技术领域
[0001] 本
发明属于内燃机技术领域，具体涉及一种复合喷射(缸内直喷加气道喷射)双燃料点燃式内燃机的可变EGR进气系统及控制方法。适用于采用EGR技术的复合喷射双燃料点燃式内燃机。
背景技术
[0002] 石油是一种不可再生的化石
能源，随着世界经济的飞速发展，
汽车产量和保有量的迅速增加，对石油需求的压
力也日渐增大，如何实现更清洁、更高效的燃烧成为世界各大汽车厂商面临的主要问题，因此世界各国广泛开展了汽车内燃机
代用燃料和EGR技术的研究。缸内直喷内燃机在燃油经济性方面比传统内燃机有较大的提升，但是面对日益严格的排放法规，较高的NOx排放限制了直喷
发动机的发展。其中，废气再循环(EGR)技术将一部分废气重新引入
气缸，降低了
氧浓度和燃烧
温度，能够有效的控制发动机的NOx排放，成为一种改善排放的重要手段。为了改善燃烧，提高燃油经济性，实现节能减排的目标，对于内燃机代用燃料方面也进行很多研究工作，其中
天然气、
液化石油气、氢气燃料以其优良的燃烧特性，在内燃机领域得到广泛应用，因此出现了双燃料内燃机，利用代用燃料燃烧优势，与传统燃料混合，从而改善缸内燃烧状态，降低排放，且内燃机许用更大程度的EGR率。复合喷射双燃料内燃机，可以将双燃料与复合喷射技术二者各自的优点相结合，实现内燃机性能的整体提升。
[0003] EGR的分类有很多种，按照废气在缸内的分布可以分为均质EGR和分层EGR，均质EGR的缸内EGR率比较均匀，而分层EGR的缸内EGR率随空间
位置而变化。EGR技术的应用在降低NOx排放的同时也会在一定程度上影响点燃式内燃机的正常燃烧，因此应该根据内燃机负荷工况来选择不同的EGR分布形式，以获取内燃机整体性能的最优化。在中小负荷引入废气，可以增加节气
门开度，减小中小负荷时的
泵气损失；在大负荷引入废气，可以抑制
爆震，从而可以进一步提高压缩比，提高热效率，改善燃油经济性。
[0004] 均质EGR进气方式，是将排气管中的废气直接引入到进气管节气门前，通过调节节气门的开度来决定进气量，有研究表明，在中小负荷时采用均质EGR分布方式，有研究表明，中小负荷下的EGR引入可以降低1％-3％的燃油消耗率，其原因在于中小负荷时内燃机经济性的改善主要来源泵气损失的降低以及进气
歧管温度提高对燃油
蒸发的加强作用。此时均质EGR分布方式更利于增大进气量，进一步降低节流损失，同时能许用更大的EGR率。但是废气引入过多，会对燃烧产生不利影响，火焰传播速度变慢。分层EGR可以解决高EGR率下的燃烧恶化问题，所谓分层EGR就是将排气管中的废气直接引入到进气道中，然后直接通过进气门进入缸内，在缸内
火花塞周围的新鲜混合气和引入废气混合不均匀，呈现出带状或是分层的空间分布，即在
燃烧室中间或是顶部为新鲜空气和燃料的混合气，两侧或是底部为引入的废气或是大EGR率的混合气，这样使得点火时火花塞周围能顺利着火，那么在高负荷工况下，采用分层EGR进气方式，能进一步提高EGR的容忍度，更大程度的改善高负荷下内燃机的燃油经济性。
[0005] 目前，对于点燃式内燃机上采用的EGR技术，只有单一的EGR进气分布形式，但缺乏基于内燃机负荷需求调整的可变EGR分布技术。尤其对于复合喷射双燃料内燃机，燃料特性的改善，能够许用更大程度的废气引入率，同时根据目标
扭矩需求，调整不同负荷下EGR的分布形式，能进一步获取复合喷射双燃料内燃机整体燃油经济性的改善，以及排放性能的提升，这也是当前内燃机技术领域关于复合喷射双燃料内燃机上应用可变EGR技术研究所缺乏的。因此，设计开发一种新型的适用可变EGR进气系统对提高复合喷射双燃料内燃机的燃油经济性具有重要意义。
发明内容
