发动机及其双射流燃烧方法与流程

本发明涉及发动机燃烧技术领域，特别涉及一种发动机及其双射流燃烧方法。

背景技术：

随着全球范围内对于节能减排及低碳经济的不断重视，探索内燃机高效清洁燃烧技术，实现内燃机的节能减排，是传统内燃机未来发展面临的重要挑战。长期以来，汽油发动机从化油器式发展到缸内直喷，甚至是高压缸内直喷，大量新技术的应用使得汽油发动机热效率显著升高，但从理论层面考虑，压缩比及混合气绝热指数无进一步改善的情况下，汽油发动机热效率提升的难度越来越大。基于此，高效汽油发动机的研究热点逐步向有效压缩比及缸内工质物化属性优化方面转变，汽油发动机稀薄燃烧过程正是在这种背景下提出的一项燃烧控制技术。

现有的稀薄燃烧发动机，点火过程是影响其燃烧稳定性的重要因素，由于汽油/空气混合气存在点火稀限的限制，混合气浓度越稀，所需要的点火能量越高，对传统火花塞运行可靠性提出了巨大挑战。虽然目前已有高能点火系统进行了小批量生产，但其成本及维护费用远远高出传统点火系统。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供一种发动机，能实现整体稀燃模式下可靠稳定着火，有效提升燃烧热效率。

一种发动机，包括气缸、缸盖、活塞、第一火花塞、第二火花塞以及用于向气缸内喷射燃料的喷油器，缸盖设置在所述气缸上，活塞可活动地设置在气缸内，缸盖上设有螺旋进气道和切向进气道，螺旋进气道用于向气缸输入涡流气，切向进气道用于向气缸输入空气，活塞靠近缸盖的端面设有第一燃烧槽、第二燃烧槽和第三燃烧槽，第一燃烧槽与第三燃烧槽之间通过第一射流通道连通，第二燃烧槽与第三燃烧槽之间通过第二射流通道连通，第一火花塞、第二火花塞和喷油器设置在缸盖上，第一火花塞对应第一燃烧槽设置，第二火花塞对应第二燃烧槽设置。

在本发明的实施例中，上述第三燃烧槽设置于所述活塞的中部，所述第一燃烧槽和所述第二燃烧槽沿着所述第三燃烧槽的周向设置。

在本发明的实施例中，上述切向进气道用于向所述第三燃烧槽对应的区域输入空气，所述切向进气道内设有第二进气门，所述缸盖上设有挡板，所述挡板的一端连接于所述缸盖，所述挡板的另一端延伸至所述第二进气门的下方，当所述第二进气门打开时，所述第二进气门的端部抵靠在所述挡板上。

在本发明的实施例中，上述缸盖上还设有第一排气道和第二排气道，所述第一火花塞设置于所述螺旋进气道与所述切向进气道之间的所述缸盖上，所述第二火花塞设置于所述第一排气道与所述第二排气道之间的所述缸盖上。

在本发明的实施例中，上述喷油器沿着所述气缸的轴线设置于所述缸盖的中部，所述喷油器的端部设有喷油嘴，所述喷油嘴上设有多个第一喷油孔和多个第二喷油孔，各所述第一喷油孔用于向靠近所述气缸壁的方向喷射燃料，各所述第二喷油孔用于向所述第三燃烧槽对应的区域喷射燃料，所述第一喷油孔的喷油量大于所述第二喷油孔的喷油量。

在本发明的实施例中，上述第一喷油孔的中心线与所述缸盖的底面之间具有第一夹角，所述第二喷油孔的中心线与所述缸盖的底面之间具有第二夹角，所述第一夹角小于所述第二夹角。

