CN105019999A - 汽油机燃烧系统及汽油机燃油喷射方法 - Google Patents

Abstract

一种汽油机燃烧系统及汽油机燃油喷射方法，汽油机燃烧系统中，喷油器基本竖直向下且位于燃烧室顶部的中间区域；活塞包括沿朝向燃烧室顶部的方向依次布置并同轴连接的底部、第一环形连接部和第二环形连接部；第二环形连接部具有沿轴向方向的两端，一端与底部的周向边缘连接，另一端与第一环形连接部的内周缘连接；第二环形连接部朝向底部一端的径向截面面积与所述燃烧室的径向截面面积的比值范围为0.2～0.4。本发明的布置方式可以使得分层稀薄燃烧时喷油器喷射的油雾能够完全落入底部与第二环形连接部的内壁围成的凹部内，使得燃烧室中心喷油器周围喷雾的浓度较高，而在其他区域喷雾的浓度较稀薄，分层稀薄燃烧效果更好。

Description

汽油机燃烧系统及汽油机燃油喷射方法

技术领域

本发明涉及车辆领域，具体涉及一种适用于均质和分层稀薄燃烧的汽油机燃烧系统及汽油机燃油喷射方法。

背景技术

发动机是汽车中的重要部件，其将某一种形式的能量转换为机械能输出向汽车提供动力。

汽油发动机(以下简称汽油机)是发动机的一种，如图1-2所示，汽油机包括气缸10，气缸10顶部具有气缸盖11，气缸10内部连接有曲柄连杆机构30和连接于曲柄连杆机构30顶部的活塞20，活塞20在气缸10内作循环往复运动，其中当活塞20运动到上止点20a时，活塞20顶面以上，气缸盖11底面以下所形成的空间称为燃烧室；气缸盖11上连接有进气道24、排气道25、喷油器22以及火花塞23，进气道24与排气道25分别于燃烧室连通，喷油器22与火花塞23的头部均伸入燃烧室；喷油器22向气缸10内喷射油雾，进气道24向气缸10内输送空气，油雾和空气在气缸10内混合并形成混合气，当活塞20运动到上止点20a时，火花塞23点火，混合气被压缩点燃而产生高温高压的气体并推动曲柄连杆机构30作往复运动，推动汽车运行。其中燃烧室以及连接于燃烧室的所有部件统称为燃烧系统。

燃烧系统的燃烧模式包括均质燃烧和分层稀薄燃烧：

均质燃烧是指油气均匀混合的燃烧模式，油雾的喷射在进气冲程进行，喷雾(即喷射的油雾)和空气混合形成一定浓度的可燃混合气，当混合气在整个燃烧室中混合均匀后点火。这种燃烧模式中，整个燃烧室内混合气的空燃比是相同的，而且由于混合气形成时间较长，喷雾和空气可以得到充分的混合，燃烧更均匀，从而获得较大的输出功率，一般在大负荷工况中采用；

分层稀薄燃烧是指油气分层混合的燃烧模式，油雾的喷射在压缩冲程中进行，并且在喷雾和空气刚开始混合且正好在火花塞周围形成较浓的混合气时点火，此时在火花塞附近的混合气较浓，在气缸内壁附近的混合气则较稀薄，混合气在气缸中明显分层，一般在部分负荷的工况中采用。

理想状态下，均质燃烧模式中的空燃比接近当量空燃比，而分层稀薄燃烧模式中的平均空燃比可大于当量空燃比，因此，相比较于均质燃烧，分层稀薄燃烧更为省油。

1996年，日本三菱公司推出排量为1.8L的4G93型发动机，其采用一种壁面引导型燃烧系统，该燃烧系统可以实现均质燃烧和分层燃烧两种燃烧模式的转换，如图2所示，该燃烧系统中，火花塞23安装在气缸盖11的中间区域，喷油器22安装在气缸盖11的周边区域，以与气缸盖11顶面呈30度夹角的角度向下喷射油雾。在分层稀薄燃烧中，喷油器22喷射油雾的动作在压缩冲程后期进行，喷雾在受到活塞顶部表面阻挡后在气缸10中部形成含油气混合区，并能够向上运动(如图中箭头所示)接近火花塞23，被火花塞23点燃。由于发动机通常在运行在低转速和部分负荷的工况下，这种壁面引导型燃烧系统在分层稀薄燃烧时可以提高整个发动机平均燃油效率的10％。

