一種內燃發動機純氧進氣富氧燃燒控制方法及控制系統的製作方法

2023-05-09 04:42:21

專利名稱：一種內燃發動機純氧進氣富氧燃燒控制方法及控制系統的製作方法
技術領域：
本發明屬於內燃機領域，特別是一種內燃發動機純氧進氣富氧燃 燒控制方法及控制系統。
背景技術：
目前，環境汙染正成為一個眾所關注的社會問題，各國制訂的柴
油機排放法規逐年趨於嚴格。柴油機有害排放物主要是NOx和微粒子 (碳煙和可溶性有機物)，由於其淨化方法相互牴觸和矛盾。給全面滿足 排放法規帶來了困難。發動機研究者採用各種不同的技術，如直噴化 增壓、中冷、高壓噴射、廢氣再循環(EGR)、電子控制、低潤滑油消耗 等措施，對降低排放水平帶來了一定的好處，但從根本上解決上述問 題仍是一個技術難題。眾所周知，EGR可降低氮氧化物排放，但是高 EGR意味著進氣稀釋及02濃度降低，會致使燃燒惡化，從而導致柴油 機工作性能下降，碳煙水平上升。理論上，純氧進氣可使碳煙排放下 降，但是單純使用純氧進氣則會導致氣缸內02濃度增高，燃燒急劇而 充分，會導致燃燒溫度過高，NOx排放水平升高，對噴油嘴和燃燒室 的燒蝕過大，壓力升高率和燃燒噪聲過高等方面的負面因素都無法保 證發動機的工作平順和可靠，所以純氧進氣一直無法在發動機上使用。

發明內容
本發明的目的在於克服現有技術的不足，提供一種內燃發動機純 氧進氣富氧燃燒控制方法，將廢氣再循環與純氧進氣進行結合作為內 燃發動機全部進氣，使其優勢互補，達到降低內燃發動機NOx和微粒 子排放的目的，同時可以讓發動機工作正常，保證氣缸內的燃燒平穩 可控。
本發明解決上述技術問題是通過以下技術方案實現的 一種內燃發動機純氧進氣富氧燃燒控制方法，採用部分再循環廢 氣作為內燃發動機全部進氣的部分進氣，其特徵在於採用純氧作為 內燃發動機全部進氣的剩餘部分進氣，其中純氧佔全部進氣量的21
3的79% 70%。
而且，採用純氧作為內燃發動機全部進氣的剩餘部分進氣的具體 步驟為採用純氧供氣源提供純氧；通過調節閥調節純氧流量；將純 氧通入穩壓混和罐與經穩壓、調節流量、冷卻後的再循環廢氣進行充 分混和、穩壓後通入內燃發動機的進氣總管。
而且，所述的純氧供氣源為高分子氧分離裝置或者純氧儲存裝置。 一種內燃發動機純氧進氣富氧燃燒控制系統，包括內燃發動機及 廢氣再循環系統，廢氣再循環系統主要由與內燃發動機排氣總管出口 端相連的排氣穩壓罐、與排氣穩壓罐出口相連接的背壓閥及EGR閥、 與EGR閥出口相連接的EGR冷卻器構成，EGR冷卻器出口與內燃發 動機進氣總管連接，其特徵在於內燃發動機的進氣總管連接一穩壓 混和罐的出口，該穩壓混和罐的一進口端與純氧供氣源相連通，該穩 壓混和罐的另一進口端與EGR冷卻器出口相連通，在純氧供氣源與穩 壓混和罐之間安裝有含氧量調節閥。
而且，所述的純氧供氣源為高分子氧分離裝置或者純氧儲存裝置。 本發明的優點和有益效果為
1. 本發明的內燃發動機純氧進氣富氧燃燒控制方法採用高廢氣再 循環與純氧進氣相結合，實現富氧燃燒，使其優勢互補，則可達到同 時控制柴油機NOx、 CO、 HC和PM排放的目的，解決以往發動機在 氮氧排放與微粒控制的策略上的矛盾之處。
2. 本發明的內燃發動機純氧進氣富氧燃燒控制系統，通過在內燃 發動機進氣總管上連通純氧供氣系統，從而實現純氧與循環廢氣的結 合，並通過對氧含量調節閥、背壓閥、EGR閥開度的調節可以實現穩 壓混合罐內的混合氣氧氣含量大於普通空氣的21%，從而發動機的實 現富氧燃燒，提高發動機動力輸出，降低燃油消耗率。可較為方便的 在現有內燃發動機上實現，無需對發動機缸蓋、機體、供油系統、等 主要部件及系統做重大改變。
