CN104074599B - 直喷发动机及其燃烧组织方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种直喷发动机及其燃烧组织方法，该方法包括：步骤S1：在一压缩冲程内向燃烧室两次喷射汽油类燃料，形成在所述燃烧室中从内至外的第一燃料混合气区域、第二燃料混合气区域和空气区域；所述第一燃料混合气区域内气体的过量空气系数小于所述第二燃料混合气区域内气体的过量空气系数；步骤S2：压缩所述燃烧室内的气体，使所述第一燃料混合气区域内的气体自燃。本发明主要采用在压缩冲程内向燃烧室两次喷射汽油类燃料的方式，来形成燃烧室内分层的压燃三区混合气，并利用超高压缩比的气缸使第一燃料混合气区域内的气体达到自燃临界状态，可以实现超高压缩比、超稀燃、抗爆震、低散热的高效清洁燃烧。
Description
技术领域
本发明涉及内燃机技术领域，具体涉及一种直喷发动机及其燃烧组织方法。
背景技术
汽车产业是我国国民经济的重要组成部分，在其实际应用中，大部分乘用车的动力形式为汽油发动机。但是，现有产业化汽油发动机的油耗比柴油发动机要高20～30％，其主要原因在于现有产业化汽油发动机采用的是火花点火引发火焰传播的燃烧方式。
为提高燃油效率、降低油耗，使用压缩自燃点火来代替火花点火时，汽油自燃温度高、易蒸发、粘度小、易爆震等物理特性，加上现有发动机抗散热性能差等问题，使得采用压缩自燃点火方式的汽油发动机的压缩比受限、稀燃程度受限、易爆震、传热损失高，难以达到发动机高效清洁燃烧的目标。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种直喷发动机及其燃烧组织方法，实现了超高压缩比、超稀燃、抗爆震、低散热的高效清洁燃烧。
第一方面，本发明提供了一种直喷发动机的燃烧组织方法，其特征在于，包括：
步骤S1：在一压缩冲程内向燃烧室两次喷射汽油类燃料，形成在所述燃烧室中从内至外的第一燃料混合气区域、第二燃料混合气区域和空气区域；所述第一燃料混合气区域内气体的过量空气系数小于所述第二燃料混合气区域内气体的过量空气系数；
步骤S2：压缩所述燃烧室内的气体，使所述第一燃料混合气区域内的气体自燃。
优选地，所述空气区域与所述燃烧室内的低散热层接触，用于阻碍所述燃烧室向外界散热。
优选地，所述第一燃料混合气区域、第二燃料混合气区域和空气区域是根据各区域内气体的过量空气系数所在的数值范围进行划分的。
优选地，所述步骤S1包括：
步骤S11：在一压缩冲程内的第一时刻，以第一工作参数向所述燃烧室喷射汽油类燃料，形成在燃烧室内被空气包覆的第二燃料混合气；
步骤S12：在该压缩冲程内的第二时刻，以第二工作参数向所述燃烧室喷射汽油类燃料，形成在燃烧室内被所述第二燃料混合气包覆的第一燃料混合气；
此时，所述燃烧室内的第一燃料混合气所在区域为所述第一燃料混合气区域，所述燃烧室内的第二燃料混合气所在区域为所述第二燃料混合气区域，所述燃烧室内的空气所在区域为所述空气区域；
在该压缩冲程内，所述第一时刻先于所述第二时刻；
所述工作参数可以包括下述的一项或多项：喷射压力、喷射持续时间、喷射方向、喷射位置、喷射相位和喷射脉宽。
优选地，所述第一时刻介于所述压缩冲程内的上止点前120度曲轴转角至上止点前30度曲轴转角之间；所述第二时刻介于所述压缩冲程内的上止点前90度曲轴转角至上止点之间。
优选地，所述第一燃料混合气区域内气体的过量空气系数介于0.5与2之间；所述第二燃料混合气区域内气体的过量空气系数介于1与30之间。
