CN106321269A - 高可燃性燃料微引燃控制稀释或稀薄燃烧及着火的方法 - Google Patents

高可燃性燃料微引燃控制稀释或稀薄燃烧及着火的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高可燃性燃料微引燃控制稀释或稀薄燃烧及着火的方法，利用少量分层高可燃性燃料自燃引燃汽油，形成稳定的火焰传播。火焰传播所释放的能量和活塞上行压缩使得缸内温度提升，同时在少量预喷高可燃性燃料的辅助下，在未燃的稀释或稀薄混合气中形成多个自燃点，进而形成稳定的快速燃烧或多点自燃燃烧。当发动机遭遇爆震或最大爆发压力超限时，可通过引入冷却的已燃废气或过量空气，将燃烧过程转换为快速火焰传播方式燃烧。在缸内热状态不足以形成稳定的火焰传播和自燃放热时，通过引入内部残余废气的方式提高缸内热状态。本发明可以克服预混稀释或稀薄混合气的着火及燃烧过程控制的难题。

Description

高可燃性燃料微引燃控制稀释或稀薄燃烧及着火的方法
技术领域
本发明涉及一种发动机燃烧控制技术。
背景技术
汽油压燃着火燃烧方式(Gasoline compression ignition，GCI)由于其同时具有改善燃油经济性和发动机尾气排放的潜力而成为一种极具发展前景的新发动机燃烧技术。在汽油压燃着火技术的发展历史中，由于应用平台和控制策略的不同，其也被称为预混充量压燃着火技术、均质充量压燃技术、可控自燃燃烧技术和部分预混压燃技术等。以上几种技术虽然在实施上各有不同，但是其技术核心同属于汽油压燃着火燃烧的范畴。汽油压燃燃烧技术的共同特点之一就是通过额外热源或者高温已燃废气的加热和发动机的压缩过程使得稀释或稀薄的空气燃油混合气在燃烧上止点附近自燃着火。
稀释混合气是指缸内充量除了燃油和空气外还存留有大量的已燃气体，其燃油和空气并不局限于理论当量比。而稀薄混合气是指缸内充量主要只包含燃油和空气，但是空气量与燃油的比例必大于理论上的空燃当量比。因此，稀释燃烧是指缸内着火燃烧时充量为稀释混合气，而稀薄燃烧是指缸内着火燃烧时充量为稀薄混合气。无论是稀释燃烧还是稀薄燃烧，其核心本质都是在发动机着火燃烧时，填充大量不参与燃烧的气体以控制发动机燃烧过程，无论是已燃废气还是过量空气。
但是汽油压燃燃烧技术若要在实际中应用，仍然面临燃烧过程控制中的三个主要的技术问题。首先需要解决汽油机压燃燃烧的着火控制问题。汽油压燃燃烧的着火取决于压缩过程中缸内预混充量的温度历程，着火本质上由化学反应动力学过程以及缸内的流动混合过程决定，但是化学反应动力学以及缸内的流动混合过程均难以直接而精准的调控，因而汽油压燃燃烧缺乏直接的着火控制方法以精确控制着火时刻。其次，汽油压燃燃烧对环境温度非常敏感，故而在发动机处于冷环境中，如冷启动时很难稳定着火。最后，汽油机大负荷存在高压力升高率的问题。由于缺乏着火时刻及燃烧过程两个方面的有效调控手段，汽油压燃燃烧在大负荷很容易由于高的放热速率引起很高的压力升高率。高的压力升高率会导致发动机损伤。
发明内容
为了克服预混稀释或稀薄混合气的着火及燃烧过程控制的难题，本发明提供一种发动机稀薄或稀释燃烧的着火和燃烧控制方法，该控制方法是基于同时具有火花点火、缸内直接喷射高可燃性燃料和可变气门定时功能的发动机，配有外部废气再循环或增压***，即该发动机应具有的具体功能为：通过进气道喷射方式，在缸内形成稀薄或稀释的油气混合气；通过在进气行程或压缩行程初期通过缸内直接喷射高可燃性燃料方式，形成由空气、汽油、高可燃性燃料、废气或过量空气等组成的预混稀释或稀薄的油气混合气；通过在压缩行程末期向缸内直接喷射高可燃性燃料的方法，在接近上止点时高可燃性燃料自燃形成多个着火点。
