CN110953066B - 发动机及燃料缸内分层压燃方法 - Google Patents

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Abstract

一种发动机，包括气缸、缸盖、活塞和喷油器，缸盖设置在气缸上，活塞可活动地设置在所述气缸内，缸盖与活塞之间形成燃烧室，喷油器设置在缸盖上，喷油器用于向燃烧室喷入燃料，缸盖上设有螺旋进气道和排气道，螺旋进气道与排气道之间连接有废气导引道，废气导引道上设有控制废气流量的废气控制阀，当发动机在进气冲程时，使废气和空气经过螺旋进气道后形成涡流混合气体进入气缸的燃烧室。本发明的发动机能避免高压缩比情况下，汽油燃料末端混合气体自燃而引发的爆震，提高热效率。本发明还涉及一种燃料缸内分层压燃方法。

Description

发动机及燃料缸内分层压燃方法
技术领域
本发明涉及发动机压燃技术领域，特别涉及一种发动机及燃料缸内分层压燃方法。
背景技术
现有的点燃式汽油发动机由于受到爆震的限制，压缩比远低于以压燃为主的柴油发动机。由于发动机的热效率与压缩比直接相关，因此现有的汽油发动机的热效率相对较低。
目前汽油发动机主要采用滚流分层，由于滚流在压缩过程中易于破碎，保持性较差，进气冲程形成的分层混合气体往往不能保持到点火前，使得火花塞附近难于形成稳定适宜的油气混合气，不利于发挥分层的优势。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种发动机，能避免高压缩比情况下，汽油燃料末端混合气体自燃而引发的爆震，提高热效率。
一种发动机，包括气缸、缸盖、活塞和喷油器，缸盖设置在气缸上，活塞可活动地设置在所述气缸内，缸盖与活塞之间形成燃烧室，喷油器设置在缸盖上，喷油器用于向燃烧室喷入燃料，缸盖上设有螺旋进气道和排气道，螺旋进气道与排气道之间连接有废气导引道，废气导引道上设有控制废气流量的废气控制阀，当发动机在进气冲程时，使废气和空气经过螺旋进气道后形成涡流混合气体进入气缸的燃烧室。
在本发明的实施例中，上述活塞的端面位于所述燃烧室中，所述端面向着远离所述缸盖的方向凹陷。
在本发明的实施例中，上述活塞的端面向着远离所述缸盖的方向凹陷形成第一燃烧槽和第二燃烧槽，所述第一燃烧槽位于所述活塞的中部，所述第二燃烧槽沿着所述第一燃烧槽的周向设置。
在本发明的实施例中，上述喷油器沿着所述气缸的轴线设置于所述缸盖的中部。
在本发明的实施例中，上述螺旋进气道内设有第一进气门，所述缸盖上还设有切向进气道，所述切向进气道内设有第二进气门，所述排气道内设有排气门。
在本发明的实施例中，上述缸盖上还设有预热塞，所述预热塞靠近所述喷油器设置。
在本发明的实施例中，上述废气导引道的端部设有引射管，所述引射管设置在所述螺旋进气道内，所述引射管沿着所述螺旋进气道的进气方向设置。
本发明还提供一种燃料缸内分层压燃方法，燃料缸内分层压燃方法利用上述的发动机，其步骤包括：
在所述发动机进气冲程时，将废气和空气经过螺旋进气道后形成涡流混合气体进入气缸，混合气体在涡流惯性作用下将废气和部分空气甩入靠近所述气缸壁的***区域；
利用喷油器在进气冲程时向所述气缸内喷入燃料，燃料气化后在涡流惯性作用下与所述***区域的废气和空气混合；
利用所述喷油器在压缩冲程时向所述气缸内喷入燃料，燃料气化后与所述气缸中心区域的空气混合；以及
在压缩冲程末期，中心区域的混合气先被压燃形成多个火核，所述火核点燃***区域的混合气体。
在本发明的实施例中，当所述发动机处于压缩冲程时，利用活塞端面的第一燃烧槽将燃料限制在所述气缸的中心区域。
在本发明的实施例中，当所述发动机处于冷起动低温工况时，利用预热塞对所述气缸内的工质进行预热。
