用于斜轴涡流增强的燃烧室、发动机及点火控制方法

1.本发明涉及发动机燃烧室设计的技术领域，具体地，涉及一种用于发动机的气缸内斜轴涡流增强的燃烧室、发动机及点火控制方法。


背景技术：

2.点燃式活塞发动机具有升功率高、性能可靠等优势，广泛应用于车用、船用及航空领域。然而，点燃式发动机通过火花点火-火焰传播释放热量，并将热能转化为机械能，因此点燃式内燃机性能主要由火花点火-火焰传播质量决定。在相同燃烧性能和性能输出状态下，消耗燃油量越少，汽油机热效率越高，油耗越低。因此，尽可能在燃烧室内储存更多的空气/废气，降低燃油喷射量，从而降低缸内当量比的稀释(稀薄)燃烧方法，可以有效降低油耗。然而缸内当量比的降低导致火花点火不稳定，使后续的火焰传播稳定性下降，最终导致发动机运行不稳定，性能下降。
3.针对汽油机稀释/稀薄燃烧存在的点火-火焰传播稳定性下降问题，主要采用增强缸内流动的方式增加火焰的相对速度，从而优化稀释条件下燃烧稳定性和发动机扭矩输出稳定性。目前主要采用高滚流气道方式实现四冲程活塞式发动机缸内滚流强度增强，同时二冲程发动机由于采用进气口/排气门或进/排气口组合换气，也可以实现缸内强滚流。然而由于缸内滚流增强，导致火花点火阶段形成的初始火核热量散失较大，且进气压力/缸内空燃比升高时，压力升高，不利于初始火核形成和初始火焰传播过程，最终会导致点火失败、点火不稳定等，最终导致缸内燃烧和发动机性能不稳定。
4.针对发动机点火稳定性优化，目前，采用双火花塞点火方法可以实现缸内两点点火，并基于火焰传播过程实现同步或异步点火，从而提升火焰传播速度，抑制爆震。该方法虽然可以有效提升缸内点火的成功率，但是，该方法目前主要采用的是沿进排气轴线或其垂直线，双火花塞连线与活塞平面平行。然而由于活塞式发动机结构设计，在压缩冲程缸内垂直于活塞的滚流逐渐向平行于活塞的涡流转化，最终形成与活塞面具有一定角度的斜轴涡流。而连线平行于活塞面的双火花塞无法与这种斜轴涡流相互作用，实现双火花塞点火效果的最大化。同时，双火花塞与喷油器布置并未进行合理设计，无法最大程度发挥双火花塞和缸内斜轴涡流对燃烧过程的优化效果。
5.因此，现有技术中亟需双对火花塞与喷油器合理布置，从而提高发动机点火稳定性的技术方案。


技术实现要素：

6.针对上述问题，本发明提供了一种用于发动机的气缸内斜轴涡流增强的燃烧室，包括：
7.进气口和排气口；
8.缸盖和缸壁；
9.活塞；所述活塞表面设置有径向导流槽和周向导流槽，其中，所述周向导流槽由所
述缸壁和所述活塞外围的凹槽共同构成；所述径向导流槽与所述进气口和所述排气口的中心线连线平行，所述径向导流槽在进气侧与所述周向导流槽交界处具有最大高度，并向排气侧逐步下降；所述周向导流槽沿顺时针或逆时针方向逐渐升高，沿所述缸壁旋转至径向导流槽终点时达到所述周向导流槽的最大高度；进入燃烧室的空气由进气口进入所述径向导流槽、所述周向导流槽从而将进气口-排气口轴线滚流转化为斜轴涡流；
10.第一火花塞和第二火花塞，所述第一火花塞和所述第二火花塞设置在所述燃烧室的顶部，并且分别位于所述中心线连线两侧，所述中心线连线位于发动机燃烧上止点的斜轴涡流平面内；和
11.喷油器；所述喷油器位于燃烧室顶部。
12.所述喷油器设置在所述周向导流槽的中心轴线与所述缸盖的交点，所述喷油器的喷雾方向朝向所述活塞的方向。
13.所述第一火花塞和所述第二火花塞呈70
°‑
120
°
夹角，所述喷油器与所述活塞呈20
°‑
50
°
夹角，所述第一火花塞、所述第二火花塞和所述喷油器在同一斜轴涡流平面上。
14.具有燃烧室、电子控制单元(ecu)、用于发送点火信号的点火控制单元和用于执行点火的点火执行单元，其中，所述点火控制单元根据所述ecu计算的点火时刻发送点火信号至所述点火执行单元，完成点火。
