專利名稱：一種汽油機節能減排燃燒方法
技術領域：
本發明涉及一種汽油機節能減排燃燒方法。
背景技術：
節能減排目前已經成為全球的關注焦點，同時也成為了各國汽車產業發展最主要的制約因素。對于此，各國的汽車生產企業都積極推陳出新，開發出各種型式的新產品，以滿足各國日益嚴格的節能減排法規要求。發動機作為汽車的心臟，其燃燒過程的組織是實現汽車節能減排的關鍵，已經引起了各汽車廠商的高度重視。傳統汽油機燃燒過程的組織大致上都采用簡單方法高速高負荷區域采用加濃混合氣(當量比、〈I)和優化點火提前角控制排氣溫度，提升輸出功率；中低轉速及中低負荷運行范圍內則采取當量混合氣燃燒(當量比、=I )，通過調整點火提前角來優化發動機油耗和輸出功率。這里，“當量比”是提供給單位質量燃料實際燃燒時的空氣質量與其理論上完全燃燒所需的空氣質量的比值，是衡量燃燒過程中燃油與空氣的比例的物理量，當量比小于I表明實際空氣量小于理論空氣量，則缸內部分燃油由于缺氧會不完全燃燒，稱之為加濃燃燒。反之，當量比大于I則是實際空氣量大于理論空氣量，缸內空氣剩余，此時是稀薄燃燒過程。當量比為I的燃燒過程即是指實際提供給燃料燃燒的空氣質量與其理論上完全燃燒所需的空氣質量相等的燃燒過程。“點火提前角”是汽油機在工作過程中，某個氣缸的火花塞點火時刻對應的曲軸轉角位置相對該氣缸壓縮上止點之間的曲軸轉角角度。傳統汽油機在中低轉速及中低負荷運行范圍內采取當量混合氣燃燒，由于汽油機負荷控制屬于量調節，通過調節節氣門的開度來調節進入氣缸的空氣量。當節氣門部分開啟時會存在較大的泵氣損失，導致發動機油耗增加。因此，傳統的汽油機燃燒過程組織方法在發動機中低轉速和中低負荷時不能從根本上改善發動機的油耗和排放水平。隨著發動機技術的發展，近年來出現了基于燃油直噴(Gasoline DirectInjection, GDI)、可變氣門定時(Variable Valve Timing,VVT)、可變氣門升程(VariableValve Lift, VVL)和廢氣再循環(Exhaust Gas Recirculation, EGR,分為內部廢氣再循環和外部廢氣再循環兩種)等技術的分層稀薄燃燒(Stratified Lean Burn Combustion)、EGR 稀釋燃燒(Diluted Combustion, DC)甚至可控自燃著火燃燒(Controllable Auto-Ignition, CAI)等先進節能減排燃燒概念,能有效降低發動機的油耗和排放水平,提升發動機輸出功率。其中，分層稀薄燃燒是氣缸內的燃油空氣混合氣存在空間上的濃度梯度(分層)的燃燒過程，由于大幅降低了發動機的泵氣損失，發動機具有低油耗的特點，但其氮氧化物(NOx)排放較高。EGR稀釋燃燒通過引入外部EGR實現發動機泵氣損失的降低，進而降低發動機油耗。同時，外部EGR還能有效降低發動機燃燒過程溫度，減少NOx排放。CAI燃燒是氣缸內的燃油/空氣混合氣多點同時自燃著火，而非依靠火花塞點火燃燒的燃燒過程，具有低排放、低油耗的巨大優勢。
發明內容
本發明的目的是提供一種汽油機節能減排燃燒方法，該方法將多種燃燒模式在一臺發動機上同時耦合實現，能解決各燃燒模式的實現及相互間的平穩切換難題，并能最大限度地降低發動機的油耗和排放。本發明所述的一種汽油機節能減排燃燒方法，該方法基于氣液復相低壓直噴燃油系統，其步驟如下
第一工段，在發動機怠速以及低速低負荷區域，采取兩次噴油策略實現分層稀薄燃燒模式；通過大幅降低發動機的泵氣損失，實現降低發動機的油耗，同時通過三元催化器和稀燃后處理器對發動機尾氣進行處理實現發動機的清潔燃燒；
第二工段，在中低轉速中低負荷區域，將噴油次數由兩次調整為一次，再結合VVT和VVL系統實現大量的內部EGR實現CAI燃燒模式；通過降低發動機的泵氣損失、傳熱損失和CAI燃燒固有的低溫燃燒特性實現發動機油耗和排放的大幅降低；
