CN110953096A - 一种汽油发动机及其燃烧控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的一种汽油发动机，包括气缸盖，所述气缸盖上设有进气道、排气道、回流气道和废气再循环管路，所述进气道与发动机的进气管相连，其包括设于发动机燃烧室顶部中心区域的轴向气道，所述回流气道包括与发动机气缸壁相切的切向气道，所述排气道排出的废气经所述废气再循环管路回流至所述回流气道。本发明的回流气道包括切向气道，进气道包括设于燃烧室中部的轴向气道，使气缸内部能够形成中心为新鲜混合气燃烧区，周围为废气的柱状分区气体分布，从而降低发动机散热损失，提高热效率。本发明还提供一种汽油发动机的燃烧控制方法。

Description

一种汽油发动机及其燃烧控制方法
技术领域
本发明涉及汽车发动机的技术领域，尤其涉及一种汽油发动机及其燃烧控制方法。
背景技术
近年来，环境问题已经受到了国家及广大百姓的重视。而汽车的尾气排放在这个重污染的背景下被推到了前台，世界各国都推出了更加严格的排放法规。尤其是在中国，不仅推出了更严格的排放法规，同时还实施了限制排放不达标车辆的运行区域等措施来缓解严重的城市污染。在以往的汽油机稀薄燃烧过程的控制技术中，汽油与空气通常在缸内形成不同浓度的混合气，缸内总过量空气系数大于1，催化转换器无法有效处理燃烧废气，对环境有污染。更重要的是，在混合气浓度低的区域，燃烧困难，燃烧热效率低。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种具有较高燃烧热效率的汽油发动机及其燃烧控制方法。
本发明提供的汽油发动机，包括气缸盖，所述气缸盖上设有进气道、排气道、回流气道和废气再循环管路，所述进气道与发动机的进气管相连，其包括设于发动机燃烧室顶部中心区域的轴向气道，所述回流气道包括与发动机气缸壁相切的切向气道，所述排气道排出的废气经所述废气再循环管路回流至所述回流气道。
进一步地，所述废气再循环管路上设有用于控制回流废气量的再循环控制阀，所述再循环控制阀与发动机控制器信号连接，能够在所述发动机控制器的控制下打开或关闭。
进一步地，所述废气再循环管路上设有用于控制循环废气温度的再循环中冷器，所述再循环中冷器与所述发动机控制器信号连接。
进一步地，所述废气再循环管路还包括废气回流旁通管，所述废气回流旁通管的一端连接于所述再循环中冷器和所述再循环控制阀之间，所述废气回流旁通管的另一端连接于所述再循环中冷器与所述回流气道之间。
进一步地，所述废气回流旁通管上设有废气旁通阀，所述废气旁通阀与所述发动机控制器信号连接，能够在所述发动机控制器的控制下打开或关闭。
进一步地，所述进气道内设有喷油器，在所述汽油发动机工作时，所述喷油器将汽油喷至所述进气道内。
进一步地，所述进气道内设有进气门，所述进气门的底部位于所述进气道内且与所述进气道的末端间隔一定距离。
进一步地，所述进气道的横截面直径在轴向气道的长度方向保持不变，或者所述进气道末端的横截面直径在沿轴向靠近燃烧室的方向上逐渐缩小。
进一步地，所述排气道通过排气管与催化转化器相连，所述废气再循环管路连接于所述排气管与所述回流气道之间。
本发明提供的汽油发动机的燃烧控制方法，用于控制上述的汽油发动机，所述燃烧控制方法包括：利用发动机控制器判断发动机的工作状态；当发动机全负荷运行时，发动机控制器切断废气再循环管路；当发动机部分负荷运行时，发动机控制器根据节气门开度计算发动机的运行负荷和所需的新鲜空气量，根据所需的新鲜空气量和气缸体积计算所需的再循环废气量，通过控制废气再循环管路内的气体流量和废气再循环管路的导通时长，向气缸内通入所需的废气量；当发动机部分负荷运行时，发动机控制器进一步根据曲轴转角判断气缸的工作状态，当进气行程开始时，发动机控制器控制导通切向气道和轴向气道，分别向气缸内充入所需废气和相应比例的新鲜的混合气。
本发明的有益技术效果：
本发明的回流气道包括切向气道，进气道包括设于燃烧室中部的轴向气道，使气缸内部能够形成中心为新鲜混合气燃烧区，周围为废气的柱状分区气体分布，从而降低发动机散热损失，提高热效率。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
附图说明
图1为本发明提供的一种汽油发动机的结构示意图。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对本发明详细说明如下。
如图1所示，一种汽油发动机，包括气缸体11、气缸盖22、燃烧室10、活塞12和连杆13。
其中，活塞12设于气缸体11内，在连杆13的推动下沿气缸体11往复运动。当活塞12到达上止点后，活塞12的顶部与气缸盖22之间形成燃烧室10。