本发明提出的高可燃性燃料微引燃控制稀释或稀薄燃烧及着火的方法，其中，发动机是一台每缸均配有火花塞、进气道喷油器、缸内直接喷油器、高可燃性燃料高压供给***以及至少一个进气门和一个排气门的四冲程内燃发动机；包括以下步骤：
步骤一、通过所述进气道喷油器向进气道喷射汽油，从而向缸内引入预混的稀释空气燃油混合气或是预混的稀薄空气燃油混合气；
其中，稀释空气燃油混合气是指燃料空气混合气中还包含有燃烧生成物的混合气；稀薄空气燃油混合气指是燃料空气混合气中空气比例多于当量比燃烧所需空气比例的混合气；
步骤二、在发动机处于进气行程或压缩行程早期，通过缸内直接喷油器向缸内喷射少量高可燃性燃料，从而与步骤一中形成的预混的稀释空气燃油混合气或是预混的稀薄空气燃油混合气相混合，用于改进预混的稀释空气燃油混合气或预混的稀薄空气燃油混合气的可燃性；
步骤三、在发动机处于压缩行程后期、且在燃烧开始前，通过缸内直接喷油器向缸内喷射少量高可燃性燃料，从而在火花塞附近形成高可燃性燃料的分层混合气；
步骤四、利用活塞上行的压缩来提升缸内温度，使步骤三中形成的高可燃性燃料的分层混合气自燃着火，形成多个火核，引燃汽油形成稳定火焰传播；
步骤五、利用火焰传播释放的能量提升缸内温度，同时在步骤二注入的少量高可燃性燃料的辅助下，在未燃稀释的空气燃油混合气或是未燃稀薄的空气燃油混合气中形成多个自燃点，进而形成稳定的快速燃烧或多点自燃燃烧。
进一步讲，本发明提出的高可燃性燃料微引燃控制稀释或稀薄燃烧及着火的方法，其中，在所述发动机上设高压EGR回路和低压EGR回路；当所述发动机在大负荷工况遭遇爆震或最大爆发压力超限时，关闭步骤二中高可燃性燃料的早喷过程；并通过高压EGR回路或者低压EGR回路向进气道内引入冷却的已燃废气，用以增大已燃废气含量，同时，利用所述进气道喷油器向进气道喷射汽油，从而向缸内引入预混的稀释空气燃油混合气，进而将所述发动机燃烧过程转换为快速火焰传播方式燃烧。
所述发动机上设有进气增压器；当所述发动机在大负荷工况遭遇爆震或最大爆发压力超限时，关闭步骤二中高可燃性燃料的早喷过程；并通过所述进气增压器向进气道内引入过量的空气，同时，利用所述进气道喷油器向进气道喷射汽油，从而在缸内形成预混的稀薄空气燃油混合气，进而将所述发动机燃烧过程转换为快速火焰传播方式燃烧。
在发动机缸内热状态不足以满足分层混合气点火或形成稳定压燃燃烧时，通过引入内部残余废气的方式提高预混的稀释空气燃油混合气或是预混的稀薄空气燃油混合气的温度，以满足在不同负荷下高可燃性燃料微引燃控制稀释空气燃油混合气或是稀薄空气燃油混合气低温燃烧的需求。
在发动机压缩比低或缸内稀释程度大导致无法实现稳定燃烧的时候，采用火花塞跳火辅助高可燃性燃料引燃缸内汽油燃料，以在放热过程前期形成稳定的火焰传播过程。
本发明中，通过缸内直接喷油器向缸内喷射的高可燃性燃料的喷射总量不超过每循环缸内所有燃油质量的25％。
本发明中，所述高可燃性燃料为十六烷值高于40的易汽化的燃料，优选为二甲醚或聚甲氧基二甲醚。
