採用點火室燃燒系統的直噴式發動機的製作方法

2023-06-15 03:58:21

專利名稱：採用點火室燃燒系統的直噴式發動機的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種採用點火室燃燒系統的直噴式發動機，其屬於發動機燃料噴射、 混合氣形成和燃燒領域。
背景技術：
應用稀薄燃燒策略的缸內直噴火花點火發動機(如直噴汽油機和直噴天然
氣發動機等)由於具有良好的燃料經濟性，瞬態響應性及冷啟動時的HC排放， 因而成為目前發動機燃燒領域的研究熱點。但是，由於採用較大的空燃比,也帶 來了發動機的著火穩定性變差，火焰傳播減慢，運轉不穩定等問題。為解決以 上問題，需要在點火時刻在火花塞周圍形成易於點燃的適當濃度的混合氣，同 時在燃燒室其它區域形成稀薄混合氣，即所謂的分層燃燒技術。然而目前已有 的燃燒系統很難保證在不同的工況下都能形成穩定的分層混合氣。

發明內容
為了保證可靠點火和提高火焰傳播的穩定性，並進一步擴大直噴點燃式發 動機的稀薄燃燒範圍，提高熱效率，降低排放，本發明提出了一種採用點火室 燃燒系統的直噴式發動機，該發動機將火花塞和燃料噴嘴置於在氣缸蓋上一個 點火室中。根據在不同的曲軸轉角下，缸內的氣流運動和缸內壓力不同對噴霧 形狀有較大影響的原理，選擇在適合的時刻進行燃料噴射，來保證穩定可靠的 點火和火焰傳播，以期進一步擴大發動機的稀薄燃燒範圍及加快缸內燃燒速度， 提高發動機的熱效率。可靠的點火和穩定快速的火焰傳播可以使發動機平穩地 運行於更低的怠速轉速，使車輛在城市工況下運行時產生比較明顯的節能效果。
本發明解決其技術問題所採用的技術方案是一種採用點火室燃燒系統的直 噴式火花點火發動機，在氣缸蓋中設有一個裝有火花塞的點火室， 一個安裝於
點火室內的燃料噴嘴的噴射方向指向點火室與主燃燒室相連接的通道口；燃料
噴嘴在每一工作循環的燃料總噴射量等於點火室濃度控制量和主噴射量之和， 當燃料噴嘴採用一次噴射時，該次噴射為點火室濃度控制量噴射，當燃料噴嘴 採用多於一次噴射燃料時，點火室濃度控制量採用一次噴射來完成，主噴射量
採用至少一次噴射來完成；燃料噴嘴噴射的是易於被火花塞點燃的液體燃料或
氣體燃料。
所述點火室濃度控制量由燃料噴嘴在發動機壓縮衝程的後期噴射。對於四衝 程發動機，所述主噴射量由燃料噴嘴在發動機排氣閥關閉後的進氣衝程或壓縮 衝程的前期噴射。對於二衝程發動機，所述主噴射量由燃料噴嘴在發動機壓縮 衝程的前期噴射。
上述技術方案的指導思想是缸內壓力和缸內氣流運動對噴霧的形狀和貫穿 距有著直接的影響。在缸內壓力比較低的時候(對於一般四衝程發動機來說， 在排氣閥關閉後的進氣衝程以及壓縮衝程初期；對於一般二衝程發動機來說，
掃氣過程後期或完成後和壓縮過程初期)，噴霧會擁有較長的貫穿距。在缸內壓 力較高，並有強烈的擠流(和點火室與主室的容積比有關)衝向點火室的時候 (壓縮衝程的末期)，噴霧會擁有比較短的貫穿距。基於以上事實，在氣缸蓋上 設置一個點火室，將火花塞和燃料噴嘴放置於其中，點火室與主燃燒室由一通
道相連接；採用燃料噴嘴(多孔噴嘴或旋流噴嘴)進行一次或多次噴射。根據
各次噴射的作用不同，將其分為點火室濃度控制量噴射和主噴射。點火室濃度
控制量噴射每循環只進行一次，主噴射可根據需要進行一次或多次，怠速工況
可不進行主噴射。主噴射量根據工況變化，其作用是滿足工況負荷要求；點火
