本发明涉及发动机技术领域，特别涉及一种用于点燃式发动机的稀薄燃烧系统及方法。
背景技术：
空燃比大于理论空燃比的混合气称之为稀薄混合气，稀薄混合气在发动机中的燃烧称之为稀薄燃烧。通过形成稀薄混合气，不仅大幅度降低了泵气损失，而且提高了混合气比热比，并降低了传热损失。因此，稀薄燃烧被认为是提高汽油机热效率、降低油耗的有效手段。
目前，稀薄燃烧主要包括三种方式：采用均质混合气以压缩自着火的方式燃烧的均质混合气压燃，采用在进气道喷油以在缸内形成分层混合气并以火花点火的方式燃烧的进气道喷射分层稀燃，以及采用在缸内直喷以在缸内形成分层混合气并以火花点火的方式燃烧的缸内直喷分层稀燃。其中，采用缸内直喷分层稀燃的缸内直喷分层稀薄燃烧系统虽然已经进入了市场，但目前为止只在世界上少数的几家汽车公司获得量产，而没有获得大量普及，主要是其存在如下几个问题：
1)缸内直喷分层稀薄燃烧系统易导致nox浓度升高，需要设置专门针对nox的催化转化器，这不仅导致成本增加，还导致稀薄燃烧节油作用减小以及颗粒物排放增加。具体地说，虽然整体空燃比很低，但为了稳定燃烧而在火花塞周围形成偏浓的混合气使得前半段燃烧产生的原始nox浓度高，故而需要对nox进行后处理。然而，稀薄燃烧使得成本低并大量普及的三元催化器的nox转化效率接近0％。因此，需要额外配置专门针对稀薄燃烧的nox转化器，如稀燃nox搜集器(leannoxtrap，lnt)。但lnt除了带来成本的上升，还需要通过周期性的加浓燃烧来进行催化器的再生，这不仅会牺牲油耗，使得稀薄燃烧的节油潜力大打折扣，还易导致颗粒物排放增加。
2)缸内直喷分层稀薄燃烧系统在火花塞周围的偏浓燃烧导致颗粒物排放增加，这对满足目前世界范围内越来越严苛的颗粒物排放法规带来了新的挑战。
3)采用缸内直喷分层稀薄燃烧系统需要使用成本较高的压电晶体缸内直喷喷油器，以实现分次喷射不同压力，不同时长的燃油，使得缸内直喷分层稀薄燃烧系统成本较高。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种用于点燃式发动机的稀薄燃烧系统及方法，以解决现有的缸内直喷分层稀薄燃烧系统产生的nox浓度高、颗粒物排放高和成本高的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种用于点燃式发动机的稀薄燃烧方法，包括先加热燃油，再在发动机中与气缸连接的两个进气道处喷射所述燃油，以形成闪急沸腾喷雾；且在发动机的进气道处喷射所述燃油时，所述发动机的进气门始终处于开启状态，或者，所述发动机的进气门先是处于关闭状态，然后发动机的进气门处于开启状态；并且，在发动机的进气道处喷射燃油的某一时刻，发动机的活塞位于进气上止点处，以在气缸内形成均匀的稀薄混合气；在发动机的压缩冲程中，对燃油进行缸内直喷；以及在距离气缸内喷射燃油结束时刻0度曲轴转角到10度曲轴转角时点火。
进一步地，发动机的进气道的燃油喷射压力小于等于1mpa。
进一步地，燃油加热后的最高温度为90℃至110℃。
进一步地，缸内直喷的燃油喷射压力大于等于20mpa，且小于等于150mpa，并且，喷油时长大于等于0.05ms，且小于等于0.3ms。
本发明还提供一种用于点燃式发动机的稀薄燃烧系统，包括一发动机，发动机包括至少一个气缸以及设置在每个气缸内的缸内直喷喷油器和火花塞，缸内直喷喷油器用于在发动机的压缩冲程中在气缸内喷射燃油，燃油喷射压力大于等于20mpa，且喷油时长小于等于0.3ms；火花塞在距离缸内直喷喷油器喷射燃油结束时刻0度曲轴转角到10度曲轴转角时点火。
进一步地，还包括进气道以及气道喷油器，每个气缸至少连接一个进气道，至少一个进气道处设置有气道喷油器，气道喷油器用于向进气道内喷射燃油以在气缸内形成稀薄混合气。
