基于egr系統(tǒng)的稀燃氣體雙燃料點燃式內(nèi)燃機及控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及內(nèi)燃機技術(shù)領(lǐng)域，特別是設(shè)及EGR在稀燃氣體雙燃料點燃式內(nèi)燃機中 的應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，汽車的市場保有量越來越大，內(nèi)燃機的應(yīng)用更加廣泛，對石 油的需求量不斷增加，尤其是石油對外依存度較高的今天，不但不利于國家的能源安全，而 且排放大量的尾氣，造成嚴(yán)重的空氣污染。針對W上問題，國家也逐步提高了對節(jié)能減排的 要求，成為影響汽車行業(yè)的重要因素之一。
[0003] 在運種環(huán)境下，天然氣、液化石油氣等氣體代用燃料因其儲量大、價格低、對環(huán)境 友好等優(yōu)點受到廣泛關(guān)注。氣體燃料雖然也是化石燃料，但是能量密度遠低于汽油、柴油等 液體燃料，對儲存和應(yīng)用都提出了新的要求。
[0004] 在點燃式內(nèi)燃機中燃用氣體燃料，可W采用稀薄燃燒的方式，提高經(jīng)濟型的同時 降低爆震傾向，提高壓縮比，從而提高熱效率。但是稀薄燃燒會造成NOx排放升高，通過加 入EGR可W降低燃燒溫度，抑制NOx的生成，從而降低排放。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明設(shè)及一種基于EGR(廢氣再循環(huán)）系統(tǒng)的稀燃氣體雙燃料點燃式內(nèi)燃機及 控制方法，能夠解決氣體燃料點燃式內(nèi)燃機在進行稀薄燃燒時產(chǎn)生的燃燒不穩(wěn)定、NOx排放 高等問題。本發(fā)明是基于氣體燃料缸內(nèi)直噴和進氣道噴射組合式的雙燃料點燃式內(nèi)燃機技 術(shù)W及EGR技術(shù)，該內(nèi)燃機及控制方法能夠使雙燃料點燃式內(nèi)燃機在高壓縮比下，實現(xiàn)穩(wěn) 定、高效的稀薄燃燒，降低循環(huán)變動和失火現(xiàn)象；同時，將部分廢氣重新引入氣缸參與燃燒， 根據(jù)工況需求改變EGR率，改變缸內(nèi)燃燒狀況，從而抑制NOx的生成；此外，由于同時存在稀 薄燃燒和EGR，可W增大節(jié)氣口開度，降低累氣損失。綜上可W從根本上實現(xiàn)能耗的降低和 污染物的超低排放。
[0006] 針對上述問題，既要提高燃燒的穩(wěn)定性，又要提高燃燒的效率，需要對氣體燃料內(nèi) 燃機的結(jié)構(gòu)、燃料的燃燒特性W及控制方法進行優(yōu)化，不斷完善，滿足要求。
[0007] 該內(nèi)燃機由進氣系統(tǒng)、點火系統(tǒng)、第一燃料供給系統(tǒng)、第二燃料供給系統(tǒng)、排氣系 統(tǒng)、EGR系統(tǒng)、點燃式內(nèi)燃機9和內(nèi)燃機電控系統(tǒng)16組成；進氣系統(tǒng)由進氣道2、進氣歧管 15、節(jié)氣口 1和控制線路17組成；點火系統(tǒng)由火花塞8和控制線路17組成；第一燃料供給 系統(tǒng)由第一燃料供給箱13、第一燃料供給管路14和第一燃料噴射器6組成；第二燃料供給 系統(tǒng)由第二燃料供給箱11、第二燃料供給管路12和第二燃料噴射器7組成；EGR系統(tǒng)由EGR 管路4、EGR閥3、EGR中冷器5和控制線路17組成；第一燃料供給系統(tǒng)、第二燃料供給系統(tǒng) 和點火系統(tǒng)分別通過第一燃料噴射器6、第二燃料噴射器7和火花塞8與點燃式內(nèi)燃機9相 連；EGR系統(tǒng)通過EGR管路4將排氣管10與進氣道2相連，并在管路中串聯(lián)EGR中冷器5 和EGR閥3 ;內(nèi)燃機電控系統(tǒng)16通過對EGR閥3、節(jié)氣口 1、火花塞8、第一燃料噴射器6和 第二燃料噴射器7的控制實現(xiàn)對該內(nèi)燃機的控制。
