专利名称：当量比缸内直喷汽油机抗爆震压缩着火的扩散燃烧方法
技术领域：
本发明涉及内燃机燃烧技术领域，特别涉及一种当量比缸内直喷汽油机抗爆震压 缩着火的扩散燃烧方法。
背景技术：
目前常规汽油机的热效率一般为30%左右，远小于柴油机40%的热效率，主要原 因之一是其燃烧方式为均质混合气火花点火燃烧，该燃烧方式固有的爆震问题限制了常规 汽油机压缩比的提高。另外，常规汽油机由于采用节气门调节负荷，不可避免地产生了较大 的泵气损失，致使其机械效率低，燃油经济性差。目前已经应用的汽油缸内直喷技术(GDI)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，其着火方式均为火花点火。分层稀燃汽油缸内直喷技术发动机的 燃烧组织过程复杂，控制难度大，且因为无法使用三效催化剂(TWC)，因此随着排放法规的 不断加严该燃烧方法受到限制；均质当量比汽油缸内直喷技术汽油机采用了当量比均质混 合气点燃燃烧模式，所以仍然无法克服常规汽油机所具有的爆震问题，因而节能潜力有限。近年来出现的均质混合气压缩着火(HCCI)燃烧方法，实现了汽油机压燃工作，但 这种汽油机的着火时刻和燃烧放热速率不易控制，容易出现燃烧不稳定现象；而且其可用 负荷范围较小，虽然能够满足日常中低速巡航和大部分城市工况的要求，但不能满足加速、 高速巡航等高功率输出要求，正是由于以上这些缺点导致这种发动机目前还没有得到实 用。
发明内容
(一)要解决的技术问题本发明要解决的技术问题是其一、如何降低低负荷时泵气损失，提高机械效率； 其二、如何避免分层稀燃汽油缸内直喷技术汽油机的燃烧组织过程复杂，尾气难以达标的 问题；其三、如何克服汽油均质混合气压缩着火燃烧方式的燃烧始点及放热速率难以精确 控制，以及运行范围不易拓宽的缺陷。( 二 )技术方案为实现上述目的，本发明采用如下技术方案。本发明提供了一种当量比缸内直喷汽油机抗爆震压缩着火的扩散燃烧方法，包 括在上一循环的排气冲程和本循环的进气冲程中采用可变气门正时技术，产生负阀 重叠，使气缸内在不同负荷时保留部分的高温废气；在压缩冲程中和膨胀冲程上止点附近，将高压汽油通过多段喷射喷入气缸，并通 过提高汽油混合气的压缩比，使所述汽油混合气在所述压缩冲程后期达到汽油自燃的温 度；在压缩冲程后期至膨胀冲程初期，所述汽油混合气经过一段滞燃期后，开始多点同时着火燃烧。优选地，所述汽油混合气的压缩比为大于等于13。优选地，所述当量比缸内直喷汽油机抗爆震压缩着火的扩散燃烧方法还包括在上 一循环的排气冲程和本循环的进气冲程中，用电子控制单元调节气门正时，从而调整气缸 内保留的高温废气的量，进而调节汽油机的负荷。优选地，所述当量比缸内直喷汽油机抗爆震压缩着火的扩散燃烧方法还包括在压 缩冲程中和膨胀冲程上止点附近，利用电子控制单元控制喷油的时刻、次数和喷油速率，进 而控制着火时刻和燃烧放热速率。优选地，在汽油发动机冷车起动时，采用电热塞加热的方法使该种汽油机顺利起动。优选地，小负荷时，采用高的高温废气量来限制进入所述气缸的新鲜空气数量，同 时按照化学计量比喷入所述气缸内的汽油量较少，所述发动机输出功率较小。优选地，大负荷时，采用最低的高温废气量，按照化学计量比喷入的汽油量随着进 入所述气缸的新鲜空气量最多而达到最大值，此时采用较大的喷油提前角。