CN111365133B - 一种多燃料充量压缩燃烧发动机燃烧系统及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多燃料充量压缩燃烧发动机燃烧系统及控制方法，涉及内燃机技术领域，包括：燃烧室、传感系统、控制器、喷射系统，其特征在于，所述喷射系统被配置为能够向所述燃烧室喷射至少两种燃料以在所述燃烧室内形成混合气，所述控制器被配置为能够控制所述喷射系统对所述至少两种燃料的喷射，以使得所述燃烧室内的所述混合气形成浓度和活性分层，以在所述燃烧室内进行ICCI模式的燃烧。通过本发明的实施，可以灵活实现缸内混合气的浓度和活性分层，从而形成最佳的燃料活性梯度，确保发动机在各个工作状况下保持最佳的热效率和最低的排放，在机械工程领域，尤其在汽车发动机领域，具有非常突出的应用价值。

Description

一种多燃料充量压缩燃烧发动机燃烧系统及控制方法
技术领域
本发明属于内燃机技术领域，具体的涉及一种多燃料充量压缩燃烧发动机燃烧系统及控制方法。
背景技术
内燃机是一种通过使燃料在机器内部燃烧，并将其放出的热能直接转换为动力的发动机，常见的内燃机有柴油机和汽油机。
传统的柴油机采用高压缩比汽缸，当活塞运动到上止点附近时，向缸内直喷高十六烷值燃料，利用发动机活塞压缩到接近上止点时的高压缩比，形成高温混合气，从而引发燃料自燃着火的工作方式，其具有热效率高、工作稳定、一氧化碳和碳氢化合物排放低的优点；但是由于平均缸内混合气浓度较稀、喷雾与空气的混合时间短，且燃料与空气不能均匀混合，因此，在燃烧过程中，缸内始终存在局部高温区域和局部富燃区域，使得氮氧化物和碳烟的排放均较高且不能同时大幅度降低的缺点。对直喷柴油机而言，降低碳烟排放的常用方法是采用微粒捕集器，但是微粒捕集器通常面临系统寿命过短以及再生等问题；降低氮氧化物排放的常用方法是采用选择性催化还原等手段，但是上述手段容易导致氨气泄漏等问题；因此，直喷柴油机的尾气后处理装置结构复杂、成本高、效果不理想、且可靠性差。
传统的汽油机采用低压缩比汽缸，通过气道口喷射高辛烷值燃料和火花塞点火燃烧的工作方式，由于存在火焰的传播过程，使得火焰前锋产生较多的氮氧化物，汽油机具有热效率低、一氧化碳和碳氢化合物排放高的缺点，但是，因为其可以采用三元催化的后处理装置，得到比较低的尾气排放。
部分汽油机也有采用直喷式的方案，但是其依然存在热效率低的不足。
在柴油机和汽油机中，EGR(废气再循环)技术得到广泛运用，EGR是指把发动机排出的部分废气回送到进气歧管，并与新鲜混合气一起再次进入汽缸。由于废气中含有大量的CO2等气体，而CO2等气体不能燃烧且比热容高，进而吸收大量的热，从而使汽缸中混合气的最高燃烧温度降低，最终减少NOx的生成量，EGR系统一般依靠EGR阀调节控制EGR废气的流量。
为了改善柴油机的高排放问题和汽油机的低热效率问题，逐步出现了均质充量压缩着火(Homogeneous Charge Compression Ignition,HCCI)燃烧模式,均质充量压缩着火燃烧模式采用均匀混合气，配合较高的压缩比，实现了混合气的压缩着火，由于混合气的放热反应是在整个燃烧室空间内同时发生，没有火焰传播过程，也不存在局部过浓或者局部高温现象，所以热效率非常高，同时氮氧化物、碳烟排放极低。但是由于均质充量压缩着火燃烧模式的着火过程完全依赖于化学发应动力学，其温度、压力、混合气理化特性等都会对着火时刻、放热速率产生影响，因而均质压燃模式存在着燃烧相位、速率难以控制的技术难题，小负荷容易失火、燃烧不稳定，大负荷则容易产生爆震，上述不足使得均质充量压缩着火燃烧模式的工作负荷范围极其狭窄，限制了均质充量压缩着火燃烧模式的实际应用和推广。