[0008] 該內(nèi)燃機采用兩種不同的氣體燃料作為燃料，兩種氣體燃料分別采用不同的供 給系統(tǒng)進行供給，即主氣體燃料（第一燃料）供給系統(tǒng)和輔助氣體燃料（第二燃料）供給 系統(tǒng)。其中，第一燃料W進氣道噴射的方式在進氣道內(nèi)形成混合氣，進氣口開啟后隨氣流運 動進入氣缸，第二燃料W缸內(nèi)直噴的方式進入氣缸。
[0009] 該內(nèi)燃機既可W單獨使用第一或第二燃料在單燃料模式下進行運作，也可W同時 使用第一和第二燃料在雙燃料模式下運行。
[0010] 該內(nèi)燃機中所述第一燃料為常見的、應(yīng)用較為廣泛的氣體代用燃料，如天然氣、液 化石油氣等；第二燃料在性能上優(yōu)于第一燃料，其性能主要包括燃燒速度、點火能量W及燃 燒排放物等方面，例如氨氣等氣體。
[0011] 稀薄燃燒是指缸內(nèi)工質(zhì)的過量空氣系數(shù)A大于經(jīng)濟混合氣（A約為1.05)的運 轉(zhuǎn)工況，即缸內(nèi)實際供給的空氣量大于缸內(nèi)燃料完全燃燒所需的理論空氣量。在雙氣體燃 料內(nèi)燃機中，定義過量空氣系數(shù)A為兩種燃料的綜合過量空氣系數(shù)，即
[0012]
[0013] 其中，nigu為進入缸內(nèi)的空氣質(zhì)量，心i為第一燃料噴射量占總?cè)剂蠂娚淞康陌俜?數(shù)，nigi為單位質(zhì)量的第一燃料完全燃燒所需的空氣質(zhì)量，<範(fàn)為第一燃料噴射量占總?cè)剂蠂?射量的百分?jǐn)?shù)，111。2為單位質(zhì)量的第二燃料完全燃燒所需的空氣質(zhì)量。
[0014] 在點燃式內(nèi)燃機中采用稀薄燃燒，一方面可W在缸內(nèi)形成富氧環(huán)境，使燃料能夠 充分燃燒，同時缸內(nèi)工質(zhì)等賭指數(shù)增大，熱效率提高；另一方面混合氣較稀，缸內(nèi)燃燒溫度 較低，可W提高壓縮比，進一步提高熱效率。但是由于稀薄燃燒過程中因混合氣較稀，燃燒 速度受到限制，功率較低，因此只適合用在中小負(fù)荷工況下，W提高燃油經(jīng)濟性；同時富氧 環(huán)境有利于NOx的生成，會造成NOx排放升高，因此需要引入EGR抑制NOx的生成。由于 EGR系統(tǒng)的引入，可W在較大的節(jié)氣口開度下，通過改變EGR率來控制進入缸內(nèi)的混合氣 成分，再加上稀薄燃燒本身就需要加大節(jié)氣口開度，因此可W進一步增大節(jié)氣口開度，減少 累氣損失，提高整機的效率，甚至可W實現(xiàn)無節(jié)氣口下的轉(zhuǎn)矩控制，最終實現(xiàn)燃油經(jīng)濟性提 高、污染物排放下降的雙重功效。
[0015] 所述稀燃氣體雙燃料點燃式內(nèi)燃機，在中小負(fù)荷下，根據(jù)負(fù)荷的不同采用不同的 混合氣形成方式W及不同的燃燒方式。在小負(fù)荷下，采用分層稀燃的模式，進一步提高空燃 比，擴大稀燃極限，提高經(jīng)濟性；在中等負(fù)荷下，采用均勻稀燃的燃燒模式，滿足輸出轉(zhuǎn)矩的 要求。
[0016] 在小負(fù)荷下，采用分層稀燃的方式。實現(xiàn)分層燃燒，需要燃料的噴射時刻、燃燒室 形狀和缸內(nèi)氣流運動相互配合。所述內(nèi)燃機在進氣道中設(shè)有進氣翻板，在進氣口開啟時能 夠提高進氣流速并且在缸內(nèi)形成滾流運動。在進氣沖程早期，只有空氣進入氣缸，在滾流的 作用下，逐漸運動到燃燒室下部即活塞端面附近；第一氣體燃料在進氣沖程后期噴入進氣 道，隨氣流運動進入氣缸，隨后進氣口關(guān)閉，形成上濃下稀的混合氣分層狀態(tài)。第二氣體燃 料在壓縮沖程后期W缸內(nèi)直噴的方式噴入氣缸，由噴射壓力和噴射脈寬巧制噴射量，因噴 射時刻接近點火時刻，第二燃料富集在燃燒室上部即火花塞附近。當(dāng)火花塞點火后，由于 第二燃料點火能量較低、火焰?zhèn)鞑ニ俣容^快，能夠穩(wěn)定著火并且迅速向外傳播，引燃局部較 濃、整體較稀的第一燃料混合氣，從而實現(xiàn)雙氣體燃料的稀薄燃燒。
