CN204827653U - 一种超稀薄燃烧缸内直喷双气体燃料内燃机 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种超稀薄燃烧缸内直喷双气体燃料内燃机。其目的在于针对气体燃料点燃式内燃机采用超稀薄燃烧模式燃烧不稳定，以及在冷起动和小负荷工况下油耗高、排放严重等问题，开发出一种能够实现超稀薄燃烧的缸内直喷双气体燃料点燃式内燃机。本实用新型是基于两种气体燃料分别进行缸内直喷和进气道喷射组合式的内燃机技术，该***提供一种气流控制装置，配合特殊形状的活塞顶面，实现良好的混合气分层。根据气体燃料特殊的燃烧特性，可以采用更高的压缩比以及超稀薄的混合气；控制进入缸内混合气的气流运动，同时增加进气量，以实现缸内混合气的超稀薄燃烧，以降低传热损失，提高热效率，实现降低油耗和污染物的目标。

Description

一种超稀薄燃烧缸内直喷双气体燃料内燃机

技术领域

本实用新型涉及内燃机技术领域，尤其涉及一种超稀薄燃烧的缸内直喷双气体燃料内燃机。适用于采用超稀薄混合气、高压缩比气体燃料缸内直喷点燃式内燃机的车辆。

背景技术

随着传统化石能源的日益枯竭，汽车工业的迅猛发展，汽车燃烧化石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，对人类的生存环境与健康造成巨大威胁，所以寻求高质量的汽车代用燃料逐渐被世界各国所重视，国家和汽车行业对高效节能的汽车内燃机技术要求也愈发严格。要解决这两大问题,必须尽快寻找替代石油的内燃机新型燃料,使用这种新型燃料必须大幅度降低内燃机污染物的排放水平。优质的汽车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。新型燃烧技术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。

面对严峻的环境与能源压力，气体燃料内燃机受到的关注程度在不断增加，常用的代用气体燃料，诸如天然气、液化石油气等，具有存储量大、价格适宜、环境友好等优点，故其应用得到广泛的发展。然而这类碳氢化石燃料，其燃烧速度慢，影响了热效率以及内燃机的功率，同时，这类燃料所需的点火能量大，对点火***提出了更高的要求。氢气具有优良燃烧特性的气体燃料，其热值是汽油的3倍左右，具有点火能量低、燃烧界限宽、火焰传播速度快等优点，使得内燃机能进一步提高压缩比和拓展内燃机稀燃极限，进而降低循环变动以及减少污染物的排放。而缸内直喷发动机具有压缩比高经济性好、喷油灵活、控制精度高、可实现多种燃烧模式的优点。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。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。因此对缸内直喷发动机应用双气体燃料潜力的进一步开发和普及应用对实现内燃机经济性提高和降低排放具有重要意义。

超稀薄燃烧就是使一般不能正常燃烧(混合比在稀薄可燃界限以下)的可燃物质，采用特殊方法使其燃烧。形成超稀薄燃烧的方法主要有三种：第一种是在可燃混合气中混进大量新鲜空气；第二种是在可燃气体中混进惰性气体而使其热值低；第三种是可燃成分和不可燃成分都是液体和固体，由其发热量低不能正常燃烧。缸内直喷的点燃式内燃机采用超稀薄燃烧技术，不仅可以降低内燃机的排放，提高内燃机的经济性，同时可以降低爆震倾向，可以进一步提高压缩比和热效率。但是，超稀薄燃烧受到燃烧不稳定等因素的影响，燃烧循环变动系数变大，限制了稀燃极限的提高。常用的提高稀燃极限的措施有：采用合理的燃烧室，增大压缩比，采用氢气等气体辅助燃料加快火焰传播速度；采用分层燃烧的方法；采用电子控制喷射技术等一系列方法。

