CN113431692B - 一种定向喷射抑制爆震方法及使用该方法的点燃式内燃机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种定向喷射抑制爆震方法及使用该方法的点燃式内燃机，点燃式内燃机的气缸内设置定向喷油器，定向喷油器的喷油方向为气缸的末端混合气区域，方法包括S1：在点燃式内燃机的主喷油阶段内，通过主喷油器向气缸内或者进气道内喷入燃油，燃油与气缸的进气混合形成可燃混合气；S2：到达预设的定向喷射时刻时，通过定向喷油器向末端混合气区域喷入爆震抑制液体；S3：通过火花塞将可燃混合气点燃，可燃混合气发生燃烧，推动活塞向外做功，返回步骤S1。与现有技术相比，本发明能够有效解决点燃式内燃机爆震问题，可以优化点火提前角，提高压缩比，从而提高内燃机的燃料利用率或者热效率和输出扭矩。

Description

一种定向喷射抑制爆震方法及使用该方法的点燃式内燃机
技术领域
本发明涉及内燃机领域，尤其是涉及一种定向喷射抑制爆震方法及使用该方法的点燃式内燃机。
背景技术
提高压缩比是改善点燃式内燃机(以下简称为发动机)热效率，从而降低汽车燃料消耗和碳排放的关键技术之一。但是，增大压缩比也会导致发动机爆震倾向增加。爆震燃烧会造成燃烧噪声增加，发动机性能恶化，严重爆震还会损坏机体和活塞，影响发动机寿命。因此，爆震阻碍发动机压缩比向更高水平提升，是发动机热效率进一步提高的主要障碍。
爆震是由燃烧室内火焰传播的末端区域混合气的自燃现象引起的。由于火焰锋面的压缩以及热辐射，末端未燃混合气的温度在压缩终点温度的基础上进一步上升，在正常火焰前锋到达之前，达到自燃温度的末端混合气发生自燃，造成缸内压力的急剧上升以及显著的压力振荡，从而导致缸体产生剧烈的振动和噪声，引起发动机机械结构的损伤。在产品发动机中，常规的抑制爆震方法主要是推迟点火角(即推迟点火时刻)，但这种方法会导致燃烧相位延后，降低输出扭矩和燃油经济性。
现有技术中有多种解决爆震的方案，包括采用阿特金森循环/米勒循环、引入冷却EGR、采用双燃料系统等。具体如下：1)阿特金森循环/米勒循环通过提前或推迟进气门关闭时刻来降低发动机的有效压缩比，达到抑制爆震的目的。2)冷却EGR可通过将发动机产生的废气再次引入进气来提高工质比热比，降低燃烧温度，达到抑制爆震的目的。3)双燃料系统。如CN201711215662.0，一种缸内直喷柴油抑制汽油机爆震的方法，通过进气道喷射或侧置直喷喷入大量汽油，在上止点前通过火花塞点燃汽油混合气，使燃烧室产生足够高的压力和温度，然后通过伞形喷油器在缸内喷入少量柴油，利用柴油的压缩自燃，使汽油燃料多点同时充分燃烧，达到抑制末端气体自燃的效果，从而抑制汽油机爆震。
但是现有技术存在以下缺点：1)阿特金森循环/米勒循环会不可避免地导致输出扭矩下降，对于非增压发动机而言难以补偿动力损失。2)冷却EGR会降低燃烧速率，恶化燃烧稳定性，且引入的废气会在一定程度上腐蚀进气管路，同时EGR系统的成本也较高。3)双燃料系统虽然可以有效抑制爆震，但需要解决双燃料的存储和供应问题，增加了发动机系统的复杂程度。此外，CN201711215662.0通过向缸内直喷柴油的方式使汽油多点燃烧，这种燃烧方式在大负荷下类似于爆震燃烧，放热较集中，在大负荷下爆压太高，会造成和强烈爆震燃烧相同的后果，因此该方法难以在发动机大负荷下实现。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种定向喷射抑制爆震方法及使用该方法的点燃式内燃机。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种定向喷射抑制爆震方法，用于对点燃式内燃机的爆震进行抑制，所述的点燃式内燃机包括气缸、火花塞、活塞、主喷油器和定向喷油器，所述的定向喷油器设于点燃式内燃机的气缸盖上并向气缸内喷油，所述的定向喷油器的喷油方向为气缸的末端混合气区域，所述的方法包括以下步骤：
S1：在点燃式内燃机的主喷油阶段内，通过主喷油器向气缸内或者进气道内喷入燃油，所述的燃油与气缸的进气混合形成可燃混合气；
S2：到达预设的定向喷射时刻时，通过所述的定向喷油器向末端混合气区域喷入爆震抑制液体；
