CN115075987B - 一种预燃室燃料气化混合系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及汽车发动机技术领域，公开了一种预燃室燃料气化混合系统，包括油气配比装置、燃油室、喷气嘴、火花塞和与发动机气缸相连通的预燃室，所述喷气嘴及所述火花塞均设置在所述预燃室上，所述油气配比装置的两端分别设有混合腔和进气腔，所述混合腔与所述进气腔通过空气量孔相连通，所述进气腔的进气端用于连接压缩空气，所述混合腔的出气端连接所述喷气嘴，所述燃油室用于储存燃油，其与所述进气腔相连通，所述燃油室的出油口通过燃油量孔与所述混合腔相连通。本发明能够自适应进行恒定空燃比预混气的制备，无需对喷气量进行精确测量，喷气嘴无需必须工作在音速区，提高了预燃室扫气效率与系统可靠性，降低了预燃室内废气量，降低了成本。

Description

一种预燃室燃料气化混合系统
技术领域
本发明涉及汽车发动机技术领域，特别是涉及一种预燃室燃料气化混合系统。
背景技术
随着汽油机技术的发展以及排放法规、油耗法规的日益严格，对现有汽油机技术提出了更为严峻的挑战。提高汽油机的热效率，降低燃油消耗一直都是各大厂商追求的目标。稀薄燃烧和废气再循环(EGR)是提高汽油机热效率的有效途径之一。已有实验数据表明，汽油机采用轻度稀燃(过量空气系数(lambda)在1到1.5范围之间)，可提高热效率，但此时由于偏离理论空燃比，无法使用三元催化转化器，需要昂贵的NOx后处理设备才能满足排放法规的要求。若采用超稀薄燃烧(lambda大于1.5)，因为空气稀释程度高，燃烧温度相对较低，在能提高汽油机热效率的同时，不会导致过高的NOx排放。另一方面，采用大EGR率(EGR率>25％)可降低泵气损失，减轻爆震倾向，提高热效率。
然而，常规火花塞难以点燃超稀薄混合气或大EGR率混合气，这就要求超稀薄或大EGR率燃烧需要配合高能点火装置才能满足的使用要求。因此，预燃室技术受到了广泛的关注。主动式预燃室单独加浓预燃室中的混合气，预燃室采用常规火花塞就能满足稳定点火要求。预燃室混合气燃烧后，高温燃烧混合物从预燃室喷入主燃室，快速引燃主燃室中的稀薄混合气。预燃室的喷射点火，在喷孔喷射区域产生多个点火源，可以实现非常快的燃烧速率。但该方法在大EGR率情况下效果不佳。
综上所述，预燃室可以降低超稀燃和大EGR率工况的点火难度，显著提高燃烧速率，克服了超级稀燃和大EGR率下火焰传播速度慢、燃烧循环变动大的缺点。然而，汽油机主动式预燃室辅助加浓通常采用汽油直喷方式，这种方式存在以下缺点：1、由于预燃室体积较小，直喷方式导致燃油撞壁严重，易结焦和生成碳烟；2、在大EGR率下同样存在废气浓度过高导致的失火问题。3、火花塞位置处的燃油浓度稳定性较差，导致火焰发展的不确定性增强，发动机循环变动大；4、瞬态工况下需对燃油喷射正时和喷射量进行修正调整，控制逻辑更加复杂。5、汽油直喷后在预燃室内气化吸热，使得冷启动更为困难。采用机外制备预混合气，将预混合气喷入预燃室的方案可克服以上的缺点，但混合气在线精确计量燃料与空气的配比又成为新的关键问题。采用喷油器喷入外部混合腔进行混合需精确获得喷气量来确定喷油量，不仅要求喷气嘴必须工作在音速下，限制了喷气嘴的开启时段，降低了预燃室扫气效率，增加了预燃室内废气量。同时还需额外增加一套电控控制，不仅增加了成本，也由于电控设备中传感器及执行器较多，增加了故障率。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种预燃室燃料气化混合系统，能够自适应进行恒定空燃比预混气的制备，无需对喷气量进行精确测量，喷气嘴无需必须工作在音速区，拓宽喷气持续时间，提高预燃室扫气效率，降低预燃室内废气量，降低成本，提高系统可靠性。