进一步地，还包括第一供油管道以及第一油轨，第一供油管道的一端与气道喷油器连接，第一供油管道上设置有第一油轨。
进一步地，还包括加热装置，气道喷油器向进气道内喷射经过加热装置加热的燃油。
进一步地，气道喷油器喷射的燃油的最高温度为90℃至110℃。
进一步地，每个气缸连接两个进气道，且每个进气道处均设置有气道喷油器。
进一步地，还包括进气门，进气门设置在气缸和进气道之间，气道喷油器靠近进气门设置。
进一步地，发动机的进气道的燃油喷射压力小于等于1mpa。
进一步地，还包括排气门，所述气缸具有一燃烧室，缸内直喷喷油器和火花塞设置在燃烧室的顶部，且火花塞靠近排气门。
进一步地，缸内直喷喷油器在气缸内喷射燃油时，燃油喷射压力小于等于150mpa，且喷油时长大于等于0.05ms。
与现有技术相比，本发明提供的用于点燃式发动机的稀薄燃烧系统及方法，由于在气缸内形成均匀稀薄混合气，且在发动机的压缩冲程中，对燃油进行缸内直喷，以及在距离气缸内喷射燃油结束时刻0度曲轴转角到10度曲轴转角时点火，使得火花塞周围的燃油的过浓区面积减少，且缸内高压喷射提高了火花塞周围的湍流强度，从而加快了初始火焰的传播速度，使得均匀稀薄混合气得以稳定燃烧，一方面，降低了现有技术中由于火花塞周围大面积的过浓区在燃烧过程中形成的nox的含量，使得从气缸内排放的气体不需要设置专门针对nox的催化转化器，不仅节约了成本，还节省了燃油，并降低了颗粒物排放；另一方面，由于是均匀稀薄混合气，因此稀薄燃烧产生的颗粒物减少；再一方面由于本发明形成的是均匀稀薄混合气，而不需要使用成本高且对油品敏感的压电晶体喷油器来形成分层稀薄混合气，因而节约了成本。
其次，先加热燃油，再在发动机的进气道处喷射经过加热的燃油以在气缸内形成稀薄混合气，由于经过加热的燃油及易在喷射时发生闪急沸腾现象，形成液滴直径相比常规的喷雾小的闪急沸腾喷雾，因此更有利于液滴的蒸发、雾化以及与空气的混合，使得稀薄混合气更为均匀，均匀的稀薄混合气使得燃烧更为充分，且更稳定，随之产生的nox以及大颗粒物减少。
其次，每个气缸均在与之相连的两个进气道处喷射燃油，使得本发明中的单个喷油器相对常规的一个气缸一个喷油器方案的最大流量可以更小，进而降低喷雾的液滴尺寸，从而进一步改善油气混合，使均匀稀薄混合气稀薄燃烧在节油的同时，减少燃烧产生的nox以及颗粒物排放。
再次，由于本发明采用了在气缸的两个进气道处都喷射经加热后的燃油，从而为实现全部或部分进气门开阀喷射创造了条件，即在发动机的进气道处喷射燃油时，发动机的进气门始终处于开启状态，或者，发动机的进气门先是处于关闭状态，然后发动机的进气门处于开启状态，利于燃油形成闪急沸腾喷雾，且在发动机的进气道处喷射燃油的某一时刻，发动机的活塞位于进气上止点处，如此使得进气道处喷射的燃油可以在活塞位于进气上止点处，燃油便已经开始与气缸内的气体混合，使得燃油与气体的混合时间最大化，如此使得闪急沸腾喷雾与气缸内的气体混合时间最大化，使气缸内的稀薄混合气混合得更为均匀，使稀薄混合气燃烧更为充分，且更稳定，燃烧产生的nox以及大颗粒物进一步减少。
附图说明
图1是本发明一实施例中用于点燃式发动机的稀薄燃烧系统示意图；
图2是本发明一实施例中单个气缸的进气道的布置示意图；
图3是本发明一实施例中实现稀薄燃烧时进气道喷射燃油、缸内喷射燃油及点火的策略示意图；
图4是本发明另一实施例中实现稀薄燃烧时进气道喷射燃油、缸内喷射燃油及点火的策略示意图；
附图标记说明如下：
10-气缸；
20-进气道；
30-燃烧室；
40-排气门；
50-火花塞；
60-第一燃油供给系统；
61-油箱；
62-第一油轨；
63-第一供油管道；
64-加热装置；
65-气道喷油器；
70-第二燃油供给系统；
71-第二油泵；
72-第二油轨；
73-缸内直喷喷油器；
74-第二供油管道；
80-进气门；
a-气道喷油器的喷油时段；