[0017] 在中負(fù)荷下，采用均勻稀燃的方式。均勻稀燃，即第一燃料形成均勻稀薄混合氣， 而不是分層的稀薄混合氣。采用均勻混合氣時，進入氣缸的氣體燃料量較大，因此輸出功率 可W相應(yīng)的提高，滿足中等負(fù)荷對功率輸出的要求。采用均勻稀燃的方式時，第一燃料進入 氣缸的時刻在進氣沖程初期，即進氣口開啟混合氣便進入缸內(nèi)。在進氣沖程初期進行噴射， 可W使得第一燃料與空氣混合的更加均勻，在第一燃料與空氣混合好的基礎(chǔ)上、臨近上止 點附近時，進行第二燃料的噴射，同樣使得火花塞區(qū)域形成易于點燃的可燃混合氣，通過火 花塞跳火，首先點燃第二燃料，再由已燃的第二燃料引燃第一燃料，使得整個燃燒室內(nèi)的混 合氣都可W燃燒完全。
[0018] 所述內(nèi)燃機，在中小負(fù)荷下，可W采用較大的節(jié)氣口開度和EGR率。其中EGR率采 用C02示蹤法計算得出，即測量進排氣和大氣環(huán)境中的C02含量，從而計算得出當(dāng)前的EGR 率。
[0019]
[0020] 其中餐a。ia表示混入廢氣后進氣中的C02體積濃度，氣表示排氣中的C02體 積濃度，季，表示大氣環(huán)境中的C02體積濃度。
[0021] 采用較大的節(jié)氣口開度可W增大進氣量、減少累氣損失，由于EGR會占用進氣充 量的體積，因此EGR率越大，所需節(jié)氣口開度越大。累氣損失主要取決于節(jié)氣口開度，而中 小負(fù)荷，尤其是小負(fù)荷時，節(jié)氣口開度較小，累氣損失占機械損失的比重較大，因此在小負(fù) 荷下采用較大的EGR率可W明顯降低累氣損失。NOx的生成條件可W簡單總結(jié)為高溫、富 氧、持續(xù)時間長。稀薄燃燒因混合氣較稀、燃燒速度較慢符合富氧和持續(xù)時間長的條件，而 第二氣體燃料點火能量低、燃燒速度快，會在火花塞附近形成局部高溫區(qū)域，因此雙氣體燃 料的稀薄燃燒會造成NOx排放升高。EGR是將部分廢氣重新引入氣缸參與燃燒，通過降低燃 燒溫度，抑制NOx的生成，從而降低排放。廢氣中C02、肥0等S原子分子比例較高，而S原 子分子比熱容較高，升高同樣的溫度能夠吸收更多的熱量，因此能夠降低缸內(nèi)的燃燒溫度， 抑制NOx的生成。當(dāng)EGR率較小時，燃燒溫度降低，散熱損失減小，熱效率升高；當(dāng)EGR率超 過一定范圍后，燃燒速度大幅下降，后燃加重，使熱效率降低，因此在固定工況下存在熱效 率最高的EGR率4。。而EGR率增大，節(jié)氣口開度也隨之增大，累氣損失減小，因此對整機來 說，機械效率最高的EGR率（K不等于熱效率最高的4。。因此，在中小負(fù)荷下，應(yīng)采用機械 效率最高的4m。由于所述內(nèi)燃機采用了雙氣體燃料稀薄燃燒的方式，第二氣體燃料具有良 好的引燃作用，即使在EGR環(huán)境中仍然可W提高混合氣的火焰?zhèn)鞑ニ俣?，降低循環(huán)變動，因 此在所述內(nèi)燃機中，機械效率最高的EGR率要大于傳統(tǒng)內(nèi)燃機，能夠進一步提高機械效 率、降低NOx排放。
【附圖說明】
[0022] 圖1為氣體雙燃料點燃式內(nèi)燃機結(jié)構(gòu)圖。
[0023] 圖2為氣體雙燃料點燃式內(nèi)燃機縱剖圖。
[0024] 圖3為氣體雙燃料點燃式內(nèi)燃機控制策略流程圖。
[002引圖中：1節(jié)氣口，