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种预燃室燃料气化混合系统，包括油气配比装置、燃油室、喷气嘴、火花塞和与发动机气缸相连通的预燃室，所述喷气嘴及所述火花塞均设置在所述预燃室上，所述油气配比装置的两端分别设有混合腔和进气腔，所述混合腔与所述进气腔通过空气量孔相连通，所述进气腔的进气端用于连接压缩空气，所述混合腔的出气端连接所述喷气嘴，所述燃油室用于储存燃油，其与所述进气腔相连通，所述燃油室的出油口通过燃油量孔与所述混合腔相连通。
优选地，包括与所述混合腔的出气端相连通的气轨，所述喷气嘴连接所述气轨。
优选地，所述气轨的侧壁上设有至少一个接头，所述接头与所述喷气嘴相连接。
优选地，所述气轨与所述喷气嘴之间设有单向阀。
优选地，所述空气量孔的直径为D，所述燃油量孔的直径为d，D＝90-110d。
优选地，所述出油口设置在所述燃油室的底部，所述出油口通过燃油管道与所述燃油量孔相连通。
优选地，所述混合腔的侧壁设有连接柱，所述燃油量孔设置在所述连接柱上。
优选地，所述燃油室的侧壁设有进油口，所述进油口上连接有燃油输送泵，且所述燃油输送泵与所述进油口之间设有燃油阀。
优选地，所述燃油室内设有液位传感器，所述燃油阀及用于输送压缩空气的空气压缩机均与所述液位传感器电连接。
优选地，所述预燃室的底部设有与发动机气缸相连通喷孔，所述火花塞及所述喷气嘴并列设置在所述预燃室的上端。
本发明实施例一种预燃室燃料气化混合系统，与现有技术相比，其有益效果在于：通过设置空气量孔及燃油量孔，且其分别连通混合腔，油气混合时空气及燃油分别从空气量孔及燃油量孔进入混合腔，又由于燃油室与进气腔相连通，所以其内部压力相同，因此空气与燃油的混合比只受空气量孔及燃油量孔孔径的影响，其与孔径成比例关系，从而使得系统能够自适应进行恒定空燃比预混气的制备，无需对喷气量进行精确测量，喷气嘴也无需必须工作在音速区，从而拓宽了喷气持续时间，提高了预燃室扫气效率，降低了预燃室内废气量。同时，由于其只受空气量孔及燃油量孔的孔径影响，不用增加电控控制，减少了电控原件，降低了成本，也提高了系统的可靠性。本发明结构简单，使用效果好，易于推广使用。
附图说明
图1为本发明的预燃室燃料气化混合系统的结构示意图。
图2为本发明的空燃比与随喷射脉宽的变化关系。
其中：1-油气配比装置，11-混合腔，12-进气腔，13-空气量孔，14-燃油量孔，15-连接柱，2-燃油室，21-出油口，22-进油口，3-喷气嘴，4-火花塞，5-预燃室，6-气轨，61-接头，7-单向阀，8-燃油输送泵，9-燃油阀，a-液位传感器，b-燃油管道，c-连接管。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
如图1所示，本发明实施例优选实施例的一种预燃室燃料气化混合系统，包括油气配比装置1、燃油室2、喷气嘴3、火花塞4和与发动机气缸相连通的预燃室5，所述预燃室5的底部设有与发动机气缸相连通的喷孔。采用预燃室5外预混方式制备混合气，实现了缸内气体组分与预燃室气体组分的部分解耦，可同时用于稀燃和高EGR率工况，更易保证预燃室点火位置混合气的稳定性，减小发动机循环变动，特别是在瞬态工况。同时避免出现预燃室5燃油直喷所导致的由于局部燃油过浓而产生的结焦和碳烟问题。所述喷气嘴3及所述火花塞4均设置在所述预燃室5上，所述油气配比装置1的两端分别设有混合腔11和进气腔12，所述混合腔11与所述进气腔12通过空气量孔13相连通，所述进气腔12的进气端用于连接压缩空气，所述混合腔11的出气端连接所述喷气嘴3，所述燃油室2用于储存燃油，其与所述进气腔12相连通，所述燃油室2的出油口21通过燃油量孔14与所述混合腔11相连通。
