CN104595006A - 一种分区分层稀薄燃烧发动机燃烧室结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分区分层稀薄燃烧发动机燃烧室结构，包括气缸以及连接在气缸内做功的活塞，气缸连接在其顶部位置的汽缸盖，汽缸盖上设置有汽缸盖分区隔板，活塞的顶部位置设置有活塞顶部分区隔板，汽缸盖分区隔板和活塞顶部分区隔板相错设置，并将燃烧室隔离成小燃烧区和大燃烧区；当活塞运动到上止点时，汽缸盖分区隔板的背面与活塞顶部分区隔板的背面紧贴在一起；本发明的发动机燃烧室结构，实现了发动机在汽车怠速、小负荷、中等负荷时，提高了发动机内燃油的燃烧效率，降低了发动机排除的废气和油耗，并保证了发动机在大负荷时的安全使用，从而提高汽车在行驶时的环保性能和减少其使用成本。

Description

一种分区分层稀薄燃烧发动机燃烧室结构

技术领域

本发明涉及发动机技术领域，特别是涉及一种分区分层稀薄燃烧发动机燃烧室结构。

背景技术

目前，汽车发动机用途最广泛的是往复式活塞发动机，该种发动机在高转速大负荷时通过涡轮增压实现了燃油经济性，但是在怠速和小负荷时没能达到燃油经济性，因此在市区低速行驶时燃油消耗明显过高。

其原因有以下几个方面：（1）在怠速时完全关闭节气门，只有很少空气通过节气门怠速通道进入气缸，使吸气时形成很大的真空度，必然会使进气消耗的能量增大，增大泵气损失；同时由于此时进气管的真空度很大，在进气门开启时，气缸内的压力高于进气管压力，废气膨胀进入进气管，在吸气冲程时，这些废气和新混合气同时吸入气缸，为了保证这种经废气稀释过的混合气能正常燃烧，就必须供给更多的燃油，把混合气加浓，必然增大油耗；（2）在小负荷时，节气门的开度很小，使吸气时形成较大的真空度，在进气门开启时，气缸内的压力同样高于进气管压力，在吸气冲程时，同样有部分废气膨胀进入进气管，为了保证这种经废气稀释过的混合气能正常燃烧，同样要供给较多的燃油，增大了油耗，这就是汽车在市区行驶油耗高的重要原因之一；（3）在怠速、小负荷、中等负荷时都采用进气管节流方式对混合气充量进行量调节，节气门没有完全打开，形成一定的真空度，使得泵气损失增大，特别是怠速和小负荷时，使得泵气损失明显增大，在中等负荷时，节气门开度较大，形成的真空度较小，尽管每个吸气冲程的损失不大，但是，发动机60%以上处于该工况，因此造成的泵气损失增大总量还是很大的；（4）常规汽油机其混合气是均质，一般只能在空燃比12～17范围内工作，在化学计量比附近燃烧，使得NOx排放较高。为了防止发生爆燃，采用较低的压缩比，尤其在怠速和小负荷时，空燃比更是远远小于理论空燃比，导致热效率较低。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种分区分层稀薄燃烧发动机燃烧室结构，其目的在于实现发动机在汽车怠速、小负荷时，提高发动机内燃油的燃烧效率，降低发动机排除的废气和油耗，从而提高汽车在行驶时的环保性能和减少其使用成本。

本发明所采用的技术方案是： 一种分区分层稀薄燃烧发动机燃烧室结构，包括气缸以及连接在气缸内做功的活塞，气缸连接在其顶部位置的汽缸盖，汽缸盖上设置有汽缸盖分区隔板，活塞的顶部位置设置有活塞顶部分区隔板，汽缸盖分区隔板和活塞顶部分区隔板相错设置，并将燃烧室隔离成小燃烧区和大燃烧区；当活塞运动到上止点时，汽缸盖分区隔板与活塞顶部分区隔板紧贴在一起。

