CN103291480A

CN103291480A - 缸内直喷增压发动机超级爆震的抑制方法

Info

Publication number: CN103291480A
Application number: CN2013102335062A
Authority: CN
Inventors: 王志; 徐雅齐; 王建昕
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2013-06-13
Filing date: 2013-06-13
Publication date: 2013-09-11

Abstract

本发明公开了一种缸内直喷增压发动机超级爆震的抑制方法，该方法在所述发动机的进气行程期间进行两次喷射，有效地抑制缸内直喷增压发动机超级爆震的发生而无需增加额外装置，成本低，产业化前景好。

Description

缸内直喷增压发动机超级爆震的抑制方法

技术领域

本发明涉及发动机领域，特别是涉及一种缸内直喷增压发动机超级爆震的抑制方法。

背景技术

直喷增压小排量(Downsizing)发动机相对于传统发动机具有大幅度节能减排潜力，在近十年中得到了长足的发展，正在成为发动机的主要节能途径。但应用增压小排量技术，发动机在低速大负荷情况下容易发生一种对发动机危害极大的、至今尚未充分理解的非正常燃烧现象——超级爆震，大众汽车公司称之为Super Knock(参考文献1)，AVL公司称之为Mega Knock(参考文献2)，IFP研究员称之为pre-ignition(参考文献3)　。这种新的爆震模式极具破坏性，瞬时缸内压力甚至超过200bar，已成为发动机提高功率密度的主要障碍。世界各国正在积极开展超级爆震研究，但其产生机理和控制策略目前尚不明确。已有的研究表明，超级爆震主要有以下的特征：(1)在火花点火之前发生早燃；(2)在火焰传播之后出现巨幅压力振荡；(3)一般和正常燃烧循环交替出现；(4)随机发生，自行消失。

国内关于超级爆震的抑制方法的研究主要在2011年以后。奇瑞公司(2011-)　，清华大学(2011-)，上海汽车公司(2012-)等陆续开展过超级爆震影响因素及控制方法研究，采用的方法主要是加浓和改变可变气门正时系统(VVT)。国外各大汽车公司及研究机构(大众汽车公司，GM，KIT，西南研究院，NGK，IFP)采用的策略主要有加浓、扫气、冷却EGR、分层混合气(压缩冲程第二次喷射)。上述控制方法中，加浓、扫气容易导致发动机油耗、CO排放的增加，EGR系统装置复杂、成本增加，分层混合气容易造成炭烟排放和排温的升高。

参考文献：

1、Jürgen Willand,Marc Daniel,Emanuela,Bernhard Geringer,PeterHofmann,Markus Kieberger.Limits on Downsizing in Spark IgnitionEngines due to Pre-ignition.MTZ05I2009Volume70:56-61.

2、Winklhofer E，Hirsch A，Kapus P，et al.TC GDI engines at very highpower density-irregular combustion and thermal risk[C].SAE Paper2009-24-0056.

3、Jean-Marc Zaccardi,Laurent Duval and Alexandre Pagot.Development of Specific Tools for Analysis and Quantification ofPre-ignition in a Boosted SI Engine.SAE2009-01-1795.

发明内容

本发明所要解决的技术问题是抑制缸内直喷增压发动机超级爆震的发生，同时优化发动机的油耗、排放和排气温度性能。

为此目的，本发明的实施例提出了一种缸内直喷增压发动机超级爆震的抑制方法，其特征在于：　在所述发动机的进气行程期间进行两次喷射。

在上述方法中，第一次喷射开始时刻处于所述进气行程的中期，所述第一次喷射开始时刻的范围是60°CA ATDC～120°CA ATDC，并且所述第一次喷射的喷射燃油比例为50%～80%。

在上述方法中，第二次喷射结束时刻处于所述进气行程的晚期，所述第二次喷射结束时刻的范围是150°CA ATDC～180°CA ATDC，并且所述第二次喷射的喷射燃油比例为50%～20%。

在上述方法中，在所述两次喷射之后，所述发动机的气缸内的整体燃空当量比为1.1～1。

附图说明

通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示例性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：

图1a示出了根据本发明实施例的缸内直喷增压发动机燃烧系统进气行程中期第一次喷射的示意图；

图1b示出了根据本发明实施例的缸内直喷增压发动机燃烧系统进气行程末期第二次喷射的示意图；

图2示出了缸内直喷增压发动机超级爆震试验系统的示意图；

图3示出了现有技术中进气行程单次喷射策略下连续循环的缸压的曲线图；以及

图4示出了单次喷射和不同两次喷射策略下超级爆震次数、排温和油耗的曲线图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的实施例进行详细描述，应当注意，实施例是示例性的而非限制性的。

