一种缸内直喷汽油机分层当量比燃烧的方法和系统

摘要

本发明公开了一种缸内直喷汽油机分层当量比燃烧的方法，包括以下步骤：在进气过程中进行第一次燃料喷射，在压缩上止点时形成均质稀薄混合气；在压缩过程中进行第二次或多次燃料喷射，在火花塞周围形成浓混合气区域；火花塞点火，使所述燃料进行燃烧。本发明还公开了一种缸内直喷汽油机分层当量比燃烧的系统，包括喷油器、电控单元和火花塞。采用本发明时，汽油分层当量比混合气燃烧产生的有害排放物，可以使用传统汽油机三效催化剂有效地控制，解决了第一代GDI分层稀薄燃烧方法稀燃催化剂开发难度大、成本高，排放不易控制的问题。同时，分层当量比的燃烧方法可以带来比第二代GDI均质当量比燃烧方法更高的燃油经济性，而且可以抑制爆震的产生。

说明书

技术领域

本发明涉及内燃机技术领域，特别是涉及一种缸内直喷汽油机分层当量比燃烧的方法和系统。

背景技术

缸内直喷汽油机通过控制喷油时刻可以形成均质或分层的混合气。目前已经应用的汽油缸内直喷技术的燃烧方法主要分为两种，即分层稀薄燃烧和均质当量比燃烧。第一代GDI采用分层稀薄燃烧的燃烧方法，主要以20世纪九十年代三菱、丰田和日产等公司为代表，利用缸内燃油喷射形成非均质的分层混合气，保证点火瞬时在火花塞周围形成易于着火的浓混合气，而燃烧室其余区域为稀混合气，但整体上为过量空气系数远大于1的稀薄燃烧。但由于分层稀燃GDI发动机无法使用三效催化剂，而稀燃催化剂开发的难度和成本又很高，因此随着排放法规的不断加严该燃烧方法受到限制。

第二代GDI采用均质当量比的燃烧方法，通过进气冲程中缸内早喷燃料形成均质混合气后火花点火，保持在化学计量比下工作，这样可以采用成熟的三效催化剂技术从而有效控制发动机排放。

在实现本发明过程中，发明人发现现有技术中至少存在如下问题：其中，11为喷油器，12为火花塞，13为进气，14为排气，15为化学计量比均质混合气，其燃空当量比λ＝1.0，16为末端混合气自燃。由于第二代GDI采用了当量比均质混合气点燃燃烧模式，所以传统汽油机在低速大负荷工况下容易爆震。其爆震的机理如图1所示，在低速大负荷工况，火焰传播速度慢，燃烧室壁面温度高，末端当量比混合气受压缩和热辐射，发生自燃，形成局部温度压力陡升，激波冲击燃烧室壁面产生高频振音。

发明内容

本发明实施例要解决的问题是提供一种缸内直喷汽油机分层当量比燃烧的方法和系统，以克服现有技术中由于采用当量比均质混合气点燃燃烧模式，而造成传统汽油机在低速大负荷工况下容易爆震的缺陷。

为达到上述目的，本发明实施例的技术方案提供一种缸内直喷汽油机分层当量比燃烧的方法，所述方法包括以下步骤：在进气过程中进行第一次燃料喷射，在压缩上止点时形成均质稀薄混合气；在压缩过程中进行第二次或多次燃料喷射，在火花塞周围形成浓混合气区域；火花塞点火，使所述燃料进行燃烧。

其中，在所述在压缩过程中进行第二次或多次燃料喷射的步骤之后，缸内混合气整体处于化学计量比。

其中，所述稀薄混合气的燃空当量比λ＞1。

其中，所述稀薄混合气的燃空当量比λ的范围为1.2～2.0。

其中，所述浓混合气的燃空当量比λ＜1。

其中，所述浓混合气的燃空当量比λ的范围为0.7～0.9。

其中，所述第一次燃料喷射的步骤中喷入燃料总量的3/4，所述第二次或多次燃料喷射的步骤中喷入燃料总量的1/4。

本发明实施例的技术方案还提供一种缸内直喷汽油机分层当量比燃烧的系统，所述系统包括：喷油器，用于向缸内喷入燃料；电控单元，用于控制所述喷油器的喷油时刻和喷油量，使所述喷油器在进气过程中进行第一次燃料喷射，在压缩过程中进行第二次或多次燃料喷射；火花塞，用于点燃所述燃料。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有如下优点：

