CN106567772B - 一种发动机 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种火花塞触发式均质压燃发动机，其特征是发动机本身的压缩比很低，并不能靠活塞压缩使汽缸内的混合气燃烧，特别之处是在发动机缸盖内增加了一个燃烧室和增压气道，燃烧室上装配了副喷油嘴和火花塞，压缩冲程中后期，主、副喷油嘴先后向汽缸和燃烧室内喷油，火花塞点火，燃烧室内的燃油燃烧体积急剧膨胀，将增压气道内的气体压入气缸，使气缸内的压力和温度急剧升高，触发汽缸内均质混合气发生压缩起火燃烧。优点是发动机控制简单，通过火花塞间接触发汽缸内的均质混合气发生压缩起火燃烧，而不是直接给汽缸内的混合气点火，发动机的点火时间可以精确控制。
Description
技术领域
本发明为一种火花塞触发式均质压燃发动机，其特征是发动机本身的压缩比很低，并不能靠活塞压缩使汽缸内的混合气燃烧，特别之处是在发动机缸盖内增加了一个燃烧室和增压气道，燃烧室上装配了副喷油嘴和火花塞，压缩冲程中后期，主、副喷油嘴先后向汽缸和燃烧室内喷油，火花塞点火，燃烧室内的燃油燃烧体积急剧膨胀，将增压气道内的气体压入气缸，使气缸内的压力和温度急剧升高，触发汽缸内均质混合气发生压缩起火燃烧。优点是发动机控制简单，通过火花塞间接触发汽缸内的均质混合气发生压缩起火燃烧，而不是直接给汽缸内的混合气点火，发动机的点火时间可以精确控制，与普通发动机的控制几乎相同，全程不会发生爆震，制造成本与普通发动机相当，尾气中NOx和PM可以直接达到欧六标准，节油环保，满足国家越来越严格的排放法规。
背景技术
目前汽车排放法规越来越严格，欧洲已经开始执行欧六标准，中国马上要执行国六标准，为了满足严苛的排放法规，有两种解决方案，第一种解决方案是增加尾气后处理，在排气管上增加三元催化器和颗粒捕捉器，尾气排放可以达到欧六标准，但发动机制造成本以及油耗会增加很多，第二种解决方案是优化发动机技术减少有害物质排放，从排放源头解决排放问题，目前各大主机厂都在投入重金研发新的环保发动机，均质压燃发动机即HCCI发动机可以极大幅度降低NOx和PM，但易发生爆震以及发动机负荷低等问题至今一直无法解决，技术不成熟，使得HCCI发动机一直无法量产，如果HCCI发动机能够解决爆震和负荷低的问题，将从源头彻底解决发动机排放污染的问题，只需要简单的尾气后处理就可以满足欧六排放标准。
发明目的及优点
目的：降低发动机综合油耗和有害物质排放，只需要简单尾气后处理的情况下满足欧六排放标准。
优点：本火花塞触发式均质压燃发动机控制简单，通过火花塞间接触发汽缸内的混合气发生压缩起火燃烧，发动机的点火时间可以精确控制，与普通发动机的控制几乎完全相同，在高负荷下仍然工作平稳不爆震；制造成本低，与普通发动机相当，比欧六发动机低；节能环保，尾气中NOx和PM可以直接达到欧六排放标准，油耗降低，满足国家越来越严格的排放法规要求。
发明内容
本发明的火花塞触发式均质压燃发动机(见图1)，目的是降低发动机综合油耗和有害物质排放，满足欧六排放标准，其特征是在发动机缸盖内增加了一个燃烧室和增压气道，通过火花塞间接触发汽缸内的混合气起火燃烧，发动机的点火时间可以精确控制，由曲轴(1)、连杆(2)、活塞(3)、汽缸(4)和缸盖(5)组成发动机的主体，发动机基本工作原理与普通发动机相同，进气道(8)设计在缸盖(5)内并分成两路，一路与汽缸(4)相通由主进气门(13)控制进气道(8)的开合，另外一路与燃烧室(11)相通由副进气门(14)控制其与燃烧室(11)的开合，排气道(9)布置在缸盖(5)的另外一侧，排气道(9)与汽缸(4)相通由排气门(15)控制其开合(见图4)，燃烧室(11)通过增压气道(10)与汽缸(4)相通(见图2、图3)，燃烧室(11)、增压气道(10)都布置在缸盖(5)内，副进气门(14)装配在镶