基于上述技术特征的预燃室燃料气化混合系统，通过设置空气量孔13及燃油量孔14，且其分别连通混合腔11，油气混合时空气及燃油分别从空气量孔13及燃油量孔14进入混合腔11，又由于燃油室2与进气腔12相连通，所以其内部压力相同，因此空气与燃油的混合比只受空气量孔13及燃油量孔14孔径的影响，其与孔径成比例关系，从而使得系统能够自适应进行恒定空燃比预混气的制备，无需对喷气量进行精确测量，喷气嘴3也无需必须工作在音速区，从而拓宽了喷气持续时间，提高了预燃室扫气效率，降低了预燃室内废气量。同时，由于其只受空气量孔13及燃油量孔14的孔径影响，不用增加电控控制，减少了电控原件，降低了成本，也提高了系统的可靠性。本发明结构简单，使用效果好，易于推广使用。
本实施例中，所述预燃室燃料气化混合系统还包括与所述混合腔11的出气端相连通的气轨6，所述喷气嘴3连接所述气轨6。同时，由于发动机的气缸数较多，为方便连接及方便将混合气分配至与各缸连接的所述喷气嘴3，所述气轨6的侧壁上设有至少一个接头61，具体接头61数量根据实际气缸数确定，所述接头61与所述喷气嘴3相连接。由于所述接头61均连通所述气轨6，也起到了稳压的作用。
本实施例中，所述火花塞4及所述喷气嘴3并列设置在所述预燃室5的上端。所述喷气嘴3采用电控电磁阀式高压直喷气嘴，可选择外开式或孔式，优选工作压力范围为6-20bar范围内的耐高温喷气嘴，因为喷气压力过低则喷气结束时刻过于远离压缩上止点，扫气效果不佳。若喷气压力过高，则压缩空气耗功过大，不利于热效率提高。同时，为避免混合气向所述喷气嘴3反流，所述接头61与所述喷气嘴3之间设有单向阀7，当出现所述喷气嘴3失效，所述单向阀7可防止燃烧室内高温气体涌入混合气供给系统而发生回火，提高了安全性。所述单向阀7可选择球阀或簧片阀，优选球阀，因为其工作可靠性较高。
本实施例中，所述燃油量孔14与所述空气量孔13相互配合，在所述燃油量孔14的出口处形成混合气，所述燃油量孔14与所述空气量孔13均为孔径精确控制的小孔。当所述喷气嘴3关闭时，所述空气量孔13与所述燃油量孔14的上下游的压力相等，均为空气气源的压力；当所述喷气嘴3打开时，由于量孔节流作用，所述空气量孔13及所述燃油量孔14下游的压力略低于气源压力，从而实现了所述通过空气量孔13与所述燃油量孔14孔径的相互配合，达到油气配比不变的目的，所以，所述空气量孔13与所述燃油量孔14之间的比例关系直接决定空燃比，经过大量实验表明，当所述空气量孔13的直径为D，所述燃油量孔14的直径的d，D＝(90-110)d时为最佳比例关系，实际使用时可进一步确定，如D＝100d、D＝105d等。
本实施例中，所述出油21口设置在所述燃油室2的底部，所述出油口21通过燃油管道b与所述燃油量孔14相连通。同时，所述混合腔11的侧壁设有连接柱15，所述燃油量孔14设置在所述连接柱15上。安装时直接将所述燃油管道b连接所述连接柱15即可，安装方便。
所述燃油室2用于存放一定量的汽油，其底部设置有出油口21，上部设置高压空气通道，所述高压空气通道通过连接管c与所述进气腔12相连通，从而保证燃油压力与高压气源相同。所述燃油室2的侧壁设有进油口22，所述进油口22上连接有燃油输送泵8，用于向所述燃油室2补充燃油，且所述燃油输送泵8与所述进油口22之间设有燃油阀9。所述燃油室2内设有液位传感器a，所述燃油阀9及用于输送压缩空气的空气压缩机均与所述液位传感器a电连接。通常地，所述燃油输送泵8由低压油泵提供压力，在接收到所述液位传感器a补油信号且预燃室以被动方式工作时打开所述燃油阀9对所述燃油室2进行补油。用于输送压缩空气的空气压缩机采用由曲轴带动的空气压缩机，为系统提供6-20bar之间恒定压力的压缩空气。
