柴油-汽油双燃料顺序燃烧直喷式发动机

技术领域

本发明涉及的是一种内燃机技术领域的发动机，具体涉及一种柴油-汽油双燃料顺序燃烧 直喷式发动机。

背景技术

传统的柴油机采用上止点附近缸内直喷、高压缩比、自燃着火的工作方式，由于平均缸内 混合气浓度较稀、局部着火处于化学计量比下，且燃料浓度极度不均匀，因此燃烧过程缸内始 终存在局部高温区域和局部富燃区域，具有热效率高、一氧化碳和碳氢排放低、氮氧化物和碳 烟微粒较高且不能同时大幅度降低的特点。柴油机的氮氧化物产生于局部富氧的高温区域；而 碳烟产生于局部富燃的中等温度条件下，其生成历程经历成核、凝并、聚合与氧化的过程。对 柴油机而言，碳烟排放的降低一般采用微粒捕集器，但是通常面临系统寿命过短以及再生等问 题。对氮氧化物排放而言，由于柴油机过量空气系数较大，HC和HC排放较低，而不能采用 三元催化转化器，通常采用选择性催化还原等手段，然而容易发生氨气泄露等问题。总之，柴 油机的尾气后处理装置结构复杂、成本高、效果不理想、且可靠性差。

传统的汽油机采用气口喷射均质充量(或者直喷分层混合气)、低压缩比、火花点燃、大 部分工况工作在当量比条件下，由于存在火焰传播而使得火焰前锋产生较多的氮氧化物。汽油 机具有热效率低、一氧化碳和碳氢排放高的特点。但是，由于汽油机大部分工况运行在化学计 量比条件下，采用三元催化可以得到很低的排放水平。因此，针对汽油机的主要问题是如何改 善和提高发动机的有效热效率。目前的措施主要有缸内直喷、以及均质压燃技术。但是汽油机 采用较低压缩比和较大的泵气损失而与柴油机的热效率有明显差距。

为了改善柴油机的排放和汽油机的热效率，出现了汽油/柴油双燃料发动机。文献“柴油/汽 油双燃料准均质燃烧过程及其降低有害排放物的潜力”(燃烧科学与技 术，2002，Vol.18，NO.6，188～191)以及“汽油均质混合气柴油引燃(HCII)燃烧特性的研究”(内燃 机学报，2004，Vol.22，NO.5，391～396)中，采用进气口喷射汽油形成均质混合气，然后在上 止点附近采用直喷柴油点燃，从宏观上来看是两种燃料同时集中放热的燃烧模式，具有较低的 氮氧化物和碳烟排放。然而由于采用气口喷射汽油的方式，发动机泵气损失较高、充量系数降 低、爆震倾向增加、碳氢和一氧化碳排放较高，从而导致热效率低于常规柴油机。另一方面， 整个发动机的过量空气系数大于1，碳烟排放依然存在，氮氧化物仍然较高，且无法采用三元 催化转化器将碳氢、一氧化碳、氮氧化物排放完全转化，因此排放水平不能满足现代发动机的 要求。

发明内容

本发明为了克服上述技术的不足，提供一种柴油-汽油双燃料顺序燃烧直喷式发动机，该 发动机一方面可以同时使用柴油和汽油，并且在一个循环内顺序直喷两种燃料，另外发动机可 以采用高压缩比和三元催化后处理装置，使得发动机可以同时实现高热效率和低排放的目的。 迄今为止，国内外尚未提出在一个循环内先燃用柴油，然后通过柴油燃烧释放的热量和活性基 团来触发和控制汽油的着火与燃烧，这是一种全新的燃烧方式。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：柴油油箱、柴油滤清器、柴油高压油泵、 柴油高压油管、柴油高压油轨、电控柴油喷油器、柴油回油管、汽油油箱、汽油滤清器、汽油 油泵、汽油油管、汽油油轨、汽油电控喷油器、汽油回油管、电子控制单元、传感器、电子节 气门、进气管、排气管、微粒捕集器和三元催化转化器，其中：柴油箱连接柴油滤清器和柴油 回油管，高压油泵和电控柴油喷油器设置于发动机上，高压油泵两端分别连接柴油滤清器和高 压油轨，电控柴油喷油器分别连接高压油轨和柴油回油管，多余的柴油通过柴油回油管回到柴 油箱中；汽油箱连接汽油滤清器和汽油回油管，汽油油泵和汽油电控喷油器设置于发动机上， 汽油油泵两端分别连接汽油滤清器和汽油油轨，汽油电控喷油器分别连接汽油油轨和汽油回油 管，多余的汽油通过汽油回油管回到汽油箱中；电子控制单元输入端与传感器相连并接收转速 信号、曲轴转角信号、冷却水温度信号、爆震传感器信号、电子节气门位置信号、进气压力温 度信号、空气质量流量传感器信号、柴油高压油泵控制信号、柴油共轨油管温度压力信号、柴 油电控喷油器控制信号、汽油油泵信号、汽油油轨压力温度信号、空燃比传感器信号，该电子 控制单元内置发动机运行的点火控制曲线图，其输出端分别与电控柴油喷油器、汽油电控喷油 器、微粒捕集器相连接，进气管设置于发动机上，空气质量流量传感器、电子节气门设置于进 气管上且输出端与电子控制单元相连；排气管设置于发动机上，空燃比传感器、微粒捕集器和 三元催化转化器设置于排气管上且空燃比传感器信号和微粒捕集器的输出端与电子控制单元 相连。