采用本发明时，汽油分层当量比混合气燃烧产生的有害排放物，可以使用传统汽油机三效催化剂有效地控制，解决了第一代GDI分层稀薄燃烧方法稀燃催化剂开发难度大、成本高，排放不易控制的问题。同时，分层当量比的燃烧方法可以带来比第二代GDI均质当量比燃烧方法更高的燃油经济性，而且可以抑制爆震的产生。

附图说明

图1是现有技术的一种汽油机爆震发生的机理示意图；

图2是本发明实施例的一种缸内直喷汽油机分层当量比燃烧方法的流程图；

图3是本发明实施例的一种汽油直喷式发动机分层当量比燃烧系统的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明实施例的一种缸内直喷汽油机分层当量比燃烧的方法如图2所示，包括以下步骤：

步骤s201，在进气过程中进行第一次燃料喷射，在压缩上止点时形成均质稀薄混合气。所述稀薄混合气的燃空当量比λ＞1，其范围可以为1.2～2.0。

步骤s202，在压缩过程中进行第二次或多次燃料喷射，在火花塞周围形成浓混合气区域。所述浓混合气的燃空当量比λ＜1，其范围可以为0.7～0.9。此时，缸内混合气整体处于化学计量比。

步骤s203，火花塞点火，使所述燃料进行燃烧。

本发明实施例的一种汽油直喷式发动机分层当量比燃烧系统的结构示意图如图3所示，其中，31为喷油器，32为火花塞，33为进气，34为排气，35为浓混合气区，其燃空当量比λ＝0.7～0.9，16为稀混合气区，其燃空当量比λ＝1.2～2.0。该燃烧系统气缸直径为95毫米，压缩比为11，用锥角为60°的高压旋流伞喷汽油电控喷油器，采用两次喷射。在同一工作循环内中，根据电控单元给出的喷油脉冲信号(控制喷油时刻和喷油量)，在进气过程中进行第一次喷射，喷入3/4的燃料，喷油时刻为进气上止点后100°，这些燃料在压缩上止点时已形成均质稀薄混合气；然后在压缩过程中进行第二次喷射，喷入1/4的燃料，将气缸内的混合气整体调整到化学计量比，喷油时刻为压缩上止点前100°，由于来不及充分扩散并且受燃烧室凹坑的限制，在燃烧室中心区域形成较浓混合气。这样，在压缩上止点时，气缸内可燃混合气形成浓度不同的两个区域，点火时刻火花塞附近为过量空气系数λ＜1的浓混合气，周围为燃空当量比λ＞1的稀混合气，整体上处于化学当量比，即形成分层当量比的混合气。从试验结果可知，采用分层当量比燃烧方法(压缩冲程二次喷射形成分层混合气)相比于均质当量比燃烧方法(进气冲程喷射形成均质混合气)，着火后可燃混合气燃烧速度快，热效率高。

本发明通过在缸内进行两次或者多次燃油喷射，形成浓度分层的化学当量比的混合气，即燃烧室中心(火花塞周围)比化学计量比更浓的混合气，而周边为稀混合气，但整体上仍为化学计量比。由于在点火瞬时火花塞周围处于浓混合气区，可以加快燃烧速度，缩短火焰前锋面到达燃烧室边缘的时间；其次，分层使得燃烧室远离火花塞易发生爆震的区域为稀混合气，其自燃着火的可能比当量混合气要小，并且在压缩上止点附近进行二次和三次喷射可以降低缸内温度，这样就使得爆震发生的倾向减弱。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。