CN1560440A - 基于多段喷射的汽油直喷式发动机分层混合气形成方法 - Google Patents
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Abstract
基于多段喷射的汽油直喷式发动机分层混合气形成方法，涉及电控汽油直喷式发动机在中小负荷时分层稀薄燃烧方法。本发明以多段喷油作为形成分层混合气的主要手段，在同一循环中喷油二次或者三次，即在进气冲程中进行第一次喷射，在压缩冲程中进行第二次或第二次和第三次喷油；活塞顶部的燃烧室形状采用简单规则的浅圆筒形燃烧室；同时保留最常用的涡流进气方式。本发明的技术方案可大大减小燃烧室设计难度，容易控制可燃混合气浓度分层的范围和强度。与现有技术相比，其燃烧室的加工和制造要简单的多。在实际发动机上的初步试验表明，该发明可比一般进气道喷射的汽油机降低燃油消耗率15％左右。
Description
技术领域
本发明涉及汽油直喷式发动机燃烧系统，特别涉及一种电控汽油直喷式发动机在中小负荷时分层稀薄混合气形成方法。
背景技术
汽油发动机的最大缺陷是燃油消耗率偏高，目前应用最普遍的是基于进气道的电控喷射和三效催化器的汽油机，尽管其排放已很低，然而燃油消耗率明显高于柴油机。二十世纪九十年代后半期，三菱、丰田等汽车公司采用缸内汽油直接喷射技术(Gasoline DirectInjection，GDI)实现分层稀薄燃烧，可以降低汽油发动机的燃油消耗率10～20％，显示了其明显的节能优势。其关键技术是在中小负荷时采用浓度分层的混合气工作，为此燃烧室设计和混合气形成的控制变得十分复杂，这是目前汽油直喷式发动机尚不能大规模推广普及的原因之一，仅有日本和欧洲少数汽车公司已商品化。
目前流行的汽油直喷式发动机燃烧系统的主要特征为(参见图1)：同一工作循环中一般采用单次汽油喷射，即在进气冲程喷油或者在压缩过程喷油一次；采用滚流进气道1产生进气滚流；借助于复杂的燃烧室5的形状(活塞2顶部的不规则曲面)和进气滚流，引导喷油器3喷出的汽油在火花塞4附近形成较浓的可燃混合气，而在缸内其它区域形成较稀的可燃混合气。燃烧室形状与气流运动的匹配是一项要求精度极高难度极大的设计工作，需要进行大量试验才能确定燃烧室形状，否则不能保证在不同运转工况时都能在火花塞周围形成可点燃混合气，为此有一些机型不得不在进气系统设置进气滚流强度控制装置。
虽然国外也有在直喷汽油机上采用两次喷射的报道，如三菱汽车公司采用两次喷射仅为了使催化剂快速起燃以改善冷起动特性，参见文献“Shigeo Yamanoto，Dai Tanaka，JunTakemura，et.al，Mixing Control and Combustion in Gasoline Direct Ijnjection Enginesfor Reducing Cold-Start Emissions，SAE paper，2001-01-0550.”。丰田汽车公司则是用两次喷射使均质稀燃和分层稀燃工况之间的过渡更平稳，参见文献“Jun Harda，Tsutomu Tomita，Hiroyuki Mizuno，Development of Direct Injection Gasoline Engine，SAE Paper，970540.”。但这两家公司仍采用了图1所示的复杂燃烧系统。
发明内容
本发明的目的和任务是提供一种汽油直喷式发动机分层混合气形成方法，该方法不需要复杂的燃烧室结构和形状，即可保证在不同运转工况时都能在火花塞周围形成可点燃混合气，比较容易地控制可燃混合气浓度分层的范围和强度，从而可减小燃烧室的设计难度，进一步降低加工和制造成本。
本发明的目的是通过如下技术方案实现的：一种基于多段喷射的汽油直喷式发动机分层混合气形成方法，该方法包括如下步骤：
(1)将活塞顶部的燃烧室形状制作成圆筒形凹坑，采用涡流进气道产生进气滚流；
(2)利用电控燃油喷射系统，在同一个工作循环中喷油二次，根据发动机的运转工况，控制每次喷油的时间和喷油量，形成范围和浓度不同的分层混合气分布。即在进气冲程中进行第一次喷油，使活塞在接近压缩上止点时，第一次喷射的燃油在整个气缸中形成稀薄均匀的混合气区域，然后在压缩冲程中进行第二次喷油，使燃烧室凹坑中形成较浓的混合气区域。