(三)有益效果本发明的当量比缸内直喷汽油机抗爆震压缩着火的扩散燃烧方法通过调节内部 高温废气的量来控制汽油机的负荷，从而降低了泵气损失，提高了发动机的机械效率，进而 提高了该种汽油机的燃油经济性；利用电子控制单元控制压缩冲程中和膨胀冲程上止点附 近高压汽油的喷射时刻、次数和喷油速率，使得该种汽油燃烧方式的燃烧始点和放热速率 可控，实现高压缩比下汽油机的无爆震柔和工作，从而提高了该种汽油机的热效率和燃油 经济性；利用电子控制单元控制喷油量使得燃烧过程的总体空燃比保持化学计量比，这样 能够保证三效催化剂(TWC)具有最高的转化效率，确保燃烧过程中生成的氮氧化物、一氧 化碳和碳氢化合物能够被最大程度的转化成氮气、水和二氧化碳等无害物质排入大气，从 而使得该种燃烧方式能够满足当今日益严格的排放法规。
具体实施例方式本发明提出的当量比缸内直喷汽油机抗爆震压缩着火的扩散燃烧方法，结合实施 例详细说明如下。本发明的当量比缸内直喷汽油机抗爆震压缩着火的扩散燃烧方法，在上一循环的 排气冲程和本循环的进气冲程中，通过采用可变气门正时(VVT)技术，产生负阀重叠(NVO) 使得缸内在不同负荷时保留部分的高温废气。由于该汽油机采用了较高的压缩比，例如压 缩比> 13，加上高温废气的作用，使得在压缩冲程后期气缸内的温度达到汽油的自燃温度。 在压缩冲程中和膨胀冲程上止点附近高压喷入缸内的汽油燃料经过一段滞燃期后，便开 始多点同时着火的燃烧过程，因而该种燃烧方式的燃烧始点是灵活可控的。电子控制单元 (ECU)通过控制喷油的时刻、次数和喷油速率来控制燃烧放热速率，使得压力升高率和最高 爆压不至于太大，又能控制燃烧持续期不至于拖得太长。以上技术措施使得该种缸内直喷 汽油机压缩着火的扩散燃烧方法成为一种燃烧过程柔和可控且热效率很高的汽油燃烧方 式。汽油具有易挥发的特性，加上高压喷射和高速喷注形成的卷吸作用，使得喷入缸内的汽油能够在短时间内完成油滴破碎、燃油汽化和与空气混合的过程；同时由于汽油的 十六烷值较低，因此滞燃期相对较长，所以前期喷入的汽油得以与空气充分混合，抑制了大 量碳烟的产生。电子控制单元控制喷油量使得燃烧过程的总体空燃比保持化学计量比，这 样能够保证三效催化剂具有最高的转化效率，确保燃烧过程中生成的氮氧化物、一氧化碳 和碳氢化合物能够被最大程度的转化成氮气、水和二氧化碳等无害物质排入大气，从而使 得该种燃烧方式能够满足当今日益严格的排放法规。负荷不同时，本发明的控制策略如下冷车起动时，采用电热塞加热的方法使该种汽油机顺利起动；稳定运转后，该汽油 机即能在无外源加热的情况下顺利着火燃烧，此时停止对电热塞供电，以提高经济性。小负荷时，采用高的高温废气量来限制进入气缸的新鲜空气数量，同时由于高温 废气的高温使得汽油的压燃变得较容易；此时按照化学计量比喷入缸内的汽油量较少，发 动机输出功率较小。随着发动机负荷的增大，逐渐降低高温废气量，以确保按照化学计量比喷入缸内 的汽油数量能够满足发动机动力输出的需求。大负荷时，高温废气量最低，按照化学计量比喷入的汽油量随着进入气缸的新鲜 空气量最多而达到最大值，此时采用较大的喷油提前角，以保证发动机有高的热效率和较 低的污染物排放。本发明提供的一种当量比缸内直喷汽油机抗爆震压缩着火的扩散燃烧方法，采用 高压缩比和内部高温废气，通过缸内燃油喷射控制汽油的压缩着火和放热速率。在理想的 情况下，可以在整个工况平面内采用单一的汽油压缩着火的扩散燃烧模式，但将其它汽油 燃烧模式(例如均质点燃等)和该燃烧模式在整个工况平面内混合使用的汽油燃烧方法也 应当在本专利的保护范围之内。以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通 技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有 等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。
