分层稀燃喷雾-壁面复合引导LPG缸内直喷增压发动机的混合气形成方法

摘要

本发明涉及一种分层稀燃喷雾-壁面复合引导LPG缸内直喷增压发动机的混合气形成方法。其主要技术方案是：活塞顶部具有大倾角底面的凹坑，凹坑中心偏离气缸轴线，且凹坑对称轴线(最底部)沿逆时针向下偏转40°；采用3孔喷嘴高压中心喷射，在压缩过程后期，部分LPG喷向火花塞电极附近以喷雾引导方式直接形成可燃混合气，而喷入具有大倾角底面的燃烧室凹坑的另外部分燃料则在凹坑内卷吸涡和进气涡流的作用下以壁面引导方式随活塞上行至火花塞附近形成可燃混合气；部分负荷工况时关闭一个进气门，气流仅通过另一个进气门进入气缸以形成进气涡流。而大负荷工况时两进气门同时打开，采用进气前期(70°CA ATDC)LPG喷射，形成缸内均质混合气。冷起动、暖机工况时也采用进气前期LPG喷射。与现有发动机相比，进一步扩大了分层混合气的稀燃极限(空燃比A/F＞60∶1)，燃料消耗可降低10％以上。本发明也同样适用于分层稀燃缸内直喷增压汽油机。

说明书

技术领域

本发明涉及火花点火发动机的混合气形成方法。具体地说是LPG作为 燃料的电控缸内直喷增压发动机采用本发明提出的喷雾-壁面复合引导燃料喷 射的燃烧室，在部分负荷工况时，采用稀薄燃烧方式的缸内混合气分层构造； 以及在大负荷工况时，采用预混合均质燃烧方式的混合气形成方法。

背景技术

LPG汽车具有冷起动好、与汽油、柴油相比，燃烧时生成的PM、CO2 少等优势，在进入低碳经济的今天，为减少城市温室气体效应用LPG代替汽油 已成为当前发展趋势，特别适用于每天行驶里程长的城市出租车。但目前火花 点火缸内直喷LPG发动机的研究仍是以现有的缸内直喷汽油机改造而来，因此， 有必要先简略概括缸内直喷汽油机的现状将有助于本发明的提出。目前报道的 直喷汽油机燃烧系统有两种：①壁面引导型：如日本三菱GDI、日本丰田D-4 等。②喷雾引导型：如德国大众TSI、FSI等。“壁面引导型”系统主要借助喷束 角度、活塞形状、气流运动的配合形成混合气。若配合稍有不当，自气缸一侧 喷出的燃油束易在活塞表面和另一侧气缸壁形成燃油附着，使HC排放急剧增 加。“喷雾引导型”系统的燃油束直接喷向火花塞，在电极附近形成可以点燃的 混合气，它具有较好的燃料经济性。但从喷嘴喷出的油束太靠近火花塞，容易 润湿火花塞电极，造成积炭和点火困难；同时它没有凹坑以及不组织缸内气流 运动，高速运转时存在火花塞附近混合气过浓不能点燃的可能。

还要指出的，即使是缸内混合气分层构造，仍希望火花塞电极附近的可 燃混合气区的浓度是均质的，然而增压后增加的循环供油量易造成局部混合气 过浓，由于不组织缸内空气运动，局部混合气均质度不够是显见的。再加上燃 油品质的问题，因此目前推向市场的缸内直喷增压汽油机均仍用了理论空燃比 的预混合均质燃烧(大众1.4L“TSI”、1.6L“FSI”)。但是，采用分层稀薄燃烧来 提高部分负荷时经济性和降低排放是毋庸置疑的，充分利用LPG辛烷值高、饱 合蒸汽压高形成的喷束的减压沸腾现象等特点，为进一步扩大分层混合气的稀 燃极限，解决部分负荷工况火花塞电极附近混合气过浓、HC、NO_x排放升高等， 本发明提出了喷雾-壁面复合引导燃烧系统。通过反复地优化LPG喷孔径、燃 烧室凹坑形状和充量运动等，采用3孔喷嘴更利于在压缩行程接近终了时，喷 射的部分燃料在火花塞电极附近直接生成可燃混合气、而另外进入燃烧室凹坑 的LPG喷束在进气涡流和凹坑内卷吸涡的作用下迅速上行至火花塞电极附近。 本发明提出的上述“复合引导”LPG缸内直喷增压发动机的混合气形成方法尚未 看到。

