一种纯氧发动机及其燃烧控制方法
【专利摘要】一种纯氧发动机及其燃烧控制方法，进气总管经进气歧管与四个气缸连接，其中一个气缸再连接排气管，排气管上设有排气背压传感器、排气背压控制阀和氧浓度传感器；另外三个气缸经EGR系统进气总管与中冷器连接，中冷器出气口与进气总管连接，EGR系统进气总管上设有压力传感器，且经泄压管与排气管后端连接，泄压管上设有泄压阀，进气总管上设有压力传感器、温度传感器以及纯氧进气口。本发明采用纯氧燃料以及75%废气再循环的混合气，从而实现发动机的节能、减排、提高热效率和提高发动机动力的效果。
【专利说明】一种纯氧发动机及其燃烧控制方法
【技术领域】
[0001]本发明属于内燃机领域，特别是一种活塞式纯氧发动机。
【背景技术】
[0002]近年来，环境问题已经受到了国家及广大百姓的重视。而汽车的尾气排放在这个重污染的背景下被推到了前台，世界各国都推出了更加严格的排放法规。尤其是在中国，不仅推出了更严格的排放法规，同时还实施了限制排放不达标车辆的运行区域等措施来缓解严重的城市污染。为了降低汽车发动机的排放，发动机的研究者采用了一系列的措施，如增压中冷技术、EGR技术、高压喷射技术、电子控制技术等等。这些技术在一定程度了缓解了排放困局，但是要想从根本上解决发动机的排放问题仍然存在诸多的技术难题。汽车发动机(包括柴油机和汽油机)的排放主要有N0x、PM、HC、C0。尤其是柴油机和⑶I汽油机的PM排放对空气当中的颗粒物影响非常大。在所有的这些排放物当中，NOx与其他三种排放物基本上是呈相反的变化规律，即NOx排放降低的话，其他三种排放物或者是其中的一种或两种则呈增加的趋势。因此要想降低所有的排放物的排放量，其难度很大。
[0003]已有的研究表明，NOx主要是由于空气当中的N2与空气当中的O2产生氧化反应生成的。如果能够把空气当中的队全部去除的话，发动机的排放物当中则不会有NOx的生成，由此提出了纯氧发动机的概念。如果发动机只进氧气，而且还进行化学计量比燃烧的话，那么发动机必然会出现过热等异常现象；如果不按化学计量比燃烧的话，必然造成氧气的浪费，而纯氧的获得是需要付出代价的。因此，发动机在进纯氧的同时必须加入其他不与氧气和燃料反应的气体。CO2正好满足这样的要求，而且获得CO2非常容易，燃烧过后的生成物即为C02。虽然燃烧过后的排气当中除了 CO2还有H2O,但是在高温下H2O是气态的，并且也不与氧气和燃料反应，因此可以直接把发动机的排气引入到进气当中与纯氧气混合，所形成的气体混合物作为发动机的工质，然后再喷入相应比例的燃料则可以进行燃烧做功。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是提供一种纯氧发动机，采用纯氧燃料以及75%废气再循环的混合进气，从而实现发动机的节能减排。
[0005]本发明的目的是这样实现的:一种纯氧发动机，包括，进气总管分别经进气歧管与四个气缸的进气口连接，所述四个气缸中的一个气缸的排气口连接排气管，排气管上沿排气方向顺次设置有排气背压传感器、排气背压控制阀以及氧浓度传感器；所述四个气缸中的其余三个气缸的排气口经EGR系统进气总管与EGR中冷器的进气口连接，EGR中冷器的出气口经EGR管与进气总管连接，EGR系统进气总管上设置有EGR压力传感器；所述进气总管上设置有纯氧进气口，进气总管上设有压力传感器和温度传感器；上述EGR系统进气总管经泄压管与位于氧浓度传感器下游的排气管部分连接，该泄压管上安装有EGR泄压阀。
[0006]所述压力传感器、温度传感器和排气背压传感器以及氧浓度传感器的信号输出至所述ECU，上述E⑶的控制信号输出至排气背压控制阀以及EGR泄压阀。[0007]所述EGR中冷器的冷却介质的进口管上设置有冷却介质控制阀，所述ECU的控制信号输出至冷却介质控制阀。
[0008]本发明的另一目的是提供上述纯氧发动机的燃烧控制方法。
[0009]本发明的另一目的是这样实现的:一种纯氧发动机的燃烧控制方法，包括以下步骤:[0010]I)、所述排气背压传感器的压力信号直接传递给ECU，所述EGR压力传感器的信号直接传递给ECU，ECU通过对比排气背压传感器的压力信号和EGR压力传感器的信号进而控制排气背压控制阀，确保发动机气缸的每一缸内的残余废气系数相等；
