油耗的关键区域，即低速低负荷区域实现了EGR率超过30％的高废气稀释度燃烧。
本发明提出了理论空燃比条件下，均质压燃和火花点燃相结合的复合燃烧模式来实现高废气稀释度的稳定燃烧，从而提高发动机13低负荷和中负荷下的燃油经济性。
本发明提出了通过缸内直喷水来抑制中负荷下复合燃烧模式的爆震，以及高负荷下点燃式燃烧模式的爆震，从而提高发动机系统中负荷和高负荷下的燃油经济性。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (12)

1.一种发动机系统，其特征在于，所述发动机系统包括发动机进排气系统和发动机燃烧系统，其中：
所述发动机进排气系统包括节气门、进气歧管、排气歧管、废气后处理装置、消声器和外部废气再循环系统；
所述外部废气再循环系统包括中冷器、旁通阀和高压EGR阀，所述中冷器的一端连接取废气口，另一端连接所述高压EGR阀的前端，所述旁通阀与所述中冷器并联，所述高压EGR阀的后端连接所述节气门的后端；
新鲜空气通过所述节气门和所述进气歧管，进入发动机燃烧系统内部；
所述发动机燃烧系统产生的废气通过所述排气歧管、所述废气后处理装置和所述消声器排出，或通过所述外部废气再循环系统的中冷器或旁通阀返回至所述发动机燃烧系统；
所述发动机燃烧系统与所述进气歧管通过进气门相连通，所述发动机燃烧系统与所述排气歧管通过排气门相连通；
所述发动机燃烧系统包括缸内直喷式高压喷油器、缸内直喷式高压喷水器、火花塞、高压缩比活塞、两阶段可变气门升程机构和连续可变气门正时机构；
控制所述缸内直喷式高压喷油器、所述缸内直喷式高压喷水器、所述火花塞和所述高压缩比活塞的动作，以及：
所述两阶段可变气门升程机构控制所述进气门和所述排气门的升程变化，以及：
所述连续可变气门正时机构控制所述进气门和所述排气门的开启时刻，并结合外部废气再循环系统，以使所述发动机燃烧系统以理论空燃比下的均质压燃和火花点燃相结合的方式进行燃烧，以实现废气再循环率大于30%的稳定燃烧；
其中，结合外部废气再循环系统包括：若发动机转速小于第一速度值且发动机负荷小于第一负荷值，则打开所述旁通阀；否则，关闭所述旁通阀；
当发动机转速小于第一速度值，且发动机负荷小于第一负荷值时，发动机工况位于第一区域；当发动机工况位于第一区域时，在所述两阶段可变气门升程机构控制所述进气门和所述排气门的升程均为第一升程；
所述连续可变气门正时机构控制所述排气门在进气上止点之前关闭，所述进气门在进气上止点之后打开，所述进气门和所述排气门在进气上止点附近均处于关闭状态。
2.如权利要求1所述的发动机系统，其特征在于，所述外部废气再循环系统和所述发动机燃烧系统并联，所述外部废气再循环系统和所述发动机燃烧系统的连接点分别为位于所述排气歧管后端的取废气口和所述节气门的后端；
所述发动机燃烧系统进行燃烧，产生第一种废气和第二种废气，所述第一种废气滞留于所述发动机燃烧系统中继续燃烧，所述第二种废气由所述发动机燃烧系统和排气歧管排出，形成第三种废气和第四种废气，所述第三种废气由所述取废气口进入所述外部废气再循环系统，由所述节气门的后端返回所述发动机燃烧系统，所述第四种废气完全排出所述废气后处理装置和消声器。
3.如权利要求2所述的发动机系统，其特征在于，所述废气再循环率为：
(M1+M3)/(M0+M1+M3)，
其中，M1为所述第一种废气质量，M3为所述第三种废气质量，M0为新鲜空气质量。
4.如权利要求2所述的发动机系统，其特征在于，所述外部废气再循环系统包括中冷器、旁通阀和高压EGR阀，所述中冷器的一端连接所述取废气口，另一端连接所述高压EGR阀的前端，所述旁通阀与所述中冷器并联，所述高压EGR阀的后端连接所述节气门的后端；
当所述旁通阀开启时，所述第三种废气通过所述取废气口、所述旁通阀直接流经所述高压EGR阀；
当所述旁通阀关闭时，所述第三种废气通过所述取废气口先进入所述中冷器，再流经所述高压EGR阀；
通过电机驱动所述高压EGR阀开合，控制所述高压EGR阀的流通面积，调节所述第三种废气的流量。
5.如权利要求4所述的发动机系统，其特征在于，所述缸内直喷式高压喷油器位于发动机燃烧室顶部中间区域；所述缸内直喷式高压喷水器位于所述进气歧管下方；所述火花塞位于所述排气歧管侧的燃烧室顶部；所述高压缩比活塞使得所述燃烧室的几何压缩比不小于11：1；所述两阶段可变气门升程机构控制所述进气门和所述排气门的升程为第一升程或第二升程，所述第一升程小于所述第二升程。
