基于射流点火的发动机超高压缩比燃烧控制装置和方法

摘要

本发明公开了一种基于火花塞预燃室射流点火的发动机超高压缩比燃烧控制方法和装置。所述方法将点燃式发动机的火花塞通过火花塞预燃室连接燃烧室；根据发动机的热负荷大小，在小负荷条件下，向进气道掺入氢气，在大负荷条件下，向进气道掺入氢气的同时使用EGR系统进行废气再循环处理。使用本发明可以抑制爆震燃烧，具有超高压缩比，且热效率高。

说明书

技术领域

本发明涉及发动机燃烧控制技术领域，具体涉及基于火花塞预燃室射流点火的发动机超高压缩比燃烧控制装置和方法。

背景技术

根据发动机热力循环的做功理论，压缩比越高，可能获得的热效率越高，这也是为什么柴油机一般其热效率远高于汽油机的原因。目前市场上的汽油机的压缩比约为10-12，其有效热效率一般为35％左右。因此，有必要进一步提高压缩比达到能源高效利用的目的。

然而，对于点燃式的发动机，包括汽油机和其他气体燃料发动机，提高热效率最大的困难是缸内远端混合气自燃造成的爆震燃烧问题。爆震燃烧是指，火花点火的形成的火焰未传播至整个燃烧室时，缸内远端混合气因压缩吸热等原因已经完成了理化准备(滞燃期)发生了快速的自燃，造成缸内压力升高率过高、燃烧相位失稳，从而使发动机工作噪音大、可靠性低、热效率低。

爆震燃烧抑制，一方面可以通过提高燃烧速度，使火焰提前传遍整个燃烧室实现；另一方面可以通过降低末端混合气的自燃倾向，延长滞燃期实现。具体为，1、提高燃料抗暴性，2、降低缸内温度，和3、提高燃烧速度的方式。

经过近百年的发展，当前燃料的抗暴性已经较好，通过燃料品质的提升继续提高压缩比的潜力已经较小。

降低缸内温度的方法，其中之一即为降低压缩比，这与提高压缩比获得更高热效率的思路相违背。引入再循环废气(EGR)，可以降低缸内压缩温度。然而由于引入EGR会降低火焰传播速度和稳定性，因此实际应用过程中此比例一般为10％左右。

提高燃烧速度，是抑制爆震提高压缩比的有效的措施，但一般燃烧性质已经决定了燃烧速率，如果希望大幅提高燃烧速率，需要借助于额外的措施。通常增加湍动能可以提高火焰传播速度。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于火花塞预燃室射流点火的发动机超高压缩比燃烧控制装置和方法，可以抑制爆震燃烧，具有超高压缩比，且热效率高。

为了解决上述技术问题，本发明是这样实现的。

一种基于火花塞预燃室射流点火的发动机超高压缩比燃烧控制方法，包括：

将点燃式发动机的火花塞通过火花塞预燃室连接燃烧室；

根据发动机的热负荷大小，在小负荷条件下，向进气道掺入氢气，在大负荷条件下，向进气道掺入氢气的同时使用EGR系统进行废气再循环处理。

优选地，随着EGR率的降低，减少掺氢比例或停止。

优选地，在大负荷条件下，利用增压器提高燃烧室进气量解决EGR引起的大负荷功率下降问题。

本发明还提供了一种基于火花塞预燃室射流点火的发动机超高压缩比燃烧控制装置，包括火花塞预燃室、EGR系统、氢气供气系统、增压器和控制模块；

点燃式发动机的火花塞通过所述火花塞预燃室连接燃烧室；EGR系统连接在进气道和排气道之间；氢气供气系统设置于进气道；

控制模块根据发动机的热负荷大小，在小负荷条件下，利用氢气供气系统向进气道掺入氢气；在大负荷条件下，向进气道掺入氢气的同时使用EGR系统进行废气再循环处理。

优选地，该装置进一步包括设置于进气道的增压器，在大负荷条件下，控制模块利用增压器提高燃烧室进气量解决EGR引起的大负荷功率下降问题。

优选地，所述控制模块进一步随着EGR率的降低，减少掺氢比例或停止掺入氢气。

优选地，所述火花塞预燃室为容积为1ml～2ml的微型燃烧室。

优选地，火花塞预燃室与燃烧室以多个喷孔联通。

优选地，火花塞预燃室与燃烧室通过螺纹连接，螺纹尺寸与火花塞相同。

优选地，所述氢气供气系统包括喷氢阀和氢气罐；喷氢阀进气道喷射氢气。

有益效果：

1、超高压缩比，热效率高。

本发明利用火花塞预燃室可以提高燃烧速率、抑制爆震的优势，并在大负荷的条件下引入EGR辅助降低末端混合气活性，可以大幅提高发动机压缩比，因此可以获得极高的热效率。

2、全历程稳定燃烧。

本发明借助掺氢和EGR的使用，在小负荷条件下解决预燃室混合气过稀点燃不稳定的问题，大负荷条件下解决EGR比例高预燃室内因废气过多点燃不稳定的问题。因此可以获得所有工况下的稳定燃烧。

3、排放较低，小负荷HC低，大负荷NOx低。

本发明使用了火花塞预燃室可以拓展稀薄燃烧极限，同时掺氢之后混合气本身的稀燃极限也得到较好的拓展，因此小负荷条件下的HC排放可以大幅降低。大负荷的条件下使用了大量的EGR，可以降低缸内燃烧区域温度，降低了NOx排放。