在本发明的实施例中，上述第一夹角为10°～50°；所述第二夹角为50°～80°。

在本发明的实施例中，上述第一喷油孔的数量大于所述第二喷油孔的数量。

在本发明的实施例中，上述第一喷油孔的孔径大于所述第二喷油孔的孔径。

本发明还提供一种利用上述的发动机的双射流燃烧方法，所述方法包括：

在进气冲程时，利用螺旋进气道向气缸输入涡流气，利用切向进气道向所述气缸输入空气，利用喷油器向所述气缸内喷入燃料形成稀混合气；

在进气冲程末期与压缩冲程时，利用所述喷油器再次喷入燃料，部分燃料在涡流惯性作用下流向靠近所述气缸壁的区域；

在压缩冲程末期时，缸盖与所述活塞的第一燃烧槽、第二燃烧槽和第三燃烧槽之间形成第一燃烧室、第二燃烧室和第三燃烧室，利用所述第一火花塞点燃第一燃烧室内的混合气，利用所述第二火花塞点燃第二燃烧室内的混合气，所述第一燃烧室内的火核经过第一射流通道形成高温射流火焰点燃所述第三燃烧室内的混合气，所述第二燃烧室内的火核经过第二射流通道形成高温射流火焰点燃所述第三燃烧室内的混合气。

在本发明的实施例中，在小负荷工况时，先控制靠近所述缸盖排气侧的所述第二火花塞点火，后控制靠近进气侧的所述第一火花塞点火。

在本发明的实施例中，在中负荷工况时，控制所述第一火花塞和所述第二火花塞同时点火。

在本发明的实施例中，在大负荷工况时，先控制靠近所述进气侧的所述第一火花塞点火，后控制靠近排气侧的所述第二火花塞点火。

在本发明的实施例中，在压缩冲程末期时，所述第一燃烧室和所述第二燃烧室内的混合气当量比为1.05～1.17，所述第三燃烧室内的混合气当量比小于0.65。

本发明的的发动机的缸盖设置在气缸上，活塞可活动地设置在气缸内，缸盖上设有螺旋进气道和切向进气道，螺旋进气道用于向气缸输入涡流气，切向进气道用于向气缸输入空气，活塞靠近缸盖的端面设有第一燃烧槽、第二燃烧槽和第三燃烧槽，第一燃烧槽与第三燃烧槽之间通过第一射流通道连通，第二燃烧槽与第三燃烧槽之间通过第二射流通道连通，第一火花塞、第二火花塞和喷油器设置在缸盖上，第一火花塞对应第一燃烧槽设置，第二火花塞对应第二燃烧槽设置。本发明的发动机在压缩冲程末期，缸盖与活塞的第一燃烧槽、第二燃烧槽和第三燃烧槽之间形成多个燃烧室，燃烧膨胀压力形成高温、高速射流，并引燃点火能量需求较高的稀混合气，实现整体稀燃模式下可靠稳定着火，有效提升燃烧热效率，并改善燃烧循环变动。

附图说明

图1是本发明的发动机的局部结构示意图。

图2是本发明的发动机的处于压缩冲程末期时的结构示意图。

图3是本发明的缸盖的俯视结构示意图。

图4是本发明的缸盖的局部结构示意图。

图5是本发明的活塞的端面结构示意图。

图6是本发明的喷油器的放大结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步地描述。

图1是本发明的发动机的局部结构示意图。图2是本发明的发动机的处于压缩冲程末期时的结构示意图。如图1和图2所示，发动机10包括多组气缸11、缸盖12、活塞13、第一火花塞14a、第二火花塞14b和喷油器15。

气缸11的端部封闭设置，缸盖12设置在气缸11的开口端上。在本实施例中，气缸11内具有燃烧汽油燃料的燃烧室101。

图3是本发明的缸盖的俯视结构示意图。图4是本发明的缸盖的局部结构示意图。如图1、图2、图3和图4所示，缸盖12上设有螺旋进气道121、切向进气道123、第一排气道125和第二排气道127。螺旋进气道121、切向进气道123、第一排气道125和第二排气道127与燃烧室101连通。螺旋进气道121内设有控制螺旋进气道121与燃烧室101通、断的第一进气门122；切向进气道123内设有控制切向进气道123与燃烧室101通、断的第二进气门124；第一排气道125内设有控制第一排气道125与燃烧室101通、断的第一排气门126；第二排气道127内设有控制第二排气道127与燃烧室101通、断的第二排气门(图未示)；关于第一进气门122、第二进气门124、第一排气门126和第二排气门的功能和作用请参照现有技术，此处不再赘述。