b-缸内直喷喷油器的喷油时段；
c-火花塞点火时刻；
δ-缸内喷射器喷油结束时刻距离点火时刻的时间间隔。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的用于点燃式发动机的稀薄燃烧系统及方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
本实施例提供一种用于点燃式发动机的稀薄燃烧方法，在气缸内形成稀薄混合气，并且，在发动机的压缩冲程中，在气缸内喷射燃油，并在距离气缸内喷射燃油结束时刻0度曲轴转角到10度曲轴转角时点火。其中，上述所有喷油和点火策略在发动机一个循环内完成。
由于在气缸内形成稀薄混合气，且在发动机的压缩冲程中，在气缸内喷射燃油，适时点火(在距离气缸内喷射燃油结束时刻0度曲轴转角到10度曲轴转角时点火)，如此一来，一方面在气缸内喷射燃油的时间短，使得燃油喷射量减少，使得在火花塞周围形成的过浓区大大减小，使缸内大部分的稀薄混合气仍能保持均匀；另一方面，在气缸内采用高压的方式喷射燃油，这种高速的燃油喷雾提高了火花塞周围的湍流强度，结合适时点火，从而加快了初始火焰的传播速度，使得气缸内均匀的稀薄混合气稳定燃烧。相比于现有技术中缸内直喷式的分层稀薄燃烧方式，首先，本实施例中在火花塞周围形成的过浓区减少，且能稳定的燃耗，因而降低了现有技术中由于火花塞周围大范围的过浓区在燃烧过程中形成的nox的含量，使得从气缸内排放的气体不需要设置专门针对nox的催化转化器，从而节约了成本；其次，过浓区减少，且在气缸内形成均匀的稀薄混合气，以及燃耗稳定，使燃油燃烧更为充分，所以大幅降低了颗粒物排放；再次，由于本发明形成的是均匀稀薄混合气，而不需要使用成本高且对油品敏感的压电晶体喷油器来形成分层稀薄混合气，所以可以使用已经大批量产品化的常规喷油器即可，从而节约了成本。
优选方案中，对燃油进行缸内直喷时，燃油的喷油压力大于等于20mpa，且小于等于150mpa，在气缸内喷射燃油的喷射时间为0.05ms至0.3ms，可使得稀薄燃烧更加稳定，且降低了燃烧产生的nox的含量以及颗粒物的排放。
为了进一步降低成本，本实施例中采用在发动机的进气道处喷射燃油以在气缸内形成稀薄混合气，进气道喷射的燃油可采用一般进气道喷油器即可，相比于现有技术中设置在气缸内的缸内直喷喷油器，成本低，且易于实现。
为了使进气道喷射的燃油，进入气缸后形成更为均匀的稀薄混合气，使得稀薄燃烧后的nox的含量和颗粒物进一步减少，本实施例中，先加热燃油，再在发动机的进气道处喷射经过加热的燃油。这种经过加热后的燃油极易在喷射时发生闪急沸腾现象。燃油在发生闪急沸腾后形成的闪急沸腾喷雾的液滴直径相比常规的喷雾小，因此更有利于液滴的蒸发、雾化以及与空气的混合，使得稀薄混合气更为均匀，均匀的混合气使得稀薄混合气的燃烧更为充分，且更稳定，随之产生的nox以及大颗粒物减少。例如，燃油在进气道处喷射前，加热后的最高温度为90℃至110℃。具体的，在发动机的燃油供给系统中设置第一燃油供给系统，该第一燃油供给系统包括第一供油管道、第一油轨以及气道喷油器，气道喷油器通过第一供油管道与第一油轨连接，可通过加热第一油轨实现燃油加热。第一油轨用于存贮燃油，同时抑制第一燃油供给系统的油路产生的压力波动，确保第一燃油供给系统压力稳定。
