專利名稱：基于多段噴射的汽油直噴式發動機分層混合氣形成方法
技術領域：
本發明涉及汽油直噴式發動機燃燒系統，特別涉及一種電控汽油直噴式發動機在中小負荷時分層稀薄混合氣形成方法。
背景技術：
汽油發動機的最大缺陷是燃油消耗率偏高，目前應用最普遍的是基于進氣道的電控噴射和三效催化器的汽油機，盡管其排放已很低，然而燃油消耗率明顯高于柴油機。二十世紀九十年代后半期，三菱、豐田等汽車公司采用缸內汽油直接噴射技術(Gasoline DirectInjection，GDI)實現分層稀薄燃燒，可以降低汽油發動機的燃油消耗率10～20％，顯示了其明顯的節能優勢。其關鍵技術是在中小負荷時采用濃度分層的混合氣工作，為此燃燒室設計和混合氣形成的控制變得十分復雜，這是目前汽油直噴式發動機尚不能大規模推廣普及的原因之一，僅有日本和歐洲少數汽車公司已商品化。
目前流行的汽油直噴式發動機燃燒系統的主要特征為(參見圖1)同一工作循環中一般采用單次汽油噴射，即在進氣沖程噴油或者在壓縮過程噴油一次；采用滾流進氣道1產生進氣滾流；借助于復雜的燃燒室5的形狀(活塞2頂部的不規則曲面)和進氣滾流，引導噴油器3噴出的汽油在火花塞4附近形成較濃的可燃混合氣，而在缸內其它區域形成較稀的可燃混合氣。燃燒室形狀與氣流運動的匹配是一項要求精度極高難度極大的設計工作，需要進行大量試驗才能確定燃燒室形狀，否則不能保證在不同運轉工況時都能在火花塞周圍形成可點燃混合氣，為此有一些機型不得不在進氣系統設置進氣滾流強度控制裝置。
雖然國外也有在直噴汽油機上采用兩次噴射的報道，如三菱汽車公司采用兩次噴射僅為了使催化劑快速起燃以改善冷起動特性，參見文獻“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.”。豐田汽車公司則是用兩次噴射使均質稀燃和分層稀燃工況之間的過渡更平穩，參見文獻“Jun Harda，Tsutomu Tomita，Hiroyuki Mizuno，Development of Direct Injection Gasoline Engine，SAE Paper，970540.”。但這兩家公司仍采用了圖1所示的復雜燃燒系統。
發明內容
本發明的目的和任務是提供一種汽油直噴式發動機分層混合氣形成方法，該方法不需要復雜的燃燒室結構和形狀，即可保證在不同運轉工況時都能在火花塞周圍形成可點燃混合氣，比較容易地控制可燃混合氣濃度分層的范圍和強度，從而可減小燃燒室的設計難度，進一步降低加工和制造成本。
本發明的目的是通過如下技術方案實現的一種基于多段噴射的汽油直噴式發動機分層混合氣形成方法，該方法包括如下步驟(1)將活塞頂部的燃燒室形狀制作成圓筒形凹坑，采用渦流進氣道產生進氣滾流；(2)利用電控燃油噴射系統，在同一個工作循環中噴油二次，根據發動機的運轉工況，控制每次噴油的時間和噴油量，形成范圍和濃度不同的分層混合氣分布。即在進氣沖程中進行第一次噴油，使活塞在接近壓縮上止點時，第一次噴射的燃油在整個氣缸中形成稀薄均勻的混合氣區域，然后在壓縮沖程中進行第二次噴油，使燃燒室凹坑中形成較濃的混合氣區域。
為達到本發明的目的，本發明的另一種技術方案為一種基于多段噴射的汽油直噴式發動機分層混合氣形成方法，該方法包括如下步驟(1)將活塞頂部的燃燒室形狀制作成圓筒形凹坑，采用渦流進氣道產生進氣滾流；(2)利用電控燃油噴射系統，在同一個工作循環中噴油三次，根據發動機的運轉工況，控制每次噴油的時間和噴油量，形成范圍和濃度不同的分層混合氣分布。即在進氣沖程中進行第一次噴油，使活塞在接近壓縮上止點時，第一次噴射的燃油在整個氣缸中形成稀薄均勻的混合氣，然后在壓縮沖程中進行第二次和第三次噴油，使燃燒室凹坑中形成的濃混合氣區域與第一次噴射形成的稀混合氣區域之間產生一個過渡區。
