CN108071516B - 火花点火直喷式发动机燃烧系统 - Google Patents

Abstract

直喷式分层充气内燃机包括用于接收空气燃料混合物的燃烧气缸和用于将空气引入燃烧气缸的进气口。直喷式发动机还包括燃料喷射器，该燃料喷射器配置为以基本上与气缸中心轴线对准的喷雾图案输送气缸内的燃料以产生空气燃料混合物。火花点火器位于喷雾图案的路径内以引发空气燃料混合物的燃烧。直喷式发动机进一步包括限定燃烧气缸的下边界以容纳空气燃料混合物的燃烧的可移动活塞。活塞配置为包括碗部，该碗部具有位于燃烧气缸的进气口侧的局部几何特征以便朝涡流重新定向流体流，该涡流与气缸中心轴线附近的燃烧位置流体连通。

Description

火花点火直喷式发动机燃烧系统

技术领域

本公开涉及火花点火直喷式内燃机的燃烧管理。

背景技术

燃料喷射器调节内燃机的燃料输送进入或者燃烧室上游的进气歧管或者直接进入燃烧室。燃料喷雾的雾化可增强汽化并增加与空气的混合以获得最佳燃烧并且因而发动机功率产生。另外，雾化可促进空气燃料混合物的更完全燃烧，从而使燃烧的不期望副产物的形成最少化，并防止不受控的燃烧事件。

根据功率需求和其他发动机操作状态，具有直接燃烧喷射的火花点火发动机可使用分层燃烧充气策略和均质燃烧充气策略来操作。在高负荷状态下，垂直涡流(还称为翻转流体流)可增强空气燃料混合并促进改进的燃烧。然而，SIDI发动机可使用稀空燃比和分层充气在低负荷状态下操作，且对于维持最佳燃烧状况，翻转流体流可存在独特挑战。

发明内容

直喷式分层充气内燃机包括用以接收空气燃料混合物的燃烧气缸和用以将空气引入燃烧气缸的进气口。直喷式发动机还包括燃料喷射器，该燃料喷射器配置为以基本上与气缸中心轴线对准的喷雾图案输送气缸内的燃料以产生空气燃料混合物。火花点火器位于喷雾图案的路径内以引发空气燃料混合物的燃烧。直喷式发动机进一步包括限定燃烧气缸的下边界以容纳空气燃料混合物的燃烧的可移动活塞。该活塞配置为包括碗部，该碗部具有位于燃烧气缸的进气口侧的成角度重入边缘以便朝涡流重新定向流体流，该涡流与气缸中心轴线附近的燃烧位置流体连通。

可移动活塞布置为根据燃烧循环在直喷式发动机的燃烧室内行进。可移动活塞包括配置为抵靠燃烧室的一侧密封的侧部和限定燃烧气缸的下边界以容纳燃烧循环期间的空气燃料混合物的上表面。可移动活塞还包括形成在上表面中以接收大致沿气缸中心轴线的位置处分配的燃料喷射的活塞碗。活塞碗配置为限定从气缸中心轴线沿第一方向朝侧部横向延伸一定距离的底部，该距离大于从气缸中心轴线沿相对第二方向延伸的距离。

直喷式分层充气内燃机包括用以接收空气燃料混合物的燃烧气缸和用以将空气引入燃烧气缸的进气口。直喷式发动机还包括燃料喷射器，该燃料喷射器配置为在所述气缸内大致在气缸中心轴线附近的位置处发射燃料喷雾图案以产生空气燃料混合物。火花点火器位于燃料喷雾图案的路径内以引发空气燃料混合物的燃烧。直喷式发动机进一步包括限定燃烧气缸的下边界以容纳空气燃料混合物的燃烧的可移动活塞。可移动活塞包括限定底部的活塞碗，该底部从气缸中心轴线沿第一方向朝侧部延伸一定横向距离，该横向距离大于从气缸中心轴线沿相对第二方向延伸的距离。

