CN104454190B - 一种缸内直喷双气体燃料点燃式燃烧及控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种缸内直喷双气体燃料点燃式燃烧及控制装置，本实验新型中的双燃料存储罐分别经过减压阀与各自的喷嘴相连，两种燃料均采用发动机缸内直喷，所以该发明燃烧装置具有缸内直喷点燃式发动机的所有优点，另外所述燃烧装置还取消了传统点燃式发动机的节气门，减少了进气过程中的泵气损失，并且配备了废气涡轮增压器，可以提高充气效率，与非直喷的气体燃料发动机相比可以提高升功率，缸内一种燃油喷射器在火花塞附近，与活塞的特殊形状配合，可以在火花塞附近行程局部浓区，保证可靠点火，而另一种燃料则与空气形成较稀的混合气，以实现发动机的整体稀燃，降低排放，减少石油消耗，缓解石油紧缺的压力，减轻环境污染。

Description

一种缸内直喷双气体燃料点燃式燃烧及控制装置

技术领域

本发明涉及车用内燃机技术领域，具体涉及气体燃料内燃机控制及缸内直接喷射发动机。

背景技术

随着汽车保有量的逐年增加，汽车所消耗的石油量亦逐年增加。加之所探明的世界石油存储量不断减少，汽车燃烧石油燃料后排出的有害气体对环境造成的污染愈加严重且不可逆转，所以汽车发展对高效节能的要求也越来越高。随着空气污染程度的加剧以及排放法规的日益严格，为汽车寻找优质的发动机替代燃料和对发动机新型燃烧模式的探索已经势在必行。优质的发动机代用燃料可以减轻汽车给石油资源紧缺带来的压力，减轻能源危机。新型燃烧模式的发动机理论上既能降低发动机燃料的消耗，又可以减少有害物质的排放，同时达到降低能耗和减少污染的目的。汽车发展必须走一条与能源环境和谐共处的可持续发展之路。

近年来，气体燃料发动机受到关注程度不断增加，但是传统的气体燃料发动机有一定的缺点，气体燃料和空气一起进入发动机缸内，气体燃料占进气体积的一部分，使得进气量减少，充气效率降低；气体燃料的净能量密度低于石油燃料，使发动机的功率下降导致稀燃时功率不能满足驾驶要求等。基于上述的技术背景及现有气体燃料发动机存在的问题，本发明涉及的双燃料发动机克服了现有气体燃料发动机的缺点，而且能实现多种燃烧模式，并可通过不同燃烧模式之间的转换，实现发动机高效率低排放的燃烧。

缸内直喷技术，是指将喷油嘴安置在进排气门之间,将高压燃油直接注人燃烧室平顺高效地燃烧，通过均匀燃烧和分层燃烧的方式实现了在保证动力输出的情况下达到降低燃油消耗率的一种技术，尤其是使小负荷下的燃油消耗降低，同时使得爆震倾向也大大下降，动力性却得到很大提升的一种技术。目前，缸内直喷发动机的燃烧方式主要有两种，一种是分层燃烧的方式，另一种是均质燃烧的方式。在国内，缸内直喷发动机的燃烧方式是均质燃烧模式，这是由于分层燃烧模式对油品质量的要求较高，国内的油品不能使之长时间稳定的工作，而且在短时间内难以改善油品的质量，所以国内的缸内直喷发动机一直是采用均质燃烧模式。但是均质燃烧模式很难实现发动机的稀燃，进而限制发动机经济性的提高。

发明内容

本发明是一种缸内直喷双气体燃料点燃式燃烧装置，目的在于解决传统气体燃料发动机存在的缺点与国内缸内直喷发动机不能实现分层燃烧及燃烧产物难以控制的问题。本发明还可以使发动机在更大的空燃比下燃烧，在较高的压缩比下工作。通过控制系统，使发动机在不同工况下以不同的燃烧模式工作，使发动机在各种工况下都能对应最优的燃烧模式，在最优模式下稳定、高效工作。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现，并结合附图做出具体说明。