[0011]2)、进气总管上的温度传感器和压力传感器的信号直接传递给E⑶，作为判断和控制EGR中冷器和EGR泄压阀的依据，EGR泄压阀根据E⑶的信号调节开度或者关闭，实现对EGR气量的控制；
[0012]3)、根据发动机的工况，E⑶通过调节EGR中冷器冷却介质进口管上的阀门开度，从而控制EGR气体的温度，防止发动机过热；
[0013]4)、氧浓度传感器用于判断发动机混合气的状态；
[0014]5)、ECU接受来自油门踏板的信息和发动机的转速信号用于判断发动机所处的工况和负荷，在确定工况和负荷的情况下，根据工况和负荷来确定目标混合气的浓度；在工况和混合气浓度都确定的情况下，根据
【发明内容】
所述的不同工况下和不同燃烧模式的化学式控制纯氧进气量和燃油喷射量；纯氧进气量由纯氧压力控制阀进行控制，燃烧油由发动机燃油喷射系统进行控制；并根据氧浓度传感器的结果，修正氧气和燃油的喷射量，使发动机工作在目标状态下。
[0015]所述工况包括:稳定工况、加速工况和减速工况；在稳态工况下按化学计量比燃
烧模式为:将总排气量的I全部引入进气总管，此状态下，纯氧气占全部进气的摩尔百分比
4
值为20.3% ;在加速工况下按化学计量比燃烧模式为:将总排气量的*全部引入进气总管，此状态下，纯氧气占全部进气的摩尔百分比值大于20.3% ;在减速工况下按化学计量比燃烧模式为:将总排气量的*全部引入进气总管，此状态下，纯氧气占全部进气的摩尔百分比值小于20.3% ；
[0016]在稳态工况下按稀薄燃烧模式为:将总排气量的*全部引入进气总管，此状态下，
纯氧气占全部进气的摩尔百分比值大于20.3%，氧气相对燃料过剩；在加速工况下按稀薄
燃烧模式为:将总排气量的I全部引入进气总管，此状态下，纯氧气占全部进气的摩尔百分
4
比值大于20.3%，氧气相对燃料过剩；在减速工况下按稀薄燃烧模式为:将总排气量的I全
4
部引入进气总管，此状态下，纯氧气占全部进气的摩尔百分比值大于20.3%，氧气相对燃料过剩；[0017]在稳态工况下按浓混合气燃烧模式为:将总排气量的*全部引入进气总管，此状
态下，纯氧气占全部进气的摩尔百分比值小于20.3%，燃料过剩；在加速工况下按浓混合气
燃烧模式为:将总排气量的*全部引入进气总管，此状态下，纯氧气占全部进气的摩尔百分
比值大于20.3%，氧气相对燃料不足；在减速工况下按浓混合气燃烧模式为:将总排气量的
I全部引入进气总管，此状态下，纯氧气占全部进气的摩尔百分比值小于20.3%，氧气相对4
燃料不足。
[0018]还具有急加速、急减速工况，在此工况下，通过调节EGR泄压阀的开度来调整EGR的气体量，由此控制混合气中纯氧气的摩尔比例，使发动机平稳实现加速或减速。
[0019]本发明活塞式纯氧发动机的进、排气系统结构及发动机的燃烧控制方案。其可以实现75%废气再循环(EGR)与纯氧的混合进气，并在电子控制系统的帮助下使发动机根据工况的要求运行在稀混合气、化学计量比混合气、浓混合气状态下进行燃烧做功，从而实现发动机的节能、减排、提闻热效率和提闻发动机动力的目的。
[0020]本发明活塞式纯氧发动机，包括有四缸发动机(也可以为其他数量的多缸发动机)、纯氧进气系统、发动机进气系统、发动机排气系统、废气再循环系统(EGR系统)以及电子控制系统(EOT)。
[0021]发动机的进气系统包括有进气总管和进气歧管，进气歧管一端与发动机气缸连接，另一端与进气总管相连接。进气总管还与EGR系统和纯氧进气系统相连接，进气总管上面还安装有温度传感器和压力传感器，温度传感器和压力传感器的信号直接传送给电子控制系统(ECU)。
[0022]发动机的排气系统包括有排气管，排气管上面安装有一个压力传感器、背压控制阀和氧浓度传感器，温度传感器和氧浓度传感器的信号直接传送给ECU，而背压控制阀则接受来自ECU的控制信号。排气管的一端与发动机的其中一缸相连接，另一端则直接通大气。
