CN112031948A - 火花压燃式活塞、燃烧系统、动力总成系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种火花压燃式活塞、燃烧系统、动力总成系统及控制方法，活塞的顶部结构相对于沿第一方向和第二方向的中心线对称设置，第一方向和所述第二方向相互垂直；活塞的顶部结构包括：中心坑、涡流环、进气坑和排气坑；中心坑设置于活塞的中部；两个涡流环沿第一方向设置于中心坑的两侧；进气坑和排气坑沿第二方向设置于中心坑的两侧；其中，中心坑、进气坑和排气坑与涡流环的同一侧边流体连接。本发明通过对活塞表面的结构进行改进，实现了燃烧系统的分时分区放热，能够避免未燃混合气短时间定容放热，抑制压升率和燃烧粗暴，实现了宽总体当量比范围内，燃烧系统在点燃压燃模式的高负荷下依然能够实现较高的燃烧等容度，提升热效率。

Description

火花压燃式活塞、燃烧系统、动力总成系统及控制方法

技术领域

本发明涉及发动机技术领域，尤其涉及一种火花压燃式活塞、燃烧系统、动力总成系统及控制方法。

背景技术

内燃机是一种量大面广的热-功转换动力系统，尤其是在车用领域，其燃烧系统开发一直以来是实现高热效率的基础，油气匹配良好的燃烧系统能够提升燃烧速率，提高等容度，减少后燃比例，降低传热与排气过程的能量损失。目前针对传统点燃式汽油机与压燃式柴油机的燃烧系统开发较多，优化方向主要为活塞顶部与底部凹坑结构设计、气道改进、喷油器位置、火花塞点火性能等，而对于将点燃过程与压燃过程结合的新型燃烧方式少有专门优化，多为基于传统内燃机燃烧室的控制策略优化。

有鉴于此提出本发明。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种火花压燃式活塞，用以解决现有技术中燃烧系统内无法实现分时分区燃烧、燃烧粗暴，以及无法承受高负荷的缺陷，通过油气匹配与几何结构引导，产生不对称火焰传播，进而实现自燃的分时分区，抑制燃烧粗暴，能够在更高进气压力与更稀薄环境中保持较优的燃烧相位，从而兼顾负荷与热效率提升。

本发明还提出一种燃烧系统，用以解决现有技术中燃烧系统内无法实现分时分区燃烧、燃烧粗暴，以及无法承受高负荷的缺陷，通过设置喷油器、火花塞与涡流环的位置关系，实现在燃烧室内火焰在不同方向上传播速度的差异，实现了火焰传播和自燃的分时分区。

本发明还提出一种动力总成系统。

本发明还提出一种控制方法。

根据本发明第一方面实施例的一种火花压燃式活塞，所述活塞的顶部结构相对于沿第一方向和第二方向的中心线对称设置，所述第一方向和所述第二方向相互垂直；

所述活塞的顶部结构包括：中心坑、涡流环、进气坑和排气坑；

所述中心坑设置于所述活塞的中部；

两个所述涡流环沿所述第一方向设置于所述中心坑的两侧；

所述进气坑和所述排气坑沿所述第二方向设置于所述中心坑的两侧；

其中，所述中心坑、所述进气坑和所述排气坑与所述涡流环的同一侧边流体连接。

根据本发明的一个实施例，所述涡流环凸出于所述进气坑和所述排气坑设置；

其中，所述涡流环与所述中心坑连接位置的高度高于所述涡流环与所述进气坑、所述排气坑连接位置的高度。

具体来说，中心坑、进气坑和排气坑与涡流环同一侧边连接，并且涡流环与中心坑连接位置的高度高于涡流环与进气坑和排气坑连接位置的高度，此种设置使得涡流环与中心坑连接位置形成一个向进气坑和排气坑两侧延伸并向下引导的涡流通道，混合气体在燃烧室内流动时，受到涡流环表面的引导。在流经涡流环时，能够在涡流环处形成上下扰动的混合气体涡流，实现对燃烧室内混合气体流场的一种扰动，在燃烧室内形成不对称的分布混合气体涡流。

需要说明的是，混合气体在进气道进入燃烧室后，会在进气道获得初始动力，并形成循环的混合气体涡流。通过对活塞顶部结构的改进，可以对燃烧室内的流场进行扰动，改变混合气体涡流的流场分布，从而对燃烧系统中点燃过程与压燃过程的优化，即对燃烧室内的燃烧过程进行优化，提升热效率，避免燃烧室内的粗暴燃烧。

根据本发明的一个实施例，所述中心坑与所述涡流环的连接处设置有第一高翻边；所述第一高翻边的高度高于所述涡流环的高度。

具体来说，喷油器向中心坑喷射燃料时，燃料会从中心坑向外逐渐分散，通过中心坑与涡流环连接处设置第一高翻边，使得燃料在翻越中心坑进入循环涡流时能够形成时间差，进一步加剧混合气体在燃烧室内循环涡流的不对称性。

