專利名稱：當(dāng)量比缸內(nèi)直噴汽油機(jī)抗爆震壓縮著火的擴(kuò)散燃燒方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及內(nèi)燃機(jī)燃燒技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種當(dāng)量比缸內(nèi)直噴汽油機(jī)抗爆震壓 縮著火的擴(kuò)散燃燒方法。
背景技術(shù)：
目前常規(guī)汽油機(jī)的熱效率一般為30%左右，遠(yuǎn)小于柴油機(jī)40%的熱效率，主要原 因之一是其燃燒方式為均質(zhì)混合氣火花點(diǎn)火燃燒，該燃燒方式固有的爆震問題限制了常規(guī) 汽油機(jī)壓縮比的提高。另外，常規(guī)汽油機(jī)由于采用節(jié)氣門調(diào)節(jié)負(fù)荷，不可避免地產(chǎn)生了較大 的泵氣損失，致使其機(jī)械效率低，燃油經(jīng)濟(jì)性差。目前已經(jīng)應(yīng)用的汽油缸內(nèi)直噴技術(shù)(GDI)的燃燒方法主要分為兩種，即分層稀薄 燃燒和均質(zhì)當(dāng)量比燃燒，其著火方式均為火花點(diǎn)火。分層稀燃汽油缸內(nèi)直噴技術(shù)發(fā)動機(jī)的 燃燒組織過程復(fù)雜，控制難度大，且因為無法使用三效催化劑(TWC)，因此隨著排放法規(guī)的 不斷加嚴(yán)該燃燒方法受到限制；均質(zhì)當(dāng)量比汽油缸內(nèi)直噴技術(shù)汽油機(jī)采用了當(dāng)量比均質(zhì)混 合氣點(diǎn)燃燃燒模式，所以仍然無法克服常規(guī)汽油機(jī)所具有的爆震問題，因而節(jié)能潛力有限。近年來出現(xiàn)的均質(zhì)混合氣壓縮著火(HCCI)燃燒方法，實現(xiàn)了汽油機(jī)壓燃工作，但 這種汽油機(jī)的著火時刻和燃燒放熱速率不易控制，容易出現(xiàn)燃燒不穩(wěn)定現(xiàn)象；而且其可用 負(fù)荷范圍較小，雖然能夠滿足日常中低速巡航和大部分城市工況的要求，但不能滿足加速、 高速巡航等高功率輸出要求，正是由于以上這些缺點(diǎn)導(dǎo)致這種發(fā)動機(jī)目前還沒有得到實 用。

發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術(shù)問題本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是其一、如何降低低負(fù)荷時泵氣損失，提高機(jī)械效率； 其二、如何避免分層稀燃汽油缸內(nèi)直噴技術(shù)汽油機(jī)的燃燒組織過程復(fù)雜，尾氣難以達(dá)標(biāo)的 問題；其三、如何克服汽油均質(zhì)混合氣壓縮著火燃燒方式的燃燒始點(diǎn)及放熱速率難以精確 控制，以及運(yùn)行范圍不易拓寬的缺陷。( 二 )技術(shù)方案為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案。本發(fā)明提供了一種當(dāng)量比缸內(nèi)直噴汽油機(jī)抗爆震壓縮著火的擴(kuò)散燃燒方法，包 括在上一循環(huán)的排氣沖程和本循環(huán)的進(jìn)氣沖程中采用可變氣門正時技術(shù)，產(chǎn)生負(fù)閥 重疊，使氣缸內(nèi)在不同負(fù)荷時保留部分的高溫廢氣；在壓縮沖程中和膨脹沖程上止點(diǎn)附近，將高壓汽油通過多段噴射噴入氣缸，并通 過提高汽油混合氣的壓縮比，使所述汽油混合氣在所述壓縮沖程后期達(dá)到汽油自燃的溫 度；在壓縮沖程后期至膨脹沖程初期，所述汽油混合氣經(jīng)過一段滯燃期后，開始多點(diǎn)同時著火燃燒。