但是这种燃烧系统的缺点在于：一是喷油器的喷雾粒径较大，喷雾粒子蒸发不好，排放比较差，满足不了最新的排放法规；二是上述燃烧系统的喷雾具有较大的贯穿度，在均质燃烧工况下，进气过程中喷射会导致喷雾容易贯穿到气缸另一侧的表面，产生较大的湿壁量，引起早燃、超级爆震等一系列问题。

发明内容

本发明解决的问题是现有的燃烧系统排放较差，并且在均质燃烧工况下湿壁量较大。

为解决上述问题，本发明提供一种汽油机燃烧系统，包括燃烧室，以及连接于所述燃烧室顶部的火花塞和喷油器，所述燃烧室包括位于所述燃烧室底部的活塞；

所述火花塞和所述喷油器均位于燃烧室顶部的中间区域，所述喷油器基本竖直向下；

所述活塞包括沿朝向所述燃烧室顶部的方向依次布置并同轴连接的底部、第一环形连接部和第二环形连接部；

所述第一环形连接部具有沿径向的内周缘和外周缘，所述第二环形连接部具有沿轴向方向的两端；

所述第二环形连接部的一端与所述底部的周向边缘连接，另一端与所述第一环形连接部的内周缘连接；

所述第一环形连接部的外周缘与所述燃烧室的内壁密封接触；

所述第二环形连接部朝向所述底部一端的径向截面面积与所述燃烧室的径向截面面积的比值范围为0.2～0.4。

可选的，所述喷油器为多孔式喷油器。

可选的，在径向方向上，所述第二环形连接部朝向所述底部一端的尺寸小于另一端的尺寸。

可选的，所述第二环形连接部凸向所述燃烧室内壁。

可选的，所述燃烧室的直径与所述第二环形连接部在轴向方向上的尺寸之间的比值范围为8～12。

可选的，所述活塞还包括第三环形连接部，所述第二环形连接部通过所述第三环形连接部连接于所述第一环形连接部；

所述第三环形连接部具有沿轴向方向的两端，其中一端连接于所述第一环形连接部的内周缘，另一端连接于所述第二环形连接部远离所述底部的一端。

可选的，在径向方向上，所述第三环形连接部朝向所述底部一端的尺寸小于另一端的尺寸。

可选的，所述第三环形连接部凸向所述燃烧室内壁。

可选的，所述第三环形连接部朝向所述底部一端的径向截面面积与所述燃烧室的径向截面面积的比值范围为0.55～0.65。

可选的，所述燃烧室的直径与所述第三环形连接部在轴向方向上的尺寸之间的比值范围为16～22。

可选的，所述喷油器、火花塞与所述底部沿所述燃烧室的轴向相对。

可选的，所述燃烧系统还包括连接于所述燃烧室顶部并与燃烧室连通的进气道；

两条进气道分别位于靠近所述喷油器的两侧，所述进气道的滚流比为1.2～2。

可选的，所述燃烧室还包括两条连接于所述燃烧室顶部并与燃烧室连通的排气道；

两条排气道分别位于靠近所述火花塞的两侧，所述排气道的流量系数大于0.7。

另外，本发明还提供一种用于上述任一项所述的汽油机燃烧系统的汽油机燃油喷射方法，所述燃烧系统还包括位于气缸内且连接于所述燃烧室底部的曲轴；

在汽油机大负荷运行的工况下，采用进气冲程喷射，且在上止点前曲轴转角为250～300度时，所述喷油器开始喷射；

在汽油机中小负荷运行工况下，采用压缩冲程喷射，且在上止点前曲轴转角为80～120度时，所述喷油器开始喷射。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：

喷油器布置在燃烧室顶部的中间区域中，且喷油器的喷射基本竖直向下，喷雾喷出后直接在燃烧室中部靠近顶部的位置形成富油区；活塞中，底部与第二环形连接部的内壁围成开口朝向燃烧室顶部的凹部，分层稀薄燃烧时喷油器喷射的油雾能够完全落入上述凹部内，使得燃烧室中心喷油器周围喷雾的浓度较高，而在其他区域喷雾的浓度较稀薄，分层稀薄燃烧效果更好。

进一步，活塞还包括第三环形连接部，底部与第二环形连接部的内壁和第三环形连接部的内壁组成阶梯型顶面，分层稀薄燃烧时，喷雾受到阶梯型顶面的结构影响以及涡旋气流的影响，扩散作用变差，与空气混合后使得燃烧室顶部中间区域中围绕喷油器周围的形成浓度较高的含油混合气区，即富油区，而在其他区域的形成浓度较稀薄的混合气区，即贫油区，最终显现为混合气在燃烧室顶部中心较浓而周边较稀薄的分层现象，燃烧效果更好。