参阅图1所示，本发明为一种缸内直喷双气体燃料分层燃烧装置，由发动机1、增压器4、双燃料存储罐2和3、三效催化转换器6、电子控制装置5等组成。发动机由进气系统、排气系统、双气体燃料供给系统、冷却系统、润滑系统、点火系统等组成。双燃料供给系统由燃料存储罐2和3、气体燃料管路、气体燃料减压装置7和10、高压气轨17和18、气体燃料喷嘴9和12、气体燃料泄漏报警装置20和21等组成，气体燃料存储罐2、3与各自的喷嘴9、12相连，每个喷嘴均直接将燃料喷入发动机缸内。发动机增压器4与发动机的排气管15相连，对发动机的进气进行增压。EGR系统与发动机的排气管和进气管相连，使尾气随空气一起进入增压器。电子控制装置5接收发动机的各种运行参数信号，具体包括：油门踏板位置信号、发动机转速信号、曲轴位置信号、凸轮轴位置信号、润滑油压力信号、润滑油温度信号、冷却水温度信号、进气温度和压力信号、废气中氧气的浓度信号、爆震信号、双燃料温度和压力信号，输出端控制双燃料发动机的喷嘴、火花塞、增压器、EGR阀等装置。上述双燃料罐中气体燃料并非特定两种燃料，所述气体燃料A(辅助燃料)的火焰传播速度要高于燃料B(主燃料)，点火能量要低于燃料B的点火能量，同时燃料A的辛烷值要高。对燃料B的主要要求有燃料B的辛烷值要高，并且燃料B的净能量密度要相对较高。

本发明，一种缸内直喷双气体燃料燃烧及控制装置，该装置中的发动机是点燃式发动机。本发明的目的在于实现发动机的分层燃烧及发动机在更大的空燃比下稳定燃烧，发动机稀燃后，发动机的爆震倾向降低，可以适度提高发动机的压缩比以使发动机的经济性得到进一步提高。我们将发动机的压缩比设计为12，比传统汽油机的压缩比高，可以使发动机的热效率提高；另外值得一提的一点是，本发明取消了传统点燃式发动机的节气门，减少了部分负荷时发动机的泵气损失，提高了充气效率。国内的缸内直喷稀燃汽油机只有在大负荷下节气门全开，而中小负荷节气门是没有全开的，因此，发动机在中小负荷存在节流损失，本发明在发动机所有工况下都不存在节流损失，进气效率得到很大提高。发动机双燃料均采用缸内直喷，具有直喷发动机的一切优点。发动机的双直喷系统也经过特殊的设计，尤其是燃料A的喷嘴和火花塞的位置配合以及燃料A的喷嘴位置和活塞形状的配合，利用气流引导和壁面引导使燃料A与空气形成的混合气可以在火花塞附近形成易于点燃的混合气，即在火花塞附近形成燃料A和空气的局部浓混合气，使之易于点燃，进而点燃由燃料B和空气形成的混合气，使发动机平稳工作。特殊的设计要求特殊的控制，本发明中，两种燃料的缸内直接喷射，还要配合火花的点火，这样就出现了两个喷射时刻和一个点火时刻，这三个时刻的控制对本发明是尤为重要的。为了控制好这三个边界条件，本发明针对这三个边界条件进行的大量的仿真，目的在于寻找出在不同工况下三个时刻最佳的配合，在不同的工况下实施最优控制。并且在每一种燃烧模式下都做同样的仿真实验，找出最优控制参数，以实现对发动机的控制。本发明中发动机的双燃料供给和双燃料的缸内直喷可以使发动机在不同工况实现与此工况相对应的最优的燃烧模式：

1、启动和暖机工况(A型燃烧模式)：传统的发动机在启动工况时需要给发动机较浓的混合气，以使发动机可靠地启动，但是启动工况混合气的燃烧不完全，使发动机在启动工况时燃油经济性和排放性能都变恶化，与传统发动机相比本发明在启动时有与启动工况相对应的燃烧模式即A型燃烧模式，具体实现方法是：发动机单独使用燃料A，进气行程中开始向缸内供给燃料A，使缸内形成燃料A与空气较为均匀的混合气，在压缩行程末期再次向缸内喷射燃料A，使之在火花塞附近形成局部较浓的混合气。由于燃料A的点火能量低，火焰传播速度快，燃烧持续期短，可以在短时间内使发动机实现启动，并且快速完成发动机的暖机过程。当发动机冷却水温度达到发动机正常工作温度时，逐渐添加燃料B，同时减少燃料A的供给，保证燃料的总放热量保持不变。燃料的总放热量＝燃料A的热值*燃料A的质量+燃料B的热值*燃料B的质量。根据仿真出的控制参数逐渐增大燃料的过量空气系数，使发动机在较大的空燃比下怠速运转。

2、小负荷工况(多A少B型燃烧模式)：本发明中的燃料分层有两种，燃料A—空气形成的混合气和燃料B—空气形成的混合气之间的分层与燃料B与空气的分层。在这里强调文中所提及的分层没有特殊说明都是指燃料B和空气形成的分层。小负荷时，使发动机在分层稀燃模式下工作，燃料B的喷嘴在压缩冲程开始喷射且实施多次喷射，多次喷射配合气体流动形成分层混合气，在接近压缩上止点时，燃料A的喷嘴打开，开始喷射燃料A，在火花塞处形成燃料A和空气相对较浓的混合气，火花塞跳火使之点燃，进而点燃燃料B和空气形成的稀薄混合气，使发动机正常运转。由于发动机的分层燃烧，又由于发动机缸壁附近的空气层降低了发动机的传热损失，提高发动机的热效率。