15.本发明还提出了如下的技术方案。
16.一种发动机的点火控制方法，包括以下步骤：
17.s1：电子控制单元(ecu)根据当前的发动机运行状态参数计算缸内流动强度，并根据喷油器参数和所述发动机运行状态参数的当量比，计算基准点火时刻t0；
18.s2：所述电子控制单元根据所述缸内流动强度和所述发动机的尺寸计算缸内斜轴涡流的平均流速，并根据所述平均流速计算混合气由第一火花塞流动至第二火花塞的时间或由第二火花塞流动至第一火花塞的时间t；
19.s3：喷油器向气缸内喷入燃油并在所述气缸内形成喷雾，并沿径向导流槽和周向导流槽至所述第一火花塞，而后随所述气缸内斜轴涡流周期流动；同时，所述电子控制单元计算喷雾运动至所述第一火花塞的时间t1，并以时间t1+nt作为第n周期点火时刻，其中，n为整数，且n≥0，
20.s4：将所述基准点火时刻t0和所述第n周期点火时刻相比较，选择最早的点火时刻作为初始点火时刻以执行点火；并且，每个周期中所述第一火花塞和所述第二火花塞按照n
×
t的间隔各点火一次，点火次数按照循环累加，直至所述气缸内点火/燃烧状态稳定，其中，n
×
t大于所述电子控制单元发送点火信号至所述第一火花塞和所述第二火花塞各自对应的点火执行单元的时间间隔，并小于所述基准点火时刻t0至活塞运行至发动机燃烧上止点的时间间隔；
21.s5：根据发动机运行状态参数判断缸内燃烧状态，如果产生点火失效或燃烧不稳定的工况时，所述第一火花塞和所述第二火花塞可以按照n
×
t的时间间隔顺序点火，或者第一火花塞或所述第二火花塞按照n
×
t的时间间隔连续点火，点火次数循环累加，直至所述气缸内点火/燃烧状态稳定
22.s6：发动机冷启动工况下，燃油由喷油器喷入所述气缸，并沿径向导流槽和周向导流槽流动至所述第一火花塞，并沿周向导流槽流动至所述第二火花塞，所述第一火花塞和
所述第二火花塞按照n
×
t的时间间隔顺序点火，或者按照2
×n×
t的时间间隔连续点火，直至所述气缸内点火/燃烧状态稳定时，切换至步骤s3中所述的发动机正常运行模式。
23.发动机运行状态参数包括：发动机转速、进气压力、缸内压力、发动机输出扭矩、以及发动机曲轴的角速度和/或角加速度。
24.所述喷油器参数包括喷油压力、喷油量。
25.所述第一火花塞和所述第二火花塞设置在所述燃烧室的顶部，所述第一火花塞和所述第二火花塞呈70
°‑
120
°
夹角，所述喷油器位于燃烧室顶部的所述周向导流槽的中心轴线与所述缸盖的交点处，所述喷油器的喷雾方向朝向所述活塞的方向，并且，所述喷油器与所述活塞呈20
°‑
50
°
夹角，所述第一火花塞、所述第二火花塞和所述喷油器在同一斜轴涡流平面上。
26.本发明相比现有技术的有益效果是：
27.采用非对称火花塞及喷油器布置，使喷油器-火花塞1-火花塞2平面与缸内滚流(斜轴涡流)方向一致，使点火更高效稳定，与增强斜轴涡流燃烧室结合可以进一步提升稀释燃烧燃烧稳定性，同时该方法不仅可以用于四冲程点燃式活塞内燃机，也可用于二冲程点燃式活塞内燃机，且由于二冲程活塞式内燃机缸内流动强度更高，会对本发明产生更有益的燃烧优化效果。
28.ecu分别控制两套点火系统，控制单元与执行单元相互隔离，两套点火系统可以分别同步或异步执行，结构简单安全高效。
29.通过缸内流动、喷油和点火协同控制，实现一次发动机燃烧循环多次点火，提升发动机正常运行工况下燃烧稳定性，同时还可以提升发动机在低温条件下冷启动性能。
附图说明
30.图1为燃烧室的内部结构的俯视图。
31.图2为燃烧室的主视图。
32.图3为活塞结构的主视图。