本发明方法中向缸内直喷高可燃性燃料的喷射时刻范围有两种：缸内早喷高可燃性燃料与缸内晚喷高可燃性燃料。缸内早喷高可燃性燃料是在发动机处于进气行程或压缩行程且在压缩上止点前90°及之前时，向缸内直喷高可燃性燃料。缸内早喷高可燃性燃料的主要作用是辅助稀释或稀薄空气燃油混合气的自燃过程，以及提高稀释或稀薄空气燃油混合气的火焰传播速度。早喷的高可燃性燃料会与缸内的混合气相混合，形成预混状态的稀释混合气，由于高可燃性燃料的自燃温度低于汽油，因此这些预混的高可燃性燃料将在达到适宜的温度后，发生自燃放热，辅助其附近的稀薄或稀释混合气产生多个自燃点，或者提升其火焰传播速度，实现稀薄或稀释混合气的快速燃烧或多点自燃燃烧。增大缸内早喷高可燃性燃料所占总燃油的比例，将增大缸内由早喷高可燃性燃料自燃所释放的热量，从而强化稀释或稀薄空气燃油混合气自燃点产生的过程，因而是一种在缸内温度不足而不能形成稳定压燃燃烧时的有效调控措施。缸内晚喷高可燃性燃料是在发动机处于压缩行程且在压缩上止点前90°之后、燃烧开始前，向缸内直喷高可燃性燃料。缸内晚喷高可燃性燃料的主要作用是强化稀释或稀薄空气燃油混合气的着火过程，并提升随后火焰传播过程的速度。晚喷高可燃性燃料将会在火花塞附近形成易于着火的混合气，在缸内高温和火花塞引燃的作用下，发生燃烧或自燃，形成多个着火点，进而引燃汽油，形成稳定的火焰传播过程。因此，缸内晚喷高可燃性燃料是一种在缸内稀释程度较高而不能点燃混合气或不能形成稳定火焰传播时的有效调控措施。将上述两种调控手段相结合，能够很好的实现对稀释或稀薄空气燃油混合气的着火与燃烧的有效控制。
本发明提出的高可燃性燃料微引燃控制稀释或稀薄燃烧及着火的方法，其中，所述发动机上，还设有EGR回路和增压***；首先，通过所述EGR回路或者增压***，向进气道内引入冷却的已燃废气或过量空气，从而在缸内形成预混的稀释或稀薄空气燃油混合气；所述稀释或稀薄空气燃油混合气的燃烧采用前述的稀薄或稀释燃烧的着火和燃烧控制方法来控制；增加EGR功能和进气增压功能的优势是，在汽油压燃燃烧发动机遭遇爆震、最大压力升高率过大或最大爆发压力过大时，利用已燃废气或过量空气对燃烧的抑制作用可以调整自燃放热的比例，如有需要甚至可将明显的自燃放热过程转换为快速的火焰传播燃烧，以维持发动机运行的可靠性。前述的快速火焰传播过程是指包含有局部自燃以致于放热速度快于稀释条件下火焰传播速度的火焰传播过程，并不等同于传统汽油机中的火焰传播过程。
本发明提出的高可燃性燃料微引燃控制稀释或稀薄燃烧及着火的方法，其中，在所述发动机上，由于有效压缩比、负荷和稀释程度的变化，依靠晚喷的高可燃性燃料自燃引燃汽油，形成稳定的火焰传播，促使周围其余的稀释或稀薄空气燃油混合气在早喷预混的高可燃性燃料的辅助下发生自燃或者以快速火焰传播的形式释放热量。在缸内热状态不足时，发动机可能会遇到后期自燃难以形成或者放热不稳定的问题，此时可以采用以下技术手段，一是可以通过采用增大晚喷高可燃性燃料的比例来提升高可燃性燃料浓度和缸内覆盖面积来增大火核密度和广度，强化引燃汽油的过程，从而稳定火焰传播过程；二是可以通过采用增大早喷高可燃性燃料的比例来提升预混稀释或稀薄空气燃油混合气中的高可燃性燃料自燃放热过程来强化燃烧中后期的压燃燃烧；三是可以通过引入内部残余废气的方式提高预混的稀释或者稀薄空气燃油混合气的温度，以满足在不同负荷下稀薄或稀释空气燃油混合气多点同时自燃的需求；四是可采用火花塞跳火辅助高可燃性燃料引燃缸内汽油燃料，进一步提高火核形成速度，以在放热过程前期形成稳定的火焰传播过程。