附图说明

图1是现有技术中汽油机沿轴向方向的截面示意图；

图2是现有技术中汽油机燃烧系统的布置结构示意图；

图3是本发明实施例中汽油机燃烧系统的布置结构示意图；

图4是本发明实施例中汽油机燃烧系统处于均质燃烧模式的状态示意图；

图5是本发明实施例中汽油机燃烧系统中活塞结构的俯视结构示意图；

图6是图5中活塞结构沿主视方向的截面示意图；

图7是本发明实施例中汽油机燃烧系统处于分层稀薄燃烧模式的状态示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

本发明实施例提供一种适用于均质和分层汽油机燃烧系统，参照图3，包括：

由气缸101、气缸盖102和活塞110围成的燃烧室100，

分别连接于所述燃烧室100顶部并与燃烧室100连通的进气道130和排气道140，以及

连接于所述燃烧室100顶部的火花塞150和喷油器160，所述火花塞150相对于所述喷油器160位于靠近排气道140的一侧，所述喷油器160相对于所述火花塞150位于靠近所述进气道130的一侧；

其中，

所述火花塞150和所述喷油器160均位于燃烧室100顶部的中间区域，并且喷油器160的喷射基本竖直向下；这里的中间区域指的是围绕气缸盖101的中心形成具有一定范围的区域，即相对靠近气缸盖101中心的区域，并不是指绝对中心；

参照图4-5、7，并结合图6所示，所述燃烧室100包括位于所述燃烧室100底部的活塞110，所述活塞110包括沿朝向所述燃烧室100顶部的方向依次布置并同轴连接的底部114、第一环形连接部111和第二环形连接部112；

所述第一环形连接部111具有沿径向方向X的内周缘111a和外周缘111b，所述第二环形连接部112具有沿轴向方向Y的两端112a和112b；

所述第二环形连接部112的一端112a与所述底部114的周向边缘114a连接，另一端112b与所述第一环形连接部111的内周缘111a连接；

所述第一环形连接部111的外周缘111b与所述燃烧室100的气缸101内壁密封接触；

所述第二环形连接部112朝向所述底部114一端112a的径向截面面积与所述燃烧室100的径向截面面积的比值范围为0.55～0.65。在本实施例中，喷油器160布置在气缸盖101的中间区域中，且喷油器160的喷射基本竖直向下，喷雾喷出后直接在燃烧室100中部靠近气缸盖101的位置形成富油区；同时，火花塞150也布置在气缸盖101的中间区域中，正好处于富油区，更适合于点火燃烧。相比较于壁面引导型燃烧系统，本实施例的燃烧系统中不需要喷油器160喷出的喷雾具有较大的贯穿度，喷雾与燃烧室100的气缸101内壁的接触面积大大减小。

第二环形连接部112的内周面与底部114围成了一个开口朝向燃烧室顶部的凹部，在分层稀薄燃烧喷射时，喷油器160喷射的油雾完全落入该凹部内，使得燃烧室中心喷油器160周围喷雾的浓度较高，而在其他区域喷雾的浓度较稀薄，分层稀薄燃烧效果更好。

在本实施例中，所述喷油器160多孔式喷油器。多孔式喷油器相比较于现有技术中的喷油器而言，喷雾粒径小，受气缸内背压(即喷雾受到的与喷雾流动方向相反的压力)影响小，可以较好地控制喷雾的形态，并且具有响应速度快、稳定性高以及泄油量小的优点。

进一步地，在径向方向X上，所述第二环形连接部112朝向所述底部114一端112a的尺寸小于另一端112b的尺寸。

所述第二环形连接部112凸向所述燃烧室100内壁，也就是说，第二环形连接部112在轴向的横截面形状呈曲线形。

另外，本实施例中，所述燃烧室100的直径与所述第二环形连接部122在轴向方向上的尺寸(即第二环形连接部112沿燃烧室100轴向方向的深度)之间的比值范围为8～12。

进一步，在本实施例中的所述活塞110还可以包括第三环形连接部113，所述第二环形连接部112通过所述第三环形连接部113连接于所述第一环形连接部111；

所述第三环形连接部113具有沿轴向方向Y的两端113a和113b，其中一端113a连接于所述第一环形连接部111的内周缘111a，另一端113b连接于所述第二环形连接部112远离所述底部114的一端112a。