图5是本发明的活塞的端面结构示意图。如图1、图2和图5所示，活塞13可活动地设置在气缸11内，活塞13通过销轴与连杆连接，连杆与曲轴连接，曲轴转动时实现活塞13在气缸11内往复移动，缸盖12与活塞13之间形成可变容积的燃烧室101。活塞13的端面131设有第一燃烧槽102、第二燃烧槽103和第三燃烧槽104，第一燃烧槽102、第二燃烧槽103和第三燃烧槽104是由活塞13的局部端面131向着远离缸盖12的方向凹陷形成，其中第三燃烧槽104位于活塞13的中部，第一燃烧槽102和第二燃烧槽103沿着第三燃烧槽104的周向相互间隔设置，优选地，第一燃烧槽102与第二燃烧槽103对称设置。第一燃烧槽102和第二燃烧槽103呈圆弧形；第一燃烧槽102的一端与第三燃烧槽104之间通过第一射流通道105连通，第一燃烧槽102的另一端没有与第三燃烧槽104连通；第二燃烧槽103的一端与第三燃烧槽104之间通过第二射流通道106连通，第二燃烧槽103的另一端没有与第三燃烧槽104连通。在本实施例中，活塞13的端面131为平面，活塞13的端面131平行于缸盖12的底面。当发动机10处于压缩冲程末期时，缸盖12与活塞13的第一燃烧槽102、第二燃烧槽103和第三燃烧槽104之间形成第一燃烧室101a、第二燃烧室101b和第三燃烧室101c。

如图1、图2和图5所示，第一火花塞14a和第二火花塞14b设置在缸盖12上，其中第一火花塞14a设置于螺旋进气道121与切向进气道123之间的缸盖12上，第二火花塞14b设置于第一排气道125与第二排气道127之间的缸盖12上，即第一火花塞14a靠近进气侧设置，第二火花塞14b靠近排气侧设置。在本实施例中，第一火花塞14a对应第一燃烧槽102设置，优选地，第一火花塞14a在活塞13上的正投影位于第一燃烧槽102内，方便第一火花塞14a点燃第一燃烧室101a内的混合气；第二火花塞14b对应第二燃烧槽103设置，优选地，第二火花塞14b在活塞13上的正投影位于第二燃烧槽103内，方便第二火花塞14b点燃第二燃烧室101b内的混合气。

图6是本发明的喷油器的放大结构示意图。如图1、图2和图6所示，喷油器15设置在缸盖12上，优选地，喷油器15沿着气缸11的轴线设置于缸盖12的中部，且喷油器15在活塞13上的正投影位于第三燃烧槽104内。喷油器15的端部设有喷油嘴151，喷油嘴151上设有多个第一喷油孔107和多个第二喷油孔108，各第一喷油孔107用于向靠近气缸11壁的方向喷射燃料，各第二喷油孔108用于向第三燃烧槽104对应的区域喷射燃料，且第一喷油孔107喷出的燃料量大于第二喷油孔108喷出的燃料量，保证发动机10在压缩冲程末期时，第一燃烧室101a和第二燃烧室101b的混合气浓度大于第三燃烧室101c的混合气浓度，实现气缸11内混合气的分层分布，优选地，第一燃烧室101a和第二燃烧室101b的混合气当量比为1.05～1.17，第三燃烧室101c的混合气当量比小于0.65，但并不以此为限。因此，第一燃烧室101a和第二燃烧室101b的混合气容易被点燃，可避免使用高能点火系统，可适当减小第一火花塞14a和第二火花塞14b的结构尺寸，有利于降低生产成本。

在一较佳实施例中，第一喷油孔107的中心线与缸盖12的底面之间具有第一夹角，第二喷油孔108的中心线与缸盖12的底面之间具有第二夹角，第一夹角小于第二夹角，其中第一夹角为10°～50°；第二夹角为50°～80°，以便实现第一喷油孔107向靠近气缸11壁的方向喷射燃料，第二喷油孔108向第三燃烧槽104对应的区域喷射燃料。