[0006] 本发明的目的在于提供一种复合喷射双燃料内燃机可变EGR进气系统及控制方法，该可变EGR进气系统能够根据内燃机负荷状态选择均质EGR和分层EGR分布方式，同时基于目标扭矩需求，调整EGR开度，选取合适的废气引入率，该进气系统能够兼顾高低负荷对EGR分布形式的需求，能够有效的降低内燃机的NOx排放；另一方面，能够在复合喷射双燃料内燃机上获取最大程度的EGR容忍度，从而在传统内燃机
基础上进一步改善内燃机的动力性、经济性和排放性，尤其降低NOx的排放。
[0007] 本发明通过以下技术方案予以实现，结合
附图说明如下：
[0008] 本发明提供一种复合喷射双燃料内燃机的可变EGR进气系统，包括：点燃式内燃机20、第一燃料喷射系统、第二燃料喷射系统、第一燃料供给系统、第二燃料供给系统、火花塞
14、进气系统、排气系统、可变废气再循环(EGR)进气系统、氧
传感器12和内燃机电控系统
16；第一燃料供给系统由第一燃料供给装置23、第一燃料供给管路21和第一燃料喷射器6组成；第二燃料供给系统由第二燃料供给装置24、第二燃料供给管路22和第二燃料喷射器7组成；进气系统由节气门3、
进气歧管4、进气总管5和进气门8组成；排气系统由
排气歧管10、排气总管11和排气门9组成；可变EGR进气系统由排气总管11、电控EGR
阀13、文丘里管15、气流稳压腔17、EGR冷却装置18以及可变EGR调节阀19组成。
[0009] 所述的一种复合喷射双燃料内燃机的可变EGR进气系统，包括第一燃料供给系统、第二燃料供给系统和
点火系统，第一燃料供给系统、第二燃料供给系统和点火系统分别通过第一燃料喷射器6、第二燃料喷射器7和火花塞14与点燃式内燃机20相连；可变EGR进气系统通过对电控EGR阀13的调节来实现目标EGR率，通过对可变EGR调节阀19的调节到a与b来实现均质EGR和分层EGR的进气方式；可变EGR进气系统的排气总管11、电控EGR阀13、文丘里管15、气流稳压腔17、EGR冷却装置18和可变EGR调节阀19依次顺序相连；内燃机电控系统16通过对节气门3、第一燃料喷射器6和第二燃料喷射器7以及火花塞14的控制实现对该复合喷射双燃料点燃式内燃机燃烧系统的操控。
[0010] 所述的一种复合喷射双燃料内燃机的可变EGR进气系统，与其相连的点燃式内燃机20采用两种不同属性的燃料，分别为第一燃料(主燃料)和第二燃料(辅助燃料)，第一燃料为现在应用较为广泛的燃料，主要是
汽油；第二燃料为性能优于第一燃料的代用燃料，主要为氢气，其性能主要包括火焰传播速度、点火
能量、燃烧界限以及燃烧排放物方面。
[0011] 所述的一种复合喷射双燃料内燃机的可变EGR进气系统，与其相连的点燃式内燃机20与两种不同的燃料供给系统相连，分别为第一燃料供给系统和第二燃料供给系统；双燃料喷射系统中，第一燃料喷射器6喷射第一燃料，且采用进气道预混合的形式进入气缸，第二燃料喷射器7喷射第二燃料，且采用缸内直接喷射的形式进入气缸。
[0012] 本发明中所述的点燃式内燃机20的每个气缸燃烧室25包括2个进气门8、2个排气门9、火花塞14、缸内第二燃料喷射器7、气缸26和
活塞29顶面，其中活塞29为气流引导型的凹坑顶面，与
连杆30和
活塞环28相连，在进气歧管4中预混合好的第一燃料混合气在进气门8开启后进入气缸，与直接喷入缸内的第二燃料一起配合活塞29顶面，形成需要的分层混合气31；其中火花塞14置于燃烧室中央顶面，第二燃料喷射器7在燃烧室的侧面安装。