公开号为[CN103470384A]的发明《点燃式内燃机稀薄燃烧空气随动配气控制装置及方法》中提出了一种节气装置中的电控装置根据燃料量和已设定的空燃比通过节气门开度控制混合气量，其采用节气装置控制进入气缸的混合气量，为提高混合器中气体压力，采用了涡轮增压以及中冷装置，提高进气充量，符合稀薄燃烧的空燃比需求，但是增加了内燃机的油耗以及不能实现空燃比的进一步增大，使内燃机稀燃极限的拓展受限。传统的点燃式内燃机实现稀薄燃烧的方法都是由加速踏板信号与预设进气量比较来控制节气装置的开度，不能实现快速连续实时的控制进入气缸的混合气状态，响应迟缓，且不具备气流运动的控制装置，这在一定程度上限制了内燃机缸内混合气的稀释化以及排放的进一步降低。

发明内容

本实用新型的目的在于解决当前缸内直喷汽油发动机在冷起动和小负荷工况下油耗高、污染水平高，以及汽油燃料的燃烧特性限制了空燃比的进一步提高，难以进一步扩大稀燃极限等问题。本实用新型开发一种能够实现超稀薄燃烧的缸内直喷双气体燃料内燃机***及控制方法，其采用双气体燃料，两种气体燃料具有较汽油更加良好的燃烧特性，包括高热值、较宽的燃烧界限以及快速火焰传播速度等；基于缸内直喷和进气道喷射组合式的双气体燃料点燃式内燃机技术，该***及控制方法能够使内燃机在燃用气体燃料时，采用具有高热值的混合气体燃料作为汽油的代用燃料，可以进一步提高内燃机的压缩比，配合气流控制阀和导向隔板以及具备壁面引导型和气流引导型相结合的凹坑型活塞顶面的共同控制，在火花塞周围形成分层混合气。

本实用新型提供能够实现快速超稀薄稳定燃烧模式，其意义在于解决不能正常燃烧的气体燃料的可燃性，寻找汽油的更佳、更多种代用气体燃料，而且综合了能源与环境的协同发展，应用于更广泛的领域；同时超越传统燃烧极限的燃烧模式，能提高内燃机的热效率，降低循环变动，降低油耗和污染物排放，实现双气体燃料内燃机动力性能和排放性能的综合提升，因此从节约能源、环境保护的角度来看，超稀薄燃烧的研究是非常有意义的。

本实用新型的上述目的是通过以下技术方案予以实现，结合附图说明如下：

本实用新型提供一种超稀薄燃烧缸内直喷双气体燃料点燃式内燃机，其包括甲燃料供给***、乙燃料供给***、点火***、进气***、气流控制装置、排气***、氧传感器32、点燃式内燃机22和内燃机电控***29；甲燃料供给***由甲燃料供给箱28、甲燃料供给管路25和甲燃料喷射器5组成；乙燃料供给***由乙燃料供给箱27、乙燃料供给管路26和乙燃料喷射器13组成；点火***由蓄电池30、点火线路31和火花塞10组成；甲燃料供给***、乙燃料供给***和点火***分别通过甲燃料喷射器5、乙燃料喷射器13和火花塞10与点燃式内燃机22相连；内燃机电控***29通过接收氧传感器32反馈的信号，进而对节气门3、气流控制阀6、火花塞10、甲燃料喷射器5和乙燃料喷射器13进行控制，以实现对该燃烧***的控制。

所述的一种超稀薄燃烧缸内直喷双气体燃料内燃机，其特征在于，所述第一燃料为现在应用较为广泛的气体代用燃料，例如天然气，液化石油气。

所述的一种超稀薄燃烧缸内直喷气体双燃料内燃机，其特征在于，所述乙燃料燃烧性能优于甲燃料，其性能主要包括火焰传播速度、点火能量、燃烧界限、燃烧速度以及燃烧排放物等方面，例如氢气。

所述的气流控制装置，由气流控制阀6和导向隔板7组成，气流控制阀的电磁阀由所述内燃机22的电控***29控制，对进气滚流比不同的气流运动进行控制，其控制在1.6-6.2范围内；随着滚流比的增大，缸内混合气的气流运动加强，空气与燃料的相互作用增大，配合凹坑型活塞16顶面，在气缸内形成该***采用的燃烧模式所需的滚流比为2附近的分层混合气。

