單燃料壓燃與點燃混合的燃燒控制方法及內燃機的制作方法
【技術領域】
[0001]機械工業的內燃機領域。
【背景技術】
[0002]內燃機是一項成熟的技術，關于內燃機的結構和原理，這里不作贅述。
[0003]內燃機一般分為點燃式汽油機和壓燃式柴油機。
[0004]內燃機的一個做功行程，一般只有一種燃燒控制模式，要么點燃式，要么壓燃式。
[0005]均質油氣點燃燃燒控制模式的缺點是，從火花塞點火到油氣燃燒完全，火焰擴散速度慢，或者出現爆震；難以實現稀薄燃燒，熱功轉換效率低。
[0006]非均質壓燃燃燒控制模式的缺點是，燃燒的尾氣存在較多碳煙，造成燃料浪費。尤其是大負荷和空燃比不是很高的情況下，問題和矛盾突出。
[0007]近十年，有人研究均質壓燃式汽油機，采用多點點火的方式，同時控制燃燒速度和燃燒室溫度，避免爆震。這樣，這種內燃機只能在相對固定的單一的負荷下工作，負荷變化就會引起熱功轉換效率顯著降低，或者引起爆震，因此應用范圍很窄，至今沒有得到大規模應用。
[0008]到現在，沒有一種內燃機，使用單一燃料，在氣缸的一個做功行程內，既采用壓燃式燃燒控制模式，又采用點燃式燃燒控制模式，而且是多點點火的點燃式燃燒控制模式。
【發明內容】
[0009]1、一種新的內燃機及其控制方法，氣缸的壓縮比為12-22，典型的壓縮比為17 ;使用辛烷值(研究法，RON)小于69的汽油或者類似汽油的燃料，典型的辛烷值為40，使用單一燃料；兩次或者多次噴射燃料；在內燃機的進氣行程，向氣缸內噴射汽油燃料，空氣與燃料比例控制在15-50，典型的空燃比是18 ;在壓縮行程，活塞接近上止點之前，向氣缸內再次噴射少量汽油燃料，后噴射的汽油燃料在氣缸內高溫高壓的油氣混合氣中擴散和自燃；自燃的油氣混合氣包括一部分先噴射進入氣缸預混合的汽油；自燃的油氣對先噴射進入氣缸與空氣預混合的汽油的混合氣(未與后噴射進入的汽油混合的部分油氣混合氣)進行點火，由于點火強度高，并且是多點點火，原來因為燃料濃度過稀，空燃比過高，而難以著火的預混合油氣被點燃，同樣是因為多點點火，預混合油氣的燃燒速度很快，但是由于預混合油氣的濃度低，所以不會出現爆燃或者爆震現象。
[0010]后噴射進入氣缸的汽油量，約占總噴油量的10-30%，典型的比例是20%，具體的量，以噴射進入氣缸能夠實現壓燃點火為下限。臺架試驗或者現有技術可以確定不同條件下噴射進入氣缸能夠實現壓燃點火的最低的低辛烷值汽油量。
[0011]先噴射進入氣缸的汽油與空氣預混合，混合油氣的空燃比以燃燒過程中不發生爆震為下限，以被點火后能夠順利燃燒為上限。運行過程中，尤其是大負荷時，預混合的油氣被點燃燃燒的過程中，可能會出現爆震。檢測到(出現)爆震時，通過進一步增加空燃比，降低燃料濃度的方法，消除爆震，但是空燃比不能過分增加，以便油氣混合氣仍然可以被火焰點燃燃燒。臺架試驗或者現有技術可以確定不同條件下(各種工況、負荷)噴射進入氣缸的預混合汽油的空燃比的上限和下限。
[0012]當空燃比例超過15時，可以采用部分尾氣循環利用，與新鮮空氣混合后進入氣缸。預混合部分的空燃比越高，后噴射進入氣缸的用于壓燃部分的燃料的比例可以相對增力口，而不會產生太多的碳煙。
[0013]可以采用渦輪增壓裝置或者機械增壓裝置提高氣缸進氣壓力，或者同時采用渦輪增壓裝置和機械增壓裝置。
[0014]在低溫啟動或者低負荷運行階段，可以采用常規的火花塞點燃燃燒控制模式。