本实施例中，所述燃油量孔14与所述空气量孔13可选择固定式或可调节式，可调节式可以是手动调节式也可以是电控调节式。优选固定式，因为其成本低，可靠性高，经计算在气压恒定的情况下可满足空燃比恒定的要求。
本实施例中，输送的燃油源可选择3-10bar低压油源或与GDI轨压相同的高压油源。相应的所述燃油阀9可选择低压电磁阀或GDI喷油器。若使用低压油源和低压电磁阀作为燃油源和燃油阀，可显著降低成本，但需在预燃室工作在被动预燃室模式下且切断高压气源才能对所述燃油室2内的燃油进行补充。若选择高压油源和GDI喷油器作为燃油源和燃油阀，则所述燃油室2的燃油补充可随时进行，不受预燃室工作模式限制，但成本较高，且主燃室燃油供给系统必须为GDI系统。综合考虑，优选低压油源和低压电磁阀作为燃油源和燃油阀9。
本实施例提供的预燃室燃料气化混合系统的工作原理为：首先通过所述液位传感器a检测所述燃油室中的油量，确保燃油室中燃油高于最低允许值。接通压缩空气，此时所述喷气嘴3未打开，由于所述燃油量孔14两端压力平衡，没有燃油通过所述燃油量孔14。当所述喷气嘴3开启时，气体流过所述空气量孔13产生节流作用，使得所述燃油量孔14出口处压力降低，燃油通过所述燃油量孔14与空气在所述混合腔11发生混合，通过控制量孔流量可控制气量及油量并维持气量与油量之比恒定。经过一维计算，可观察到空燃比(Lambda)不会随喷射脉宽变化而变化(附图2)。
若所述液位传感器a检测到所述燃油室2中燃油不足需要补充燃油时发送补液信号，在满足预燃室可工作在被动模式下时，切断高压压缩空气，通过几个循环喷气嘴的开启将所述燃油室2内的压力降低到5bar以下，打开所述燃油阀9，则燃油被所述燃油输送泵8泵入所述燃油室2，待燃油补充完成后关闭所述燃油阀9，同时接通高压空气源，系统进入正常工作模式。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种预燃室燃料气化混合系统，其特征在于：包括油气配比装置、燃油室、喷气嘴、火花塞和与发动机气缸相连通的预燃室，所述喷气嘴及所述火花塞均设置在所述预燃室上，所述油气配比装置的两端分别设有混合腔和进气腔，所述混合腔与所述进气腔通过空气量孔相连通，所述进气腔的进气端用于连接压缩空气，所述混合腔的出气端连接所述喷气嘴，所述燃油室用于储存燃油，其与所述进气腔相连通，所述燃油室的出油口通过燃油量孔与所述混合腔相连通；
包括与所述混合腔的出气端相连通的气轨，所述喷气嘴连接所述气轨；
所述气轨的侧壁上设有至少一个接头，所述接头与所述喷气嘴相连接。
2.如权利要求1所述的预燃室燃料气化混合系统，其特征在于：所述气轨与所述喷气嘴之间设有单向阀。
3.如权利要求1所述的预燃室燃料气化混合系统，其特征在于：所述空气量孔的直径为D，所述燃油量孔的直径为d，D＝90-110d。
4.如权利要求1所述的预燃室燃料气化混合系统，其特征在于：所述出油口设置在所述燃油室的底部，所述出油口通过燃油管道与所述燃油量孔相连通。
5.如权利要求1所述的预燃室燃料气化混合系统，其特征在于：所述混合腔的侧壁设有连接柱，所述燃油量孔设置在所述连接柱上。
6.如权利要求1所述的预燃室燃料气化混合系统，其特征在于：所述燃油室的侧壁设有进油口，所述进油口上连接有燃油输送泵，且所述燃油输送泵与所述进油口之间设有燃油阀。
7.如权利要求6所述的预燃室燃料气化混合系统，其特征在于：所述燃油室内设有液位传感器，所述燃油阀及用于输送压缩空气的空气压缩机均与所述液位传感器电连接。
8.如权利要求1所述的预燃室燃料气化混合系统，其特征在于：所述预燃室的底部设有与发动机气缸相连通喷孔，所述火花塞及所述喷气嘴并列设置在所述预燃室的上端。
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