基于egr系統的稀燃氣體雙燃料點燃式內燃機及控制方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明設及內燃機技術領域，特別是設及EGR在稀燃氣體雙燃料點燃式內燃機中 的應用。
【背景技術】
[0002] 隨著汽車產業(yè)的發(fā)展，汽車的市場保有量越來越大，內燃機的應用更加廣泛，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，對儲存和應用都提出了新的要求。
[0004] 在點燃式內燃機中燃用氣體燃料，可W采用稀薄燃燒的方式，提高經濟型的同時 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)明內容】

[0005] 本發(fā)明設及一種基于EGR(廢氣再循環(huán)）系統的稀燃氣體雙燃料點燃式內燃機及 控制方法，能夠解決氣體燃料點燃式內燃機在進行稀薄燃燒時產生的燃燒不穩(wěn)定、NOx排放 高等問題。本發(fā)明是基于氣體燃料缸內直噴和進氣道噴射組合式的雙燃料點燃式內燃機技 術W及EGR技術，該內燃機及控制方法能夠使雙燃料點燃式內燃機在高壓縮比下，實現穩(wěn) 定、高效的稀薄燃燒，降低循環(huán)變動和失火現象；同時，將部分廢氣重新引入氣缸參與燃燒， 根據工況需求改變EGR率，改變缸內燃燒狀況，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 燃機的結構、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] 該內燃機由進氣系統、點火系統、第一燃料供給系統、第二燃料供給系統、排氣系 統、EGR系統、點燃式內燃機9和內燃機電控系統16組成；進氣系統由進氣道2、進氣歧管 15、節(jié)氣口 1和控制線路17組成；點火系統由火花塞8和控制線路17組成；第一燃料供給 系統由第一燃料供給箱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、第二燃料供給系統 和點火系統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與點燃式內燃機9相 連；EGR系統通過EGR管路4將排氣管10與進氣道2相連，并在管路中串聯EGR中冷器5 和EGR閥3 ;內燃機電控系統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的控制實現對該內燃機的控制。
[0008] 該內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 給系統進行供給，即主氣體燃料（第一燃料）供給系統和輔助氣體燃料（第二燃料）供給 系統。其中，第一燃料W進氣道噴射的方式在進氣道內形成混合氣，進氣口開啟后隨氣流運 動進入氣缸，第二燃料W缸內直噴的方式進入氣缸。
[0009] 該內燃機既可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] 該內燃機中所述第一燃料為常見的、應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] 稀薄燃燒是指缸內工質的過量空氣系數A大于經濟混合氣（A約為1.05)的運 轉工況，即缸內實際供給的空氣量大于缸內燃料完全燃燒所需的理論空氣量。在雙氣體燃 料內燃機中，定義過量空氣系數A為兩種燃料的綜合過量空氣系數，即
[0012]
[0013] 其中，nigu為進入缸內的空氣質量，心i為第一燃料噴射量占總燃料噴射量的百分 數，nigi為單位質量的第一燃料完全燃燒所需的空氣質量，<範為第一燃料噴射量占總燃料噴 射量的百分數，111。2為單位質量的第二燃料完全燃燒所需的空氣質量。
[0014] 在點燃式內燃機中采用稀薄燃燒，一方面可W在缸內形成富氧環(huán)境，使燃料能夠 充分燃燒，同時缸內工質等賭指數增大，熱效率提高；另一方面混合氣較稀，缸內燃燒溫度 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荷工況下，W提高燃油經濟性；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實現無節(jié)氣口下的轉矩控制，最終實現燃油經濟性提 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燃機，在中小負荷下，根據負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，提高經濟性；在中等負荷下，采用均勻稀燃的燃燒模式，滿足輸出轉矩的 要求。
[0016] 在小負荷下，采用分層稀燃的方式。實現分層燃燒，需要燃料的噴射時刻、燃燒室 形狀和缸內氣流運動相互配合。所述內燃機在進氣道中設有進氣翻板，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，從而實現雙氣體燃料的稀薄燃燒。
[0017] 在中負荷下，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相應的提高，滿足中等負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。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，使得整個燃燒室內的混 合氣都可W燃燒完全。
[0018] 所述內燃機，在中小負荷下，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 小負荷，尤其是小負荷時，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 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，因此能夠降低缸內的燃燒溫度， 抑制NOx的生成。當EGR率較小時，燃燒溫度降低，散熱損失減小，熱效率升高；當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，在中小負荷下，應采用機械 效率最高的4m。由于所述內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)鞑ニ俣龋档脱h(huán)變動，因 此在所述內燃機中，機械效率最高的EGR率要大于傳統內燃機，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燃機結構圖。
[0023] 圖2為氣體雙燃料點燃式內燃機縱剖圖。
[0024] 圖3為氣體雙燃料點燃式內燃機控制策略流程圖。
[002引圖中：1節(jié)氣口，