優(yōu)選地，所述汽油混合氣的壓縮比為大于等于13。優(yōu)選地，所述當(dāng)量比缸內(nèi)直噴汽油機(jī)抗爆震壓縮著火的擴(kuò)散燃燒方法還包括在上 一循環(huán)的排氣沖程和本循環(huán)的進(jìn)氣沖程中，用電子控制單元調(diào)節(jié)氣門正時，從而調(diào)整氣缸 內(nèi)保留的高溫廢氣的量，進(jìn)而調(diào)節(jié)汽油機(jī)的負(fù)荷。優(yōu)選地，所述當(dāng)量比缸內(nèi)直噴汽油機(jī)抗爆震壓縮著火的擴(kuò)散燃燒方法還包括在壓 縮沖程中和膨脹沖程上止點(diǎn)附近，利用電子控制單元控制噴油的時刻、次數(shù)和噴油速率，進(jìn) 而控制著火時刻和燃燒放熱速率。優(yōu)選地，在汽油發(fā)動機(jī)冷車起動時，采用電熱塞加熱的方法使該種汽油機(jī)順利起動。優(yōu)選地，小負(fù)荷時，采用高的高溫廢氣量來限制進(jìn)入所述氣缸的新鮮空氣數(shù)量，同 時按照化學(xué)計量比噴入所述氣缸內(nèi)的汽油量較少，所述發(fā)動機(jī)輸出功率較小。優(yōu)選地，大負(fù)荷時，采用最低的高溫廢氣量，按照化學(xué)計量比噴入的汽油量隨著進(jìn) 入所述氣缸的新鮮空氣量最多而達(dá)到最大值，此時采用較大的噴油提前角。(三)有益效果本發(fā)明的當(dāng)量比缸內(nèi)直噴汽油機(jī)抗爆震壓縮著火的擴(kuò)散燃燒方法通過調(diào)節(jié)內(nèi)部 高溫廢氣的量來控制汽油機(jī)的負(fù)荷，從而降低了泵氣損失，提高了發(fā)動機(jī)的機(jī)械效率，進(jìn)而 提高了該種汽油機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性；利用電子控制單元控制壓縮沖程中和膨脹沖程上止點(diǎn)附 近高壓汽油的噴射時刻、次數(shù)和噴油速率，使得該種汽油燃燒方式的燃燒始點(diǎn)和放熱速率 可控，實現(xiàn)高壓縮比下汽油機(jī)的無爆震柔和工作，從而提高了該種汽油機(jī)的熱效率和燃油 經(jīng)濟(jì)性；利用電子控制單元控制噴油量使得燃燒過程的總體空燃比保持化學(xué)計量比，這樣 能夠保證三效催化劑(TWC)具有最高的轉(zhuǎn)化效率，確保燃燒過程中生成的氮氧化物、一氧 化碳和碳?xì)浠衔锬軌虮蛔畲蟪潭鹊霓D(zhuǎn)化成氮?dú)?、水和二氧化碳等無害物質(zhì)排入大氣，從 而使得該種燃燒方式能夠滿足當(dāng)今日益嚴(yán)格的排放法規(guī)。
具體實施例方式本發(fā)明提出的當(dāng)量比缸內(nèi)直噴汽油機(jī)抗爆震壓縮著火的擴(kuò)散燃燒方法，結(jié)合實施 例詳細(xì)說明如下。本發(fā)明的當(dāng)量比缸內(nèi)直噴汽油機(jī)抗爆震壓縮著火的擴(kuò)散燃燒方法，在上一循環(huán)的 排氣沖程和本循環(huán)的進(jìn)氣沖程中，通過采用可變氣門正時(VVT)技術(shù)，產(chǎn)生負(fù)閥重疊(NVO) 使得缸內(nèi)在不同負(fù)荷時保留部分的高溫廢氣。由于該汽油機(jī)采用了較高的壓縮比，例如壓 縮比> 13，加上高溫廢氣的作用，使得在壓縮沖程后期氣缸內(nèi)的溫度達(dá)到汽油的自燃溫度。 在壓縮沖程中和膨脹沖程上止點(diǎn)附近高壓噴入缸內(nèi)的汽油燃料經(jīng)過一段滯燃期后，便開 始多點(diǎn)同時著火的燃燒過程，因而該種燃燒方式的燃燒始點(diǎn)是靈活可控的。電子控制單元 (ECU)通過控制噴油的時刻、次數(shù)和噴油速率來控制燃燒放熱速率，使得壓力升高率和最高 爆壓不至于太大，又能控制燃燒持續(xù)期不至于拖得太長。