3. 本發明內燃發動機純氧進氣富氧燃燒控制方法及控制系統可實 現高廢氣再循環與純氧進氣相結合，實現富氧燃燒，從而達到降低內 燃發動機NOx和微粒子排放的目的，同時可以讓發動機工作正常，保 證氣缸內的燃燒平穩可控。


圖1為本發明控制系統的示意圖。
具體實施例方式
下面通過具體實施例對本發明作進一步詳述，以下實施例只是描 述性的，不是限定性的，不能以此限定本發明的保護範圍。
一種內燃發動機純氧進氣富氧燃燒控制方法，採用部分再循環廢 氣作為內燃發動機全部進氣的部分進氣，其創新之處為採用純氧作 為內燃發動機全部進氣的剩餘部分進氣，其具體步驟為採用純氧供 氣源提供純氧，純氧供氣源為高分子氧分離裝置或者純氧儲存裝置。 通過調節閥調節純氧流量。將純氧通入穩壓混和罐與經穩壓、調節流 量、冷卻後的再循環廢氣進行充分混和、穩壓後通入內燃發動機的進 氣總管。其中純氧佔全部進氣量的21% 30%，再循環廢氣佔全部進
氣量的79% 70%。
實現上述控制方法所採用的一種內燃發動機純氧進氣富氧燃燒控 制系統，包括內燃發動機2及廢氣再循環系統，廢氣再循環系統主要 由與內燃發動機排氣總管3出口端相連的排氣穩壓罐8、與排氣穩壓 罐出口相連接的背壓閥7及EGR閥9、與EGR閥出口相連接的EGR 冷卻器10構成，EGR冷卻器出口與內燃發動機進氣總管1連接。本 控制系統的創新之處為內燃發動機的進氣總管連接一穩壓混和罐6 的出口，該穩壓混和罐的一進口端與純氧供氣源4相連通，該穩壓混 和罐的另一進口端與EGR冷卻器出口相連通，在純氧供氣源與穩壓混 和罐之間安裝有含氧量調節閥5。純氧供氣源為高分子氧分離裝置， 或者純氧儲存裝置，或者其它可分離出純氧的裝置。
本發明控制系統的工作原理為
發動機工作時產生的廢氣進入排氣穩壓罐穩定壓力，消除排氣脈 動，使發動機EGR廢氣的供應更加平穩。進入排氣穩壓罐的廢氣一部 分多餘廢氣通過背壓閥排入大氣，有用的部分通過EGR閥。EGR閥 的作用是與排氣背壓閥共同配合，由它們來實現維持內燃發動機工作 所需進氣總量中79%~70%的廢氣的流量控制。這部分廢氣接著進入 EGR冷卻器，在通過EGR冷卻器的時候其溫度將下降，這有利於提 高內燃發動機的進氣衝量，並且能使得燃燒時的火焰溫度降低，燃燒
5速度延緩，壓力升高率降低，這些都有助於燃燒的控制。EGR廢氣經 冷卻後進入穩壓混和罐與純氧混合，並進一步消減進氣與排氣的脈動， 提高進氣壓力穩定性，最終混合均勻的純氧與EGR廢氣組成的混合氣 進入進氣總管，最終參與燃燒。
氧分離裝置將普通空氣分離為氧氣和氮氣，其中氧氣通過氧含量 調節闊進入穩壓混合罐與罐內與EGR廢氣混合，並進入發動機燃燒做 功，實現純氧進氣；氮氣則排入大氣。通過對氧含量調節閥、背壓閥、 EGR閥開度的調節可以實現穩壓混合罐內的混合氣氧氣含量在於 21 30%，從而實現發動機的富氧燃燒。
由於純氧與EGR廢氣組成的混合氣，其中氧氣佔21%~30% (根 據發動機的具體工況和油量供給而變化)，剩下的79%~70%全部由發 動機廢氣組成，而廢氣又主要是C02和水蒸汽組成，這部分廢氣取代 了傳統發動機的進氣的N2份額，由於進氣中不再含有氮氣，所以在此 條件下內燃發動機的排氣成分中的NOx將大為減少或幾乎消失(因為 燃料裡邊可能含有氮，所以不能說完全消除NOx)。