4、较高的功率。

大负荷条件下，由于使用了大量的EGR，因此动力性有所下降，本发明配合使用增压器，补充进气量，以恢复因EGR引入造成的功率降低。

5、改造成本低

本发明需要在原机上加装的配件有两个，一是火花塞预燃室，二是氢气供气系统。火花塞预燃室为直接加装在火花塞上的小模块，结构简单，成本较低。由于在此策略下发动机运行过程中需要的氢气量较少，且为进气道喷射，因此可以使用容积小、压力低的气罐，使用低压气体喷射阀。总体上改造容易且成本低。

6、燃料适用性广

由于主燃料为进气道喷射，所以既可以使用常见的与汽油类似的液体燃料也可以使用如天然气的气体燃料，进入气缸后均较易形成相对均质的混合气。

附图说明

图1为具备本发明发动机超高压缩比燃烧控制装置的发动机示意图。

其中，气缸1、火花塞2、火花塞预燃室3、进气道4、排气道5、EGR系统6、喷油器7、喷氢阀8、燃油箱9、氢气罐10、电控单元11、增压器12。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种基于火花塞预燃室射流点火的发动机超高压缩比燃烧控制方案，其利用掺氢、大EGR、增压器并配备火花塞预燃室，最后获得超高的发动机热效率。

火花塞预燃室可以大幅提高燃烧速率，提高燃烧稳定性。其是通过在点燃式发动机火花塞前段加装一个容积仅为1-2ml的便携式预燃室，火花塞预燃室与燃烧室以多个喷孔相连，火花塞预燃室与燃烧室相连的螺纹尺寸与火花塞相同，因此可以直接安装，不需要对发动机进行改造，成本极低。其工作原理是，压缩冲程活塞上行将新鲜工质压如火花塞预燃室，上止点附近，火花塞点火，预燃室内气体快速燃烧建立压力，高温高压部分燃烧气体，迅速通过小孔冲入燃烧室并形成湍动强度极高的气体射流。气体携带大量的热量、活性基、湍流，并有较大的贯穿距离，可以大幅提高燃烧速率，并提高燃烧稳定性，据发明人研究显示，此种燃烧室可以缩短燃烧持续期50％。

本发明使用火花塞预燃室本身即可以抑制爆震，提高压缩比，提高热效率。但，仍避免不了远端混合气的自燃。因此，本发明进一步引入废气再循环系统(EGR，Exhaust GasRecirculation)，使用大EGR率降低远端混合气活性成为增高压缩比的必备措施。EGR率有望提升至与柴油机相似的水平40-50％，相应的压缩比可提高至16-19。热效率也达到与柴油机相当甚至比柴油机更高的水平，指示热效率有望突破50％。成为目前热效率最高的点火式发动机。其中，EGR率被定义为在循环的废气量与吸入气缸的进气总量之比。

但大EGR的使用会带来两个问题，1、EGR会降低燃烧稳定性，影响火花塞预燃室的点火成功率，2、点火式发动机为量调节，充量内再循环废气比例的升高，会影响发动机动力性，使满负荷的动力性下降。为此，本发明利用掺氢的办法提高混合气活性，使火花塞预燃室的点火不受影响。EGR引起大负荷功率下降则可通过涡轮增压的方式解决。

运行过程中，为了节省氢气的消耗，氢气主要在大EGR率和小负荷的模式下按照需求比例掺加，随着EGR率的降低，可减少掺氢量甚至停止掺氢。

具体来说，本发明的控制策略分为两个阶段：

当负荷大于设定值时，由于热负荷高，虽然使用了火花塞预燃室，火焰速度大幅提高，但由于发动机压缩比提(16-19)容易引起爆震燃烧，因此需要引入EGR以降低缸内燃烧温度，从而可以抑制爆震并降低NOx排放。此外，为了恢复功率需要使用增压器提高进气量。而此时预燃室内由于混合气EGR比例高，点火会出现不稳定的现象，因此需要引入氢气以提高预燃室的点燃性能。

在负荷小于或等于设定值时，由于气体相对稀薄，燃烧室内的温度也较低，一方面预燃室点燃困难，另一方面会因为混合气过稀而产生火焰传播中断增加HC排放。因此需要掺入氢气，以改善预燃室的点燃稳定性和气缸内火焰传播的稳定性。

可见，在使用火花塞预燃室获得高效率的条件下，小负荷条件下掺氢气可以解决预燃室点火稳定性和HC排放较高的问题，大负荷条件下使用EGR系统可以降低NOx排放并抑制爆震、掺氢可以改善预燃室点火稳定性，并结合增压器保证功率。

图1为使用本发明发动机超高压缩比燃烧控制装置的发动机结构示意图。如图1所示，控制装置设置在发动机中，包括预燃室3、EGR系统6、氢气供气系统、增压器12和控制模块。氢气供气系统由喷氢阀8和氢气罐10组成。发动机本身包括气缸1、火花塞2、进气道4、排气道5、喷油器7、燃油箱9和电控单元11。

其中，火花塞2通过预燃室3连接燃烧室(气缸1)；EGR系统6连接在进气道4和排气道5之间；氢气供气系统和增压器12均设置于进气道。其中，喷氢阀8和氢气罐10相连，喷氢阀8的喷嘴深入进气道4。控制模块设置在电控单元11中。供油系统采用喷油器7进气道喷射，所以燃油可为传统的汽油燃料也可以是压缩天然气(CNG)等气体燃料。

电控单元11进行如下控制：控制火花塞2点火时刻，控制喷油器7喷油脉宽实现喷油量调节；控制喷氢阀8脉宽实现掺氢比例的调节；控制增压器12实现增压压力的控制，实现负荷调节。

控制单元11还负责燃烧控制策略的实施，即根据发动机的热负荷大小，在小负荷条件下，利用EGR系统向进气道掺入氢气；在大负荷条件下，向进气道掺入氢气的同时使用EGR系统进行废气再循环处理，并利用增压器提高燃烧室进气量解决EGR引起的大负荷功率下降问题。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。