CN110925077B - 压燃射流着火燃烧系统及燃烧控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及汽油机燃烧控制方法技术领域，尤其涉及一种压燃射流着火燃烧系统及燃烧控制方法。该压燃射流着火燃烧系统中，歧管喷油器和直喷喷油器共同构成双喷射结构，并无需在燃烧系统内设置火花塞。该燃烧系统的歧管喷油器的喷射口与进气通道连接；射流室设置在主燃室内，直喷喷油器的喷射口与射流室连接，射流室用于使直喷喷油器喷出的燃油被压燃以形成压燃燃气，并将压燃燃气分别散射到主燃室内。该燃烧系统在现有的发动机基础上无需复杂结构改动，成本低，保证燃烧稳定且鲁棒性强；与现有技术中的传统火焰射流燃烧模式相比具有更低的燃烧温度，降低发动机的机内氮氧化物排放，减轻稀燃催化剂负担，并实现了射流室与主燃室分时分区可控自燃。

Description

压燃射流着火燃烧系统及燃烧控制方法

技术领域

本发明涉及汽油机燃烧控制方法技术领域，尤其涉及一种压燃射流着火燃烧系统及燃烧控制方法。

背景技术

节能减排车用发动机长期以来的主题。而汽油机作为乘用车发动机的主力，其高效清洁燃烧以实现极致热效率是近年来研究的热点。在电气化趋势日益明显的技术背景下，混合动力技术使传统汽油机中的某些新型燃烧方式在混动实车环境下应用出现可能，各大车企与相关研究院所正在积极研发混合动力专用汽油机。

在电机的辅助下，汽油机的转速与负荷同整车车速与动力需求解耦，运行工况点的自由度大幅增加。而以增程式与深度混联为代表的混合动力构型中，汽油机多数情况被优化在中等负荷的高效区工作，工况变化小，这既避免了爆震问题，又为均质混合气压缩着火(HCCI)、火花点火辅助压缩着火(SACI/SICI/SPCCI)、湍流射流点火(TJI/DJI)等燃烧模式的应用提供外部环境。

但是，相比于HCCI燃烧，火花点火辅助压缩着火能够提高发动机燃烧相位控制力，拓展发动机工作点向更高负荷移动，但火花点火受到稀燃极限的影响，即使采用分层混合气也容易产生较大循环波动。另一方面，湍流射流点火常用于点燃式发动机的稀薄燃烧，其中被动型射流室(射流室内无喷油器仅火花塞)易受残余废气影响，拓展稀燃极限的能力较低；而主动型射流室(射流室内喷油器与火花塞并存)能够实现主燃室燃空当量比0.4条件下的稳定燃烧。由于火花点火的高温热焰与传统金属射流室的高散热特点，相同当量比条件下，TJI的氮氧化物排放比低温自燃着火高，同时启动(冷起动)工况易失火。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明实施例提供了一种压燃射流着火燃烧系统及燃烧控制方法，用以解决现有的燃烧系统中火花点火受到稀燃极限的影响，容易产生较大循环波动，而湍流射流点火启动困难、氮氧化物排放高的缺陷。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种压燃射流着火燃烧系统，包括主燃室、射流室、直喷喷油器和歧管喷油器，所述主燃室分别连接有进气通道和排气通道，所述歧管喷油器的喷射口与所述进气通道连接；所述射流室设置在所述主燃室内，所述直喷喷油器的喷射口与所述射流室连接，所述射流室用于使所述直喷喷油器喷出的燃油被压燃以形成压燃燃气，并将所述压燃燃气分别散射到所述主燃室内。

在部分实施例中，所述射流室包括射流壁和若干个射流孔，所述射流壁连接在所述主燃室的顶部，以将所述主燃室内分隔为气缸和所述射流室，所述进气通道和所述排气通道分别与所述气缸连接；所述射流壁上分布有若干个所述射流孔，所述射流孔用于将所述射流室内的压燃燃气分别散射到所述气缸内。

在部分实施例中，所述射流壁上朝向所述射流室的表面设有隔热层，所述隔热层用于使所述射流室与所述主燃室在压缩上止点前的温度差不低于60K。

在部分实施例中，所述气缸的两侧分别设有进气门和排气门，所述射流室设置在所述气缸的缸盖底面中心，并位于所述进气门和排气门之间，所述直喷喷油器沿所述主燃室的轴向连接在所述射流室的顶部；所述进气门和排气门分别与所述进气通道和排气通道连接。