[0013] 本发明中所述的进气系统和排气系统，其中进气系统包含进气系统由节气门3、进气歧管4、进气总管5和进气门8组成，由进气歧管到进气门是分开的独立管道，以减小气流扰动对进气的影响，实现稳定进气，同时有利于在分层EGR进气时，有效起到引流导向的作用，以快速准确实现EGR在缸内的分层分布；排气系统由排气歧管10、排气总管11和排气门9组成，且排气门出来的废气也是由独立的管道连通到排气歧管，然后进到排气总管，避免废气气流湍动引起缸内压力
波动，影响理想的混合气形成。
[0014] 本发明中与排气管相连的氧传感器12，其与电控系统16相连，实现对所述的点燃式双燃料内燃机20
过量空气系数的闭环控制。
[0015] 所述的一种复合喷射双燃料内燃机的可变EGR进气系统，其特征在于，包括电控EGR阀13，所述的EGR阀安装在连接于排气管的EGR应用管路上，调节EGR阀的开度，实现目标EGR率值。
[0016] 本发明的文丘里管的喉管直径比为0.75，所述的文丘里管安装在连接于排气管的EGR应用管路上，所述的文丘里管内部以及扩压段变直径处都是平滑过渡连接，以减少流动损失；所述的文丘里管扩压段为圆锥形，其锥
角为8°，压缩段锥角为16°；废气通过所述的文丘里管的喉管处，在管路中产生不同的
真空度，实现最大程度的废气引入比例，确保废气顺利流通进入进气道中；为给引入的废气提供稳压环境，保证EGR应用管路中最小的压力波动，在文丘里管后采用气流稳压腔17，且内壁材料为表面45°锥角的锯齿形吸波材料，实现管路中的压力波在该气流稳压腔中于吸波材料表面进行最大程度的折射、反射而逐渐降低其能量，实现稳压腔中稳定的气流压力。
[0017] EGR冷却装置18连接于排气管的EGR应用管路上，该装置为同心圆管，内圆管路流通引入的废气，外圆管路流通
冷却水，且
冷却水流向与废气流动方向相反，在本发明中以实现最大程度的废气冷却。
[0018] 本发明提供一种复合喷射双燃料内燃机的可变EGR进气系统，其特征在于，包括可变EGR调节阀19，所述的可变EGR调节阀可以单独连通a管道，也能独立连通b管道，从而分别实现均质EGR进气方式和分层EGR进气方式。
[0019] 参阅图7所示，在所述点燃式内燃机20气缸内火花塞14周围形成的新鲜进气与燃料混合气以及引入的废气的分布混合气31，其包含有不同EGR率的分层混合气，其中废气部分比例大小为31I<31II<31III，在靠近火花塞周围的新鲜进气量与燃料的混合气首先被点着，然后传播至混合气两侧以及低端的废气部分，后分布至整个燃烧室，实现所述内燃机气缸内两种燃料混合气与引入废气混合后的稳定燃烧，有效改善高负荷下内燃机的排放性和经济性。
[0020] 所述的复合喷射双燃料内燃机的可变EGR进气系统在中小负荷采用均质EGR进气方式，可以使内燃机采用更大节气门开度，进一步降低节流损失，提高了内燃机的热效率，降低了NOx的排放，因此可以提高内燃机的经济性能和排放性能。
[0021] 所述的复合喷射双燃料内燃机的可变EGR进气系统，包括点燃式内燃机20，采用两种不同燃料的作用是通过第二燃料自身良好的燃烧特性，降低循环变动，改善缸内燃烧状态，进一步提高混合气的稀薄燃烧最大程度，提高稀燃时的热效率和降低NOx的排放，第二燃料引燃作用的实现是靠内燃机电控系统控制第二燃料喷射器7在合适的喷射时刻将第二燃料喷射入缸内，通过第二燃料的快速燃烧，放出的能量进而点燃缸内整体混合气。
[0022] 本发明还公开了一种复合喷射双燃料内燃机的可变EGR进气系统的控制方法，所述的内燃机为双燃料内燃机，采用两种不同属性的燃料，基于负荷工况调节EGR在缸内的分布方式，需满足不同负荷工况下对目标EGR率、排放以及燃油消耗率的要求。实现可变EGR进气方式的进一步控制方法如下：
[0023] (1)顺利起动复合喷射双燃料内燃机；
[0024] (2)采集所述内燃机20在当前负荷工况下节气门位置
