CN205154394U - 基于egr系统的稀燃气体双燃料点燃式内燃机 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于EGR系统的稀燃气体双燃料点燃式内燃机，能够解决气体燃料点燃式内燃机在进行稀薄燃烧时产生的燃烧不稳定、NOx排放高等问题。本实用新型是基于气体燃料缸内直喷和进气道喷射组合式的双燃料点燃式内燃机技术以及EGR技术，该稀燃气体双燃料点燃式内燃机能够在高压缩比下，实现稳定、高效的稀薄燃烧，降低循环变动和失火现象；同时，将部分废气重新引入气缸参与燃烧，根据工况需求改变EGR率，降低缸内燃烧温度，抑制NOx的生成；此外，由于同时存在稀薄燃烧和EGR，可以增大节气门开度，降低泵气损失。综上可以从根本上实现能耗的降低和污染物的超低排放。

Description

基于EGR系统的稀燃气体双燃料点燃式内燃机

技术领域

本实用新型涉及内燃机技术领域，特别是涉及EGR在稀燃气体双燃料点燃式内燃机中的应用。

背景技术

随着汽车产业的发展，汽车的市场保有量越来越大，内燃机的应用更加广泛，对石油的需求量不断增加，尤其是石油对外依存度较高的今天，不但不利于国家的能源安全，而且排放大量的尾气，造成严重的空气污染。针对以上问题，国家也逐步提高了对节能减排的要求，成为影响汽车行业的重要因素之一。

在这种环境下，天然气、液化石油气等气体代用燃料因其储量大、价格低、对环境友好等优点受到广泛关注。气体燃料虽然也是化石燃料，但是能量密度远低于汽油、柴油等液体燃料，对储存和应用都提出了新的要求。

在点燃式内燃机中燃用气体燃料，可以采用稀薄燃烧的方式，提高经济型的同时降低爆震倾向，提高压缩比，从而提高热效率。但是稀薄燃烧会造成NOx排放升高，通过加入EGR可以降低燃烧温度，抑制NOx的生成，从而降低排放。

发明内容

本实用新型涉及基于EGR(废气再循环)系统的稀燃气体双燃料点燃式内燃机，能够解决气体燃料点燃式内燃机在进行稀薄燃烧时产生的燃烧不稳定、NOx排放高等问题。本实用新型是基于气体燃料缸内直喷和进气道喷射组合式的双燃料点燃式内燃机技术以及EGR技术，该内燃机能够使双燃料点燃式内燃机在高压缩比下，实现稳定、高效的稀薄燃烧，降低循环变动和失火现象；同时，将部分废气重新引入气缸参与燃烧，根据工况需求改变EGR率，改变缸内燃烧状况，从而抑制NOx的生成；此外，由于同时存在稀薄燃烧和EGR，可以增大节气门开度，降低泵气损失。综上可以从根本上实现能耗的降低和污染物的超低排放。

针对上述问题，既要提高燃烧的稳定性，又要提高燃烧的效率，需要对气体燃料内燃机的结构、燃料的燃烧特性进行优化，不断完善，满足要求。

该内燃机由进气系统、点火系统、第一燃料供给系统、第二燃料供给系统、排气系统、EGR系统、点燃式内燃机9和内燃机电控系统16组成；进气系统由进气道2、进气歧管15、节气门1和控制线路17组成；点火系统由火花塞8和控制线路17组成；第一燃料供给系统由第一燃料供给箱13、第一燃料供给管路14和第一燃料喷射器6组成；第二燃料供给系统由第二燃料供给箱11、第二燃料供给管路12和第二燃料喷射器7组成；EGR系统由EGR管路4、EGR阀3、EGR中冷器5和控制线路17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6、第二燃料喷射器7和火花塞8与点燃式内燃机9相连；EGR系统通过EGR管路4将排气管10与进气道2相连，并在管路中串联EGR中冷器5和EGR阀3；内燃机电控系统16通过对EGR阀3、节气门1、火花塞8、第一燃料喷射器6和第二燃料喷射器7的控制实现对该内燃机的控制。

该内燃机采用两种不同的气体燃料作为燃料,两种气体燃料分别采用不同的供给系统进行供给,即主气体燃料(第一燃料)供给系统和辅助气体燃料(第二燃料)供给系统。其中，第一燃料以进气道喷射的方式在进气道内形成混合气，进气门开启后随气流运动进入气缸，第二燃料以缸内直喷的方式进入气缸。