在径向方向上，所述第三环形连接部113朝向所述底部114一端113a的尺寸小于另一端113b的尺寸。

所述第三环形连接部113凸向所述燃烧室100的气缸101内壁，也就是说，第三环形连接部113在轴向的横截面形状呈曲线形。

在本实施例中，所述第三环形连接部113朝向所述底部114一端的径向截面面积与所述燃烧室100的径向截面面积的比值范围为0.55～0.65。

另外，所述燃烧室100的直径与所述第三环形连接部113在轴向方向上的尺寸(即第三环形连接部113沿燃烧室100轴向方向上的深度)之间的比值范围为16～22。

由此可见，本实施例中，活塞110由底部114、第二环形连接部112和第三环形连接部113连接而成，底部114的底面与第二环形连接部112的内壁以及第三环形连接部113的内壁组合形成活塞110的阶梯型顶面，如图6所示。

需要注意的是，本实施例中，所述喷油器160、火花塞150与所述底部114沿所述燃烧室100的轴向相对，也就是所述喷油器160、火花塞150应当位于底部114的正上方，这样可以保证在分层稀薄燃烧喷射时，喷油器喷出的油雾完全落入上述阶梯型顶面内。

本实施例中，所述进气道130有两条，分别位于所述喷油器160的两侧，所述排气道160有两条，分别位于所述火花塞150的两侧。喷油器160不宜在排气道140一侧布置，主要是因为排气道140一侧集中废气，环境比较不清洁，如果将喷油器160布置在排气道140一侧则容易产生喷油器积碳等问题。

这里，采用双进气道和双排气道的四气门结构，由于汽油机通常是是增压汽油机，则应当适当地将进气道130的滚流比设置得大一些，以有利于气缸101内气体的流动，相应的，排气道140的流量系数应当相应提高，以使得废气尽快地排出燃烧室。本实施例中，以气道稳态试验台测量为例，其中采用里卡多的以阀座为标准的评价方法，进气道130的滚流比范围为1.2～2；排气道140的流量系数要大于0.7。

上述布置的优点在于，参照图3并结合图4，在汽油机大负荷运行的工况下，双进气道可以保证有足够的进气量，并且由于进气道130采用高滚流比设计，可以促使空气(图4中箭头所示)在气缸101内形成强烈的大尺度滚流运动，这种滚流运动一方面可以帮助气缸101内燃油喷雾和空气的混合速度加快，另一方面，燃油喷雾和空气形成的混合气在压缩冲程的上止点由于受到燃烧室100底部壁面的阻挡作用会破碎形成小尺度的湍流，进而可以提高气缸内的湍流强度(尤其在点火时气缸101内的湍流强度可达35m2/s2)。此时，受湍流影响，火花塞150点火后，火焰会有很好的传播速度，形成较好的燃烧效果。

本实施例还提供一种汽油机燃油喷射方法，其包括上述任一种汽油机燃烧系统，其中所述燃烧系统还包括位于气缸101内且连接于所述燃烧室100底部的曲轴(图中未示出)。

在汽油机大负荷运行的工况下，采用均质燃烧模式，采用进气冲程喷射，且在上止点前曲轴转角为250～300度时，所述喷油器开始喷射，因此燃油有很长的混合时间并在气缸内101形成均匀的混合气，参照图4，因此在点火后即可以在气缸101内实现均匀燃烧。其中，进气冲程可以采用两次喷射，以降低机油稀释或避免早燃的发生。

在汽油机中小负荷运行工况下，采用分层稀薄燃烧模式，采用压缩冲程喷射，且在上止点前曲轴转角为80～120度时，所述喷油器开始喷射，此时整体喷油量减小且燃油喷雾和空气混合的时间比较短，在火花塞150处形成适合点火的富油区，而其他位置的燃油则比较稀薄，由此在气缸101内形成分层混合气，参照图7。这时，则可以体现出活塞110的阶梯型顶面控制燃烧室100内混合气浓度分布的作用，分析如下：