[0015]這種內燃機的優點(解決的問題)是:發動機熱功轉換效率高，碳煙排放低。發動機及其控制方法集成了以下具體的優點:氣缸的壓縮比提高；空燃比高，不但壓燃部分的空燃比高，均質點燃部分也實現了稀薄燃燒；實現壓燃和采用壓燃的火焰對均質低濃度油氣混合氣點火，高強度多點點火，使得燃燒速度快，卻不會發生爆震；壓燃階段后噴射進入氣缸的汽油的量，與普通的壓燃式內燃機相比較小，相對空燃比非常大，達到80以上，所以壓燃燃燒過程中不會出現燃料高濃度區，所以碳煙排放很少，燃料利用效率提高。
[0016]相對空燃比是指后噴射進入氣缸的燃料量，與氣缸內的空氣中扣除預混合燃料需要消耗的氧氣量之后氧含量的比例。
[0017]本發明的新型內燃機及其控制方法與均質壓燃汽油機不同，首先使用的燃料不同，本發明使用低辛烷值汽油，均質壓燃使用高辛烷值汽油，而且辛烷值越高越受歡迎。其次，氣缸壓縮比不同，本發明的氣缸壓縮比可以達到18-22，而均質壓燃技術顧忌爆震，氣缸壓縮比一般在15左右。最關鍵的，本發明內燃機的工作負荷寬泛，負荷可以隨意變化，而不會出現爆震，均質壓燃內燃機不能變換工作負荷。
[0018]2、另外一種新的內燃機及其控制方法，該內燃機同時具有兩種燃燒控制模式。在低負荷運行時，或者運行負荷滿足空燃比大于40以上條件時(具體的空燃比，可以在一定范圍內任意選擇，是現有技術)，內燃機采用辛烷值低于69的低辛烷值汽油，在氣缸做功行程和活塞到達上止點之前將燃料噴射進入氣缸，實現壓燃燃燒控制模式。
[0019]當內燃機處于較高運行負荷，或者運行負荷不能滿足空燃比大于45以上條件時(具體的空燃比，可以在一定范圍內任意選擇，是現有技術)，內燃機采用上面I所述的內燃機的控制方法，實現壓燃點火和壓燃燃燒，同時利用壓燃火焰實現對均質稀薄燃料點燃燃燒的控制模式。
[0020]以上兩種內燃機及其控制方法的控制參數，根據氣缸的燃燒要素不同，可以在一定范圍內變化或者選擇，具體選擇方法是現有技術，或者可以通過臺架試驗得到，不需要創造性勞動。
[0021]3、對內燃機尾氣排氣系統保溫的方法及其保溫產品。上述兩種內燃機及其控制方法均采用壓燃和稀薄燃燒的燃燒控制方法，因此尾氣溫度與點燃式汽油機相比較低，而渦輪增壓裝置需要較高的尾氣壓力，排氣系統保溫有利于維持較高的尾氣壓力和有利于渦輪發揮工作效率；尾氣三元催化處理裝置(用于凈化尾氣中的一氧化碳、碳氫和氮氧化合物)，以及尾氣的碳煙(脫除)處理裝置，也需要尾氣具有較高的溫度，一般需要尾氣溫度超過500°C，才能夠較好地脫除尾氣中的一氧化碳、碳氫和氮氧化合物以及尾氣的碳煙。因此，對相關內燃機的尾氣排氣歧管、渦輪增壓裝置的尾氣驅動部位(壓縮空氣的工作部位除外)、三元催化處理裝置、碳煙處理裝置，以及從內燃機殼體到上述三個主要裝置的連接管線和三元催化處理裝置或者碳煙處理裝置之后的部分管線進行保溫處理是非常必要的。
[0022]常用的保溫方法，包括使用耐高溫或者防火材料纏繞、包覆尾氣排氣系統。具體的保溫方法及保溫材料是現有技術。
[0023]一種內燃機尾氣排氣系統保溫產品，采用金屬薄片材料制作成真空夾套，覆蓋或者包裹在需要保溫的排氣管道或者裝置的外層，利用金屬材料的耐熱耐高溫特性和真空夾層的隔熱特性，保溫夾套具有良好的保溫性能。針對尾氣排氣管道和渦輪等裝置的外形結構的復雜性，保溫夾套可以分段制作，按照管線(管道)走向連續連接和安裝；無法套裝(尾氣管道穿過保溫夾套)的保溫夾套分成兩部分或者三部分部件，這些部件組合或者偶合在需要保溫的管道或者裝置外層之后，可以很好地覆蓋在被保溫設備的外表面。保溫夾套或者保溫夾套部件采用匝箍、螺絲螺母，或者其它方法固定、連接。
[0024]根據上述排氣系統保溫的意圖，設計一種新的渦輪增壓裝置，其尾氣