图1a和图1b示出了根据本发明实施例的缸内直喷增压发动机燃烧系统进气行程中两次喷射的示意图。在图1a和图1b中，活塞2通过曲柄8和连杆1在气缸3内上下移动，空气通过进气道6进入气缸3且通过排气道4排出气缸3，燃料喷嘴7向气缸3内喷射燃料，火花塞5用于点燃燃料喷嘴7喷射的燃料。

当曲柄8与图1中的点划线之间的夹角，即进气上止点后的曲轴转角(CA ATDC)为0°并开始沿顺时针方向转动时，发动机开始进气行程。当CA ATDC为60°～120°时，发动机处于进气行程中期，如图1a中所示，在此时开始第一次喷射。当CA ATDC为150°～180°时，发动机处于进气行程末期，如图1b中所示，在此时结束第二次喷射。当CAATDC为180°时，本周期的进气行程结束。

采用图2中所示的缸内直喷增压发动机超级爆震试验系统来对常规的单次喷射策略和两次喷射策略进行测试。待测发动机为典型缸内直喷增压汽油机，其形式为直喷增压直列4缸汽油机，缸径为73mm，行程为83.4mm，排量为1.4L，压缩比为10:1。待测发动机在进行低速大负荷工况的情况下进行超级爆震试验，该低速大负荷工况如下：转速为1750r/min、进气压力为0.19MPa、平均有效压力(BMEP)为2.0MPa、中冷温度为39℃、点火角度为压缩上止点后10°曲轴转角、并且燃空当量比为1。

在该低速大负荷工况下，采用单次喷射策略时，通过图2中所示的缸内直喷增压发动机超级爆震试验系统可以发现，超级爆震随机发生且无法避免，对发动机危害极大，具体如图3所示。

图4中示出了单次喷射(策略1)和不同两次喷射(策略2-7)下超级爆震次数、排温和油耗的曲线图。从图中可以看出，当采用常规的单次喷射策略时，超级爆震发生了9次；策略2、3、6采用了不同的两次喷射，其中一次喷射在进气行程中，而另一次喷射的部分或全部在进气行程之外，即部分或全部地处于压缩行程中，超级爆震分别发生了2次、10次和2次；策略4、5、7也采用了不同的两次喷射，两次喷射都处于进气行程之内，并且第一次喷射的喷射燃油比例为50%～80%，第二次喷射的喷射燃油比例为50%～20%，结果超级爆震分别发生了0次、1次和1次。由此可知，在进行行程中采用两次喷射策略能有效地抑制超级爆震的发生。尤其在策略4的情况下，没有发生超级爆震，且排气温度和油耗都达到最优。从图4中可以清楚地看到，策略4的第一次喷射开始时刻(SOI1)为90°CA ATDC，第二次喷射结束时刻(EOI2)为170°CA ATDC，第一次喷射燃油比例为70%，第二次喷射燃油比例为30%。

由此可知，根据本发明实施例的进气行程两次喷射能够减少燃油喷雾的贯穿距，降低喷雾碰汽缸壁面和碰撞活塞顶部概率，抑制超级爆震。同时，进气行程两次喷射油气混合均匀，能够保证发动机油耗、排放以及排气温度性能均优。由此可以有效地解决直喷增压发动机超级爆震现象而无需增加额外装置，成本低，对我国现有发动机产品技术升级，产业化前景好。

虽然结合附图描述了本发明的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims

1.一种缸内直喷增压发动机超级爆震的抑制方法，其特征在于:在所述发动机的进气行程期间进行两次喷射。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：第一次喷射开始时刻处于所述进气行程的中期，所述第一次喷射开始时刻的范围是60°CA ATDC～120°CA ATDC。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：第二次喷射结束时刻处于所述进气行程的晚期，所述第二次喷射结束时刻的范围是150°CA ATDC～180°CA ATDC。

4.根据权利要求2所述的方法，其中所述第一次喷射的喷射燃油比例为50%～80%。

5.根据权利要求3所述的方法，其中所述第二次喷射的喷射燃油比例为50%～20%。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，其中在所述两次喷射之后，所述发动机的气缸内的整体燃空当量比为1.1～1。