所述的一种超稀薄燃烧缸内直喷双气体燃料内燃机，其特征在于，所述点燃式内燃机22采用两种不同属性的气体燃料作为所述内燃机22的燃料，两种不同的气体燃料采用两套燃料供给***，分别为甲燃料(主气体燃料)供给***和乙燃料(辅助气体燃料)供给***，其中，甲燃料采用进气道预混合的形式进入气缸内，乙燃料采用缸内直喷的形式进入气缸内。

所述的点燃式内燃机进气***包括进气总管24、进气歧管4、气流控制阀6、导向隔板7、进气道8，其中进入进气总管24的新鲜空气量由节气门3控制，流过气流控制阀6的甲燃料预混合气体通过导向隔板7进入进气道，由气流控制阀6控制预混合气体的滚流比，其表征甲燃料预混合气的滚流强度，气流控制阀6结合导向隔板7构成不同甲燃料预混合气体的流通通道，由其形状位置确定混合气体流过的运动状态。

所述的点燃式内燃机燃烧室19由气缸盖20和活塞16顶面构成，其中活塞16顶面具有中间凹坑形成壁面引导和气流引导结合的形状，以控制进入内燃机气缸内两种燃料混合气分层状态，实现理想的分层混合气，进而快速、稳定的燃烧。

参阅图6所示，在所述点燃式内燃机气缸内火花塞10周围形成的超稀薄燃烧的两种气体燃料部分分层混合气21，其包含有不同空燃比的分层混合气，其中λ1<λ2<λ3，利用乙燃料的快速燃烧及火焰传播速度快的特性，燃烧室被火焰前锋分为两个部分，第一部分为未燃混合气，第二部分为燃烧的混合气，火焰前锋的运行速度由滚流气流运动决定；在火花塞周围形成的局部过浓的乙燃料部分分层混合气，利用其快速燃烧及火焰传播速度快的特性，实现所述内燃机气缸内两种燃料混合气的稳定燃烧。

所述的一种超稀薄燃烧缸内直喷双气体燃料内燃机，其特征在于，点燃式内燃机21采用两种不同燃料的作用是通过乙燃料自身良好的燃烧特性，降低循环变动，进一步提高混合气的稀燃极限，可以使内燃机在更大的空燃比和压缩比下工作，提高稀燃时的效率和降低污染物的排放，乙燃料引燃作用的实现是靠内燃机电控***控制乙燃料喷射器9在合适的喷射时刻将乙燃料喷射在燃烧室顶部，使得在燃烧室顶部的火花塞周围形成易于点燃的乙燃料可燃混合气，通过乙燃料快速燃烧放出的能量，进而点燃乙燃料混合气。

所述的点燃式内燃机采用采用超稀薄燃烧的燃烧方式，可以使内燃机采用更大的空燃比和更大的压缩比，且能减少混合气的传热损失，采用更大的空燃比可以在相同的燃料喷射量下进入更多的空气，增大充量系数，这也就意味着降低了由节气门带来的节流损失，提高了内燃机的热效率；压缩比的增大使得热效率进一步提高；确保未燃烃类和一氧化碳的充分燃烧，因此可以提高内燃机的经济性能和排放性能。

所述的点燃式内燃机采用超稀薄燃烧的燃烧模式，采用两种不同属性的气体燃料，在火花塞10周围形成所需的分层气体，需满足冷起动和小负荷工况下对分层混合气的要求。实现超稀薄燃烧模式的进一步控制方法如下：

在冷起动工况下，由于该工况所需要的扭矩以及功率较小，但是对于内燃机能够顺利起动要求很高，而且起动过程中传统内燃机都是通过增大喷油量来保证起动的稳定性，但此时混合气混合状态不佳，造成油耗增加以及排放污染不合格，因此主要从燃油经济性和排放性能两方面考虑，内燃机可采用超稀薄燃烧模式，减少油耗而增加进气量；同时，为了进一步扩大混合气的稀燃极限，可以采用混合气分层的方式，配合合适的喷射时刻以及调整节气门和气流控制阀控制气流运动，控制内燃机气缸内的两种燃料混合气空燃比在需要的范围内，并实现稳定燃烧。

