CN102182608A - 一种缸内直喷汽油机燃烧系统及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种缸内直喷汽油机燃烧系统及其控制方法,以改善冷启动阶段的燃烧及排放状况。该缸内直喷汽油机燃烧系统包括缸盖、活塞、气缸套、火花塞和喷油器,缸盖上装有进气门、排气门及与进气门连接的进气道、与排气门连接的排气道;活塞的顶面对应进气门的位置设有进气门避阀坑,对应排气门的位置设置有排气门避阀坑;所述火花塞安装在进气门与排气门之间且靠近排气门的一侧的缸盖上,所述火花塞下方至喷油器之间的活塞顶面凹陷形成有凹坑,所述喷油器设置在进气门下方处并朝向凹坑。上述燃烧系统的控制方法包括如下步骤:A:冷启动工况下采用两次喷射分层燃烧的方式;B:其它工况下采用在进气冲程喷一次油的单次喷射均质当量比燃烧方式。
Description
技术领域
本发明属于汽车发动机制造技术领域,特别涉及到缸内直喷汽油机燃烧系统及其控制方法。
背景技术
随着环境问题日趋严峻以及汽车保有量的迅猛增加,针对汽车节能减排的相关法规更加严格。与传统的气道喷射汽油机(PFI)相比,喷油直喷汽油机(GDI)具有更好的经济性和排放性能,目前已成为是汽油发动机的主要发展方向与研究热点。
近些年来,通过对以分层稀薄燃烧缸内直喷汽油机和均质压燃汽油机为代表的新型稀薄燃烧模式的研究,大大地提高了汽油机的燃油经济性。GDI发动机超稀薄空燃比的利用和工作方式的改变带来了很多优点,如取消节流降低了泵气损失,燃油蒸发引起的缸内温度降低,提高了汽油机可工作的压缩比;燃油在进气行程中对进气进行冷却,提高了充气效率等。这些优点使得分层稀燃GDI发动机的燃油经济性可以提高10~25%,动力输出也比进气道喷射的汽油机增加10%左右。此外,GDI发动机的瞬时响应能力提高、空燃比控制精确、冷启动快速等都显示了其比进气道喷射汽油机的优越性。但是,这种以稀燃为目标的GDI在实际应用中也遇到了一些问题:所需的稀燃催化剂尚未成熟,因而造成NOx排放高,分层稀燃混合气控制难度很大,中小负荷未燃碳氢较高。
鉴于分层稀燃GDI存在上述问题,从2000年以后,欧洲采取了均质混合气和化学计量比(均质当量比)为特征的技术路线。这种GDI 发动机与传统的PFI发动机相比可以分别改善燃油经济性和动力性10%左右。排放方面,由于采用均质当量比仍可以采用传统的三效催化剂,产业化的可行性较高,GDI技术因能更精确控制缸内燃油喷射量和油气混合过程,具有更大的降低冷启动HC排放潜力,但也有研究表明均质当量比缸内直喷汽油机冷启动和暖机过程中未燃碳氢排放占到总排放的60% ~80%,直接影响着发动机能否满足更严格的排放法规,冷启动阶段排放因此成为当今汽车排放控制技术研究的重点和难点。
发明内容
本发明的目的是提出一种缸内直喷汽油机燃烧系统及其控制方法,以改善冷启动阶段的燃烧状况,从而改善排放。
本发明的缸内直喷汽油机燃烧系统包括缸盖、活塞、气缸套、火花塞和喷油器,缸盖上装有进气门、排气门及与进气门连接的进气道、与排气门连接的排气道;活塞的顶面对应进气门的位置设有进气门避阀坑,对应排气门的位置设置有排气门避阀坑;关键在于所述火花塞安装在进气门与排气门之间且靠近排气门的一侧的缸盖上,所述火花塞下方至喷油器之间的活塞顶面凹陷形成有凹坑,所述喷油器设置在进气门下方处并朝向凹坑。
气缸排气侧的温度较高,火花塞靠近排气门一侧,可以就近首先点燃排气侧的混合气,减少爆震的可能。