通過氧含量調節閥的控制，始終保證混合氣中的氧氣含量高於普 通大氣的氧氣21%的含量，從而發動機實現富氧燃燒，促進燃料充分 燃燒，從而降低CO、 HC、 PM汙染物的排放。另一方面，促進燃料 的充分燃燒，也同時提高經濟性，從而節省燃料。通過純氧供氣富氧 燃燒不但實現了內燃發動機的清潔排放還可以提高經濟性而又不犧牲 發動機的動力性。另外，氣缸內的富氧不但可以保證油料在燃燒室內 能夠燃燒得更加充分且完全，而排氣管內的富氧，則可充分利用後燃 和排氣管內的溫度使大部分在缸內未得以反應完全中間產物繼續燃 燒，從而大幅降低CO、 HC微粒的排放。這樣不但能提升發動機功率 密度，還可以實現改善燃油利用率及降低各種汙染物排放的目的。
針對EGR的廢氣溫度過高，影響發動機的充氣效率的問題，本 發明採用了EGR冷卻器，實現了EGR冷循環，降低了進氣溫度，使 發動機的燃燒準備期和急燃時間得以適當延緩，這樣將使缸內的油氣 混合更加均勻，對燃燒有一定的改善。由此可見，本發明的控制系統 可以從源頭上同時降低NOx、 CO、 CH、 PM的排放，提高發動機的動 力輸出，降低燃油消耗率。
權利要求
1. 一種內燃發動機純氧進氣富氧燃燒控制方法，採用部分再循環廢氣作為內燃發動機全部進氣的部分進氣，其特徵在於採用純氧作為內燃發動機全部進氣的剩餘部分進氣，其中純氧佔全部進氣量的21％～30％，再循環廢氣佔全部進氣量的79％～70％。
2. 根據權利要求1所述的內燃發動機純氧進氣富氧燃燒控制方法，其 特徵在於採用純氧作為內燃發動機全部進氣的剩餘部分進氣的具體步驟 為採用純氧供氣源提供純氧；通過調節閥調節純氧流量；將純氧通入穩 壓混和罐與經穩壓、調節流量、冷卻後的再循環廢氣進行充分混和、穩壓 後通入內燃發動機的進氣總管。
3. 根據權利要求2所述的內燃發動機純氧進氣富氧燃燒控制方法，其 特徵在於所述的純氧供氣源為高分子氧分離裝置或者純氧儲存裝置。
4. 一種內燃發動機純氧進氣富氧燃燒控制系統，包括內燃發動機及廢 氣再循環系統，廢氣再循環系統主要由與內燃發動機排氣總管出口端相連 的排氣穩壓罐、與排氣穩壓罐出口相連接的背壓閥及EGR閥、與EGR閥 出口相連接的EGR冷卻器構成，EGR冷卻器出口與內燃發動機進氣總管 連接，其特徵在於內燃發動機的進氣總管連接一穩壓混和罐的出口，該 穩壓混和罐的一進口端與純氧供氣源相連通，該穩壓混和罐的另一進口端 與EGR冷卻器出口相連通，在純氧供氣源與穩壓混和罐之間安裝有含氧量 調節閥。
5. 根據權利要求4所述的內燃發動機純氧進氣富氧燃燒控制系統，其 特徵在於所述的純氧供氣源為高分子氧分離裝置或者純氧儲存裝置。
全文摘要
本發明涉及一種內燃發動機純氧進氣富氧燃燒控制方法及控制系統，採用再循環廢氣作為內燃發動機全部進氣的部分進氣，並採用純氧作為內燃發動機全部進氣的剩餘部分進氣，實現高廢氣再循環與純氧進氣相結合，實現富氧燃燒，使其優勢互補，可達到控制柴油機NOX、CO、HC和PM排放的目的，同時可保證發動機氣缸內的燃燒平穩可控，並提高發動機動力輸出，降低燃油消耗率。
文檔編號F02M25/10GK101503983SQ200910068088
公開日2009年8月12日 申請日期2009年3月11日 優先權日2009年3月11日
發明者衛海橋, 祚 張, 韋 張, 梁興雨, 舒歌群, 睿 韓 申請人:天津大學