在均质充量压缩着火燃烧模式之后出现了汽油/柴油双燃料发动机，这种发动机采用气道口喷射低活性燃料形成均质混合气，然后在上止点附近采用直喷高活性燃料的方式点燃。从宏观上来看，汽油/柴油双燃料发动机是两种燃料同时集中放热的燃烧模式，具有较低的氮氧化物和碳烟排放。但是其不足主要表现在，一方面由于采用气道口喷射低活性燃料的方式，发动机泵气损失较高、充量系数降低、爆震倾向增加、碳氢化合物和一氧化碳排放较高，进而导致热效率低于常规直喷柴油机；整个发动机的过量空气系数大于1，碳烟排放依然存在，氮氧化物仍然较高，且无法采用三元催化转化器将碳氢化合物、一氧化碳、氮氧化物排放完全转化；另一方面，由于燃油喷射时刻的调节范围受到限制，不能在整个循环过程中的任意时刻对喷油时刻和喷油量进行调控，进而无法依据发动机不同的工作状况条件在缸内形成灵活、可靠的浓度和活性分层，因而不能满足在不同工况条件下，达到最大热效率和最低排放状态的要求。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提出一种多燃料充量压缩燃烧发动机燃烧系统及控制方法，可以依据不同的发动机工作状况，在发动机的整个循环过程中的任意时刻进行调控，以在缸内形成灵活、可靠的燃料浓度和活性分层，满足不同工作状况条件下的最大热效率和最低排放的需求。
本案发明人经过潜心研究，发现为了谋求发动机的排放在较低水平时，不仅具有较高的热效率，还要具备满足可以广泛应用和推广的工作负荷范围，需要对发动机燃烧室内的燃烧进行优化。根据发动机所处的不同工作状况，灵活实现缸内混合气在对应工作状况所需的浓度和活性分层，从而形成不同工作状况下燃料的最佳活性梯度，进而进行充量压缩着火的燃烧模式，可以满足不同工作状况条件下的最大热效率和最低排放的需求，上述燃烧模式称为智能充量压缩着火(Intelligent Charge Compression Ignition,ICCI)燃烧模式；如果能够在一个发动机循环内实现缸内混合气的浓度和活性分层，将更加具有有益性。所述最佳活性梯度是指可以使发动机达到最佳工作状态的缸内燃料的分层状态，所述最佳工作状态是指发动机的热效率和排放达到最佳。
为实现以上目的，本发明公开了一种多燃料充量压缩燃烧发动机燃烧系统，包括：燃烧室、控制器、喷射系统，其中，所述喷射系统被配置为能够向所述燃烧室喷射至少两种燃料以在所述燃烧室内形成混合气；所述至少两种燃料的喷射时刻范围为-360°CA ATDC～360°CA ATDC；以及所述控制器被配置为能够控制所述喷射系统对所述至少两种燃料的喷射，以使得所述燃烧室内的所述混合气形成浓度和活性分层。
本发明中，TDC表示曲轴上止点，ATDC表示上止点之后曲轴转角，°CA表示曲轴转角单位。
所述燃烧室内的燃烧模式为ICCI燃烧模式。
所述至少两种燃料包括第一燃料、第二燃料、第三燃料；所述喷射系统被配置为能够将所述第一燃料和所述第二燃料直接喷射入所述燃烧室，以及将所述第三燃料喷射入与所述燃烧室连通的进气道。
所述控制器被配置为能够使得所述第一燃料、所述第二燃料和所述第三燃料的喷射互相独立。
所述第一燃料、所述第二燃料互相独立的喷射，可以实现不同特性和浓度的燃料的喷射组合，也可以实现同种混合燃料不同浓度的喷射组合，并通过所述喷射系统在进气道辅助喷射所述第三燃料，进而促进缸内混合气形成任意的浓度和活性分层，从而形成具有最佳的燃料活性梯度的缸内混合气。
本发明的其中一个技术方案中，所述第一燃料包括低沸点、高辛烷值燃料；所述第二燃料包括高沸点、高十六烷值燃料；所述第三燃料包括辅助燃料和/或添加剂。
所述低沸点、高辛烷值燃料是指需要使用火花塞点火才能燃烧的燃料；所述高沸点、高十六烷值燃料是指通过发动机的活塞压缩就可以着火的燃料。
本发明的其中一个较佳技术方案中，所述第一燃料包括以下一种或多种化合物：汽油、甲醇、乙醇、丙醇、丁醇、异辛烷；所述第二燃料包括以下一种或多种化合物：柴油、费托合成柴油、生物柴油、二甲醚、正庚烷、聚甲氧基二甲醚。
本技术方案利用高十六烷值燃料的压燃特性，使得放热反应在整个燃烧室空间内发生，没有火焰传播过程，不存在局部过浓或者局部高温现象。
本发明的其中一个较佳技术方案中，所述第一燃料的喷射时刻范围为-360°CAATDC～360°CA ATDC；所述第二燃料的喷射时刻范围为-360°CA ATDC～360°CA ATDC；所述第三燃料的喷射时刻根据发动机所处的状态调整；当发动机爆震特别严重甚至有可能损坏到发动机时，喷射所述第三燃料，所述第三燃料包括爆震抑制剂；当发动机燃烧室内燃料的活性太低而不能压燃时，喷射所述第三燃料，所述第三燃料包括十六烷值增强剂。
本发明的其中一个技术方案中，所述喷射系统为共轨喷射系统。
本发明的其中一个技术方案中，所述控制器被配置为能够依据发动机的工作状态实时控制所述喷射系统。
所述工作状态包括理想工作状态、当前工作状态，所述理想工作状态是指当前的工作状况条件下的发动机能够达到的最大热效率和最低排放的状态；所述工作状态包括以下一种或多种参数：发动机的转速、燃烧相位、燃烧持续期。
