基于egr系统的稀燃气体双燃料点燃式内燃机的制作方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型设及内燃机技术领域，特别是设及EGR在稀燃气体双燃料点燃式内燃 机中的应用。
【背景技术】
[0002] 随着汽车产业的发展，汽车的市场保有量越来越大，内燃机的应用更加广泛，对石 油的需求量不断增加，尤其是石油对外依存度较高的今天，不但不利于国家的能源安全，而 且排放大量的尾气，造成严重的空气污染。针对W上问题，国家也逐步提高了对节能减排的 要求，成为影响汽车行业的重要因素之一。
[0003] 在运种环境下，天然气、液化石油气等气体代用燃料因其储量大、价格低、对环境 友好等优点受到广泛关注。气体燃料虽然也是化石燃料，但是能量密度远低于汽油、柴油等 液体燃料，对储存和应用都提出了新的要求。
[0004] 在点燃式内燃机中燃用气体燃料，可W采用稀薄燃烧的方式，提高经济型的同时 降低爆震倾向，提高压缩比，从而提高热效率。但是稀薄燃烧会造成NOx排放升高，通过加 入EGR可W降低燃烧溫度，抑制NOx的生成，从而降低排放。
【发明内容】
阳0化]本实用新型设及基于EGR(废气再循环）系统的稀燃气体双燃料点燃式内燃机， 能够解决气体燃料点燃式内燃机在进行稀薄燃烧时产生的燃烧不稳定、NOx排放高等问题。 本实用新型是基于气体燃料缸内直喷和进气道喷射组合式的双燃料点燃式内燃机技术W 及EGR技术，该内燃机能够使双燃料点燃式内燃机在高压缩比下，实现稳定、高效的稀薄燃 烧，降低循环变动和失火现象；同时，将部分废气重新引入气缸参与燃烧，根据工况需求改 变EGR率，改变缸内燃烧状况，从而抑制NOx的生成；此外，由于同时存在稀薄燃烧和EGR， 可W增大节气口开度，降低累气损失。综上可W从根本上实现能耗的降低和污染物的超低 排放。
[0006] 针对上述问题，既要提高燃烧的稳定性，又要提高燃烧的效率，需要对气体燃料内 燃机的结构、燃料的燃烧特性进行优化，不断完善，满足要求。
[0007] 该内燃机由进气系统、点火系统、第一燃料供给系统、第二燃料供给系统、排气系 统、EGR系统、点燃式内燃机9和内燃机电控系统16组成；进气系统由进气道2、进气歧管 15、节气口 1和控制线路17组成；点火系统由火花塞8和控制线路17组成；第一燃料供给 系统由第一燃料供给箱13、第一燃料供给管路14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箱11、第二燃料供给管路12和第二燃料喷射器7组成；EGR系统由EGR 管路4、EGR阀3、EGR中冷器5和控制线路17组成；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8与点燃式内燃机9相 连；EGR系统通过EGR管路4将排气管10与进气道2相连，并在管路中串联EGR中冷器5 和EGR阀3 ;内燃机电控系统16通过对EGR阀3、节气口 1、火花塞8、第一燃料喷射器6和 第二燃料喷射器7的控制实现对该内燃机的控制。
[0008] 该内燃机采用两种不同的气体燃料作为燃料，两种气体燃料分别采用不同的供 给系统进行供给，即主气体燃料（第一燃料）供给系统和辅助气体燃料（第二燃料）供给 系统。其中，第一燃料W进气道喷射的方式在进气道内形成混合气，进气口开启后随气流运 动进入气缸，第二燃料W缸内直喷的方式进入气缸。
[0009] 该内燃机既可W单独使用第一或第二燃料在单燃料模式下进行运作，也可W同时 使用第一和第二燃料在双燃料模式下运行。
[0010] 该内燃机中所述第一燃料为常见的、应用较为广泛的气体代用燃料，如天然气、液 化石油气等；第二燃料在性能上优于第一燃料，其性能主要包括燃烧速度、点火能量W及燃 烧排放物等方面，例如氨气等气体。
[0011] 稀薄燃烧是指缸内工质的过量空气系数λ大于经济混合气（λ约为1.05)的运 转工况，即缸内实际供给的空气量大于缸内燃料完全燃烧所需的理论空气量。在双气体燃 料内燃机中，定义过量空气系数λ为两种燃料的综合过量空气系数，即
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[0013] 其中，nigu为进入缸内的空气质量，警1为第一燃料喷射量占总燃料喷射量的百分 数，1?为单位质量的第一燃料完全燃烧所需的空气质量，舉2为第一燃料喷射量占总燃料喷 射量的百分数，111。2为单位质量的第二燃料完全燃烧所需的空气质量。