信号、转速信号和
空燃比信号，根据目标扭矩需求查询存储值，确定出在目标扭矩下所需的新鲜空气量；所述的查询存储值为预先存储在存储单元的根据所述内燃机20不同负荷和转速所对应的符合经济特性和排放性能所需要的新鲜空气量；
[0025] (3)内燃机电控系统16判断当前负荷下的工况，确定内燃机负荷类型，若在中小负荷工况下，基于均质EGR进气方式需求，进入步骤(4a)；否则，进入步骤(4b)；
[0026] (4a)确定内燃机为中小负荷工况，调节可变EGR调节阀19至a管道连通，从节气门前引入废气，实现均质EGR进气，然后内燃机电控系统16判断当前内燃机燃烧状态，基于目标EGR率的需求，调节电控EGR阀13的开度大小，实现目标EGR率；
[0027] (4b)确定内燃机为高负荷工况，调节可变EGR调节阀19至b管道连通，分别引入废气至4个切向型进气道4中，实现分层EGR进气，然后内燃机电控系统16判断当前内燃机燃烧状态，基于目标EGR率的需求，调节电控EGR阀13的开度大小，实现目标EGR率。
[0028] 与
现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0029] 1、本发明可实现在中小负荷工况下实现均质EGR进气方式，通过对可变EGR调节阀调节连通废气至节气门前，可以使内燃机采用更大节气门开度，进一步降低节流损失，提高了内燃机的热效率，降低了NOx的排放，因此可以提高内燃机的经济性能和排放性能。
[0030] 2、本发明可实现在在高负荷工况下对可变EGR调节阀调节连通废气至4个进气道，且所述内燃机的进气道设计为切向型进气道，以实现分层EGR进气，实现所述内燃机气缸内两种燃料混合气与引入废气混合后的稳定燃烧，改善所述内燃机缸内燃烧状态,提高所述复合喷射双燃料点燃式内燃机20的热效率、经济性和排放性能。
[0031] 3、本发明提出的内燃机为双燃料内燃机，采用不同属性的燃料，改善传统燃料的燃烧状态，拓展稀燃极限，提高燃烧
稳定性，降低燃油消耗率，实现燃料的有效利用率。
[0032] 4、本发明提出的复合喷射双燃料内燃机，其中一种燃料采用缸内直喷，可以提高充量系数，进一步提高压缩比，实现最大程度的整机性能提升。
[0033] 5、本发明通过安装与排气管上的氧传感器，实现缸内混合气过量空气系数的闭环控制。
附图说明
[0034] 图1复合喷射双燃料内燃机系统结构图。
[0035] 图2复合喷射双燃料内燃机缸内纵剖图。
[0036] 图3复合喷射双燃料内燃机整体系统布局示意图。
[0037] 图4文丘里管构造示意图。
[0038] 图5气流稳压腔的结构示意图。
[0039] 图6EGR冷却装置的结构示意图。
[0040] 图7火花塞周围形成的EGR分布状态示意图。
[0041] 图8复合喷射双燃料内燃机可变EGR进气系统控制策略
流程图。
[0042] 图中：1
节气门体，2空气滤清器，3节气门，4进气歧管，5进气总管，6第一燃料喷射器，7第二燃料喷射器，8进气门，9排气门，10排气歧管，11排气总管，12氧传感器，13电控EGR阀，14火花塞，15文丘里管，16电控系统，17气流稳压腔，18EGR冷却装置，19可变EGR调节阀，20点燃式内燃机，21第一燃料管路，22第二燃料管路，23第一
燃料箱，24第二燃料箱，25燃烧室，26气缸盖，27
气缸体，28活塞环，29活塞，30连杆，31缸内混合气。
具体实施方式
[0043] 下面结合附图对本发明技术方案作进一步详细阐述：
[0044] 本发明中的EGR指的是废气再循环。