本发明中，对所述发动机的工作状况进行划分，在汽缸的循环期间内，所述喷射系统可以在整个发动机循环过程中的任意时刻进行调控，采取不同的所述喷射策略，有利于实现燃料在所述燃烧室内的最优分布。发动机的工作状况可划分为怠速、起步、小负荷、中负荷、大负荷或全负荷，所述怠速工作状况，指发动机无负载运转状态；所述起步工作状况，指发动机的输出转矩为额定转矩的10％以内的工作状况；所述小负荷工作状况，指发动机的输出转矩为额定转矩的10％至25％以内的工作状况；所述中负荷工作状况，指发动机的输出转矩为额定转矩的25％～85％范围内的工作状况；所述大负荷或全负荷工作状况，指发动机的输出转矩为额定转矩的85％以上的工作状况。
所述控制器被配置能够获得所述发动机的所述理想工作状态和所述当前工作状态的差值，根据所述发动机处于的不同工作状况，采取相应的控制策略，实时调整所述喷射系统的喷射策略，对所述发动机进行闭环反馈控制。
所述喷射策略包括以下一种或多种参数：所述至少两种燃料的喷射次数、燃料喷射量、喷射时刻范围。
本发明的其中一个技术方案中，所述控制器被配置为能够根据多燃料智能充量压缩燃烧发动机运行的控制曲线图对包括所述喷射系统进行控制以及所述发动机的运行进行控制。
本发明的其中一个技术方案中，还包括传感系统，所述传感系统被配置为能够检测发动机的信息并将所述信息传送给所述控制器。
所述传感系统传送给所述控制器的所述信息包括以下一种或多种信息：曲轴位置信息、凸轮轴位置信息、汽缸内压力信息、爆震信息。
本发明的其中一个技术方案中，所述控制器被配置为能够根据包括所述曲轴位置信息、所述凸轮轴位置信息、所述汽缸内压力信息，计算所述发动机的所述理想工作状态和所述当前工作状态；所述控制器被配置为能够根据包括所述爆震信息，判断所述发动机是否处于爆震状态以及爆震程度。
本发明的另一个技术方案中，所述传感系统包括空气质量流量传感器、进气温度压力传感器、冷却水温度传感器、爆震传感器、空燃比传感器、曲轴位置传感器、凸轮轴位置传感器、汽缸压力传感器；所述曲轴位置传感器被配置为能够检测所述曲轴位置信息，所述凸轮轴位置传感器被配置为能够检测所述凸轮轴位置信息，所述汽缸压力传感器被配置为能够检测所述汽缸内压力信息，所述爆震传感器被配置为能够检测所述爆震信息。
所述控制器被配置为能够根据所述传感系统检测的所述发动机的信息，以及所述喷射系统反馈的信息，计算出所述发动机的所述当前工作状态和对应的所述理想工作状态，根据所述当前工作状态和所述理想工作状态的差值，实时调整所述喷射系统的所述喷射策略，使得所述燃烧室内的燃料混合气实现稳定的浓度和活性分层，从而形成具有最佳燃料活性梯度的混合气，进而在所述燃烧室内进行ICCI燃烧。通过所述控制器的控制，使得所述当前工作状态趋近或达到所述理想工作状态。
上述技术方案，具有低排放和高热效率的有意技术效果，所述发动机的额定输出力矩被配置为能够通过调整包括混合气的分布和组成进行调节，因而使得所述发送机具有比较宽的工作负荷范围。
本发明还公开了一种多燃料充量压缩燃烧发动机燃烧系统的控制方法，包括以下步骤：
感测发动机的当前工作状态；
采集爆震信息；
根据所述当前工作状态和所述爆震信息判断所述发动机是否处于爆震状态；
如果所述发动机处于爆震状态，则减少第一燃料和/或第二燃料的喷射量；以及依据所述发动机的爆震程度，打开废气再循环阀，通过废气再循环输送管路添加废气；
如果所述发动机未处于爆震状态，则计算所述发动机的理想工作状态，并实时调整向燃烧室内喷射的燃料，以使得所述燃烧室内的混合气形成浓度和活性分层，从而实现所述发动机在工作负荷范围内的瞬态过渡调节。
进一步地，根据以下一种或多种信息计算所述发动机的所述当前工作状态：曲轴位置信息、凸轮轴位置信息、汽缸内压力信息。
进一步地，根据所述爆震信息判断所述发动机是否处于爆震状态及爆震程度。
进一步地，以闭环反馈控制的方式调整向所述燃烧室内喷射的燃料。
进一步地，如果所述当前工作状态未发生变化，则重新判断所述发动机是否处于爆震状态。
本发明的另一个技术方案中，所述当前工作状态是否发生变化的方法为：
根据所述汽缸内压力信息，当所述汽缸内压力变化达到或超过预定阈值时，则认为所述发动机的所述当前工作状态发生了变化。