此外，本实施例中，还可以通过设定进气道处燃油的喷油时刻和气门的打开时刻使气缸内的稀薄混合气更为均匀。例如，参考图3所示，发动机在运转的单个循环中，在发动机的进气道喷射燃油时，进气门均处于开启状态，即进气门处于进气门升程，或者，参考图4所示，进气门先处于关闭状态，然后进气门再处于开启状态，且在发动机的进气道喷射燃油的某一时刻，发动机的活塞位于进气上止点处。喷射燃油时进气门先处于开启状态，且在发动机的进气道喷射燃油的某一时刻，发动机的活塞位于进气上止点处的开阀喷射策略，以及喷射燃油时进气门先处于关闭状态，后进气门处于开启状态，在发动机的进气道喷射燃油的某一时刻，发动机的活塞位于进气上止点处的部分开阀喷射策略，这两种喷射策略使得在排气冲程末期或进气冲程开始的时候，就将已经发生闪沸和良好雾化的喷雾直接进入缸内进行混合气制备，而不是常规的喷射到进气道表面，单纯依靠进气道加热和回流废气的加热及冲击来使得燃油蒸发和雾化，从而使气缸内的稀薄混合气混合得更为均匀，且避免了燃油碰到气道表面形成大量未燃油膜而导致颗粒物排放增加。
再次，本实施例中，还可以通过优化在进气道喷射的燃油进入气缸内的方式，进一步的保证燃油进入到气缸后形成更为均匀的混合气。例如，在与单个气缸连接的两个进气道中分别喷射燃油。相对于仅在气缸的一个进气道中喷射燃油的方式，单个进气道中燃油的最大流量降低，利于形成尺寸更小的燃油液滴，使得稀薄混合气更为均匀。
在本实施例中，均匀的稀薄混合气是相对于现有技术中的缸内直喷分层稀薄燃烧系统的分层稀薄混合气而言。
再比如，在进气道靠近进气门处喷射燃油，具体的，可在进气道靠近进气门处喷射燃油。相比于现有技术中通过将燃油喷射到进气道，单纯依靠进气道加热和回流废气的加热及冲击使燃油蒸发和雾化的方式，且需要在进气门关闭的时刻喷油的方式，本实施例中的燃油通过这种靠近进气门的喷油方式，为实现全部开阀喷射或部分开阀喷射创造了条件，且更益于已经发生闪急沸腾且良好雾化的喷雾直接进入气缸形成均匀的稀薄混合气。
本实施例中，在发动机的进气道喷射的燃油的喷射压力优选小于等于1mpa。如此在进气道喷油可以采用常规的喷油器，且无需设置高压喷油器以及与高压喷油器相对应的第二油泵和第二油轨，降低了成本。
由上可知，本实施例通过在进气道进行燃油喷射形成闪急沸腾喷雾，合理设置喷雾进入气缸的方式和时间，以形成均匀的稀薄混合气，结合设置气缸内的喷油方式和喷油时间，以及设置合理的点时刻，实现了高效稳定的稀薄燃烧。本实施例中提供的上述用于点燃式发动机的稀薄燃烧方法适用于发动机的至少一个气缸，如下以发动机单个气缸内一个循环的燃烧为例来说明用于实现上述用于点燃式发动机的稀薄燃烧方法的稀薄燃烧系统。参考图1所示，用于点燃式发动机的稀薄燃烧系统包括：气缸10、进气道20、第一燃油供给系统60和第二燃油供给系统70。进气道20与气缸10连接，为气缸10提供空气。第一燃油供给系统60通过在进气道20内喷射燃油为气缸10提供燃油。第二燃油供给系统70通过在气缸10内直接喷射燃油为气缸10提供燃油。
第一燃油供给系统60包括第一油箱61、第一油轨62、第一供油管道63、加热装置64和气道喷油器65。气道喷油器65通过第一供油管道63与第一油轨62连接，第一油轨62通过第一供油管道63与第一油箱61连接。气道喷油器65设置在进气道20处，用于向进气道20内喷射燃油。气道喷油器65喷射的燃油的喷射压力优选小于等于1mpa。气道喷油器65可采用常规进气道射发动机用的电磁阀驱动的多孔喷油器，优选地使用多孔漩涡型喷油器(swirlinjector)。第一油轨62用于存贮燃油，同时抑制由于第一油箱61和气道喷油器65喷油产生的压力波动，确保第一燃油供给系统60压力稳定。加热装置64用于加热第一油轨62，实现燃油加热，使得从气道喷油器65喷射的燃油的最高温度为90℃至110℃。其中，加热装置64也可通过加热与气道喷油器65连接的第一供油管道63实现燃油加热。当然，气道喷油器65喷射的燃油的喷射压力也可大于1mpa，只是与此对应的气道喷油器65需要采用适于高压喷射的喷油器以及设置用于为喷油器供油的高压燃油供给系统，其成本相对较高。
