一种超稀薄燃烧缸内直喷双气体燃料内燃机及控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及内燃机技术领域，尤其涉及一种超稀薄燃烧的缸内直喷双气体燃料内燃机。适用于采用超稀薄混合气、高压缩比气体燃料缸内直喷点燃式内燃机的车辆。
【背景技术】
[0002]随着传统化石能源的日益枯竭，汽车工业的迅猛发展，汽车燃烧化石燃料后排出的有害气体对环境造成的污染愈加严重且不可逆转，对人类的生存环境与健康造成巨大威胁，所以寻求高质量的汽车代用燃料逐渐被世界各国所重视，国家和汽车行业对高效节能的汽车内燃机技术要求也愈发严格。要解决这两大问题，必须尽快寻找替代石油的内燃机新型燃料，使用这种新型燃料必须大幅度降低内燃机污染物的排放水平。优质的汽车代用燃料可以减轻汽车给石油资源紧缺带来的压力，减轻能源危机。新型燃烧技术的发动机理论上既能降低发动机燃料的消耗，又可以减少有害物质的排放，同时达到降低能耗和减少污染的目的。
[0003]面对严峻的环境与能源压力，气体燃料内燃机受到的关注程度在不断增加，常用的代用气体燃料，诸如天然气、液化石油气等，具有存储量大、价格适宜、环境友好等优点，故其应用得到广泛的发展。然而这类碳氢化石燃料，其燃烧速度慢，影响了热效率以及内燃机的功率，同时，这类燃料所需的点火能量大，对点火系统提出了更高的要求。氢气具有优良燃烧特性的气体燃料，其热值是汽油的3倍左右，具有点火能量低、燃烧界限宽、火焰传播速度快等优点，使得内燃机能进一步提高压缩比和拓展内燃机稀燃极限，进而降低循环变动以及减少污染物的排放。而缸内直喷发动机具有压缩比高经济性好、喷油灵活、控制精度高、可实现多种燃烧模式的优点。缸内直喷发动机的燃烧方式主要有两种，一种是分层燃烧的方式，另一种是均质燃烧的方式。但是均质燃烧模式很难实现发动机的稀燃，进而限制发动机经济性的提高。因此对缸内直喷发动机应用双气体燃料潜力的进一步开发和普及应用对实现内燃机经济性提高和降低排放具有重要意义。
[0004]超稀薄燃烧就是使一般不能正常燃烧(混合比在稀薄可燃界限以下)的可燃物质，采用特殊方法使其燃烧。形成超稀薄燃烧的方法主要有三种:第一种是在可燃混合气中混进大量新鲜空气；第二种是在可燃气体中混进惰性气体而使其热值低；第三种是可燃成分和不可燃成分都是液体和固体，由其发热量低不能正常燃烧。缸内直喷的点燃式内燃机采用超稀薄燃烧技术，不仅可以降低内燃机的排放，提高内燃机的经济性，同时可以降低爆震倾向，可以进一步提高压缩比和热效率。但是，超稀薄燃烧受到燃烧不稳定等因素的影响，燃烧循环变动系数变大，限制了稀燃极限的提高。常用的提高稀燃极限的措施有:采用合理的燃烧室，增大压缩比，采用氢气等气体辅助燃料加快火焰传播速度；采用分层燃烧的方法；采用电子控制喷射技术等一系列方法。
[0005]公开号为[CN103470384A]的发明《点燃式内燃机稀薄燃烧空气随动配气控制装置及方法》中提出了一种节气装置中的电控装置根据燃料量和已设定的空燃比通过节气门开度控制混合气量，其采用节气装置控制进入气缸的混合气量，为提高混合器中气体压力，采用了涡轮增压以及中冷装置，提高进气充量，符合稀薄燃烧的空燃比需求，但是增加了内燃机的油耗以及不能实现空燃比的进一步增大，使内燃机稀燃极限的拓展受限。传统的点燃式内燃机实现稀薄燃烧的方法都是由加速踏板信号与预设进气量比较来控制节气装置的开度，不能实现快速连续实时的控制进入气缸的混合气状态，响应迟缓，且不具备气流运动的控制装置，这在一定程度上限制了内燃机缸内混合气的稀释化以及排放的进一步降低。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于解决当前缸内直喷汽油发动机在冷起动和小负荷工况下油耗高、污染水平高，以及汽油燃料的燃烧特性限制了空燃比的进一步提高，难以进一步扩大稀燃极限等问题。本发明开发一种能够实现超稀薄燃烧的缸内直喷双气体燃料内燃机及控制方法，其采用双气体燃料，两种气体燃料具有较汽油更加良好的燃烧特性，包括高热值、较宽的燃烧界限以及快速火焰传播速度等；基于缸内直喷和进气道喷射组合式的双气体燃料点燃式内燃机技术，该系统及控制方法能够使内燃机在燃用气体燃料时，采用具有高热值的混合气体燃料作为汽油的代用燃料，可以进一步提高内燃机的压缩比，配合气流控制阀和导向隔板以及具备壁面引导型和气流引导型相结合的凹坑型活塞顶面的共同控制，在火花塞周围形成分层混合气。