在小负荷工况下，所需的扭矩值较小，采用基于转矩的控制策略，在满足最小扭矩的前提下，为达到最佳燃油经济性，调整甲燃料及乙燃料的喷射量以及比例。甲燃料和乙燃料喷射量的控制，是通过内燃机电子控制***发出指令，信号经过驱动芯片的放大，作用于两种气体燃料喷射器，控制分别进入进气道内和缸内的燃料量；另外，甲燃料和乙燃料的喷射比例，则是通过喷射脉宽计算出来的。保持燃料的总热值不变，通过改变甲燃料的质量流量，实时的计算出乙燃料的质量流量，实现甲乙两种燃料不同比例的控制，进而达到内燃机电控***对两种燃料的喷射脉宽的实时控制。

根据冷起动和小负荷工况下实现超稀薄燃烧的要求，两种工况均采用超稀薄燃烧模式，内燃机电子控制***需要实时采集安装于排气管的氧传感器32的信号，计算满足该燃烧模式要求的两种燃料喷射量以及喷射比例，进而调整节气门3位置和气流控制阀6位置，进而控制进入气缸内的新鲜空气量以及控制缸内的气流运动，形成分层混合气。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

本实用新型采用多点喷射和缸内直喷组合式的双燃料点燃式内燃机，配有气流控制装置以及顶面凹坑型的活塞，能够实现壁面引导以及气流引导的结合，提供超稀薄燃烧的装置与控制方法，在冷起动和小负荷工况下，基于扭矩的需要，以及该燃烧模式对新鲜空气量的要求，调整节气门和气流控制阀位置，控制两种燃料的喷射时刻，可以实现稳定燃烧，能有效减少传热损失，提高热效率，改善燃烧特性，满足缸内直喷发动机的进一步稀燃需求；能采用更大的压缩比，增加充气量，提高动力性，一改传统发动机动力性不足的劣势；能有效降低缸内混合气中未燃烃类以及一氧化碳，确保内燃良好的排放性能。

附图说明

图1为缸内直喷双气体燃料点燃式内燃机***结构图。

图2为缸内直喷双气体燃料点燃式内燃机纵剖图。

图3为燃烧室内乙燃料在火花塞附近形成可燃混合气示意图。

图4为特殊形状的活塞侧面示意图。

图5为气流控制装置的结构示意图。

图6为超稀薄燃烧的燃烧室内分层混合气示意图。

图7为缸内直喷双气体燃料点燃式内燃机超稀薄燃烧控制策略流程图。

图中：1节气门体，2空气滤清器，3节气门，4进气歧管，5甲燃料喷射器，6气流控制阀，7导向隔板，8进气道，9进气门，10火花塞，11排气门，12排气道，13乙燃料喷射器，14气缸体，15活塞环，16活塞，17连杆，18活塞销，19燃烧室，20气缸盖，21乙燃料混合气，22点燃式内燃机，23排气总管，24进气总管，25甲燃料供给管路，26乙燃料供给管路，27乙燃料箱，28甲燃料箱，29电控***，30蓄电池，31点火电路，32氧传感器

具体实施方式

下面结合附图所示实施例进一步说明本实用新型的具体实施方式。

图1为缸内直喷双气体燃料点燃式内燃机***结构图。该内燃机***由甲燃料供给***、乙燃料供给***、点火***、进气***、排气***、气流控制装置、点燃式内燃机22和内燃机电控***29组成；甲料供给***由甲燃料供给箱28、乙燃料供给管路25和乙燃料喷射器5组成；甲燃料供给***由乙燃料供给箱27、乙燃料供给管路26和乙燃料喷射器13组成；点火***由蓄电池30、点火线路31和火花塞10组成；甲燃料供给***、甲燃料供给***和点火***分别通过甲燃料喷射器5、乙燃料喷射器13和火花塞10与点燃式内燃机22相连；内燃机电控***29通过对节气门3、气流控制阀6、火花塞10、甲燃料喷射器5和乙燃料喷射器13的控制以实现对该燃烧***的控制。