如上所述，与现有技术相比较，本发明具有如下有益效果：
1)本发明提供的一种多燃料充量压缩燃烧发动机燃烧系统及控制方法，采用能够互相独立喷射三种燃料的喷射系统，喷射系统喷射各种燃料的喷射策略能够在整个发动机循环过程中的任意时刻进行调控；能够实现全工作状况范围的闭路循环控制。
2)本发明提供的一种多燃料充量压缩燃烧发动机燃烧系统及控制方法，利用多种燃料的不同特性，并通过控制器的控制在燃烧室内实现ICCI燃烧模式，最大限度的提高发动机的热效率、降低排放，其氮氧化物排放完全满足国VI排放标准。
3)本发明提供的一种多燃料充量压缩燃烧发动机燃烧系统及控制方法，仅需对原型机进行简单的改造，结构简单，开发成本低，在机械工程领域，尤其在汽车发动机领域，具有非常突出的应用价值。
附图说明
图1是本发明一个较佳实施例的燃烧系统结构示意图；
图2是本发明图1所示实施例的控制方法流程图。
其中：1-汽缸，2-控制器，3-汽缸盖，4-第一直接喷射系统，41-第一油箱，42-第一滤清器，43-第一管路，44-第一油泵，45-第一回油管，46-第一油轨，47-第一油管，48-第一电控喷油器，5-第二直接喷射系统，51-第二油箱，52-第二滤清器，53-第二管路，54-第二油泵，55-第二油轨，56-第二回油管，57-第二油管，58-第二电控喷油器，6-气道口喷射系统，61-第三油箱，62-第三油管，63-第三电控喷油器，7-燃烧室，8-冷却水温度传感器，9-排气道，10-进气道，11-空气质量流量传感器，12-进气管，13-中冷器，14-进气温度压力传感器，15-排气阀，16-进气阀，17-爆震传感器，18-第一燃料，19-第二燃料，20-第三燃料。
具体实施方式
以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。
在本申请实施例的描述中，应该明晰，术语“中心”、“中”、“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“顶”、“底”、“侧”、“竖直”、“水平”、“上游”、“下游”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了方便描述本申请实施例和简化描述，而非指示或暗示所描述的装置或元件必须具有特定的方向或位置关系，即不能理解为对本申请实施例的限制；此外，术语“第一”、“第二”等仅用于方便描述或简化描述，而非指示或暗示其重要性。
图1示出了一种多燃料充量压缩燃烧发动机燃烧系统的示例性实施例的结构示意图，包括：设置在发动机内部的燃烧室7、传感系统、控制器2、喷射系统；汽缸1及汽缸盖3；活塞(图中未示出)，活塞设置于汽缸1内，活塞与汽缸1的内周壁及汽缸盖3之间划分出燃烧室7；进气道10，进气道10设置在汽缸盖3上，且与燃烧室7连通；进气管12，进气管12与进气道10连通；排气道9，排气道9设置在汽缸盖3上，且与燃烧室7连通；进气阀16，进气阀16设置在进气道10与燃烧室7连通处，进气阀16用于控制进气道10与燃烧室7的通断；排气阀15，排气阀15设置在排气道9与燃烧室7连通处，排气阀15用于控制排气道9与燃烧室7的通断；图1中仅示出了一个燃烧室7，发动机可以设置多个燃烧室7，多个燃烧室7可以共用一个进气管12。
传感系统被配置为检测发动机的信息并传送给控制器2；传感系统传送给控制器2的信息包括曲轴位置信息、凸轮轴位置信息、汽缸内压力信息、爆震信息；控制器2被配置为计算发动机的当前工作状态及理想工作状态，并实时调整喷射系统的喷射策略，使得燃烧室7内的燃烧模式为ICCI燃烧模式；理想工作状态是指当前的工作状况条件下的发动机能够达到的最大热效率和最低排放的工作状态；传感系统与控制器2电连接，传感系统被配置为检测反映发动机工作状态的信息，并将检测的信息传送给控制器2。
控制器2根据传感系统检测的发动机的信息，以及喷射系统反馈的信息，计算出当前工作状态的发动机的转速、燃烧相位和燃烧持续期以及当前动机工况下的理想的燃烧相位和燃烧持续期，根据当前工作状态和理想工作状态的差值，实时调整喷射系统的喷射策略，使得燃烧室7内的燃料混合气体实现稳定的浓度和活性分层，从而形成最佳的燃料活性梯度，进而在燃烧室7内进行ICCI燃烧；通过控制器2的控制，使得当前工作状态趋近或达到理想工作状态。