需要说明的是，燃烧室内的火焰主要沿第一方向和第二方向传播，而混合气体在涡流环处流动湍急且上下扰动，形成在第一方向和第二方向上不对称的混合气体涡流分布。

根据本发明的一个实施例，还包括：所述第一高翻边的两侧设置有高度低于所述第一高翻边的低翻边，所述低翻边一侧连通所述中心坑，另一侧连通所述进气坑和所述排气坑；

其中，所述第一高翻边最高处的翻边宽度小于所述低翻边最高处的翻边宽度。

具体来说，设置高度低于第一高翻边的低翻边，使得燃料在进入进气坑和排气坑时，能够与进入涡流环的燃料形成时间差，进而在涡流环处形成不同浓度混合气体的交融，并配合涡流环处的上下扰动，形成对涡流分布的调整。

需要说明的是，将第一高翻边最高处的翻边宽度设置成小于低翻边最高处的翻边宽度，使得在第一高翻边处的燃料较低翻边处的燃料较晚进入混合气体涡流的同时，在翻越第一高翻边处能够快速流向涡流环，得到较低翻边处燃料更快的流速。

根据本发明的一个实施例，还包括：设置于所述涡流环与所述活塞周壁之间的第一缓冲区，所述第一缓冲区的高度低于所述涡流环的高度；

其中，所述第一缓冲区包括第一缓冲坡面和第一缓冲平面；

所述第一缓冲坡面呈一侧边与所述涡流环连接，另一侧边与所述第一缓冲平面连接的坡面形状；

所述第一缓冲平面呈一侧边与所述第一缓冲坡面连接，另一侧边与所述活塞周壁连接的平面形状。

具体来说，第一缓冲区整体呈平缓过渡的形状设置，并包括了快速引导混合气体的第一缓冲坡面以及使混合气体与活塞周壁之间平缓分布的第一缓冲平面，此种设置使得混合气体在第一缓冲区与涡流环处形成流速和流向均不相同的混合气体涡流。

需要说明的是，在第一方向上设置涡流环以及与涡流环和活塞周壁连接的第一缓冲区，使得混合气体在第一方向上，能够形成流速差以及分布差，即混合气体涡流在流经涡流环时，在涡流环处和第一缓冲区处获得不同的速度，实现对混合气体流场分布的调整。

根据本发明的一个实施例，两个所述进气坑沿所述第二方向的中心线对称设置；两个所述排气坑沿所述第二方向的中心线对称设置；

还包括：设置于两个所述进气坑之间，以及设置于两个所述排气坑之间的第二缓冲区；所述第二缓冲区的高度高于所述进气坑和所述排气坑的高度；

其中，所述第二缓冲区包括第二缓冲坡面和第二缓冲平面；

所述第二缓冲坡面呈一侧边与所述中心坑通过第二高翻边连接，另一侧边与所述第二缓冲平面连接的坡面形状；

所述第二缓冲平面呈一侧边与所述第一缓冲坡面连接，另一侧边与所述活塞周壁连接的平面形状。

具体来说，通过设置第二缓冲区，使得混合气体流经时能够对混合气体的流速进行一定程度的调整，并配合第二缓冲区的形状，实现对混合气体不对称分布的进一步加强。

需要说明的是，第二缓冲坡面和第二缓冲平面的设置，使得流经第二缓冲区的混合气体涡流能够得到自中心坑向活塞周壁延伸的分布，并且随着混合气体涡流的扰动，混合气体呈自中心坑向活塞周壁浓度逐渐降低分布。

还需要说明的是，通过不对称的混合气体涡流以及第一缓冲区、第二缓冲区的设置，使得燃烧室内的混合气体分布得到了优化，避免了点火后在燃烧室内的粗暴燃烧。

根据本发明的一个实施例，所述中心坑与所述涡流环的连接处设置有第一高翻边；

所述中心坑与所述第二缓冲区连接处设置有所述第二高翻边；

其中，所述第一高翻边最高处的翻边宽度小于所述第二高翻边最高处的翻边宽度。

具体来说，通过设置第一高翻边和第二高翻边，使得燃料在第一方向和第二方向上的传播较燃料经过低翻边进入进气坑和排气坑更为缓慢，使得燃料在涡流中形成进入的时间差，在不对称分布的涡流作用下燃料在燃烧室内与空气的混合以及分布呈逐渐缓慢变化的趋势。