33.图4为活塞结构的俯视图。
34.图5为活塞结构的侧视图。
35.图6为控制系统示意图。
具体实施方式
36.下面结合具体实施例对本发明进行说明。
37.如图1-2所示，用于发动机的气缸内斜轴涡流增强的燃烧室，包括：进气口1、排气口2、缸盖3、缸壁4、活塞5、第一火花塞6、第二火花塞7和喷油器8。
38.如图3-5所示，活塞5表面设置有径向导流槽9和周向导流槽10，其中，周向导流槽10由缸壁4和活塞5外围的凹槽共同构成；径向导流槽9与所述进气口和所述排气口的中心线连线平行，径向导流槽9在进气侧与周向导流槽10交界处具有最大高度，并向排气侧逐步下降，包括但不限于二次曲线、最速曲线等。在本实施例中采用的是固定斜率曲线，即活塞顶部周长展开图为直线；周向导流槽10沿顺时针或逆时针方向逐渐升高，沿缸壁4旋转至径向导流槽终点时达到周向导流槽10的最大高度；并且其中，进入燃烧室的空气由进气口进
入径向导流槽9、周向导流槽10从而将进气口-排气口轴线滚流转化为斜轴涡流。
39.本实施例中，发动机以四冲程模式运行，燃烧循环为720
°ꢀ
ca(曲轴转角)，以发动机燃烧上止点为0
°ꢀ
ca。第一火花塞6和第二火花塞7设置在所述燃烧室的顶部。在本实施例中，第一火花塞6和第二火花塞7呈70
°
夹角，喷油器8位于燃烧室顶部的周向导流槽10的中心轴线与缸盖3的交点处，喷油器8的喷雾方向朝向活塞5的方向，并且，喷油器8与活塞5呈30
°
夹角，第一火花塞6、第二火花塞7和喷油器8在同一斜轴涡流平面上。
40.喷油器8位于燃烧室顶部，并且设置在在径向导流槽9所在平面中的垂直于活塞5的平面与缸盖3的相交线的范围内，喷油器8的喷雾方向朝向活塞5的方向。
41.本发明所提供的发动机具有如上所述的燃烧室，发动机控制器中具有电子控制单元(ecu)、用于发送点火信号的点火控制单元和用于执行点火的点火执行单元，其中，所述点火控制单元根据所述ecu计算的点火时刻发送点火信号至所述点火执行单元，完成点火。
42.结合图6，如上所述的发动机的点火控制方法，包括以下步骤：
43.s1：电子控制单元(ecu)根据当前的发动机运行状态参数(包括但不限于发动机转速、进气压力、缸内压力、发动机输出扭矩、以及发动机曲轴的角速度和/或角加速度)计算缸内流动强度，并根据喷油器参数(包括但不限于喷油压力、喷油量)和所述发动机运行状态参数的当量比，计算基准点火时刻t0。
44.具体地，本实施例中，数据采集系统实时采集发动机当前的运行状态参数和喷油器的喷油器参数，并由ecu对喷油控制模块发出喷油指令控制喷油脉宽、喷油时刻和喷油次数，对点火控制模块发出点火指令控制点火执行单元的点火时刻、点火间隔和点火次数。缸内流动强度和需求喷油量的具体计算方式如下：
45.缸内流动强度和进气量基于三维数值模拟或稳流试验台测得，根据实验或模拟结果建立发动机转速和节气门开度与缸内流动强度、进气量和气体流速间的关系。
46.缸内喷油量根据进气量计算，通过燃料当量比计算需求当量比下喷油量。已知空气中的n2和o2的原子个数比为3.773，假设汽油中h和c的原子个数比为y，当量比为则：
[0047][0048]
其中，m
fuel
为喷油量，m
air
为根据实验或仿真获得的当前转速节气门开度下进气量，以预设参数形式保存于发动机ecu中。
[0049]
根据发动机的进气压力和喷油器的喷油量计算当量比，计算基准点火时刻t0。
[0050]
s2：所述电子控制单元根据所述缸内流动强度和所述发动机的尺寸计算气缸内斜轴涡流的平均流速，并根据所述平均流速计算混合气由第一火花塞6流动至第二火花塞7的时间(第二火花塞7流动至第一火花塞6的时间)t。如图2所示，箭头表示燃油喷雾的流动方向。