附图说明

图1是沿图3的线1-1的燃烧室的局部截面图。

图2是沿图3的线2-2的燃烧室的局部截面图。

图3是燃烧室的示意性俯视图。

图4A-4E是描绘空燃比轮廓和流体流矢量的计算机模拟结果。

图5是根据实施例的活塞头的透视图。

图6是根据第一备选实施例沿线6-6的活塞头的截面图。

图7是根据第二备选实施例沿线6-6的活塞头的截面图。

图8是根据第三备选实施例沿线6-6的活塞头的截面图。

图9是根据第四备选实施例沿线6-6的活塞头的截面图。

具体实施方式

本文描述了本公开的实施例。然而，应当理解，所公开实施例仅仅是实例，且其他实施例可以采取各种形式和备选形式。附图并不一定是成比例的；一些特征可以被放大或最小化以显示特定元件的细节。因此，在本文公开的特定结构和功能性细节不应解释为限制，而是仅仅解释为用于教导本领域技术人员以各种方式利用本发明的代表性基础。如本领域普通技术人员所理解，参照附图中的任何一个示出和描述的各种特征可以与在一个或多个其他附图中示出的特征结合以产生未明确示出或描述的实施例。所示出的特征的组合提供典型应用的代表性实施例。然而，符合本公开的教导的特征的各种组合和修改可以期望用于特定应用或实施方式。

分层充气火花点火直喷式(SIDI)内燃机可操作用以降低汽油发动机的总燃料消耗。然而，即使在SIDI发动机中，某些状态下的不完全燃烧限制效率并导致发动机废气中的副产物增加。不完全燃烧可能是由于不能维持在火花塞附近的适量空气燃料混合物，从而导致燃料与空气的混合不足或混合过度。混合不足或混合过度区域涉及燃料消耗以及碳氢化合物和一氧化碳的排放增加。

几个不同设计策略可以用于控制SIDI发动机的燃料喷射和火花定时。例如，壁引导型燃烧系统与燃烧室的一个或多个壁和活塞的上表面联合大量使用由燃料喷射器和进气口诱导的旋涡型流体流(即，水平流顶点)以朝火花塞重定向燃料喷雾。为了避免高背压(即，燃烧室中的高压)下活塞表面上的过度喷雾撞击，以及允许燃料有足够时间从活塞回弹到火花位置，这些系统需要相对早的喷射定时。壁引导型系统的从侧面安装喷射器下行到活塞的上表面并向上返回到火花塞的增加的燃料路径产生许多过度混合机会，从而导致小于所有燃烧的燃料。此外，在以分层充气模式操作期间，大量燃料可撞击活塞表面，从而导致烟和碳氢化合物排放。为了改善在高负荷操作(约小于2巴BMEP)下的燃烧稳定性，进气口可能需要节流以降低空气进入，从而导致增加的泵送损失和降低的效率。

在第二实例中，喷雾引导燃烧系统经常使用燃料喷雾动量以形成空气燃料混合物。在这种情况下，燃料喷射器和火花塞可以更紧密地布置在气缸内的空间中以更快地点燃从燃料喷射器射出的燃料。与紧密接近度相关，这些系统可能需要点火和燃料喷射的关闭正时，从而留出仅用于火花塞点火的喷射结束附近的小窗户。较短定时界限控制灵活性并允许燃料液滴较短时间蒸发。这可导致液滴和非常富燃料混合物的燃烧，从而导致烟排放。还与燃料喷射器或火花塞的接近度相关，这种系统较可能不耐受空气燃料混合物的翻转流体流(即，垂直涡流)。