[0045] 参阅图1所示，所述的点燃式内燃机系统由点燃式内燃机20、第一燃料喷射系统、第二燃料喷射系统、第一燃料供给系统、第二燃料供给系统、火花塞14、进气系统、排气系统、可变EGR进气系统、氧传感器12和内燃机电控系统16；第一燃料供给系统由第一燃料供给装置23、第一燃料供给管路21和第一燃料喷射器6组成；第二燃料供给系统由第二燃料供给装置24、第二燃料供给管路22和第二燃料喷射器7组成；进气系统由节气门3、进气歧管4、进气总管5和进气门8组成；排气系统由排气歧管10、排气总管11和排气门9组成；可变EGR进气系统由排气总管11、电控EGR阀13、文丘里管15、气流稳压腔17、EGR冷却装置18以及可变EGR调节阀19组成。
[0046] 所述的第一燃料供给系统、第二燃料供给系统和点火系统分别通过第一燃料喷射器6、第二燃料喷射器7和火花塞14与点燃式内燃机20相连；可变EGR进气系统通过对电控EGR阀13的调节来实现目标EGR率，通过对可变EGR调节阀19的调节到a与b来实现均质EGR和分层EGR的进气方式，a管连接到节气门前，b管分别连接到4个切向型进气道中；可变EGR进气系统的排气总管11、电控EGR阀13、文丘里管15、气流稳压腔17、EGR冷却装置18和可变EGR调节阀19依次顺序相连；内燃机电控系统16通过对节气门3、第一燃料喷射器6和第二燃料喷射器7以及火花塞14的控制实现对该复合喷射双燃料点燃式内燃机燃烧系统的操控。
[0047] 参阅图2所示，本发明中所述的复合喷射双燃料内燃机采用两种不同属性的燃料，第一燃料采用进气道多点喷射的方式与新鲜空气预混合后进入缸内，第二燃料采用缸内直喷的方式进入缸内。进一步地，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,第一燃料喷射器6安装于进气歧管4上,第一燃料可以更好的顺着气流进入气缸,第一燃料通过第一燃料喷射器6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；第二燃料喷射器7直接安装在气缸盖26上，其喷孔位于燃烧室25的上部，第二燃料通过第二燃料喷射器7直接喷入缸内；火花塞14也安装在气缸盖26上，位于燃烧室25的侧面，火花塞14的位置和第二燃料喷射器7的位置为宽间距，以满足系统稳定燃烧工作的要求。
[0048] 参阅图3所示，本发明中所述的复合喷射双燃料内燃机系统布局
框架分为三大板
块，进气板块、缸体部分以及排气板块，所述的点燃式内燃机20有4个气缸，每缸有4个气门，分别为2个进气门和2个排气门，进气门8与进气歧管4相连，排气门9余与排气歧管10相连，尤其特，本发明所述的内燃机采用气门对应进气道独立构造，即每一个气门单独对应一个进气歧管的末尾分支管道，包含进气门和排气门，这样能有效减小进气气流运动对各气门对应的末尾分支管道中混合气的扰动，有利于缸内EGR混合气的分布状态实现目标EGR分布形式。
[0049] 本发明所述的文丘里管，安装于EGR引入应用管路中，所述的文丘里管分为收缩段、喉管段和扩压段。根据文丘里管的工作原理，利用气体在文丘里管中产生合适的进气节流，在EGR阀前后形成压差。由伯努利方程 和连续方程S1*ν1＝S2*ν2＝Q，其中p1、v1、S1和p2、v2、S2，ρ为气体
密度，废气在收缩段通道中流动时，气体会
加速，
马赫数会增大，亚音速的气体通过文丘里管的时候会产生一个膨胀过程，再产生一个压缩过程，膨胀过程中气体温度和压力会下降，所以通过文丘里管的喉管处会产生真空度，利用这个真空度就可以顺利将废气引入进气系统中。在扩压段，新鲜气体与引入的废气进行压缩过程，压力上升，能够减小收缩段带来的压力损失。同时，在使用文丘里管后，降低了废气的
