CN115111044A - 一种直喷发动机火焰射流点火系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种直喷发动机火焰射流点火系统及方法，包括集成式火焰射流点火系统和发动机，发动机包括缸体、缸盖、活塞、进气道和排气道，缸体、缸盖和活塞之间形成主燃烧室，进气道和排气道与主燃烧室连通；集成式火焰射流点火系统安装在缸盖上，包括缸内直喷喷嘴、预燃室喷嘴和火花塞，缸内直喷喷嘴连通主燃烧室，在缸内直喷喷嘴外设有环绕缸内直喷喷嘴的预燃室，预燃室连通主燃烧室，预燃室喷嘴和火花塞安装在预燃室内。与现有技术相比，本发明利用集成式布置将缸内直喷技术及预燃室射流点火技术融合为直喷发动机火焰射流点火系统，布置空间需求小、燃料供给及点火设计灵活，兼具两种技术的优势。

Description

一种直喷发动机火焰射流点火系统及方法
技术领域
本发明涉及发动机技术领域，尤其是涉及一种直喷发动机火焰射流点火系统及方法。
背景技术
发动机的稀薄燃烧技术是提升发动机热效率的关键技术，预燃室发动机在稀薄燃烧方面拥有更高的技术潜力。在发动机运行过程中，预燃室式发动机可以通过预燃室混合气点燃后形成的火焰锋面从预燃室表面的小孔流出，并点燃主燃室中的可燃混合气。燃烧室内的多个点火位置可使混合气更快且更充分地进行燃烧，从而在发动机小负荷需求的情况下进一步提升过量空气系数和燃料经济性。
近年来，缸内直喷式发动机逐渐成为发动机的主流设计方向，而由于缸内直喷喷嘴与传统射流点火的预燃室结构在布置上有所干涉，导致DI直喷技术与JI射流点火的稀薄燃烧技术无法兼容，现有的射流点火预燃室均结合PFI进气道喷射式的燃料供给方式设计。
现有技术中，专利201810933593.5公开了一种甲醇/醇氢燃料内燃机的燃烧组织方法，根据专利描述，其主燃料可以通过缸内早喷射进入主燃烧室后再利用预燃室射流点火，与现有的优良缸内直喷技术，即气缸内中置喷嘴的高压直接喷射技术不同。专利201910637544.1公开了一种水冷式发动机射流点火器，其布置中包含冷却水道环绕布置的冷却方法，但只包含了一个射流点火的喷油器，不包含缸内主燃料的供给。专利202011626786.X公开了用于点燃式发动机的双喷射式湍流射流点火预燃室装置，通过双喷射器设计，在预燃室内喷射新鲜空气以增加氧气充量，而后进行喷油，可保证预燃室内稳定着火，但不包含主燃烧室内的燃料供给过程。专利202110725577.9公开了一种共轨式预燃室射流点火系统，其结构设置为可以利用高压共轨进行直喷，但是只包含了预燃室的射流火焰形成部分，不包含气缸内主燃料供给的描述。专利202111063378.2公开了一种发动机及车辆，改变了预燃室的喷射方式，利用多组喷嘴进行预燃室的喷射，改善了预燃室内的湍流及火焰射流形式，但不包含对主燃烧室的燃料供给喷射，不涉及缸内直喷技术。专利202111528712.7公开了点火装置及燃烧系统，其缸内燃料供给形式为直喷，且依靠额外的预燃室布置形成火焰射流点火，但在预燃室布置形式上为偏置，其劣势表现为火焰射流可以完成，但在主燃烧室内无法形成中心对称、较为均为的点火情况。专利202111494422.5公开了一种预燃室射流点火缸内直喷氢内燃机及控制方法，其燃料指明为氢气(气体燃料)，且预燃室与缸内直喷喷嘴相较于主燃烧室均为偏置，没有集成的特点。此外，专利202110976360.5、202111012234.4等公开了预燃室结构、射流点火技术改良，但均不涉及缸内直喷技术。
综上，有必要提供一种结构和方法改进，为DI缸内直喷发动机提供稀薄燃烧技术条件下射流点火解决方案。