S3：通过火花塞将可燃混合气点燃，所述的可燃混合气发生燃烧，推动活塞向外做功，返回步骤S1。
优选地，所述的爆震抑制液体为高气化潜热的汽油、醇类燃油或水。
优选地，所述的燃油为汽油或醇类燃油。
优选地，所述的主喷油阶段为点燃式内燃机的进气冲程或压缩冲程或排气冲程。
优选地，所述的预设的定向喷射时刻为活塞处于压缩上止点附近且火花塞点火前的时刻。
一种点燃式内燃机，该点燃式内燃机包括气缸、主喷油器、定向喷油器、火花塞、活塞，所述的气缸的两侧开设有进气道、排气道，所述的进气道内设有进气门，所述的排气道内设有排气门，所述的火花塞、定向喷油器设于气缸盖上，所述的活塞设于气缸内，所述的定向喷油器的喷油方向为气缸的末端混合气区域，所述的点燃式内燃机采用上述的一种定向喷射抑制爆震方法。
优选地，所述的定向喷油器包括喷油器主体、底座和喷嘴，所述的底座位于喷油器主体的下方，所述的底座的底部设有喷嘴，所述的喷油器主体内设有油道，所述的油道的末端与喷嘴连通，所述的喷嘴上设有至少一个油孔，所述的油孔的末端开设定向喷孔，所述的定向喷孔的喷油方向为气缸的末端混合气区域。
优选地，所述的主喷油器设于进气道上，所述的主喷油器将燃油直接喷入进气道内。
优选地，所述的主喷油器设于气缸的内部侧壁或气缸的顶部，所述的主喷油器将燃油直接喷入气缸内。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
(1)本发明的内燃机有效利用定向喷油器向气缸的末端混合气区域进行喷油，喷入的燃油蒸发吸收热量，降低末端混合气区域气体的温度，能够有效抑制或者消除末端混合气区域混合气自燃，从而抑制爆震以进一步提升点燃式内燃机压缩比，或者优化点火提前角，提高内燃机热效率，同时，避免了输出功率的损失，并有利于延长内燃机的工作寿命；
(2)本发明的定向喷油器基于定向喷油油孔布置结构，通过能够朝向末端混合气区域喷油的定向喷孔布置设计，实现有效的定向喷油，有效抑制爆震，提高点燃式内燃机的寿命和效率；
(3)本发明的方法中定向喷油器能够向末端混合气区域喷入爆震抑制液体，更有针对性地降低末端混合气温度，抑制或消除了末端混合气自燃现象，没有改变缸内工质总质量及目标空燃比，因而保证了输出功率不受损失；
(4)本发明的主喷油器、定向喷油器可以采用一种燃料进行喷射，避免了对多种燃料存储和供应系统的布置，最大限度地保留了常规发动机的结构形式，成本较低，具有良好的产业化前景；
(5)本发明抑制爆震方法及使用该方法的点燃式内燃机通过将少量燃油直接在缸内有针对性地定向喷入易发生自燃的末端混合气区域，降低该未燃区域的混合气的温度来抑制燃油自燃化学反应，从而抑制爆震，能在点燃式内燃机的中、高、全负荷工况下应用，操作简单，适用范围广。
附图说明
图1为本发明定向喷射抑制爆震方法的流程图；
图2为本发明点燃式内燃机的结构示意图；
图3为本发明点燃式内燃机的结构示意图；
图4为本发明点燃式内燃机的定向喷油器的结构示意图；
图5为本发明点燃式内燃机的定向喷油器的喷嘴截面示意图；
图6为本发明点燃式内燃机的定向喷油器的仰视结构示意图；
图7为本发明对比温度计算结果图。
其中，1、进气道，2、进气门，3、主喷油器，4、定向喷油器，5、火花塞，6、排气道，7、排气门，8、活塞，9、气缸，10、末端混合气区域，11、定向喷孔，12、喷油器主体，13、底座，14、喷嘴，15、密封顶盖，16、密封垫片，17、油道，18、油孔，19、定向喷雾。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。注意，以下的实施方式的说明只是实质上的例示，本发明并不意在对其适用物或其用途进行限定，且本发明并不限定于以下的实施方式。
实施例
一种定向喷射抑制爆震方法，用于对点燃式内燃机的爆震进行抑制，该方法所适用的点燃式内燃机包括气缸9、火花塞5、活塞8、主喷油器3和定向喷油器4，主喷油器3设于进气道1上、气缸9的内部侧壁或气缸的顶部，定向喷油器4设于点燃式内燃机的气缸盖上，定向喷油器4的喷油方向为气缸的末端混合气区域。