优选地，所述形成在所述燃烧室中从内至外依次分层的第一燃料混合气区域、第二燃料混合气区域和空气区域之后，所述燃烧室内整体混合气体的空燃比介于14.7至147之间。
第二方面，本发明还提供了一种直喷发动机，其特征在于，所述直喷发动机按照如上文所述的燃烧组织方法工作；
所述直喷发动机的燃烧室的内壁设置有低散热层，所述低散热层由导热系数小于0.2W/(m·K)的材料形成。
优选地，所述低散热层由氮化硅陶瓷形成。
优选地，所述直喷发动机的压缩比大于等于13。
由上述技术方案可知，本发明的直喷发动机及其燃烧组织方法采用在压缩冲程内向燃烧室两次喷射汽油类燃料的方式，来形成燃烧室内分层的压燃三区混合气，并利用超高压缩比的气缸使第一燃料混合气区域内的气体达到自燃临界状态，进而发生自燃并促使其他区域内的气体自燃，即实现了稳定的自燃点火。
其中，由于燃烧室内壁附近存在空气区域，可以避免爆震的产生并切断爆震乃至超级爆震的传播途径，从而实现发动机的超高压缩比，进而大幅提升发动机的经济性；同时，由于处于第二燃料混合气区域内的气体的过量空气系数可以比较高，因而可以使整个燃烧室内处于超稀燃状态；并且，贴附于所述燃烧室内壁的低散热层由于空气区域的存在，其表面不容易形成油膜，因而可以保持较为稳定的抗散热性能。
因此，本发明可以实现超高压缩比、超稀燃、抗爆震、低散热的高效清洁燃烧，从而为发动机节能减排提供重要支撑。
另外，本发明仅需要在现有直喷发动机的基础上通过优化燃烧室形状、涂低散热材料、优化喷射相位和脉宽来实现，成本低而收效高，能够对现有的发动机进行产生升级，实现推广应用。
当然，实施本发明的任一产品或方法并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明一个实施例中一种直喷发动机的燃烧组织方法的流程图；
图2是本发明一个实施例中三区混合燃料气的形成位置示意图以及本发明一个实施例中一种直喷发动机的燃烧室的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
本发明实施例提供了一种直喷发动机的燃烧组织方法，参见图1，该方法包括：
步骤S1：在一压缩冲程内向燃烧室两次喷射汽油类燃料，形成在所述燃烧室中从内至外的第一燃料混合气区域、第二燃料混合气区域和空气区域；所述第一燃料混合气区域内气体的过量空气系数小于所述第二燃料混合气区域内气体的过量空气系数；
步骤S2：压缩所述燃烧室内的气体，使所述第一燃料混合气区域内的气体自燃。
其中，压缩冲程又名第二冲程，是将机械能转化为内能的冲程。压缩时活塞从下止点间上止点运动，这个冲程的功用有二，一是提高燃烧室内混合气体的温度，为燃料着火作准备：二是为气体膨胀作功创造条件。
应说明的是，本实施例中的发动机相对于现有技术中的发动机分类，属于压缩自燃点火方式的直喷发动机，并属于汽油发动机的一种。这里，具体在发动机的压缩冲程内(具体为中后期)向燃烧室两次喷射汽油类燃料(如汽油、甲醇、乙醇等)，使其在燃烧室中形成燃料混合气，并从燃烧室的中心向外依次分为第一燃料混合气区域、第二燃料混合气区域和空气区域。由于所述第一燃料混合气区域内气体的过量空气系数小于所述第二燃料混合气区域内气体的过量空气系数，所以大体上有第一燃料混合气区域内的燃料浓度较高，而第二燃料混合气区域内的燃料浓度较低。其具体来说可以通过设置直喷喷头的工作参数实现，工作参数可以包括下述的一项或多项：喷射压力、喷射持续时间、喷射方向、喷射位置、喷射相位和喷射脉宽等，因而可以通过工作参数的设定来实现对燃烧室内燃料混合气的实际需求。