[0051]
s3：在点火前，通过喷油器向气缸内喷入部分燃油并在所述气缸内形成喷雾，并沿径向导流槽和周向导流槽至第一火花塞6，而后随所述气缸内斜轴涡流周期流动；同时，所述电子控制单元计算喷雾运动至第一火花塞6的时间t1，并以时间t1+nt作为第n周期点火时刻，其中，n为整数，且n≥0。本实施例中，发动机运行工况为1500rpm@imep 4bar，此时采用两次喷油方式，第一次喷油在上止点前320
°ꢀ
ca(-320
°ꢀ
ca)，用于在缸内形成基础油气混合气。第二次喷油在上止点前25
°ꢀ
ca(-25
°ꢀ
ca)，用于与双火花塞共同作用引燃缸内混合
气，两次喷油的脉宽分别为400us和200us(3.6
°ꢀ
ca和1.8
°ꢀ
ca)，喷油压力固定为200bar。
[0052]
s4：将点火前即步骤s1中气缸内基础当量比(直喷前当量比)计算得到的所述基准点火时刻t0和以上述时间t为周期时间间隔的每个周期的点火时刻即所述第n周期点火时刻相比较，选择最早的点火时刻作为初始点火时刻以执行点火；并且，每个周期中第一火花塞6和第二火花塞7按照n
×
t的间隔各点火一次，点火次数按照循环累加，直至所述气缸内点火/燃烧状态稳定。
[0053]
具体地，第一火花塞6和第二火花塞7通过同一套点火控制单元发送点火信号，并由两套点火执行单元执行点火功能，该点火控制单元根据ecu计算的点火时刻发送点火信号至点火执行单元，完成点火，其中，n
×
t大于所述电子控制单元发送点火信号至第一火花塞6和第二火花塞7各自对应的点火执行单元的时间间隔，并小于所述基准点火时刻t0至活塞运行至发动机燃烧上止点的时间间隔，从而实现两次点火，提升缸内点火成功率和燃烧稳定性。
[0054]
s5：根据发动机运行状态参数判断缸内燃烧状态，如果产生点火失效或燃烧不稳定的工况时，第一火花塞6和第二火花塞7可以按照n
×
t的时间间隔顺序点火，或者第一火花塞或第二火花塞7按照n
×
t的时间间隔连续点火，点火次数循环累加，直至所述气缸内点火/燃烧状态稳定。按照流动周期多次点燃气缸内混合气，实现稳定着火燃烧。
[0055]
s6：发动机冷启动工况下，燃油由喷油器喷入所述气缸，并沿径向导流槽和周向导流槽流动至第一火花塞6，并沿周向导流槽所述第二运行至火花塞，第一火花塞6和第二火花塞7按照n
×
t的时间间隔顺序点火，或者按照2
×n×
t的时间间隔连续点火，直至所述气缸内点火/燃烧状态稳定时，切换至发动机正常运行模式。
[0056]
根据缸内流动强度计算，第二次喷油结束时(-23.2
°ꢀ
ca)至燃油随滚流移动至第一火花塞6时需要2
°ꢀ
ca，第一火花塞6点火后，火焰及未燃，燃油喷雾移动至第二火花塞7需要0.5
°ꢀ
ca，ecu发送执行信号间隔需要2
°ꢀ
ca。因此，控制器设定为在-20
°ꢀ
ca第一火花塞6点火，-18
°ꢀ
ca第二火花塞7点火，然后由ecu发出点火信号并由点火执行单元执行操作。
[0057]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“底”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发明和简化描述，而不是指示和暗示所指的装置或原件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此，不能理解为本发明的限制。
[0058]
以上的仅是本发明的优选实施方式，但本发明并不局限于上述具体实施方式，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。