块(6)上，镶块(6)装配在缸盖(5)上，主进气门(13)和副进气门(14)由一个进气凸轮轴控制，排气门(15)由排气凸轮轴控制，在燃烧室(11)上装配了副喷油嘴(16)和火花塞(12)，主喷油嘴(17)装配在缸盖(5)上给汽缸(4)喷油，压缩冲程早期，汽缸(4)内的纯空气被压入增压气道(10)内，主喷油嘴(17)在压缩冲程中晚期给汽缸(4)喷油形成均质混合气，副喷油嘴(16)在压缩冲程晚期给燃烧室(11)喷油，然后火花塞(12)点火，燃烧室(11)内的燃油燃烧将增压气道(10)内的气体压入汽缸(4)，给汽缸(4)增压，触发汽缸(4)内的均质混合气发生均质压缩燃烧。
进气冲程(见图7)：主进气门(13)、副进气门(14)打开，活塞(3)下行，空气分两路进入汽缸，第一路经副进气门(14)、燃烧室(11)和增压气道(10)进入汽缸(4)内，并将上一个冲程滞留在其中的废气吹入汽缸(4)内，第二路经主进气门(13)直接进入汽缸，压缩冲程：主进气门(13)、副进气门(14)关闭，活塞(3)上行，汽缸(4)内的纯空气被压入增压气道(10)，主喷油嘴(17)在压缩冲程中晚期给汽缸(4)喷油，副喷油嘴(16)在压缩冲程晚期给燃烧室(11)喷油，然后火花塞(12)点火，燃烧室(11)内的燃油燃烧推动增压气道(10)内的气体进入汽缸(4)，汽缸(4)内的均质混合气温度急剧升高，发生压缩燃烧，做功冲程：均质压燃的混合气在活塞上止点时压力达到最大值，推动活塞向下运动做功，排气冲程：排气门(15)打开，汽缸(4)内及增压气道(10)内的部分废气从排气道(9)排出发动机，在下一个进气冲程中，燃烧室(11)及增压气道(10)内的废气被吸入到汽缸(4)内，燃烧室(11)充满新鲜空气为下一次点火做好准备。
增压气道(10)(见图5)前端与燃烧室(11)相通，形状为细长的曲线管道，末端为一直线段开口在汽缸(4)的中心，增压气道(10)设计成曲线以增加其长度，增压气道(10)要求有足够的长度以保证中间纯空气层足够厚，避免被燃烧室(11)冲出的火焰击穿，如果中间层的压缩空气被火焰击穿，火焰直接与汽缸(4)内的均质混合气接触，就会导致汽缸(4)内的均质混合气被点燃，就不会发生均质压缩燃烧了，在压缩冲程中晚期喷油就是为了让更多空气进入增压气道(10)，以增加纯空气层厚度，在火花塞点(12)点燃燃烧室(11)内的燃油后，燃油的火焰冲入增压气道(10)内，增压气道(10)内的气体此时分为三段(见图6)，第一段为火焰层与燃烧室(11)连接，中间为纯空气层，相当于绝缘层将火焰和均质混合气分开，第三段为均质混合气层与汽缸(4)连接，中间的纯空气层和第三段的均质混合气层都会被压入汽缸(4)内，导致汽缸(4)压力和温度急剧升高，触发汽缸(4)内的均质混合气发生均质压缩燃烧。
增压室(7)在汽缸(4)中心(见图8、图9)，活塞(3)顶部中心有一半球状浅窝即增压室(7)，正对着增压气道(10)的开口，纯空气从增压气道(10)压入汽缸(4)后被增压室(7)收集，在半球状浅窝内形成一个气团，此时在汽缸(4)内形成内外两层气体，外环层为均质混合气层，内环层为纯空气层，内环层体积不断增大向四周挤压外环层的均质混合气使其温度升高起火燃烧，图8所示的情况是燃烧室(11)内的火焰将增压气道(10)内的气体压入汽缸(4)，火焰未进入汽缸(4)时，汽缸(4)内的均质混合气即发生压缩起火燃烧，图9所示的情况是火焰将增压气道(10)内的气体压入汽缸(4)后，火焰也冲入汽缸(4)，此时汽缸(4)内的均质混合气发生压缩起火燃烧，纯空气绝缘层并被火焰击穿，仍然是压缩起火，而非点火燃烧。
缸盖(5)的下表面将汽缸(4)顶端密封，缸盖(5)的下表面密封汽缸(4)的区域为平面或微小的弧面，压缩冲程末期，在活塞(3)顶部形成等厚或近似等厚的气层，有利于在增压室(7)内形成圆形的气团，从中心向外均匀扩散，汽缸内均质混合气压缩燃烧产生的压力也会很均匀地作用在活塞(3)上，并且减少火焰扩散的能量损失。