第二燃油供给系统70包括第二油箱(图中未示出)、第二油泵71、第二油轨72、第二供油管道74和缸内直喷喷油器73。缸内直喷喷油器73通过第二供油管道74与第二油轨72连接，第二油轨72通过第二供油管道74与第二油泵71连接，第二油泵71通过第二供油管道74与第二油箱61连接。缸内直喷喷油器73用于在压缩冲程后期靠近点火时刻，向气缸10内喷射燃油喷射压力大于等于20mpa的高压燃油，且喷油时长小于等于0.3ms。例如，缸内直喷喷油器73采用常规缸内直喷汽油机所使用的电磁阀驱动的内开环多孔喷油器。第二油轨72用于存贮燃油，同时抑制由于第二油泵71和缸内直喷喷油器73喷油产生的压力波动，确保第二燃油供给系统70压力稳定。
应当理解，第一燃油供给系统60和第二燃油供给系统70可以各自包含一个油箱，也可以是如图1所示，第二燃油供给系统70和第一燃油供给系统60共用一个油箱(即共用第一油箱61)，以节约成本。
其中，用于点燃式发动机的稀薄燃烧系统还包括排气门40和火花塞50，气缸包括燃烧室30，缸内直喷喷油器73和火花塞50均设置在燃烧室30顶部，并且，火花塞50相对于缸内直喷喷油器73而言更加靠近排气门40。火花塞50在距离气缸10内喷射燃油结束时刻0度曲轴转角到10度曲轴转角时点火。当然，也可以将火花塞50和缸内直喷喷油器73设置在燃烧室30顶部，且缸内直喷喷油器73相对于火花塞50而言更加靠近排气门40。
发动机的单个气缸10一般包括两个进气道20，参考图2所示，可在两个进气道20处均设置气道喷油器65。本实施例中，用于点燃式发动机的稀薄燃烧系统还包括进气门80，进气门80设置在气缸10和进气道20之间，气道喷油器65靠近进气门80设置。
下面以发动机在一个工作循环中的工作过程为例，结合图1和图2所示，说明本实施例提供的用于点燃式发动机的稀薄燃烧系统的工作过程。
参考图3，发动机的一个工作循环包括：膨胀冲程、排气冲程、进气冲程和压缩冲程。其中，压缩上止点和进气上止点对应的是发动机的活塞位于气缸的上止点处，下止点对应的是发动机的活塞位于气缸的下止点处。排气门升程是指排气门处于打开的状态，进气门升程是指进气门处于打开的状态。在进气门升程，在发动机的活塞位于发动机上止点附近，即气道喷油器的喷油时段a内气道喷油器65在进气道20内喷射燃油(优选是经过加热的燃油)，且燃油喷射压力小于等于1mpa，燃油喷射后发生闪急沸腾现象形成闪急沸腾喷雾，闪急沸腾喷雾随着气流进入气缸10，形成均匀的稀薄混合气。在压缩冲程，在缸内直喷喷油器的喷油时段b内，缸内直喷喷油器73向气缸10内以大于等于20mpa的燃油喷油压力喷射燃油，且喷油时间小于等于0.3ms，并且，在间隔缸内直喷喷油器73喷油结束时刻0度曲轴转角到10度曲轴转角后，火花塞50在火花塞点火时刻c点火。其中，缸内喷射器喷油结束时刻距离点火时刻的时间间隔定义为δ，δ以曲轴转角为度量单位。此外，参考图4，气道喷油器65的喷油时段也可以自进气门80关闭时开始喷射燃油，直至进气门80开启一段时间后结束喷射燃油。
综上，本实施例提供的用于点燃式发动机的稀薄燃烧系统及方法，由于在发动机的进气道喷射经加热后的燃油，使燃油喷射时即发生闪急沸腾现象，合理设置喷雾进入气缸的方式和时间，使得燃油进入到气缸中形成均匀混合的稀薄混合气，且在在发动机压缩冲程后期在气缸内喷射喷喷射压力大，且喷射时间短的燃油，并适时点火，使得火花塞周围形成的过浓区的面积大大减少，且能实现稳定的燃耗，因而降低了现有技术中由于火花塞周围大面积的过浓区在燃烧过程中形成的nox的含量，使得从气缸内排放的气体不需要设置专门针对nox的催化转化器，，在节油的同时还节约了成本。另外过浓区面积的减少，以及在气缸内均匀的稀薄混合气和稳定的燃烧，使燃油燃烧更为充分，因此大幅降低了颗粒物排放。此外，本实施例不需要使用成本高且对油品敏感的压电晶体喷油器，而是使用已经大批量产品化的常规喷油器，因此进一步节约了成本。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。