图2为缸内直喷双气体燃料点燃式内燃机纵剖图。新鲜空气通过节气门3进入内燃机气缸内,节气门的开度也同时决定着进入气缸内的新鲜空气量,甲燃料喷射器安装于进气歧管4上,位于节气门3和气流控制阀6之间,以便甲燃料可以更好的顺着气流进入气缸,甲燃料通过甲燃料喷射器5在进气道进行喷射,与进入进气歧管4的新鲜空气预混后进入气缸内,在进入气缸之前可以形成均匀的甲燃料混合气；乙燃料喷射器13直接安装在气缸盖20上，其喷孔位于燃烧室19的上部，乙燃料通过乙燃料喷射器13直接喷入缸内；火花塞10也安装在气缸盖20上，位于燃烧室19的上部，火花塞10的位置和乙燃料喷射器13的位置合理布局，以满足***稳定燃烧工作的要求。

图3为燃烧室内乙燃料在火花塞附近形成可燃混合气的示意图。基于火花塞10的位置和乙燃料喷射器13的合理布局，乙燃料在两者相互配合的喷射时刻下由喷射器13进行喷射，要求在火花塞点火时，火花塞10周围形成易于点燃的乙燃料可燃混合气，通过乙燃料的引燃作用引燃***超稀薄的甲燃料混合气，进而顺利的实现冷起动和稳定燃烧。

图4为特殊形状的活塞侧面示意图。点燃式内燃机实现超稀薄燃烧，不仅缸内气流运动需要满足其要求，活塞16顶面形状对混合气形成方式影响也很重要。进入气缸内的混合气通过气流控制阀和导向隔板结合活塞顶面，形成滚流比范围为1.6-6.2的滚流运动，以便在缸内形成良好分层所需要的滚流比在2附近的混合气，满足点燃式内燃机的燃烧要求。

图5为气流控制装置的结构示意图。基于超稀薄燃烧模式对混合气分层的要求，必须严格控制流过进气歧管4的混合气的流动形式，这是由安装于进气歧管末端的气流控制阀6配合位于进气道8内的导向隔板，引导流过进气道的甲燃料混合气从进气门上端进入缸内实现。通过点燃式内燃机22的电控***29控制气流控制阀的电磁阀来调整位置，以便控制进入气缸内混合气的滚流比，以满足该燃烧模式所需要的混合气状态。

图6为超稀薄燃烧燃烧室内的分层混合气示意图。内燃机***调整控制节气门、气流控制阀配合特殊形状的活塞顶面，在气缸内形成分层混合气，其中位于火花塞附近为局部过浓的乙燃料，由内向***的混合气的空燃比逐渐增大，以便实现更大的稀薄燃烧。

图7为缸内直喷气体双燃料点燃式内燃机超稀薄燃烧控制策略流程图。电控***控制内燃机顺利起动之后，驾驶员通过油门踏板来控制发动机负荷，当电控***接收到油门踏板位置信号时，通过预先标定好的MAP图，判断该转矩对应的工况是否处于工作状态。本实用新型针对内燃机在冷起动和小负荷工况下，实现超稀薄稳定燃烧，因此内燃机电子控制***需要根据位于排气管23处的氧传感器32反馈的信号，判断内燃机该工况下的空燃比范围。电控***根据气缸内混合气的空燃比来确定甲燃料、乙燃料的喷射时刻和喷射脉宽以及新鲜空气量，然后由电控***发出指令，控制节气门3、气流控制阀6、甲燃料喷射器5和乙燃料喷射器13，以此来控制气缸内混合气的空燃比满足超稀薄燃烧的要求，最后实现内燃机的正常运转。

Claims (8)