优选地，汽缸盖分区隔板与活塞顶部分区隔板的非贴合面上分别设置有大、小球形弧面；大球形弧面和小球形弧面分别与活塞、气缸围成两个半橄榄球形大、小燃烧区。

优选地，小燃烧区和大燃烧区对应的汽缸盖上分别依次设置有一个进气门、一个火花塞、一个排气门 。

优选地，汽缸盖分区隔板和活塞顶部分区隔板沿其板体的竖直方向设置有若干槽。

优选地，每一个槽在其所附着的汽缸盖分区隔板或活塞顶部分区隔板上不贯通。

优选地，活塞顶部分区隔板的高度与汽缸盖分区隔板的高度一样。

优选地，大燃烧区和小燃烧区的容积比为51：49至70：30。

优选地，大燃烧区和小燃烧区的容积比为60：40。

与现有技术相比，本发明的有益效果是： 1、在怠速时，连接大燃烧区的进气转换阀门打开废气回流管，同时关闭空气进气管，向大燃烧区提供废气，该进气道喷油器不喷油；连接小燃烧区的进气转换阀门打开空气进气管，同时关闭废气回流管，向小燃烧区提供新鲜空气，该进气道喷油器喷油，这时只在小燃烧区形成可燃混合气，相对传统发动机有以下几个优点（1）只需要更少量的燃油就能达到点火的浓度，达到节油的目的；（2）可以适当调大节气门怠速通道，使整个气缸充量增加，既可以降低泵气损失，又适当提高空燃比，提高热效率；（3）只有小燃烧区工作产生废气，因此排除的废气比传统发动机少很多。

2、在小负荷时，与怠速一样只使用小燃烧区工作，可以加大节气门开度，在提高整个气缸的充量时也能在小燃烧区形成可靠的点火浓度，既减少了泵气损失，又提高了空燃比，提高了热功转化率，尤其是在小负荷的最大状况时，就可以使进气门处于最大开度，热功转化率能达到最佳；事实上：如果是2.0排量的发动机，在小负荷时，本发动机实际相当于2.0×40%=0.8排量的发动机满负荷工作，油耗当然大大减少。

3、在中等负荷时，连接小燃烧区的进气转换阀门打开废气回流管，同时关闭空气进气管，向小燃烧区提供废气，该进气道喷油器不喷油；连接大燃烧区的进气转换阀门打开空气进气管，同时关闭废气回流管，向大燃烧区提供新鲜空气，该进气道喷油器喷油，这时只在大燃烧区形成可燃混合气，采用涡轮增压器提高压缩比至11～12，在中等负荷就能够实现空燃比25～50范围内稳定工作，大大提高热效率；事实上：如果是2.0排量的发动机，在小负荷时，本发动机实际相当于2.0×60%=1.2排量的发动机满负荷工作，油耗当然大大减少。

4、在大负荷和满负荷时，大、小二个燃烧区都充入可燃混合气，二个火花塞都点火，发动机达到最大功率输出，由于是二个火花塞点火，火焰传播距离短，即使在很高压缩比时也能有效防止爆燃。

5、由于是二个火花塞点火，火焰传播距离短，燃烧完成需要的时间大大缩短，因此可以减小点火提前角，提高了点火时的温度和压强，使着火性能得到改善，同时也减少了负功；事实上：如果是2.0排量的发动机，在大负荷和满负荷时，本发动机才以2.0排量工作，因此，本发动机实际有三种排量：0.8、1.2、2.0，在不同工况时适用不同排量，油耗当然大大减少；从另一个角度看：怠速时是一个4缸0.8排量的发动机，中等负荷时增加4缸，排量增大到1.2，大负荷和满负荷时再增加4缸，排量增大到2.0，因此本发动机相当于12缸发动机，能更好适应不同工况要求。

6、在怠速、小负荷、中等负荷时，由于是只使用其中一个燃烧区工作，该工作燃烧区与另一个不工作燃烧区是分隔开的，工作燃烧区容积小，从点火到燃烧完成时间里，产生的热量能使气体只在小容积燃烧区内膨胀，因此比传统发动机的压力大大高，压力升高率大大提高，使热功转化率有很大的提高。