在一较佳实施例中，第一喷油孔107的数量大于第二喷油孔108的数量，以便实现第一喷油孔107喷出的燃料量大于第二喷油孔108喷出的燃料量。

在一较佳实施例中，第一喷油孔107的孔径大于第二喷油孔108的孔径，以便实现第一喷油孔107喷出的燃料量大于第二喷油孔108喷出的燃料量。

如图1、图2和图4所示，螺旋进气道121用于向气缸11输入涡流气，切向进气道123用于向第三燃烧槽104对应的区域输入空气。为了保证切向进气道123输入的空气限定在第三燃烧槽104对应的区域，缸盖12上设有挡板128，挡板128设置于切向进气道123的出口处，且挡板128的一端连接于缸盖12，挡板128的另一端延伸至第二进气门124的下方。当第二进气门124打开时，第二进气门124的端部抵靠在挡板128上，切向进气道123输出的空气受缸盖12壁和挡板128的阻挡，大部分空气进入与第三燃烧槽104对应的区域内。

本发明的发动机10在进气冲程时，螺旋进气道121向气缸11输入涡流气，切向进气道123向气缸11输入空气，此时喷油器15喷出少量汽油燃料，汽油燃料在涡流带动下在气缸11内形成较稀的油气混合气；在进气冲程末期与压缩冲程时，喷油器15再次喷入部分油气燃料，第一喷油孔107喷出的汽油燃料在涡流惯性作用下流向气缸11壁附近，并随旋转气流流动，所述部分混合气浓度较大；第二喷油孔108喷出的汽油燃料被限制在第三燃烧室101c；在压缩冲程的末期，气缸11内的空间被大幅压缩，缸盖12与活塞13的第一燃烧槽102、第二燃烧槽103和第三燃烧槽104之间形成第一燃烧室101a、第二燃烧室101b和第三燃烧室101c，第一燃烧室101a和第二燃烧室101b的混合气浓度大于第三燃烧室101c的混合气浓度，此时根据负荷状态，控制第一火花塞14a和/或第二火花塞14b点火，第一燃烧室101a内的火核经过第一射流通道105点燃第三燃烧室101c内的混合气，第二燃烧室101b内的火核经过第二射流通道106点燃第三燃烧室101c内的混合气。

由于第一燃烧室101a和第二燃烧室101b内的混合气燃烧后温度及压力升高，在有限容积内体积膨胀受限，内燃气会从第一射流通道105和第二射流通道106喷出，并在第三燃烧室101c内形成强烈的涡流，高能点火核引燃不易点燃的稀混合气，达到局部分层稀燃的目的。同时，第三燃烧室101c内大量的氧气还可作为高温燃气中未完全燃烧产物的氧化剂，降低soot(油烟)及hc(碳氢化合物)等物质的排放。本发明利用第一燃烧室101a和第二燃烧室101b形成的高温燃气以射流方式来引燃第三燃烧室101c内稀混合气，有效避免稀混合气点火能量不足引发失火的现象，对于降低hc排放有积极作用。

请参照图1至图6，本发明还涉及一种发动机双射流燃烧方法，该方法利用上述的发动机10，其步骤包括：

步骤一，在进气冲程时，利用螺旋进气道121向气缸11输入涡流气，利用切向进气道123向气缸11输入空气，利用喷油器15向气缸11内喷入燃料形成稀混合气。

具体地，螺旋进气道121向气缸11输入涡流气，切向进气道123向气缸11输入空气，涡流气进入与第一燃烧室101a、第二燃烧室101b对应的区域内，切向进气道123输入的空气进入与第三燃烧槽104对应的区域内，此时喷油器15喷出少量汽油燃料，汽油燃料在涡流带动下在气缸11内形成较稀的油气混合气。

步骤二，在进气冲程末期与压缩冲程时，利用喷油器15再次喷入燃料，部分燃料在涡流惯性作用下流向靠近气缸11壁的区域。

具体地，在进气冲程末期与压缩冲程时，喷油器15再次喷入部分油气燃料，第一喷油孔107喷出的汽油燃料在涡流惯性作用下流向气缸11壁附近，并随旋转气流流动，所述部分混合气浓度较大；第二喷油孔108喷出的汽油燃料被限制在第三燃烧室101c。

步骤三，在压缩冲程末期时，缸盖12与活塞13的第一燃烧槽102、第二燃烧槽103和第三燃烧槽104之间形成第一燃烧室101a、第二燃烧室101b和第三燃烧室101c，利用第一火花塞14a点燃第一燃烧室101a内的混合气，利用第二火花塞14b点燃第二燃烧室101b内的混合气，第一燃烧室101a内的火核经过第一射流通道105形成高温射流火焰点燃第三燃烧室101c内的混合气，第二燃烧室101b内的火核经过第二射流通道106形成高温射流火焰点燃第三燃烧室101c内的混合气。