本发明中的缸内直喷高可燃性燃料微引燃概念，是基于以下解释而来。首先，高可燃性燃料的每循环总喷射量(缸内早喷高可燃性燃料与缸内晚喷高可燃性燃料的质量总和)不超过缸内总燃油(汽油与高可燃性燃料的质量总和)质量的25％，即可实现引燃效果，因此高可燃性燃料在本发明中仅仅是作为辅助点火剂，引燃稀薄或稀释空气燃油混合气。其次，缸内早喷的高可燃性燃料，是通过高可燃性燃料自燃放热在预混的稀释或稀薄空气燃油混合气中产生辅助自燃点，引起稀释或稀薄空气燃油混合气产生自燃或提高其火焰传播速度，从而实现微引燃的作用。最后，缸内晚喷的高可燃性燃料，通过其自燃或火花塞的引燃，加强稀释或稀薄空气燃油混合气火焰传播过程的稳定性。这种微引燃的过程可看做是：由高可燃性燃料分层混合气自燃所强化的大型点火源，稳定地引燃剩余的稀释或稀薄空气燃油混合气发生快速燃烧或多点自燃燃烧的过程。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
将本发明提出的高可燃性燃料微引燃控制稀释或稀薄燃烧及着火的方法应用在已有的Ricardo Hydra 140型单缸发动机上，其中,高可燃性燃料选用二甲醚，经试验验证本方法可以拓展稀释燃烧的运行范围。与此同时，还可以大幅降低稀释燃烧的循环变动，稀释燃烧的循环变动在本发明控制方法的作用下可降低到2％左右。并且本方法还能够提升燃油经济性。与均质空气燃油混合气的稀释燃烧方式相比可以明显改善燃油经济性，在IMEP＝6.2bar时，利用本发明方法较均质喷射的稀释燃烧，其燃油经济性可改善4.8％。与节气门控制负荷的SI燃烧相比，同样可以明显改善燃油经济性。在IMEP＝6.2bar时,利用本发明方法较节气门控制负荷的SI燃烧，其燃油经济性可改善6.2％。最后，相比于节气门控制负荷的SI燃烧，具备更好的排放。在IMEP＝6.2bar时，利用本发明方法较节气门控制负荷的SI燃烧，其NOx排放可降低27％。
附图说明
图1是本发明中同时具有进气道喷射和缸内直喷能力的单缸发动机***结构图；
图2是在图2所示发动机上进行直喷喷油器位置变换而形成的***结构图；
图3是本发明高可燃性燃料微引燃控制稀释或稀薄燃烧及着火的方法示意图；
图4是在图1所示发动机***上安装外部废气再循环***后的***结构图；
图5是在图2所示发动机***上安装外部废气再循环***后的***结构图；
图6(a)基于进气冲程打开排气门方式存留废气的气门定时示意图；
图6(b)基于排气冲程打开进气门方式存留废气的气门定时示意图；
图6(c)负气门重叠角方式存留废气的气门定时示意图；
图6(d)正气门重叠角方式存留废气的气门定时示意图。
图中：1、缸内工作容积；2、活塞；3、连杆；4、排气门；5、进气门；6、进气道喷油器；7、缸内直喷喷油器；8、火花塞，9、涡轮机；10、压气机；11、中冷器；12、高压EGR回路；13、低压EGR回路；14、高压EGR回路EGR控制阀；15、低压EGR回路EGR控制阀。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述，所描述的具体实施例仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。
本发明中，早喷高可燃性燃料微引燃的过程释放的能量是作为一个空间区域分布的微小放热源群，辅助预混的稀释混合气产生多个自燃点，进而发生多点自燃或快速燃烧。而晚喷高可燃性燃料微引燃过程是通过高可燃性燃料自燃产生大量集中分布的微点火源来强化火焰传播过程，使得其余的稀释空气燃油混合气或稀薄空气燃油混合气获取足够温度而发生快速燃烧或是多点自燃。其中，分层充量的数量可以根据发动机当前运行条件，如负荷、转速和进气压力等，通过缸内直喷的脉宽进行调节，以优化整个燃烧过程。当通过火焰传播释放的能量达到一定程度后，缸内预混的均质混合气会由于受到内部废气加热、活塞上行压缩、早喷高可燃性燃料自燃放热和已燃混合气传热等方面的作用，达到自燃条件，发生自燃放热。其中，内部废气加热和活塞上行压缩为自燃放热提供基础条件，而早喷高可燃性燃料自燃放热和已燃混合气传热作为直接控制着火的手段而存在。