在部分实施例中，所述主燃室底部设有活塞，所述活塞的几何压缩比不低于17，且有效压缩比不低于13，所述主燃室的压缩上止点的温度范围为750K～860K，所述射流室的容积为所述主燃室容积的1.5％～2％。

本发明还提供了一种基于上述压燃射流着火燃烧系统的燃烧控制方法，其特征在于，该方法应用于所述压燃射流着火燃烧系统处于启动工况、小负荷工况和中负荷工况运行情况下；

该方法具体包括：

利用所述歧管喷油器向所述进气通道内喷射燃油，以使所述主燃室的下部形成温和自燃区；

利用所述直喷喷油器向所述射流室内喷射燃油，所述射流室内的燃油被压燃形成压燃燃气以后，所述射流室将所述压燃燃气分别向所述主燃室内的温和自燃区上散射，以在所述温和自燃区上方形成若干条压燃射流；

所有的所述压燃射流分别与所述温和自燃区的表面相接触并产生点燃反应，从而使所述温和自燃区的表面形成湍流多火焰面；

所述湍流多火焰面在传播后产生末端自燃。

在部分实施例中，在所述压燃射流着火燃烧系统处于中负荷工况运行时，通过调整所述压燃射流着火燃烧系统的负阀重叠期，以使所述射流室内的废气再循环率为20％～30％；

所述歧管喷油器在所述压燃射流着火燃烧系统的进气行程进行喷射，且所述主燃室内的目标燃空当量比为0.4～0.6，其中所述歧管喷油器的喷射时刻的选取范围为所述负阀重叠期结束后至所述进气行程内早于压缩上止点前240度的时段；

所述直喷喷油器在所述压燃射流着火燃烧系统的进气行程和压缩行程各进行一次喷射，其中所述直喷喷油器在进气行程的喷射时刻选取范围为所述压缩上止点前180度～220度，所述直喷喷油器在压缩行程的喷射时刻选取范围为所述压缩上止点前10度～30度的时段；

所述直喷喷油器的喷射燃油量占燃油喷射总量的25％～35％。

在部分实施例中，在所述压燃射流着火燃烧系统处于启动和小负荷工况运行时，通过调整所述压燃射流着火燃烧系统的负阀重叠期，以使所述射流室内的废气再循环率为40％～50％；

所述压燃射流着火燃烧系统启动时，增加所述歧管喷油器的喷射量以使所述主燃室内的目标燃空当量比为0.7，所述压燃射流着火燃烧系统启动平稳后进入小负荷工况运行，此时所述主燃室内的燃空当量比为0.4；

所述歧管喷油器在所述压燃射流着火燃烧系统的负阀重叠期进行喷射；

所述直喷喷油器在所述压燃射流着火燃烧系统的压缩行程内进行单次喷射，其中所述直喷喷油器在压缩行程的喷射时刻选取范围为所述压缩上止点前10度～20度的时段；

所述射流室内的燃空当量比为1.5～2.0。

在部分实施例中，所述末端自燃的压力振荡幅值不超过0.3MPa，最大压力升高率不超过0.5MPa/度，且所述末端自燃引起的峰值压力的对应相位范围为压缩上止点后5度～15度的时段。

在部分实施例中，所述压燃射流着火燃烧系统的启动工况通过驱动电机的倒拖进行，所述驱动电机处于倒拖工况时所述压燃射流着火燃烧系统的目标转速为1000r/min～1500r/min，持续时间小于0.4s。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有以下有益效果：本发明所述的压燃射流着火燃烧系统(简称为燃烧系统)中，歧管喷油器和直喷喷油器共同构成双喷射结构，并且无需在燃烧系统内设置火花塞。该燃烧系统的主燃室分别连接有进气通道和排气通道，歧管喷油器的喷射口与进气通道连接；射流室设置在主燃室内，直喷喷油器的喷射口与射流室连接，射流室用于使直喷喷油器喷出的燃油被压燃以形成压燃燃气，并将压燃燃气分别散射到主燃室内。该燃烧系统仅增加低散热的射流室并无需配置火花塞，解决了现有技术中传统火花塞稀薄环境点火循环波动大的问题，也解决了现有技术中传统火焰射流点火冷起动困难、氮氧化物排放高的问题，还解决了乙醇汽油难自燃、难控制的问题。