在本发明的实施例中，当所述发动机处于低速、低负荷工况时，控制废气控制阀的开度小于1/3所述废气控制阀完全开打时的开度，并控制所述喷油器在进气冲程时单次喷射燃料。
在本发明的实施例中，当所述发动机处于低速、大负荷工况时，控制废气控制阀的开度小于1/2所述废气控制阀完全开打时的开度，并控制所述喷油器在进气冲程时多次喷射燃料。
在本发明的实施例中，当所述发动机处于中速、低负荷工况时，控制废气控制阀的开度大于1/2所述废气控制阀完全开打时的开度，并控制所述喷油器在进气冲程时单次喷射燃料。
在本发明的实施例中，当所述发动机处于中速、大负荷工况时，控制废气控制阀的开度小于1/2所述废气控制阀完全开打时的开度，并控制所述喷油器在进气冲程时多次喷射燃料。
本发明的发动机的缸盖设置在气缸上，活塞可活动地设置在气缸内，缸盖与活塞之间形成燃烧室，喷油器设置在缸盖上，喷油器用于向燃烧室喷入燃料，缸盖上设有螺旋进气道和排气道，螺旋进气道与排气道之间连接有废气导引道，废气导引道上设有控制废气流量的废气控制阀，当发动机在进气冲程时，使废气和空气经过螺旋进气道后形成涡流混合气体进入气缸的燃烧室。本发明的发动机能够在对现有汽油燃料不作更改的情况下，避免高压缩比情况下，汽油燃料末端混合气体自燃而引发的强烈爆震。而且，较高的压缩比在热效率提高方面有着显著优势。此外，汽油分层压燃的控制方式，为汽油稀燃等非当量比燃烧过程的控制提供了一条技术途径。
附图说明
图1是本发明的发动机的局部结构示意图。
图2是本发明的发动机在进气冲程时的结构示意图。
图3是本发明的发动机在压缩冲程时的结构示意图。
图4是本发明的燃料缸内分层压燃方法的流程示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步地描述。
图1是本发明的发动机的局部结构示意图。如图1所示，发动机10包括多组气缸11、缸盖12、活塞13和喷油器14。本发明的发动机10为汽油发动机，发动机10的压缩比为13～17，高于现有的汽油发动机的压缩比。
气缸11的端部封闭设置，缸盖12设置在气缸11的开口端上。
缸盖12上设有螺旋进气道121、切向进气道(图未示)和排气道123。螺旋进气道121、切向进气道和排气道123与燃烧室101连通，螺旋进气道121内设有控制螺旋进气道121与燃烧室101通、断的第一进气门122，切向进气道内设有控制切向进气道与燃烧室101通、断的第二进气门，排气道123内设有控制排气道123与燃烧室101通、断的排气门124，关于第一进气门122、第二进气门和排气门124的功能和作用请参照现有技术，此处不再赘述。螺旋进气道121与排气道123之间连接有废气导引道125，即废气导引道125的一端与螺旋进气道121连通，废气导引道125的另一端与排气道123连通，废气导引道125用于将排气道123中的部分废气引入螺旋进气道121中。废气导引道125上设有控制废气流量的废气控制阀126，通过调节废气控制阀126开度，控制进入螺旋进气道121的废气流量。在本实施例中，当发动机10在进气冲程时，调节废气控制阀126的开度，使废气进入螺旋进气道121中，废气和空气经过螺旋进气道121后形成涡流混合气体进入气缸11。
在另一较佳的实施例中，废气导引道125的端部设有引射管(图未示)，引射管设置在螺旋进气道121内，引射管沿着螺旋进气道121的进气方向设置。引射管将废气引入螺旋进气道121的一侧，有利于增大废气与空气的分层度，保证后续燃烧能顺利进行。
