共享喷油点火的汽油机射流预燃室、控制方法、系统及发动机

1.本发明涉及内燃机燃烧的技术领域，具体地，涉及一种共享喷油点火的汽油机射流预燃室、控制方法、系统及发动机。


背景技术：

2.预燃室射流点火是一项有前景的提升发动机燃烧性能的技术。与传统的发动机火花点火系统相比，预燃室射流点火系统在燃烧室顶部有一个额外的小型预燃室，其工作原理是：预燃室内的传统火花塞放电引燃预燃室中的可燃混合气，预燃室内温度压力增大，火焰从预燃室下端与主燃室相连的多个喷孔喷射到主燃室中，形成射流火焰。此时预燃室相当于主燃室的点火源，进而引燃主燃室内的可燃混合气。预燃室燃烧所产生的高速火焰射流能产生更大的缸内湍流扰动，同时多个火焰面与主燃烧室内的可燃混合气接触更为充分，更高的点火能量和更大的点火面积有利于主燃室内的燃料燃烧。
3.预燃室射流点火目前有主动式和被动式两种结构。
4.被动式预燃室内部只有一个中置的传统火花塞，预燃室外部或气道的喷油器喷油后在气缸内形成一定浓度的可燃混合气，随后通过缸内流动及活塞压缩将混合气压入预燃室中。被动式预燃室的缺点是混合气来源于外部压入，在预燃室内分布不均匀，无法实现稀释条件下稳定点火，降低预燃室的助燃效果。
5.主动式预燃室内部除了有火花塞之外还有一个单独的预燃室喷油器，因此可以自主控制预燃室内燃油喷射量，从而稳定调整预燃室内可燃混合气浓度。但是由于预燃室本身体积限制和预燃室内喷油器、火花塞位置布局的需求，喷油器必须偏置。主动式预燃室的缺点是燃料喷射时极易碰撞预燃室内壁，引起预燃室内混合气浓度分布不均匀，进而影响预燃室内燃料的燃烧效果，最终影响预燃室射流火焰的均匀性和稳定性。此外，主动式预燃室除了预燃室内部有一个单独的喷油器，必须在预燃室外部配置另外一个喷油器，负责在主燃烧室内形成一定浓度的可燃混合气。二者协同，最终利用预燃室内的燃烧引燃主燃烧室内混合气体，额外需要的喷油器使这个系统结构更加复杂，增加了制造和维护成本。
6.因此，现有技术中亟需一种优化预燃室和主燃室燃油喷射扩散和点火燃烧全过程的技术方案。


