稀薄燃烧系统及方法与流程

本申请涉及发动机技术领域，具体涉及一种具有高热效率、低氮氧化物排放的稀薄燃烧系统及方法。

背景技术：

开发高效低油耗汽油机是汽车工业面临的一个重要课题。从乘用车整车循环工况来看，发动机的工作区域主要集中在低速、中低负荷工况。因此，降低整车油耗的关键在提高汽油机中低负荷工况下的热效率。制约汽油机低负荷热效率提升的主要因素包括泵气损失高、传热损失大、混合气比热比低以及几何压缩比高等。稀薄燃烧通过形成稀薄混合气，不仅大幅度降低了泵气损失，而且降低了传热损失，并提高了混合气比热比。因此，稀薄燃烧是提高汽油机热效率、降低油耗的有效手段。

相关技术中，实现火花点燃式稀薄燃烧的主要方式包括两种：一种是缸内混合气浓度分层稀薄燃烧，一种是均匀混合气稀薄燃烧。分层稀薄燃烧的优势在良好的燃烧稳定性，可以实现较大的过量空气系数，但存在原始氮氧化物排放和颗粒物排放高的问题。均匀混合气稀薄燃烧可以较好地解决原始氮氧化物排放和颗粒物排放高的问题，但存在燃烧稳定性差的问题，限制了过量空气系数的提高。这两种稀薄燃烧存在的问题，均限制了稀薄燃烧的节油潜力。

由此可见，对于相关技术中稀薄燃烧的技术方案，其在燃烧稳定性和排放方面存在矛盾，从而限制节油效果。

技术实现要素：

本申请提供了一种稀薄燃烧系统及方法，可以解决相关技术在燃烧稳定性和排放方面存在矛盾，限制节油效果的问题。

为了解决背景技术中的技术问题，本申请的第一方面提供一种稀薄燃烧方法，所述稀薄燃烧包括以下步骤：

使得活塞在进行压缩冲程前，缸体中充斥有第一可燃混合气，所述第一可燃混合气包括具有过量空气系数的空气；

使得所述活塞由所述压缩冲程的下止点开始，向所述压缩冲程的上止点滑动，逐渐压缩所述缸体中第一可燃混合气的体积；

在所述活塞滑动至所述压缩冲程的后期，使得燃料形成与所述火花塞对应的燃料束，并引导所述燃料束向对应火花塞的点火位置周围喷射，在所述缸体中混合形成第二可燃混合气，所述第二可燃混合气在所述火花塞的点火位置周围形成混合可燃区；

在所述燃料束喷射结束时刻开始，经过第一时间间隔，点燃所述混合可燃区；经所述混合可燃区燃烧所述缸体中被压缩的所述第二可燃混合气。

可选的，所述步骤：使得活塞在进行压缩冲程前，缸体中充斥有第一可燃混合气，包括以下步骤：

在压缩冲程进行前的进气冲程中，向缸体中通入空气；

在所述进气冲程中，以第一喷射压力喷射燃料束，使得所述燃料束与具有过量空气系数的所述空气混合，形成第一可燃混合气。

可选的，所述燃料束的第一喷射压力值大于或等于350bar。

可选的，所述步骤：使得活塞在进行压缩冲程前，缸体中充斥有第一可燃混合气，包括以下步骤：

在压缩冲程进行前的排气冲程中，以第二喷射压力喷射燃料束；

在处于所述排气冲程和所述压缩冲程之间的进气冲程中，向所述缸体中通入空气，使得所述燃料束与具有过量空气系数的所述空气混合，形成第一可燃混合气。

可选的，所述燃料束的第二喷射压力值4bar至12bar。

可选的，所述步骤：在所述活塞运动至所述压缩冲程后期，使得燃料分流成与所述火花塞对应的燃料束，并引导所述燃料束向对应火花塞的点火位置周围喷射中，喷射的所述燃料束的质量范围为(0，1.5]mg。