气缸盖22上设有进气道19、排气道21、回流气道20、喷油器5和火花塞4。
其中，进气道19与带有节气门2的进气管1相连，其包括设于燃烧室10顶部中心区域的轴向气道。回流气道20包括与气缸壁相切的切向气道，回流气道20和排气道21分别设于进气道19的左右两侧，火花塞4设于回流气道20和进气道19之间，排气道21通过排气管8与催化转化器9相连。在本实施例中，排气道21的数量可以为1个或两个。排气管8与回流气道20通过废气再循环管路14相连。
废气再循环管路14上设有再循环中冷器16和再循环控制阀15。再循环中冷器16和再循环控制阀15均与发动机控制器信号相连，通过发动机控制器的控制，可利用再循环中冷器16调节进入回流气道20的循环废气的温度，可利用再循环管路14调节进入回流气道20的循环废气的进气量。在本实施例中，废气再循环管路14包括第一主管路141和第二主管路142，第一主管路141连接排气管8和再循环中冷器16，第二主管路142连接着回流气道20和再循环中冷器16，再循环控制阀15设置在第一主管路141上。
在本发明的一实施例中，废气再循环管路14还包括废气回流旁通管18，废气回流旁通管18的一端与再循环控制阀15和再循环中冷器16之间的第一主管路141相连，废气回流旁通管18的另一端与第二主管路142相连。废气回流旁通管18上设有废气旁通阀17，废气旁通阀17也与发动机控制器信号连接，可在发动机控制器的控制下打开或关闭，从而可以分配进入废气回流旁通管18和流过再循环中冷器16的废气量，实现对回流气道20内废气温度和废气量的进一步控制。
在本发明中，发动机采用进气道喷射技术，以预先准备好新鲜的混合气。也就是说，喷油器5设于进气道19内部，在发动机工作时，喷油器5将汽油喷至进气道19内部。进气道19、排气道21和回流气道20的尾部分别设有进气门6、排气门7和回流气门3。排气门7和回流气门3的底面与对应的气道平齐，进气门6的底面则位于进气道19内，且与进气道19的末端间隔一定距离，也即，进气门6的底面位于进气道19末端上方一定距离的位置处，从而使进气道19能够聚拢被进气门6上部的圆锥面分散的气流，以使混合气体能够集中进入气缸体11内。在本实施例中，进气道19的末端进一步设置成渐缩式结构，使进气道19末端的横截面直径在沿轴向靠近燃烧室的方向上逐渐缩小，也即，进气道19末端的轴向截面为倒锥形设计，可进一步起到聚拢气流的收口作用。在本发明的其它实施例中，也可以将进气道19的横截面直径设置成在轴向气道的长度方向保持不变，也即，仅仅通过将进气门6上移即可起到聚拢气流的收口作用。
汽油发动机的工作原理：
当本发明的汽油发动机工作时，发动机控制器(ECU)根据发动机转速和喷油量确定发动机的工作状态，当发动机部分负荷运行时，发动机控制器根据节气门开度计算发动机的运行负荷，再由此负荷的大小计算所需的喷油器喷油量和新鲜空气量(喷出的燃油和新鲜空气在进气道中混合形成油气混合气)，再根据所需的新鲜空气量与气缸体积(气缸体积预存于发动机控制器内)计算所需的再循环废气量(再循环废气量＝气缸体积-所需的新鲜空气量)，然后通过控制再循环控制阀15的开度和开启时长调节废气供给。由于废气温度较高，在经过再循环进入气缸时，需要冷却。废气流经再循环控制阀15后，由废气旁通阀17的开度和开启时长来确定流入再循环中冷器16的流量，从而达到控制废气温度的目的。发动机控制器根据曲轴转角判断气缸的工作状态，在进气行程开始时，发动机控制器控制打开气门3，所需废气通过切向气道流入缸内。经过废气旁通阀17和再循环中冷器16的废气，流经回流气道20的切向气道，沿气缸内壁流动形成涡流，并形成一个筒状的废气聚集区，该废气聚集区在缸内形成一个隔热层，提高了缸内气体多变指数，从而有效提高了发动机的热效率。同时，在达到所需废气量后，发动机控制器关闭气门3，再通过打开轴向进气门6，向气缸中心充入新鲜的混合气。此时，气缸内部形成了中心为新鲜混合气燃烧区，周围为废气的柱状分区气体分布。火花塞4点燃中心的混合气，开始做功。燃烧产生的废气一部分排出发动机，一部分继续引入废气再循环管路14，参与到下一个循环中。由于整个燃烧过程中，过量空气系数保持为1，所以废气都能够由催化转化器9进行处理，达到所需排放要求。
当发动机全负荷运行时，需要进入气缸的空气全部都是油气混合气，所以不需要废气再循环。此种情况下，发动机控制器控制再循环控制阀15关闭，使进入缸内的所有气体都为新鲜混合气，进行大负荷工作。
基于上述汽油发动机的工作原理，本发明还提供一种汽油发动机的燃烧控制方法，该方法包括：
利用发动机控制器判断发动机的工作状态；
当发动机全负荷运行时，发动机控制器控制再循环控制阀关闭，缸内所有气体都为新鲜混合气，进行大负荷工作；