喷射系统包括直接喷射系统、气道口喷射系统6，直接喷射系统将燃料喷射到燃烧室7中，气道口喷射系统6将燃料喷射到进气道10中。
直接喷射系统包括第一直接喷射系统4、第二直接喷射系统5，第一直接喷射系统4喷射第一燃料18，第二直接喷射系统5喷射第二燃料19；气道口喷射系统6喷射第三燃料20；第一燃料18为低沸点、高辛烷值燃料；第二燃料19为高沸点、高十六烷值燃料；第三燃料20为辅助燃料和/或添加剂。
利用高十六烷值燃料的压燃特性，使得放热反应在整个燃烧室7空间内发生，没有火焰传播过程，不存在局部过浓或者局部高温现象。
在一些实施例中，第一燃料18为汽油、甲醇、乙醇、丙醇、丁醇、异辛烷中的一种或多种的组合；第二燃料19为柴油、费托合成柴油(F-T柴油)、生物柴油、二甲醚、正庚烷、聚甲氧基二甲醚(PODE)中的一种或多种的组合。
在一些优选实施例中，第一燃料18为汽油，第二燃料19为柴油。
在一些实施例中，第一直接喷射系统4和第二直接喷射系统5互相独立且均为共轨喷射系统；
共轨喷射系统将燃料压力产生和燃料喷射分离开来，采用电磁阀控制的电磁喷油器替代了传统的机械式喷油器，燃料油轨中的燃料压力由油泵产生，压力大小与发动机的转速无关，可在一定范围内自由设定，油轨中的燃料压力由一个电磁压力调节阀控制，根据发动机的工作需要进行连续压力调节；电控单元作用于电磁喷油器的电磁阀上的脉冲信号控制燃料的喷射过程，喷油量的大小取决于燃料油轨中的油压和电磁阀开启时间的长短，及喷油嘴液体流动特性。
采用共轨喷射系统，有利于减少喷油系统压力波动、降低各个喷油器的互相干扰，提高喷射压力的控制精度和喷油量的控制准确性；第一直接喷射系统4和第二直接喷射系统5互相独立，有利于降低控制复杂度，减少不同直接喷射系统之间的互相干扰；在另一些实施例中，第一直接喷射系统4和第二直接喷射系统5也可以采用非共轨喷射系统。
在一些优选实施例中，第一直接喷射系统4的喷射压力范围为20MPa至120MPa，第二直接喷射系统5的喷射压力范围为120MPa及以上。
第一直接喷射系统4喷射的第一燃料18为低活性燃料，其具有挥发性比较高、粘度比较低的特点，需要使用较低的喷射压力，如果使用过高的喷射压力，会导致第一燃料18在喷嘴内汽化。第一直接喷射系统4的喷射压力根据具体的第一燃料18在20MPa至120MPa范围内选择。
第二直接喷射系统5喷射的第二燃料19为高活性燃料，其具有挥发性比较低、粘度较高的特点，如果喷射压力低，会使的大的分子液滴不容易形成小分子液滴，从而导致第二燃料19的燃烧不完全；第二直接喷射系统5的喷射压力根据具体的第二燃料19在120MPa及以上范围内选择。
根据实际试验可知，当第一直接喷射系统4的喷射压力范围为20MPa至120MPa时，可以使第一燃料18达到最佳的雾化效果；当第二直接喷射系统5的喷射压力范围为120MPa及以上时，可以使第二燃料19达到最佳的雾化效果。
如图1所示，第一直接喷射系统4包括第一电控喷油器48、第一油箱41、第一滤清器42、第一油泵44、第一油管47、第一油轨46、第一管路43、第一回油管45；第一电控喷油器48安装在汽缸盖3上，第一电控喷油器48的喷嘴设置在燃烧室7内，第一燃料18存放在第一油箱41内，第一油泵44通过第一管路43分别连通第一油箱41和第一油轨46，在第一油泵44与第一油箱41连通的管路上设置有第一滤清器42，第一滤清器42用于过滤来自第一油箱41内的第一燃料18，通过第一油泵44可以使第一油轨46内的第一燃料18具有一定的压力，第一油管47连通第一油轨46的某个输出端口与第一电控喷油器48，将第一油管47内的第一燃料18输送到第一电控喷油器48；第一油轨46可以有多个并列的输出端口，各个第一油轨46的输出端口可以通过油管连通相应的电控喷油器；第一回油管45连通第一油轨46的回油口与第一油箱41，将第一油轨46内多余的第一燃料18回流第一油箱41。