进一步地，将第一高翻边最高处的翻边宽度设置为小于第二高翻边最高处的翻边宽度，这样设置使得燃料翻越第一高翻边和第二高翻边时获得不同的翻越速度和传播速度。

进一步地，在点燃火焰后，火焰在翻越第一高翻边和第二高翻边时也同样会获得不同的翻越速度和传播速度，使得火焰在第一方向和第二方向上实现分时传播，并且配合燃烧室内不同浓度分布的混合气体涡流，实现对燃烧室内燃烧环境的优化，避免粗暴燃烧，抑制升压率，使燃烧系统可以在更高负荷下依然能够实现较高的燃烧等容度，提升热效率。

根据本发明的一个实施例，所述中心坑的底部自周壁向中心呈高度逐渐降低的形状设置。

根据本发明第二方面实施例的一种燃烧系统，包括：

上述的一种火花压燃式活塞；

进气道，与所述进气坑对应设置；

排气道，与所述排气坑对应设置；

喷油器，与所述中心坑对应设置；

火花塞，与所述中心坑对应设置；

其中，所述喷油器和所述火花塞沿所述第一方向设置，并且所述喷油器的轴线和所述火花塞的轴线呈10至15°的夹角。

具体来说，这样设置目的在于使得喷油器喷射的燃料能够快速达到火花塞所在的位置，并且由于将喷油器和火花塞设置沿第一方向设置，喷油器喷射的燃料在经过中心坑碰壁后，能够更快速的翻越第一高翻边进入涡流环，进而实现空气与燃料的混合，并且在第一方向上形成浓度更高的混合气体分布。同时也能使得火花塞点燃后的火焰，能够主要在第一方向上进行快速传播，而翻越第一高翻边和第二高翻边时，火焰加速形成快火焰。

进一步地，快火焰沿第一方向和第二方向快速传播，配合混合气体在第一方向和第二方向上浓度分布的不同，快火焰的传播速度也不相同，实现分时分区燃烧，最终在活塞周壁处形成温和的自燃。

根据本发明第三方面实施例的一种动力总成系统，包括：上述的一种火花压燃式活塞或者上述的一种燃烧系统。

根据本发明第四方面实施例的一种上述的燃烧系统或者上述的动力总成系统的控制方法，包括如下步骤：

通过喷油器在进气行程内至少喷射一次燃料；

通过喷油器在压缩行程上止点前至少喷射一次燃料；

在压缩行程上止点前，所述喷油器喷射燃料完毕之后，控制火花塞进行点火。

具体来说，通过在进气行程内喷射燃料，实现燃料与空气在燃烧室内形成混合气体，并配合活塞顶部改进的结构实现不对称分布的混合气体涡流。

进一步地，喷油器在压缩行程末期喷射的燃料先经过活塞中心坑的壁面引导，输运至火花塞附近，随后进气道形成的涡流与活塞的涡流环相互协同，卷吸火花塞附近燃料，利用气流引导使稍浓混合气向靠近喷油器的方向移动。

进一步地，在点火后，活塞中心坑的两正交方向形成不对称火焰传播，能够实现沿第一方向传播的火焰速度大于第二方向传播的火焰速度的1至2倍的效果。

需要说明的是，进气行程喷射的燃料与压缩行程喷射的燃料质量比为5:2，这样设置实现了在火花塞附近区域稍浓(φ≈1.2)、活塞周壁附近超稀薄(φ＜0.43)的强分层混合气。

本发明实施例中的上述一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果之一：本发明实施例提供的火花压燃式活塞、燃烧系统、动力总成系统及控制方法，通过对活塞表面结构的改进，以及油气匹配与几何结构引导，产生不对称火焰传播，实现了燃烧系统的分时分区放热，能够避免未燃混合气短时间定容放热，抑制压升率和燃烧粗暴，实现了宽总体当量比范围内，燃烧系统在高负荷下依然能够实现较高的燃烧等容度，提升热效率，能够在更高进气压力与更稀薄环境中保持较优的燃烧相位，从而兼顾负荷与热效率提升。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

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一简单地介绍，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是本发明实施例提供的燃烧系统装配关系第一示意图；

图2是本发明实施例提供的燃烧系统装配关系第二示意图；

图3是本发明实施例提供的燃烧系统装配关系第三示意图；

图4是本发明实施例提供的火花压燃式活塞结构第一示意图；

图5是本发明实施例提供的火花压燃式活塞结构第二示意图；

图6是图5中的A向剖面示意图；

图7a和图7b是本发明实施例提供的燃烧系统中的压缩上止点前，在第一方向上混合气体分布流场示意图，以及在第二方向上混合气体分布流场示意图；

图8是本发明实施例提供的燃料喷射与点火的策略示意图；

图9是本发明实施例提供的初始火焰-快火焰-温和自燃三阶段放热的瞬时放热率示意图；

图10a至图10h、图10j、图10k、图10m、图10n是本发明实施例提供的分时分区放热三维数值模拟示意图；

图11是本发明实施例提供的燃烧系统在涡流环作用下的涡流场模拟示意图；

图12是本发明实施例提供的燃烧系统在不同进气压力下所实现的热效率与负荷对比示意图。

附图标记：

1、活塞；

2、中心坑；201、第一高翻边；202、第二高翻边；203、低翻边；

3、进气坑；

4、排气坑；

5、涡流环；

6、第一缓冲区；601、第一缓冲坡面；602、第一缓冲平面；

7、第二缓冲区；701、第二缓冲坡面；702、第二缓冲平面；

8、进气道；

9、排气道；

10、喷油器；

11、火花塞。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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实施例和简化描述，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实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