附图说明
图1是火花塞触发式均质压燃发动机的结构原理图，由曲轴(1)、连杆(2)、活塞(3)、汽缸(4)和缸盖(5)组成发动机的主体，在缸盖(5)内有燃烧室(11)和增压气道(10)，增压室(7)设置在汽缸中部。
图2、图3是火花塞触发式均质压燃发动机的结构原理图，图2为B-B剖视图，展示燃烧室(11)、增压气道(10)和火花塞(12)的结构，图3为C-C剖视图，展示燃烧室(11)、副喷油嘴(16)、火花塞(12)、副进气门(14)的结构。
图4是火花塞触发式均质压燃发动机的俯视图，展示发动机的总体布局，进气道(8)、排气道(9)分别布置在汽缸(4)的两侧，进气道(8)分成两路，一路直通汽缸(4)，另外一路与燃烧室(11)相连，燃烧室(11)再通过增压气道(10)与汽缸(4)相连，主喷油嘴(17)给汽缸(4)喷油用于给发动机做功，副喷油嘴(16)给燃烧室(11)喷油用于触发汽缸起火燃烧。
图5是增压气道结构图，增压气道形状为曲线细长管道，末端为一直线段开口于汽缸(4)中心。
图6是增压气道工作示意图，在火花塞(12)点燃燃烧室(11)中的燃油后，增压气道内的气体分为三段，即第一段为火焰层，中间为纯空气层，第三段为均质混合气层。
图7是火花塞触发式均质压燃发动机的工作原理图，有进气、压缩、做功和排气四个冲程，压缩冲程早期，汽缸内的纯空气被压入增压气道(10)形成纯空气绝缘层，主喷油嘴(17)在压缩冲程中晚期给汽缸(4)喷油形成均质混合气，副喷油嘴(16)在压缩冲程晚期给燃烧室(11)喷油，然后火花塞(12)点火，燃烧室内的燃油燃烧给汽缸(4)增压，触发均质压缩燃烧。
图8、图9是气缸内均质混合气发生压燃的示意图，增压气道(10)内的混合气和空气压入汽缸(4)后，在汽缸(4)内，形成内外两层，外环层为均质混合气层，内环层为纯空气层，纯空气层向外压缩均质混合气层，使其发生压缩起火燃烧，图8中心有火焰，图9的中心无火焰。
具体实施方式
火花塞触发式均质压燃发动机的工作原理：通过火花塞间接触发汽缸内的混合气发生压缩起火，而不是直接给气缸内混合气点火，发动机的点火时间可以精确控制，而传统均质压燃发动机(简称HCCI发动机)点火时间无法直接控制，容易发生爆震。
进气冲程：主、副进气门打开，活塞下行，空气分两路进入汽缸，第一路经副进气门、燃烧室和增压气道进入汽缸，并将上一个冲程滞留在其中的废气吹入汽缸内，第二路经主进气门直接进入汽缸。为了防止增压气道内的气体发生脉动，需要提前关闭副进气门，在下一个压缩冲程早期，增压气道内的气体保持相对静止状态，便于汽缸内的空气进入增压气道。
压缩冲程：主、副进气门关闭，活塞上行，汽缸内的纯空气被压入增压气道，主喷油嘴在压缩冲程中晚期给汽缸喷油，副喷油嘴在压缩冲程晚期给燃烧室喷油，然后火花塞点火，燃烧室内的燃油燃烧推动增压气道内的气体进入汽缸，汽缸内的均质混合气温度急剧升高，触发汽缸内的均质混合气发生压缩燃烧。
做功冲程：触发均质压缩燃烧后，混合气瞬间燃烧完，产生极高的压力推动活塞下行，推动曲轴转动做功，在活塞上止点或上止点之后，汽缸压力达到最大值。
排气冲程：在活塞下止点时，排气门打开，活塞上行，汽缸内的废气从排气门排出，由于气缸内的压力降低，部分增压气道内的废气进入汽缸并随气流排出发动机。增压气道内的废气有害物质相对较多，但所占比例不大，需要简单的尾气设备处理即可，在下一个进气冲程，将滞留在增压气道内的废气吹入汽缸内再次燃烧，不产生污染。
发动机压缩比：与传统的HCCI发动机相比，本发动机的压缩比非常低，靠自身压缩根本就不会使汽缸混合气起火燃烧，压缩比可以设置在8～11之间比较合适，绝对不会发生自燃爆震，触发缸内混合气压缩燃烧全靠燃烧室内燃油燃烧提供额外的压力。
