Egr條件下缸內(nèi)直噴雙氣體燃料的內(nèi)燃機(jī)及控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及車用內(nèi)燃機(jī)技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種EGR條件下缸內(nèi)直噴雙氣體燃料的內(nèi)燃機(jī)及控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]當(dāng)今世界環(huán)境問題和能源危機(jī)愈演愈烈，本世紀(jì)人類必須面對的不僅是能源危機(jī)，環(huán)境污染也不容忽視，而能源開發(fā)和利用的產(chǎn)物是環(huán)境污染的重要來源，所以各國對于汽車排放法規(guī)的制定越來越嚴(yán)格，而本著節(jié)能的原則，也對汽車經(jīng)濟(jì)性提出了更高的要求。為了應(yīng)對能源危機(jī)與環(huán)境問題的挑戰(zhàn)，人們需要一種新的方法使得汽車達(dá)到節(jié)能減排的目的，各大汽車廠家因此而絞盡腦汁，尋找新的技術(shù)。
[0003]傳統(tǒng)的點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)燃料一般在進(jìn)氣歧管噴射，這對于液體燃料或是氣體燃料或多或少會有一定的弊端，液體燃料會有一部分在進(jìn)氣道形成油膜，而氣體燃料會占用一定的混合氣體積，造成充量系數(shù)下降。基于此，缸內(nèi)直噴技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。顧名思義，缸內(nèi)直噴技術(shù)就是將燃料直接噴入氣缸，能夠精確地控制空燃比，其響應(yīng)性相比進(jìn)氣道噴射有了較大的提升，而且缸內(nèi)直噴發(fā)動機(jī)能夠采用分層稀燃技術(shù)，使發(fā)動機(jī)的熱效率得到有效地提升，并能改善發(fā)動機(jī)的排放。而稀燃技術(shù)的不足之處在于燃燒穩(wěn)定性不好，選擇一種擴(kuò)散速度快、火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤斓臍怏w燃料就能很好的解決這一問題。
[0004]EGR技術(shù)是將發(fā)動機(jī)的一部分排氣通過某種途徑重新引入氣缸并參與燃燒過程的技術(shù)，主要目的是利用廢氣比熱容高、稀釋新鮮空氣、減緩燃燒速率的作用降低發(fā)動機(jī)的NOx排放。EGR技術(shù)一般應(yīng)用在柴油機(jī)上，但是隨著缸內(nèi)直噴發(fā)動機(jī)的出現(xiàn)，其在部分負(fù)荷時采用稀燃，使得缸內(nèi)氧濃度較大，再加上與增壓技術(shù)的配合使用使得缸內(nèi)燃燒溫度也很高，導(dǎo)致放增加，所以現(xiàn)在EGR技術(shù)也逐漸應(yīng)用在缸內(nèi)直噴點(diǎn)燃式發(fā)動機(jī)上。另一方面，EGR的引入也有利于抑制點(diǎn)燃式發(fā)動機(jī)的爆震。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明涉及一種缸內(nèi)直噴雙氣體燃料發(fā)動機(jī)。本發(fā)明設(shè)計出一種EGR條件下缸內(nèi)直噴雙燃料的內(nèi)燃機(jī)及控制方法，旨在提高氣體燃料發(fā)動機(jī)的熱效率、降低其放以及解決缸內(nèi)直噴發(fā)動機(jī)分層稀燃不穩(wěn)定的問題。該系統(tǒng)通過將兩種燃料均直接噴射噴射到缸內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了內(nèi)燃機(jī)負(fù)荷的質(zhì)調(diào)節(jié)，較點(diǎn)燃式氣體發(fā)動機(jī)熱效率得到了大幅度的提高；該系統(tǒng)的控制方法通過模式轉(zhuǎn)換，可以使發(fā)動機(jī)在任意工況都在最佳的狀態(tài)下運(yùn)行，并可以在啟動工況、怠速、中小負(fù)荷工況等都實(shí)現(xiàn)稀薄燃燒，大大的提高了經(jīng)濟(jì)性；另外，針對該發(fā)動機(jī)NOx排放高的缺點(diǎn)，采用EGR技術(shù)以及稀燃催化轉(zhuǎn)換器降低尾氣的排放。
