发动机系统及燃烧方法技术方案

本发明专利技术提供了一种发动机系统及燃烧方法，所述发动机系统包括发动机进排气系统和发动机燃烧系统，所述发动机燃烧系统包括缸内直喷式高压喷油器、缸内直喷式高压喷水器、火花塞、高压缩比活塞、两阶段可变气门升程机构和连续可变气门正时机构；控制所述缸内直喷式高压喷油器、所述缸内直喷式高压喷水器、所述火花塞、所述高压缩比活塞，和：所述两阶段可变气门升程机构控制所述进气门和所述排气门的升程变化，和：所述连续可变气门正时机构控制所述进气门和所述排气门的开启时刻，并结合外部废气再循环系统，以使所述发动机燃烧系统以理论空燃比下的均质压燃和火花点燃相结合的方式进行燃烧，从而实现废气再循环率大于30％的稳定燃烧。

【技术实现步骤摘要】
发动机系统及燃烧方法
本专利技术涉及发动机控制
，特别涉及一种发动机系统及燃烧方法。
技术介绍
开发高效低油耗汽油机是汽车工业面临的一个重要课题。从乘用车整车循环工况来看，发动机的工作区域主要集中在低速、中低负荷工况。因此，降低整车油耗的关键在提高汽油机中低负荷工况下的热效率。制约汽油机低负荷热效率提升的主要因素包括泵气损失高、几何压缩比低以及混合气比热比低等。而对于高负荷而言，爆震燃烧是导致汽油机热效率低的主要障碍。同时改善汽油机低负荷和中负荷热效率的其中一个技术路线是混合气稀释燃烧，包括空气稀释(即稀薄燃烧)和废气稀释(即废气再循环EGR)。稀薄燃烧通过降低泵气损失、提高混合气比热比以及降低传热损失来达到中低负荷节油的效果，但稀薄燃烧面临的主要障碍是现有三元催化器在稀燃条件下对NOx的转化效率接近为零，需要配置NOx稀燃催化器，增加了系统成本。而废气稀释燃烧是将发动机排出的废气经冷却后，重新进入缸内参与燃烧。图1为一典型的外部废气再循环系统系统结构示意图。相比稀薄燃烧，基于外部废气再循环系统的废气稀释燃烧由于采用理论空燃比，因此保留了三元催化器对NOx的高转化效率,不需要配置NOx稀燃催化器。同时，基于废气稀释充分发挥了其在低负荷降低泵气损失的优势，并利用其含有的惰性气体成分抑制了中负荷的爆震燃烧，从而实现了在中低负荷工况下油耗改善的效果。但相比空气稀释，单纯依靠外部高压EGR实现的理论空燃比废气稀释燃烧，其在低负荷下改善泵气损失和高负荷下抑制爆震方面明显不足，不能充分发挥其节油的潜力。在低负荷工况下，增加EGR率(进入缸内的废气质量与废气质量和空气质量之和的比值)可以提高汽油热效率，但进一步提高EGR率会受到两个因素的制约：1)高的EGR率会导致燃烧不稳定，进而终止油耗随EGR率增加而降低的趋势。主要原因是废气中含有的惰性气体使得汽油机燃烧速度，特别是初始燃烧速度降低。2)EGR阀上下游压差不足以实现大的EGR率。随着发动机负荷的上升，位于EGR阀下游的进气歧管的压力会随之而升高。也就是说EGR上下游的压差降低，这是不利于提高EGR率的。在中高负荷工况下，由于废气未经三元催化转化即引入到EGR回路中，所以，废气中包括大量的NOx(含量约为三元催化转化后的50倍)。而大量的研究表明，NOx会诱发爆震。即高压EGR抑制爆震的效果大打折扣。因此，为了进一步提高EGR的节油效果，必须要突破现有高压EGR系统对EGR率的限制，实现高稀释度、大EGR率燃烧，并弥补其抗爆震性能的不足，使其在低负荷、中负荷和高负荷工况下热效率提升的幅度均达到最大化。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种发动机系统及燃烧方法，以解决现有的外部高压废气再循环稀释燃烧面临的低负荷稀释度不够和燃烧稳定性差的问题。为解决上述技术问题，本专利技术提供一种发动机系统，所述发动机系统包括发动机进排气系统和发动机燃烧系统，其中：所述发动机进排气系统包括节气门、进气歧管、排气歧管、废气后处理装置、消声器和外部废气再循环系统；新鲜空气通过所述节气门和所述进气歧管，进入发动机燃烧系统内部；所述发动机燃烧系统产生的废气通过所述排气歧管、所述废气后处理装置和所述消声器排出，或通过所述外部废气再循环系统返回至所述发动机燃烧系统；所述发动机燃烧系统与所述进气歧管通过进气门相连通，所述发动机燃烧系统与所述排气歧管通过排气门相连通；所述发动机燃烧系统包括缸内直喷式高压喷油器、缸内直喷式高压喷水器、火花塞、高压缩比活塞、两阶段可变气门升程机构和连续可变气门正时机构；控制所述缸内直喷式高压喷油器、所述缸内直喷式高压喷水器、所述火花塞和所述高压缩比活塞的动作，以及：所述两阶段可变气门升程机构控制所述进气门和所述排气门的升程变化，以及：所述连续可变气门正时机构控制所述进气门和所述排气门的开启时刻，并结合外部废气再循环系统，以使所述发动机燃烧系统以理论空燃比下的均质压燃和火花点燃相结合的方式进行燃烧，以实现废气再循环率大于30％的稳定燃烧。可选的，在所述的发动机系统中，所述外部废气再循环系统和所述发动机燃烧系统并联，所述外部废气再循环系统和所述发动机燃烧系统的连接点分别为位于所述排气歧管后端的取废气口和所述节气门的后端；所述发动机燃烧系统进行燃烧，产生第一种废气和第二种废气，所述第一种废气滞留于所述发动机燃烧系统中继续燃烧，所述第二种废气由所述发动机燃烧系统和排气歧管排出，形成第三种废气和第四种废气，所述第三种废气由所述取废气口进入所述外部废气再循环系统，由所述节气门的后端返回所述发动机燃烧系统，所述第四种废气完全排出所述废气后处理装置和消声器。可选的，在所述的发动机系统中，所述废气再循环率为：(M1+M3)/(M0+M1+M3)，其中，M1为所述第一种废气质量，M3为所述第三种废气质量，M0为所述新鲜空气质量。可选的，在所述的发动机系统中，所述外部废气再循环系统包括中冷器、旁通阀和高压EGR阀，所述中冷器的一端连接所述取废气口，另一端连接所述高压EGR阀的前端，所述旁通阀与所述中冷器并联，所述高压EGR阀的后端连接所述节气门的后端；当所述旁通阀开启时，所述第三种废气通过所述取废气口、所述旁通阀直接流经所述高压EGR阀；当所述旁通阀关闭时，所述第三种废气通过所述取废气口先进入所述中冷器，再流经所述高压EGR阀；通过电机驱动所述高压EGR阀开合，控制所述高压EGR阀的流通面积，调节所述第三种废气的流量。可选的，在所述的发动机系统中，所述缸内直喷式高压喷油器位于发动机燃烧室顶部中间区域；所述缸内直喷式高压喷水器位于所述进气歧管下方；所述火花塞位于所述排气歧管侧的燃烧室顶部；所述高压缩比活塞使得所述燃烧室的几何压缩比不小于11：1；所述两阶段可变气门升程机构控制所述进气门和所述排气门的升程为第一升程或第二升程，所述第一升程小于所述第二升程。可选的，在所述的发动机系统中，在所述发动机燃烧系统中，第一阶段为膨胀冲程，高压缩比活塞向燃烧室容积增大的方向运动，第二阶段为排气冲程，所述排气门打开，第三阶段为进气冲程，所述进气门打开，第四阶段为压缩冲程，高压缩比活塞向燃烧室容积减小的方向运动；所述第一阶段至所述第四阶段反复循环，所述第二阶段和所述第三阶段之间的时间点为进气上止点，所述第四阶段与所述第一阶段之间的时间点为压缩上止点。可选的，在所述的发动机系统中，当发动机转速小于第一速度值，且发动机负荷小于第一负荷值时，发动机工况位于第一区域；当所述发动机转速小于所述第一速度值，且发动机负荷大于所述第一负荷值，小于第二负荷值时，发动机工况位于第二区域；当所述发动机转速大于所述第一速度值，且发动机负荷小于所述第三负荷值时，发动机工况位于第四区域；当发动机负荷大于所述第二负荷值或第三负荷值时，发动机工况位于第三区域；所述第一负荷值小于所述第三负荷值，所述第三负荷值小于所述第二负荷值。...