该内燃机既可以单独使用第一或第二燃料在单燃料模式下进行运作，也可以同时使用第一和第二燃料在双燃料模式下运行。

该内燃机中所述第一燃料为常见的、应用较为广泛的气体代用燃料，如天然气、液化石油气等；第二燃料在性能上优于第一燃料，其性能主要包括燃烧速度、点火能量以及燃烧排放物等方面，例如氢气等气体。

稀薄燃烧是指缸内工质的过量空气系数λ大于经济混合气(λ约为1.05)的运转工况，即缸内实际供给的空气量大于缸内燃料完全燃烧所需的理论空气量。在双气体燃料内燃机中，定义过量空气系数λ为两种燃料的综合过量空气系数，即

其中，m_air为进入缸内的空气质量，为第一燃料喷射量占总燃料喷射量的百分数，m_a1为单位质量的第一燃料完全燃烧所需的空气质量，为第一燃料喷射量占总燃料喷射量的百分数，m_a2为单位质量的第二燃料完全燃烧所需的空气质量。

在点燃式内燃机中采用稀薄燃烧，一方面可以在缸内形成富氧环境，使燃料能够充分燃烧，同时缸内工质等熵指数增大，热效率提高；另一方面混合气较稀，缸内燃烧温度较低，可以提高压缩比，进一步提高热效率。但是由于稀薄燃烧过程中因混合气较稀，燃烧速度受到限制，功率较低，因此只适合用在中小负荷工况下，以提高燃油经济性；同时富氧环境有利于NOx的生成，会造成NOx排放升高，因此需要引入EGR抑制NOx的生成。由于EGR系统的引入,可以在较大的节气门开度下，通过改变EGR率来控制进入缸内的混合气成分，再加上稀薄燃烧本身就需要加大节气门开度，因此可以进一步增大节气门开度，减少泵气损失，提高整机的效率，甚至可以实现无节气门下的转矩控制，最终实现燃油经济性提高、污染物排放下降的双重功效。

所述稀燃气体双燃料点燃式内燃机，在中小负荷下，根据负荷的不同采用不同的混合气形成方式以及不同的燃烧方式。在小负荷下，采用分层稀燃的模式，进一步提高空燃比，扩大稀燃极限，提高经济性；在中等负荷下，采用均匀稀燃的燃烧模式，满足输出转矩的要求。

在小负荷下，采用分层稀燃的方式。实现分层燃烧，需要燃料的喷射时刻、燃烧室形状和缸内气流运动相互配合。所述内燃机在进气道中设有进气翻板，在进气门开启时能够提高进气流速并且在缸内形成滚流运动。在进气冲程早期，只有空气进入气缸，在滚流的作用下，逐渐运动到燃烧室下部即活塞端面附近；第一气体燃料在进气冲程后期喷入进气道，随气流运动进入气缸，随后进气门关闭，形成上浓下稀的混合气分层状态。第二气体燃料在压缩冲程后期以缸内直喷的方式喷入气缸，由喷射压力和喷射脉宽控制喷射量，因喷射时刻接近点火时刻，第二燃料富集在燃烧室上部即火花塞附近。当火花塞点火后，由于第二燃料点火能量较低、火焰传播速度较快，能够稳定着火并且迅速向外传播，引燃局部较浓、整体较稀的第一燃料混合气，从而实现双气体燃料的稀薄燃烧。

在中负荷下，采用均匀稀燃的方式。均匀稀燃，即第一燃料形成均匀稀薄混合气，而不是分层的稀薄混合气。采用均匀混合气时，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。采用均匀稀燃的方式时，第一燃料进入气缸的时刻在进气冲程初期，即进气门开启混合气便进入缸内。在进气冲程初期进行喷射，可以使得第一燃料与空气混合的更加均匀，在第一燃料与空气混合好的基础上、临近上止点附近时，进行第二燃料的喷射，同样使得火花塞区域形成易于点燃的可燃混合气，通过火花塞跳火，首先点燃第二燃料，再由已燃的第二燃料引燃第一燃料，使得整个燃烧室内的混合气都可以燃烧完全。

所述内燃机，在中小负荷下，可以采用较大的节气门开度和EGR率。其中EGR率采用CO2示踪法计算得出，即测量进排气和大气环境中的CO2含量，从而计算得出当前的EGR率。

${\mathrm{\φ}}_{EGR}=\frac{{\mathrm{\φ}}_{{\mathrm{co}}_2\·in}-{\mathrm{\φ}}_{{\mathrm{co}}_2\·air}}{{\mathrm{\φ}}_{{\mathrm{co}}_2\·out}-{\mathrm{\φ}}_{{\mathrm{co}}_2\·air}}*100\%$