活塞13可活动地设置在气缸11内，活塞13通过销轴与连杆连接，连杆与曲轴连接，曲轴转动时实现活塞13在气缸11内往复移动，缸盖12与活塞13之间形成可变容积的燃烧室101。活塞13的端面131位于燃烧室101中，活塞13的端面131向着远离缸盖12的方向凹陷，因此活塞13的凹陷端面131可作为小的燃烧室，优选地，活塞13的端面131向着远离缸盖12的方向凹陷形成第一燃烧槽102和第二燃烧槽103，第一燃烧槽102位于活塞13的中部，第一燃烧槽102的轴线与活塞13的轴线重合，第二燃烧槽103沿着第一燃烧槽102的周向设置，即第二燃烧槽103为环形槽。值得一提的是，气缸11的燃烧室101包括靠近气缸11轴线的中心区域101a和靠近气缸11壁的***区域101b，即***区域101b环绕中心区域101a，其中第一燃烧槽102位于燃烧室101的中心区域101a，第二燃烧槽103位于燃烧室101的***区域101b。
当发动机10在进气冲程时，由螺旋进气道121形成的涡流混合气体进入气缸11，废气的密度较大，在涡流惯性作用下废气和部分空气被甩入靠近气缸11壁的***区域101b，由切向进气道输入的空气进入气缸11的中心区域101a，进而在气缸11内形成废气、空气混合气分层现象。在本实施例中，当发动机10在压缩冲程时，第一燃烧槽102和第二燃烧槽103作为小的燃烧室101，中心区域101a氧含量高，***区域101b废气含量高，废气会抑制化学反应，随着燃烧室101压力和温度瞬速升高，中心区域101a的混合气体首先在第一燃烧槽102以及第一燃烧槽102上方的区域被压燃，进而形成多个火核，各所述火核同时点燃***区域101b混合气体。
喷油器14设置在缸盖12上，喷油器14用于向燃烧室101喷入燃料，所述燃料例如为汽油，但并不此为限。喷油器14沿着气缸11的轴线设置于缸盖12的中部，且喷油器14的喷嘴正对活塞13的第一燃烧槽102，当发动机在压缩冲程时，喷油器14喷出的汽油处于第一燃烧槽102限定的区域内。在本实施例中，缸盖12上还设有预热塞，预热塞靠近喷油器14设置，预热塞用于加热燃烧室101中的工质，保证燃料能够顺利被压燃。
图2是本发明的发动机在进气冲程时的结构示意图。图3是本发明的发动机在压缩冲程时的结构示意图。图4是本发明的燃料缸内分层压燃方法的流程示意图。如图2、图3和图4所示，本发明还涉及一种燃料缸内分层压燃方法，所述方法克服了传统汽油发动机需要匹配复杂点火***的问题，通过采用较高的压缩比，在热效率提升方面具有较大潜力。本发明的燃料缸内分层压燃方法利用上述的发动机10，其步骤包括：
步骤一，在发动机10进气冲程时，将废气和空气经过螺旋进气道121后形成涡流混合气体进入气缸11，混合气体在涡流惯性作用下将废气和部分空气甩入靠近气缸11壁的***区域101b。
具体地，在发动机10进气冲程时，控制第一进气门122和第二进气门打开，同时调节废气控制阀126的开度，控制进入螺旋进气道121的废气量，废气和空气经过螺旋进气道121后形成涡流混合气体进入气缸11，废气由于密度较大，在涡流惯性作用下将废气和部分空气甩入靠近气缸11壁的***区域101b，切向进气道输入的空气进入气缸11的中心区域101a。
步骤二，利用喷油器14在进气冲程时向气缸11内喷入燃料，燃料气化后在涡流惯性作用下与***区域101b的废气和空气混合。
具体地，在发动机10进气冲程时，喷油器14向气缸11内喷射汽油燃料，汽油的密度相对较高，在涡流惯性作用下被甩入靠近气缸11壁的***区域101b，并与废气和空气混合，实现汽油、废气、空气混合气分层。
步骤三，利用喷油器14在压缩冲程时向气缸11内喷入燃料，燃料气化后与气缸11中心区域101a的空气混合。
具体地，在发动机10压缩冲程时，喷油器14向气缸11内喷入少量汽油燃料，喷出的汽油燃料进入活塞13的第一燃烧槽102内，第一燃烧槽102将汽油燃料限制在气缸11的中心区域101a，避免汽油燃料扩散到气缸11的***区域101b，此时汽油燃料与中心区域101a的空气混合形成较为稳定的混合气。值得一提的是，由于***区域101b涡流混合气体是绕着气缸11轴线流动，当活塞13向着靠近缸盖12的方向移动时，不会破坏涡流混合气体，有利于混合气体的分层优势。