图1至图3是本发明实施例提供的燃烧系统装配关系第一、第二和第三示意图。从图1至图3中可以看出，燃烧系统包括活塞1、进气道8、排气道9、喷油器10和火花塞11。其中，图1提供的进气道8为单切向单螺旋气道，在进气与压缩行程中，进气道8产生的涡流与活塞1的涡流环5配合，使涡流在压缩行程末期维持的时间更长，强度更高。优选地，进气道8还可以设置为双螺旋气道，或者配有涡流阀的单切向单螺旋气道、配有涡流阀的双螺旋气道，再或者单气道也可以使用在本发明中，只需单气道提供初始的螺旋涡流即可。

需要说明的是，喷油器10和火花塞11沿第一方向设置。此外喷油器10和火花塞11之间形成有10至15°的夹角。两轴线与中心坑 2交点的水平距离为中心坑2直径的60至75％。

图4至图6是本发明实施例提供的火花压燃式活塞结构第一、第二和A向剖面示意图。从图4至图6中可以看出，在活塞1的顶部设置有中心坑2，沿第一方向在中心坑2的两侧设置有涡流环5，沿第二方向沿中心坑2的两侧设置有进气坑3和排气坑4。

需要说明的是，虽然第一方向和第二方向没有在图示中进行标识，但结合本发明的各部件之间的设置关系，可获知第一方向和第二方向的具体指代关系。

还需要说明的是，图4至图6中提供的是双进气道8和双排气道 9的结构，在同类型气道之间不存在涡流环5，从而使活塞1表面出现不对称涡流分布。

图7a和图7b是本发明实施例提供的燃烧系统中的压缩上止点前，在第一方向上混合气体分布流场示意图，以及在第二方向上混合气体分布流场示意图。从图7a和图7b中可以看出，在第一方向上混合气体的流动更加湍急，分布自中心坑2向活塞1周壁浓度递减。在第二方向上混合气体的流动和分布更加均匀。

具体来说，图7a和图7b展示的是压缩上止点前17°CA时的燃烧室内混合气体的分布情况，其中进气压力为0.15MPa，内燃机转速为2000r/min。

图8是本发明实施例提供的燃料喷射与点火的策略示意图。主要展示的是在燃烧系统的整个过程中，喷油器10喷射燃料以及火花塞11点火的时序关系。图8展示的燃料喷射与点火的策略中可见，压缩行程喷射的燃料(F3)在经过活塞1中心坑2的壁面引导后，出现于火花塞11外侧，进一步地，在非对称涡流的引导下，燃料向靠近火花塞11与喷油器10方向输运，保证可靠点火与初始火焰稳定传播。

需要说明的是，对比图7a和图7b可知，第一方向上的燃空当量比在1.0附近的区域远大于第二方向，且第一方向的气流运动较强，为实现第一方向和第二方向的两正交方向不同速度的火焰传播做好了油气准备。

图9是本发明实施例提供的初始火焰-快火焰-温和自燃三阶段放热的瞬时放热率示意图。

在一个实施例中，内燃机转速为2000r/min，喷油器10的三次喷油起始时刻分别为压缩上止点前的310°CA、285°CA和40°CA，点火时刻为压缩上止点前20°CA。进气行程两次燃料的总喷射量为 15.36mg，压缩行程的喷射量为6.24mg。使用的燃料为正庚烷/异辛烷 /甲苯/乙醇的四组分乙醇汽油表征燃料，相应的质量分数为 0.2590/0.4336/0.1437/0.1637。需要说明的是，喷油器10的喷射压力不低于35MPa，许用的两次喷射最小间隔不大于1ms，质量流量特性的线性区起始脉宽不高于0.5ms，喷孔数量不低于6个；对于火花塞 11的点火能量不低于90mJ。

进一步地，可以看出，从点火至压缩上止点前5°CA，初始火焰形成并逐渐发展，瞬时放热率增加较为缓慢，这一阶段称为“初始火焰”。从压缩上止点前5°CA至压缩上止点后2.5°CA，瞬时放热率提升较快，一方面由于活塞1上行与初期火焰放热，缸内的温度与压力进一步提高；另一方面，初始火焰在压缩上止点前5°CA附近通过设置第一高翻边201和第二高翻边202的中心坑2最高点与缸盖篷顶所夹成的喉口区域，截面积减小使已燃气体加速膨胀，从喉口喷出。