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直喷发动机火焰射流点火系统，实现缸内直喷技术的同时，又可以利用预燃室射流点火完成主燃烧室的稀薄燃烧，布置空间需求小、燃料供给及点火设计灵活，使得两种技术优势兼备。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种直喷发动机火焰射流点火系统，包括集成式火焰射流点火系统和发动机，所述发动机包括缸体、缸盖、活塞、进气道和排气道，缸体具有至少一个缸膛，缸盖设置在缸膛一端，所述活塞在缸膛内往复运动，缸体、缸盖和活塞之间形成主燃烧室，进气道和排气道与主燃烧室连通；
所述集成式火焰射流点火系统安装在缸盖上，包括缸内直喷喷嘴、预燃室喷嘴和火花塞，所述缸内直喷喷嘴连通主燃烧室，在缸内直喷喷嘴外设有环绕缸内直喷喷嘴的预燃室，预燃室连通主燃烧室，所述预燃室喷嘴和火花塞安装在预燃室内。
优选地，所述缸内直喷喷嘴的外侧布置有冷却水道，所述冷却水道外侧设有空腔作为环绕缸内直喷喷嘴的预燃室。
优选地，所述缸内直喷喷嘴为喷射装置喷嘴。
优选地，所述缸内直喷喷嘴为喷射装置喷嘴结合高压共轨装置形成的超高压缸内直喷喷射装置喷嘴。
优选地，所述预燃室的上部为环绕缸内直喷喷嘴的空腔，所述预燃室的下部为多个环绕缸内直喷喷嘴的连接通道，所述连接通道的两端分别连接空腔和主燃烧室。
优选地，所述空腔呈漏斗形环绕缸内直喷喷嘴。
优选地，所述连接通道环绕缸内直喷喷嘴均匀分布。
优选地，所述预燃室中的燃料为气体燃料或液体燃料，所述主燃烧室中的燃料为气体燃料或液体燃料。
优选地，所述集成式火焰射流点火系统为集成部件，可拆卸安装在缸盖上。
一种直喷发动机火焰射流点火方法，基于上述的一种直喷发动机火焰射流点火系统，具体为：
发动机运行时，在进气或压缩形成阶段利用缸内直喷喷嘴进行主燃料喷射，在点火时刻前预燃室中的预燃室喷嘴进行小流量燃料喷射并由火花塞点火，火焰在主燃烧室中形成火焰射流，并在点火时刻利用火焰射流点燃主燃烧室内的燃料混合气，完成发动机单次循环中的点火阶段。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)利用集成式布置将缸内直喷技术及预燃室射流点火技术融合为直喷发动机火焰射流点火系统，可以作为总成单独设计、安装、拆卸，实现缸内直喷技术的同时，又可以利用预燃室射流点火完成主燃烧室的稀薄燃烧，布置空间需求小、燃料供给及点火设计灵活，使得两种技术优势兼备。
(2)冷却水道可以保护缸内直喷喷嘴，并实现预燃室的主动冷却，降低集成式火焰射流点火系统的损坏可能性。
(3)缸内直喷喷嘴和预燃室喷嘴相互独立，预燃室燃料和主燃烧燃料可以自由组合，且不受气体或液体燃料限制。
附图说明
图1为集成式火焰射流点火系统在发动机的布置示意图；
图2为集成式火焰射流点火系统的结构示意图；
附图标记：1、缸盖，2、主燃烧室，3、进气道，4、排气道，5、集成式火焰射流点火系统，501、缸内直喷喷嘴，502、预燃室喷嘴，503、火花塞，504、预燃室，505、冷却水道。
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。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程。应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。该部分的描述只针对几个典型的实施例，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。相同或相近的现有技术手段与实施例中的一些技术特征进行相互替换也在本发明描述和保护的范围内。