以上技術(shù)措施使得該種缸內(nèi)直噴 汽油機(jī)壓縮著火的擴(kuò)散燃燒方法成為一種燃燒過程柔和可控且熱效率很高的汽油燃燒方 式。汽油具有易揮發(fā)的特性，加上高壓噴射和高速噴注形成的卷吸作用，使得噴入缸內(nèi)的汽油能夠在短時間內(nèi)完成油滴破碎、燃油汽化和與空氣混合的過程；同時由于汽油的 十六烷值較低，因此滯燃期相對較長，所以前期噴入的汽油得以與空氣充分混合，抑制了大 量碳煙的產(chǎn)生。電子控制單元控制噴油量使得燃燒過程的總體空燃比保持化學(xué)計量比，這 樣能夠保證三效催化劑具有最高的轉(zhuǎn)化效率，確保燃燒過程中生成的氮氧化物、一氧化碳 和碳?xì)浠衔锬軌虮蛔畲蟪潭鹊霓D(zhuǎn)化成氮?dú)?、水和二氧化碳等無害物質(zhì)排入大氣，從而使 得該種燃燒方式能夠滿足當(dāng)今日益嚴(yán)格的排放法規(guī)。負(fù)荷不同時，本發(fā)明的控制策略如下冷車起動時，采用電熱塞加熱的方法使該種汽油機(jī)順利起動；穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)后，該汽油 機(jī)即能在無外源加熱的情況下順利著火燃燒，此時停止對電熱塞供電，以提高經(jīng)濟(jì)性。小負(fù)荷時，采用高的高溫廢氣量來限制進(jìn)入氣缸的新鮮空氣數(shù)量，同時由于高溫 廢氣的高溫使得汽油的壓燃變得較容易；此時按照化學(xué)計量比噴入缸內(nèi)的汽油量較少，發(fā) 動機(jī)輸出功率較小。隨著發(fā)動機(jī)負(fù)荷的增大，逐漸降低高溫廢氣量，以確保按照化學(xué)計量比噴入缸內(nèi) 的汽油數(shù)量能夠滿足發(fā)動機(jī)動力輸出的需求。大負(fù)荷時，高溫廢氣量最低，按照化學(xué)計量比噴入的汽油量隨著進(jìn)入氣缸的新鮮 空氣量最多而達(dá)到最大值，此時采用較大的噴油提前角，以保證發(fā)動機(jī)有高的熱效率和較 低的污染物排放。本發(fā)明提供的一種當(dāng)量比缸內(nèi)直噴汽油機(jī)抗爆震壓縮著火的擴(kuò)散燃燒方法，采用 高壓縮比和內(nèi)部高溫廢氣，通過缸內(nèi)燃油噴射控制汽油的壓縮著火和放熱速率。在理想的 情況下，可以在整個工況平面內(nèi)采用單一的汽油壓縮著火的擴(kuò)散燃燒模式，但將其它汽油 燃燒模式(例如均質(zhì)點(diǎn)燃等)和該燃燒模式在整個工況平面內(nèi)混合使用的汽油燃燒方法也 應(yīng)當(dāng)在本專利的保護(hù)范圍之內(nèi)。以上實施方式僅用于說明本發(fā)明，而并非對本發(fā)明的限制，有關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的普通 技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，還可以做出各種變化和變型，因此所有 等同的技術(shù)方案也屬于本發(fā)明的范疇，本發(fā)明的專利保護(hù)范圍應(yīng)由權(quán)利要求限定。
權(quán)利要求
一種當(dāng)量比缸內(nèi)直噴汽油機(jī)抗爆震壓縮著火的擴(kuò)散燃燒方法，其特征在于，所述當(dāng)量比缸內(nèi)直噴汽油機(jī)抗爆震壓縮著火的擴(kuò)散燃燒方法包括在上一循環(huán)的排氣沖程和本循環(huán)的進(jìn)氣沖程中，采用可變氣門正時技術(shù)，產(chǎn)生負(fù)閥重疊，使氣缸內(nèi)在不同負(fù)荷時保留部分高溫廢氣；在壓縮沖程中和膨脹沖程上止點(diǎn)附近，將高壓汽油通過多段噴射噴入氣缸，并通過提高汽油混合氣的壓縮比，使所述汽油混合氣在所述壓縮沖程后期達(dá)到汽油自燃的溫度；在壓縮沖程后期至膨脹沖程初期，所述汽油混合氣經(jīng)過一段滯燃期后，開始多點(diǎn)同時著火燃燒。