参照图1至图3，提供了示例性SIDI发动机的燃烧室。活塞12在封闭端气缸14内移动并与气缸14协作以限定可变体积燃烧室16。活塞12包括沿燃料主要喷射的方向定位的成形凹槽18。燃烧室16配置有协作布置成调节空气燃料混合物和燃烧定时的火花塞20和燃料喷射器22。燃料喷雾图案24在整个燃烧室16分配燃料用于燃烧。来自喷射器22的燃料喷雾图案24布置成使得火花塞20的火花点火器位于喷雾图案的路径内。具体参照图2的截面图，燃料喷射器22使其喷嘴位于气缸14内的大致中心位置处。同样，喷雾图案24与气缸中心轴线26基本对准以产生空气燃料混合物。火花塞20相对于燃料喷射器22偏移，但还与图2的视图中的中心轴线26对准。燃料喷射器22和火花塞20布置成纵向布图，使得进气口28位于由穿过燃料喷射器和火花塞的管线限定的轴线的第一侧上，且排气口30位于穿过燃料喷射器和火花塞的管线的相对第二侧上。在一些实施例中，由于发动机布图、包装和其他考虑，燃料喷射器的喷嘴位置和气缸中心轴线26之间可以有偏移。不管任何必需的偏移值，根据本公开的一些方面，燃料喷射器位置位于最中心位置以尽可能产生燃烧室的中心附近的燃烧区域。

具体参照图1的截面图，燃料喷射器22的对准轴线32相对于气缸中心轴线26倾斜，从而限定角度θ。尽管图1的实例描绘了θ的正值，但应当认识到，一些实例可包括燃料喷射器，该燃料喷射器沿相对于彼此正交(即，θ基本为零)的两个视角中的每一个与中心轴线26基本平行地排列。根据一个实例，α等于约5度。燃料喷射器22和火花塞20中的每一个的位置和取向可出于这些考虑如包装、喷射器喷雾图案、火花隙突起、火花隙和喷射器喷嘴之间的距离等。不考虑喷射器角度，喷射位置大致位于气缸中心轴线26附近。

在图1和2的实例中，燃烧通过燃料喷射孔的设计来控制。就是说，活塞12的上表面34限定燃烧室的下部。且上表面34包括作为用于容纳压缩冲程期间的燃料空气混合物的凹槽18的一部分的碗部36。根据一些实例，当活塞处于上死点(TDC)时，碗部36的体积是总燃烧室体积的约50百分比。火花塞的激活被定时成使得燃料喷雾的后缘通过火花塞点燃。为了影响横穿燃烧室的燃料密度的总体分布以及避免不期望的饱和，燃料喷雾可以分离成多个较小的燃料脉冲，其中点火火花可以根据后续燃料脉冲来定时。

为了满足全负荷转矩和功率需求，燃烧可以获益于布置成引起流体流中的高翻转或垂直涡流的进气口。在中等和低负荷状态下，SIDI发动机配置为使用稀空燃比来操作。在这些情况下，在中等和低负荷期间，高翻转用于稀分层燃烧性能可能不太理想，因为它可能破坏分层过程并阻止活塞碗内空气燃料充气的充分密封。

参照图4A至图4E，计算机预测的燃料密度和空气流矢量示出用于实例性局部负荷稀分层操作状态。图中的每一个反映了活塞的压缩冲程期间时间的增量。模拟结果中的每一个的视图对应于图2的截面图。增量中的每一个的相对定时通过曲轴的旋转角度以曲柄角度(CAD)表示。CAD是指当其在燃烧气缸内侧行进时发动机的曲轴相对于活塞的位置。CAD值中的每一个对应于活塞头相对于TDC位置的位置。从图4A至图4E，在燃烧循环的压缩冲程期间活塞头朝TDC位置前进(例如，CAD＝720度)。

参照图4A，初始燃料喷雾图案124在对应于约CAD 690度的定时下从气缸中心轴线附近的燃料喷射位置100发射。在初始燃料喷雾图案124的后端附近，燃料通过火花塞点燃。

图4B描绘了对应于约CAD 692度的空气燃料混合物的预测流体流矢量和燃料密度。箭头110指示由于流动操作状态引起的预测翻转涡流的存在。由箭头110表示的涡流的位置在燃料较密集区域附近，并因此通过朝引发燃烧的中心部分抽回混合物的燃料密集部分来有助于气缸内的燃料和空气的混合。