本发明提出的高可燃性燃料微引燃控制稀释或稀薄燃烧及着火的方法的设计思路是：在一台为实现汽油稀释或稀薄燃烧设计的汽油发动机上，通过在进气道喷射汽油的方式形成预混的稀薄或者稀释空气燃油混合气，并将该混合气引入缸内。其中进气道内的稀释空气燃油混合气是通过在进气***中引入外部废气再循环的方式所实现的，无论是通过高压外部废气再循环回路或低压外部废气再循环回路或者两种外部废气再循环回路兼用的方法均可。进气道内的稀薄空气燃油混合气是通过在进气***中引入过量外部空气的方式所实现，无论是增大进气门升程、增大节气门开度还是进气增压或者几种方式兼用的方法均可。在发动机处于进气行程或压缩行程早期，通过缸内直接喷油器喷射少量高可燃性燃料，从而与引入缸内的的空气、汽油、废气或过量空气等形成预混的稀释空气燃油混合气或预混的稀薄空气燃油混合气。在得到预混的稀释空气燃油混合气或预混的稀薄空气燃油混合气后，通过缸内直接晚喷高可燃性燃料的方式，即活塞接近压缩上止点时喷射高可燃性燃料，活塞上行使得缸内温度上升至适宜温度，使得晚喷的高可燃性燃料自燃放热，形成多个火核，引燃汽油形成稳定的火焰传播。利用火焰传播过程所释放的热量引起的压力升高以及活塞的继续上行压缩引起的压力升高致使早喷预混的高可燃性燃料自燃，辅助其余预混的未燃稀薄或稀释空气燃油混合气自燃点的产生，促使其发生快速燃烧或多点自燃燃烧。其中，缸内直喷高可燃性燃料微引燃的过程作为在汽油压燃发动机上实现稀释或稀薄混合气在全部工况下可控压缩着火和燃烧的主要手段。本文中的高可燃性燃料，选用高十六烷值且易汽化的燃料，如二甲醚、聚甲氧基二甲醚等，这些均可以作为实现微引燃的辅助燃料；除汽油燃料外，醇类燃料以及其他高辛烷值燃料也均可采用本发明的方法实现预混稀薄或稀释充量在缸内的压燃着火燃烧控制。
本发明所涉及到的发动机是一台每缸均配有火花塞、进气道喷油器、缸内直接喷油器、高可燃性燃料高压供给***以及至少一个进气门和一个排气门的四冲程内燃发动机。
图1所示的是一台单缸往复式二冲程或者四冲程发动机的***结构图。活塞2通过连杆3与曲轴相连，通过其往复运动而实现缸内工作容积1变化。发动机燃烧室至少配备一个进气门5和一个排气门4。一个安装在发动机缸盖上的用于缸内直接喷射的喷油器7将燃油直接注入缸内。一个火花塞8安装于气缸盖上用于点燃缸内混合气。一个安装于进气道的进气道喷油器6。
图2展示了一台和图1相同的发动机，但是图2所示的发动机缸内直接喷射的喷油器较图1所示的发动机处于远离火花塞的位置。在此例应用中，为了在火花塞附近形成可用的分层混合气，需要在活塞或缸盖上设计专门的燃烧室进行配合。其设计方式按现有的壁面引导汽油直喷发动机中燃烧室设计即可。
本发明提出的高可燃性燃料微引燃控制稀释或稀薄燃烧及着火的方法的实现过程具体描述如下，如图3所示，包括以下步骤：
步骤一、通过所述进气道喷油器6向进气道喷射汽油，从而向缸内引入预混的稀释空气燃油混合气或是预混的稀薄空气燃油混合气，整个燃烧过程为汽油稀释或者稀薄的燃烧；其中，稀释空气燃油混合气是指燃料空气混合气中还包含有燃烧生成物的混合气，无论是通过高压外部废气再循环回路12或低压外部废气再循环回路13或两种外部废气再循环回路兼用的方法均可；稀薄空气燃油混合气指是燃料空气混合气中空气比例多于当量比燃烧所需空气比例的混合气，通过增压***向进气道引入过量空气得到；