3、大负荷工况(少A多B型燃烧模式)：大负荷时，根据发动机油门踏板的信号，油门踏板信号逐渐增加最后稳定，发动机需要较大的转矩输出。随着发动机转矩需求的不断增加，燃料供给系统逐步增加净能量密度大的燃料B，同时减少燃料A的供给，以此来满足发动机转矩的需求。具体实施方法是在满足发动机转矩需求的情况下，燃料B在进气开始时就开始喷射，增加喷射脉宽和喷射压力使之与空气形成均匀较浓的混合气，并逐渐减少燃料A的供给，在此过程中要保证混合气的空燃比保持不变。

4、急加速工况(多A多B型燃烧模式)：当发动机需要急加速时，不仅需要大的转矩还需要高的转速。根据发动机油门踏板信号，发动机油门踏板信号瞬时增大，此时要满足发动机对转矩和转速迅速增加的需求，要供给发动机燃烧周期短的混合气，即功率混合气。具体实施方法是，发动机燃料供给系统供给发动机净能量密度大的燃料B还需要供给发动机燃烧速度快的燃料A，在发动机的进气行程喷射燃料B和大负荷是实施方法一样，实现高压喷射的同时增大喷油脉宽，不同的是在压缩接近上止点时喷射更多的燃料A，使混合气的燃烧周期最短，使发动机的输出转矩和转速迅速增加，实现发动机的急加速。

附图说明

图1为缸内直喷双气体燃料燃烧及控制装置整体机构图。

图2为缸内直喷双气体燃料燃烧及控制装置缸盖横剖图。

图3为缸内直喷双气体燃料燃烧及控制装置电子控制电源接收的信号和发出的指令。

图4为缸内直喷双气体燃料燃烧及控制装置燃料喷射示意图。

图5为缸内直喷双气体燃料燃烧及控制装置控制流程图。

图中：1发动机机体，2燃料A储存罐，3燃料B储存罐，4废气涡轮增压器，5电子控制单元，6三效催化转化器，7减压阀，8压力表，9燃料A的喷嘴，10减压阀，11压力表，12燃料B的喷嘴，13排气总管，14EGR阀，15进气管，16火花塞，17燃料B高压气轨，18燃料A高压气轨，19蓄电池，20燃料A泄漏报警装置，21燃料B泄漏报警装置

下面结合附图所示实施例进一步说明本发明的具体实施方式。

图1为一种缸内直喷双气体燃料点燃式燃烧及控制装置，由发动机机体1、燃料A储存罐2、燃料B储存罐3、废气涡轮增压器4、电子控制单元5、三效催化转化器6、减压阀7、压力表8、燃料A的喷嘴9、减压阀10、压力表11、燃料B的喷嘴12、排气总管13、EGR阀14、进气管15、火花塞16、燃料B高压气轨17、燃料A高压气轨18、蓄电池19、燃料A泄漏报警装置20、燃料B泄漏报警装置21等组成。气体燃料A经过减压阀7、压力表8与燃料A的高压气轨9连接，高压气轨连接燃料A的喷嘴，燃料B经过减压阀10、压力表11与燃料B的高压气轨17相连，燃料B的高压气轨17与燃料B的喷嘴12相连。两个喷嘴都直接将燃料喷入发动机缸内，组成该发明的燃料供给系统。燃料供给系统还包括针对燃料泄漏的报警器20、21。发动机的排气总管13与增压器4相连，对发动机的进气进行增压，并组成该装置的增压系统。EGR阀14连接发动机的排气管13和进气管15，组成该装置的EGR系统。三效催化转化器6与发动机排气总管13相连，安装在增压器4的后方，对发动机尾气进行处理，组成改装的后处理系统。

图2为缸内直喷双气体燃料燃烧及控制装置缸盖横剖图，从图上可以看出燃料A的喷嘴9、燃料B的喷嘴12及火花塞16在水平面上的位置投影，配合图4可以确定三个零件的空间位置关系。据此通过有限元分析和理论计算可以判断发动机缸盖的机械强度是否满足要求。

图3为发动机的电子控制单元信号处理情况，接收端接收发动机运行工况信号：油门踏板位置信号、发动机转速信号、曲轴转角信号、上止点位置信号、润滑油压力信号、润滑油温度信号、冷却水温度信号、进气温度和压力信号、废气中氧气的浓度信号、爆震信号、双燃料温度和压力信号。输出端与燃料A喷嘴9、燃料B喷嘴12以及火花塞16连接，给执行器发出指令，实现双燃料的喷射和火花塞的跳火。