步骤四，在压缩冲程末期，中心区域101a的混合气先被压燃形成多个火核，火核点燃***区域101b的混合气体。
具体地，压缩冲程末期，气缸11内温度压力升高，气缸11中心区域101a的混合气体由于氧气含量充足，能够率先被压燃形成多个火核，气缸11***区域101b的废气含量多，废气中氧含量少，二氧化碳含量多，二氧化碳不参与化学反应，可作为化学反应的抑制剂，能降低***区域101b汽油燃料的化学反应速率，此时气缸11中心区域101a处于多点同时着火的状态，能够作为高能火源引燃气缸11***区域101b的混合气体。
进一步地，当发动机10处于冷起动低温工况时，利用预热塞对气缸11内的工质(空气和燃料的混合气体)进行预热，保证燃料能够顺利自然着火。
进一步地，当发动机10处于低速、中、低负荷工况时，控制废气控制阀126的开度小于1/3废气控制阀126完全开打时的开度，并控制喷油器14在进气冲程时单次喷射燃料。在本实施例中，较小的废气控制阀126开度能够避免涡流强度过低导致废气在气缸11内迅速扩散形成均质废气分布，有利于燃烧顺利进行。
进一步地，当发动机10处于低速、大负荷工况时，控制废气控制阀126的开度小于1/2废气控制阀126完全开打时的开度，并控制喷油器14在进气冲程时多次喷射燃料，优选地，喷油器14喷射2～3次燃料，但并不以此为限。
进一步地，当发动机10处于中、高速、中、低负荷工况时，控制废气控制阀126的开度大于1/2废气控制阀126完全开打时的开度，并控制喷油器14在进气冲程时单次喷射燃料。
进一步地，当发动机10处于中、高速、大负荷工况时，控制废气控制阀126的开度小于1/2废气控制阀126完全开打时的开度，并控制喷油器14在进气冲程时多次喷射燃料，优选地，喷油器14喷射2～3次燃料，但并不以此为限。
本发明的发动机10的缸盖12设置在气缸11上，活塞13可活动地设置在气缸11内，缸盖12与活塞13之间形成燃烧室101，喷油器14设置在缸盖12上，喷油器14用于向燃烧室101喷入燃料，缸盖12上设有螺旋进气道121和排气道123，螺旋进气道121与排气道123之间连接有废气导引道125，废气导引道125上设有控制废气流量的废气控制阀126，当发动机10在进气冲程时，使废气和空气经过螺旋进气道121后形成涡流混合气体进入气缸11的燃烧室101。本发明的发动机10能够在对现有汽油燃料不作更改的情况下，避免高压缩比情况下，汽油燃料末端混合气体自燃而引发的强烈爆震。而且，较高的压缩比在热效率提高方面有着显著优势。此外，汽油分层压燃的控制方式，为汽油稀燃等非当量比燃烧过程的控制提供了一条技术途径。
本发明的发动机10采用涡流的形式在气缸11内形成汽油、废气、空气混合气分层，即利用螺旋进气道121配合分子量相对更大的废气在气缸11内形成***区域101b氧含量低，中心区域101a氧含量高的分层状态。同时利用废气对化学反应的抑制作用来控制汽油化学反应速率，避免在压缩冲程中燃烧室101***区域101b的混合气体先自燃。而且，利用气缸11的中心区域101a较高的氧气浓度与燃料形成汽油、空气混合气体，保证在高的压缩比下能够局部自燃着火，由于自燃着火位置发生在气缸11的中心区域101a，与现有汽油发动机末端混合气体自燃导致的爆震不同，所述着火区域自燃后能够作为大量独立的高能火核引燃***区域101b的混合气体(汽油、空气、废气)。
本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

Claims (12)