可选的，所述第一时间间隔为使得曲轴转动o度至10度范围内任意角度所需时间。

为了解决背景技术中的技术问题，本申请的第二方面提供一种稀薄燃烧系统，包括缸体和活塞，所述活塞能够在所述缸体中做往复运动；

所述缸体的头部设有：

火花塞，所述火花塞用于产生电火花；

燃料喷射装置，用于使得燃料形成与所述火花塞对应的燃料束，用于引导所述燃料束向对应火花塞的点火位置周围喷射；

进气装置，所述进气装置用于向所述缸体内通入空气；

排气装置，所述排气装置用于排出所述缸体中的废气。

可选的，所述火花塞包括多个，多个所述火花塞点火位置的分布结构，形成以对称轴为轴的对称分布；

多个所述火花塞点火位置形成的位置中心，为所述缸体的轴心。

可选的，所述燃料喷射装置，位于所述位置中心处。

可选的，所述燃料喷射装置，位于所述对称轴上。

可选的，所述活塞在所述缸体中做往复运动的几何压缩比大于12：1。

可选的，所述燃料喷射装置和所述进气装置用于在所述活塞进行压缩冲程前，相互配合使得所述缸体中充斥有第一可燃混合气，所述第一可燃混合气包括具有过量空气系数的空气量。

可选的，所述火花塞用于在所述燃料束喷射结束时刻开始，经过第一时间间隔进行点火。

本申请技术方案，至少包括如下优点：能够缩短电火花传播点火的距离，节省点火和火焰传播的时间，加快火焰传播的燃烧速度，从而为实现过量空气系数超过2的稀薄燃烧奠定基础；另外由于具有主要燃料的第一可燃混合气在点火前，已在缸体内得到充分均匀地混合，没有局部偏浓混合气，因此能够大幅降低原始氮氧化物和颗粒物的排放。

附图说明

为了更清楚地说明本申请具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了本申请一实施例提供的稀薄燃烧系统剖面结构示意图；

图2示出本申请一实施例提供的稀薄燃烧系统缸体头部的结构示意图；

图3示出本申请一实施例提供的稀薄燃烧系统在喷油时，缸体头部的结构示意图；

图4示出了本申请另一实施例提供的稀薄燃烧系统在喷油时，缸体头部的结构示意图；

图5示出了本申请其他实施例提供的稀薄燃烧系统在喷油时，缸体头部的结构示意图；

图6示出了本申请一实施例提供的稀薄燃烧方法流程图；

图7示出了稀薄燃烧系统各部件，以一实施方式配合进行稀薄燃烧方法的时序图

图7a示出了以图7所示实施方式配合进行稀薄燃烧方法中，进行步骤s1的流程图；

图8示出了稀薄燃烧系统各部件，以另一实施方式配合进行稀薄燃烧方法的时序图；

图8a示出了以图8所示实施方式配合进行稀薄燃烧方法中，进行步骤s1的流程图。

10-缸体，11-缸体的头部，20-活塞，21-活塞的顶面，30-燃料喷射装置，40-火花塞，50-燃料束，60-进气装置，61-进气门，70-排气装置，71-排气门，ⅰ-缸体的轴心；ⅱ-对称轴。

具体实施方式

下面将结合附图，对本申请中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在不做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电气连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

此外，下面所描述的本申请不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

相关技术公开一种异步点火的双火花塞燃烧系统，以改善均匀混合气稀薄燃烧的燃烧稳定性的方案。但该方案仅通过优化点火，并不足以稳定较大过量空气系数(如大于2)下的稀薄燃烧，因此节油潜力受限，原始氮氧化物排放较高。相关技术还公开一种在每个靠近火花塞孔位置设计一挤流件，从而现成了基于双火花塞的双挤流型燃烧室，以提高燃烧稳定性的方案。但该方案仍然不足以支持较大过量空气系数(如大于2)下的稀薄燃烧稳定性。

为此，本申请提供一种稀薄燃烧系统，和基于该稀薄燃烧系统的燃烧方法，通过解决稀薄燃烧在燃烧时的稳定性(尤其是过量空气系数大于2时稀薄燃烧的稳定性)和排放方面的矛盾，实现节油效果的最大化。

图1示出了本申请一实施例提供的稀薄燃烧系统剖面结构示意图，参照图1，该稀薄燃烧系统包括缸体10和活塞20，该活塞20能够在该缸体10中，于下止点至上止点之间做往复运动。在活塞20运动到上止点位置时，活塞20顶面21与缸体10头部11之间形成的空间为燃烧室。活塞20的往复运动能够使得缸体10内的气体产生滚流和湍动能。

该缸体10的头部11设有火花塞40、燃料喷射装置30、进气装置和排气装置(图1为示出)。

该燃料喷射装置30用于使得燃料形成与该火花塞40对应的燃料束50，且用于引导该燃料束50向对应火花塞40的点火位置周围喷射。其中，该燃料可以为如汽油、柴油、甲烷等可燃流体。需要注意的是，向火花塞40的点火位置周围喷射燃料束50时，避免燃料束50直接碰撞火花塞40的点火位置，同时保证在点火前，所喷射的燃料束50在火花塞40点火位置的周围扩散形成混合可燃区，便于该火花塞40产生的电火花点燃该混合可燃区。

