专利名称：一种着火时刻可直接控制的内燃机均质压燃燃烧系统的制作方法
技术领域：
本发明属于内燃机技术领域，更具体涉及一种着火时刻可直接控制的内燃机均质压燃燃烧技术。
背景技术：
常规汽油机的燃烧过程，属于火花塞点燃的均质混合气火焰传播燃烧过程，由于维持火焰传播的混合气浓度有一个稀燃极限(过量空气系数小于1.3)，混合气过稀时，会造成燃烧不稳定甚至丢火，因此小负荷时，必须依靠节气门减少进气量，进气过程的节流损失是目前汽油机效率低于柴油机的主要原因之一。为此，人们提出了可控自燃燃烧过程CAI(Controlled Auto-Ignition Combustion Process)，该过程属于均质混合气压缩自燃燃烧过程，采用压缩自燃代替火花塞点燃，可以大范围地扩大稀燃极限，因此可以提高节气门开度，减少节流损失，同时这种燃烧过程的燃烧速度较快，可以进一步提高汽油机的热效率，并且这种燃烧方式还保留了汽油机清洁燃烧的特点。然而，压缩自燃燃烧过程在克服传统汽油机缺点的同时，也失去了传统汽油机所具有的优点一着火过程可以利用火花塞直接控制，CAI燃烧过程的着火时刻只能依靠一些间接控制措施，例如进气加热温度控制、内部废气循环率控制，虽然CAI发动机也装有火花塞，但是普通的火花塞点火装置不足以控制稀薄混合气的着火时刻，只有切换到普通汽油机燃烧模式(中、大负荷时)火花塞才起作用，因此CAI发动机着火时刻的控制精度和灵活性都比较差，这些缺点阻碍了CAI燃烧过程热效率的进一步提高，同时也造成CAI燃烧过程工况适用范围窄的缺陷，因此，到目前为止，CAI燃烧过程还不能用于实际发动机。CAI发动机实现CAI燃烧过程所采用的技术措施为通过进气加热装置，或通过可变气门定时驱动机构实现内部废气再循环，提高发动机压缩温度，使缸内的稀薄均质混合气在活塞压缩到上死点附近发生压缩自燃，如文献[SAE PAPER 2002-01-0421]所述。
发明内容
本发明的目的是要解决目前CAI发动机的着火时刻只能通过间接控制手段来控制的缺点，提出了一种着火时刻可直接控制的内燃机均质压燃燃烧装置。
本发明的工作原理为将着火时刻的控制过程分成两个步骤实现，首先是预混合气的准备，通过内部废气再循环，提高缸内混合气的温度，在压缩过程中，燃料和氧气发生初步的低温氧化反应，处于一种比较活泼又相对稳定的状态一亚稳态；然后是着火时刻的精确控制过程，在上死点附近，通过高能量的火花放电，激发处于亚稳态的缸内混合气，使之立刻发生快速的热焰反应。这种燃烧过程，其放热反应速度接近均质压燃，并且其着火时刻控制方式类似普通汽油机，可以直接精确地控制。为了实现上述的两个过程，本发明所提出的燃烧装置，包括由电子节气门体8、进气门4、进气道7、排气门5、排气道13组成的配气系统，电动燃油泵15、调压阀16、共轨管17、电控喷射器18组成的燃油喷射系统，缸盖底面19、活塞顶面20组成的燃烧室21，以及点火系统，和电控单元2。点火系统中所用的火花塞1是一个超高能火花塞，其脉冲放电能量大于1焦耳，超高能火花塞与电控单元2之间，有一高能放电电源3，超高能火花塞的放电时刻以及放电能量，是电控单元2通过高能放电电源3控制的。配气系统中的进气门4和排气门5的上端是两个可变气门定时驱动器6，可变气门定时驱动器6与电控单元2之间有驱动线相连，进气门4、排气门5的开启动作受电控单元2控制；在进气道7的上游，有一电子节气门体8，电子节气门体8与电控单元2之间有控制线相连，电子节气门的开度受电控单元2控制。
下面结合附图，对本发明作进一步详细说明。
图1是本发明的一个具体实施例结构图。
图2是超高能火花塞的结构，以及与高能放电电源的连接示意图。
具体实施例方式
如图1所示，着火时刻可直接控制的内燃机均质压燃燃烧系统包括5个部分配气系统、燃油喷射系统、点火系统、燃烧室21、电控单元2。
其中配气系统的功能是定量地向发动机缸内提供所需空气，并根据需要，实现内部废气再循环(EGR)，达到提高缸内混合气温度的目的。该系统包括依次相连的电子节气门体8、进气道5、进气门4，以及依次相连的排气门5、排气道13。在进气门4与排气门5的上端是两个可变气门定时驱动器6，该驱动器可以采用电液驱动机构，也可以采用其它公知的形式。其中的电子节气门体8与电控单元2之间有控制线相连，其中的节气门开度受电控单元2控制。
燃油喷射系统的功能是定时、定量地向发动机缸内提供所需的燃油，该系统包括依次连接的油箱14、电动燃油泵15、调压阀16、共轨管17、电控喷射器18，以及这些元件之间的连接管道，在调压阀16与排气道14之间，有一回油管22。