参照对应于约CAD 696度的图4C，可以看出，较高燃料含量区域开始横跨气缸进一步远离中心横向地分配。应当注意，虽然由箭头110表示的翻转涡流通常在相同位置，但有助于推进较高燃料含量区域的部分远离中心燃烧区域。

参照对应于约CAD 700度的图4D，具有燃料喷雾图案134的后续燃料脉冲在压缩冲程后期喷射进入活塞碗，故当与保留在气缸内的空气混合时其可以容纳在碗部内。在图4A至图4E的实例中，CAD 690度处的初始燃料脉冲和约CAD 700度的后续第二脉冲之间具有约1毫秒停歇。后续燃料喷射的喷雾图案134进一步影响空气燃料混合物的流体流和横跨燃烧气缸的燃料密度分布。

参照对应于约CAD 704的图4E，燃烧区域的中心部分具有与后续燃料脉冲有关的较大燃料密度。后续燃料脉冲和碗部的中心附近的相应后循环燃烧的组合实际上可推进进气口侧上的前述未燃烧燃料进一步远离燃烧区域。由图4E可知，进气口侧上由箭头110表示的高翻转涡流的位置更靠近碗部的中心偏移，且在燃烧随时间进展时朝中心拉回高燃料密度部分时不太有效。可以朝气缸的中心和活塞碗的边缘附近的较高燃料密度区域130在燃烧区域之间存在一点或不存在燃烧密度的地方诱导分隔间隙120。换句话说，较高燃料密度区域130变得与燃烧区域分离，从而允许一些空气燃料充气保持未燃烧。进一步地，空气燃料充气区域130的部分开始完全逸出活塞碗，从而导致亚最佳燃烧效率，从而导致高燃料消耗、高碳氢化合物和一氧化碳排放以及高燃烧不稳定性。

根据本公开的一些方面，活塞碗的几何形状可以配置为采用在较宽范围负荷状态下的翻转涡流的优点。就是说，在具有高程度翻转流的低负荷情形期间，该形状可以有助于更好地容纳空气燃料混合物，这对于稀分层燃烧状况通常可能不理想。碗部的形状可以配置为与翻转效果一致以使这些低负荷状态下的燃烧效率最大化。液流的残留的高燃料密度部分可迫使保持与翻转涡流更好接触，以降低或减少逸出燃烧区域的燃料的量，从而在活塞碗的中心附近大量出现。

本公开提供了许多不同活塞碗设计，每个设计有助于在燃烧过程期间甚至在高翻转流体流的存在下将空气燃料充气容纳在活塞碗中。碗部设计中的每一个有助于防止溢入未燃烧的空气燃料混合物的挤压区域。通过使空气燃料充气容纳在碗部内，火焰能够到达活塞碗内的所有空气燃料混合物。燃烧效率被提高，这导致降低的燃料消耗、降低的碳氢化合物和一氧化碳排放以及改善的燃烧稳定性。进一步地，各种碗部形状不抑制高负荷期间高翻转流的功能，从而保持高负荷转矩和功率需求。

图5是活塞头212的透视图，该活塞头212布置成使用于高负荷和低负荷状态的燃烧气缸内的高翻转流的燃烧效率最大化。活塞212可包括对应于进气阀的一对切口214。活塞头212还可包括对应于燃烧气缸的排气阀的一对切口216。中心碗部236配置为增强具有多个燃料脉冲和翻转流动涡流的气缸的中心附近的燃烧。更具体地，燃烧室的进气侧上的壁138可以独特地配置为维持空气燃料混合物的外部与碗部236的中心附近的燃烧区域相连。壁138可包括在存在翻转流体流的低负荷操作状态期间用以促进完全燃烧的任意数量的改进的组合。

