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CN110360000B - 直喷汽油发动机进气控制方法 - Google Patents

直喷汽油发动机进气控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种直喷汽油发动机进气控制方法，包括：在直喷汽油发动机进气系统的气流通道上设置卡门涡街发生装置；当直喷汽油发动机运行时，获得流经所述气流通道的气流的实际雷诺数；判断实际雷诺数是否落入预先设定的雷诺数范围之内，若判断结果为是，则开启所述卡门涡街发生装置，使进气系统内的气流通过卡门涡街发生装置产生卡门涡街现象，若判断结果为否，则关闭所述卡门涡街发生装置。该方法可提高进入缸内流体的湍流水平，从而增强缸内气流运动，改善油气混合过程，提高火焰传播速率，提升发动机性能，同时，还可以减小碳氢化合物(HC)和微粒排放。本发明还公开了一种直喷汽油发动机进气控制装置。

Description

直喷汽油发动机进气控制方法
技术领域
本发明涉及汽车发动机技术领域，特别是用于提高缸内直喷汽油发动机性能的进气控制方法。本发明还涉及用于提高缸内直喷汽油发动机性能的控制装置。
背景技术
汽油缸内直喷技术具有喷油量控制精确，混合器浓度控制精确的优点，并且借助于将燃油直接喷入缸内，可以提高进气密度，降低爆震的倾向，目前被各大主机厂广泛应用。但是，缸内直喷汽油机发动机在低速小负荷工况时，节气门开度小，气流速度小，缸内的气流运动水平较低，导致燃油与空气的混合不均匀。燃烧过程中，特别是燃烧初期，较低的缸内湍流水平会增加点火的不稳定性，导致燃烧的循环波动增大。高速大负荷工况下，喷油量增大，导致燃油碰撞气缸壁面和活塞顶，油气混合时间短，燃油雾化差，导致HC和微粒排放恶化。
湍流是发动机缸内的重要流动形式，是影响发动机性能的重要参数，较高的湍流水平可以减少壁面的油膜，改善混合气的均匀度，提高燃烧进程。目前改善缸内气流运动的其他尝试包括在发动机的进气道内设置可枢转的翻板或板，通过进气道翻板的旋转，组织气流的运动。但是由于气道结构复杂，且工作环境恶劣，导致具有翻板的调整机构是非常繁琐和昂贵的；而且，翻板可能限制流动并导致泵气损失增加。
因此，如何提高缸内直喷汽油发动机的缸内湍流水平，从而提高发动机性能，是本领域技术人员需要解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种直喷汽油发动机进气控制方法。该方法通过在进气系统内产生卡门涡街来提高进入缸内流体的湍流水平，从而增强缸内气流运动，改善油气混合过程，提高火焰传播速率，提升发动机性能，同时，还可以减小碳氢化合物(HC)和微粒排放。
本发明的另一目的是提供一种能够达到相同效果的直喷汽油发动机进气控制装置。
为实现上述第一目的，本发明提供一种直喷汽油发动机进气控制方法，包括：
在直喷汽油发动机进气系统的气流通道上设置卡门涡街发生装置；
当直喷汽油发动机运行时，获得流经所述气流通道的实际气流参数；
判断实际气流参数是否落入预先设定的参数范围之内，若判断结果为是，则开启所述卡门涡街发生装置，使进气系统内的气流通过卡门涡街发生装置产生卡门涡街现象，若判断结果为否，则关闭所述卡门涡街发生装置。
进一步地，所述实际气流参数为气流的实际雷诺数，并按照下述方式获取气流通道内气流的实际雷诺数：
获取气流通道内的气体温度T、压力p和气流流速ν，并根据气体温度T、压力p和气流流速ν计算得出气流通道内的气体密度ρ和气体粘性系数μ；
根据气体密度ρ、气体粘性系数μ以及气流流速ν计算得出气流通道内气流的实际雷诺数。
进一步地，通过所述进气系统的进气温度压力传感器获取所述气流通道内的气体温度T和压力p。
进一步地，通过所述进气系统的流量传感器采集所述气流通道内气流的流速ν。