本发明的末端混合气区域为气缸9内容易发生自燃引起爆震的末端混合气区域10，具体地，当本发明的内燃机在进气冲程或压缩冲程或排气冲程，通过进气道喷射或缸内直喷的方式喷入总油量的大部分燃油，以在缸内形成可燃混合气，可燃混合气进入气缸9后，可燃混合气的末端位置为易发生自燃引起爆震的区域，即为末端混合气区域10。
所述的方法包括以下步骤：
S1：在点燃式内燃机的主喷油阶段内，通过主喷油器3向气缸内或者进气道内喷入燃油，所述的燃油与气缸的进气混合形成可燃混合气；
S2：到达预设的定向喷射时刻时，通过所述的定向喷油器4向末端混合气区域10喷入爆震抑制液体，由于S2阶段所喷入爆震抑制液体的蒸发吸热作用，末端混合气区域10未燃气体温度降低，达到抑制末端混合气区域10气体自燃的效果；
S3：通过火花塞5将可燃混合气点燃，所述的可燃混合气发生燃烧，推动活塞8向外做功，返回步骤S1。
具体地，步骤S1中主喷油器3喷入的燃油为易发生爆震燃烧的液态燃料，如汽油、醇类燃油。步骤S2中定向喷油器4喷入的爆震抑制液体为能够蒸发吸热降低末端混合气区域10温度，从而防止末端气体自燃的液体，如汽油、醇类燃油或水。
本发明的主喷油器3、定向喷油器4的喷射的液体组合包括汽油+汽油、甲醇+甲醇、汽油+甲醇、汽油+水、甲醇+水等，主喷油器3喷射组合中的前者，定向喷油器4喷射组合中的后者。本发明的主喷油器3、定向喷油器4的喷液比例可以进行调节，对末端混合气实现不同程度的降温。
另外，由于不同发动机的设计不同，主喷油阶段的时间不同，主喷油阶段为点燃式内燃机的进气冲程或压缩冲程或排气冲程。定向喷射时刻为活塞8处于压缩上止点附近且火花塞5点火前的时刻，进一步具体地，上述时刻为曲轴转角范围在270°ATDC-360°ATDC之间的时刻。
基于该方法具体实施时，通过将少量爆震抑制液体在点火前的近上止点时刻定向地喷入易发生爆震的末端混合气区域，利用液体的蒸发吸热，有针对性地冷却末端高温未燃气体，从而避免末端混合气在正常火焰前锋到达之前达到自燃温度。因此，本发明可以有效抑制发动机的爆震现象，能在中、高、全负荷工况下应用，操作简单，适用范围广，具有良好的产业化前景。
具体地，本发明的一种实施方式中，当主喷油器3设置在进气道1上，主喷油器3、定向喷油器4喷射的液体组合为汽油+汽油，具体实施时，在进气冲程阶段喷入总油量80％-90％的燃油，在活塞8行至接近上止点时，本实施例中的定向喷油器4定向地向易发生自燃的末端混合气区域10喷入少量燃油，喷射比例为总油量的10％-20％，定向喷射时刻在点火时刻之前，范围在270°ATDC-360°ATDC之间。燃油在喷入末端混合气区域10的同时快速蒸发，降低了该区域气体的温度。在火花塞5点燃混合气后，火焰快速向未燃区域传播，由于末端混合气区域10在定向喷雾19的蒸发吸热作用下降低了温度，自燃现象得到抑制，在火焰向末端混合气区域10传播的过程中未发生爆震现象。
应用本发明的一种定向喷射抑制爆震方法，对末端混合气区域10内五个点的温度进行检测，评估向末端气体定向喷射燃油的降温效果。在只有主喷油器工作的方式的情况下，五个监测点在点火时刻的平均温度为744K，而采用本发明的方法，将总油量的20％在点火时刻前10°喷向末端气体，可在点火时降低末端混合气温度约100K。根据理论推算，压缩比可提高约2个单位，即NEDC循环油耗可改善4％-5％，相关数据见图7。
另外，本发明提供一种使用上述定向喷射抑制爆震方法的点燃式内燃机，如图2所示，包括气缸9、主喷油器3、定向喷油器4、火花塞5、活塞8。该内燃机的气缸9基础结构为：气缸9的两侧开设有进气道1、排气道6，进气道1内设有进气门2，排气道6内设有排气门7，主喷油器3设于气缸9的进气道1上，火花塞5、定向喷油器4设于气缸盖中部，定向喷油器4的喷油方向为气缸9的末端混合气区域10，本发明的定向喷油器4的喷嘴14喷出燃油形成定向喷雾19。
本发明中，主喷油器3可设于进气道1上而将燃油直接喷入进气道内，也可以设置在气缸9内侧壁或顶部而将燃油直接喷入气缸内，火花塞5的位置也可以设于气缸9顶部、进气门2下侧或排气门7下侧等。
本发明的末端混合气区域为气缸9内容易发生自燃引起爆震的末端混合气区域10，具体地，当本发明的内燃机在进气冲程或压缩冲程或排气冲程时，通过进气道喷射或缸内直喷的方式喷入总油量的大部分燃油，以在缸内形成可燃混合气，可燃混合气进入气缸9后，可燃混合气的末端位置为易发生自燃引起爆震的区域，即为末端混合气区域10。