第二直接喷射系统5包括第二电控喷油器58、第二油箱51、第二滤清器52、第二油泵54、第二油管57、第二油轨55、第二管路53、第二回油管56；第二电控喷油器58安装在汽缸盖3上，第二电控喷油器58的喷嘴设置在燃烧室7内，第二燃料19存放在第二油箱51内，第二油泵54通过第二管路53分别连通第二油箱51和第二油轨55，在第二油泵54与第二油箱51连通的管路上设置有第二滤清器52，第二滤清器52用于过滤来自第二油箱51内的第二燃料19，通过第二油泵54可以使第二油轨55内的第二燃料19具有一定的压力，第二油管57连通第二油轨55的某个输出端口与第二电控喷油器58，将第二油管57内的第二燃料19输送到第二电控喷油器58；第二油轨55可以有多个并列的输出端口，各个第二油轨55的输出端口可以通过油管连通相应的电控喷油器；第二回油管56连通第二油轨55的回油口与第二油箱51，将第二油轨55内多余的第二燃料19回流第二油箱51。
直接喷射系统需要较高的喷射压力，第一直接喷射系统4可以根据第一燃料18的特性以及发动机的工作状况，通过第一油泵44灵活调整第一油轨46内的第一燃料18的压力，进而控制第一电控喷油器48的喷射压力；第二直接喷射系统5可以根据第二燃料19的特性以及发动机的工作状况，通过第二油泵54灵活调整第二油轨55内的第二燃料19的压力，进而控制第二电控喷油器58的喷射压力。
气道口喷射系统6包括第三电控喷油器63、第三油箱61、第三油管62，第三电控喷油器63安装在进气道10上，第三电控喷油器63的喷嘴设置在进气道10内，第三燃料20存放在第三油箱61内，通过第三油管62直接连通第三电控喷油器63。
在一些实施例中(图1中未示出)，在上述技术方案基础上，气道口喷射系统6还包括第三滤清器、第三油泵、第三油轨、第三管路、第三回油管；第三油泵通过第三管路分别连通第三油箱61和第三油轨，在第三油泵与第三油箱61连通的管路上设置有第三滤清器，第三滤清器用于过滤来自第三油箱61内的第三燃料20，通过第三油泵可以使第三油轨内的第三燃料和/或添加剂具有一定的压力，第三油管62连通第三油轨的某个输出端口与第三电控喷油器63，将第三油管62内的第三燃料20输送到第三电控喷油器63；第三油轨可以有多个并列的输出端口，各个第三油轨的输出端口可以通过油管连通相应的电控喷油器；第三回油管连通第三油轨的回油口与第三油箱61，将第三油轨内多余的第三燃料20回流第三油箱61。
在一些实施例中，喷射策略包括喷射次数、燃料喷射量、喷射时刻范围，第一直接喷射系统4的喷射时刻范围为-360°CA ATDC～360°CA ATDC，第一直接喷射系统4可以在喷射时刻范围内任意时刻喷射；第二直接喷射系统5的喷射时刻范围为-360°CA ATDC～360°CA ATDC，第二直接喷射系统5可以在喷射时刻范围内任意时刻喷射；燃料喷射量的调整既包括调整第一燃料18、第二燃料19和第三燃料20的总量，也包括第一燃料18、第二燃料19和第三燃料20之间的喷油比例。
第三燃料20的喷射时刻根据发动机所处的状态调整；当发动机处于爆震状态特别严重甚至有可能损坏到发动机时，第三燃料20为爆震抑制剂；当发动机燃烧室内活性太低不能压燃时，第三燃料20为十六烷值增强剂。
在一些实施例中，第一电控喷油器48和第二电控喷油器58安装在汽缸盖3上可以减少发动机的结构复杂度，降低发动机的开发成本。
在一些实施例中，第一电控喷油器48和第二电控喷油器58的喷射方向在燃烧室7中的布置，应有利于被喷射出的第一燃料18和第二燃料19在燃烧室7内的混合和扩散。
发动机燃烧系统还包括中冷器13，中冷器13设置在进气管12上，且位于第三电控喷油器63的上游。
在一些实施例中，传感系统包括空气质量流量传感器11、进气温度压力传感器14、空燃比传感器(图中未示出)、冷却水温度传感器8、爆震传感器17、曲轴位置传感器(图中未示出)、凸轮轴位置传感器(图中未示出)、汽缸压力传感器(图中未示出)，如图1所示，空气质量流量传感器11设置在进气管12上，且位于中冷器13的上游，进气温度压力传感器14设置在进气道10上，且位于第三电控喷油器63的下游，冷却水温度传感器8和爆震传感器17均设置在发动机上，本技术方案中的“上游”和“下游”是根据气体流动方向划分的；曲轴位置传感器配置为检测曲轴位置信息，凸轮轴位置传感器配置为检测凸轮轴位置信息，汽缸压力传感器配置为检测汽缸内压力信息，爆震传感器17配置为检测爆震信息。
