[发明专利]基于燃料实时设计与喷射管理的复合均质压燃发动机

说明书

技术领域

本发明涉及一种均质压燃发动机，特别是一种基于燃烧实时设计与喷射管理的复合均质压燃发动机，属于内燃机技术领域。

背景技术

面对能源的日益紧缺和排放法规的愈加严格，未来内燃机发展的必然方向是在提高经济性的同时降低有害气体的排放。相对于火花点火的发动机，压缩着火的燃烧方式以其较高的热效率获得了更多的关注。但是传统的压燃式发动机缸内油气分布不均匀，造成相当高的NO_X和碳烟排放。为解决这一问题，均质充量压缩燃烧逐渐引起人们的关注。

均质充量压缩燃烧是燃料和空气预混合所形成的稀薄工质经过低温反应生成的活化基团，随着压缩冲程缸内温度上升到燃料的自燃温度(1000K左右)时，在整个燃烧室内多点自燃着火。因而理想的均质充量压缩燃烧放热反应是均匀分布于整个燃烧室空间的低温反应，没有火焰锋面和火焰传播，也没有局部高温富氧或富油，所以可以同时有效抑制NO_X和碳烟的生成。

然而，均质充量压缩燃烧是由燃空混合气自身的化学反应动力学所控制的，燃空混合气进入气缸后经压缩升温直至最终着火主要是由燃料的理化特性、混合气浓度以及温升历程所决定的。均质充量压缩燃烧从本质上缺少直接的控制手段，无法利用火花点火或者直喷时刻来控制其着火，并且由于均质充量压缩燃烧对混合气初始条件以及压缩过程的温度压力变化较为敏感，导致其着火时刻和燃烧速率难以控制，特别是在小负荷易失火、大负荷易爆震以及在过渡工况下不稳定，从而难以完全拓展发动机的负荷范围。这就决定了均质充量压缩燃烧的控制问题是其走向实用化的技术难题与瓶颈。

已有技术中，专利公开号为CN 1504636A，名称为“双燃料多燃烧模式新概念发动机”发明专利，提出一种使用双燃料(天然气和二甲醚)，运转在双模式(均质压燃和火花点火)下的发动机。该发明有效的拓宽了均质压燃发动机的负荷范围，但是存在的主要问题是：由火花点火模式向均质压燃模式切换时，过渡工况下燃烧不稳定。

发明内容

为了克服已有技术的不足和缺陷，本发明提出一种新型的复合均质压燃发动机，该发动机采用基于燃烧实时设计与喷射管理的复合均质压缩燃烧模式，通过调制合理的燃烧相位和控制燃烧速率，能够解决均质充量压缩燃烧的负荷拓展难题，并最大限度的保持均质充量压缩燃烧高效清洁的优越性。并且，该发动机运转工况稳定，不存在燃烧模式的切换问题。

燃烧设计与喷射管理这一概念，包括两个方面内容：燃料设计与燃料喷射管理。首先，燃料的分子结构和成分、辛烷值/十六烷值、自燃温度等理化参数与燃料的燃烧特性密切相关，其中辛烷值/十六烷值对燃料着火的影响尤为突出，它们分别代表燃料的抗爆性和压缩自燃的能力，直接影响燃料的着火与燃烧。燃料设计是指通过多种不同理化特性燃料的优化组合，结合互溶、互混技术对燃料进行重新配方，从而改变燃料的成分和理化参数，调制缸内形成的混合气的理化性质，从而控制燃烧相位和燃烧速率，以期在发动机上实现高效率、低排放的目的。

然而，常见的燃料设计方法大都只是在发动机运转前事先把燃料配制好，一旦燃料配好，混合燃料理化特性也就无法改变。这种固定配比混合燃料的单一物性往往无法适应变化的均质压燃发动机工况，不能发挥混合燃料负荷拓展潜力，同时导致在负荷拓展与排放控制上顾此失彼，因而传统的燃料设计思想和方法有待革新。本发明基于发动机负荷的燃料实时设计的新方法，可以依据发动机的负荷状况，利用电子控制单元实时改变燃料的理化性质和可燃混合气成分，以达到优化控制燃料的着火、燃烧以及扩展负荷的目的。

燃料喷射管理是指选取燃料的喷射方式，并调节燃料的喷射时刻、喷射压力和喷射次数，从而实现不同的缸内油气混合气的制备方式，进而调制形成的可燃混合气的特性。燃料喷射方式从喷射位置上来分为气道喷射和缸内直喷两种。气道喷射采用外部混合气形成方式，燃料通过装在进气道的喷油器喷入进气道内，与空气一道进入气缸形成可燃混合气。而缸内直喷是将燃料通过喷油器在高压下直接喷入燃烧室，形成内部混合气来实现燃烧过程。因此，对于缸内直喷的燃料喷射方式来说，喷射时刻和喷射压力是影响缸内油气混合气特性极其重要的因素，也是燃料喷射管理和优化的主要参数。不仅如此，本发明中的燃料喷射管理，还包括调节气道喷射油量和缸内直喷的油量，以及优化二者的比例。