图4为缸内直喷双气体燃料燃烧及控制装置，使双燃料均实现发动机的缸内直接喷射，对燃料A、B的喷油器以及火花塞的的位置进行了设计，燃料A的喷嘴9与气缸轴线成35度角，燃料B的喷嘴12与气缸轴线成50度角，火花塞16与气缸轴线成25度角，并且活塞顶部有配合喷嘴的凹坑，使燃料A可以在火花塞附近形成可以点燃的混合气，使燃料B在部分工况可以形成分层混合气。该发明是一种气体双燃料分层燃烧装置，所以取消了传统汽油机的节气门，与传统的分层稀燃发动机相比，不仅在大负荷时减少发动机的节流损失，在发动机运行的全工况都能减少发动机的节流损失，增大进气量，减少发动机传热损失，使发动机的燃油经济性得到更进一步的提高。发动机稀燃后可以工作在更大的压缩比下，所以该发动机的压缩比设计为12，以使发动机的热效率再进一步提高。

如图5为缸内直喷双气体燃料燃烧及控制装置控制流程图，发动机运转首先要根据发动机ECU接收的运转参数(主要是油门踏板位置信号)来判断发动机的运转模式，根据发动机的不同运转模式对发动机进行不同的控制，选择发动机的燃烧模式，保证发动机得到实时的控制。保证发动机转矩输出值满足转矩需求，进而使发动机实现实时的相对最优控制，使发动机的经济性、动力性、排放性都达到相对较优。发动机的每一个运转工况都对应相应的已经仿真好的脉谱，从脉谱中寻找与发动机当前工作状态最接近的控制参数，进而对发动机进行控制。具体实施路线：发动机的运转参数判断发动机的运转工况——与工况对应的燃烧模式——对该燃烧模式的相对最优控制。

Claims (5)

1.一种缸内直喷双气体燃料点燃式燃烧及控制装置，其特征在于，它是由发动机(1)、废气涡轮增压器(4)、双燃料存储罐(2)(3)、三效催化转换器(6)、EGR阀(14)、电子控制装置(5)组成；双燃料存储罐(2)(3)分别经过减压阀(7)(10)与各自的喷嘴(9)(12)相连，两种燃料均采用发动机的缸内直喷，废气涡轮增压器(4)与发动机的排气管(13)相连，对发动机的进气进行增压；EGR阀(14)与发动机的排气管(13)和进气管(15)相连，废气随新鲜空气一起进入废气涡轮增压器(4)，电子控制装置(5)接收发动机的各种运转信号，控制双燃料发动机的喷嘴(9)(12)、火花塞(16)、废气涡轮增压器(4)、EGR阀(14)等装置，还取消了传统点燃式发动机的节气门，减少发动机的节流损失，提高充气效率；对燃料A、B的喷嘴以及火花塞的的位置进行了设计，燃料A的喷嘴(9)与气缸轴线成35度角，燃料B的喷嘴(12)与气缸轴线成50度角，火花塞(16)与气缸轴线成25度角，并且活塞顶部有配合喷嘴的凹坑。

2.根据权利要求1所述的一种缸内直喷双气体燃料点燃式燃烧及控制装置，其特征在于，上述双燃料存储罐中燃料并非特定两种燃料，所述的燃料A的火焰传播速度要高于燃料B，燃料A的点火能量要低于燃料B的点火能量，燃料A的辛烷值要高；所述的燃料B的辛烷值要高，燃料B的净能量密度要高。

3.根据权利要求1所述的一种缸内直喷双气体燃料点燃式燃烧及控制装置，其特征在于，两种燃料均采用缸内的直接喷射，并且实现燃料A的喷射时刻、燃料B的喷射时刻、点火时刻这三个时刻在发动机不同工况下的最优配合。

4.根据权利要求1所述的一种缸内直喷双气体燃料点燃式燃烧及控制装置，其特征在于，一种燃料的喷嘴在火花塞附近，配合活塞的特殊形状，在火花塞附近形成局部浓区，以实现可靠的点火；另一种燃料与空气形成较稀的混合气，实现发动机的整体稀燃，以实现多种燃烧模式的转换。

5.根据权利要求1所述的一种缸内直喷双气体燃料点燃式燃烧及控制装置，其特征在于，将发动机的压缩比设计为12，比传统汽油机的压缩比略高，该发动机是气体稀燃发动机，爆震倾向减小，提高发动机的压缩比有利于提高发动机的动力性及进一步改善发动机的经济性。