其中表示混入废气后进气中的CO2体积浓度，表示排气中的CO2体积浓度，表示大气环境中的CO2体积浓度。

采用较大的节气门开度可以增大进气量、减少泵气损失，由于EGR会占用进气充量的体积，因此EGR率越大，所需节气门开度越大。泵气损失主要取决于节气门开度，而中小负荷，尤其是小负荷时，节气门开度较小，泵气损失占机械损失的比重较大，因此在小负荷下采用较大的EGR率可以明显降低泵气损失。NOx的生成条件可以简单总结为高温、富氧、持续时间长。稀薄燃烧因混合气较稀、燃烧速度较慢符合富氧和持续时间长的条件，而第二气体燃料点火能量低、燃烧速度快，会在火花塞附近形成局部高温区域，因此双气体燃料的稀薄燃烧会造成NOx排放升高。EGR是将部分废气重新引入气缸参与燃烧，通过降低燃烧温度，抑制NOx的生成，从而降低排放。废气中CO2、H2O等三原子分子比例较高，而三原子分子比热容较高，升高同样的温度能够吸收更多的热量，因此能够降低缸内的燃烧温度，抑制NOx的生成。当EGR率较小时，燃烧温度降低，散热损失减小，热效率升高；当EGR率超过一定范围后，燃烧速度大幅下降，后燃加重，使热效率降低，因此在固定工况下存在热效率最高的EGR率φ_η。而EGR率增大，节气门开度也随之增大，泵气损失减小，因此对整机来说，机械效率最高的EGR率φ_m不等于热效率最高的φ_η。因此，在中小负荷下，应采用机械效率最高的φ_m。由于所述内燃机采用了双气体燃料稀薄燃烧的方式，第二气体燃料具有良好的引燃作用，即使在EGR环境中仍然可以提高混合气的火焰传播速度，降低循环变动，因此在所述内燃机中，机械效率最高的EGR率φ_m要大于传统内燃机，能够进一步提高机械效率、降低NOx排放。

附图说明

图1为气体双燃料点燃式内燃机结构图。

图2为气体双燃料点燃式内燃机纵剖图。

图3为气体双燃料点燃式内燃机控制策略流程图。

图中：1节气门，2进气道，3EGR阀，4EGR管路，5EGR中冷器，6第一燃料喷射器，7第二燃料喷射器，8火花塞，9点燃式内燃机机体，10排气道，11第二燃料供给箱，12第二燃料供给管路，13第一燃料供给箱，14第一燃料供给管路，15进气歧管，16内燃机电控系统，17控制线路，18气门，19缸套，20活塞，21连杆，22活塞环，23气缸盖

具体实施方式

所述内燃机中两种燃料的喷射量均是通过控制喷射压力和喷射脉宽来实现的，当喷射压力和喷射脉宽一定的情况下，喷射量是一定的，然后通过标定试验制作MAP图存储在控制系统中。

如图1所示，基于EGR系统的稀燃气体双燃料点燃式内燃机，其特征在于该内燃机由进气系统、点火系统、第一燃料供给系统、第二燃料供给系统、排气系统、EGR系统、点燃式内燃机和内燃机电控系统组成；进气系统由进气道2、进气歧管15、节气门1和控制线路17组成；点火系统由火花塞8和控制线路17组成；第一燃料供给系统由第一燃料供给箱13、第一燃料供给管路14和第一燃料喷射器6组成；第二燃料供给系统由第二燃料供给箱11、第二燃料供给管路12和第二燃料喷射器7组成；EGR系统由EGR管路4、EGR阀3、EGR中冷器5和控制线路17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6、第二燃料喷射器7和火花塞8与点燃式内燃机9相连；EGR系统通过EGR管路4将排气管10与进气道2相连，并在管路中串联EGR中冷器5和EGR阀3；内燃机电控系统16通过对EGR阀3、节气门1、火花塞8、第一燃料喷射器6和第二燃料喷射器7的控制实现对该内燃机的控制。

如图2所示，新鲜空气通过节气门1进入气缸,节气门1也同时控制进入气缸的新鲜空气充量。EGR管路由排气10管引出，与进气道2在节气门1后汇合，废气经EGR管路4和EGR阀3流入进气道2中。节气门1控制新鲜空气流量，EGR阀3控制废气流量，从而控制EGR率。第一燃料喷射器6安装在进气歧管上,靠近进气门18的位置,以便第一燃料可以更好地进入气缸。第一燃料通过第一燃料喷射器6喷入进气歧管15,与新鲜空气和EGR废气形成混合气进入气缸。第二燃料喷射器7直接安装在气缸盖23上，其喷孔位于燃烧室的上部，第二燃料通过第二燃料喷射器7直接喷入气缸。火花塞8也安装在气缸盖23上，也位于燃烧室的上部，火花塞8的位置和第二燃料喷射器7的位置需要合理布局，以满足内燃机工作的要求。