当发动机部分负荷运行时，气缸内的气体为新鲜空气与废气的混合气，发动机控制器根据节气门开度计算发动机的运行负荷，根据发动机的运行负荷计算所需的新鲜空气量，在根据所需的新鲜空气量和气缸体积计算所需的再循环废气量，通过控制再循环控制阀的开度和开启时长(即废气再循环管路内的气体流量和废气再循环管路的导通时长)控制进入气缸的再循环废气量；
在进气行程开始时，发动机控制器控制打开气门3，所需废气通过切向气道流入缸内。经过废气旁通阀17和再循环中冷器16的废气，流经回流气道20的切向气道，沿气缸内壁流动形成涡流，并形成一个筒状的废气聚集区，该废气聚集区在缸内形成一个隔热层，提高了缸内气体多变指数，从而有效提高了发动机的热效率。同时，在达到所需废气量后，发动机控制器关闭气门3，再通过打开轴向进气门6，向气缸中心充入新鲜的混合气。
综上所述，本发明提供的有益技术效果：
1.本发明的回流气道包括切向气道，使废气在气缸内部沿气缸壁面周向运动，形成筒状的废气聚集隔热区，同时配合轴向气道，使新鲜混合气从气缸中心充入，在气缸内部形成中心为新鲜混合气燃烧区，周围为废气的柱状分区气体分布，降低了发动机散热损失，提高可热效率。
2.在轴向气道末端采用收口设计，能够使混合气集中充入气缸中，进一步提高热效率，并降低了污染物排放。
3.本发明采用废气再循环装置，在管路中加装废气再循环中冷器和废气回流旁通管，能够精确控制缸内残余废气量和回流废气温度，实现了稀释燃烧在汽油发动机上的可控应用，进一步提高热效率，并降低了污染物排放；
4.通过废气再循环装置的引入，在气缸内补入废气，避免了发动机部分负荷运行时产生的负压，减小了泵气损失；
5.通过在发动机全工况范围内使过量空气系数保持为1，使用廉价的三效催化器即可进行废气的处理，大大降低了排放处理所需费用。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种汽油发动机，包括气缸盖，其特征在于：所述气缸盖上设有进气道、排气道、回流气道和废气再循环管路，所述进气道与发动机的进气管相连，其包括设于发动机燃烧室顶部中心区域的轴向气道，所述回流气道包括与发动机气缸壁相切的切向气道，所述排气道排出的废气经所述废气再循环管路回流至所述回流气道。
2.根据权利要求1所述的汽油发动机，其特征在于：所述废气再循环管路上设有用于控制回流废气量的再循环控制阀，所述再循环控制阀与发动机控制器信号连接，能够在所述发动机控制器的控制下打开或关闭。
3.根据权利要求2所述的汽油发动机，其特征在于：所述废气再循环管路上设有用于控制循环废气温度的再循环中冷器，所述再循环中冷器与所述发动机控制器信号连接。
4.根据权利要求3所述的汽油发动机，其特征在于：所述废气再循环管路还包括废气回流旁通管，所述废气回流旁通管的一端连接于所述再循环中冷器和所述再循环控制阀之间，所述废气回流旁通管的另一端连接于所述再循环中冷器与所述回流气道之间。
5.根据权利要求4所述的汽油发动机，其特征在于：所述废气回流旁通管上设有废气旁通阀，所述废气旁通阀与所述发动机控制器信号连接，能够在所述发动机控制器的控制下打开或关闭。
6.根据权利要求1所述的汽油发动机，其特征在于：所述进气道内设有喷油器，所述汽油发动机工作时，所述喷油器将汽油喷至所述进气道内。
7.根据权利要求1所述的汽油发动机，其特征在于：所述进气道内设有进气门，所述进气门的底部位于所述进气道内且与所述进气道的末端间隔一定距离。
8.根据权利要求1或7所述的汽油发动机，其特征在于：所述进气道的横截面直径在轴向气道的长度方向保持不变，或者所述进气道末端的横截面直径在沿轴向靠近燃烧室的方向上逐渐缩小。
9.根据权利要求1所述的汽油发动机，其特征在于：所述排气道通过排气管与催化转化器相连，所述废气再循环管路连接于所述排气管与所述回流气道之间。
10.一种汽油发动机的燃烧控制方法，其特征在于：所述燃烧控制方法用于控制如权利要求1-9中任一项所述的汽油发动机，所述燃烧控制方法包括：
利用发动机控制器判断发动机的工作状态；
当发动机全负荷运行时，发动机控制器切断废气再循环管路；
当发动机部分负荷运行时，发动机控制器根据节气门开度计算发动机的运行负荷和所需的新鲜空气量，根据所需的新鲜空气量和气缸体积计算所需的再循环废气量，通过控制废气再循环管路内的气体流量和废气再循环管路的导通时长，向气缸内通入所需的废气量；
当发动机部分负荷运行时，发动机控制器进一步根据曲轴转角判断气缸的工作状态，当进气行程开始时，发动机控制器控制导通切向气道和轴向气道，分别向气缸内充入所需废气和相应比例的新鲜的混合气。
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