所述形成在所述燃烧室中从内至外的第一燃料混合气区域、第二燃料混合气区域和空气区域如图2所示。其中，第一燃料混合气区域的过量空气系数较低，在经过压缩后很容易达到自燃临界状态，因而可以发生自燃并促使其他区域内的燃料混合气自燃，即实现稳定的压缩着火燃烧，当然第一燃料混合气区域不需要占有较大部分的体积。而第二燃料混合气区域的过量空气系数可以很高，且可以占有燃烧室较大部分的体积，总体上燃烧室内的气体可以达到合适的空燃比，并处于超稀燃状态。在空气区域中存在的与燃烧室内壁接触的空气层可以避免爆震的产生并切断爆震乃至超级爆震的传播途径，从而可以实现发动机的超高压缩比，进而大幅提升发动机的经济性。
进一步地，所述空气区域与所述燃烧室内的低散热层接触，用于阻碍所述燃烧室向外界散热。一般情况下，燃烧室内壁上若存在阻碍散热的涂层等物质，则在发动机工作过程中油滴很容易附着在该层上并形成油膜，造成燃烧室整体抗散热性能降低。而在这里由于空气层的存在，不容易形成低散热层表面的油膜，因而保持较为稳定的抗散热性能。
进一步地，所述第一燃料混合气区域、第二燃料混合气区域和空气区域是根据各区域内混合气的过量空气系数所在的数值范围进行划分的。也就是说，燃烧室内的混合气体的过量空气系数在中间区域较低而在边缘区域较高，形成一种在燃烧室内的空间中分层分布的混合气体。因此这里按过量空气系数的数值范围将燃烧室内的空间划分为所述第一燃料混合气区域、第二燃料混合气区域和空气区域，只是一种概念上的划分，而并不限定混合气具有边界清晰的分层结构。
进一步地，所述步骤S1包括：
步骤S11：在一压缩冲程内的第一时刻，以第一工作参数向所述燃烧室喷射汽油类燃料，形成在燃烧室内被空气包覆的第二燃料混合气；
步骤S12：在该压缩冲程内的第二时刻，以第二工作参数向所述燃烧室喷射汽油类燃料，形成在燃烧室内被所述第二燃料混合气包覆的第一燃料混合气；
此时，所述燃烧室内的第一燃料混合气所在区域为所述第一燃料混合气区域，所述燃烧室内的第二燃料混合气所在区域为所述第二燃料混合气区域，所述燃烧室内的空气所在区域为所述空气区域；
在该压缩冲程内，所述第一时刻先于所述第二时刻。
上述步骤具体描述了三区燃料混合气的形成过程，核心过程为喷射燃料，而具体的实现过程通过两次不同工作参数下的喷射完成。并且，先喷射形成较高过量空气系数的第二燃料混合气，再喷射形成较低过量空气系数的第一燃料混合气，以最终形成如图2所示的三区燃料混合气。需要说明的是，上文中所述的两次喷射并不一定要由同一个喷嘴完成，其也可以由两个喷嘴在不同时刻分别喷射以达到同样的效果。
进一步地，所述第一时刻介于所述压缩冲程内的上止点前120度曲轴转角至上止点前30度曲轴转角之间；所述第二时刻介于所述压缩冲程内的上止点前90度曲轴转角至上止点之间。这里给出一种喷射开始时间点的选取示例，可见其具体时间均位于压缩冲程的中后期。
进一步地，所述第一燃料混合气区域内气体的过量空气系数介于0.5与2之间；所述第二燃料混合气区域内气体的过量空气系数介于1与30之间。这里给出一种第一燃料混合气与第二燃料混合气的过量空气系数选取示例，当然在具体设定时还要考虑到最终达到的空燃比。
举例来说，例如，第一燃料混合气区域内气体的过量空气系数可以为0.8、1.0、1.2或1.5等，相应的第二燃料混合气区域内气体的过量空气系数可以为2.5、3.5、10或15等。