第二方面，该燃烧系统可直接适用在现有发动机的结构基础上，无需复杂结构改动，硬件成本低；燃烧控制方法简单，基于现有控制机构即可实现，软件成本低；将主燃室的结构设置与燃料化学特性相结合，保证燃烧稳定且鲁棒性强；与现有技术中的传统火焰射流燃烧模式相比，本发明实现的压燃射流燃烧模式的燃烧温度更低，能进一步拓展燃油的稀燃极限，提升燃油的燃烧鲁棒性，降低发动机的机内氮氧化物排放，减轻稀燃催化剂负担，并且将射流着火与可控自燃着火很好的结合，实现了射流室与主燃室分时分区可控自燃。本发明的燃烧控制方法通过现有燃烧系统所配备的控制器与喷油器即可实现，无新开发成本，实用性较强。

第三方面，从燃料与能源安全角度考虑，本发明的燃烧系统和燃烧控制方法是适用于稀薄环境下乙醇汽油高效清洁燃烧系统和燃烧控制方法，符合低碳、含氧、可再生燃料等现今车用燃料的发展方向，具有重大的环保和节能减排的意义。

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简单地介绍，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为本发明实施例的压燃射流着火燃烧系统的结构示意图；

图2为图1中S处的放大示意图；

图3为本发明实施例的压燃射流着火燃烧系统实现分时分区可控低温自燃的原理图；

图4为本发明实施例的压燃射流着火燃烧系统在不同工况下的喷射策略示意图；

图5为本发明实施例的压燃射流着火燃烧系统在不同负荷条件下实现不同燃烧模式的缸压示意图。

其中，1、活塞；2、主燃室；3、歧管喷油器；4、进气门；5、直喷喷油器；6、隔热层；7、射流室；8、排气门；9、射流壁；10、射流孔；

A1、压燃射流；A2、湍流多火焰面；A3、温和自燃区；

B1、B1’、负阀重叠期；B2、进气行程；B3、压缩行程；

C1、高负荷工况；C2、中负荷工况；C3、小负荷工况；

D1、发动机标定规避区；D2、启动和怠速区。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”和“若干个”的含义都是两个或两个以上。术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

如图1所示，本实施例提供的压燃射流着火燃烧系统(简称为燃烧系统)包括主燃室2、射流室7、直喷喷油器5和歧管喷油器3。其中，歧管喷油器3和直喷喷油器5共同构成双喷射结构，即歧管喷油器3和直喷喷油器5分别分时分区对主燃室2和射流室7内进行燃油喷射，从而实现压燃射流诱导点燃-压燃(CJI-SI-CI)燃烧模式。并且无需在燃烧系统内设置传统的火花塞，仅在主燃室2内增加低散热的射流室7，无需复杂燃烧系统结构改动，而是利用与乙醇活性相匹配的燃烧控制方法，从而实现发动机冷起动(启动工况)、小负荷工况和中负荷工况下的分时分区可控的快速压缩着火。

图1所示的燃烧系统处于中负荷工况下，该燃烧系统实现了CJI-SI-CI模式的缸内燃烧过程。具体的，该燃烧系统的主燃室2分别连接有进气通道和排气通道，歧管喷油器3的喷射口与进气通道连接，歧管喷油器3向进气通道喷射的燃油通过进气门4进入主燃室2内并形成主燃室2内的稀薄可燃混合气，该部分可燃混合气在主燃室2底部的温和自燃区A3内产生自燃反应。射流室7设置在主燃室2内，直喷喷油器5的喷射口与射流室7连接，射流室7用于使直喷喷油器5喷出的燃油被压燃以形成压燃燃气，并将压燃燃气分别散射到主燃室2内，利用压燃燃气自射流室7向主燃室2内散射在主燃室2内的温和自燃区A3上方形成多条低温的压燃射流A1，从而利用多条压燃射流A1与温和自燃区A3的表面接触并起到点燃作用，从而在温和自燃区A3的表面形成湍流多火焰面A2，从而在主燃室2内产生三种燃烧模式，即多点火焰传播模式、多点自燃模式和火焰传播-自燃的两阶段模式。该燃烧系统通过低散热的射流室7以及主燃室2内的燃油蒸发冷却和高温残余废气的作用，使射流室7与主燃室2之间产生温差，确保射流室7中的燃油(本实施例为乙醇汽油)可靠自燃，从而在射流室7内产生压燃作用，进而提升主燃室2中超稀薄燃烧的鲁棒性。