进一步地，第二阶段的瞬时放热率较“初始火焰”阶段高，此阶段称为“快火焰”。随着具有更高湍流速度的火焰向缸壁扩展，近壁未燃混合气体被快速压缩至临界自燃态，但由于前期火焰在两个正交的第一方向和第二方向上的传播速率存在差异，相应近壁面的自燃并非一蹴而就，而是具有先后顺序，其中在第一方向的自燃更加提前，但自燃放热比例较小；而在第二方向的自燃稍微滞后，但自燃比例较高，从而实现了点燃-压燃过程的分时分区燃烧。

从图9还可以看出，三阶段放热使自燃的峰值放热率为80J/°CA，对应的最大压升率为0.6MPa/°CA，这一指标在压燃式内燃机中不属于燃烧粗暴。

图10a至图10h、图10j、图10k、图10m、图10n是本发明实施例提供的分时分区放热三维数值模拟示意图。需要说明的是，图10a 至图10h、图10j、图10k、图10m、图10n所示的“1800K”等值线是为了表征火焰锋面位置，而“1800K”与“1150K”等值线的间距变化能够反映自燃的出现时刻。若燃烧室中无自燃出现，两等值线间距表征火焰的反应区厚度，间距小且变化小，一旦自燃出现，由化学动力学控制的自燃反应面将显著降低已燃区与未燃区的温度梯度，两等值线间距明显增加。

基于此，并结合图9可以清楚看出，早于压缩上止点前5°CA时，初始火焰稳定传播，在第一方向传播快于第二方向，在压缩上止点前 5°CA附近时，第一方向上靠近火花塞11一侧的火焰即将穿过喉口区域，随后火焰加速。在压缩上止点后3°CA附近时，第一方向上“1800K”与“1150K”等值线的间距较“初始火焰”与“快火焰”阶段更大，而其垂直方向的等值线间距几乎无变化，表明自燃已经出现在第一方向的近壁区域，随后在压缩上止点后5°CA附近时，两个正交的第一方向和第二方向的“1800K”与“1150K”等值线间距均比“初始火焰”与“快火焰”阶段大，此时两个截面方向均发生自燃，燃烧室内自燃放热强度最大，这一点从图9中的峰值放热率相位可以证实。进一步在压缩上止点后7°CA，第一方向的“1150K”等值线已接近缸壁，此时第一方向自燃基本结束，而剩余混合气自燃出现在第二方向，直至压缩上止点后11°CA时，“1150K”等值线贴近整个燃烧室壁面边缘，表明主体放热结束。

图11是本发明实施例提供的燃烧系统在涡流环5作用下的涡流场模拟示意图。图11中的竖直方向为第一方向，水平方向为第二方向，其中，右侧为进气侧，左侧为排气侧。从图11中可以看出，在第一方向上混合气体的涡流集中在涡流环5处，而第一缓冲区6处则较涡流环5处的混合气体分布更加均匀。在第二方向上混合气体则主要集中在进气坑3、排气坑4与涡流环5的连接处，在此处由于涡流环5作用产生上下扰动的涡流，并配合第一高翻边201和第二高翻边 202的综合作用，实现了不对称的混合气体涡流分布，同时在第二缓冲区7内涡流分布则均为均匀，没有涡流环5与第一缓冲区6混合气体分布的特性。

图12是本发明实施例提供的燃烧系统在不同进气压力下所实现的热效率与负荷对比示意图。图12示出了本发明提出的燃烧系统在不同进气压力与稀薄程度条件下所实现的指示热效率与平均指示压力(Indicated Mean Effective Pressure,IMEP)，可以看出，随着不断增压减稀，指示热效率与IMEP不断增加，在0.15MPa进气压力时，指示热效率已超过45％，若进一步对活塞1使用隔热处理，则可以实现 48％的指示热效率，同时维持IMEP大于1.0MPa。结合目前车用内燃机在2000r/min、中高负荷的摩擦功(约为0.05MPa)，折算后的平均有效压力(BMEP)仍大于1.0MPa，实现了点燃-压燃式内燃机兼顾热效率与负荷的既定目标。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。

在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本发明的一些实施方案中，如图1至图12所示，本方案提供一种火花压燃式活塞，活塞1的顶部结构相对于沿第一方向和第二方向的中心线对称设置，第一方向和第二方向相互垂直；活塞1的顶部结构包括：中心坑2、涡流环5、进气坑3和排气坑4；中心坑2设置于活塞1的中部；两个涡流环5沿第一方向设置于中心坑2的两侧；进气坑3和排气坑4沿第二方向设置于中心坑2的两侧；其中，中心坑2、进气坑3和排气坑4与涡流环5的同一侧边流体连接。