为达到本发明的目的，本发明的另一种技术方案为：一种基于多段喷射的汽油直喷式发动机分层混合气形成方法，该方法包括如下步骤：
(1)将活塞顶部的燃烧室形状制作成圆筒形凹坑，采用涡流进气道产生进气滚流；
(2)利用电控燃油喷射系统，在同一个工作循环中喷油三次，根据发动机的运转工况，控制每次喷油的时间和喷油量，形成范围和浓度不同的分层混合气分布。即在进气冲程中进行第一次喷油，使活塞在接近压缩上止点时，第一次喷射的燃油在整个气缸中形成稀薄均匀的混合气，然后在压缩冲程中进行第二次和第三次喷油，使燃烧室凹坑中形成的浓混合气区域与第一次喷射形成的稀混合气区域之间产生一个过渡区。
本发明提供的方法主要是利用灵活的电控燃油喷射系统进行多段喷油来形成分层混合气，在同一循环中喷油二次或者三次；活塞顶部的燃烧室形状采用简单规则的浅圆筒形燃烧室；同时保留最常用的涡流进气方式；即在进气冲程中进行第一次喷射，在压缩冲程中进行第二次或第二次和第三次喷油。这样，在接近压缩上止点时，第一次喷射的燃油已在整个气缸中形成了稀薄均匀的混合气，第二次喷油由于喷射时间短，来不及充分扩散，加之位于活塞顶部的浅圆筒形燃烧室凹坑的限制，形成较浓的混合气，大部分集中在燃烧室凹坑中，火花塞点燃浓混合气，由此产生的高温高压使得周围的稀混合气点燃更容易。根据运转工况不同，也可采用三次喷射，在浓区和稀区之间增加一个过渡区，使火焰传播更平顺。
本发明的技术方案可大大减小燃烧室设计难度，容易控制可燃混合气浓度分层的范围和强度，与现有技术相比，其燃烧室的加工和制造要简单的多。在实际发动机上的初步试验表明，本发明所提出的方案可比一般进气道喷射的汽油机降低燃油消耗率15％左右。
附图说明
图1为现有技术中汽油直喷式发动机燃烧系统的结构示意图。
图2为本发明提供的汽油直喷式发动机燃烧系统的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实例对本发明作进一步的说明，以进一步理解本发明。
实施例：
在一气缸直径为95毫米的发动机上，保持最常用的涡流进气方式，燃烧室5形状为一深10毫米、径深比为4的圆筒形凹坑，火花塞1布置于凹坑内；压缩比采用10～11，用锥角为30°的伞喷汽油电控喷油器，采用二次喷射。电控单元根据发动机的转速和进气流量等运转工况以及依据试验确定的电控喷射脉谱图(MAP)，给出喷油脉冲信号，使喷油器在进气冲程中进行第一次喷油，喷油时间为上止点后70～100°，喷油量为总喷油的50～70％。当活塞接近压缩上止点时，第一次喷射的燃油已在整个气缸中形成了稀薄均匀的混合气，然后在压缩冲程中进行第二次喷油，喷油时间为第一次喷射后的150～200°。第二次喷油由于喷射时间晚，来不及充分扩散，加之活塞顶上燃烧室凹坑的限制，形成较浓的混合气，并且大部分集中在燃烧室凹坑中，火花塞点燃浓混合气，由此产生的高温高压使火焰能更迅速更可靠地在周围稀混合气中传播。
该燃烧系统在过量空气系数为1.4～1.6条件下工作时，比一般进气道喷射的汽油机降低燃油消耗率15％左右。
Claims (2)
1.一种基于多段喷射的汽油直喷式发动机分层混合气形成方法，该方法包括如下步骤：
(1)将活塞顶部的燃烧室形状制作成圆筒形凹坑，采用涡流进气道产生进气滚流；
(2)利用电控燃油喷射系统，在同一个工作循环中喷油二次，根据发动机的运转工况，控制每次喷油的时间和喷油量，形成范围和浓度不同的分层混合气分布，即在进气冲程中进行第一次喷油，使活塞在接近压缩上止点时，第一次喷射的燃油在整个气缸中形成稀薄均匀的混合气区域，然后在压缩冲程中进行第二次喷油，使燃烧室凹坑中形成较浓的混合气区域。
2.一种基于多段喷射的汽油直喷式发动机分层混合气形成方法，该方法包括如下步骤：
(1)将活塞顶部的燃烧室形状制作成圆筒形凹坑，采用涡流进气道产生进气滚流；
(2)利用电控燃油喷射系统，在同一个工作循环中喷油三次，根据发动机的运转工况，控制每次喷油的时间和喷油量，形成范围和浓度不同的分层混合气分布，即在进气冲程中进行第一次喷油，使活塞在接近压缩上止点时，第一次喷射的燃油在整个气缸中形成稀薄均匀的混合气，然后在压缩冲程中进行第二次和第三次喷油，使燃烧室凹坑中形成的浓混合气区域与第一次喷射形成的稀混合气区域之间形成一个过渡区。
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