[0006]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明通過以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)，并【附圖說明】:
[0007]一種ERG條件下缸內(nèi)直噴雙氣體燃料的內(nèi)燃機(jī)，該系統(tǒng)由點(diǎn)燃式發(fā)動機(jī)25改裝而成，并取消了節(jié)氣門，其結(jié)構(gòu)是由點(diǎn)燃式發(fā)動機(jī)25、空氣濾清器4、廢氣渦輪增壓器5、中冷器6、EGR閥3、氧傳感器2、稀燃催化轉(zhuǎn)換器I等組成；它的燃料供給系統(tǒng)包括主氣體燃料供給系統(tǒng)和輔助燃料供給系統(tǒng)，主氣體燃料供給系統(tǒng)由主氣體燃料存儲罐13、調(diào)壓閥11、電磁閥9以及主氣體燃料輸送管路8組成，輔助氣體燃料供給系統(tǒng)由輔助氣體燃料存儲罐14、調(diào)壓閥12、電磁閥10以及輔助氣體燃料輸送管路7組成，主氣體燃料與輔助氣體燃料分別通過主氣體燃料噴射器23、輔助氣體燃料噴射器19直接噴入氣缸；當(dāng)同時燃燒主氣體燃料和輔助氣體燃料時，基于輔助氣體燃料擴(kuò)散速度快、火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤斓忍攸c(diǎn)，混合氣混合良好，燃燒速度快，缸內(nèi)溫度較高，再加上該系統(tǒng)取消了節(jié)氣門，負(fù)荷調(diào)節(jié)方式為質(zhì)調(diào)節(jié)，泵氣損失較少而進(jìn)氣量較多，所以NOx排放較高，需增加EGR系統(tǒng)以限制NO ^勺排放，并使用稀燃催化轉(zhuǎn)換器對尾氣進(jìn)行處理。ECU通過接收發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、負(fù)荷以及各傳感器等信號從而實(shí)現(xiàn)對主氣體燃料噴射器23、輔助氣體燃料噴射器19、火花塞20、EGR閥3的控制。
[0008]所述的雙氣體燃料，它們擁有各自的燃料供給系統(tǒng)，其中，主氣體燃料為高辛烷值燃料，而輔助氣體燃料相比于主氣體燃料，其火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤?、點(diǎn)火能量低、淬熄距離短，所以能夠促進(jìn)燃料在低負(fù)荷充分燃燒，改善經(jīng)濟(jì)性，降低循環(huán)變動；并且輔助氣體燃料著火界限寬廣，能夠拓展內(nèi)燃機(jī)的稀燃范圍，有利于提高其熱效率；但是輔助氣體燃料的凈能量密度較主氣體燃料低。
[0009]所述的EGR系統(tǒng)，其特征之處在于，通過在進(jìn)氣道內(nèi)添加了一根導(dǎo)氣管24，該導(dǎo)氣管靠近進(jìn)氣道外側(cè)，保持與氣道外形流線平行，并使導(dǎo)氣管末端深入到氣門頭部附近，以盡可能地阻止空氣與廢氣的過早摻混，這樣可以實(shí)現(xiàn)廢氣與進(jìn)氣在缸內(nèi)的分層，將廢氣控制于氣缸壁面附近，可燃混合氣分布于中間區(qū)域，保證在點(diǎn)火時刻火花塞附近不受廢氣的影響，從而最大限度地發(fā)揮廢氣的作用，在降低NOx排放的同時，也減小了發(fā)動機(jī)的傳熱損失。
[0010]所述的的雙氣體燃料噴射系統(tǒng)，包括主氣體燃料噴射器23與輔助氣體燃料噴射器19，這兩個噴射器均布置在缸內(nèi)，并且輔助氣體燃料噴射器19布置在氣缸的中心位置，主氣體燃料噴射器23布置在燃燒室邊緣，火花塞20靠近輔助氣體燃料噴射器19的噴嘴，輔助氣體燃料一般在壓縮沖程噴入氣缸，燃料會直接噴向火花塞，此種噴射方式，會在火花塞附近形成較濃的混合氣，并且會形成一定的濃度梯度，有助于混合氣的分層燃燒，而由于噴射的是氣體燃料，能夠避免輔助燃料噴射器19與火花塞20形成積碳。
[0011]發(fā)動機(jī)并不總在某一種工況下運(yùn)行，其工作過程是復(fù)雜多變的，其運(yùn)行工況大致可以分為冷啟動工況，怠速及小負(fù)荷工況，高速、大負(fù)荷工況。而其控制方法的選擇，往往需要考慮發(fā)動機(jī)在該工況下動力性、經(jīng)濟(jì)型、排放性等性能的側(cè)重點(diǎn)。
[0012]一種ERG條件下缸內(nèi)直噴雙氣體燃料的內(nèi)燃機(jī)的控制方法，在發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，采用燃料與工況協(xié)同控制策略，在冷啟動工況僅采用輔助氣體燃料，在怠速及小負(fù)荷工況采用主氣體燃料與輔助氣體燃料的混合燃料，在高速、大負(fù)荷工況僅采用主氣體燃料。