本实施例所述的燃烧系统在中负荷工况下运行时，在进气门4开启后，歧管喷油器3与直喷喷油器5先后进行乙醇汽油喷射，在隔热层6、高温残余废气与燃油汽化潜热的共同作用下，射流室7内率先发生自燃，自燃产物经多孔扰动后被高速喷入主燃室2，在空间内引起非连续、多火焰面传播，稀薄混合气被快速消耗。火焰发展末期，在主燃室2近壁面出现温和自燃，从而实现压燃射流诱导点燃-压燃(CJI-SI-CI)燃烧模式。而对于小负荷工况下的CJI-CI模式，由于过量废气稀释与超稀薄环境，压燃射流A1在主燃室2内不能引起有效火焰传播，因此在主燃室2内只存在了整体温和自燃。以上两种燃烧模式均以压燃射流A1为燃烧起始点，对于重度稀释与超稀薄环境的容忍度远高于以传统火花点火触发燃烧的方式。同时，自燃属于低温链式着火，相比于高温火焰射流，在相同燃空当量比条件下，压燃射流A1的氮氧化物排放更低，受火焰淬熄效应影响小，未燃碳氢排放更低。

本实施例中，如图2所示，射流室7包括射流壁9和若干个射流孔10。射流壁9连接在主燃室2的顶部，以将主燃室2内分隔为气缸和射流室7，气缸位于射流室7的下方。进气通道和排气通道分别与气缸连接，上述的温和自燃区A3位于气缸缸体内的活塞1上。优选活塞1为高压缩比活塞1，活塞1的几何压缩比不低于17，其有效压缩比不低于13，以保证气缸内具有750K～860K的压缩终点温度。优选射流室7的容积为主燃室2容积的1.5％～2％。

本实施例中，气缸的两侧分别设有进气门4和排气门8，射流室7设置在气缸的缸盖底面中心，并位于进气门4和排气门8之间，进气门4和排气门8分别与进气通道和排气通道连接。直喷喷油器5沿主燃室的轴向连接在射流室7的顶部。直喷喷油器5优选采用中置布置，即如图1所示垂直连接在主燃室2的缸盖顶部中间，直喷喷油器5支持多段喷油，其喷射压力不低于350bar，以保证射流室7的受限空间内的良好雾化。

本实施例中，如图2所示，射流壁9上分布有若干个射流孔10，射流孔10用于将射流室7内的压燃燃气分别散射到气缸内。每个射流孔10的一端均连接射流室7内，另一端均连接气缸内。在射流壁9上朝向射流室7的表面设有隔热层6，隔热层6用于使射流室7与主燃室2在压缩上止点前的温度差不低于60K。优选射流室7的整个内壁都设有隔热层6，隔热层6采用现有的发动机使用的隔热材料。通过在射流室7内壁设置隔热层6，有效降低射流室7的传热损失，并保证射流室7与主燃室2产生温差，从而将此温差与乙醇的化学活性变化特征相结合，充分利用乙醇高辛烷值敏感度的特点，实现射流室7与主燃室2分时分区可控自燃。进一步的，隔热材料包括但不局限于陶瓷和高分子材料。

优选的，射流孔10的数量为6～10个，最好能与直喷喷油器5的喷油口的孔数保持一致。其中，由于射流壁9将主燃室2顶部围成射流室7，则射流壁9具有底面和侧面，位于射流壁9底面上射流孔10的孔径优选为0.8mm～1.2mm，位于射流壁9侧面上射流孔10的孔径优选为1.0mm～1.5mm，且保证位于射流壁9侧面上的射流孔10的孔径大于位于射流壁9底面上射流孔10的孔径，以保证射流室7与主燃室2在换气充分的前提下，更好的缩短主燃室2中部的射流贯穿距离。

基于上述的燃烧系统，本实施例还提供了一种压燃射流着火燃烧控制方法(简称燃烧控制方法)。该方法适用于压燃射流着火燃烧系统处于启动工况、小负荷工况和中负荷工况运行情况下。通过现有发动机的控制单元执行该燃烧控制方法，即可使燃烧系统实现可控的压燃射流A1低温着火。

具体的，该方法具体包括：

S1、利用歧管喷油器3向进气通道内喷射适量燃油，以使主燃室2的下部形成温和自燃区A3；

S2、利用直喷喷油器5向射流室7内喷射燃油，射流室7内的燃油被压燃形成压燃燃气以后，射流室7将压燃燃气分别向主燃室2内的温和自燃区A3上散射，以在温和自燃区A3上方形成若干条压燃射流A1；

S3、所有的压燃射流A1分别与温和自燃区A3的表面相接触并产生点燃反应，从而使温和自燃区A3的表面形成湍流多火焰面A2；

S4、湍流多火焰面A2在传播后产生末端自燃。

可理解的是，根据发动机具体负荷需求，上述的S1～S4的工作时机分别具有适应性变化，而不是必须按照S1～S4的顺序进行。

具体的，根据发动机具体负荷需求，该方法可分为启动和小负荷工况模式以及中负荷工况模式。

在燃烧系统处于启动和小负荷工况模式运行时，通过调整燃烧系统的负阀重叠期(NVO期)，以使射流室7内的废气再循环率(i-EGR)为40％～50％。在燃烧系统启动时，增加歧管喷油器3的喷射量以使主燃室2内的目标燃空当量比为0.7；在燃烧系统启动平稳后进入小负荷工况模式运行，此时主燃室2内的燃空当量比为0.4。