室濃度控制量根據壓入點火室內混合氣中燃料量確定，保證在不同的工況下噴
射到點火室中的燃料能夠在壓入點火室的混合氣中擴散霧化形成適宜點燃的混
合氣。點火室內混合氣被火花塞點燃後，以較高的速度噴入主燃燒室，對主燃
燒室內混合氣具有一定的擾動作用，有利於火焰的擴散和加速燃燒速度，進而 提高熱效率。
從排氣閥關閉到壓縮衝程上止點，將燃料分為若干次噴射，在缸內壓力低， 點火室通道處氣流比較弱時進行主噴射，由於氣流對噴霧影響小，燃料進入主
燃燒室；在缸內壓力大，點火室通道處氣流比較強時進行點火室濃度控制量噴
射，由於氣流對噴霧影響大，並且通道處擠流方向和噴射方向相反，燃料不能 噴出點火室。通過優化主噴射量、濃度控制量、主噴射時刻、濃度控制量噴射 時刻等參數來滿足工況要求，又使點火室內部混合氣的濃度保持在容易點燃的 範圍之內。由於點火室內混合氣濃度處於容易點燃的範圍，在火花塞點火時易 於形成穩定的火核，這樣就保證了發動機可靠著火。在發動機的火焰傳播過程 中，由於點火室與主燃燒室之間的流通面積較小，使點火室內部的火焰以比較 大的速度衝入主燃燒室，以較大的火焰鋒面點燃主燃燒室內的混合氣，加快其 燃燒速度，使燃燒更趨近於等容放熱，提高了熱效率。
本發明的有益效果是由於這種直噴式發動機採用了一次或一次以上的燃 料噴射方式，每一工作循環噴射燃料的總量為點火室濃度控制量或再加上一次 或數次主噴射量，以保證點火室內的混合氣空燃比在容易點燃的範圍內，這樣 使得著火穩定可靠，火焰傳播快速穩定。利用點火室燃燒系統及與其相配合的 燃料噴射方法，使得主燃燒室的設計只需考慮主燃燒室內的混合氣分布，減少 了對火花塞附近混合氣濃度的考慮，降低了主燃燒室的設計複雜程度，為組織 更合理的燃燒奠定了基礎。點火室內混合氣被點燃後，以較高的速度噴入主燃 燒室，其擾動作用有利於燃燒的快速擴散，有利於進一步擴大發動機的稀薄燃 燒範圍及加快缸內燃燒速度，提高發動機的熱效率。可靠的點火和穩定快速的 火焰傳播可以使發動機平穩地運行於更低的怠速轉速，使車輛在城市工況下運 行時產生比較明顯的節能效果。


下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。
圖1是發動機燃燒系統基本結構示意圖。
圖2是進氣衝程後期主噴射示意圖。
圖3是壓縮衝程初期主噴射示意圖。
圖4是壓縮衝程後期點火室濃度控制量噴射示意圖。
圖中1、點火室，2、燃料噴嘴，3、火花塞，4、主燃燒室，5、活塞，6、
主噴束，7、點火室濃度控制量噴束，8、氣流。
具體實施例方式
圖1所示，在直噴點燃式發動機的氣缸蓋上設置了一個點火室l，將火花塞 3和燃料噴嘴(多孔噴嘴或旋流噴嘴)2放置其中，噴射方向指向點火室l的通 道口。結合發動機缸內的氣流運動，在發動機的排氣閥關閉到壓縮上止點期間 進行一次或一次以上噴射，通過選擇合適的噴射定時，在缸內壓力大，點火室 通道處氣流比較強時進行一次點火室濃度控制量噴射，在氣流的作用下使燃料 停留在點火室內，而不進入主燃燒室。在缸內壓力小，點火室通道處氣流比較 弱時進行一次或多次主噴射，由於氣流對噴束的作用小，使得燃料直接進入主 燃燒室。這樣通過控制噴入點火室的燃料量的多少，使點火室內混合氣的濃度 不隨工況的變化而變化，進而保證點火的穩定性。