6.如权利要求5所述的发动机系统，其特征在于，在所述发动机燃烧系统中，第一阶段为膨胀冲程，高压缩比活塞向燃烧室容积增大的方向运动，第二阶段为排气冲程，所述排气门打开，第三阶段为进气冲程，所述进气门打开，第四阶段为压缩冲程，高压缩比活塞向燃烧室容积减小的方向运动；
所述第一阶段至所述第四阶段反复循环，所述第二阶段和所述第三阶段之间的时间点为进气上止点，所述第四阶段与所述第一阶段之间的时间点为压缩上止点。
7.如权利要求6所述的发动机系统，其特征在于，
当所述发动机转速小于所述第一速度值，且发动机负荷大于所述第一负荷值，小于第二负荷值时，发动机工况位于第二区域；
当所述发动机转速大于所述第一速度值，且发动机负荷小于第三负荷值时，发动机工况位于第四区域；
当发动机负荷大于所述第二负荷值或第三负荷值时，发动机工况位于第三区域；
所述第一负荷值小于所述第三负荷值，所述第三负荷值小于所述第二负荷值。
8.如权利要求7所述的发动机系统，其特征在于，当发动机工况位于第一区域时，
在所述外部废气再循环系统中，打开所述旁通阀，使所述第三种废气绕开所述中冷器的冷却，保持原始高的温度经所述高压EGR阀进入发动机燃烧系统；
所述缸内直喷式高压喷油器在进气上止点附近完成燃油的喷射；
所述火花塞在压缩上止点前采用火花点火。
9.如权利要求7所述的发动机系统，其特征在于，当发动机工况位于第二区域时，
在所述外部废气再循环系统中，关闭所述旁通阀，使所述第三种废气通过所述中冷器的冷却，降低温度经所述高压EGR阀进入发动机燃烧系统；
在所述两阶段可变气门升程机构控制所述进气门和所述排气门的升程均为所述第一升程；
所述连续可变气门正时机构控制所述排气门在进气上止点之前关闭，所述进气门在进气上止点之后打开，所述进气门和所述排气门在进气上止点附近均处于关闭状态；
所述缸内直喷式高压喷油器在进气上止点附近完成燃油的喷射；
所述缸内直喷式高压喷水器在第四阶段前期完成水的喷射；
所述火花塞在压缩上止点前采用火花点火。
10.如权利要求7所述的发动机系统，其特征在于，当发动机工况位于第三区域时，
在所述外部废气再循环系统中，关闭所述旁通阀，使所述第三种废气通过所述中冷器的冷却，关闭或减小所述高压EGR阀的流通面积；
在所述两阶段可变气门升程机构控制所述进气门和所述排气门的升程均为所述第二升程；
所述缸内直喷式高压喷油器在所述第三阶段前期完成燃油的喷射；
所述缸内直喷式高压喷水器在第四阶段前期完成水的喷射；
所述火花塞在压缩上止点前采用火花点火。
11.如权利要求7所述的发动机系统，其特征在于，当发动机工况位于第四区域时，
在所述外部废气再循环系统中，关闭所述旁通阀，使所述第三种废气通过所述中冷器的冷却，关闭或减小所述高压EGR阀的流通面积；
在所述两阶段可变气门升程机构控制所述进气门和所述排气门的升程均为所述第二升程；
所述缸内直喷式高压喷油器在所述第三阶段前期完成燃油的喷射；
所述火花塞在压缩上止点前采用火花点火。
12.一种发动机系统燃烧方法，其特征在于，所述发动机系统燃烧方法包括：
新鲜空气通过节气门和进气歧管，进入发动机燃烧系统内部；
所述发动机燃烧系统产生的废气通过排气歧管、废气后处理装置和消声器排出，或通过外部废气再循环系统的中冷器或旁通阀返回至所述发动机燃烧系统；
控制缸内直喷式高压喷油器、缸内直喷式高压喷水器、火花塞和高压缩比活塞的动作，以及：
两阶段可变气门升程机构控制进气门和排气门的升程变化，以控制所述进气歧管向所述发动机燃烧系统提供的进气量和所述发动机燃烧系统向所述排气歧管提供的排气量，以及：
连续可变气门正时机构控制所述进气门和所述排气门的开启时刻，并结合外部废气再循环系统，以使所述发动机燃烧系统以理论空燃比下的均质压燃和火花点燃相结合的方式进行燃烧，以实现废气再循环率大于30%的稳定燃烧；
其中，结合外部废气再循环系统包括：
若发动机转速小于第一速度值且发动机负荷小于第一负荷值，则打开所述旁通阀；否则，关闭所述旁通阀；
当发动机转速小于第一速度值，且发动机负荷小于第一负荷值时，发动机工况位于第一区域；当发动机工况位于第一区域时，在所述两阶段可变气门升程机构控制所述进气门和所述排气门的升程均为第一升程；
所述连续可变气门正时机构控制所述排气门在进气上止点之前关闭，所述进气门在进气上止点之后打开，所述进气门和所述排气门在进气上止点附近均处于关闭状态。
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