[0007]本发明提供能够实现快速超稀薄稳定燃烧模式，其意义在于解决不能正常燃烧的气体燃料的可燃性，寻找汽油的更佳、更多种代用气体燃料，而且综合了能源与环境的协同发展，应用于更广泛的领域；同时超越传统燃烧极限的燃烧模式，能提高内燃机的热效率，降低循环变动，降低油耗和污染物排放，实现双气体燃料内燃机动力性能和排放性能的综合提升，因此从节约能源、环境保护的角度来看，超稀薄燃烧的研宄是非常有意义的。
[0008]本发明的上述目的是通过以下技术方案予以实现，结合【附图说明】如下:
[0009]本发明提供一种超稀薄燃烧缸内直喷双气体燃料内燃机，其包括甲燃料供给系统、乙燃料供给系统、点火系统、进气系统、气流控制装置、排气系统、氧传感器32、点燃式内燃机22和内燃机电控系统29 ;甲燃料供给系统由甲燃料供给箱28、甲燃料供给管路25和甲燃料喷射器5组成；乙燃料供给系统由乙燃料供给箱27、乙燃料供给管路26和乙燃料喷射器13组成；点火系统由蓄电池30、点火线路31和火花塞10组成；甲燃料供给系统、乙燃料供给系统和点火系统分别通过甲燃料喷射器5、乙燃料喷射器13和火花塞10与点燃式内燃机22相连；内燃机电控系统29通过接收氧传感器32反馈的信号，进而对节气门3、气流控制阀6、火花塞10、甲燃料喷射器5和乙燃料喷射器13进行控制，以实现对该燃烧系统的控制。
[0010]所述的一种超稀薄燃烧缸内直喷双气体燃料内燃机，其特征在于，所述第一燃料为现在应用较为广泛的气体代用燃料，例如天然气，液化石油气。
[0011]所述的一种超稀薄燃烧缸内直喷双气体燃料内燃机，其特征在于，所述乙燃料燃烧性能优于甲燃料，其性能主要包括火焰传播速度、点火能量、燃烧界限、燃烧速度以及燃烧排放物等方面，例如氢气。
[0012]所述的气流控制装置，由气流控制阀6和导向隔板7组成，气流控制阀的电磁阀由所述内燃机22的电控系统29控制，对进气滚流比不同的气流运动进行控制，其控制在1.6-6.2范围内；随着滚流比的增大，缸内混合气的气流运动加强，空气与燃料的相互作用增大，配合凹坑型活塞16顶面，在气缸内形成该系统采用的燃烧模式所需的滚流比为2附近的分层混合气。
[0013]所述的一种超稀薄燃烧缸内直喷双气体燃料内燃机，其特征在于，所述点燃式内燃机22采用两种不同属性的气体燃料作为所述内燃机22的燃料，两种不同的气体燃料采用两套燃料供给系统，分别为甲燃料(主气体燃料)供给系统和乙燃料(辅助气体燃料)供给系统，其中，甲燃料采用进气道预混合的形式进入气缸内，乙燃料采用缸内直喷的形式进入气缸内。
[0014]所述的点燃式内燃机进气系统包括进气总管24、进气歧管4、气流控制阀6、导向隔板7、进气道8，其中进入进气总管24的新鲜空气量由节气门3控制，流过气流控制阀6的甲燃料预混合气体通过导向隔板7进入进气道，由气流控制阀6控制预混合气体的滚流比，其表征甲燃料预混合气的滚流强度，气流控制阀6结合导向隔板7构成不同甲燃料预混合气体的流通通道，由其形状位置确定混合气体流过的运动状态。
[0015]所述的点燃式内燃机燃烧室19由气缸盖20和活塞16顶面构成，其中活塞16顶面具有中间凹坑形成壁面引导和气流引导结合的形状，以控制进入内燃机气缸内两种燃料混合气分层状态，实现理想的分层混合气，进而快速、稳定的燃烧。
[0016]参阅图6所示，在所述点燃式内燃机气缸内火花塞10周围形成的超稀薄燃烧的两种气体燃料部分分层混合气21，其包含有不同空燃比的分