在缸內壓力較低，噴孔到點火室l通道處氣流比較弱時進行主噴射， 一般 在發動機排氣閥關閉後的進氣衝程和壓縮衝程前期。如圖2所示，發動機處於 進氣衝程時，因為缸內壓力低、密度小，且點火室通道處的速度低，所以點火 室通道處及點火室內部的氣流較弱，此時進行主噴射的主噴束6受氣流作用小， 直接噴入主燃燒室。同理，在壓縮初期，主噴射的主噴6也可直接噴入主燃燒 室，如圖3所示。
在缸內壓力大，點火室通道處氣流比較強時，進行點火室濃度控制量噴射， 一般在發動機壓縮衝程末期進行。如圖4所示在壓縮衝程後期，因為缸內壓 力高、密度大，且點火室通道處及點火室內部的氣流(擠流)速度高，所以氣 流強度較大，此時噴射的點火室濃度控制量噴束7受氣流8作用，不能噴入主 燃燒室，而噴入點火室，且受強擠流的作用，迅速擴散至整個點火室。
根據不同工況要求，可以靈活組織燃料噴射。具體採用的噴射方式，可以 是一次點火室濃度控制量噴射，也可以是一次點火室濃度控制量噴射和至少一 次主噴射。
圖1至圖4是以四衝程點燃式發動機為例，對於不同氣閥數及二衝程發動 機，上述燃料噴射方法同樣適用，只是需要在缸頭處把點火室、火花塞、燃料
噴嘴做適當布置。
上述發動機適於燃用多種燃料，包括液體燃料(如汽油、乙醇)和氣體燃 料(如壓縮或液化天然氣、液化石油氣)。對於不同燃料，只需根據燃料本身的 理化特性，對噴射方法作適當調整即可。
權利要求
1、一種採用點火室燃燒系統的直噴式發動機，其特徵是在氣缸蓋中設有一個裝有火花塞(3)的點火室(1)，一個安裝於點火室(1)內的燃料噴嘴(2)的噴射方向指向點火室(1)與主燃燒室(4)相連接的通道口；燃料噴嘴(2)在每一工作循環的燃料總噴射量等於點火室濃度控制量和主噴射量之和，當燃料噴嘴(2)採用一次噴射時，該次噴射為點火室濃度控制量噴射(7)，當燃料噴嘴(2)採用多於一次噴射燃料時，點火室濃度控制量(7)採用一次噴射來完成，主噴射量(6)採用至少一次噴射來完成；燃料噴嘴(2)噴射的是易於被火花塞(3)點燃的液體燃料或氣體燃料。
2、 據權利要求1所述的採用點火室燃燒系統的直噴式發動機，其特徵是所述點火室濃度控制量由燃料噴嘴(2)在發動機壓縮衝程的後期噴射。
3、 據權利要求l所述的採用點火室燃燒系統的直噴式發動機，其特徵是對於四衝程發動機，所述主噴射量(6)由燃料噴嘴(2)在發動機排氣閥關閉後 的進氣衝程或壓縮衝程的前期噴射。
4、 據權利要求l所述的採用點火室燃燒系統的直噴式發動機，其特徵是對於二衝程發動機，所述主噴射量由燃料噴嘴(2)在發動機壓縮衝程的前期噴射。
全文摘要
一種採用點火室燃燒系統的直噴式發動機，其屬於發動機燃料噴射和燃燒領域。該發動機在氣缸蓋中設有一個裝有火花塞的點火室，一個安裝於點火室內的燃料噴嘴的噴射方向指向點火室與主燃燒室相連接的通道口；燃料噴嘴在每一工作循環的燃料總噴射量等於點火室濃度控制量和主噴射量之和。燃料噴嘴在每一工作循環內，根據發動機的工況，在合適的時刻進行一次或一次以上噴射，以形成易於火花塞點燃和適於火焰傳播的混合氣。噴入到主燃燒室內的火焰的擾動作用有利於燃燒的快速擴散，以加快缸內燃燒速度，提高發動機的熱效率。可靠的點火和穩定快速的火焰傳播可以使發動機平穩地運行於更低的怠速轉速，使車輛在城市工況下運行時產生比較明顯的節能效果。
文檔編號F02B23/10GK101387219SQ20081022829
公開日2009年3月18日 申請日期2008年10月24日 優先權日2008年10月24日
發明者磊 付, 馮立巖, 冷先銀, 夏美豔, 杜寶國, 田江平, 隆武強, 齊鯤鵬 申請人:大連理工大學