2.如權(quán)利要求1所述的當(dāng)量比缸內(nèi)直噴汽油機(jī)抗爆震壓縮著火的擴(kuò)散燃燒方法，其特 征在于，所述汽油混合氣的壓縮比為大于等于13。
3.如權(quán)力要求1或2所述的當(dāng)量比缸內(nèi)直噴汽油機(jī)抗爆震壓縮著火的擴(kuò)散燃燒方法， 其特征在于，所述當(dāng)量比缸內(nèi)直噴汽油機(jī)抗爆震壓縮著火的擴(kuò)散燃燒方法還包括在上一循環(huán)的排 氣沖程和本循環(huán)的進(jìn)氣沖程中，用電子控制單元調(diào)節(jié)氣門正時，從而調(diào)整氣缸內(nèi)保留的高 溫廢氣的量，進(jìn)而調(diào)節(jié)汽油機(jī)的負(fù)荷。
4.如權(quán)力要求3所述的當(dāng)量比缸內(nèi)直噴汽油機(jī)抗爆震壓縮著火的擴(kuò)散燃燒方法，其特 征在于，所述當(dāng)量比缸內(nèi)直噴汽油機(jī)抗爆震壓縮著火的擴(kuò)散燃燒方法包括在壓縮沖程中和膨 脹沖程上止點(diǎn)附近，利用電子控制單元控制噴油的時刻、次數(shù)和噴油速率，進(jìn)而控制著火時 刻和燃燒放熱速率。
5.如權(quán)利要求4所述的當(dāng)量比缸內(nèi)直噴汽油機(jī)抗爆震壓縮著火的擴(kuò)散燃燒方法，其特 征在于，在汽油發(fā)動機(jī)冷車起動時，采用電熱塞加熱的方法使該種汽油機(jī)順利起動。
6.如權(quán)利要求4所述的當(dāng)量比缸內(nèi)直噴汽油機(jī)抗爆震壓縮著火的擴(kuò)散燃燒方法，其特 征在于，小負(fù)荷時，采用高的高溫廢氣量來限制進(jìn)入所述氣缸的新鮮空氣數(shù)量，同時按照化 學(xué)計量比噴入所述氣缸內(nèi)的汽油量較少，所述發(fā)動機(jī)輸出功率較小。
7.如權(quán)利要求4所述的當(dāng)量比缸內(nèi)直噴汽油機(jī)抗爆震壓縮著火的擴(kuò)散燃燒方法，其特 征在于，大負(fù)荷時，采用最低的高溫廢氣量，按照化學(xué)計量比噴入的汽油量隨著進(jìn)入所述氣 缸的新鮮空氣量最多而達(dá)到最大值，此時采用較大的噴油提前角。
全文摘要
本發(fā)明涉及當(dāng)量比缸內(nèi)直噴汽油機(jī)抗爆震壓縮著火的擴(kuò)散燃燒方法，包括在上一循環(huán)的排氣沖程和本循環(huán)的進(jìn)氣沖程中采用可變氣門正時技術(shù)，產(chǎn)生負(fù)閥重疊，使氣缸內(nèi)在不同負(fù)荷時保留部分的高溫廢氣；在壓縮沖程中和膨脹沖程上止點(diǎn)附近，將高壓汽油通過多段噴射噴入氣缸，并通過提高汽油混合氣的壓縮比，使所述汽油混合氣在所述壓縮沖程后期達(dá)到汽油自燃的溫度；在壓縮沖程后期至膨脹沖程初期，所述汽油混合氣經(jīng)過一段滯燃期后，開始多點(diǎn)同時著火燃燒，因而燃燒始點(diǎn)可控。通過使用本發(fā)明的當(dāng)量比缸內(nèi)直噴汽油機(jī)抗爆震壓縮著火的擴(kuò)散燃燒方法，可實現(xiàn)高壓縮比下汽油機(jī)無爆震柔和工作，降低污染物排放，減少泵氣損失，提高發(fā)動機(jī)的機(jī)械效率和燃油經(jīng)濟(jì)性。
文檔編號F01L1/34GK101929364SQ20101023994
公開日2010年12月29日 申請日期2010年7月28日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月28日
發(fā)明者帥石金, 楊洪強(qiáng), 王建昕, 王志 申請人:清華大學(xué)