权利要求
一种当量比缸内直喷汽油机抗爆震压缩着火的扩散燃烧方法，其特征在于，所述当量比缸内直喷汽油机抗爆震压缩着火的扩散燃烧方法包括在上一循环的排气冲程和本循环的进气冲程中，采用可变气门正时技术，产生负阀重叠，使气缸内在不同负荷时保留部分高温废气；在压缩冲程中和膨胀冲程上止点附近，将高压汽油通过多段喷射喷入气缸，并通过提高汽油混合气的压缩比，使所述汽油混合气在所述压缩冲程后期达到汽油自燃的温度；在压缩冲程后期至膨胀冲程初期，所述汽油混合气经过一段滞燃期后，开始多点同时着火燃烧。
2.如权利要求1所述的当量比缸内直喷汽油机抗爆震压缩着火的扩散燃烧方法，其特 征在于，所述汽油混合气的压缩比为大于等于13。
3.如权力要求1或2所述的当量比缸内直喷汽油机抗爆震压缩着火的扩散燃烧方法， 其特征在于，所述当量比缸内直喷汽油机抗爆震压缩着火的扩散燃烧方法还包括在上一循环的排 气冲程和本循环的进气冲程中，用电子控制单元调节气门正时，从而调整气缸内保留的高 温废气的量，进而调节汽油机的负荷。
4.如权力要求3所述的当量比缸内直喷汽油机抗爆震压缩着火的扩散燃烧方法，其特 征在于，所述当量比缸内直喷汽油机抗爆震压缩着火的扩散燃烧方法包括在压缩冲程中和膨 胀冲程上止点附近，利用电子控制单元控制喷油的时刻、次数和喷油速率，进而控制着火时 刻和燃烧放热速率。
5.如权利要求4所述的当量比缸内直喷汽油机抗爆震压缩着火的扩散燃烧方法，其特 征在于，在汽油发动机冷车起动时，采用电热塞加热的方法使该种汽油机顺利起动。
6.如权利要求4所述的当量比缸内直喷汽油机抗爆震压缩着火的扩散燃烧方法，其特 征在于，小负荷时，采用高的高温废气量来限制进入所述气缸的新鲜空气数量，同时按照化 学计量比喷入所述气缸内的汽油量较少，所述发动机输出功率较小。
7.如权利要求4所述的当量比缸内直喷汽油机抗爆震压缩着火的扩散燃烧方法，其特 征在于，大负荷时，采用最低的高温废气量，按照化学计量比喷入的汽油量随着进入所述气 缸的新鲜空气量最多而达到最大值，此时采用较大的喷油提前角。
全文摘要
本发明涉及当量比缸内直喷汽油机抗爆震压缩着火的扩散燃烧方法，包括在上一循环的排气冲程和本循环的进气冲程中采用可变气门正时技术，产生负阀重叠，使气缸内在不同负荷时保留部分的高温废气；在压缩冲程中和膨胀冲程上止点附近，将高压汽油通过多段喷射喷入气缸，并通过提高汽油混合气的压缩比，使所述汽油混合气在所述压缩冲程后期达到汽油自燃的温度；在压缩冲程后期至膨胀冲程初期，所述汽油混合气经过一段滞燃期后，开始多点同时着火燃烧，因而燃烧始点可控。通过使用本发明的当量比缸内直喷汽油机抗爆震压缩着火的扩散燃烧方法，可实现高压缩比下汽油机无爆震柔和工作，降低污染物排放，减少泵气损失，提高发动机的机械效率和燃油经济性。
文档编号F01L1/34GK101929364SQ20101023994
公开日2010年12月29日 申请日期2010年7月28日 优先权日2010年7月28日
发明者帅石金, 杨洪强, 王建昕, 王志 申请人:清华大学