进一步地，在获取气流通道内的气体温度T、压力p和气流流速ν之后，按照气体状态方程：(p+a/v0 2)(v0－b)＝RT及ρ＝M/v0便可求出气体密度计算得出气流通道内的气体密度ρ，其中p为压强，单位：Pa；T为温度，单位：K； v0为摩尔体积，单位：L/mol；M为空气的摩尔质量，单位：g/mol；a和b 是范氏修正量；根据通道内气体温度T查表可得气体粘性系数μ。
进一步地，在获得气体密度ρ、气体粘性系数μ之后，按照方程： Re＝ρvL/μ，计算得出实际雷诺数Re，其中，ρ为流体密度，单位：kg/m3；v 为平均流速，单位：m/s；L为特征长度，单位:m；μ为动力粘性系数，单位： Pa·s。
进一步地，所述设定的雷诺数范围为500～15000。
为实现上述第二目的，本发明提供一种直喷汽油发动机进气控制装置，包括：
进气系统；
卡门涡街发生装置，包括涡街发生器和执行器；所述涡街发生器与执行器传动连接，并可转动地设于所述进气系统的气流通道内部；所述执行器设于所述气系统的气流通道外部，并在电路上连接于发动机管理系统；
所述发动机管理系统通过所述执行器控制所述涡街发生器具有开启和关闭两种状态；
在开启状态下，所述涡街发生器转动至长度方向垂直于气流方向的位置；
在关闭状态下，所述涡街发生器转东至长度方向与气流方向相一致的位置。
优选地，所述直喷汽油发动机为非增压发动机，所述卡门涡街发生装置的涡街发生器安装在发动机空气过滤器的出气管内。
优选地，所述直喷汽油发动机为增压发动机，所述卡门涡街发生装置的涡街发生器安装在软管-中冷器至节气门的进气流道内。
本发明在进气系统内设有卡门涡街发生装置，在发动机运行时，当判断实际参数落入预先设定的参数范围时，可确定发动机处于低速小负荷或高速大负荷工况，这时通过启动卡门涡街发生装置，可使进气系统内的气流通过卡门涡街发生装置产生卡门涡街现象，随着气流的发展，涡旋不断脱落形成湍流，从而显著提高进入缸内流体的湍流水平，增强缸内气流运动，改善燃油和空气的混合过程，降低燃油的碰壁和油膜的形成，在燃烧过程中，湍流能促进火焰前锋面与未燃气体的交换，提高火焰传播速率，降低燃烧波动，而且，较高的湍流水平有利于降低HC和微粒的排放。
本发明所提供的直喷汽油发动机进气控制装置在进气系统内设有卡门涡街发生装置，由于所述直喷汽油发动机进气控制方法具有上述技术效果，则直喷汽油发动机进气控制装置也应具有相应的技术效果。
附图说明
图1为气流通过卡门涡街发生装置产生卡门涡街现象，且随着气流的发展，涡旋不断脱落形成湍流的示意图；
图2为卡门涡街发生装置处于关闭状态时的示意图；
图3为图2所示卡门涡街发生装置的俯视图；
图4为卡门涡街发生装置处于开启状态时的示意图；
图5为图4所示卡门涡街发生装置的俯视图；
图6为组织卡门涡街和不组织卡门涡街的燃油蒸发量对比图；
图7为组织卡门涡街和不组织卡门涡街的混合气均匀度对比图；
图8为组织卡门涡街和不组织卡门涡街的湍流燃烧速度对比图。
图中：
1.卡门涡街发生装置 2.气流 3.节气门 4.涡街发生器 5.执行器 6.气流通道7.涡旋
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
针对缸内直喷汽油机在低速小负荷缸内流动水平低和高速大负荷燃油碰壁的问题，本发明提出一种可以改善缸内气流运动，提升缸内湍流水平的方法。
该方法通过在进气系统内产生卡门涡街来提高进入缸内流体的湍流水平，即通过在空气过滤器出气管(针对非增压发动机)或在软管-中冷器到节气门的进气流道(针对增压发动机)上安装卡门涡街发生装置，使气流在进气管内形成卡门涡街，随着气流的发展，涡旋脱落形成湍流，提升了缸内气流运动水平，改善发动机的性能。
具体地，此直喷汽油发动机进气控制方法，包括以下步骤：
步骤S1：在直喷汽油发动机进气系统的气流通道中设置卡门涡街发生装置。
步骤S2：当直喷汽油发动机运行时，获得流经所述气流通道的气流的实际雷诺数。
