一種超稀薄燃燒缸內(nèi)直噴雙氣體燃料內(nèi)燃機(jī)及控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及內(nèi)燃機(jī)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種超稀薄燃燒的缸內(nèi)直噴雙氣體燃料內(nèi)燃機(jī)。適用于采用超稀薄混合氣、高壓縮比氣體燃料缸內(nèi)直噴點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)的車(chē)輛。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著傳統(tǒng)化石能源的日益枯竭，汽車(chē)工業(yè)的迅猛發(fā)展，汽車(chē)燃燒化石燃料后排出的有害氣體對(duì)環(huán)境造成的污染愈加嚴(yán)重且不可逆轉(zhuǎn)，對(duì)人類(lèi)的生存環(huán)境與健康造成巨大威脅，所以尋求高質(zhì)量的汽車(chē)代用燃料逐漸被世界各國(guó)所重視，國(guó)家和汽車(chē)行業(yè)對(duì)高效節(jié)能的汽車(chē)內(nèi)燃機(jī)技術(shù)要求也愈發(fā)嚴(yán)格。要解決這兩大問(wèn)題，必須盡快尋找替代石油的內(nèi)燃機(jī)新型燃料，使用這種新型燃料必須大幅度降低內(nèi)燃機(jī)污染物的排放水平。優(yōu)質(zhì)的汽車(chē)代用燃料可以減輕汽車(chē)給石油資源緊缺帶來(lái)的壓力，減輕能源危機(jī)。新型燃燒技術(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)理論上既能降低發(fā)動(dòng)機(jī)燃料的消耗，又可以減少有害物質(zhì)的排放，同時(shí)達(dá)到降低能耗和減少污染的目的。
[0003]面對(duì)嚴(yán)峻的環(huán)境與能源壓力，氣體燃料內(nèi)燃機(jī)受到的關(guān)注程度在不斷增加，常用的代用氣體燃料，諸如天然氣、液化石油氣等，具有存儲(chǔ)量大、價(jià)格適宜、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，故其應(yīng)用得到廣泛的發(fā)展。然而這類(lèi)碳?xì)浠剂?，其燃燒速度慢，影響了熱效率以及?nèi)燃機(jī)的功率，同時(shí)，這類(lèi)燃料所需的點(diǎn)火能量大，對(duì)點(diǎn)火系統(tǒng)提出了更高的要求。氫氣具有優(yōu)良燃燒特性的氣體燃料，其熱值是汽油的3倍左右，具有點(diǎn)火能量低、燃燒界限寬、火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤斓葍?yōu)點(diǎn)，使得內(nèi)燃機(jī)能進(jìn)一步提高壓縮比和拓展內(nèi)燃機(jī)稀燃極限，進(jìn)而降低循環(huán)變動(dòng)以及減少污染物的排放。而缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)具有壓縮比高經(jīng)濟(jì)性好、噴油靈活、控制精度高、可實(shí)現(xiàn)多種燃燒模式的優(yōu)點(diǎn)。缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒方式主要有兩種，一種是分層燃燒的方式，另一種是均質(zhì)燃燒的方式。但是均質(zhì)燃燒模式很難實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的稀燃，進(jìn)而限制發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性的提高。因此對(duì)缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用雙氣體燃料潛力的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)和普及應(yīng)用對(duì)實(shí)現(xiàn)內(nèi)燃機(jī)經(jīng)濟(jì)性提高和降低排放具有重要意義。