[0023]EGR系统包括有EGR系统进气总管、EGR压力传感器、EGR中冷器和EGR泄压阀。EGR系统中的EGR系统进气总管一端与发动机的另外三缸相连接，而另一端经EGR中冷器与发动机的进气总管相连接。中冷器和EGR泄压阀接受来自ECU的信号。
[0024]本发明的特点和有益效果为:
[0025]1、将4根排气管当中的3根直接与进气总管相连接，由此实现高达75%的EGR率。
[0026]2、将4根排气管当中的3根直接与进气总管相连接，进气总管内的压力可以接近排气管压力的75%，相对大气压力来讲相当于进行了增压，因此不需要额外安装增压器，由此简化结构、节约成本，并且可以提高发动机的热效率。
[0027]3、将4根排气管当中的3根直接与进气总管相连接，75%的排气进入缸内再次参与燃烧，排气当中的THC、CO、PM等等没有完全燃烧的产物可以再次燃烧而释放热量，达到节约燃料、减少排放的目的。
[0028]4、将4根排气管当中的3根直接与进气总管相连接，而纯氧气直接由供气系统进入进气总管，并且在各稳定工况下的进气、排气气体总摩尔数平衡，因此无需节气门等气量调节部件，简化了机构和泵气损失，降低了发动机的成本，提高发动机的效率。[0029]5、将4根排气管当中的3根直接与进气总管相连接，实际排入空气当中的尾气仅为普通发动机的25%，可以大幅度降低发动机的总排放量；实际排入空气当中的尾气余热也大幅降低，EGR保留的余热当中于加热了进气，对热量进行了循环利用，提高发动机的热效率。
[0030]6、整个燃烧过程当中都无N2的参与，因此可以彻底解决NOx的排放问题；在此基础上可以适当提高发动机的燃烧温度，减少THC、CO、PM排放。
[0031]7、本发明提供的燃烧方案在各稳定工况下、加速工况下和减速工况下的纯氧气摩尔比均在20.3%左右，与空气当中的氧气含量摩尔比接近，因此纯氧发动机可以实现稳定的燃烧过程。
[0032]8、排气系统设置了排气背压调节装置，可以确保直接排大气的气缸内的残余废气系数与其他3缸相等。
[0033]9、EGR系统设置了泄压阀，在急加速和急减速工况下通过调节EGR的量来控制发动机缸内的氧气摩尔比和缸内的气体总量，保证发动机可靠运行。
[0034]10、本发明针对以柴油机为代表的压燃式发动机和以汽油机为代表的点燃式发动机均适用。
【专利附图】
【附图说明】
[0035]图1是本发明纯氧发动机的机构布置图。
[0036]图2是本发明纯氧发动机的工作原理方框图。
【具体实施方式】
[0037]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0038]图1中，(发动机)进气总管1、(发动机)进气歧管2、发动机气缸3、排气歧管4、排气背压传感器5、排气管6、EGR系统进气总管7、EGR压力传感器8、排气背压控制阀9、氧浓度传感器10、EGR泄压阀11、EGR中冷器12、EGR管13、(进气总管)温度传感器14、(进气总管)压力传感器15和纯氧进气口 16 ；
[0039]图1示出一种纯氧发动机，包括，进气总管I分别经进气歧管2与四个气缸3的进气口连接，其特征是，所述四个气缸3中的一个气缸的排气口连接排气管6，排气管6上沿排气方向顺次设置有排气背压传感器5、排气背压控制阀9以及氧浓度传感器10 ;所述四个气缸3中的其余三个气缸的排气口经EGR系统进气总管7与EGR中冷器12的进气口连接，EGR中冷器12的出气口经EGR管13与进气总管I连接，EGR系统进气总管7上设置有EGR压力传感器8 ;所述进气总管I上设置有纯氧进气口 16，进气总管I上设有压力传感器15和温度传感器14 ;上述EGR系统进气总管7经泄压管与位于氧浓度传感器10下游的排气管6部分连接，该泄压管上安装有EGR泄压阀11。
[0040]所述压力传感器15、温度传感器14和排气背压传感器5以及氧浓度传感器10的信号输出至所述ECU，上述ECU的控制信号输出至排气背压控制阀9以及EGR泄压阀11。
[0041]所述EGR中冷器12的冷却介质的进口管上设置有冷却介质控制阀，所述E⑶的控制信号输出至冷却介质控制阀。