[0013]在冷啟動階段，發(fā)動機(jī)對動力性的要求較低，不需要對外輸出功，燃燒所做的功僅需滿足發(fā)動機(jī)自身的運(yùn)轉(zhuǎn)即可，冷啟動階段發(fā)動機(jī)對性能的要求是盡量減少發(fā)動機(jī)在此階段的排放。由于輔助氣體燃料擴(kuò)散速度快、火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤斓忍攸c(diǎn)，燃料能完全燃燒，相比于傳統(tǒng)點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)的排放，其HC及CO排放明顯降低，并且在冷啟動階段缸內(nèi)溫度較低，采用純輔助氣體燃料不會造成NOx的升高，所以在冷啟動階段采用輔助氣體燃料燃燒能有效改善發(fā)動機(jī)的排放；在怠速及小負(fù)荷工況，發(fā)動機(jī)對性能的要求在經(jīng)濟(jì)性和排放性方面，此階段要求發(fā)動機(jī)有較低的燃油消耗率以及較低的排放，雖然此階段對發(fā)動機(jī)動力性的要求并不苛刻，但是由于輔助氣體燃料的凈體積能量密度較低，無法滿足動力性要求，所以采用主氣體燃料與輔助氣體燃料混合，既能滿足一定的驅(qū)動功率，又能改善發(fā)動機(jī)在怠速及小負(fù)荷工況下的燃燒及排放特性；在高速、大負(fù)荷工況下，發(fā)動機(jī)對性能的要求在于它的動力性，需要能夠輸出較大的功率，所以選擇純高辛烷值燃料，即采用主氣體燃料燃燒。
[0014]如上所述，當(dāng)同時燃燒主氣體燃料和輔助氣體燃料時，基于輔助氣體燃料擴(kuò)散速度快、火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤斓忍攸c(diǎn)，混合氣混合良好，火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤?，缸?nèi)溫度較高，再加上該系統(tǒng)取消了節(jié)氣門，減小了泵氣損失的同時增加了進(jìn)氣量，導(dǎo)致放較高，增加EGR系統(tǒng)可以限制排放，所以在制定發(fā)動機(jī)控制策略的時候，需要對EGR率、混合氣形成方式以及空燃比進(jìn)行協(xié)同調(diào)節(jié)。
[0015]一種ERG條件下缸內(nèi)直噴雙燃料的內(nèi)燃機(jī)的控制方法，由EGR率、混合氣形成方式以及空燃比進(jìn)行協(xié)同調(diào)節(jié)，在冷啟動工況不采用EGR ;在怠速及小負(fù)荷工況采用小的EGR率，并采用大的空燃比，主氣體燃料和輔助氣體燃料都采用分層稀燃；在中等負(fù)荷工況采用大的EGR率，并采用較小的空燃比，但總體來說混合氣最終還是略稀，主氣體燃料采用均勻稀燃，輔助氣體燃料采用分層稀燃；在大負(fù)荷工況不采用EGR，混合氣為功率混合氣，采用主氣體燃料并且為均勻燃燒。
[0016]在冷啟動工況下，為保證燃料的正常燃燒，不采用EGR ;同時僅采用輔助氣體燃料燃燒，為保證發(fā)動機(jī)的經(jīng)濟(jì)性及減小排放，輔助氣體燃料在壓縮沖程后期噴入氣缸，火花塞附近會形成較濃的混合氣，并且會形成一定的濃度梯度，缸內(nèi)混合氣的燃燒狀態(tài)為分層稀燃。
[0017]在怠速及小負(fù)荷工況下，發(fā)動機(jī)對動力性的要求并不是十分苛刻，此時采用較小的EGR率，目的在于對缸內(nèi)混合氣進(jìn)行一定的加熱，從而使混合氣能夠快速燃燒；為保證發(fā)動機(jī)的經(jīng)濟(jì)性，采用較大的空燃比，且主氣體燃料和輔助氣體燃料均在壓縮沖程后期噴射，但是輔助氣體燃料的噴射時刻晚于主氣體燃料噴射時刻，主氣體燃料與燃燒室的壁面相互作用形成了可燃混合氣，并在缸內(nèi)渦流、滾流及活塞頂部表面的特殊形狀的共同作用下被引導(dǎo)到火花塞，在火花塞附近形成了一定的濃度梯度；而輔助氣體燃料則在臨近上止點(diǎn)時噴入燃燒室，由于輔助氣體燃料直接噴向火花塞，在火花塞附近會形成較濃的混合氣，又基于輔助氣體燃料點(diǎn)火能量低、火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤斓忍攸c(diǎn)，缸內(nèi)混合氣會出現(xiàn)良好的燃燒狀態(tài)。
[0018]在中等負(fù)荷工況下，發(fā)