在燃烧系统处于启动和小负荷工况模式运行时，歧管喷油器3在燃烧系统的负阀重叠期喷射适量乙醇汽油作为燃油，有利于燃料重整，提高燃油活性以避免失火。直喷喷油器5在燃烧系统的压缩行程B3内进行单次喷射，其中，直喷喷油器5在压缩行程B3的喷射时刻选取范围为：主燃室2(气缸)的压缩上止点前10°CA(度)～20°CA(度)的时段。射流室7内由直喷喷射形成的可燃混合气的燃空当量比为1.5～2.0，燃烧鲁棒性好。此时燃烧系统的燃烧模式为压燃射流诱导自着火(CJI-CI)燃烧。

在燃烧系统处于中负荷工况运行时，通过调整压燃射流着火燃烧系统的负阀重叠期(NVO期)，以使射流室7内的废气再循环率(i-EGR)为20％～30％。

根据具体负荷要求，歧管喷油器3在压燃射流着火燃烧系统的进气行程B2喷射适量乙醇汽油作为燃油，且主燃室2内的目标燃空当量比为0.4～0.6。其中歧管喷油器3的喷射时刻的选取范围为负阀重叠期结束后至进气行程B2内早于压缩上止点前240°CA的时段，即歧管喷油器3的喷射时刻应处于NVO期结束后以及进气行程B2的早期(应早于压缩上止点前240°CA)的进气门4升程较大的时段，以确保部分液态燃料能够直接进入主燃室2，降低主燃室2温度。

直喷喷油器5在燃烧系统的进气行程B2和压缩行程B3各进行一次喷射，直喷喷油器5喷射的燃油与歧管盆友器相同。其中，直喷喷油器5在进气行程B2的喷射时刻选取范围为进气行程B2的末期(即压缩上止点前180度～220度)，利用活塞1的泵吸效应使部分燃料能够进入主燃室2内，从而进一步降低主燃室2温度。优选直喷喷油器5在压缩行程B3的喷射时刻选取范围为：压缩上止点前10°CA～30°CA的时段，具体根据负荷决定。优选直喷喷油器5的喷射燃油量占双喷射结构的燃油喷射总量的25％～35％。

临近压缩上止点时，射流室7内发生低温自燃着火，自燃产物经由射流室7喷入主燃室2，先期引起多火焰面快速传播，后期产生温和末端自燃。由此可见，该工况模式下燃烧系统的总体燃烧模式为压燃射流诱导点燃-压燃(CJI-SI-CI)燃烧。

需要说明的是，上述乙醇汽油可以是目前10％体积分数乙醇的市售汽油(型号为E10)，标号92；也可以是不同乙醇添加比例的汽油，但其中乙醇体积分数不超过30％，研究法辛烷值介于85-92之间。

可理解的是，上述燃烧控制方法中所述的末端自燃的压力振荡幅值不超过0.3MPa(兆帕)，最大压力升高率不超过0.5MPa/°CA(兆帕/度)，且末端自燃引起的峰值压力的对应相位范围为压缩上止点后5°CA～15°CA的时段。

需要说明的是，上述的废气再循环率(i-EGR)的废气来源既包括利用负阀重叠强制留在气缸内参与下一循环的废气，又包括对于有外部废气再循环系统的发动机而言，利用进气行程B2阶段导入气缸的高温废气。上述的i-EGR为参与发动机下一循环工作的废气总量的统称。但若是发动机自身无外部废气再循环系统，则i-EGR仅指利用负阀重叠产生的废气再循环量。

本实施例中，燃烧系统的启动工况通过驱动电机的高速倒拖进行，从而实现快速暖机。驱动电机处于倒拖工况时燃烧系统(发动机)的目标转速为1000r/min(转/分钟)～1500r/min(转/分钟)，持续时间小于0.4s(秒)，即是说发动机在5个循环内即可实现稳定的CJI-CI燃烧模式。

以下对本实施例所述的燃烧系统及燃烧控制方法进行详细分析。需要说明的是，本实施例的燃烧系统及燃烧控制方法在计算时均以化学计量比条件下的氧气量作为基准，不考虑废气再循环量，以保证不同工况下的燃空当量比具有可比性。