该进气装置用于向该缸体内通入新鲜空气；该排气装置用于排出燃烧后残余在缸体中的废气。

在一个循环中，活塞的往复运动包括依次进行的进气冲程、压缩冲程、膨胀冲程和排气冲程。

参照图2，其示出本申请一实施例提供的稀薄燃烧系统缸体头部的结构示意图，该实施例中，设于缸体头部11的火花塞40有两个，该缸体头部11还设有进气装置60和排气装置70。该进气装置60包括两个设于该缸体头部11上的进气门61，该进气门61用于控制该进气装置60的打开与关闭。当该进气门61打开时，通过该进气装置60向缸体中通入新鲜空气。该排气装置70包括两个设于该缸体头部11上的排气门71，该排气门71用于控制该排气装置70的打开与关闭，当该排气门71打开时，通过该排气装置70排出缸体中的废气。

参照图3，其示出本申请一实施例提供的稀薄燃烧系统在喷油时，缸体头部的结构示意图，该实施例中，燃料喷射装置30能够使得燃料分流成两束燃料束50，并能够引导各束燃料50束向对应火花塞40的点火位置周围喷射。燃料束50向火花塞40的点火位置周围喷射后，在对应火花塞40点火时，该点火位置形成的电火花能够瞬间点燃周围的混合可燃区，产生的火焰迅速蔓延整个燃烧腔中。

可以看出，本实施例通过引导燃料束向对应火花塞的点火位置周围喷射，使得电火花能够迅速且有效地点燃点火位置周围的可燃混合气，缩短点火时间，进而能够加快混合气体燃烧。

在本实施例基础上的其他实施例中，火花塞的个数还可以进行增减，即设于缸体头部的火花塞还可以为一个或者多个，燃料喷射装置喷射的燃料束对应火花塞的个数，且燃料束向对应火花塞点火位置的周围喷射。该火花塞的个数优选两个，燃料优选分流为两束，能够提高可燃混合气燃烧速度的同时，可以较容易实现少燃料喷射量喷射，进而保证较低氮氧化物和颗粒物的排放。

该火花塞包括多个，多个火花塞点火位置的分布结构，形成以对称为轴的对称分布；多个火花塞点火位置形成的位置中心，为所述缸体的轴心。

继续参照图2或图3中的任一幅图，可以看出本实施例中，该火花塞40有两个，两个火花塞40点火位置以对称轴ⅱ为轴形成对称分布；两个火花塞40点火位置形成的位置中心，为缸体的轴心ⅰ。该燃料喷射装置30，位于该位置中心处。

参照图4，其示出了本申请另一实施例提供的稀薄燃烧系统在喷油时，缸体头部的结构示意图，该实施例在图1至图3所示实施例的基础上，火花塞40有两个，两个火花塞40点火位置以对称轴ⅱ为轴形成对称分布；两个火花塞40点火位置形成的位置中心，为缸体的轴心ⅰ。不同于图2和图3所示实施例，图4所示的实施例，其燃料喷射装置30，位于该对称轴ⅱ上，该燃料喷射装置30和两个火花塞40在缸体头部11形成三角形的布置格局，燃料喷射装置30位于两个进气门61之间的区域，火花塞40位于相邻的进气门61和排气门71之间的区域。

参照图5，其示出了本申请其他实施例提供的稀薄燃烧系统在喷油时，缸体头部的结构示意图，该实施例在图1至图3所示实施例的基础上，该火花塞40有两个，两个火花塞40点火位置以对称轴ⅱ为轴形成对称分布；两个火花塞40点火位置形成的位置中心，为缸体的轴心ⅰ。不同于图2和图3所示实施例，图5所示的实施例，其燃料喷射装置30，位于该对称轴ⅱ上，该燃料喷射装置30和两个火花塞40在缸体头部11形成三角形的布置格局，燃料喷射装置30位于相邻的进气门61和排气门71之间的区域，两个火花塞40分别位于两个进气门61之间的区域，和两个排气门71之间的区域。

相较于图2和图3所示实施例，图4和图5所示实施例，在保证燃料喷射装置30与缸体内壁之间具有足够距离的前提下，使得火花塞40所在位置向缸体轴心ⅰ移动，以增大火花塞40与缸体内壁之间的距离，使得点火形成的焰心更接近缸体中心，从而能够充分利用缸体内可燃混合气产生的滚流和湍动能，使得混合气体更充分且更迅速地燃烧。