需要说明的是，本发明实施例提供的活塞1，通过对活塞1表面结构的改进，以及油气匹配与几何结构引导，产生不对称火焰传播，实现了燃烧系统的分时分区放热，能够避免未燃混合气短时间定容放热，抑制压升率和燃烧粗暴，实现了宽总体当量比范围内，燃烧系统在高负荷下依然能够实现较高的燃烧等容度，提升热效率，能够在更高进气压力与更稀薄环境中保持较优的燃烧相位，从而兼顾负荷与热效率提升。

在一些实施例中，如图4至图6所示，涡流环5凸出于进气坑3 和排气坑4设置；其中，涡流环5与中心坑2连接位置的高度高于涡流环5与进气坑3、排气坑4连接位置的高度。

具体来说，中心坑2、进气坑3和排气坑4与涡流环5同一侧边连接，并且涡流环5与中心坑2连接位置的高度高于涡流环5与进气坑3和排气坑4连接位置的高度，此种设置使得涡流环5与中心坑2 连接位置形成一个向进气坑3和排气坑4两侧延伸并向下引导的涡流通道，混合气体在燃烧室内流动时，受到涡流环5表面的引导。在流经涡流环5时，能够在涡流环5处形成上下扰动的混合气体涡流，实现对燃烧室内混合气体流场的一种扰动，在燃烧室内形成不对称的分布混合气体涡流。

需要说明的是，混合气体在进气道8进入燃烧室后，会在进气道 8获得初始动力，并形成循环的混合气体涡流。通过对活塞1顶部结构的改进，可以对燃烧室内的流场进行扰动，改变混合气体涡流的流场分布，从而对燃烧系统中点燃过程与压燃过程的优化，即对燃烧室内的燃烧过程进行优化，提升热效率，避免燃烧室内的粗暴燃烧。

在一些实施例中，如图6所示，中心坑2与涡流环5的连接处设置有第一高翻边201；第一高翻边201的高度高于涡流环5的高度。

具体来说，喷油器10向中心坑2喷射燃料时，燃料会从中心坑 2向外逐渐分散，通过中心坑2与涡流环5连接处设置第一高翻边201，使得燃料在翻越中心坑2进入循环涡流时能够形成时间差，进一步加剧混合气体在燃烧室内循环涡流的不对称性。

需要说明的是，燃烧室内的火焰主要沿第一方向和第二方向传播，而混合气体在涡流环5处流动湍急且上下扰动，形成在第一方向和第二方向上不对称的混合气体涡流分布。

在一些实施例中，如图4所示，还包括：第一高翻边201的两侧设置有高度低于第一高翻边201的低翻边203，低翻边203一侧连通中心坑2，另一侧连通进气坑3和排气坑4；其中，第一高翻边201 最高处的翻边宽度小于低翻边203最高处的翻边宽度。

具体来说，设置高度低于第一高翻边201的低翻边203，使得燃料在进入进气坑3和排气坑4时，能够与进入涡流环5的燃料形成时间差，进而在涡流环5处形成不同浓度混合气体的交融，并配合涡流环5处的上下扰动，形成对涡流分布的调整。

需要说明的是，将第一高翻边201最高处的翻边宽度设置成小于低翻边203最高处的翻边宽度，使得在第一高翻边201处的燃料较低翻边203处的燃料较晚进入混合气体涡流的同时，在翻越第一高翻边 201处能够快速流向涡流环5，得到较低翻边203处燃料更快的流速。

在一些实施例中，如图4和图6所示，还包括：设置于涡流环5 与活塞1周壁之间的第一缓冲区6，第一缓冲区6的高度低于涡流环 5的高度；其中，第一缓冲区6包括第一缓冲坡面601和第一缓冲平面602；第一缓冲坡面601呈一侧边与涡流环5连接，另一侧边与第一缓冲平面602连接的坡面形状；第一缓冲平面602呈一侧边与第一缓冲坡面601连接，另一侧边与活塞1周壁连接的平面形状。

具体来说，第一缓冲区6整体呈平缓过渡的形状设置，并包括了快速引导混合气体的第一缓冲坡面601以及使混合气体与活塞1周壁之间平缓分布的第一缓冲平面602，此种设置使得混合气体在第一缓冲区6与涡流环5处形成流速和流向均不相同的混合气体涡流。

需要说明的是，在第一方向上设置涡流环5以及与涡流环5和活塞1周壁连接的第一缓冲区6，使得混合气体在第一方向上，能够形成流速差以及分布差，即混合气体涡流在流经涡流环5时，在涡流环 5处和第一缓冲区6处获得不同的速度，实现对混合气体流场分布的调整。