发动机点火时间：通过火花塞间接触发汽缸内的混合气发生压缩起火燃烧，发动机的点火时间可以精确控制，而传统HCCI发动机点火时间无法直接控制，容易发生爆震，由于增压气道有一定长度，气流进入汽缸会消耗一些时间，点火时刻需要一个提前角，发动机ECU需要对各种工况的喷油量和点火时间精确控制，在活塞上止点或上止点之后的某一个角度，汽缸的压力达到最大值。气缸内混合气过稀时，推迟主喷油嘴的喷油时间，让更多空气进入增压气道使中间纯空气层更厚，增加副喷油嘴的喷油量，提前火花塞的点火时间，保证在上止点附件提供最大的压力压燃稀薄混合气；混合气过浓时，提前主喷油嘴的喷油时间，有利于形成均质混合气，减少副喷油嘴的喷油量，推迟点火时间，在活塞转过上止点之后汽缸压力达到最大，避免爆震，且混合气越浓，点火时间越靠后。
全时HCCI的解决方案：全时HCCI即发动机各种负荷各种转速情况下，HCCI模式都能正常工作而不发生爆震，发动机高负荷情况下，混合气会非常浓，即便压缩比很低也会有爆震的风险，第一种解决方案是推迟火花塞点火时间，在活塞上止点之后触发汽缸内的混合气燃烧，混合气越浓点火时间越靠后；第二种解决方案是采用气门可变正时，即VVT技术，在高负荷时改变凸轮轴的相位角，在压缩冲程中延迟关闭进气门，气缸内部分气体会排入进气道，相当于减少了汽缸的长度即降低了发动机的压缩比，确保不发生爆震。
Claims (1)
1.一种火花塞触发式均质压燃发动机，其特征是由曲轴(1)、连杆(2)、活塞(3)、汽缸(4)和缸盖(5)组成发动机的主体，发动机基本工作原理与普通发动机相同，进气道(8)设计在缸盖(5)内并分成两路，一路与汽缸(4)相通由主进气门(13)控制进气道(8)的开合，另外一路与燃烧室(11)相通由副进气门(14)控制其与燃烧室(11)的开合，排气道(9)布置在缸盖(5)的另外一侧，排气道(9)与汽缸(4)相通由排气门(15)控制其开合，燃烧室(11)通过增压气道(10)与汽缸(4)相通，燃烧室(11)、增压气道(10)都布置在缸盖(5)内，副进气门(14)装配在镶块(6)上，镶块(6)装配在缸盖(5)上，主进气门(13)和副进气门(14)由一个进气凸轮轴控制，排气门(15)由排气凸轮轴控制，在燃烧室(11)上装配了副喷油嘴(16)和火花塞(12)，主喷油嘴(17)装配在缸盖(5)上给汽缸(4)喷油，压缩冲程早期，汽缸(4)内的纯空气被压入增压气道(10)内，主喷油嘴(17)在压缩冲程中晚期给汽缸(4)喷油形成均质混合气，副喷油嘴(16)在压缩冲程晚期给燃烧室(11)喷油，然后火花塞(12)点火，燃烧室(11)内的燃油燃烧将增压气道(10)内的气体压入汽缸(4)，给汽缸(4)增压，触发汽缸(4)内的均质混合气发生均质压缩燃烧；增压气道(10)前端与燃烧室(11)相通，形状为细长的曲线管道，末端为一直线段开口在汽缸(4)的中心，增压气道(10)设计成曲线以增加其长度，在火花塞点(12)点燃燃烧室(11)内的燃油后，燃油的火焰冲入增压气道(10)内，增压气道(10)内的气体此时分为三段，第一段为火焰层与燃烧室(11)连接，中间为纯空气层，将火焰和均质混合气分开，第三段为均质混合气层与汽缸(4)连接，中间的纯空气层和第三段的均质混合气层都会被压入汽缸(4)内，导致汽缸(4)压力和温度急剧升高，触发汽缸(4)内的均质混合气发生均质压缩燃烧；增压室(7)在汽缸(4)中心，活塞(3)顶部中心有一半球状浅窝即增压室(7)，正对着增压气道(10)的开口，纯空气从增压气道(10)压入汽缸(4)后被增压室(7)收集，在半球状浅窝内形成一个气团，此时在汽缸(4)内形成内外两层气体，外环层为均质混合气层，内环层为纯空气层，内环层体积不断增大向四周挤压外环层的均质混合气使其温度升高起火燃烧。
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