第三工段，隨著發動機負荷、轉速進一步增大至中高轉速及負荷，保持一次噴射的噴油策略，再結合VVT/VVL以及EGR系統，切換回當量燃燒模式；但此時通過外部EGR系統將大量的發動機排氣引入發動機進氣歧管，實現稀釋燃燒，一方面減小汽油機的泵氣損失提高效率，一方面降低發動機原始氮氧化物(NOx)排放的水平；
第四工段，當發動機在高速、高負荷區域工作時，則采用當量比控制條件下的當量比燃燒模式；充分利用三元催化器(Three Way Catalyst, TWC)對碳氫、一氧化碳和氮氧化物三種排放物的高催化轉化效率實現發動機的低排放。本發明結合獨特的氣液復相低壓燃油直噴技術、VVT/VVL、內外部EGR和稀薄燃燒排氣后處理等多種技術手段開發了一種汽油機節能減排燃燒方法，將以上先進燃燒概念在一臺發動機上同時耦合實現，解決了各燃燒模式的實現及相互間的平穩切換難題，能最大限度地降低發動機的油耗和排放水平，突破傳統燃燒方法的技術瓶頸限制。本發明采用的氣液復相燃油直噴系統與傳統的高壓直噴燃油系統不同，其噴射壓力只有0. SMPa左右，后者的噴射壓力則可達到20MPa。此外，本發明采用的低壓燃油直噴系統是將空氣和燃油的混合物直接噴射到氣缸內，而高壓直噴燃油系統則是將燃油直接噴到氣缸內。低的噴射壓力和燃油和空氣混合物的噴射特征使得本發明采用的低壓直噴燃油系統的噴射燃油質量和貫穿距離顯著加降低，不易引起燃油“濕壁”現象，不會引起高壓直噴系統的機油稀釋及相應的發動機HC排放增加等問題，同時低的噴射壓力使燃油系統對其本身的材料、結構和工藝性要求相對高壓直噴系統大幅降低，成本也相應大幅降低。本發明的有益效果采用上述復合燃燒方法，能使發動機在不同的轉速和負荷范圍內根據發動機的工作特點實現不同的節能減排燃燒模式，多個優化燃燒模式的組合，即節能減排燃燒過程能在發動機運行轉速和負荷的全部范圍內最大限度地降低油耗和排放，突破傳統燃燒方法對降低油耗和排放的限制。
圖I是傳統汽油機燃燒方法示意圖；
圖2是本發明的示意 圖3是本發明對應的發動機結構的示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明作進一步的說明。參見圖2和圖3，所述的一種汽油機節能減排燃燒方法基于氣液復相低壓直噴燃油系統，其步驟如下
第一工段，在發動機怠速以及低速低負荷區域，采取兩次噴油策略實現分層稀薄燃燒模式；通過大幅降低發動機的泵氣損失，實現降低發動機的油耗，同時通過三元催化器和稀燃后處理器對發動機尾氣進行處理實現發動機的清潔燃燒；
當發動機7運行在怠速及低速低負荷區域3時，通過控制直噴噴油器8，實現兩次噴油策略，在進氣沖程末期或壓縮過程早期噴射一次燃油，在壓縮沖程末期再噴射一次燃油；第一次噴入氣缸的燃油在較長的混合時間下，與空氣混合后在氣缸內形成了濃度分布均勻且 較稀(當量比X >1)的燃油/空氣混合氣；第二次在壓縮上止點附近噴入氣缸的燃油在火花塞電極周圍形成當量比、=I的當量混合氣，隨后火花塞開始跳火并點燃當量混合氣；當量混合氣的燃燒使得氣缸內的壓力和溫度快速增加，火焰開始從氣缸內當量混合氣所在的區域向稀薄混合氣所在的區域傳播并引燃稀薄混合氣，形成氣缸內的分層稀薄燃燒過程。當發動機工作在低速低負荷區域時，所需的燃油量非常小，若采用傳統的當量比燃燒過程，需要的空氣量也很小，因此對應的發動機節氣門開度也相應很小，這就大大增加了發動機氣缸里面的真空度，引起發動機泵氣損失大幅增加。采用分層稀薄燃燒后，由于當量比X >1，氣缸內的空氣量遠大于X=I時的空氣量，要求節氣門開度大幅增加，導致氣缸內的真空度降低，發動機泵氣損失大幅降低，進而大幅度降低發動機油耗。發動機在采用稀薄燃燒時，由于燃燒溫度相對傳統的當量比(X = I)燃燒大幅增力口，導致發動機的NOx排放大幅增加；為解決該問題，本發明采用了三元催化器18結合稀薄燃燒NOx排放專用的NSR催化器19的排氣后處理系統，兩個排氣后處理器安裝在排氣總管20上，并通過對流經排氣總管20的發動機排氣中的各種污染物進行催化轉化處理，以確保發動機排放處于低水平。第二工段，在中低轉速中低負荷區域，將噴油次數由兩次調整為一次，再結合VVT和VVL系統實現大量的內部EGR實現CAI燃燒模式；通過降低發動機的泵氣損失、傳熱損失和CAI燃燒固有的低溫燃燒特性實現發動機油耗和排放的大幅降低；