为更好地引导油雾,所述凹坑接近排气侧的边沿处设置有向上凸起朝向火花塞的喷雾引导沿,所述喷雾引导沿与气缸轴线夹角为0°~ 45°。
为进一步改善燃烧质量,所述进气道为高滚流进气道,所述喷油器为5~8孔的多孔喷油器。
上述的缸内直喷汽油机燃烧系统的控制方法包括如下步骤:
A:冷启动工况下采用两次喷射分层燃烧的方式:在进气上止点后50°~90°曲轴转角开始第一次喷射,于压缩冲程第二次喷射前在缸内形成均质稀薄混合气;在点火上止点前30°~50°曲轴转角开始第二次喷射,在燃烧室内形成火花塞附近较浓且向四周逐渐变稀的分层混合气;火花塞点火,使燃油点火燃烧;
B:其它工况下采用在进气冲程喷一次油的单次喷射均质当量比燃烧方式。
所述步骤A中,第一次喷射与第二次喷射的燃油质量比为6:4。
为加快三元催化器在冷启动工况下的起燃速度,所述步骤A中,推迟点火角至压缩上止点后10°~20°曲轴转角。
活塞顶面的凹坑可在燃油器喷射时将燃油引向火花塞处,并增大了燃油与空气的接触面积,因此可在燃油喷射后在缸内形成均质混合气。在第一次喷射后,油雾逐渐充满燃烧室,形成均质稀薄混合气;在第二次喷射后,新增加的油雾聚集在火花塞处未来得及扩散时,在燃烧室内形成火花塞附近较浓且向四周逐渐变稀的分层混合气,此时火花塞点火,即可保证实现燃油的稳定点火及完全燃烧,降低排放。调整两次喷油的质量比及喷油时间,即可控制火花塞点火时燃烧室内的燃油油雾分布情况,即控制燃烧情况。第一次喷射时间过早,此时活塞的位置较高,会导致喷油器喷出的油滴直接撞击到活塞表面,形成碳烟,进而影响燃烧及排放;第一次喷射时间过晚,此时活塞的位置过低,且进气门即将关闭,进气滚流对喷雾的引导作用减弱,会导致油雾碰撞并吸附于汽缸壁上,并被活塞刮入油底壳中,造成机油稀释,同时也降低了燃油的利用率,增加了油耗。第二次喷射时间过早,会导致点火前油雾已经混合均匀,无法形成分层混合气,影响点火的稳定性;第二次喷射时间过晚,油滴严重撞击活塞表面,形成大量碳烟,也无法将新增加的油雾聚集在火花塞处,在燃烧室内形成火花塞附近较浓且向四周逐渐变稀的分层混合气,影响点火的稳定性。经过试验验证,在进气上止点后50°~90°曲轴转角开始第一次喷射,在点火上止点前30°~50°曲轴转角开始第二次喷射,第一次喷射与第二次喷射的燃油质量比为6:4时,点火最为稳定,燃烧最为完全,排放状况最好。
本发明的缸内直喷汽油机燃烧系统对原机改动小易于实现,只需修改直喷汽油机活塞顶面形状,配合易于实现的喷油策略,即可得到合理分层的混合气,提高点火稳定性及改善燃烧状况,满足欧五甚至欧六排放法规。
附图说明
图1是本发明的缸内直喷汽油机的燃烧系统的结构剖视图。
图2是本发明的缸内直喷汽油机的燃烧系统的活塞头部俯视图。
图中标记为:1—缸盖,2—活塞,3—燃烧室,4—喷油器,5—进气道,6—进气门,7—火花塞,8—排气门,9—排气道,10—凹坑,11—进气门避阀坑,12—喷雾引导沿,13—排气门避阀坑。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图来详细说明本发明。
实施例1:
如图1、2所示,本实施例的缸内直喷汽油机的燃烧系统包括缸盖1、活塞2、火花塞7和喷油器4,缸盖1上装有进气门6、排气门8及与进气门6连接的高滚流进气道5、与排气门8连接的排气道9;活塞2的顶面对应进气门6的位置设有进气门避阀坑11,对应排气门8的位置设置有排气门避阀坑13。缸盖1为蓬顶形,位于活塞2的上端,其与活塞2之间的空间形成燃烧室3。火花塞7竖直安装在位于进气门6和排气门8之间的气缸盖1上,并偏向排气门8一侧;火花塞7下方至喷油器4之间的活塞顶面凹陷形成有凹坑10,凹坑10接近排气侧的边沿处设置有向上凸起朝向火花塞7的喷雾引导沿12,喷雾引导沿12与气缸轴线夹角为45°;喷油器4为7孔的多孔喷油器,倾斜安装于高滚滚进气道5的下方并朝向凹坑10。
上述的缸内直喷汽油机的燃烧系统的控制方法包括如下步骤:
A:冷启动工况下采用两次喷射分层燃烧的方式:在进气上止点后70°曲轴转角开始第一次喷射,利用活塞凹坑和进气滚流的引导有效防止喷雾撞壁,减小油膜和机油稀释,于压缩冲程第二次喷射前在缸内形成均质的稀薄混合气;在点火上止点前40°曲轴转角开始第二次喷射,通过活塞凹坑及喷雾引导沿的引导,在燃烧室内形成火花塞附近较浓且向四周逐渐变稀的分层混合气,配合推迟点火(即点火角为压缩上止点后15°曲轴转角),以加快催化转化器起燃速度,减少冷启动期间有害排放;
B:其它工况下采用在进气冲程喷一次油的单次喷射均质当量比燃烧方式,可继续使用技术成熟、成本较低的传统三元催化转化器,以实现动力输出的最大化。
所述步骤A中,第一次喷射与第二次喷射的燃油质量比为6:4。
Claims (7)
1.一种缸内直喷汽油机燃烧系统,包括缸盖、活塞、气缸套、火花塞和喷油器,缸盖上装有进气门、排气门及与进气门连接的进气道、与排气门连接的排气道;活塞的顶面对应进气门的位置设有进气门避阀坑,对应排气门的位置设置有排气门避阀坑;其特征在于所述火花塞安装在进气门与排气门之间且靠近排气门的一侧的缸盖上,所述火花塞下方至喷油器之间的活塞顶面凹陷形成有凹坑,所述喷油器设置在进气门下方处并朝向凹坑。
2.根据权利要求1所述的缸内直喷汽油机燃烧系统,其特征在于所述凹坑接近排气侧的边沿处设置有向上凸起朝向火花塞的喷雾引导沿,所述喷雾引导沿与气缸轴线夹角为0°~45°。
3.根据权利要求1或2所述的缸内直喷汽油机燃烧系统,其特征在于所述进气道为高滚流进气道。
4.根据权利要求1或2所述的缸内直喷汽油机燃烧系统,其特征在于所述喷油器为5~8孔的多孔喷油器。
5.根据权利要求1所述的缸内直喷汽油机燃烧系统的控制方法,其特征在于包括如下步骤:
A:冷启动工况下采用两次喷射分层燃烧的方式:在进气上止点后50°~90°曲轴转角开始第一次喷射,于压缩冲程第二次喷射前在缸内形成均质稀薄混合气;在点火上止点前30°~50°曲轴转角开始第二次喷射,在燃烧室内形成火花塞附近较浓且向四周逐渐变稀的分层混合气;火花塞点火,使燃油点火燃烧;
B:其它工况下采用在进气冲程喷一次油的单次喷射均质当量比燃烧方式。
6.根据权利要求5所述的缸内直喷汽油机燃烧系统的控制方法,其特征在于所述步骤A中,第一次喷射与第二次喷射的燃油质量比为6:4。
7.根据权利要求5或6所述的缸内直喷汽油机燃烧系统的控制方法,其特征在于所述步骤A中,推迟点火角至压缩上止点后10°~20°曲轴转角。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
C12 | Rejection of a patent application after its publication | ||
RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20110914 |