【技术保护点】
1.一种发动机系统，其特征在于，所述发动机系统包括发动机进排气系统和发动机燃烧系统，其中：/n所述发动机进排气系统包括节气门、进气歧管、排气歧管、废气后处理装置、消声器和外部废气再循环系统；/n新鲜空气通过所述节气门和所述进气歧管，进入发动机燃烧系统内部；/n所述发动机燃烧系统产生的废气通过所述排气歧管、所述废气后处理装置和所述消声器排出，或通过所述外部废气再循环系统返回至所述发动机燃烧系统；/n所述发动机燃烧系统与所述进气歧管通过进气门相连通，所述发动机燃烧系统与所述排气歧管通过排气门相连通；/n所述发动机燃烧系统包括缸内直喷式高压喷油器、缸内直喷式高压喷水器、火花塞、高压缩比活塞、两阶段可变气门升程机构和连续可变气门正时机构；/n控制所述缸内直喷式高压喷油器、所述缸内直喷式高压喷水器、所述火花塞和所述高压缩比活塞的动作，以及：/n所述两阶段可变气门升程机构控制所述进气门和所述排气门的升程变化，以及：/n所述连续可变气门正时机构控制所述进气门和所述排气门的开启时刻，并结合外部废气再循环系统，以使所述发动机燃烧系统以理论空燃比下的均质压燃和火花点燃相结合的方式进行燃烧，以实现废气再循环率大于30％的稳定燃烧。/n...