隨著發動機轉速和負荷逐漸增加到區域4 (中低轉速中低負荷)時，一方面基于進氣和排氣系統的DVVT控制油路9和DVVT控制閥12推遲進氣門的開啟時刻和提前排氣門的關閉時刻。這使得發動機在排氣沖程還未結束時排氣門就關閉，部分廢氣被保留在氣缸內，形成內部EGR，并隨著活塞向上止點運動被再次壓縮，高溫廢氣的加熱效應和再壓縮過程使得氣缸內的溫度壓力顯著增加。活塞運動到上止點后，開始反向向下止點運動，發動機開始進氣沖程。此時由于氣缸內廢氣的壓力較高，若立即打開進氣門，會引起廢氣倒流進入進氣道甚至進氣歧管，影響發動機進氣。因此，采用進氣門推遲開啟的策略，待缸內高壓廢氣隨活塞下行膨脹至壓力較低時再開啟進氣門，新鮮空氣通過進氣總管11進入氣缸。新鮮空氣在較高的缸內溫度和高溫廢氣的加熱作用下溫度顯著增加，這使得發動機壓縮沖程末期缸內溫度會顯著增加。另一方面，使用VVL控制閥15和VVL控制油路16將進氣和排氣的氣門升程切換到低升程狀態。進氣門升程切換到低升程后，可有效降低進氣流通面積，對進入氣缸的空氣起到了節流作用，控制了進入氣缸的空氣量，這允許發動機節氣門開度可以增加甚至全開，可有效降低氣缸內的真空度，進而降低發動機的泵氣損失。排氣門升程切換到低升程后，同樣由于排氣流通面積的減小對排出氣缸的廢氣起到了節流作用，可使更多的高溫廢氣保留在氣缸內，可進一步提高氣缸內壓縮沖程末期的溫度。在VVT控制油路/控制閥9/12和VVL控制油路/閥16/15的作用下，壓縮沖程末期氣缸內的溫度會大幅度增加到汽油燃料自燃著火溫度以上，汽油/空氣混合物會在高溫下發生多點自燃著火燃燒(CAI燃燒)，而不是依靠火花塞點燃燃燒，并依靠發動機泵氣損失的大幅下降而降低發動機油耗。第三工段，隨著發動機負荷、 轉速進一步增大至中高轉速及負荷，保持一次噴射的噴油策略，再結合VVT/VVL以及EGR系統，切換回當量燃燒模式；但此時通過外部EGR系統將大量的發動機排氣引入發動機進氣歧管，實現稀釋燃燒，一方面減小汽油機的泵氣損失提高效率，一方面降低發動機原始氮氧化物(NOx)排放的水平；
當發動機工作在中高轉速、中高負荷運行區域5時，由于在該區域內發動機節氣門仍沒有完全打開，發動機的泵氣損失仍會導致油耗的增加。此時，通過裝在發動機上的外部EGR閥13從發動機排氣歧管17中引入大量尾氣通過EGR管路14進入發動機節氣門后的進氣歧管10中，并最終隨進氣總管11過來的新鮮空氣進入氣缸內，實現外部EGR。但此時氣缸內的燃油和新鮮空氣混合氣的當量比仍然保持為1，引入的外部EGR廢氣只起到了對混合氣的“稀釋”作用，實現了外部EGR稀釋燃燒。由于進入氣缸內的廢氣使得缸內的壓力增加，進氣真空度相應降低。為保證發動機轉速和負荷不變，必須增加節氣門開度保證進入氣缸的新鮮空氣量相等(當量比仍然為1)，這就相應地降低了發動機的泵氣損失，進而降低發動機的油耗水平。同時，引入氣缸內的外部中冷EGR廢氣由于本身比熱容較高，可降低氣缸內的燃燒溫度，進而大幅降低發動機的氮氧化物排放，實現發動機的清潔燃燒。第四工段，當發動機在高速、高負荷區域工作時，則采用當量比控制條件下的當量比燃燒模式；充分利用三元催化器(Three Way Catalyst, TWC)對碳氫、一氧化碳和氮氧化物三種排放物的高催化轉化效率實現發動機的低排放。當發動機工作在高轉速高負荷運行區域6時，仍采用傳統汽油機的當量燃燒模式，通過對當量比和發動機點火提前角的精確控制，在降低發動機排氣溫度和避免爆震等不正常燃燒的同時確保發動機的扭矩、功率輸出，并通過三元催化器的高效催化轉化實現發動機的低排放。