此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件。
实施例1：
一种直喷发动机火焰射流点火系统，如图1所示，包括集成式火焰射流点火系统5和发动机，发动机包括缸体、缸盖1、活塞、进气道3和排气道4，缸体具有至少一个缸膛，缸盖1设置在缸膛一端，活塞在缸膛内往复运动，缸体、缸盖1和活塞之间形成主燃烧室2，进气道3和排气道4与主燃烧室2连通；
集成式火焰射流点火系统5安装在缸盖1上，如图2所示，包括缸内直喷喷嘴501、预燃室喷嘴502和火花塞503，缸内直喷喷嘴501连通主燃烧室2，在缸内直喷喷嘴501外设有环绕缸内直喷喷嘴501的预燃室504，预燃室504连通主燃烧室2，预燃室喷嘴502和火花塞503安装在预燃室504内。
在缸内直喷喷嘴501的外侧布置有冷却水道505，冷却水道505外侧设有空腔作为环绕缸内直喷喷嘴501的预燃室504，通过冷却水道505可以在发动机缸内燃烧放热过程中利用冷却系统中的冷却液循环带走传递的高温，从而保护缸内直喷喷嘴501，并保护预燃室504，防止高温损坏集成式火焰射流点火系统5。
缸内直喷喷嘴501可以为低压或高压喷射装置喷嘴，也可以为喷射装置喷嘴结合高压共轨装置形成的超高压缸内直喷喷射装置喷嘴。
预燃室504中的燃料为气体燃料或液体燃料，主燃烧室2中的燃料为气体燃料或液体燃料。预燃室504燃料和主燃烧室2燃料可以自由组合，如气体燃料+液体燃料、液体燃料+液体燃料等，不受气体或液体燃料限制。
集成式火焰射流点火系统5为集成部件，作为总成可拆卸安装在缸盖1上，布置空间需求小，使用更灵活。
如图2所示，预燃室504的上部为环绕缸内直喷喷嘴501的空腔，空腔呈漏斗形环绕缸内直喷喷嘴501，预燃室504的下部为多个环绕缸内直喷喷嘴501的连接通道，连接通道的两端分别连接空腔和主燃烧室2，连接通道环绕缸内直喷喷嘴501均匀分布，本实施例中设计了6个连接通道，其他实施方式可以根据需要自行调整。
缸内直喷喷嘴501喷出燃料到主燃烧室2，在预燃室504的上部空腔中，小流量的预燃室喷嘴502喷射燃料，并由火花塞503点火，火焰通过连接通道，在主燃烧室2内形成火焰射流，多个连接通道环绕缸内直喷喷嘴501均匀分布，能够充分、均匀点燃主燃烧室2内的燃料混合气，完成点火。
根据上述的种直喷发动机火焰射流点火系统，本发明还提供一种直喷发动机火焰射流点火方法，具体为：
发动机运行时，在进气或压缩形成阶段利用缸内直喷喷嘴501进行主燃料喷射，在点火时刻前预燃室504中的预燃室喷嘴502进行小流量燃料喷射并由火花塞503点火，火焰在主燃烧室2中形成火焰射流，并在点火时刻利用火焰射流点燃主燃烧室2内的燃料混合气，完成发动机单次循环中的点火阶段。
本申请利用集成式布置将缸内直喷技术及预燃室504射流点火技术融合为直喷发动机火焰射流点火系统，可以作为总成单独设计、安装、拆卸，实现缸内直喷技术的同时，又可以利用预燃室504射流点火完成主燃烧室2的稀薄燃烧，布置空间需求小、燃料供给及点火设计灵活，使得两种技术优势兼备。
需要注意的是，本申请可在软件和/或软件与硬件的组合体中被实施，例如，可采用专用集成电路(ASIC)、通用目的计算机或任何其他类似硬件设备来实现。在一个实施例中，本申请的软件程序可以通过处理器执行以实现上文所述步骤或功能。同样地，本申请的软件程序(包括相关的数据结构)可以被存储到计算机可读记录介质中，例如，RAM存储器，磁或光驱动器或软磁盘及类似设备。另外，本申请的一些步骤或功能可采用硬件来实现，例如，作为与处理器配合从而执行各个步骤或功能的电路。