步骤二、在发动机处于进气行程或压缩行程早期，通过缸内直接喷油器7向缸内喷射少量高可燃性燃料，从而与步骤一中形成的预混的稀释空气燃油混合气或是预混的稀薄空气燃油混合气相混合，用于改进预混的稀释空气燃油混合气或预混的稀薄空气燃油混合气的可燃性；本发明中，所述高可燃性燃料为十六烷值高于40的易汽化的燃料，例如可以是二甲醚或聚甲氧基二甲醚；所谓缸内直接喷油器向缸内喷射少量高可燃性燃料是指喷射总量无需超过每循环缸内所有燃油质量的25％，即可实现引燃效果。
步骤三、在发动机处于压缩行程后期、且在燃烧开始前，通过缸内直接喷油器7向缸内喷射少量高可燃性燃料，形成如下分层混合气，即火花塞附近是易于着火的混合气，在燃烧室的其他位置填充的是预混的稀释或稀薄混合气；
步骤四、利用活塞上行的压缩来提升缸内温度，使步骤三中形成的高可燃性燃料的分层混合气自燃着火，形成多个火核，引燃汽油形成稳定火焰传播；
步骤五、利用火焰传播释放的能量以及该过程造成的缸内压力升高，以及活塞的继续上行压缩引起的压力升高，同时在步骤二注入的少量高可燃性燃料的辅助下，在未燃稀释的空气燃油混合气或是未燃稀薄的空气燃油混合气中形成多个自燃点，进而形成稳定的快速燃烧或多点自燃燃烧。
为了解决发动机在大负荷工况遭遇爆震或最大爆发压力超限的技术问题，本发明可以采用在所述发动机上设置的高压EGR回路和低压EGR回路或是进气增压器，利用高压EGR回路12和低压EGR回路13调整EGR率，或者提高压气机10的输出增大过量空气的数量，以降低自燃放热的比例和速度，在极端情况下甚至可以将自燃放热过程转换为快速的火焰传播燃烧，以维持发动机运行的可靠性。
图4和图5分别展示的是在与图1和图2相同的发动机***上，额外地加装了冷却的外部废气再循环回路(高压EGR回路12和/或低压EGR回路13)。在压气机10的下游加装有中冷器11，用以降低增压后的充量温度。部分废气是从涡轮机9的上游导出，经过一个换热器的冷却回到进气***中压气机10的下游。其废气数量是通过高压EGR回路EGR控制阀14调节的。这种提取压力明显大于环境压力的EGR***在本例中将会被称为高压EGR。此外，外部废气还可以从涡轮机9的下游引出回到进气***中压气机10的上游，其废气数量是通过低压EGR回路EGR控制阀15调节的。此时，外部废气的提取压力与环境压力接近，这种外部废气再循环回路在本例中将会被称为低压EGR。虽然未在图中注出，但是该发动机也可配更多的涡轮增压器或者机械增压器。其中涡轮增压器由连接在排气道内的涡轮机9和连接在进气道内的压气机11组成。涡轮增压器和机械增压器对于本发明来说不是必须的部件，可以按照其常规状态工作。
若利用所述发动机上设置的高压EGR回路或低压EGR回路，则当所述发动机在大负荷工况遭遇爆震或最大爆发压力超限时，关闭步骤二中高可燃性燃料的早喷过程；并通过高压EGR回路或者低压EGR回路向进气道内引入冷却的已燃废气，用以增大已燃废气含量，同时，利用所述进气道喷油器向进气道喷射汽油，从而向缸内引入预混的稀释空气燃油混合气，进而将所述发动机燃烧过程转换为快速火焰传播方式燃烧。
若利用所述进气增压器，则当所述发动机在大负荷工况遭遇爆震或最大爆发压力超限时，关闭步骤二中高可燃性燃料的早喷过程；并通过所述进气增压器向进气道内引入过量的空气，同时，利用所述进气道喷油器向进气道喷射汽油，从而在缸内形成预混的稀薄空气燃油混合气，进而将所述发动机燃烧过程转换为快速火焰传播方式燃烧。