进一步地，按照下述方式获得气流通道内气流的实际雷诺数：
步骤S2.1：通过进气系统的进气温度压力传感器获取气流通道内的气体温度T和压力p，通过进气系统的流量传感器采集所述气流通道内气流的流速ν。
步骤S2.2：在获取气流通道内的气体温度T、压力p和气流流速ν之后，按照气体状态方程：(p+a/v0 2)(v0－b)＝RT，根据气体温度T、压力p和气流流速ν计算得出气流通道内的气体密度ρ和气体粘性系数μ，其中p为压强，单位：Pa；T为温度，单位：K；v0为摩尔体积，单位：L/mol；a和b是范氏修正量。
步骤S2.3：在获得气体密度ρ、气体粘性系数μ之后，按照方程： Re＝ρvL/μ，根据气体密度ρ、气体粘性系数μ以及气流流速ν计算得出实际雷诺数，其中，ρ为流体密度，单位：Pa；v为平均流速，单位：m/s；L为特征长度，单位:m；μ为动力粘性系数，单位：Pa·s。
步骤S3：判断实际雷诺数是否落入预先设定的雷诺数范围之内，设定的雷诺数范围为500～15000，若判断结果为是，则开启卡门涡街发生装置，若判断结果为否，则关闭卡门涡街发生装置。
请参考图1，图1为气流通过卡门涡街发生装置产生卡门涡街现象，且随着气流的发展，涡旋不断脱落形成湍流的示意图。
如图所示，通过启动卡门涡街发生装置1，可使进气系统内的气流2通过卡门涡街发生装置1产生卡门涡街现象，随着气流的发展，涡旋7不断脱落形成湍流，从而显著提高进入缸内流体的湍流水平，增强缸内气流运动，改善燃油和空气的混合过程，降低燃油的碰壁和油膜的形成，在燃烧过程中，湍流能促进火焰前锋面与未燃气体的交换，提高火焰传播速率，降低燃烧波动，而且，较高的湍流水平有利于降低HC和微粒的排放。
请参考图2、图3、图4、图5，图2为卡门涡街发生装置处于关闭状态时的示意图；图3为图2所示卡门涡街发生装置的俯视图；图4为卡门涡街发生装置处于开启状态时的示意图；图5为图4所示卡门涡街发生装置的俯视图。
除了上述进气控制方法，本发明还提供一种直喷汽油发动机进气控制装置，包括：
进气系统；
卡门涡街发生装置1，包括涡街发生器4和执行器5；其中，涡街发生器 4与执行器5传动连接，并可转动地设于进气系统的气流通道6内部；执行器5设于气系统的气流通道6外部，并在电路上连接于发动机管理系统(图中未示出)。
具体地，涡街发生器4可以是一个产生涡街现象的圆柱形扰流体，此圆柱形扰流体的长度小于气流通道的内径，通过转轴可转动地安装在气流通道 6的中心位置，执行器5可以是固定在气流通道外部的电动部件(例如电机)，其动力输出端与圆柱形扰流体的转轴传动连接，以带动圆柱形扰流体进行旋转，其信号输入端连接于发动机管理系统，由发动机管理系统进行控制。
如果直喷汽油发动机为非增压发动机，则卡门涡街发生装置1的涡街发生器4安装在发动机空气过滤器的出气管内。
如果直喷汽油发动机为增压发动机，则卡门涡街发生装置1的涡街发生器4安装在软管-中冷器至节气门的进气流道内。
工作时，由发动机管理系统向执行器5发出控制信号，由执行器5带动涡街发生器4转动，从而在开启和关闭状态之间进行切换，当发动机管理系统根据气流参数(例如雷诺数)确定发动机处于低速小负荷或高速大负荷工况时，通过执行器5控制涡街发生器4转动至开启状态，在开启状态下，涡街发生器4转动至长度方向垂直于气流方向的位置，可使进气系统内的气流通过卡门涡街发生装置产生卡门涡街现象，随着气流的发展，涡旋不断脱落形成湍流，从而显著提高进入缸内流体的湍流水平(见图1)；当发动机管理系统根据气流参数(例如雷诺数)确定发动机退出低速小负荷或高速大负荷工况时，通过执行器5控制涡街发生器4转动至关闭状态，在关闭状态下，涡街发生器4转动至长度方向与气流方向相一致的位置，此时，由于涡街发生器4顺应气流方向，因此不会产生卡门涡街现象。
