[发明专利]可实现高热效率低排放的汽油均质压燃发动机系统及方法

说明书

本发明公开了一种可实现高热效率低排放的汽油均质压燃发动机系统及方法，包括复合可变增压系统、废气再循环系统、可变有效压缩比系统、燃油喷射系统；复合可变增压系统包括可变两级增压系统、动力涡轮系统、电动增压系统、进气中冷器；可变两级增压系统包括高压级涡轮增压器、低压级涡轮增压器和级间中冷器；动力涡轮系统包括动力涡轮、排气控制阀、高速发电机、排气旁通阀；电动增压系统包括电动压气机、进气控制阀、电动机、电动压气机旁通阀；废气再循环系统包括EGR阀、EGR中冷器、排气背压阀。本发明还提出了控制方法，解决了汽油均质压燃燃烧难以控制的难题。

技术领域

本发明涉及一种发动机系统及方法，更具体地说，是涉及一种可实现高热效率低排放的汽油均质压燃发动机系统及方法。

背景技术

环境污染、温室效应、能源危机等问题在当今时代日趋得到重视，内燃机在实现低排放的同时，进一步提高其热效率成为当今内燃机技术发展最为重要的方向，高热效率内燃机研发成为热点问题；同时内燃机经过了100多年的发展和完善，要想实现热效率的进一步提高也是充满挑战的问题。

现有技术中斯坦福大学Daw等人设计了一种超高压缩比100的发动机，可创造高初始能量配置，有利于提高燃烧速率，提高热效率，但该装置要求极强的密封和耐高温性能，在实际应用中难以实现，但由此可说明两点：1)提高燃烧速率；2)提高初始能量配置(主要是高压的燃烧边界条件)；是进一步实现热效率提高的关键。均质压燃(HCCI)燃烧是一种可实现最快燃烧速率的燃烧方式，同时其可采用较高的压缩比，也可提高初始能量配置，而且HCCI燃烧还是一种非常清洁的燃烧模式，可以作为实现高热效率低排放发动机的燃烧模式。

对于HCCI燃烧而言，在常用的两种燃料中，汽油相比于柴油具有挥发性好，辛烷值高的特点，采用汽油燃料更有利于使用更高压缩比的发动机，进而提高燃烧边界的初始能量配置，提高热效率。然而，燃烧相位和燃烧速率的控制一直以来都是HCCI燃烧的难点问题，也是影响热效率的关键。提高压缩比必然会带来燃烧边界温度和压力的提高，尤其是温度对于燃烧相位的影响尤为显著。现有技术通常选择的汽油均质压燃发动机压缩比为固定值，且范围为14～17，以避免过早的燃烧相位导致粗暴燃烧或者传热损失过大，热效率恶化。倘若将高压缩比所带来的高温和高压条件分离，即保持高压力条件且避免过高的温度，可在获得高的燃烧边界初始能量配置条件下，还能实现对燃烧相位的优化。因此，本发明提出了采用分开式循环的方法，即通过缸内和缸外两个循环分别进行两次压缩的办法创造出类似于高压缩比条件的高压力的燃烧边界，同时又通过中间冷却机构对温度进行冷却，并通过缸内可变压缩比进行温度调控，进而可实现对HCCI燃烧相位的控制，也可有利于对燃烧速率的控制。

现有技术对于汽油HCCI燃烧系统的开发都是在自然吸气的高压缩比发动机(单一循环)中，或者较低的进气压力条件下。美国圣地亚国家实验室的Dec等人也提出了高进气压力的汽油HCCI模式的方法，实现了较高的热效率及宽广的负荷范围；然而Dec等人对于缸外低压循环(可提供高进气压力)系统如何设计及实现没有进行阐述和说明，只是基于假设给出的大致值。本发明中对低压循环系统及高压循环系统的设计及实施方法有详细的说明。

然而，想要精确地控制燃烧相位和燃烧速率，还需要进一步对燃烧边界热力学参数的控制以及燃烧过程热力学参数的控制。对此，现有技术中最为广泛的采用了EGR与当量比的联合控制，也有技术采用了可变压缩比来实现对燃烧相位和燃烧速率的控制，也有技术采用调节进气压力和当量比来实现对燃烧相位和燃烧速率的控制。但是，综合利用上述技术的系统设计，以及协同控制方法的提出与阐明还尚未所见。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提出一种可实现高热效率低排放的汽油均质压燃发动机系统及方法。

本发明的目的可通过以下技术方案实现。

本发明可实现高热效率低排放的汽油均质压燃发动机系统，包括复合可变增压系统、废气再循环系统、可变有效压缩比系统、燃油喷射系统；