参照图6，活塞212被改进以最大化燃烧效率。活塞碗的底部沿进气口的方向延伸，从而允许空气燃料混合物在碗部内行进更长路径。与离开碗部和逸出燃烧区域不同，结果是保留在活塞碗中的较大体积的空气燃料混合物。由于混合物保持与待燃烧的混合物的其他部分相连，故其允许火焰追上未燃烧混合物并完成更多完全燃烧。第一改进壁338相对于进气口侧上的基线壁238朝气缸盖212的边缘径向向外偏移以增强以上刚刚描述的燃烧。结果是沿增强燃料空气混合物的外部和混合物的燃烧部分之间的连接的方向伸长的活塞碗338。根据一些实例，碗部336相对于垂直线不对称，使得进气口侧上的径向距离从r1的值增加到r1+Δr的值。在特定实例中，径向距离增加约15至35百分比(即，0.15*r1＜Δr＜0.35*r1)。在特定实例中，碗部336限定相对于气缸中心轴线26的不对称形状。如上所述，碗部的中心轴线和燃烧室的中心轴线之间可以有偏移。

参照图7，活塞212以不同方式改进以提高燃烧效率。基线壁238可以重新取向以影响经过其的燃料空气混合物的流动方向。结果是横过碗部436的边缘的较少流体流以及燃料空气混合物的外部和碗部的中心附近的混合物的燃烧部分之间的更好连续性。在气缸的进气口侧，第二改进壁438以α为角度以增强返回碗部的中心的流体流的重入。根据一些实例，20度≤α≤40度。根据一个特定实例，角度α等于约28度。

参照图8，活塞碗536的壁538沿如上所述的进气口的方向横向延伸，而且底部540加深以进一步增加在活塞碗536内捕集的空气燃料混合物的体积。底部540被加深约h1的尺寸。在一些实例中，碗部被加深约1毫米至5毫米的量。根据特定实例，h1可以是约3.2毫米。使碗部内容纳更多的燃料空气混合物还允许火焰追上未燃烧混合物并完成更多完全燃烧。图8的实例中提供的第二深度改进包括增加基线上表面242的高度。当活塞212到达TDC时，增加的高度可有助于抵抗活塞碗536的边缘上方的流体流。上表面242可限定进气侧上的延伸壁542以进一步抵抗由于燃烧气缸内的流体流垂直翻转引起的燃料和空气横过活塞碗边缘。基线上表面242被提升尺寸h2以辅助容纳燃料空气混合物。在一些实例中，上表面被提升约3毫米至7毫米的量。根据特定实例，h2可以是约4.8毫米。应当认识到，高度h2可以由TDC处的活塞上表面和气缸盖(未示出)的下侧(其可以是气缸体积的上界)之间的设计间隙来限制。在一些实例中，活塞212的基线上表面242在气缸的进气口侧以及气缸的排气口侧均被提升。进一步地，延伸壁542的附加质量可以配置为改变气缸体积，从而影响燃烧循环的总压缩比。

增加捕集在活塞碗中的空气燃料混合物的体积增强中度和低负荷状态期间的燃烧，但在高负荷操作状态下可承担一些缺点。例如，在节气门全部打开状况期间捕集碗部的基部处的未燃烧或未混合的空气或燃料具有较高风险，在燃烧循环期间其是使用最高燃料质量操作。碗部的局部区域中的较多体积的增加可使其自身不允许足够时间来燃烧增加的燃料或空气质量。

参照图9，燃烧增强特征中的每一个的组合可以在单个活塞设计上实施。就是说，流动行进改进Δr、重入改进α、局部碗部深度改进h1以及上表面高度改进量h2中的每一个可以一起使用以产生相对于单个特征的附加益处。总的说来，集体改进有助于减小高空气燃料比区域的间隔使得当发生后续燃料相和相应燃料燃烧时，没有由于燃料空气混合物逸出活塞碗导致的间隙区域。应当认识到，尽管图9的实例包括四种类型的活塞几何形状改进的组合，但本文公开的改进的任意数量或组合可以根据本公开的方面来使用。