对于以上实施例，其活塞可以采用高压缩比活塞，活塞在缸体中做往复运动的几何压缩比大于12：1。从而能够使得在活塞在进行压缩冲程时，能够将缸体内的可燃混合气强烈压缩以增大该可燃混合气在燃烧室内的压强和温度，增加可燃混合气燃烧时的做功能力。

图6示出了本申请一实施例提供的稀薄燃烧方法流程图，使用图1至图5中任一幅图所示的稀薄燃烧系统进行该稀薄燃烧方法。参照图6，该稀薄燃烧方法包括以下步骤：

步骤s1：使得活塞在进行压缩冲程前，缸体中充斥有第一可燃混合气，该第一可燃混合气包括具有过量空气系数的空气。

其中，该第一可燃混合气中空气的过量空气系数大于2。

参照图7，其示出了稀薄燃烧系统各部件，以一实施方式配合进行稀薄燃烧方法的时序图。图7a示出了以图7所示实施方式配合进行稀薄燃烧方法中，进行步骤s1的流程图，参照图7和图7a，使得活塞在进行压缩冲程前，缸体中充斥有第一可燃混合气，包括以下步骤：

步骤s11：在压缩冲程进行前的进气冲程中，向缸体中通入空气。

步骤s12：在该进气冲程中，以第一喷射压力喷射燃料束，使得该燃料束与具有过量空气系数的空气混合形成第一可燃混合气。

如图7所示，该进气冲程与该压缩冲程同位于一个循环中，即当前循环。当前循环的进气冲程中，进气装置的进气门打开，排气装置的排气门关闭，活塞由上止点向下止点滑动，当活塞由上止点滑动到a点时，高压燃料喷射装置打开，向缸体内以第一喷射压力喷射燃料，直至活塞滑动至b点，高压燃料喷射装置关闭，活塞继续由b点向下滑动至下止点为止，使得缸体内的燃料与新鲜空气充分混合。在活塞由a点滑动到b点期间，高压燃料喷射装置处于打开状态，该期间为高压燃料喷射装置的燃料喷射持续时间，该燃料喷射持续时间的长度为图7所示的燃料喷射脉宽w1。该第一喷射压力大于或等于350bar，在该进气冲程内，缸体内的容积逐渐增大，活塞运动使得缸体内的可燃混合气湍动，从而能够更充分地均匀混合。

参照图8，其示出了稀薄燃烧系统各部件，以另一实施方式配合进行稀薄燃烧方法的时序图。图8a示出了以图8所示实施方式配合进行稀薄燃烧方法中，进行步骤s1的流程图，参照图8和图8a，使得活塞在进行压缩冲程前，缸体中充斥有第一可燃混合气，包括以下步骤：

步骤s21：在压缩冲程进行前的排气冲程中，以第二喷射压力喷射燃料束。

步骤s22：在处于排气冲程和压缩冲程之间的进气冲程中，向缸体中通入空气，使得燃料束与具有过量空气系数的所述空气混合，形成第一可燃混合气。

如图8所示，该压缩冲程与该排气冲程分别位于相邻的两个不同的循环中，该进气冲程与该压缩冲程同位于一个循环中，即该压缩冲程和进气冲程处于当前循环中，该排气冲程处于在前循环中，该在前循环为当前循环的前一循环。在前循环的排气冲程中，进气装置的进气门关闭，排气装置的排气门打开，活塞由下止点向上止点滑动，当活塞由下止点滑动到c点时，低压燃料喷射装置打开，向缸体内以第二喷射压力喷射燃料束，直到活塞滑动至d点，燃料喷射装置关闭，活塞继续由d点向上滑动至上止点，在活塞由c点滑动到d点期间，低压燃料喷射装置处于打开状态，该期间为低压燃料喷射装置的燃料喷射持续时间，该燃料喷射持续时间的长度为图8所示的燃料喷射脉宽w2。在活塞滑动至上止点时，开始进入当前循环的进气冲程，进气装置的进气门开始打开，排气装置的排气门关闭，活塞由上止点向下止点滑动，向缸体中冲入新鲜空气，使得缸体内的燃料与新鲜空气混合。该第二喷射压力4bar至12bar，在该进气冲程内，活塞运动使得缸体内的可燃混合气湍动，从而能够更充分地均匀混合。

图7a所示实施方式和图8a所示实施方式，均能够使得在当前循环的压缩冲程开始前，向缸体内喷射的燃料，与向缸体中通入的新鲜空气具有充分时间进行均匀混合，形成第一可燃混合气，所喷射的燃料量为后续燃烧步骤中所需燃料的主要部分。其中，图7a所示实施方式，在当前循环的进气冲程中，通过高压燃料喷射装置，向缸体内以较高喷射压力喷射燃料束，可以缩短喷射特定量燃料的喷射时间。其中，图8a所示实施方式，在前循环的排气冲程中，通过低压燃料喷射装置，向缸体内以较低喷射压力喷射燃料束，其喷射特定量燃料的喷射时间较长，即如图8所示低压燃料喷射装置的喷射脉宽w2，长于图7所示高压燃料喷射装置的喷射脉宽w1。