图3所示为本实施例的燃烧系统利用低散热射流室7、燃油蒸发冷却与废气的高比热容，在射流室7与主燃室2之间形成不低于60K的温差，进而实现分时分区可控低温自燃的原理图。图3示出的实心三角形标记线代表：乙醇与汽油表征燃料的活性分界线。即在实心三角形标记线左上侧(①区)纯汽油的活性更强，更容易产生自燃；在实心三角形标记线右下侧(②区)乙醇的活性更强，更容易产生自燃。空心正方形标记线与空心圆形标记线分别代表：不同压缩比下，低散热射流室7与主燃室2内的压缩上止点的温度与压力。由于射流室7的射流壁9上存在多个小孔，在压缩行程B3时由于孔隙截流效应，射流室7内的压缩初始压力要低于主燃室2。另一方面，射流室7的低散热处理与更高的废气比例使射流室7内的压缩初始温度要高于主燃室2。根据汽油机正常进气温度，图3所示主燃室2内初始压力与温度分别设定为1.1bar、333K(60℃)，而射流室7内的初始压力与温度为0.9bar、363K(90℃)。图3所示的两个五角星点P分别代表：压缩比为13时，主燃室2与射流室7能够实现的温度与压力，两者温度相差74K。可以明显看出，点P所示的压缩比为13是乙醇表现出强活性的最低压缩比，而实际气体组分的变化与进气条件的波动会使主燃室2与射流室7的温差发生适当变化，因此，本实施例的燃烧系统中要求两者温差不能低于60K且有效压缩比不低于13。

图3中点画线为汽油的研究法辛烷值测试线，虚线为汽油的马达法辛烷值测试线。目前常见的汽油中存在约20％～30％芳烃，芳烃性质稳定，在900K以内化学惰性强，即使在高压缩比条件下也很难产生自燃。因此，实现可控的分时分区低温自燃需要利用强活性物质或者活性增强出现在发动机可以实现的温度压力条件下的高敏感度物质(如乙醇)。

图4示出了燃烧系统分别处于小负荷工况C3与中负荷工况C2下的缸压曲线与对应的燃烧控制方法(双喷射结构的喷射策略)。图4中的虚线表示小负荷工况C3下的缸压曲线，实线表示中负荷工况C3下的缸压曲线，点划线表示倒拖工况下的缸压曲线(用作对比)。其中，小负荷工况C3下的i-EGR为50％，以平均指示压力表征的负荷率为20％；中负荷工况C2下的i-EGR为30％，负荷率为33％。两种工况下发动机的转速均为1200r/min。对于小负荷工况C3，歧管喷油器3在NVO期B1进行单次喷油，喷射时刻为压缩上止点前330°CA，燃料在高温废气的作用下实现重整与活化。直喷喷油器5在压缩上止点前20°CA进行喷射，在大量高温废气与低散热设计的联合作用下，射流室7内乙醇汽油产生自燃，自燃产物喷入主燃室2，由于主燃室2内处于重度废气稀释与燃空当量比为0.4的超稀薄环境，射流不能在主燃室2内引起火焰传播，因而主燃室2内混合气整体温和自燃，实现压燃射流诱导自着火的燃烧模式CJI-CI燃烧模式。而在启动工况(冷起动工况)自燃更加困难，要求对主燃室2混合气进行加浓，实现燃空当量比为0.7，而双喷射结构的喷射策略(燃烧控制方法)与小负荷工况C3相近，这里不再赘述。

相比于图4所示的小负荷工况C3下燃烧系统的燃烧控制方法，中负荷工况C2的燃烧控制方法通过适当将进气门4关闭时刻提前，使NVO期B1的结束期早于压缩上止点330°CA，i-EGR随之降为30％。歧管喷油器3的喷射时刻为压缩上止点前313°CA，此时进气门4升程较大，有助于部分液态燃料直接从进气歧管流入气缸，降低主燃室2温度，燃油喷射量使主燃室2内形成燃空当量比为0.5的可燃混合气。直喷喷油器5在压缩上止点前210°CA进行第一次喷射，由于活塞1下行的泵吸作用，部分燃料经射流室7小孔引出进入主燃室2，利用燃料汽化潜热进一步降低主燃室2温度，为压缩上止点附近射流室7与主燃室2产生足够的温差提供基础。直喷喷油器5在压缩上止点前17°CA进行第二次喷射，由于喷射时刻在压缩上止点附近，低散热射流室7内乙醇汽油达到自燃点，产生压燃射流A1。由于射流室7容积仅占主燃室2总容积的1.5％～2％，因此，该部分燃料的放热在压力曲线上体现不明显。压燃射流A1进入主燃室2后，引起的多火焰面传播产生了有一定的压力升高，随后在近壁面出现整体温和自燃，压缩上止点后2°CA附近的压力快速升高但无压力振荡，峰值压力对应相位为压缩上止点后13.9°CA，最大压力升高率为0.22MPa/°CA，小于燃烧系统及燃烧控制方法中限定的0.5bar/°CA。考虑到在高负荷工况C2下实现CJI-SI-CI的燃烧模式，最大压力升高率需要具有一定裕度。