如图3所示，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，依据已写入的算法逻辑判断当前工况，若为小负荷工况，则进入分层稀燃控制逻辑；若为中负荷工况，则进入均匀稀燃控制逻辑。由于喷射压力是已知的，在不同的控制逻辑下，ECU都是通过改变第一和第二燃料的喷射脉宽，从而改变第一和第二燃料喷嘴的开启持续时间，进而控制两种燃料的喷射量；通过改变第一和第二燃料的喷射时刻，控制第一和第二燃料喷嘴的开启时刻，从而形成不同的混合气状态。第一和第二燃料的喷射量存在一定的配比关系，随工况不同而变化，始终在中小负荷工况下保证过量空气系数λ＞1。当内燃机工作在小负荷工况下时，ECU控制第一燃料喷嘴在进气冲程后期，即270°-180°CABTDC范围内开启，开启持续时间即喷射脉宽根据传感器信号，读取ECU中预存的MAP图进行执行；第二燃料喷嘴在压缩冲程后期，即90°-0°CABTDC范围内开启，开启持续时间即喷射脉宽根据传感器信号，读取ECU中预存的MAP图进行执行，从而形成分层稀燃模式。当内燃机工作在中负荷工况下时，ECU控制第一燃料喷嘴在进气冲程前期，即360°-270°CABTDC范围内开启，开启持续时间即喷射脉宽根据传感器信号，读取ECU中预存的MAP图进行执行；第二燃料喷嘴在压缩冲程后期，即90°-0°CABTDC范围内开启，开启持续时间即喷射脉宽根据传感器信号，读取ECU中预存的MAP图进行执行，从而形成均匀稀燃模式。

Claims (5)

1.基于EGR系统的稀燃气体双燃料点燃式内燃机，其特征在于该系统由进气系统、点火系统、第一燃料供给系统、第二燃料供给系统、排气系统、EGR系统、点燃式内燃机和内燃机电控系统组成；进气系统由进气道、进气歧管、节气门和控制线路组成；点火系统由火花塞和控制线路组成；第一燃料供给系统由第一燃料供给箱、第一燃料供给管路和第一燃料喷射器组成；第二燃料供给系统由第二燃料供给箱、第二燃料供给管路和第二燃料喷射器组成；EGR系统由EGR管路、EGR阀、EGR中冷器和控制线路组成；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、第二燃料喷射器和火花塞与点燃式内燃机相连；EGR系统通过EGR管路将排气管与进气道相连，并在管路中串联EGR中冷器和EGR阀；内燃机电控系统通过对EGR阀、节气门、火花塞、第一燃料喷射和第二燃料喷射器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EGR系统的稀燃气体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的气体燃料作为燃料，两种不同的气体燃料采用两套供给系统，分别为第一燃料供给系统和第二燃料供给系统；其中第一燃料通过第一燃料喷射器喷入进气歧管，以进气道预混的方式进入气缸，第二燃料通过第二燃料喷射器，以缸内直喷的方式进入气缸。

3.根据权利要求1所述的基于EGR系统的稀燃气体双燃料点燃式内燃机，其特征在于该内燃机是以第一燃料作为主燃料，第二燃料作为辅助燃料；火花塞先点燃第二燃料，利用第二燃料良好的燃烧特性引燃第一燃料混合气；第二燃料的引燃作用是通过内燃机电控系统控制第二燃料喷射器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。

4.根据权利要求1所述的基于EGR系统的稀燃气体双燃料点燃式内燃机，其特征在于所述第一燃料为应用较为广泛的气体代用燃料，所述第二燃料在性能上优于第一燃料，其性能主要包括燃烧速度、点火能量以及燃烧排放物等方面。

5.根据权利要求1所述的基于EGR系统的稀燃气体双燃料点燃式内燃机，其特征在于EGR系统中的废气通过接在排气管上的EGR管路引出，EGR阀位于EGR管路中，废气经过EGR管路、EGR中冷器和EGR阀进入进气道，在进气道内与新鲜空气混合，其中废气温度由EGR中冷器控制，废气流量由EGR阀控制。