活塞110在压缩冲程中向上压缩运动，使得空气(图7中箭头所示)在活塞110的阶梯型顶面上形成涡旋气流；由于喷油器160、火花塞150应当位于底部114的上方，喷油器160喷射的喷雾完全喷入活塞110的阶梯型顶面上，具体为喷入底部114与第二环形连接部112、第三环形连接部113围成的凹陷区域内，喷雾受到活塞110阶梯型顶面的结构影响以及涡旋气流的影响，扩散作用变差，与空气混合后使得燃烧室100顶部中间区域中围绕喷油器160周围的形成浓度较高的含油混合气区，即富油区，而在其他区域的形成浓度较稀薄的混合气区，即贫油区，最终显现为混合气在燃烧室顶部中心较浓而周边较稀薄的分层现象；火花塞150位于底部114的正上方，当火花塞150点火时，火焰从富油区向贫油区传播，则可以实现分层稀薄燃烧。相比于现有技术，本实施例燃烧系统的分层燃烧效果更好。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (14)

1.一种汽油机燃烧系统，包括燃烧室，以及连接于所述燃烧室顶部的火花塞和喷油器，所述燃烧室包括位于所述燃烧室底部的活塞；

其特征在于，

所述火花塞和所述喷油器均位于燃烧室顶部的中间区域，所述喷油器竖直向下；

所述活塞包括沿朝向所述燃烧室顶部的方向依次布置并同轴连接的底部、第一环形连接部和第二环形连接部；

所述第一环形连接部具有沿径向的内周缘和外周缘，所述第二环形连接部具有沿轴向方向的两端；

所述第二环形连接部的一端与所述底部的周向边缘连接，另一端与所述第一环形连接部的内周缘连接；

所述第一环形连接部的外周缘与所述燃烧室的内壁密封接触；

所述第二环形连接部朝向所述底部一端的径向截面面积与所述燃烧室的径向截面面积的比值范围为0.2～0.4。

2.如权利要求1所述的汽油机燃烧系统，其特征在于，所述喷油器为多孔式喷油器。

3.如权利要求1所述的汽油机燃烧系统，其特征在于，在径向方向上，所述第二环形连接部朝向所述底部一端的尺寸小于另一端的尺寸。

4.如权利要求1所述的汽油机燃烧系统，其特征在于，所述第二环形连接部凸向所述燃烧室内壁。

5.如权利要求1所述的汽油机燃烧系统，其特征在于，所述燃烧室的直径与所述第二环形连接部在轴向方向上的尺寸之间的比值范围为8～12。

6.如权利要求1所述的汽油机燃烧系统，其特征在于，所述活塞还包括第三环形连接部，所述第二环形连接部通过所述第三环形连接部连接于所述第一环形连接部；

所述第三环形连接部具有沿轴向方向的两端，其中一端连接于所述第一环形连接部的内周缘，另一端连接于所述第二环形连接部远离所述底部的一端。

7.如权利要求6所述的汽油机燃烧系统，其特征在于，在径向方向上，所述第三环形连接部朝向所述底部一端的尺寸小于另一端的尺寸。

8.如权利要求6所述的汽油机燃烧系统，其特征在于，所述第三环形连接部凸向所述燃烧室内壁。

9.如权利要求6所述的汽油机燃烧系统，其特征在于，所述第三环形连接部朝向所述底部一端的径向截面面积与所述燃烧室的径向截面面积的比值范围为0.55～0.65。

10.如权利要求6所述的汽油机燃烧系统，其特征在于，所述燃烧室的直径与所述第三环形连接部在轴向方向上的尺寸之间的比值范围为16～22。

11.如权利要求1所述的汽油机燃烧系统，其特征在于，所述喷油器、火花塞与所述底部沿所述燃烧室的轴向相对。

12.如权利要求1-11任一项所述的汽油机燃烧系统，其特征在于，所述燃烧系统还包括连接于所述燃烧室顶部并与燃烧室连通的进气道；

两条进气道分别位于靠近所述喷油器的两侧，所述进气道的滚流比为1.2～2。

13.如权利要求1-11任一项所述的汽油机燃烧系统，其特征在于，所述燃烧室还包括两条连接于所述燃烧室顶部并与燃烧室连通的排气道；

两条排气道分别位于靠近所述火花塞的两侧，所述排气道的流量系数大于0.7。

14.一种用于权利要求1-13任一项所述的汽油机燃烧系统的汽油机燃油喷射方法，其特征在于，所述燃烧系统还包括位于气缸内且连接于所述燃烧室底部的曲轴；

在汽油机大负荷运行的工况下，采用进气冲程喷射，且在上止点前曲轴转角为250～300度时，所述喷油器开始喷射；

在汽油机中小负荷运行工况下，采用压缩冲程喷射，且在上止点前曲轴转角为80～120度时，所述喷油器开始喷射。