控制器2存储有发动机运行的控制曲线图，控制器2通过接收包括传感检测系统传送的检测信号在内的各种信号，以实现对发动机工作状态的实时监测；控制器2的输入端接入的信号包括转速信号、曲轴转角信号、冷却水温度信号、爆震传感器17信号、进气压力温度信号、空气质量流量传感器11信号、空燃比传感器信号、第一油轨46温度压力信号、第二油轨55温度压力信号、第三油轨温度压力信号、第一油泵44信号、第二油泵54信号、第三油泵信号、第一电控喷油器48信号、第二电控喷油器58信号、第三电控喷油器63信号；控制器2的输出端分别与第一电控喷油器48、第二电控喷油器58和第三电控喷油器63的控制端连接，使得控制器2可以对第一电控喷油器48、第二电控喷油器58和第三电控喷油器63的喷射时刻、喷射次数和喷射状态进行控制。
在一些实施例中，喷射系统采用如下喷射策略：当发动机工作在怠速或起步工作状况时，在汽缸的每个循环期间内，第一直接喷射系统4单次喷射第一燃料18，第二直接喷射系统5单次喷射第二燃料19；第一直接喷射系统4的喷射时刻范围为-350°CA ATDC至-280°CA ATDC；第一燃料18的喷射量占发动机在该工作状况下的总燃料喷射量的百分比范围为30％至50％；第二直接喷射系统5的喷射时刻范围为-50°CA ATDC至-30°CA ATDC；同时控制通过进气道10的进气温度，进气温度的控制范围为40℃至60℃，有利于提高点火的可靠性和发动机的热效率。
当发动机工作在小负荷工作状况时，在汽缸的每个循环期间，第一直接喷射系统4单次喷射第一燃料18，第二直接喷射系统5单次喷射第二燃料19；第一直接喷射系统4的喷射时刻范围为-350°CA ATDC至-280°CA ATDC；第一燃料18的喷射量占发动机在该工作状况下的总燃料喷射量的百分比范围为60％至80％；第二直接喷射系统5的喷射时刻范围为-70°CA ATDC至-50°CA ATDC。
当发动机工作在中负荷工作状况时，在汽缸的每个循环期间，第一直接喷射系统4单次或两次喷射第一燃料18，第二直接喷射系统5单次或两次喷射第二燃料19；第一燃料18的喷射量占发动机在该工作状况下的总燃料喷射量的百分比范围为70％至90％。
当发动机工作在大负荷或全负荷工作状况时，在汽缸的每个循环期间内，第一直接喷射系统4单次喷射第一燃料18，第二直接喷射系统5两次喷射第二燃料19；第一直接喷射系统4的喷射时刻范围为-350°CA ATDC至-280°CA ATDC；第二直接喷射系统5进行第一次喷射的喷射时刻范围为-60°CA ATDC至-40°CA ATDC，第二直接喷射系统5进行第二次喷射的喷射时刻范围为-10°CA ATDC至-1°CA ATDC；第一燃料18的喷射量占发动机的总燃料喷射量的百分比范围为40％至60％；第二燃料19第一次喷射的喷射量占发动机在该工作状况下的总燃料喷射量的百分比范围为20％至30％，第二燃料19第二次喷射的喷射量占发动机在该工作状况下的总燃料喷射量的百分比范围为20％至30％，上述喷射方案可以降低缸内压力升高率，保证发动机在大负荷下稳定运行。
当发动机在上述各种工作状况时，可以依据需要，通过气道口喷射系统6喷射辅助燃料或添加剂。
在一些实施例中，第三燃料20的喷射时刻根据发动机所处的状态调整；当发动机爆震特别严重甚至有可能损坏到发动机时，喷射第三燃料20，第三燃料20包括爆震抑制剂；发动机燃烧室内活性太低不能压燃时，喷射第三燃料20，第三燃料20包括十六烷值增强剂。
本实施例还公开了一种多燃料充量压缩燃烧发动机燃烧系统的控制方法，如图2所示，包括如下步骤：
步骤1：控制器2根据包括曲轴位置信息、凸轮轴位置信息、汽缸内压力信息，计算发动机的当前工作状态；当前工作状态包括发动机的转速、燃烧相位和燃烧持续期；
步骤2：控制器2接收爆震传感器的信息；
步骤3：根据爆震传感器的信息判断发动机是否处于或接近爆震状态；如果是则转步骤4，否则转步骤6；
步骤4：控制器2控制第一直接喷射系统4和第二直接喷射系统5，调整第一直接喷射系统4和第二直接喷射系统5的喷射策略；减少第一燃料18和/或第二燃料19的喷射量；依据发动机的爆震程度，打开EGR阀，通过EGR输送管路添加废气；
步骤5：实时检测发动机的工作状态是否发生变化，如有是则转步骤1，否则转步骤4；
步骤6：控制器2计算发动机当前的理想工作状态，根据发动机的理想工作状态与当前工作状态的偏差，进行闭环反馈控制，实时调整喷射系统的喷射策略，进而在缸内形成灵活、可靠的燃料浓度和活性分层，从而在发动机全部工作负荷范围内进行瞬态过渡调节；使得发动机在各个工作状况下达到最佳的热效率和最低排放；喷射策略包括喷射次数、燃料喷射量、喷射时刻范围，燃料喷射量包括单次发动机循环中的总燃料喷射量以及各个不同种燃料之间的比例；