具体地，在压缩冲程的末期，气缸11内的空间被大幅压缩，缸盖12与活塞13的第一燃烧槽102、第二燃烧槽103和第三燃烧槽104之间形成第一燃烧室101a、第二燃烧室101b和第三燃烧室101c，第一燃烧室101a和第二燃烧室101b的混合气浓度大于第三燃烧室101c的混合气浓度，此时根据负荷状态，控制第一火花塞14a和/或第二火花塞14b点火，第一燃烧室101a内的火核经过第一射流通道105形成高温射流火焰点燃第三燃烧室101c内的混合气，第二燃烧室101b内的火核经过第二射流通道106形成高温射流火焰点燃第三燃烧室101c内的混合气。

进一步地，在小负荷工况时，先控制靠近排气侧(缸盖12的第一排气道125和第二排气道127)的第二火花塞14b点火，后控制靠近进气侧(螺旋进气道121和切向进气道123)的第一火花塞14a点火。由于滞燃期相对较长，且气缸11内温度较低，点火比较早，此时率先控制排气侧的第二火花塞14b点火，利用排气侧混合气燃烧产生的高温高压提高进气侧混合气的活化能，保证较冷的进气侧混合气的燃烧速率。

进一步地，在中负荷工况时，控制第一火花塞14a和第二火花塞14b同时点火。由于温度水平相近，滞燃期差异缩小，可控制第一火花塞14a和第二火花塞14b同时点火。

进一步地，在大负荷工况时，先控制靠近进气侧(螺旋进气道121和切向进气道123)的第一火花塞14a点火，后控制靠近排气侧(缸盖12的第一排气道125和第二排气道127)的第二火花塞14b点火。由于温度水平较高，且排气侧的第一排气门126和第二排气门会对混合气有一定的加热作用，此时控制进气侧的第一火花塞14a率先点火，以避免第一燃烧室101a和第二燃烧室101b内混合气燃烧过程不能同步的问题。

进一步地，在压缩冲程末期时，第一燃烧室101a和第二燃烧室101b内的混合气当量比为1.05～1.17，第三燃烧室101c内的混合气当量比小于0.65。采用稀薄燃烧的控制方法，通过外围第一火花塞14a和第二火花塞14b点燃略浓区(第一燃烧室101a和第二燃烧室101b)混合气后利用高温射流火焰引燃稀区(第三燃烧室101c)混合气，实现燃烧过程的整体偏稀，增大燃烧过程工质的绝热指数，有利于提高热效率。而且，增大汽油发动机10压缩比，有利于提高燃烧热效率，第一火花塞14a和第二火花塞14b(双火花塞)的设置方式，可有效减少火焰传播距离，改善汽油发动机10的爆震倾向。

本发明的发动机10的缸盖12设置在气缸11上，活塞13可活动地设置在气缸11内，缸盖12上设有螺旋进气道121和切向进气道123，螺旋进气道121用于向气缸11输入涡流气，切向进气道123用于向气缸11输入空气，活塞13靠近缸盖12的端面131设有第一燃烧槽102、第二燃烧槽103和第三燃烧槽104，第一燃烧槽102与第三燃烧槽104之间通过第一射流通道105连通，第二燃烧槽103与第三燃烧槽104之间通过第二射流通道106连通，第一火花塞14a、第二火花塞14b和喷油器15设置在缸盖12上，第一火花塞14a对应第一燃烧槽102设置，第二火花塞14b对应第二燃烧槽103设置。本发明的发动机10在压缩冲程末期，缸盖12与活塞13的第一燃烧槽102、第二燃烧槽103和第三燃烧槽104之间形成多个燃烧室101a、101b、101c，燃烧膨胀压力形成高温、高速射流，并引燃点火能量需求较高的稀混合气，实现整体稀燃模式下可靠稳定着火，有效提升燃烧热效率，并改善燃烧循环变动。

此外，针对稀薄燃烧过程氮氧化物(nox)排放不易控制的问题，本发明的发动机双射流燃烧方法能够利用进气引导的方式与废气再循环等控制方式相结合，并进一步改善发动机10原始排放。

本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。