参考文献：(1)Kawamoto M，Honda T and Katashiba H，et al.A study of center and side  injection in spray guided DISI concept[C].SAE paper 2005-01-0106(2)杨世春，李君，李德刚. 缸内直喷汽油机技术发展趋势分析[J].车用发动机，2007，5(171)：8-13

发明内容

本发明的技术任务是提供一种基于喷雾-壁面复合引导LPG缸内直喷 增压发动机的混合气形成方法。

本发明的技术任务是按以下方式实现的：

1)燃烧室由屋脊型顶部和活塞顶部具有大倾角底面的凹坑构成，凹坑中 心偏离气缸轴线，且凹坑对称轴线(最凹部)沿逆时针方向向下偏转40°。

2)火花塞布置在两排气门的对称线上适当离开喷嘴的位置；3孔喷嘴安 装于燃烧室中心、其轴线向火花塞侧倾斜，在进气涡流的作用下使压缩过程后 期自喷嘴上部的2孔喷出的部分LPG喷雾直接到达火花塞电极附近形成可燃混 合气。

3)压缩过程后期自喷嘴下部的1孔喷出的另一部分LPG喷雾则到达具 有大倾角底面的凹坑，在大倾角底面和进气涡流的作用下沿凹坑壁上行、其自 身沿凹坑壁面形成的卷吸涡也将促进LPG混合气向火花塞电极方向运动。进气 涡流还可以使喷入凹坑的LPG喷雾保持相对集中，有利于形成浓混合气区域。

4)部分负荷工况时关闭一个进气门，气流仅通过另一个进气门进入气 缸，进而在缸壁作用下形成较强的进气涡流。而大负荷工况时两进气歧管同时 打开，并且与进气前期(70°CA ATDC)LPG喷射相配合，形成缸内均质混合气。 冷起动、暖机工况时也采用进气前期LPG喷射。

5)由计算机数值解析和光学可视化实验以及实际发动机上的初步实验 表明，本发明提出的分层稀薄燃烧方式与一般预混合均匀燃烧方式相比，部分 负荷工况时，燃油消耗率可降低10％以上。

附图说明

附图1为本发明提供喷雾-壁面复合引导燃烧系统纵向剖面结构示意 图。

附图2为本发明提供喷雾-壁面复合引导燃烧系统横向剖面结构示意图

图中：1、燃烧室凹坑，2、3孔喷嘴，3、火花塞，4、进气涡流，5、上 部的2孔LPG喷雾，6、下部的LPG喷雾，7、LPG混合气，8、单侧进气歧管， 9、凹坑中心，10、凹坑最低部。

具体实施方式

实施例：在汽缸直径D＝85mm的发动机上，燃烧室由屋脊型顶部和活塞 上具有大倾角(θ)底面的凹坑1构成，压缩比ε＝10.5～11。火花塞3布置在两 排气门的对称线上适当离开喷嘴的位置，三孔(喷孔总面积A＝0.0643mm²)喷嘴2 安装于燃烧室中心、其轴线向火花塞方向倾斜(图1)。在进气涡流4作用下使 压缩过程后期自喷嘴上部的2孔(喷孔直径Φ＝0.11mm、喷射角沿水平轴线逆时 针旋转20°、40°)喷出的部分LPG喷雾5直接到达火花塞电极附近。而自喷嘴 下部的1孔(喷孔直径Φ＝0.24mm、喷射角沿水平轴线逆时针旋转40°)喷出的另 一部分LPG喷雾6则到达具有大倾角底面的凹坑1，在进气涡流和沿凹坑壁面形 成的卷吸涡作用下，LPG混合气7向火花塞电极附近集中(图2)。

根据曲轴上止点位置、转速和进气绝对压力等信号，由发动机点火-燃 料喷射仪控制燃料喷射脉宽和点火时间。部分负荷工况(例：2000转/分)时由电 磁阀关闭一个进气歧管8，从另一个进气岐管流入气缸的空气在缸壁约束下形成 强的进气涡流。而大负荷工况时两进气歧管同时打开，并采用进气前期(上止 点后70°℃A)LPG喷射，LPG与流入气缸的空气有充分地混合时间，以形成均 质混合气。而为了提高冷起动性和缩短暖机时间，冷起动、暖机工况也采用了 进气前期LPG喷射。

试验表明，部分负荷工况在空燃比A/F＞60∶1下工作时，本方式较一般 预混合均质燃烧方式的燃油消耗率可降低10％以上。