图5示出了不同燃烧模式的工况分布范围与相应的废气再循环总量要求。图5所示的斜线阴影区域为混动力发动机标定规避区D1，斜十字阴影区域为发动机的启动和怠速区。可以看出，对于本实施例提出的燃烧系统而言，处于高动力需求条件下，由于电机的动力辅助，发动机工作点将不处于高负荷工况C1区域，有效的避免了超高压缩比带来的早燃与超级爆震、高燃烧噪声等问题。同时，为了保证发动机高效运行，其工作点的转速不超过3000r/min，这一转速也处于目前新欧洲标准环(NEDC)与世界统一轻型车测试循环(WLTC)的转速上限附近。CJI-CI燃烧模式存在于启动和怠速区D2以及小负荷工况C3中，要求在压缩行程B3初始阶段有较多的高温废气，以提高压缩上止点时的温度与压力，确保可靠自燃同时放热强度可控，即“爆而不震”。CJI-SI-CI燃烧模式存在于中负荷工况C2，利用低散热射流室7、适量高温废气与液态燃料蒸发冷却，使射流室7与主燃室2产生温差，结合图4示出的乙醇化学特性，实现了射流室7自燃而主燃室2未自燃的分时分区可控低温自燃，大幅降低了氮氧化物排放。同时，射流室7喷出的自燃产物引起主燃室2出现多火焰面传播，快速消耗未燃混合气，降低了近壁面自燃时的混合气能量密度，在废气稀释与稀薄环境的共同作用下，剩余混合气整体温和自燃。

综上所述，本实施例的压燃射流着火燃烧系统中，歧管喷油器3和直喷喷油器5共同构成双喷射结构，并且无需在燃烧系统内设置火花塞。该燃烧系统的主燃室2分别连接有进气通道和排气通道，歧管喷油器3的喷射口与进气通道连接；射流室7设置在主燃室2内，直喷喷油器5的喷射口与射流室7连接，射流室7用于使直喷喷油器5喷出的燃油被压燃以形成压燃燃气，并将压燃燃气分别散射到主燃室2内。该燃烧系统仅增加低散热的射流室7并无需配置火花塞，解决了现有技术中传统火花塞稀薄环境点火循环波动大的问题，也解决了现有技术中传统火焰射流点火冷起动困难、氮氧化物排放高的问题，还解决了乙醇汽油难自燃、难控制的问题。

第二方面，该燃烧系统可直接适用在现有发动机的结构基础上，无需复杂结构改动，成本低；将主燃室2的结构设置与燃料化学特性相结合，保证燃烧稳定且鲁棒性强；与现有技术中的传统火焰射流燃烧模式相比，本发明实现的压燃射流A1燃烧模式的燃烧温度更低，能进一步拓展稀燃燃油的极限，提升燃油的鲁棒性，降低发动机的机内氮氧化物排放，减轻稀燃催化剂负担，并且将射流着火与可控自燃着火很好的结合，实现了射流室7与主燃室2分时分区可控自燃。本发明的燃烧控制方法通过现有燃烧系统所配备的控制器与喷油器即可实现，无新开发成本，实用性较强。

第三方面，从燃料与能源安全角度考虑，该燃烧系统和燃烧控制方法是适用于稀薄环境下乙醇汽油高效清洁燃烧系统和燃烧控制方法，符合低碳、含氧、可再生燃料等现今车用燃料的发展方向，具有重大的环保和节能减排的意义。

本发明的实施例是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。

Claims (6)

1.一种压燃射流着火燃烧系统，其特征在于，包括主燃室、射流室、直喷喷油器和歧管喷油器，所述主燃室分别连接有进气通道和排气通道，所述歧管喷油器的喷射口与所述进气通道连接；所述射流室设置在所述主燃室内，所述直喷喷油器的喷射口与所述射流室连接，所述射流室用于使所述直喷喷油器喷出的燃油被压燃以形成压燃燃气，并将所述压燃燃气分别散射到所述主燃室内；