1.一种发动机，其特征在于，包括气缸、缸盖、活塞和喷油器，所述缸盖设置在所述气缸上，所述活塞可活动地设置在所述气缸内，所述缸盖与所述活塞之间形成燃烧室，所述喷油器设置在所述缸盖上，所述喷油器用于向所述燃烧室喷入燃料，所述缸盖上设有螺旋进气道和排气道，所述螺旋进气道与所述排气道之间连接有废气导引道，所述废气导引道上设有控制废气流量的废气控制阀，当所述发动机在进气冲程时，使废气和空气经过所述螺旋进气道后形成涡流混合气体进入所述气缸的燃烧室；所述活塞的端面位于所述燃烧室中，所述活塞的端面向着远离所述缸盖的方向凹陷形成第一燃烧槽和第二燃烧槽，所述第一燃烧槽位于所述活塞的中部，所述第二燃烧槽为环槽，所述第二燃烧槽沿着所述第一燃烧槽的周向设置，所述燃烧室包括靠近所述气缸轴线的中心区域和靠近气缸壁的***区域，所述第一燃烧槽位于所述中心区域，所述第二燃烧槽位于所述***区域，所述缸盖上还设有切向进气道，所述螺旋进气道形成的涡流混合气体进入所述***区域，所述切向进气道输入的空气进入所述中心区域，当所述发动机在压缩冲程末期时，所述中心区域的混合气体首先在所述第一燃烧槽以及所述第一燃烧槽上方的区域被压燃形成多个火核，各所述火核同时点燃所述***区域混合气体。
2.如权利要求1所述的发动机，其特征在于，所述喷油器沿着所述气缸的轴线设置于所述缸盖的中部。
3.如权利要求1所述的发动机，其特征在于，所述螺旋进气道内设有第一进气门，所述缸盖上还设有切向进气道，所述切向进气道内设有第二进气门，所述排气道内设有排气门。
4.如权利要求1所述的发动机，其特征在于，所述缸盖上还设有预热塞，所述预热塞靠近所述喷油器设置。
5.如权利要求1所述的发动机，其特征在于，所述废气导引道的端部设有引射管，所述引射管设置在所述螺旋进气道内，所述引射管沿着所述螺旋进气道的进气方向设置。
6.一种燃料缸内分层压燃方法，其特征在于，所述燃料缸内分层压燃方法利用权利要求1至5任意一项所述的发动机，其步骤包括：
在所述发动机进气冲程时，将废气和空气经过螺旋进气道后形成涡流混合气体进入气缸，混合气体在涡流惯性作用下将废气和部分空气甩入靠近所述气缸壁的***区域,同时所述切向进气道的空气进入气缸的中心区域；
利用喷油器在进气冲程时向所述气缸内喷入燃料，燃料气化后在涡流惯性作用下与所述***区域的废气和空气混合；
利用所述喷油器在压缩冲程时向所述气缸内喷入燃料，燃料气化后与所述气缸中心区域的空气混合；以及
在压缩冲程末期，中心区域的混合气先被压燃形成多个火核，所述火核点燃***区域的混合气体。
7.如权利要求6所述的燃料缸内分层压燃方法，其特征在于，当所述发动机处于压缩冲程时，利用活塞端面的第一燃烧槽将燃料限制在所述气缸的中心区域。
8.如权利要求7所述的燃料缸内分层压燃方法，其特征在于，当所述发动机处于冷起动低温工况时，利用预热塞对所述气缸内的工质进行预热。
9.如权利要求7所述的燃料缸内分层压燃方法，其特征在于，当所述发动机处于低速、低负荷工况时，控制废气控制阀的开度小于1/3所述废气控制阀完全开打时的开度，并控制所述喷油器在进气冲程时单次喷射燃料。
10.如权利要求7所述的燃料缸内分层压燃方法，其特征在于，当所述发动机处于低速、大负荷工况时，控制废气控制阀的开度小于1/2所述废气控制阀完全开打时的开度，并控制所述喷油器在进气冲程时多次喷射燃料。
11.如权利要求7所述的燃料缸内分层压燃方法，其特征在于，当所述发动机处于中速、低负荷工况时，控制废气控制阀的开度大于1/2所述废气控制阀完全开打时的开度，并控制所述喷油器在进气冲程时单次喷射燃料。
12.如权利要求7所述的燃料缸内分层压燃方法，其特征在于，当所述发动机处于中速、大负荷工况时，控制废气控制阀的开度小于1/2所述废气控制阀完全开打时的开度，并控制所述喷油器在进气冲程时多次喷射燃料。
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