7、在怠速、小负荷、中等负荷时，不点火做功的燃烧区充入的是废气，即使气缸内处于高温，也不易使这些废气再产生NOx,比其它稀燃发动机大大减少了污染气体的排放。

8、汽缸盖分区隔板在活塞压缩冲程时，活塞接近上止点时与活塞之间形成一个挤气作用，在大燃烧区形成一定强度的气体流动，形成快速燃烧，降低对辛烷值的要求；活塞顶部分区隔板在活塞接近上止点时与汽缸盖之间形成一个挤气作用，在小燃烧区形成一定强度的气体流动，形成快速燃烧，同样降低对辛烷值的要求。

9、本发动机是在现有四气门发动机成熟技术上的改进，因此研发试验成本低，资金投入少，开发风险小。

本发明的发动机燃烧室结构，实现了发动机在汽车怠速、小负荷、中等负荷时，提高了发动机内燃油的燃烧效率，降低了发动机排除的废气和油耗，并保证了发动机在大负荷时的安全使用，从而提高汽车在行驶时的环保性能和减少其使用成本。

附图说明

图1为本发明发动机汽缸盖的内部设置有汽缸盖分区隔板构造示意图；

图2为本发明发动机设置的活塞顶部分区隔板构造示意图；

图3为活塞到达上止点时二个隔板分隔形成二个燃烧区剖视示意图；

图4为本发明发动机的火花塞分布示意图；

图5为本发明发动机的气缸、涡轮增压器、废气储存容器、排气口控制阀门、空气滤清器、节气门体、废气回流管、进气转换阀门、空气进气管、气缸进气管连接顺序示意图；

图6为本发明发动机的吸气冲程时形成四股滚流示意图；

图7为本发明发动机小燃烧区吸入可燃混合气时各种气体分层示意图；

图8为本发明发动机压缩冲程完成时不同气体的分层示意图；

图9为本发明大燃烧区吸入可燃混合气时各种气体分层示意图；

图10为本发明大、小燃烧区都吸入可燃混合气时各种气体分层示意图；

其中：1.汽缸盖、2.汽缸盖分区隔板、201.小球形弧面、3. 槽、4.进气门、5.排气门、6、火花塞Ⅰ、7、活塞、8、活塞顶部分区隔板、801.大球形弧面、9.小燃烧区、10.大燃烧区、11.涡轮增压器、12.废气储存容器、13.排气口控制阀门、14、空气滤清器、15.节气门体、16.节气门、17.废气回流管、18.进气转换阀门Ⅰ、19.空气进气管、20.气缸进气管、21.喷油器Ⅰ、22.气缸进气管分道板、23.大进气道、24.小进气道、25.可燃混合气滚流、26、空气滚流、27废气滚流、28. 电子控制单元、29. 废气储存容器的排气口、30.空气燃油混合气、31.小燃烧区内的挤气气流、32.大燃烧区内的挤气气流、36.火花塞Ⅱ、38.进气转换阀门Ⅱ、41.喷油器Ⅱ、42.气缸。

具体实施方式

为了加深对本发明的理解，下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，该实施例仅用于解释本发明，并不对本发明的保护范围构成限定。

如图4所示，一种分区分层稀薄燃烧发动机燃烧室结构，包括气缸42以及连接在气缸42内做功的活塞7，气缸42连接在其顶部位置的汽缸盖1，汽缸盖1上设置有汽缸盖分区隔板2，活塞7的顶部位置设置有活塞顶部分区隔板8，汽缸盖分区隔板2和活塞顶部分区隔板8相错设置，并将燃烧室隔离成小燃烧区9和大燃烧区10；当活塞7运动到上止点时，汽缸盖分区隔板2与活塞顶部分区隔板8紧贴在一起，分隔大燃烧区10和小燃烧区9。

在本发明中，汽缸盖分区隔板2与活塞顶部分区隔板8的非贴合面上分别设置有大、小球形弧面201，801；大球形弧面201和小球形弧面801分别与活塞7、气缸42围成两个半橄榄球形大、小燃烧区10,9。小燃烧区9和大燃烧区10对应的汽缸盖1上分别依次设置有一个进气门4、一个火花塞、一个排气门5 。汽缸盖分区隔板2和活塞顶部分区隔板8沿其板体的竖直方向设置有若干槽3。每一个槽3在其所附着的汽缸盖分区隔板2或活塞顶部分区隔板8上不贯通。活塞顶部分区隔板8的高度与汽缸盖分区隔板2的高度一样。大燃烧区10和小燃烧区9的容积比为51：49至70：30。大燃烧区10和小燃烧区9的容积比为60：40。