点火系统是一个超高能放电装置，可以定时地向缸内提供高能放电火花，激发处于活泼状态的缸内混合气燃烧。如图l所示，安装在发动机缸盖上的火花塞是一个超高能火花塞1，在超高能火花塞与电控单元2之间，有一高能放电电源3，这三者之间有控制线相连。如图2所示，所述的超高能火花塞由壳体23、高压电极24、高能电极25，以及三者之间的绝缘体26组成，高压电极的上端是高压电极输入端27，高能电极的上端是高能电极输入端28。所述的高能放电电源3具有一个输出脉冲电压在10000伏以上的高压输出端9，和一个输出电压在1000-3000伏之间的高能输出端10。高压输出端9通过控制线30与超高能火花塞1中的高压电极输入端27相连，高能输出端10通过控制线31与超高能火花塞1中的高能电极输入端28相连，电控单元2通过控制线32与高能放电电源3相连。
电控单元2，又叫ECU。在电控喷射器18、可变气门定时驱动器6、高能放电电源3、电子节气门体8与所述电控单元2之间分别有控制线33、34、35、36、37相联。如图1所示，发动机上还安装有角标信号传感器38，司机控制的油门踏板39上面，有一油门踏板位置传感器40，在角标信号传感器38、油门踏板位置传感器40与电控单元2之间，有信号线41和信号线42相连。电控单元2中储存有燃油喷射定时、燃油喷射量、节气门位置、配气定时、点火定时的数据表(又叫MAP)，在工作过程中，电控单元2根据发动机的角标信号，和司机的油门踏板位置信号，参考发动机其他状态信号43(水温、油温、大气压力等)，得出最佳的控制参数，并向电控喷射器18、可变气门定时驱动器6、高能放电电源3、电子节气门体8发出控制信号。
该燃烧装置实现的发动机工作过程如下(1)排气冲程。活塞上行，排气门5开启，缸内废气经排气门5、排气道13排出。
(2)进气冲程。活塞下行，开始时，进气门4保持关闭，排气门5保持开启，一部分废气经过排气门5重新吸入缸内，通过调整排气门5关闭的延迟量就能调整吸入缸内的废气量。然后排气门5关闭，进气门4开启，电控喷射器18喷出的燃油，以及新鲜空气经过电子节气门体8、进气道5、进气门4进入缸内。调节电子节气门体8开度可以调整进气量。
(3)压缩冲程。活塞上行，压缩缸内的混合气，由于缸内残余较多的热废气，缸内气体的温度较高，燃油与空气中的氧气发生部分氧化反应(冷焰反应)，此时缸内混合气处于相对活泼又比较稳定的状态，一直保持到超高能火花塞1放电前。
(4)做功冲程。在活塞运行到上死点附近，超高能火花塞1放电，缸内处于活泼状态的混合气在放电能量的激励下，迅速地开始热焰反应，缸内混合气的温度和压力迅速升高，推动活塞下行做功。
由于本发明提出的燃烧装置所实现的燃烧过程，是通过超高能火花塞1直接控制着火时刻的，相对于目前的CAI燃烧系统的间接控制，着火时刻的控制精度大幅度提高。同时本发明保留了CAI燃烧系统可以实现稀薄燃烧、快速燃烧的特点，因此可实现节能低排放的燃烧过程。
权利要求
1.一种着火时刻可直接控制的内燃机均质压燃燃烧系统，主要包括配气系统、燃油喷射系统、燃烧室、点火系统和电控单元等，其特征在于点火系统中所用的火花塞是一个脉冲放电能量大于1焦耳的超高能火花塞1，超高能火花塞1与电控单元2之间，设有一高能放电电源3，电控单元2通过高能放电电源3控制火花塞1的放电时刻及放电能量，配气系统中的进气门4和排气门5的上端是两个可变气门定时驱动器6，在进气道7的上游，有一电子节气门体8，其中可变气门驱动器6、电子节气门体8与电控单元2之间均有驱动线相连，均受电控单元2控制。
2.根据权利要求1所述的一种着火时刻可直接控制的内燃机均质压燃燃烧系统，其特征在于所述的高能放电电源3具有一个输出脉冲电压在10000伏以上的高压输出端9，和一个输出电压在1000-3000伏之间的高能输出端10，高压输出端9通过控制线30与超高能火花塞1中的高压电极输入端11相连，高能输出端10通过控制线31与超高能火花塞1中的高能电极输入端12相连。
全文摘要
本发明涉及一种着火时刻可直接控制的内燃机均质压燃燃烧技术系统。主要包括配气系统、燃油喷射系统、燃烧室、点火系统和电控单元等，点火系统中所用的是一个脉冲放电能量大于1焦耳的超高能火花塞，超高能火花塞与电控单元之间，设有一高能放电电源，电控单元通过高能放电电源控制火花塞的放电时刻及放电能量。由于缸内混合气的着火时刻可直接控制，相对于目前的CAI燃烧系统的间接控制着火时刻，其控制精度大幅度提高。同时本发明保留了CAI燃烧系统可以实现稀薄燃烧、快速燃烧的特点，因此可实现节能低排放的燃烧过程。
文档编号F02D41/40GK1556312SQ20031012203
公开日2004年12月22日 申请日期2003年12月31日 优先权日2003年12月31日
发明者汪洋, 余本雄, 朱涛, 董明哲, 蒋宁涛, 汪 洋 申请人:天津大学