另外，本申请的一部分可被应用为计算机程序产品，例如计算机程序指令，当其被计算机执行时，通过该计算机的操作，可以调用或提供根据本申请的方法和/或技术方案。而调用本申请的方法的程序指令，可能被存储在固定的或可移动的记录介质中，和/或通过广播或其他信号承载媒体中的数据流而被传输，和/或被存储在根据所述程序指令运行的计算机设备的工作存储器中。在此，根据本申请的一个实施例包括一个装置，该装置包括用于存储计算机程序指令的存储器和用于执行程序指令的处理器，其中，当该计算机程序指令被该处理器执行时，触发该装置运行基于前述根据本申请的多个实施例的方法和/或技术方案。
这里本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。实施例中所涉及的效果或优点可因多种因素干扰而可能不能在实施例中体现，对于效果或优点的描述不用于对实施例进行限制。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其它形式、结构、布置、比例，以及用其它组件、材料和部件来实现。在不脱离本发明范围和精神的情况下，可以对这里所披露的实施例进行其它变形和改变。

Claims (10)

1.一种直喷发动机火焰射流点火系统，其特征在于，包括集成式火焰射流点火系统和发动机，所述发动机包括缸体、缸盖、活塞、进气道和排气道，缸体具有至少一个缸膛，缸盖设置在缸膛一端，所述活塞在缸膛内往复运动，缸体、缸盖和活塞之间形成主燃烧室，进气道和排气道与主燃烧室连通；
所述集成式火焰射流点火系统安装在缸盖上，包括缸内直喷喷嘴、预燃室喷嘴和火花塞，所述缸内直喷喷嘴连通主燃烧室，在缸内直喷喷嘴外设有环绕缸内直喷喷嘴的预燃室，预燃室连通主燃烧室，所述预燃室喷嘴和火花塞安装在预燃室内。
2.根据权利要求1所述的一种直喷发动机火焰射流点火系统，其特征在于，所述缸内直喷喷嘴的外侧布置有冷却水道，所述冷却水道外侧设有空腔作为环绕缸内直喷喷嘴的预燃室。
3.根据权利要求1所述的一种直喷发动机火焰射流点火系统，其特征在于，所述缸内直喷喷嘴为喷射装置喷嘴。
4.根据权利要求1所述的一种直喷发动机火焰射流点火系统，其特征在于，所述缸内直喷喷嘴为喷射装置喷嘴结合高压共轨装置形成的超高压缸内直喷喷射装置喷嘴。
5.根据权利要求1所述的一种直喷发动机火焰射流点火系统，其特征在于，所述预燃室的上部为环绕缸内直喷喷嘴的空腔，所述预燃室的下部为多个环绕缸内直喷喷嘴的连接通道，所述连接通道的两端分别连接空腔和主燃烧室。
6.根据权利要求5所述的一种直喷发动机火焰射流点火系统，其特征在于，所述空腔呈漏斗形环绕缸内直喷喷嘴。
7.根据权利要求5所述的一种直喷发动机火焰射流点火系统，其特征在于，所述连接通道环绕缸内直喷喷嘴均匀分布。
8.根据权利要求1所述的一种直喷发动机火焰射流点火系统，其特征在于，所述预燃室中的燃料为气体燃料或液体燃料，所述主燃烧室中的燃料为气体燃料或液体燃料。
9.根据权利要求1所述的一种直喷发动机火焰射流点火系统，其特征在于，所述集成式火焰射流点火系统为集成部件，可拆卸安装在缸盖上。
10.一种直喷发动机火焰射流点火方法，其特征在于，基于如权利要求1-9中任一所述的一种直喷发动机火焰射流点火系统，具体为：
发动机运行时，在进气或压缩形成阶段利用缸内直喷喷嘴进行主燃料喷射，在点火时刻前预燃室中的预燃室喷嘴进行小流量燃料喷射并由火花塞点火，火焰在主燃烧室中形成火焰射流，并在点火时刻利用火焰射流点燃主燃烧室内的燃料混合气，完成发动机单次循环中的点火阶段。
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