本实施例中，气缸中的末端混合气区域10的位置可以通过对点燃式内燃机的燃烧室几何特征、燃烧特征分析或发动机运行后拆解关键零部件分析来获得。
由于不同点燃式内燃机的结构、工作状态不同，末端混合气区域10的位置也各不相同，需要对定向喷油器4的喷油方向进行设计、调整，喷射方位、角度不限于本实施例中的方位和角度。
如图4～6所示，具体地，本发明的定向喷油器4的结构包括喷油器主体12、底座13、密封顶盖15、喷嘴14和密封垫片16，密封顶盖15设于喷油器主体12顶部，密封顶盖15与喷油器主体12间设有密封垫片16，底座13安装于喷油器主体12的下方，喷油器主体12与底座13间设有密封垫片16，底座13的底部设有喷嘴14，喷油器主体12内设有油道17，油道17的末端与喷嘴14连通，喷嘴14上布置有一个或多个油孔18，油孔18的末端开设定向喷孔11，定向喷孔11的喷油方向为气缸9的末端混合气区域10。本发明定向喷孔11的数量包括但不限于1个、3个，图中所示喷孔数量仅为示意。
另外，本发明适用于不同型式如四气门、三气门或两气门等的点燃式内燃机，适用于易产生爆震燃烧的发动机中、高、全负荷工况，主喷油器3、定向喷油器4的型式、喷孔数量、喷油压力、喷油时刻、喷雾特性等均不局限于特定方案。
上述实施方式仅为例举，不表示对本发明范围的限定。这些实施方式还能以其它各种方式来实施，且能在不脱离本发明技术思想的范围内作各种省略、置换、变更。

Claims (9)

1.一种定向喷射抑制爆震方法，其特征在于，用于对点燃式内燃机的爆震进行抑制，所述的点燃式内燃机包括气缸、火花塞、活塞、主喷油器和定向喷油器，所述的定向喷油器设于点燃式内燃机的气缸盖上并向气缸内喷油，所述的定向喷油器的喷油方向为气缸的末端混合气区域，所述的末端混合气区域为主喷油器喷油形成的可燃混合气的末端位置，所述的方法包括以下步骤：
S1：在点燃式内燃机的主喷油阶段内，通过主喷油器向气缸内或者进气道内喷入燃油，所述的燃油与气缸的进气混合形成可燃混合气；
S2：到达预设的定向喷射时刻时，通过所述的定向喷油器向末端混合气区域喷入爆震抑制液体；
S3：通过火花塞将可燃混合气点燃，所述的可燃混合气发生燃烧，推动活塞向外做功，返回步骤S1。
2.根据权利要求1所述的一种定向喷射抑制爆震方法，其特征在于，所述的爆震抑制液体为高气化潜热的汽油、醇类燃油或水。
3.根据权利要求1所述的一种定向喷射抑制爆震方法，其特征在于，所述的燃油为汽油或醇类燃油。
4.根据权利要求1所述的一种定向喷射抑制爆震方法，其特征在于，所述的主喷油阶段为点燃式内燃机的进气冲程或压缩冲程或排气冲程。
5.根据权利要求1所述的一种定向喷射抑制爆震方法，其特征在于，所述的预设的定向喷射时刻为活塞处于压缩上止点附近且火花塞点火前的时刻。
6.一种点燃式内燃机，其特征在于，该点燃式内燃机包括气缸、主喷油器、定向喷油器、火花塞、活塞，所述的气缸的两侧开设有进气道、排气道，所述的进气道内设有进气门，所述的排气道内设有排气门，所述的火花塞、定向喷油器设于气缸盖上，所述的活塞设于气缸内，所述的定向喷油器的喷油方向为气缸的末端混合气区域，所述的点燃式内燃机采用权利要求1～5任意一项所述的一种定向喷射抑制爆震方法。
7.根据权利要求6所述的一种点燃式内燃机，其特征在于，所述的定向喷油器包括喷油器主体、底座和喷嘴，所述的底座位于喷油器主体的下方，所述的底座的底部设有喷嘴，所述的喷油器主体内设有油道，所述的油道的末端与喷嘴连通，所述的喷嘴上设有至少一个油孔，所述的油孔的末端开设定向喷孔，所述的定向喷孔的喷油方向为气缸的末端混合气区域。
8.根据权利要求6所述的一种点燃式内燃机，其特征在于，所述的主喷油器设于进气道上，所述的主喷油器将燃油直接喷入进气道内。
9.根据权利要求6所述的一种点燃式内燃机，其特征在于，所述的主喷油器设于气缸的内部侧壁或气缸的顶部，所述的主喷油器将燃油直接喷入气缸内。
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