本發明提供的方法主要是利用靈活的電控燃油噴射系統進行多段噴油來形成分層混合氣，在同一循環中噴油二次或者三次；活塞頂部的燃燒室形狀采用簡單規則的淺圓筒形燃燒室；同時保留最常用的渦流進氣方式；即在進氣沖程中進行第一次噴射，在壓縮沖程中進行第二次或第二次和第三次噴油。這樣，在接近壓縮上止點時，第一次噴射的燃油已在整個氣缸中形成了稀薄均勻的混合氣，第二次噴油由于噴射時間短，來不及充分擴散，加之位于活塞頂部的淺圓筒形燃燒室凹坑的限制，形成較濃的混合氣，大部分集中在燃燒室凹坑中，火花塞點燃濃混合氣，由此產生的高溫高壓使得周圍的稀混合氣點燃更容易。根據運轉工況不同，也可采用三次噴射，在濃區和稀區之間增加一個過渡區，使火焰傳播更平順。
本發明的技術方案可大大減小燃燒室設計難度，容易控制可燃混合氣濃度分層的范圍和強度，與現有技術相比，其燃燒室的加工和制造要簡單的多。在實際發動機上的初步試驗表明，本發明所提出的方案可比一般進氣道噴射的汽油機降低燃油消耗率15％左右。
圖1為現有技術中汽油直噴式發動機燃燒系統的結構示意圖。
圖2為本發明提供的汽油直噴式發動機燃燒系統的結構示意圖。
具體實施例方式
下面結合附圖及具體實例對本發明作進一步的說明，以進一步理解本發明。
實施例在一氣缸直徑為95毫米的發動機上，保持最常用的渦流進氣方式，燃燒室5形狀為一深10毫米、徑深比為4的圓筒形凹坑，火花塞1布置于凹坑內；壓縮比采用10～11，用錐角為30°的傘噴汽油電控噴油器，采用二次噴射。電控單元根據發動機的轉速和進氣流量等運轉工況以及依據試驗確定的電控噴射脈譜圖(MAP)，給出噴油脈沖信號，使噴油器在進氣沖程中進行第一次噴油，噴油時間為上止點后70～100°，噴油量為總噴油的50～70％。當活塞接近壓縮上止點時，第一次噴射的燃油已在整個氣缸中形成了稀薄均勻的混合氣，然后在壓縮沖程中進行第二次噴油，噴油時間為第一次噴射后的150～200°。第二次噴油由于噴射時間晚，來不及充分擴散，加之活塞頂上燃燒室凹坑的限制，形成較濃的混合氣，并且大部分集中在燃燒室凹坑中，火花塞點燃濃混合氣，由此產生的高溫高壓使火焰能更迅速更可靠地在周圍稀混合氣中傳播。
該燃燒系統在過量空氣系數為1.4～1.6條件下工作時，比一般進氣道噴射的汽油機降低燃油消耗率15％左右。
權利要求
1.一種基于多段噴射的汽油直噴式發動機分層混合氣形成方法，該方法包括如下步驟(1)將活塞頂部的燃燒室形狀制作成圓筒形凹坑，采用渦流進氣道產生進氣滾流；(2)利用電控燃油噴射系統，在同一個工作循環中噴油二次，根據發動機的運轉工況，控制每次噴油的時間和噴油量，形成范圍和濃度不同的分層混合氣分布，即在進氣沖程中進行第一次噴油，使活塞在接近壓縮上止點時，第一次噴射的燃油在整個氣缸中形成稀薄均勻的混合氣區域，然后在壓縮沖程中進行第二次噴油，使燃燒室凹坑中形成較濃的混合氣區域。
2.一種基于多段噴射的汽油直噴式發動機分層混合氣形成方法，該方法包括如下步驟(1)將活塞頂部的燃燒室形狀制作成圓筒形凹坑，采用渦流進氣道產生進氣滾流；(2)利用電控燃油噴射系統，在同一個工作循環中噴油三次，根據發動機的運轉工況，控制每次噴油的時間和噴油量，形成范圍和濃度不同的分層混合氣分布，即在進氣沖程中進行第一次噴油，使活塞在接近壓縮上止點時，第一次噴射的燃油在整個氣缸中形成稀薄均勻的混合氣，然后在壓縮沖程中進行第二次和第三次噴油，使燃燒室凹坑中形成的濃混合氣區域與第一次噴射形成的稀混合氣區域之間形成一個過渡區。
全文摘要
基于多段噴射的汽油直噴式發動機分層混合氣形成方法，涉及電控汽油直噴式發動機在中小負荷時分層稀薄燃燒方法。本發明以多段噴油作為形成分層混合氣的主要手段，在同一循環中噴油二次或者三次，即在進氣沖程中進行第一次噴射，在壓縮沖程中進行第二次或第二次和第三次噴油；活塞頂部的燃燒室形狀采用簡單規則的淺圓筒形燃燒室；同時保留最常用的渦流進氣方式。本發明的技術方案可大大減小燃燒室設計難度，容易控制可燃混合氣濃度分層的范圍和強度。與現有技術相比，其燃燒室的加工和制造要簡單的多。在實際發動機上的初步試驗表明，該發明可比一般進氣道噴射的汽油機降低燃油消耗率15％左右。
文檔編號F02D41/30GK1560440SQ20041000447
公開日2005年1月5日 申請日期2004年2月27日 優先權日2004年2月27日
發明者王建昕, 王燕軍, 何邦全, 帥石金 申請人:清華大學