所述的传感器包括：空燃比传感器、空气质量流量传感器、进气温度压力传感器、冷却水 温度传感器、爆震传感器。

本发明的优点是：(1)本发动机在起动、暖机和怠速阶段采用柴油高压共轨缸内直喷压燃 燃烧方式，不喷射汽油，节气门全开，发动机具有很低的氮氧化物、碳烟、碳氢和一氧化碳排 放以及良好的冷起动性能；(2)发动机从小负荷到全负荷的工作循环内，高压共轨系统首先喷 射部分柴油，柴油着火与燃烧消耗部分氧气；在柴油燃烧进入后期的时候，汽油缸内直喷系统 开始喷入汽油；整个燃烧过程发生在高压缩比、化学计量比条件下，放热集中在上止点附近； (3)利用汽油燃烧产生的高温可以对前一阶段柴油燃烧生成的碳烟进行进一步氧化，使碳烟 的机内生成量降到最低；(4)利用微粒捕集器捕集燃烧产生的微量碳烟，利用三元催化转化器 对燃烧生成的氮氧化物、一氧化碳、碳氢进行转化，由于反应发生在计量比条件下，因此具有 较高的转化效率；(5)可以显著节约石油资源；(6)结构简单、技术成熟，开发成本低。

附图说明

图1本发明的结构示意图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出 了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本装置包括：柴油油箱1、汽油油箱2、汽油回油管3、汽油滤清器4、汽油 油泵5、汽油油轨6、电子控制单元7、冷却水温度传感器8、爆震传感器9、空气质量流量传 感器10、进气管11、汽油油管12、电子节气门13、电控汽油喷油器14、电控柴油喷油器15、 排气管16、微粒捕集器17、三元催化转化器18、柴油高压油管19、柴油高压油轨20、柴油高 压油泵21、柴油回油管22、柴油滤清器23、空燃比传感器24、进气温度压力传感器25，

本装置的工作流程是：(1)发动机电子控制单元7首先读取和采集信号，判断发动机的运 行工况和负荷大小，确定柴油和汽油的喷射量、喷射时刻；(2)发动机在起动、暖机和怠速运 行阶段采用柴油高压共轨缸内直喷压燃燃烧方式，不喷射汽油，电子节气门13全开，柴油的 喷射时刻和喷射量由电控单元读出；(3)发动机从小负荷到全负荷的工作循环内，在上止点前 某一时刻柴油高压共轨系统首先喷射部分柴油，柴油着火与燃烧消耗部分氧气，并释放一定的 热量和活性基；在柴油燃烧进入后期的时候，汽油缸内直喷系统开始喷入汽油；汽油的量根据 空气质量、柴油质量、以及排气空燃比传感器24计算，确保缸内剩余的氧气与汽油处于化学 计量比条件(或燃料稍微稀薄)；利用柴油燃烧生成的热量点燃汽油，汽油着火与燃烧对外做 功，同时高温氧化前一阶段柴油燃烧生成的碳烟；(4)发动机工作过程中，通过爆震传感器判断 发动机是否接近爆震，如果发动机接近爆震，则推迟柴油的喷射时刻，减少柴油和汽油的喷射 量；(5)利用微粒捕集器17捕集燃烧产生的微量碳烟，利用三元催化转化器18对燃烧生成的 氮氧化物、一氧化碳、碳氢进行转化，由于发动机大部分工况下运行在化学计量比下，反应发 生在当量比为1的条件下，因此具有较高的转化效率。