尽管以上描述了示例性实施例，但不意味着，这些实施例描述了权利要求所涵盖的所有可能形式。说明书中使用的词汇是描述性而非限定性词汇，且可以理解的是，在不脱离本公开的精神和范围的前提下可以作出各种变化。如上所述，各实施例的特征可以被组合以形成未明确描述或示出的本发明的进一步的实施例。尽管各实施例可以描述为提供相对于一个或多个期望特征的优点或者优于其他实施例或现有实施方式，但本领域普通技术人员认识到，一个或多个特征或特点可能受限，以获得期望总系统属性，这取决于特定应用和实施方式。这些属性可包括但不限于成本、强度、耐用度、生存周期成本、适销性、外观、包装、大小、适用性、重量、可制造性、组装简单等。同样地，描述为相对于一个或多个特征较其他实施例或现有实施方式不太理想的实施例不在本公开的范围之外，且可期望用于特定应用。

Claims (10)

1.一种直喷式分层充气内燃机，其包括：

燃烧气缸，其用于接收空气燃料混合物；

进气口，其将空气引入所述燃烧气缸；

燃料喷射器，其配置为以基本上与气缸中心轴线对准的喷雾图案输送所述气缸内的燃料以产生所述空气燃料混合物，其中所述燃料喷射器包括中心地定位在气缸内的喷嘴，并且所述喷嘴配置为以基本上与气缸中心轴线对准的喷雾图案喷射燃料；

火花点火器，其位于所述喷雾图案的路径内以引发所述空气燃料混合物的燃烧，其中所述火花点火器与燃料喷射器偏移；以及

可移动活塞，其限定所述燃烧气缸的下边界以容纳所述空气燃料混合物的所述燃烧，其中所述活塞包括碗部，所述碗部具有仅位于所述燃烧气缸的进气口侧的成角度重入边缘以便朝涡流重新定向流体流，所述涡流与所述气缸中心轴线附近的燃烧位置流体连通。

2.根据权利要求1所述的内燃机，其中所述碗部相对于所述气缸中心轴线不对称，所述碗部限定所述燃烧气缸的所述进气口侧上的第一开口边缘，所述第一开口边缘相对于所述燃烧气缸的排气口侧上的相对第二开口边缘朝活塞头的外边缘进一步延伸。

3.根据权利要求2所述的内燃机，其中所述碗部限定相对于所述气缸中心轴线的半径rl，且所述第一开口边缘延伸△r，其中0.15*rl≤△r≤0.35*rl。

4.根据权利要求1所述的内燃机，其中所述碗部限定燃烧室的进气口侧上的第一深度，所述第一深度比所述燃烧室的相对排气口侧上的第二深度深。

5.根据权利要求1所述的内燃机，其中所述成角度重入边缘相对于所述气缸中心轴线以角度α取向，且20度≤α≤40度。

6.根据权利要求1所述的内燃机，其中所述可移动活塞进一步包括从所述活塞的上表面延伸，在所述碗部的外边缘附近的延伸壁。

7.根据权利要求6所述的内燃机，其中所述延伸壁位于所述燃烧气缸的所述进气口侧。

8.一种布置为根据燃烧循环在直喷式发动机的燃烧室内行进的可移动活塞，所述可移动活塞包括：

配置为抵靠所述燃烧室的一侧密封的侧部；

上表面，其限定所述燃烧气缸的下边界以容纳所述燃烧循环期间的空气燃料混合物；以及

活塞碗，其形成在所述上表面中以接收大致沿气缸中心轴线的位置处分配的燃料喷射，其中所述活塞碗限定从所述气缸中心轴线沿第一方向朝侧部横向延伸一定距离的底部，所述距离大于从所述气缸中心轴线沿相对第二方向延伸的距离，其中所述底部在限定进气口侧的气缸中心轴线的一侧上比限定排气口侧的气缸中心轴线的相对侧延伸更深的深度；

其中所述活塞碗具有仅位于进气口侧的成角度重入边缘。

9.根据权利要求8所述的可移动活塞，其中自所述气缸中心轴线的所述第一方向在所述燃烧气缸的进气口侧上取向。

10.根据权利要求8所述的可移动活塞，其中所述活塞碗限定相对于所述燃烧气缸的相对排气口侧在所述气缸的进气口侧上的较深深度。

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