[0042](发动机)进气总管I与进气歧管2、纯氧进气口16和EGR管13相连接，发动机进气总管上安装有(进气总管)温度传感器14和(进气总管)压力传感器15 ；
[0043]进气歧管2除了与(发动机)进气总管I连接外还与(发动机)四个气缸3 —一对应连接；
[0044]四个(发动机)气缸3的其中一缸与排气歧管4的一端连接，其余三缸与EGR系统进气总管7连接；
[0045]排气歧管4另一端与排气管6的一端相连接，排气歧管4上面安装有排气背压传感器5 ;
[0046]排气管6的另一端直接排入大气，排气管6上安装有排气背压控制阀9和氧浓度传感器10 ；
[0047]EGR系统进气总管7上安装有EGR压力传感器8，EGR系统进气总管7 —端与其余三个(发动机)气缸3连接，另一端一方面通过EGR泄压阀11与排气管6相连接，连接位置位于排气背压控制阀9和氧浓度传感器10的下游，另一方面与EGR中冷器12(采用列管式换热器或板式换热器等均可)相连接；
[0048]EGR中冷器12另一端通过EGR管13与进气总管相连接。
[0049]图1中，EGR中冷器的“进、出”表示为冷却介质的进口和出口，冷却介质可走列管式换热器的管内，被冷却的EGR气体走管外(即管间)。
[0050]排气背压传感器5的压力信号直接传递给ECU, EGR压力传感器8的信号直接传递给ECU，ECU通过对比排气背压传感器5的压力信号和EGR压力传感器8的信号进而控制排气背压控制阀9，确保(发动机)气缸3的四个气缸中每一缸内的残余废气系数相等。
[0051]氧浓度传感器10用于判断发动机混合气的状态。
[0052]EGR泄压阀11根据E⑶的信号开启或者是关闭，实现对EGR气量的控制。
[0053]EGR中冷器12根据发动机的工况，接收来自E⑶的信号控制EGR气体的温度，防止发动机过热。
[0054](进气总管)温度传感器14和(进气总管)压力传感器15信号直接传递给ECU，作为判断和控制EGR中冷器12 (EGR中冷器12的冷却介质的进口管上设置有冷却介质控制阀，E⑶的控制信号输出至冷却介质控制阀)和EGR泄压阀以及排气背压控制阀(压力传感器15、温度传感器14和排气背压传感器5以及氧浓度传感器10的信号输出至ECU，ECU的控制信号输出至排气背压控制阀9以及EGR泄压阀11)的依据。
[0055]本发明的纯氧发动机是按照以下的原理进行工作的:
[0056]4缸发动机其中一缸的废气直接排出发动机而进入大气环境,其排气背压由背压控制阀控制并与其余三缸的排气压力(即EGR系统进气总管内的压力)保持一致。其余三缸内的全部气体经由EGR系统进气总管和EGR中冷器后进入发动机进气总管，EGR中冷后的气体温度根据进气总管内的压力和温度进行控制，中冷后的EGR气体当中的H2O保持为干蒸气状态。纯氧则经过进气总管上的纯氧进口直接进入到进气总管与EGR气体混合，混合气经由进气歧管进入到发动机内部，纯氧的进气量由ECU根据工况以及安装在排气管上的氧浓度传感器进行控制。燃油量根据纯氧的进气量和工况进行控制。
[0057]根据活塞式内燃机的工况与所对应的混合气状态，将纯氧发动机的燃烧模式分为化学计量比燃烧模式、稀混合气燃烧模式和浓混合气燃烧模式。对每一燃烧模式又按发动机运行工况进行区分，包括有稳态工况、加速工况和减速工况，因此一共得到了 9种不同工况下的燃烧模式，具体燃烧模式根据以下过程进行:
[0058]1、按化学计量比燃烧模式
[0059]稳态工况下的化学式:<
[0060]
【权利要求】
1.一种纯氧发动机，包括，进气总管(I)分别经进气歧管(2)与四个气缸(3)的进气口连接，其特征是，所述四个气缸(3)中的一个气缸的排气口连接排气管(6)，排气管(6)上沿排气方向顺次设置有排气背压传感器(5)、排气背压控制阀(9)以及氧浓度传感器(10);所述四个气缸(3 )中的其余三个气缸的排气口经EGR系统进气总管(7 )与EGR中冷器(12 )的进气口连接，EGR中冷器(12)的出气口经EGR管(13)与进气总管(I)连接，EGR系统进气总管(7)上设置有EGR压力传感器(8);所述进气总管(I)上设置有纯氧进气口(16)，进气总管(I)上设有压力传感器(15)和温度传感器(14);上述EGR系统进气总管(7)经泄压管与位于氧浓度传感器(10)下游的排气管(6)部分连接，该泄压管上安装有EGR泄压阀(11)。