在发动机缸内热状态不足以满足分层混合气点火或形成稳定压燃燃烧时，本发明通过引入内部残余废气的方式提高预混的稀释空气燃油混合气或是预混的稀薄空气燃油混合气的温度，以满足在不同负荷下高可燃性燃料微引燃控制稀释空气燃油混合气或是稀薄空气燃油混合气低温燃烧的需求。
作为一种替代传统火焰传播方式的燃烧方式，预混稀释或稀薄混合气利用缸内残余的热废气提供的能量可以实现自燃燃烧。图6(a)、图6(b)、图6(c)和图6(d)分别示出了引入内部残余废气的气门定时原理图(即引入内部残余废气的方法)。其中，建立在四冲程发动机的基础上的实施方式有以下四种：
a.在进气冲程打开排气门的方式，即，排气门在整个换气过程中打开两次。首次为正常排气，其打开时刻为膨胀行程末期或排气行程前期，其关闭时刻位于排气行程；第二次排气门打开和关闭都在进气冲程中，以便从排气道吸入废气。在这种方式下，进气门则如传统汽油机的设置一样，在进排气上止点前打开，在进气下止点后关闭。
b.在排气冲程中打开进气门。在这种方式下，排气门则如传统汽油机的设置一样，在排气下止点附近打开，在进排气上止点附近关闭。但进气门打开的时间大幅提前，根据需要，甚至可提前到排气行程的中期，以便在排气行程将废气排入进气道，然后在进气行程再将排入进气道的废气吸回缸内。
c.负气门重叠角方式。这种方式是指，排气门关闭时刻在进排气上止点前，进气门打开时刻在进排气上止点后，以在活塞达到进排气上止点附近时创造出负气门重叠角，使得部分废气始终存留在气缸内。
d.正气门重叠角方式。即与传统进排气门时刻相比，进一步推迟排气门关闭时刻的同时进一步提前进气门打开时刻，在进排气门上止点附近形成明显大于正常使用时的正气门重叠角，使得进气过程中向缸内吸入部分回流到进气管的废气，也可以从排气管吸入部分废气。
在发动机压缩比低或缸内稀释程度大的时候，本发明采用火花塞跳火辅助高可燃性燃料引燃缸内汽油燃料，以在放热过程前期形成稳定的火焰传播过程。
有两种实际情况需要采用辅助控制手段，一是在稀释度过大和压缩比不足的情况下，点燃分层混合气的方式也难以获得稳定和理想的自燃过程。此时可通过如图6(a)至图6(d)所示气门控制参数，利用可变气门机构，在缸内存留一定量的内部残余废气。利用残余废气的能量加热预混稀释混合气，以确保点燃分层混合气的方式可触发稳定理想可接受的压燃燃烧；或是采用火花塞跳火提供额外的点火源，来进一步稳定前期火焰传播过程。
与预混稀释或者稀薄混合气的火焰传播燃烧相比，自燃燃烧在不同的负荷均允许缸内存在更大的稀释度(即，大量的已燃废气或者过量空气)，对于降低发动机的氮氧化合物排放和改善燃油经济性有很大的帮助。分层充量的数量和稀释度均需依据发动机运行的负荷、转速和进气压力等条件而调整。
需要特别强调的是进气道内喷射的燃油既可以是汽油，也可以是乙醇、甲醇、丁醇等或其混合物。缸内直接喷射的高可燃性燃料，则要求十六烷值高且易汽化的燃料，可以为二甲醚、聚甲氧基二甲醚等等。
本发明所描述的实现方式的主要优点是：稀释或稀薄的高辛烷值燃料可燃混合充量采用压燃燃烧方式可以同时实现高效和低排放的燃烧，燃烧过程可以依据发动机的负荷和转速等运行条件通过高可燃性燃料微引燃缸内稀释充量的方式来实现。
尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (7)