进一步地，所述形成在所述燃烧室中从内至外依次分层的第一燃料混合气区域、第二燃料混合气区域和空气区域之后，所述燃烧室内气体的空燃比介于14.7至147之间。这里给出一种空燃比的选取示例，其还要配合其他工作参数以达到较佳的超稀燃的燃烧效果。
综上，本发明实施例提出的燃烧组织方法可以实现超高压缩比、超稀燃、抗爆震、低散热的高效清洁燃烧，从而为发动机节能减排提供重要支撑。
当然，本发明实施例仅是一种示例，本领域技术人员可以根据实际情况做具体工作参数的简单选取或其他同等替换，其只要利用压缩冲程中两次喷射形成如上所述的三区燃料混合气，并采用压缩自燃的方式点火，就显然不脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。
实施例2
本发明实施例提出了一种直喷发动机，参见图2，所述直喷发动机按照如实施例1中任意一种所述的燃烧组织方法工作；
所述直喷发动机的燃烧室的内壁设置有低散热层，所述低散热层由导热系数小于0.2W/(m·K)的材料形成。
这里，由于该直喷发动机按照如所述的燃烧组织方法工作，所以具有对应的燃烧室及用于向燃烧室内喷射汽油类燃料的喷射装置。而且，为形成如上所述的三区燃料混合气，这里的燃烧室的形状需要具备与燃烧组织方法相对应的特征。另一方面，对应于上面提到过的工作参数(如喷射压力、喷射持续时间、喷射方向、喷射位置、喷射相位和喷射脉宽等)，所述喷射装置也需要具有相对应的结构性特征。其中一种实现方式如图2所示，其中燃烧室在横截面上呈正立的梯形(底部还有与梯形相接的矩形)，而喷射装置中的喷头对准燃烧室的中央位置附近，以依次形成如图所示的三区燃料混合气。
优选地，所述低散热层由氮化硅陶瓷形成，当然也可以采用其他具有低散热性能的陶瓷材料。一般情况下，燃烧室内壁上若存在阻碍散热的涂层等物质，则在发动机工作过程中油滴很容易附着在该层上并形成油膜，造成抗散热性能降低。而在这里由于空气层的存在，不容易形成低散热层表面的油膜，因而保持较为稳定的抗散热性能。具体采用氮化硅陶瓷形成该低散热层可以
优选地，所述直喷发动机的压缩比大于等于13。其与实施例1中所述的压缩自燃过程及超高压缩比的实现均相互对应，具体而言其压缩比的范围可以介于13至20之间，本实施例仅为举例说明，不对其进行限定，可根据实际需要配置。
综上所述，本发明所提供的直喷发动机及其燃烧组织方法，利用发动机于压缩冲程中后期在燃烧室内两次喷射汽油类燃料(例如汽油、甲醇、乙醇等汽油类燃料)，形成均匀的分层压燃三区燃料混合气(即燃烧室中心的第一燃料混合气区域、第一燃料混合气区域外围的第二燃料混合气区域和紧挨整个燃烧室内壁壁面的空气区域)，同时在燃烧室内壁壁面(包括气缸盖底部、活塞顶部、气门底部和部分气缸壁面)涂附低散热材料，降低发动机传热损失，实现超高压缩比、超稀燃和低散热的高效清洁燃烧。
由于燃烧室壁面附近存在空气层，可以避免爆震的产生条件和切断爆震乃至超级爆震的传播途径，从而实现发动机的超高压缩比，进而大幅提升发动机经济性；同时，燃烧室中心的第一燃料混合气区域和超高压缩比可使第一燃料混合气区域内的混合气达到自燃临界状态，实现稳定的压缩着火燃烧，进而可使整个燃烧室内处于超稀燃状态；并且，涂于燃烧内壁壁面的低散热材料和存在于燃烧室内壁壁面附近的空气层可大幅降低传热损失，实现低散热燃烧。因此，本发明可以实现超高压缩比、超稀燃和低散热的高效清洁燃烧，从而为发动机节能减排提供重要支撑。
同时，该系统仅需要在现有缸内直喷发动机上优化燃烧室形状、涂低散热材料、优化喷射相位和脉宽，成本低收效高，能够对现有的发动机进行产生升级，实现推广应用。