步骤s2：使得活塞由该压缩冲程的下止点开始，向该压缩冲程的上止点滑动，逐渐压缩该缸体中的第一可燃混合气。

继续参照图7和图8，在当前循环的进气冲程中，使得缸体中的燃料和具有过量空气系数的空气混合形成第一可燃混合气。在当前循环的压缩冲程中，进气装置的进气门关闭，排气装置的排气门关闭，由于与该活塞相连的曲轴靠惯性作用继续旋转，从而推动活塞由下止点向上滑动，此过程缸体容积逐渐减小，使得第一可燃混合气被逐渐压缩在燃烧室内。

步骤s3：在活塞滑动至压缩冲程的后期时，使得燃料形成与火花塞对应的燃料束，引导该燃料束向对应火花塞的点火位置周围喷射，在该缸体中形成第二可燃混合气，该第二可燃混合气在该火花塞点火位置周围形成混合可燃区。

继续参照图7和图8，在当前循环的压缩冲程中，活塞由下止点向上滑动至o点处，该o点所在位置位于压缩冲程的后期，即该o点位于由压缩冲程开始时刻起曲轴转动90度至180度范围内的任意角度对应位置，高压燃料喷射装置打开，其中高压燃料喷射装置使得燃料形成与火花塞对应的燃料束，引导该燃料束以较高喷射压力(大于或等于350bar)向对应火花塞的点火位置周围喷射。活塞滑动到p点时停止喷射燃料束，该期间为步骤s3中进行燃料喷射持续时间，该燃料喷射持续时间的长度即为图7或图8中所示的燃料喷射脉宽w3，该燃料喷射脉宽w3较窄。本步骤以较大喷射压力，较短持续时间向缸体中喷射燃油，从而能够实现低量燃油喷射，即燃油喷射量可以小于或等于1.5毫克(mg)。

通过在第一可燃混合气的基础上向缸体内低量、快速地喷射燃料束，使得在点火开始前，燃料喷射后的较短时间内，所喷射的燃料混合第一可燃混合气形成第二可燃混合气，且该第二可燃混合气在该火花塞点火位置的周围形成混合可燃区。

步骤s4：在该燃料束喷射结束时刻开始，经过第一时间间隔点燃该混合可燃区，经该混合可燃区燃烧该缸体中被压缩的第二可燃混合气。

继续参照图7和图8，在该燃料束喷射结束时刻开始，经过第一时间间隔δ，火花塞点火，该第一时间间隔δ可以为曲轴转角为o度至10度范围内任意角度所需时间，即，使得曲轴转动o度至10度范围内任意角度所需时间。

由此可见，步骤s3在结束喷油后能够在火花塞点火位置的周围形成混合可燃区，在经过较小曲轴转角后进行点火，能够使得点火位置周围的混合可燃区被点燃，并通过该混合可燃区蔓延燃烧整个缸体中的第二可燃混合气。

本实施例通过在第一可燃混合气的基础上，向对应火花塞的点火位置周围喷射燃料束，所喷射的燃料混合第一可燃混合气形成第二可燃混合气，且第二可燃混合气在点火位置周围形成混合可燃区。由于该燃料束喷射结束时刻与点火时刻间隔时间较短，在对应火花塞点火时，该点火位置形成的电火花能够瞬间点燃周围的混合可燃区，缩短点火时间，产生的火焰迅速蔓延整个燃烧腔中，燃烧被压缩的第二可燃混合气。

由以上可以看出，本申请在缸体内混合气体总体稀薄的前提下，即形成均匀混合且具有过量空气系数的第一可燃混合气，然后通过引导燃料束向对应火花塞的点火位置周围喷射，以在点火前于火花塞点火位置的周围形成混合可燃区，从而在点火后通过电火花点燃该混合可燃区形成高能量火核。本方案能够缩短电火花传播点火的距离，节省点火和火焰传播的时间，加快火焰传播的燃烧速度，从而为实现过量空气系数超过2的稀薄燃烧奠定基础；另外由于具有主要燃料的第一可燃混合气在点火前在缸体内得到充分均匀地混合，没有局部偏浓混合气，因此能够大幅降低原始氮氧化物和颗粒物的排放。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本申请创造的保护范围之中。