當發動機從區域3的分層稀薄燃燒切換到區域4的CAI燃燒時，由于兩種燃燒模式完全不同(前者需要火花塞點燃，后者則依靠缸內高的溫度壓力環境使混合氣發生自燃，不需要火花塞點火)，從稀薄燃燒切換到CAI燃燒采取了如下的切換策略首先通過低壓直噴噴油器8的控制，將稀薄燃燒的兩次噴射切換為一次噴射噴油策略，保持發動機火花塞繼續工作。同時逐步將一次噴射的噴油正時提前至進氣沖程末期或壓縮沖程初期。在缸內燃燒過程逐步穩定的過程中，通過VVL控制閥15和VVL控制油路16，將進排氣門從高升程狀態切換到低升程狀態，同時通過DVVT控制油路9和DVVT控制閥12，逐步將進氣門的開啟正時推遲，排氣正時提前，實現負氣門重疊角，使得缸內的燃燒廢氣逐步增加。當廢氣量增加到缸內溫度增加到使混合氣發生自燃的溫度時，通過控制系統使火花塞停止工作，實現CAI燃燒。
當發動機從區域4的CAI燃燒切換到區域5的稀釋燃燒過程時，采用如下控制策略通過DVVT控制油路9和DVVT控制閥12將進氣開啟正時逐步提前，排氣關閉正時逐步推后，同時通過控制火花塞實現正常點火，在進排氣門低升程狀態實現正的氣門重疊角下穩定的火花點火燃燒過程，然后通過VVL控制閥15和VVL控制油路16將進排氣門從低升程狀態逐步切換到高升程狀態，同時逐漸增加外部EGR閥13的開度，使發動機進入進氣歧管10的廢氣量逐漸增加(EGR率逐漸增加)，從而實現穩定的外部EGR稀釋燃燒過程。當發動機從區域5的EGR稀釋燃燒切換到區域6的傳統當量燃燒過程時，只需要通過逐漸減小EGR閥13的開度至零將EGR率逐漸降低到零，同時通過安裝在排氣總管20上的氧傳感器實現對當量比的閉環反饋控制，使其保持在I左右，實現傳統當量燃燒過程。圖I是傳統汽油機燃燒方法示意圖。圖中的I表示采用當量比混合氣燃燒模式區域，2表示采用加濃混合氣燃燒模式區域。
權利要求
1.一種汽油機節能減排燃燒方法，該方法基于氣液復相低壓直噴燃油系統，其步驟如下 第一工段，在發動機怠速以及低速低負荷區域，采取兩次噴油策略實現分層稀薄燃燒模式；通過大幅降低發動機的泵氣損失，實現降低發動機的油耗，同時通過三元催化器和稀燃后處理器對發動機尾氣進行處理實現發動機的清潔燃燒； 第二工段，在中低轉速中低負荷區域，將噴油次數由兩次調整為一次，再結合VVT和VVL系統實現大量的內部EGR實現CAI燃燒模式；通過降低發動機的泵氣損失、傳熱損失和CAI燃燒固有的低溫燃燒特性實現發動機油耗和排放的大幅降低； 第三工段，隨著發動機負荷、轉速進一步增大至中高轉速及負荷，保持一次噴射的噴油策略，再結合VVT/VVL以及EGR系統，切換回當量燃燒模式；但此時通過外部EGR系統將大量的發動機排氣引入發動機進氣歧管，實現稀釋燃燒，一方面減小汽油機的泵氣損失提高效率，一方面降低發動機原始氮氧化物排放的水平； 第四工段，當發動機在高速、高負荷區域工作時，則采用當量比控制條件下的當量比燃燒模式；充分利用三元催化器對碳氫、一氧化碳和氮氧化物三種排放物的高催化轉化效率實現發動機的低排放。
全文摘要
本發明公開一種汽油機節能減排燃燒方法，該方法基于氣液復相低壓直噴燃油系統，第一工段，在發動機怠速以及低速低負荷區域，采取兩次噴油策略實現分層稀薄燃燒模式；第二工段，在中低轉速中低負荷區域，將噴油次數由兩次調整為一次，再結合VVT和VVL系統實現大量的內部EGR實現CAI燃燒模式；第三工段，隨著發動機負荷、轉速進一步增大至中高轉速及負荷，保持一次噴射的噴油策略，再結合VVT/VVL以及EGR系統，切換回當量燃燒模式；第四工段，當發動機在高速、高負荷區域工作時，則采用當量比控制條件下的當量比燃燒模式。采用本燃燒方法，能使發動機在不同的轉速和負荷范圍內實現不同的節能減排燃燒模式，能在發動機的全部范圍內最大限度地降低油耗和排放。
文檔編號F02D43/00GK102619636SQ20121009478
公開日2012年8月1日 申請日期2012年4月1日 優先權日2012年4月1日
發明者劉斌, 張曉宇, 楊琴, 詹樟松, 閔龍 申請人:重慶長安汽車股份有限公司