【技术特征摘要】
1.一种发动机系统，其特征在于，所述发动机系统包括发动机进排气系统和发动机燃烧系统，其中：
所述发动机进排气系统包括节气门、进气歧管、排气歧管、废气后处理装置、消声器和外部废气再循环系统；
新鲜空气通过所述节气门和所述进气歧管，进入发动机燃烧系统内部；
所述发动机燃烧系统产生的废气通过所述排气歧管、所述废气后处理装置和所述消声器排出，或通过所述外部废气再循环系统返回至所述发动机燃烧系统；
所述发动机燃烧系统与所述进气歧管通过进气门相连通，所述发动机燃烧系统与所述排气歧管通过排气门相连通；
所述发动机燃烧系统包括缸内直喷式高压喷油器、缸内直喷式高压喷水器、火花塞、高压缩比活塞、两阶段可变气门升程机构和连续可变气门正时机构；
控制所述缸内直喷式高压喷油器、所述缸内直喷式高压喷水器、所述火花塞和所述高压缩比活塞的动作，以及：
所述两阶段可变气门升程机构控制所述进气门和所述排气门的升程变化，以及：
所述连续可变气门正时机构控制所述进气门和所述排气门的开启时刻，并结合外部废气再循环系统，以使所述发动机燃烧系统以理论空燃比下的均质压燃和火花点燃相结合的方式进行燃烧，以实现废气再循环率大于30％的稳定燃烧。


2.如权利要求1所述的发动机系统，其特征在于，所述外部废气再循环系统和所述发动机燃烧系统并联，所述外部废气再循环系统和所述发动机燃烧系统的连接点分别为位于所述排气歧管后端的取废气口和所述节气门的后端；
所述发动机燃烧系统进行燃烧，产生第一种废气和第二种废气，所述第一种废气滞留于所述发动机燃烧系统中继续燃烧，所述第二种废气由所述发动机燃烧系统和排气歧管排出，形成第三种废气和第四种废气，所述第三种废气由所述取废气口进入所述外部废气再循环系统，由所述节气门的后端返回所述发动机燃烧系统，所述第四种废气完全排出所述废气后处理装置和消声器。


3.如权利要求2所述的发动机系统，其特征在于，所述废气再循环率为：
(M1+M3)/(M0+M1+M3)，
其中，M1为所述第一种废气质量，M3为所述第三种废气质量，M0为所述新鲜空气质量。


4.如权利要求2所述的发动机系统，其特征在于，所述外部废气再循环系统包括中冷器、旁通阀和高压EGR阀，所述中冷器的一端连接所述取废气口，另一端连接所述高压EGR阀的前端，所述旁通阀与所述中冷器并联，所述高压EGR阀的后端连接所述节气门的后端；
当所述旁通阀开启时，所述第三种废气通过所述取废气口、所述旁通阀直接流经所述高压EGR阀；
当所述旁通阀关闭时，所述第三种废气通过所述取废气口先进入所述中冷器，再流经所述高压EGR阀；
通过电机驱动所述高压EGR阀开合，控制所述高压EGR阀的流通面积，调节所述第三种废气的流量。


5.如权利要求4所述的发动机系统，其特征在于，所述缸内直喷式高压喷油器位于发动机燃烧室顶部中间区域；所述缸内直喷式高压喷水器位于所述进气歧管下方；所述火花塞位于所述排气歧管侧的燃烧室顶部；所述高压缩比活塞使得所述燃烧室的几何压缩比不小于11：1；所述两阶段可变气门升程机构控制所述进气门和所述排气门的升程为第一升程或第二升程，所述第一升程小于所述第二升程。


6.如权利要求5所述的发动机系统，其特征在于，在所述发动机燃烧系统中，第一阶段为膨胀冲程，高压缩比活塞向燃烧室容积增大的方向运动，第二阶段为排气冲程，所述排气门打开，第三阶段为进气冲程，所述进气门打开，第四阶段为压缩冲程，高压缩比活塞向燃烧室容积减小的方向运动；
所述第一阶段至所述第四阶段反复循环，所述第二阶段和所述第三阶段之间的时间点为进气上止点，所述第四阶段与所述第一阶段之间的时间点为压缩上止点。


7.如权利要求6所述的发动机系统，其特征在于，当发动机转速小于第一速度值，且发动机负荷小...

【专利技术属性】
技术研发人员：苏建业，习纲，陈宇清，丁锋，李君，
申请(专利权)人：联合汽车电子有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31