[0004]超稀薄燃燒就是使一般不能正常燃燒(混合比在稀薄可燃界限以下)的可燃物質(zhì)，采用特殊方法使其燃燒。形成超稀薄燃燒的方法主要有三種:第一種是在可燃混合氣中混進(jìn)大量新鮮空氣；第二種是在可燃?xì)怏w中混進(jìn)惰性氣體而使其熱值低；第三種是可燃成分和不可燃成分都是液體和固體，由其發(fā)熱量低不能正常燃燒。缸內(nèi)直噴的點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)采用超稀薄燃燒技術(shù)，不僅可以降低內(nèi)燃機(jī)的排放，提高內(nèi)燃機(jī)的經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)可以降低爆震傾向，可以進(jìn)一步提高壓縮比和熱效率。但是，超稀薄燃燒受到燃燒不穩(wěn)定等因素的影響，燃燒循環(huán)變動(dòng)系數(shù)變大，限制了稀燃極限的提高。常用的提高稀燃極限的措施有:采用合理的燃燒室，增大壓縮比，采用氫氣等氣體輔助燃料加快火焰?zhèn)鞑ニ俣?；采用分層燃燒的方法；采用電子控制噴射技術(shù)等一系列方法。
[0005]公開(kāi)號(hào)為[CN103470384A]的發(fā)明《點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)稀薄燃燒空氣隨動(dòng)配氣控制裝置及方法》中提出了一種節(jié)氣裝置中的電控裝置根據(jù)燃料量和已設(shè)定的空燃比通過(guò)節(jié)氣門(mén)開(kāi)度控制混合氣量，其采用節(jié)氣裝置控制進(jìn)入氣缸的混合氣量，為提高混合器中氣體壓力，采用了渦輪增壓以及中冷裝置，提高進(jìn)氣充量，符合稀薄燃燒的空燃比需求，但是增加了內(nèi)燃機(jī)的油耗以及不能實(shí)現(xiàn)空燃比的進(jìn)一步增大，使內(nèi)燃機(jī)稀燃極限的拓展受限。傳統(tǒng)的點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)實(shí)現(xiàn)稀薄燃燒的方法都是由加速踏板信號(hào)與預(yù)設(shè)進(jìn)氣量比較來(lái)控制節(jié)氣裝置的開(kāi)度，不能實(shí)現(xiàn)快速連續(xù)實(shí)時(shí)的控制進(jìn)入氣缸的混合氣狀態(tài)，響應(yīng)遲緩，且不具備氣流運(yùn)動(dòng)的控制裝置，這在一定程度上限制了內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)混合氣的稀釋化以及排放的進(jìn)一步降低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于解決當(dāng)前缸內(nèi)直噴汽油發(fā)動(dòng)機(jī)在冷起動(dòng)和小負(fù)荷工況下油耗高、污染水平高，以及汽油燃料的燃燒特性限制了空燃比的進(jìn)一步提高，難以進(jìn)一步擴(kuò)大稀燃極限等問(wèn)題。本發(fā)明開(kāi)發(fā)一種能夠?qū)崿F(xiàn)超稀薄燃燒的缸內(nèi)直噴雙氣體燃料內(nèi)燃機(jī)及控制方法，其采用雙氣體燃料，兩種氣體燃料具有較汽油更加良好的燃燒特性，包括高熱值、較寬的燃燒界限以及快速火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊?；基于缸?nèi)直噴和進(jìn)氣道噴射組合式的雙氣體燃料點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)技術(shù)，該系統(tǒng)及控制方法能夠使內(nèi)燃機(jī)在燃用氣體燃料時(shí)，采用具有高熱值的混合氣體燃料作為汽油的代用燃料，可以進(jìn)一步提高內(nèi)燃機(jī)的壓縮比，配合氣流控制閥和導(dǎo)向隔板以及具備壁面引導(dǎo)型和氣流引導(dǎo)型相結(jié)合的凹坑型活塞頂面的共同控制，在火花塞周?chē)纬煞謱踊旌蠚狻?br>[0007]本發(fā)明提供能夠?qū)崿F(xiàn)快速超稀薄穩(wěn)定燃燒模式，其意義在于解決不能正常燃燒的氣體燃料的可燃性，尋找汽油的更佳、更多種代用氣體燃料，而且綜合了能源與環(huán)境的協(xié)同發(fā)展，應(yīng)用于更廣泛的領(lǐng)域；同時(shí)超越傳統(tǒng)燃燒極限的燃燒模式，能提高內(nèi)燃機(jī)的熱效率，降低循環(huán)變動(dòng)，降低油耗和污染物排放，實(shí)現(xiàn)雙氣體燃料內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力性能和排放性能的綜合提升，因此從節(jié)約能源、環(huán)境保護(hù)的角度來(lái)看，超稀薄燃燒的研宄是非常有意義的。
[0008]本發(fā)明的上述目的是通過(guò)以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)，結(jié)合【附圖說(shuō)明】如下:
[0009]本發(fā)明提供一種超稀薄燃燒缸內(nèi)直噴雙氣體燃料內(nèi)燃機(jī)，其包括甲燃料供給系統(tǒng)、乙燃料供給系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)、進(jìn)氣系統(tǒng)、氣流控制裝置、排氣系統(tǒng)、氧傳感器32、點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)22和內(nèi)燃機(jī)電控系統(tǒng)29 ;甲燃料供給系統(tǒng)由甲燃料供給箱28、甲燃料供給管路25和甲燃料噴射器5組成；乙燃料供給系統(tǒng)由乙燃料供給箱27、乙燃料供給管路26和乙燃料噴射器13組成；點(diǎn)火系統(tǒng)由蓄電池30、點(diǎn)火線路31和火花塞10組成；甲燃料供給系統(tǒng)、乙燃料供給系統(tǒng)和點(diǎn)火系統(tǒng)分別通過(guò)甲燃料噴射器5、乙燃料噴射器13和火花塞10與點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)22相連；內(nèi)燃機(jī)電控系統(tǒng)29通過(guò)接收氧傳感器32反饋的信號(hào)，進(jìn)而對(duì)節(jié)氣門(mén)3、氣流控制閥6、火花塞10、甲燃料噴射器5和乙燃料噴射器13進(jìn)行控制，以實(shí)現(xiàn)對(duì)該燃燒系統(tǒng)的控制。
[0010]所述的一種超稀薄燃燒缸內(nèi)直噴雙氣體燃料內(nèi)燃機(jī)，其特征在于，所述第一燃料為現(xiàn)在應(yīng)用較為廣泛的氣體代用燃料，例如天然氣，液化石油氣。
[0011]所述的一種超稀薄燃燒缸內(nèi)直噴雙氣體燃料內(nèi)燃機(jī)，其特征在于，所述乙燃料燃燒性能優(yōu)于甲燃料，其性能主要包括火焰?zhèn)鞑ニ俣?、點(diǎn)火能量、燃燒界限、燃燒速度以及燃燒排放物等方面，例如氫氣。
[0012]所述的氣流控制裝置，由氣流控制閥6和導(dǎo)向隔板7組成，氣流控制閥的電磁閥由所述內(nèi)燃機(jī)22的電控系統(tǒng)29控制，對(duì)進(jìn)氣滾流比不同的氣流運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制，其控制在1.6-6.2范圍內(nèi)；隨著滾流比的增大，缸內(nèi)混合氣的氣流運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)，空氣與燃料的相互作用增大，配合凹坑型活塞16頂面，在氣缸內(nèi)形成該系統(tǒng)采用的燃燒模式所需的滾流比為2附近的分層混合氣。
[0013]所述的一種超稀薄燃燒缸內(nèi)直噴雙氣體燃料內(nèi)燃機(jī)，其特征在于，所述點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)22采用兩種不同屬性的氣體燃料作為所述內(nèi)燃機(jī)22的燃料，兩種不同的氣體燃料采用兩套燃料供給系統(tǒng)，分別為甲燃料(主氣體燃料)供給系統(tǒng)和乙燃料(輔助氣體燃料)供給系統(tǒng)，其中，甲燃料采用進(jìn)氣道預(yù)混合的形式進(jìn)入氣缸內(nèi)，乙燃料采用缸內(nèi)直噴的形式進(jìn)入氣缸內(nèi)。
[0014]所述的點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)包括進(jìn)氣總管24、進(jìn)氣歧管4、氣流控制閥6、導(dǎo)向隔板7、進(jìn)氣道8，其中進(jìn)入進(jìn)氣總管24的新鮮空氣量由節(jié)氣門(mén)3控制，流過(guò)氣流控制閥6的甲燃料預(yù)混合氣體通過(guò)導(dǎo)向隔板7進(jìn)入進(jìn)氣道，由氣流控制閥6控制預(yù)混合氣體的滾流比，其表征甲燃料預(yù)混合氣的滾流強(qiáng)度，氣流控制閥6結(jié)合導(dǎo)向隔板7構(gòu)成不同甲燃料預(yù)混合氣體的流通通道，由其形狀位置確定混合氣體流過(guò)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。
[0015]所述的點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)燃燒室19由氣缸蓋20和活塞16頂面構(gòu)成，其中活塞16頂面具有中間凹坑形成壁面引導(dǎo)和氣流引導(dǎo)結(jié)合的形狀，以控制進(jìn)入內(nèi)燃機(jī)氣缸內(nèi)兩種燃料混合氣分層狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)理想的分層混合氣，進(jìn)而快速、穩(wěn)定的燃燒。
[0016]參閱圖6所示，在所述點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)氣缸內(nèi)火花塞10周?chē)纬傻某”∪紵膬煞N氣體燃料部分分層混合氣21，其包含有不同空燃比的分