步骤7：实时检测发动机的工作状态是否发生变化，如有是则转步骤1，否则转步骤6。
步骤5和步骤7中检测发动机的工作状态是否发生变化的方法包括：实时检测汽缸内压力信息，当汽缸内压力变化达到或超过预定阈值时，则认为发动机的当前工作状态发生了变化。
上述技术方案，有利于在燃烧室7内进行ICCI燃烧模式，从而具有低排放、高热效率的特点，其氮氧化物排放完全满足国VI的排放标准，同时还具有比较宽的工作负荷范围。
本发明的多燃料充量压缩燃烧发动机燃烧系统及控制方法，仅需对原型机进行简单的改造，结构简单，开发成本低，在机械工程领域，尤其在汽车发动机领域，具有非常突出的应用价值。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种多燃料充量压缩燃烧发动机燃烧系统，其特征在于，包括燃烧室、控制器、喷射系统，其中，
所述喷射系统被配置为能够向所述燃烧室喷射至少两种燃料以在所述燃烧室内形成混合气；所述至少两种燃料的喷射时刻范围为-360°CA ATDC～360°CA ATDC；以及所述控制器被配置为能够控制所述喷射系统对所述至少两种燃料的喷射，以使得所述燃烧室内的所述混合气形成浓度和活性分层；
所述控制器被配置为能够依据发动机的工作状态实时控制所述喷射系统，和/或通过调整所述喷射系统的喷射策略来控制所述喷射系统，和/或根据多燃料智能充量压缩燃烧发动机运行的控制曲线图对所述喷射系统进行控制；
所述燃烧室内的燃烧模式为智能充量压缩着火燃烧模式；
所述至少两种燃料包括第一燃料、第二燃料、第三燃料；所述喷射系统被配置为能够将所述第一燃料和所述第二燃料直接喷射入所述燃烧室，以及将所述第三燃料喷射入与所述燃烧室连通的进气道；
所述喷射策略包括以下一种或多种参数：所述至少两种燃料的喷射次数、燃料喷射量、喷射时刻范围，所述喷射策略具体包括：
当所述发动机的工作状态为怠速或起步时，所述第一燃料的喷射时刻范围为-350°CAATDC至-280°CA ATDC，以及所述第二燃料的喷射时刻范围为-50°CA ATDC至-30°CA ATDC，
当所述发动机的工作状态为小负荷时，所述第一燃料的喷射时刻范围为-350°CA ATDC至-280°CA ATDC，以及所述第二燃料的喷射时刻范围为-70°CA ATDC至-50°CA ATDC，
当所述发动机的工作状态为大负荷或全负荷时，所述第一燃料的喷射时刻范围为-350°CA ATDC至-280°CA ATDC；所述第二燃料进行第一次喷射的喷射时刻范围为-60°CAATDC至-40°CAATDC，所述第二燃料进行第二次喷射的喷射时刻范围为-10°CA ATDC至-1°CAATDC。
2.根据权利要求1所述的多燃料充量压缩燃烧发动机燃烧系统，其特征在于，所述第一燃料包括低沸点、高辛烷值燃料。
3.根据权利要求1所述的多燃料充量压缩燃烧发动机燃烧系统，其特征在于，所述第二燃料包括高沸点、高十六烷值燃料。
4.根据权利要求1所述的多燃料充量压缩燃烧发动机燃烧系统，其特征在于，所述第三燃料包括辅助燃料和/或添加剂。
5.根据权利要求1所述的多燃料充量压缩燃烧发动机燃烧系统，其特征在于，所述工作状态包括以下一种或多种参数：发动机的转速、燃烧相位、燃烧持续期。
6.根据权利要求1所述的多燃料充量压缩燃烧发动机燃烧系统，其特征在于，还包括传感系统，所述传感系统被配置为能够检测发动机的信息并将所述信息传送给所述控制器。
7.根据权利要求6所述的多燃料充量压缩燃烧发动机燃烧系统，其特征在于，所述传感系统传送给所述控制器的所述信息包括以下一种或多种信息：曲轴位置信息、凸轮轴位置信息、汽缸内压力信息、爆震信息。
8.根据权利要求1所述的多燃料充量压缩燃烧发动机燃烧系统，其特征在于，所述喷射系统为共轨喷射系统。
9.根据权利要求1所述的多燃料充量压缩燃烧发动机燃烧系统，其特征在于，所述第一燃料包括以下一种或多种化合物：汽油、甲醇、乙醇、丙醇、丁醇、异辛烷。
10.根据权利要求1所述的一种多燃料充量压缩燃烧发动机燃烧系统，其特征在于，所述第二燃料包括以下一种或多种化合物：柴油、费托合成柴油、生物柴油、二甲醚、正庚烷、聚甲氧基二甲醚。
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