如图1所示，该发动机的汽缸盖1的半球形燃烧室内部有一个汽缸盖分区隔板2，它将燃烧室分成二个半橄榄球形燃烧区，其中一个是小燃烧区9，其容积约占气缸燃烧室总容积的40%，另一个是大燃烧区10，其容积约占气缸燃烧室总容积的60%；汽缸盖分区隔板2连接汽缸盖处向着大燃烧区10一侧逐渐变宽，形成一个弧面，使大燃烧区10成为半橄榄球形；汽缸盖分区隔板2有几个槽3，使隔板在高温时膨胀有伸展空间，不至于变形；汽缸盖分区隔板2 的高度约为1~2厘米，汽缸盖分区隔板2有一定宽度，形成的上表面具有一定的面积，该表面大小以挤气需要的面积大小为准；小燃烧区9有一个进气门4和一个排气门5，火花塞Ⅰ6位于进气门与排气门之间；大燃烧区10也有一个进气门4和一个排气门5，火花塞Ⅱ36同样位于进气门与排气门之间，因此本发动机是一个四气门双火花塞发动机。

如图2所示，该发动机的活塞顶部设置有一个活塞顶部分区隔板8，该活塞顶部分区隔板8与有几个槽3，使隔板在高温时膨胀有伸展空间，不至于变形；该隔板接近活塞外沿时向着小燃烧区9一侧逐渐变宽，形成一个弧面，大燃烧区10成为半橄榄球形，当活塞运动到上止点时，该活塞顶部分区隔板8处于小燃烧区9里，使小燃烧区9里成为一个半橄榄球形燃烧区；该活塞顶部分区隔板8有一定宽度，形成的上表面具有一定的面积，该表面大小同样以挤气需要的面积大小为准；该活塞顶部分区隔板8的高度与汽缸盖分区隔板2的高度一样。

如图3所示，当活塞运动到上止点时，汽缸盖分区隔板2的背面与活塞顶部分区隔板8的背面紧贴在一起，汽缸盖分区隔板2的另一弧面使大燃烧区成半橄榄球形；活塞顶部分区隔板8的另一弧面使小燃烧区成半橄榄球形， 因此本发动机有二个面容比小的紧凑燃烧区。

如图4所示，当活塞进行压缩冲程接近上止点时，活塞顶部分区隔板8的上表面与汽缸盖之间形成挤气，形成小燃烧区内的挤气气流31，该挤气气流31能加快小燃烧区9的火焰传播，形成快速燃烧；与此同时汽缸盖分区隔板2的上表面与活塞之间形成挤气，形成大燃烧区内的挤气气流32，该挤气气流32能加快大燃烧区10的火焰传播，形成快速燃烧。