在一些实施例中，如图1至图6所示，两个进气坑3沿第二方向的中心线对称设置；两个排气坑4沿第二方向的中心线对称设置；还包括：设置于两个进气坑3之间，以及设置于两个排气坑4之间的第二缓冲区7；第二缓冲区7的高度高于进气坑3和排气坑4的高度；其中，第二缓冲区7包括第二缓冲坡面701和第二缓冲平面702；第二缓冲坡面701呈一侧边与中心坑2通过第二高翻边202连接，另一侧边与第二缓冲平面702连接的坡面形状；第二缓冲平面702呈一侧边与第一缓冲坡面601连接，另一侧边与活塞1周壁连接的平面形状。

具体来说，通过设置第二缓冲区7，使得混合气体流经时能够对混合气体的流速进行一定程度的调整，并配合第二缓冲区7的形状，实现对混合气体不对称分布的进一步加强。

需要说明的是，第二缓冲坡面701和第二缓冲平面702的设置，使得流经第二缓冲区7的混合气体涡流能够得到自中心坑2向活塞1 周壁延伸的分布，并且随着混合气体涡流的扰动，混合气体呈自中心坑2向活塞1周壁浓度逐渐降低分布。

还需要说明的是，通过不对称的混合气体涡流以及第一缓冲区6、第二缓冲区7的设置，使得燃烧室内的混合气体分布得到了优化，避免了点火后在燃烧室内的粗暴燃烧。

在一些实施例中，如图4至图6所示，中心坑2与涡流环5的连接处设置有第一高翻边201；中心坑2与第二缓冲区7连接处设置有第二高翻边202；其中，第一高翻边201最高处的翻边宽度小于第二高翻边202最高处的翻边宽度。

具体来说，通过设置第一高翻边201和第二高翻边202，使得燃料在第一方向和第二方向上的传播较燃料经过低翻边203进入进气坑3和排气坑4更为缓慢，使得燃料在涡流中形成进入的时间差，在不对称分布的涡流作用下燃料在燃烧室内与空气的混合以及分布呈逐渐缓慢变化的趋势。

进一步地，将第一高翻边201最高处的翻边宽度设置为小于第二高翻边202最高处的翻边宽度，这样设置使得燃料翻越第一高翻边 201和第二高翻边202时获得不同的翻越速度和传播速度。

进一步地，在点燃火焰后，火焰在翻越第一高翻边201和第二高翻边202时也同样会获得不同的翻越速度和传播速度，使得火焰在第一方向和第二方向上实现分时传播，并且配合燃烧室内不同浓度分布的混合气体涡流，实现对燃烧室内燃烧环境的优化，避免粗暴燃烧，抑制升压率，使燃烧系统可以在更高负荷下依然能够实现较高的燃烧等容度，提升热效率。

在一些实施例中，如图6所示，中心坑2的底部自周壁向中心呈高度逐渐降低的形状设置。

需要说明的是，此种设置便于引导喷油器10喷射的燃料流动方向，便于在中心坑2的中心位置形成浓度更高的燃料环境，便于火花塞11的点火。

在本发明的一些实施方案中，如图1至图3所示，本方案提供的一种燃烧系统，包括：上述的一种火花压燃式活塞；进气道8，与进气坑3对应设置；排气道9，与排气坑4对应设置；喷油器10，与中心坑2对应设置；火花塞11，与中心坑2对应设置；其中，喷油器 10和火花塞11沿第一方向设置，并且喷油器10的轴线和火花塞11 的轴线呈10至15°的夹角。

具体来说，这样设置目的在于使得喷油器10喷射的燃料能够快速达到火花塞11所在的位置，并且由于将喷油器10和火花塞11沿第一方向设置，喷油器10喷射的燃料在经过中心坑2碰壁后，能够更快速的翻越第一高翻边201进入涡流环5，进而实现空气与燃料的混合，并且在第一方向上形成浓度更高的混合气体分布。同时也能使得火花塞11点燃后的火焰，能够主要在第一方向上进行快速传播，而翻越第一高翻边201和第二高翻边202时，火焰加速形成快火焰。

进一步地，快火焰沿第一方向和第二方向快速传播，配合混合气体在第一方向和第二方向上浓度分布的不同，快火焰的传播速度也不相同，实现分时分区燃烧，最终在活塞1周壁处形成温和的自燃。

在本发明的一些实施方案中，本方案提供的一种动力总成系统，包括：上述的一种火花压燃式活塞或者上述的一种燃烧系统。

在本发明的一些实施方案中，本方案提供的一种上述的燃烧系统或者上述的动力总成系统的控制方法，包括如下步骤：

通过喷油器10在进气行程内至少喷射一次燃料；

通过喷油器10在压缩行程上止点前至少喷射一次燃料；

在压缩行程上止点前，喷油器10喷射燃料完毕之后，控制火花塞11进行点火。

具体来说，通过在进气行程内喷射燃料，实现燃料与空气在燃烧室内形成混合气体，并配合活塞1顶部改进的结构实现不对称分布的混合气体涡流。

进一步地，喷油器10在压缩行程末期喷射的燃料先经过活塞1 中心坑2的壁面引导，输运至火花塞11附近，随后进气道8形成的涡流与活塞1的涡流环5相互协同，卷吸火花塞11附近燃料，利用气流引导使稍浓混合气向靠近喷油器10的方向移动。