上述实施例仅是本发明的优选方案，具体并不局限于此，在此基础上可根据实际需要作出具有针对性的调整，从而得到不同的实施方式。例如，将涡街发生器4设计成其他形状；或者，发动机管理系统通过其他方式控制涡街发生器4在开启和关闭状态之间进行切换，等等。由于可能实现的方式较多，这里就不再一一举例说明。
请一并参考图6、图7、图8，图6为组织卡门涡街和不组织卡门涡街的燃油蒸发量对比图；图7为组织卡门涡街和不组织卡门涡街的混合气均匀度对比图；图8为组织卡门涡街和不组织卡门涡街的湍流燃烧速度对比图。
如图所示，通过卡门涡街发生装置提高进气的湍流水平，可以提高缸内的燃油蒸发，改善油气混合的效果(见图6)，通过卡门涡街发生装置提高进气的湍流水平，可以改善缸内油气的均匀度，改善燃烧，降低燃烧的循环波动(见图7)，当发动机转速较低时，通过卡门涡街发生装置可以提高进气的湍流水平，提高燃烧初期的火焰传播速度，可以增加发动机的热效率(见图8)。
以上对本发明所提供的直喷汽油发动机进气控制方法及控制装置进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (7)

1.直喷汽油发动机进气控制方法，包括：
在直喷汽油发动机进气系统的气流通道上设置卡门涡街发生装置；
当直喷汽油发动机运行时，获得流经所述气流通道的实际气流参数，所述实际气流参数为气流的实际雷诺数；
判断实际气流参数是否落入预先设定的参数范围之内，所述设定的参数范围为设定的雷诺数范围，若判断结果为是，则开启所述卡门涡街发生装置，使进气系统内的气流通过卡门涡街发生装置产生卡门涡街现象，若判断结果为否，则关闭所述卡门涡街发生装置；
将所述卡门涡街发生装置配置为包括涡街发生器和执行器；所述涡街发生器与执行器传动连接，并可转动地设于所述进气系统的气流通道内部；所述执行器设于所述气系统的气流通道外部，并在电路上连接于发动机管理系统；
所述发动机管理系统通过所述执行器控制所述涡街发生器具有开启和关闭两种状态；
在开启状态下，所述涡街发生器转动至长度方向垂直于气流方向的位置；
在关闭状态下，所述涡街发生器转动至长度方向与气流方向相一致的位置。
2.根据权利要求1所述的直喷汽油发动机进气控制方法，其特征在于，按照下述方式获取气流通道内气流的实际雷诺数：
获取气流通道内的气体温度T、压力p和气流流速ν，并根据气体温度T、压力p和气流流速ν计算得出气流通道内的气体密度ρ和气体粘性系数μ；
根据气体密度ρ、气体粘性系数μ以及气流流速ν计算得出气流通道内气流的实际雷诺数。
3.根据权利要求2所述的直喷汽油发动机进气控制方法，其特征在于，通过所述进气系统的进气温度压力传感器获取所述气流通道内的气体温度T和压力p。
4.根据权利要求2所述的直喷汽油发动机进气控制方法，其特征在于，通过所述进气系统的流量传感器采集所述气流通道内气流的流速ν。
5.根据权利要求2所述的直喷汽油发动机进气控制方法，其特征在于，
在获取气流通道内的气体温度T、压力p和气流流速ν之后，按照气体状态方程：(p+a/v0 2)(v0－b)＝RT及ρ＝M/v0便可求出气体密度计算得出气流通道内的气体密度ρ，其中p为压强，单位：Pa；T为温度，单位：K；v0为摩尔体积，单位：L/mol；M为空气的摩尔质量，单位：g/mol；a和b是范氏修正量；根据通道内气体温度T查表可得气体粘性系数μ。
6.根据权利要求5所述的直喷汽油发动机进气控制方法，其特征在于，
在获得气体密度ρ、气体粘性系数μ之后，按照方程：Re＝ρvL/μ，计算得出实际雷诺数Re，其中，ρ为流体密度，单位：kg/m3；v为平均流速，单位：m/s；L为特征长度，单位:m；μ为动力粘性系数，单位：Pa·s。
7.根据权利要求2至6任一项所述的直喷汽油发动机进气控制方法，其特征在于，所述设定的雷诺数范围为500～15000。
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