如图5所示，发动机排出的废气经涡轮增压器11后进入废气储存容器12 ，该废气储存容器设置有冷却系统，将废气冷却，使废气的密度增大接近空气密度；在废气储存容器12 的上侧面设置有一个.排气口控制阀门13，该排气口控制阀门13利用自身重量下压在废气储存容器的排气口29上，当废气储存容器内的压强略高于外界大气压时，气体会自动顶起排气口控制阀门13，排出多余的废气，废气储存容器内一部分废气在怠速、小负荷、中等负荷时回流到气缸不工作的燃烧区，提高整个气缸的充量；经过废气储存容器12冷却了的废气通过空气滤清器14再到节气门体，经过废气回流管17达到进气转换阀门18；进气转换阀门18受ECU28控制；当发动机处于怠速和小负荷时，ECU28通过电磁控制器使进气转换阀门Ⅰ18打开与小燃烧区9连通的空气进气管19，同时关闭与小燃烧区连通的废气回流管17，与此同时进气转换阀门Ⅱ38打开与大燃烧区10连通的废气回流管17，同时关闭与大燃烧区连通的空气进气管19，这样以来，进入小燃烧区9的是新鲜空气，喷油器Ⅰ21喷油形成可燃混合气；进入大燃烧区10的是废气，喷油器Ⅱ41不喷油，因此，在怠速和小负荷时，将要进入下一步做功的只有小燃烧区；喷油器Ⅰ21和喷油器Ⅱ41都受ECU28控制；当发动机处于中等负荷时，ECU28通过电磁控制器使进气转换阀门Ⅰ18打开与小燃烧区9连通的废气回流管17，同时关闭与小燃烧区连通的空气进气管19，与此同时进气转换阀门Ⅱ38打开与大燃烧区10连通的空气进气管19，同时关闭与大燃烧区连通的废气回流管17，这样以来，进入小燃烧区9的是废气，喷油器Ⅰ21不喷油；进入大燃烧区10的是新鲜空气，喷油器Ⅱ41喷油形成可燃混合气，因此，在中等负荷时，将要进入下一步做功的只有大燃烧区；当发动机处于大负荷和满负荷时，ECU28通过电磁控制器使进气转换阀门Ⅰ18和进气转换阀门Ⅱ38都打开空气进气管19；同时都关闭废气回流管17，这样以来进入二个燃烧区的都是新鲜空气，二个喷油器都喷油形成可燃混合气，因此在大负荷和满负荷时，二个燃烧区都将进入下一步做功。

如图6所示，气缸进气管分道板22将进入管分成大小不同的进气道，进气道24较小，进气道23较大，进气道23的上侧安装有喷油器，喷入的燃油只与大进气道的气体混合；进入气缸的气体被分成四股独立的滚流；二边的二个滚流较大，中间的二个滚流较小；独立的滚流能较好地形成分层，有效地抑制不同气流的相互扩散；当发动机怠速或者小负荷工况时，活塞下行吸气，进入气缸下燃烧区的是空气，喷油器21喷出燃油，形成的滚流25是可燃混合气，可燃混合气用“· ”表示，滚流26是没有燃油的空气，用“○”表示，进入大燃烧区的是废气，用“×”表示，形成的滚流27是废气滚流。

如图7所示，表示吸气冲程时的不同成分气体的分布情况, 图7表示的是发动机处于怠速时，喷油器21喷油，与大进气道23里的空气混合后形成可燃混合气滚流25，用“· ”表示，可燃混合气进入小燃烧区9，另外从小进气道进24入的是空气滚流24，用“○”表示，进入大燃烧区10的是废气滚流27，用“×”表示，由于废气储存容器12的废气压强略高于外界大气压，因此进入气缸的废气滚流压强较大，会有少部分废气越过活塞顶部隔板8，进入小燃烧区，与小气道24进入的空气混合分布在气缸的左下角；形成这样的气体分布的好处是：既能实现分层燃烧，又能让废气抑制产生NOx的可逆反应，减少污染气体的排放。

如图8所示，汽缸盖分区隔板2与活塞顶部分区隔板8在上止点时完全咬合，形成小燃烧区9和大燃烧区10，在怠速和小负荷时，小燃烧区里的气体有：（1）可燃混合气，用“· ”表示，（2）空气，用“○”表示，（3）废气，用“×”表示，它们在小燃烧区里分层分布，大燃烧区全部是废气；二个隔板的分隔作用从上止点前30°~60°曲轴转角开始到下止点30°~60°曲轴转角结束，分隔作用曲轴转角的大小与分区隔板的高度有关，高度达到1厘米时就能在上止点前30°曲轴转角时开始实现分隔；根据发动机燃烧情况，一般在上止点前15°曲轴转角时开始点火，混合气燃烧在下止点前20°曲轴转角时结束，因此本发动机的二个分区隔板有1厘米高度时就能满足燃烧期的分区要求，当然，分区隔板的高度越高，分隔时间越长，其好处是：工作燃烧区的压力升高率保持的时间越长，燃油经济性越好。