进一步地，在点火后，活塞1中心坑2的两正交方向形成不对称火焰传播，能够实现沿第一方向传播的火焰速度大于第二方向传播的火焰速度的1至2倍的效果。

需要说明的是，进气行程喷射的燃料与压缩行程喷射的燃料质量比为5:2，这样设置实现了在火花塞11附近区域稍浓(φ≈1.2)、活塞1周壁附近超稀薄(φ＜0.43)的强分层混合气。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

以上实施方式仅用于说明本发明的内容，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围中。

Claims (10)

1.一种火花压燃式活塞，其特征在于，所述活塞的顶部结构相对于沿第一方向和第二方向的中心线对称设置，所述第一方向和所述第二方向相互垂直；

所述活塞的顶部结构包括：中心坑、涡流环、进气坑和排气坑；

所述中心坑设置于所述活塞的中部；

两个所述涡流环沿所述第一方向设置于所述中心坑的两侧；

所述进气坑和所述排气坑沿所述第二方向设置于所述中心坑的两侧；

其中，所述中心坑、所述进气坑和所述排气坑与所述涡流环的同一侧边流体连接。

2.根据权利要求1所述的一种火花压燃式活塞，其特征在于，所述涡流环凸出于所述进气坑和所述排气坑设置；

其中，所述涡流环与所述中心坑连接位置的高度高于所述涡流环与所述进气坑、所述排气坑连接位置的高度。

3.根据权利要求2所述的一种火花压燃式活塞，其特征在于，所述中心坑与所述涡流环的连接处设置有第一高翻边；所述第一高翻边的高度高于所述涡流环的高度。

4.根据权利要求3所述的一种火花压燃式活塞，其特征在于，所述第一高翻边的两侧设置有高度低于所述第一高翻边的低翻边，所述低翻边一侧连通所述中心坑，另一侧连通所述进气坑和所述排气坑；

其中，所述第一高翻边最高处的翻边宽度小于所述低翻边最高处的翻边宽度。

5.根据权利要求3所述的一种火花压燃式活塞，其特征在于，还包括：设置于所述涡流环与所述活塞周壁之间的第一缓冲区，所述第一缓冲区的高度低于所述涡流环的高度；

其中，所述第一缓冲区包括第一缓冲坡面和第一缓冲平面；

所述第一缓冲坡面呈一侧边与所述涡流环连接，另一侧边与所述第一缓冲平面连接的坡面形状；

所述第一缓冲平面呈一侧边与所述第一缓冲坡面连接，另一侧边与所述活塞周壁连接的平面形状。

6.根据权利要求1至5任一所述的一种火花压燃式活塞，其特征在于，两个所述进气坑沿所述第二方向的中心线对称设置；两个所述排气坑沿所述第二方向的中心线对称设置；

还包括：设置于两个所述进气坑之间，以及设置于两个所述排气坑之间的第二缓冲区；所述第二缓冲区的高度高于所述进气坑和所述排气坑的高度；

其中，所述第二缓冲区包括第二缓冲坡面和第二缓冲平面；

所述第二缓冲坡面呈一侧边与所述中心坑通过第二高翻边连接，另一侧边与所述第二缓冲平面连接的坡面形状；

所述第二缓冲平面呈一侧边与所述第一缓冲坡面连接，另一侧边与所述活塞周壁连接的平面形状。

7.根据权利要求6所述的一种火花压燃式活塞，其特征在于，

所述中心坑与所述涡流环的连接处设置有第一高翻边；

所述中心坑与所述第二缓冲区连接处设置有所述第二高翻边；

其中，所述第一高翻边最高处的翻边宽度小于所述第二高翻边最高处的翻边宽度。

8.一种燃烧系统，其特征在于，包括：

上述权利要求1至7任一所述的一种火花压燃式活塞；

进气道，与所述进气坑对应设置；

排气道，与所述排气坑对应设置；

喷油器，与所述中心坑对应设置；

火花塞，与所述中心坑对应设置；

其中，所述喷油器和所述火花塞沿所述第一方向设置，并且所述喷油器的轴线和所述火花塞的轴线呈10至15°的夹角。

9.一种动力总成系统，其特征在于，包括：上述权利要求1至7任一所述的一种火花压燃式活塞或者上述权利要求8所述的一种燃烧系统。

10.一种上述权利要求8所述的燃烧系统或者上述权利要求9所述的动力总成系统的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

通过喷油器在进气行程内至少喷射一次燃料；

通过喷油器在压缩行程上止点前至少喷射一次燃料；

在压缩行程上止点前，所述喷油器喷射燃料完毕之后，控制火花塞进行点火。

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