1.一种高可燃性燃料微引燃控制稀释或稀薄燃烧及着火的方法，其中，发动机是一台每缸均配有火花塞、进气道喷油器、缸内直接喷油器、高可燃性燃料高压供给***以及至少一个进气门和一个排气门的四冲程内燃发动机；其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、通过所述进气道喷油器向进气道喷射汽油，从而向缸内引入预混的稀释空气燃油混合气或是预混的稀薄空气燃油混合气；
其中，稀释空气燃油混合气是指燃料空气混合气中还包含有燃烧生成物的混合气；稀薄空气燃油混合气是指燃料空气混合气中空气比例多于当量比燃烧所需空气比例的混合气；
步骤二、在发动机处于进气行程或压缩行程早期，通过缸内直接喷油器向缸内喷射少量高可燃性燃料，从而与步骤一中形成的预混的稀释空气燃油混合气或是预混的稀薄空气燃油混合气相混合，用于改进预混的稀释空气燃油混合气或预混的稀薄空气燃油混合气的可燃性；
步骤三、在发动机处于压缩行程后期、且在燃烧开始前，通过缸内直接喷油器向缸内喷射少量高可燃性燃料，从而在火花塞附近形成高可燃性燃料的分层混合气；
步骤四、利用活塞上行的压缩来提升缸内温度，使步骤三中形成的高可燃性燃料的分层混合气自燃着火，形成多个火核，引燃汽油形成稳定火焰传播；
步骤五、利用火焰传播释放的能量提升缸内温度，同时在步骤二注入的少量高可燃性燃料的辅助下，在未燃稀释的空气燃油混合气或是未燃稀薄的空气燃油混合气中形成多个自燃点，进而形成稳定的快速燃烧或多点自燃燃烧。
2.根据权利要求1所述高可燃性燃料微引燃控制稀释或稀薄燃烧及着火的方法，其特征在于，在所述发动机上设高压EGR回路或低压EGR回路；
当所述发动机在大负荷工况遭遇爆震或最大爆发压力超限时，关闭步骤二中高可燃性燃料的早喷过程；并通过高压EGR回路或者低压EGR回路向进气道内引入冷却的已燃废气，用以增大已燃废气含量，同时，利用所述进气道喷油器向进气道喷射汽油，从而向缸内引入预混的稀释空气燃油混合气，进而将所述发动机燃烧过程转换为快速火焰传播方式燃烧。
3.根据权利要求1所述高可燃性燃料微引燃控制稀释或稀薄燃烧及着火的方法，其特征在于，所述发动机上设有进气增压器；
当所述发动机在大负荷工况遭遇爆震或最大爆发压力超限时，关闭步骤二中高可燃性燃料的早喷过程；并通过所述进气增压器向进气道内引入过量的空气，同时，利用所述进气道喷油器向进气道喷射汽油，从而向缸内引入预混的稀薄空气燃油混合气，进而将所述发动机燃烧过程转换为快速火焰传播方式燃烧。
4.根据权利要求1所述高可燃性燃料微引燃控制稀释或稀薄燃烧及着火的方法，其特征在于，在发动机缸内热状态不足以满足分层混合气点火或形成稳定压燃燃烧时，通过引入内部残余废气的方式提高预混的稀释空气燃油混合气或是预混的稀薄空气燃油混合气的温度，以满足在不同负荷下高可燃性燃料微引燃控制稀释空气燃油混合气或是稀薄空气燃油混合气低温燃烧的需求。
5.根据权利要求1所述高可燃性燃料微引燃控制稀释或稀薄燃烧及着火的方法，其特征在于，在发动机压缩比低或缸内稀释程度大导致无法实现稳定燃烧的时候，采用火花塞跳火辅助高可燃性燃料引燃缸内汽油燃料，以在放热过程前期形成稳定的火焰传播过程。
6.根据权利要求1至5中任一所述高可燃性燃料微引燃控制稀释或稀薄燃烧及着火的方法，其特征在于，步骤二与步骤三中通过缸内直接喷油器向缸内喷射的高可燃性燃料的喷射总量无需超过每循环缸内所有燃油质量的25％，即可实现引燃效果。
7.根据权利要求1至5中任一所述高可燃性燃料微引燃控制稀释或稀薄燃烧及着火的方法，其特征在于，所述高可燃性燃料为十六烷值高于40的易汽化的燃料。
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