流动阻力，能有效抑制EGR阀堵塞的现象，另外能实现较高的EGR率，减小了发动机的功率损失。
[0050] 参与图4所示，所述的文丘里管15喉管直径比为0.75，扩压段为圆锥形，其锥角为8°，压缩段锥角为16°，进一步地引入EGR在管路中产生真空度，使得顺利引入废气并避免管路堵塞。
[0051] 参阅图5所示，为保证EGR引入应用管路中废气压力稳定，本发明在EGR引入应用管路中安装有气流稳压腔17。所述的气流稳压腔拥有一个固定的容积，内壁是一种表面锥角为45°的锯齿形吸波材料，对于引入的废气经过文丘里管之后会产生一定的气流扰动，产生的压力波在锯齿形槽中经过不断的折射、反射而波
动能量衰减，能够维持进入进气道中的废气压力稳定而不出现大的气流波动。
[0052] 参阅图6所示，为避免引入的废气温度太高，需要对引入EGR管路中的废气进一步冷却，EGR冷却装置18与气流稳压腔和可变EGR调节阀19相连，安装于EGR引入应用管路中。所述的EGR冷却装置中冷却水的流动方向和废气流动方向相反；另外，所述的EGR冷却装置是同心圆管道，大圆管道中流动的是冷却水，小圆管道中流动的是废气，这样的设计能够保证
冷却液与废气更大面积的
接触，实现更大程度的热量交换。
[0053] 参阅图7所示，当内燃机处于高负荷状态下，此时EGR进气系统应该处于分层EGR进气方式，所述的复合喷射双燃料内燃机缸内EGR分布为分层模式，缸内火花塞周围或是燃烧室顶部形成的混合气31，根据混合气中EGR率的大小分为31I、31II、31III三层，其EGR率的大小关系为31I<31II<31III，所述的EGR分层是气缸中心EGR率较外围低，火花塞附近EGR率低，这样有利于高负荷状态下燃烧初期
火核形成及火焰传播，能够减轻废气对燃烧的恶化，可有效改善内燃机经济性和排放性。
[0054] 本发明所述的可变EGR进气系统，是基于负荷状态调节EGR三通调节阀19，当三通调节阀连通a管道时，将排气管中的废气引入到节气门前面，跟随节气门开度一起控制进入缸内的废气量，同时在缸内形成均匀分布的EGR状态；当三通调节阀连通至b管道时，将排气管中的废气直接引入至节气门后的切向型进气道中，然后通过进气门直接进入缸内，在缸内形成分层EGR的分布状态。
[0055] 本发明所述的EGR率控制方法：1)在均质EGR进气方式时，EGR率大小由电控EGR阀13和节气门3控制；2)在分层EGR进气方式时，EGR率大小由电控EGR阀13独立控制。
[0056] 参阅图8所示，为复合喷射双燃料内燃机可变EGR进气系统控制策略流程图。本发明所述的复合喷射双燃料内燃机可变EGR进气系统，其实现的可变EGR控制方法，结合图8所示，进一步详细阐释如下：
[0057] 顺利起动复合喷射双燃料内燃机；采集所述内燃机20在当前负荷工况下节气门位置信号、转速信号和空燃比信号，根据目标扭矩需求查询存储值，确定出在目标扭矩下所需的新鲜空气量；所述的查询存储值为预先存储在存储单元的根据所述内燃机20不同负荷和转速所对应的符合经济特性和排放性能所需要的新鲜空气量；内燃机电控系统16判断当前负荷下的工况，确定内燃机负荷类型，当内燃机为中小负荷工况，基于均质EGR进气方式需求，调节可变EGR调节阀19至a管道连通，从节气门前引入废气，实现均质EGR进气；然后内燃机电控系统16判断当前内燃机燃烧状态，基于目标EGR率的需求，调节电控EGR阀13的开度大小，实现目标EGR率；当内燃机为高负荷工况，调节可变EGR调节阀19至b管道连通，分别引入废气至4个切向型进气道4中，实现分层EGR进气；然后内燃机电控系统16判断当前内燃机燃烧状态，基于目标EGR率的需求，调节电控EGR阀13的开度大小，实现目标EGR率。