如图9所示，表示的是发动机处于中等负荷时，二个燃烧区进入的都是新鲜空气，喷油器41喷油，燃油在大进气道23里与空气混合后形成可燃混合气25，用“· ”表示，可燃混合气进入大燃烧区10，另外从小进气道进24是空气26，用“○”表示，进入小燃烧区9的是废27，用用“×”， 由于废气储存容器12的废气压强略高于外界大气压，因此进入气缸的废气滚流压强较大，会有少部分废气越过活塞顶部隔板8，进入大燃烧区，与小气道24进入的空气混合分布在气缸的右下角；形成这样的气体分布的好处是：既能实现分层燃烧，又能让废气抑制产生NOx的可逆反应，减少污染气体的排放。

如图10所示，表示的是发动机处于大负荷和满时，喷油器22和喷油器41都喷油，燃油在大进气道23里与空气混合后形成可燃混合气25，用“· ”表示，可燃混合气25分别进入大燃烧区10和小燃烧区9，从小进气道24进入的是空气26，用“○”表示，空气与可燃混合气分层分布，压缩后实现分层燃烧。

附注：在本发明中所述的电子控制单元为ECU，又称“行车电脑”、“车载电脑”等。从用途上讲则是汽车专用微机控制器。它和普通的电脑一样,由微处理器（CPU）、存储器（ROM、、RAM）、输入/输出接口（I/O）、模数转换器（A/D）以及整形、驱动等大规模集成电路组成。

本发明的发动机燃烧室结构，实现了发动机在汽车怠速、小负荷、中等负荷时，提高了发动机内燃油的燃烧效率，降低了发动机排除的废气和油耗，并保证了发动机在大负荷时的安全使用，从而提高汽车在行驶时的环保性能和减少其使用成本。

本发明的实施例公布的是较佳的实施例，但并不局限于此，本领域的普通技术人员，极易根据上述实施例，领会本发明的精神，并做出不同的引申和变化，但只要不脱离本发明的精神，都在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种分区分层稀薄燃烧发动机燃烧室结构，包括气缸（42）以及连接在气缸（42）内做功的活塞（7），所述气缸（42）连接在其顶部位置的汽缸盖（1），其特征在于：所述汽缸盖（1）上设置有汽缸盖分区隔板（2），所述活塞（7）的顶部位置设置有活塞顶部分区隔板（8），所述汽缸盖分区隔板（2）和活塞顶部分区隔板（8）相错设置，并将燃烧室隔离成小燃烧区（9）和大燃烧区（10）；当活塞（7）运动到上止点时，所述汽缸盖分区隔板（2）与活塞顶部分区隔板（8）紧贴在一起。

2.根据权利要求1所述的一种分区分层稀薄燃烧发动机燃烧室结构，其特征在于：所述汽缸盖分区隔板（2）与活塞顶部分区隔板（8）的非贴合面上分别设置有大、小球形弧面（201，801）；所述大球形弧面（201）和小球形弧面（801）分别与活塞（7）、气缸（42）围成两个半橄榄球形大、小燃烧区（10,9）。

3.根据权利要求1或2所述的一种分区分层稀薄燃烧发动机燃烧室结构，其特征在于：所述小燃烧区（9）和大燃烧区（10）对应的汽缸盖（1）上分别依次设置有一个进气门（4）、一个火花塞、一个排气门（5） 。

4.根据权利要求1或2所述的一种分区分层稀薄燃烧发动机燃烧室结构，其特征在于：所述汽缸盖分区隔板（2）和活塞顶部分区隔板（8）沿其板体的竖直方向设置有若干槽（3）。

5.根据权利要求4所述的一种分区分层稀薄燃烧发动机燃烧室结构，其特征在于：每一个所述槽（3）在其所附着的汽缸盖分区隔板（2）或活塞顶部分区隔板（8）上不贯通。

6.根据权利要求6所述的一种分区分层稀薄燃烧发动机燃烧室结构，其特征在于：活塞顶部分区隔板（8）的高度与汽缸盖分区隔板（2）的高度一样。

7.根据权利要求3所述的一种分区分层稀薄燃烧发动机燃烧室结构，其特征在于：所述大燃烧区（10）和小燃烧区（9）的容积比为51：49至70：30。

8.根据权利要求6所述的一种分区分层稀薄燃烧发动机燃烧室结构，其特征在于：所述大燃烧区（10）和小燃烧区（9）的容积比为60：40。