1.一种超稀薄燃烧缸内直喷双气体燃料内燃机，包括：点燃式内燃机(22)、甲燃料喷射***、乙燃料喷射***、甲燃料供给***、乙燃料供给***、点火***、进气***、排气***、气流运动控制装置、氧传感器(32)和内燃机电控***(29)；甲燃料供给***由甲燃料供给箱(28)、甲燃料供给管路(25)和甲燃料喷射器(5)组成；乙燃料供给***由乙燃料供给箱(27)、乙燃料供给管路(26)和乙燃料喷射器(13)组成；点火***由蓄电池(30)和火花塞(10)组成；甲燃料供给***、乙燃料供给***和点火***分别通过甲燃料喷射器(5)、乙燃料喷射器(13)和火花塞(10)与点燃式内燃机(22)相连；气流运动控制装置包括气流控制阀(6)、导向隔板(7)；内燃机电控***(29)通过对节气门(3)、气流控制阀(6)、甲燃料喷射器(5)和乙燃料喷射器(13)以及火花塞(10)的控制实现对该点燃式内燃机燃烧***的操控。

2.根据权利要求1所述的一种超稀薄燃烧缸内直喷双气体燃料内燃机，其特征在于，采用的两种燃料，分别为甲燃料(主燃料)和乙燃料(辅助燃料)，甲燃料为现在应用较为广泛的气体燃料；乙燃料为性能优于甲燃料的气体燃料，其性能主要包括燃烧速度、点火能量、燃烧界限以及燃烧排放物方面。

3.根据权利要求1所述的一种超稀薄燃烧缸内直喷双气体燃料内燃机，其特征在于，所述的内燃机采用两种不同属性的气体燃料，两种燃料应该采用两种不同的燃料供给***，分别为甲燃料供给***和乙燃料供给***。

4.根据权利要求1所述的一种超稀薄燃烧缸内直喷双气体燃料内燃机，其特征在于，双气体燃料喷射***中，甲燃料采用进气道预混合喷射的形式进入气缸，乙燃料采用缸内直接喷射的形式进入气缸。

5.根据权利要求1所述的一种超稀薄燃烧缸内直喷双气体燃料内燃机，其特征在于，两种不同属性的气体燃料，其中乙燃料具有点火能量低、火焰传播速度快、燃烧界限宽、辛烷值高的良好燃烧特性，并通过内燃机电控***(29)控制乙燃料喷射器(13)在合适的喷射时刻将乙燃料喷射在燃烧室顶部使其在火花塞周围形成易于点燃的乙燃料可燃混合气，通过乙燃料较快的燃烧速度及火焰传播速度，放出能量，进而引燃进入气缸内的甲燃料混合气。

6.根据权利要求1所述的一种超稀薄燃烧缸内直喷双气体燃料内燃机，其特征在于，甲燃料和乙燃料合适的喷射时刻定义为：甲燃料在进气行程喷射，即节气门开启的时刻进行喷射，乙燃料在压缩冲程的后期进行喷射；另外，对于两种气体燃料，乙气体燃料能够单次喷射，也能够多次喷射。

7.根据权利要求1所述的一种超稀薄燃烧缸内直喷双气体燃料内燃机，其特征在于，所述内燃机缸内分层混合气的形成，在于控制气流控制阀(6)的开度，配合位于进气道内的导向隔板(7)，气流控制阀(6)的不同位置与导向隔板(7)，共同控制气流运动，进气歧管内的气体流过气流控制阀(6)和导向隔板(7)时，形成滚流比不同的气流运动，其中，滚流比用气缸内稳流流场的气流旋转切向速度与气流轴向速度的比值来表征，其范围为1.6-6.2；在滚流比为2附近时，进入缸内的混合气体配合具有壁面引导型和气流引导型的凹坑型活塞(16)顶面，形成超稀薄燃烧所需要的分层混合气。

8.根据权利要求1所述的一种超稀薄燃烧缸内直喷双气体燃料内燃机，其特征在于，所述超稀薄燃烧的实现，一方面是通过控制气流控制阀(6)，改变进入缸内的气流运动，配合凹坑型的活塞(16)顶面，在火花塞(10)附近形成良好的部分分层混合气；另一方面是通过内燃机电控***(29)接收氧传感器(32)反馈的信号，进而调整气流控制阀、节气门位置，控制甲燃料喷射器(5)和乙燃料喷射器(13)在合适的喷射时刻喷射燃料，以实现在所述内燃机缸内超稀薄燃烧混合气的形成。