与现有技术相比，本发明至少包括如下有益效果：
1)本发明可实现不同负荷的超高压缩比、超稀燃和低散热高效清洁燃烧，具有大幅降低油耗从而实现节能的效果，相对于现行产业化中进气道喷射火花点火汽油机(PFI)，可提高35％以上的节能效果。
2)整体燃烧室内处于超稀燃低温燃烧状态，避开微粒(PM)和氮氧化物(NOx)排放半岛，可以达到法规要求的排放标准。
3)只需在缸内直喷汽油机的基础上优化燃烧室形状、涂低散热材料、优化喷射相位和脉宽，发动机生产成本几乎不变，但节能减排实现的使用成本大幅降低。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (8)
1.一种直喷发动机的燃烧组织方法，其特征在于，包括：
步骤S1：在一压缩冲程内向燃烧室两次喷射汽油类燃料，形成在所述燃烧室中从内至外的第一燃料混合气区域、第二燃料混合气区域和空气区域；所述第一燃料混合气区域内气体的过量空气系数小于所述第二燃料混合气区域内气体的过量空气系数；所述第一燃料混合气区域内气体的过量空气系数介于0.5与2之间；所述第二燃料混合气区域内气体的过量空气系数介于1与30之间；所述燃烧室内整体混合气体的空燃比介于14.7至147之间；
步骤S2：压缩所述燃烧室内的气体，使所述第一燃料混合气区域内的气体自燃。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述空气区域与所述燃烧室内的低散热层接触，用于阻碍所述燃烧室向外界散热。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一燃料混合气区域、第二燃料混合气区域和空气区域是根据各区域内气体的过量空气系数所在的数值范围进行划分的。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S1包括：
步骤S11：在一压缩冲程内的第一时刻，以第一工作参数向所述燃烧室喷射汽油类燃料，形成在燃烧室内被空气包覆的第二燃料混合气；
步骤S12：在该压缩冲程内的第二时刻，以第二工作参数向所述燃烧室喷射汽油类燃料，形成在燃烧室内被所述第二燃料混合气包覆的第一燃料混合气；
此时，所述燃烧室内的第一燃料混合气所在区域为所述第一燃料混合气区域，所述燃烧室内的第二燃料混合气所在区域为所述第二燃料混合气区域，所述燃烧室内的空气所在区域为所述空气区域；
在该压缩冲程内，所述第一时刻先于所述第二时刻；
所述工作参数可以包括下述的一项或多项：喷射压力、喷射持续时间、喷射方向、喷射位置、喷射相位和喷射脉宽。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述第一时刻介于所述压缩冲程内的上止点前120度曲轴转角至上止点前30度曲轴转角之间；所述第二时刻介于所述压缩冲程内的上止点前90度曲轴转角至上止点之间。
6.一种直喷发动机，其特征在于，所述直喷发动机按照如权利要求1至5中任意一项所述的燃烧组织方法工作；
所述直喷发动机的燃烧室的内壁设置有低散热层，所述低散热层由导热系数小于0.2W/(m·K)的材料形成。
7.根据权利要求6所述的直喷发动机，其特征在于，所述低散热层由氮化硅陶瓷形成。
8.根据权利要求6或7所述的直喷发动机，其特征在于，所述直喷发动机的压缩比大于等于13。
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