所述射流室包括射流壁和若干个射流孔，所述射流壁连接在所述主燃室的顶部，以将所述主燃室内分隔为气缸和所述射流室，所述进气通道和所述排气通道分别与所述气缸连接；所述射流壁上分布有若干个所述射流孔，所述射流孔用于将所述射流室内的压燃燃气分别散射到所述气缸内；

所述射流壁上朝向所述射流室的表面设有隔热层，所述隔热层用于使所述射流室与所述主燃室在压缩上止点前的温度差不低于60K；

所述气缸的两侧分别设有进气门和排气门，所述射流室设置在所述气缸的缸盖底面中心，并位于所述进气门和排气门之间，所述直喷喷油器沿所述主燃室的轴向连接在所述射流室的顶部；所述进气门和排气门分别与所述进气通道和排气通道连接；

所述主燃室底部设有活塞，所述活塞的几何压缩比不低于17，且有效压缩比不低于13，所述主燃室的压缩上止点的温度范围为750K~860K，所述射流室的容积为所述主燃室的容积的1.5%~2%。

2.一种基于权利要求1所述的压燃射流着火燃烧系统的燃烧控制方法，其特征在于，该方法应用于所述压燃射流着火燃烧系统处于启动工况、小负荷工况和中负荷工况运行情况下；

该方法具体包括：

利用所述歧管喷油器向所述进气通道内喷射燃油，以使所述主燃室的下部形成温和自燃区；

利用所述直喷喷油器向所述射流室内喷射燃油，所述射流室内的燃油被压燃形成压燃燃气以后，所述射流室将所述压燃燃气分别向所述主燃室内的温和自燃区上散射，以在所述温和自燃区上方形成若干条压燃射流；

所有的所述压燃射流分别与所述温和自燃区的表面相接触并产生点燃反应，从而使所述温和自燃区的表面形成湍流多火焰面；

所述湍流多火焰面在传播后产生末端自燃。

3.根据权利要求2所述的压燃射流着火燃烧系统的燃烧控制方法，其特征在于，在所述压燃射流着火燃烧系统处于中负荷工况运行时，通过调整所述压燃射流着火燃烧系统的负阀重叠期，以使所述射流室内的废气再循环率为20%~30%；

所述歧管喷油器在所述压燃射流着火燃烧系统的进气行程进行喷射，且所述主燃室内的目标燃空当量比为0.4~0.6，其中所述歧管喷油器的喷射时刻的选取范围为所述负阀重叠期结束后至所述进气行程内早于压缩上止点前240度的时段；

所述直喷喷油器在所述压燃射流着火燃烧系统的进气行程和压缩行程各进行一次喷射，其中所述直喷喷油器在进气行程的喷射时刻选取范围为所述压缩上止点前180度~220度，所述直喷喷油器在压缩行程的喷射时刻选取范围为所述压缩上止点前10度~30度的时段；

所述直喷喷油器的喷射燃油量占燃油喷射总量的25%~35%。

4.根据权利要求2所述的压燃射流着火燃烧系统的燃烧控制方法，其特征在于，在所述压燃射流着火燃烧系统处于启动和小负荷工况运行时，通过调整所述压燃射流着火燃烧系统的负阀重叠期，以使所述射流室内的废气再循环率为40%~50%；

所述压燃射流着火燃烧系统启动时，增加所述歧管喷油器的喷射量以使所述主燃室内的目标燃空当量比为0.7，所述压燃射流着火燃烧系统启动平稳后进入小负荷工况运行，此时所述主燃室内的燃空当量比为0.4；

所述歧管喷油器在所述压燃射流着火燃烧系统的负阀重叠期进行喷射；

所述直喷喷油器在所述压燃射流着火燃烧系统的压缩行程内进行单次喷射，其中所述直喷喷油器在压缩行程的喷射时刻选取范围为所述压缩上止点前10度~20度的时段；

所述射流室内的燃空当量比为1.5~2.0。

5.根据权利要求2所述的压燃射流着火燃烧系统的燃烧控制方法，其特征在于，所述末端自燃的压力振荡幅值不超过0.3MPa，最大压力升高率不超过0.5MPa/度，且所述末端自燃引起的峰值压力的对应相位范围为压缩上止点后5度~15度的时段。

6.根据权利要求2所述的压燃射流着火燃烧系统的燃烧控制方法，其特征在于，所述压燃射流着火燃烧系统的启动工况通过驱动电机的倒拖进行，所述驱动电机处于倒拖工况时所述压燃射流着火燃烧系统的目标转速为1000 r/min~1500 r/min，持续时间小于0.4s。

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