[0014] 在点燃式内燃机中采用稀薄燃烧，一方面可W在缸内形成富氧环境，使燃料能够 充分燃烧，同时缸内工质等赌指数增大，热效率提高；另一方面混合气较稀，缸内燃烧溫度 较低，可W提高压缩比，进一步提高热效率。但是由于稀薄燃烧过程中因混合气较稀，燃烧 速度受到限制，功率较低，因此只适合用在中小负荷工况下，W提高燃油经济性；同时富氧 环境有利于NOx的生成，会造成NOx排放升高，因此需要引入EGR抑制NOx的生成。由于 EGR系统的引入，可W在较大的节气口开度下，通过改变EGR率来控制进入缸内的混合气 成分，再加上稀薄燃烧本身就需要加大节气口开度，因此可W进一步增大节气口开度，减少 累气损失，提高整机的效率，甚至可W实现无节气口下的转矩控制，最终实现燃油经济性提 高、污染物排放下降的双重功效。
[0015] 所述稀燃气体双燃料点燃式内燃机，在中小负荷下，根据负荷的不同采用不同的 混合气形成方式W及不同的燃烧方式。在小负荷下，采用分层稀燃的模式，进一步提高空燃 比，扩大稀燃极限，提高经济性；在中等负荷下，采用均匀稀燃的燃烧模式，满足输出转矩的 要求。
[0016] 在小负荷下，采用分层稀燃的方式。实现分层燃烧，需要燃料的喷射时刻、燃烧室 形状和缸内气流运动相互配合。所述内燃机在进气道中设有进气翻板，在进气口开启时能 够提高进气流速并且在缸内形成滚流运动。在进气冲程早期，只有空气进入气缸，在滚流的 作用下，逐渐运动到燃烧室下部即活塞端面附近；第一气体燃料在进气冲程后期喷入进气 道，随气流运动进入气缸，随后进气口关闭，形成上浓下稀的混合气分层状态。第二气体燃 料在压缩冲程后期W缸内直喷的方式喷入气缸，由喷射压力和喷射脉宽巧制喷射量，因喷 射时刻接近点火时刻，第二燃料富集在燃烧室上部即火花塞附近。当火花塞点火后，由于 第二燃料点火能量较低、火焰传播速度较快，能够稳定着火并且迅速向外传播，引燃局部较 浓、整体较稀的第一燃料混合气，从而实现双气体燃料的稀薄燃烧。
[0017] 在中负荷下，采用均匀稀燃的方式。均匀稀燃，即第一燃料形成均匀稀薄混合气， 而不是分层的稀薄混合气。采用均匀混合气时，进入气缸的气体燃料量较大，因此输出功率 可W相应的提高，满足中等负荷对功率输出的要求。采用均匀稀燃的方式时，第一燃料进入 气缸的时刻在进气冲程初期，即进气口开启混合气便进入缸内。在进气冲程初期进行喷射， 可W使得第一燃料与空气混合的更加均匀，在第一燃料与空气混合好的基础上、临近上止 点附近时，进行第二燃料的喷射，同样使得火花塞区域形成易于点燃的可燃混合气，通过火 花塞跳火，首先点燃第二燃料，再由已燃的第二燃料引燃第一燃料，使得整个燃烧室内的混 合气都可W燃烧完全。
[0018] 所述内燃机，在中小负荷下，可W采用较大的节气口开度和EGR率。其中EGR率采 用C02示踪法计算得出，即测量进排气和大气环境中的C02含量，从而计算得出当前的EGR 率。
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[0020] 其中季。。,?表示混入废气后进气中的C02体积浓度，餐:。。.。。*表示排气中的C02体 积浓度，。。胃隶示大气环境中的C02体积浓度。
[0021] 采用较大的节气口开度可W增大进气量、减少累气损失，由于EGR会占用进气充 量的体积，因此EGR率越大，所需节气口开度越大。累气损失主要取决于节气口开度，而中 小负荷，尤其是小负荷时，节气口开度较小，累气损失占机械损失的比重较大，因此在小负 荷下采用较大的EGR率可W明显降低累气损失。NOx的生成条件可W简单总结为高溫、富 氧、持续时间长。稀薄燃烧因混合气较稀、燃烧速度较慢符合富氧和持续时间长的条件，而 第二气体燃料点火能量低、燃烧速度快，会在火花塞附近形成局部高溫区域，因此双气体燃 料的稀薄燃烧会造成NOx排放升高。EGR是将部分废气重新引入气缸参与燃烧，通过降低燃 烧溫度，抑制NOx的生成，从而降低排放。废气中C02、肥0等Ξ原子分子比例较高，而Ξ原 子分子比热容较高，升高同样的溫度能够吸收更多的热量，因此能够降低缸内的燃烧溫度， 抑制NOx的生成。当EGR率较小时，燃烧溫度降低，散热损失减小，热效率升高；当EGR率超 过一定范围后，燃烧速度大幅下降，后燃加