2.根据权利要求1所述的一种纯氧发动机，其特征是，还具有ECU;所述压力传感器(15)、温度传感器(14)和排气背压传感器(5)以及氧浓度传感器(10)的信号输出至所述E⑶，上述E⑶的控制信号输出至排气背压控制阀(9)以及EGR泄压阀(11)。
3.根据权利要求2所述的一种纯氧发动机，其特征是，所述EGR中冷器(12)的冷却介质的进口管上设置有冷却介质控制阀，所述ECU的控制信号输出至冷却介质控制阀。
4.一种如权利要求1、2或3所述的一种纯氧发动机的燃烧控制方法，其特征是，包括以下步骤: 1)、所述排气背压传感器(5)的压力信号直接传递给ECU，所述EGR压力传感器(8)的信号直接传递给E⑶，E⑶通过对比排气背压传感器(5)的压力信号和EGR压力传感器(8)的信号进而控制排气背压控制阀(9)，确保发动机气缸(3)的每一缸内的残余废气系数相等； 2)、进气总管上的温度传感器(14)和压力传感器(15)的信号直接传递给E⑶，作为判断和控制EGR中冷器(12)和EGR泄压阀的依据，EGR泄压阀(11)根据E⑶的信号调节开度或者关闭，实现对EGR气量的控制； 3)、根据发动机的工况，E⑶通过调节EGR中冷器(12)冷却介质进口管上的阀门开度，从而控制EGR气体的温度，防止发动机过热； 4)、氧浓度传感器(10)用于判断发动机混合气的状态； 5)、ECU接受来自油门踏板的信息和发动机的转速信号用于判断发动机所处的工况和负荷，在确定工况和负荷的情况下，根据工况和负荷来确定目标混合气的浓度；在工况和混合气浓度都确定的情况下，根据
【发明内容】
所述的不同工况下和不同燃烧模式的化学式控制纯氧进气量和燃油喷射量；纯氧进气量由纯氧压力控制阀进行控制，燃烧油由发动机燃油喷射系统进行控制；并根据氧浓度传感器(10)的结果，修正氧气和燃油的喷射量，使发动机工作在目标状态下。
5.根据权利要求4所述的一种纯氧发动机的燃烧控制方法，其特征是，所述工况包括:稳定工况、加速工况和减速工况；在稳态工况下按化学计量比燃烧模式为:将总排气量的4全部引入进气总管，此状态下，纯氧气占全部进气的摩尔百分比值为20.3%;在加速工况4下按化学计量比燃烧模式为:将总排气量的4全部引入进气总管，此状态下，纯氧气占全部4进气的摩尔百分比值大于20.3% ;在减速工况下按化学计量比燃烧模式为:将总排气量的4全部引入进气总管，此状态下，纯氧气占全部进气的摩尔百分比值小于20.3% ；4在稳态工况下按稀薄燃烧模式为:将总排气量的I全部引入进气总管，此状态下，纯
4氧气占全部进气的摩尔百分比值大于20.3%，氧气相对燃料过剩；在加速工况下按稀薄燃烧模式为:将总排气量的#全部引入进气总管，此状态下，纯氧气占全部进气的摩尔百分比
4值大于20.3%，氧气相对燃料过剩；在减速工况下按稀薄燃烧模式为:将总排气量的#全部
4引入进气总管，此状态下，纯氧气占全部进气的摩尔百分比值大于20.3%，氧气相对燃料过剩； 在稳态工况下按浓混合气燃烧模式为:将总排气量的4全部引入进气总管，此状态下，
4纯氧气占全部进气的摩尔百分比值小于20.3%，燃料过剩；在加速工况下按浓混合气燃烧模式为:将总排气量的I全部引入进气总管，此状态下，纯氧气占全部进气的摩尔百分比值
4大于20.3%，氧气相对燃料不足；在减速工况下按浓混合气燃烧模式为:将总排气量的I全4部引入进气总管，此状态下，纯氧气占全部进气的摩尔百分比值小于20.3%，氧气相对燃料不足。
6.根据权利要求5所述的纯氧发动机的燃烧控制方法，其特征是，还具有急加速、急减速工况，在此工况下，通过调节EGR泄压阀的开度来调整EGR的气体量，由此控制混合气中纯氧气的摩尔比例，使发动机平稳实现加速或减速。
【文档编号】F02M25/07GK103573480SQ201310597744
【公开日】2014年2月12日 申请日期:2013年11月22日 优先权日:2013年11月22日
【发明者】田维, 韩志强, 吴学舜, 邓猛 申请人:西华大学