技术实现要素：

7.针对上述问题，本发明提供了如下的技术方案。
8.一种共享喷油点火的汽油机射流预燃室，包括：
9.主壳体；
10.空腔套体，设置在所述主壳体的下方，并且，所述主壳体的下端面和所述空腔套体围合而成的腔体构成预燃室腔体；所述空腔套体上设置有射流喷孔和换气孔；
11.喷油器；所述喷油器的下端从所述主壳体的上方中央穿过所述主壳体并伸入到所述预燃室腔体中，并且所述喷油器的下端具有喷油器喷口；
12.火花塞，所述火花塞的下端从所述主壳体的上方斜向穿过所述主壳体并伸入所述预燃室腔体中；
13.火花塞电极，设置在所述火花塞的下端。
14.所述射流喷孔设置在所述空腔套体底部结构的侧面，所述换气孔设置在所述空腔套体底部结构的底部。
15.所述喷油器为外开式喷油器，所述外开式喷油器的锥形喷雾外沿和内沿之间的中轴线与所述射流喷孔的轴线重合。
16.所述射流喷孔的数量为n个，并且均匀布置在所述空腔套体底部结构的侧面的圆周上，所述外开式喷油器的锥形喷雾外沿和内沿之间的中轴线与n个所述射流喷孔的轴线重合，所述射流喷孔的孔径介于所述锥形喷雾的最大宽度与最小宽度之间；其中，n≥4。所述射流喷孔径向宽度占空腔套体周长的比例用于控制锥形喷雾存留在预燃室内/外的比例。
17.所述喷油器为电磁式喷油器，所述电磁式喷油器上的燃油喷孔的轴线与所述射流喷孔的轴线重合。燃油喷孔喷射的喷雾在空腔套体内部的投影面积与射流喷孔的面积比用于控制预燃室与主燃室燃油比例，且燃油喷雾可以通过喷射压力进行调整，从而调控预燃室和主燃室的燃油比例。
18.所述射流喷孔的数量为n个，并且均匀布置在所述空腔套体底部结构的侧面的圆周上，所述电磁式喷油器具有n个燃油喷孔(10)，所述电磁式喷油器的n个所述燃油喷孔(10)的轴线与n个所述射流喷孔的轴线一一重合；其中，n≥4。
19.所述空腔套体的内壁上位于所述射流喷孔周围处设置有导流结构。
20.所述射流喷孔的形状为圆柱形、椭圆形或圆角矩形中的一种。
21.本发明还提供了一种共享喷油点火的汽油机射流预燃室的控制系统，包括：喷油控制模块，用于控制所述喷油器的喷油时刻、喷油脉宽和喷射压力；电子控制系统(ecu)，用于根据所述喷油时刻和所述喷油脉宽计算当前燃油浓度，以计算所述火花塞的点火时刻；点火控制模块，用于控制所述火花塞电极执行点火，实现预燃室内点火。
22.共享喷油点火的汽油机射流预燃室喷油控制方法：通过喷射压力调控锥形喷雾的锥角和喷雾宽度，并通过调节喷雾锥角投影在预燃室空腔套体上的投影面积与预燃室孔面积的重叠比例，从而调节预燃室与主燃室的燃油比例。
23.本发明还提出了一种共享喷油点火的汽油机射流预燃室的控制方法，包括以下步骤：
24.s1：发动机进气门/进气口打开，活塞向下移动，喷油控制模块根据发动机进排气相位计算缸内空气质量，并根据当量比计算预燃室/主燃室所需燃油量。在进气冲程和压缩冲程点火前，根据计算得到的总喷油量和预燃室/主燃室燃油比例求解所需的喷油参数，包括但不限于喷油压力、喷油时刻、喷油脉宽等。
25.s2：到达计算的喷油时刻时，喷油控制模块结合发动机的运行状态和所述电子控制系统(ecu)预设的喷油控制谱计算所需的喷油时刻和喷油脉宽，在活塞到达燃烧上止点前的预设喷油时刻时，向所述喷油器发出喷油指令，使所述预燃室腔体中的所述喷油器喷油，并实时控制喷油器的喷油时刻和喷油脉宽，将燃油喷雾在进气冲程和压缩冲程中通过射流喷孔直接注入主燃室，同时部分燃油喷雾由于射流喷孔导流结构反射或部分残留于预
燃室内，并使燃油喷雾与新鲜空气混合后在主燃烧室和预燃室中充分扩散；
26.s3：当活塞到达压缩冲程上止点附近时，再次在预燃室内喷射少量燃油，这部分燃油全部留存于预燃室内用于提升预燃室内的燃油浓度，从而促进射流点火效果。所述电子控制系统(ecu)根据所述喷油时刻和所述喷油脉宽计算预燃室和主燃烧室的当前燃油浓度，以计算所述火花塞的点火时刻，并将点火信号发送至所述电子控制系统(ecu)的点火控制模块，所述点火控制模块控制所述火花塞电极执行点火，随后，所述预燃室腔体内的可燃混合气体开始燃烧，温度和压力急剧上升，所述预燃室腔体内被点燃的混合气会通过所述射流喷孔向主燃烧室喷射，形成火焰射流；
27.s4：主燃烧室内的可燃混合气被火焰射流引燃，开始扩散燃烧，实现整个预燃室内的点火、射流和主燃烧室内的燃烧过程。
28.所述的共享喷油点火汽油机射流预燃室的控制方法特征是：喷油器可以通过多次喷油调控主燃室/预燃室内的燃油比例。通过在下止点附近喷射一次燃油使其大部分进入主燃室，再在点火前在预燃室内喷射少量燃油，使其全部存留于预燃室，并根据相应的计算方法计算点火时刻，实现扩散燃烧和射流点火效果。
29.这种共享喷油点火汽油机射流预燃室的控制方法好处是：通过缩短进气冲程和压缩冲程前期多次喷油的同时缩短多次喷油间隔，通过喷油器非线性区喷油压力低的特点，降低预燃室向主燃室内燃油扩散的比例，实现预燃室燃油浓度提升。
30.本发明还提供了一种射流点火汽油发动机，包括上述的汽油机射流预燃室，并采用上述控制方法实现预燃室射流点火燃烧.
31.本发明相比现有技术的有益效果是：
32.当预燃室内n孔电磁式喷油器(n≥4)或者外开式喷油器中置，进行喷射时，燃油喷雾能均匀到达圆柱形空腔套体内壁表面，又因为圆柱形空腔套体侧面的n个喷孔(n≥4)和对应喷油器的相对位置关系，喷雾能不受阻挡地、直接通过n个喷孔注入到外部的主燃烧室，因而，只需要用一个喷油器，在预燃室内中置，就可以向预燃室和主燃烧室注入燃油喷雾，完成预燃室和主燃室燃油喷射扩散和点火燃烧全过程。
33.通过计算喷雾宽度、射流孔直径、底部换气小孔面积、燃油喷射量等参数，设置合理的点火-燃烧控制方法，利用预燃室内火花塞点燃预燃室内可燃混合气，形成火焰射流后引燃主燃烧室内可燃混合气，简化喷油设计，提高了燃烧稳定性的效果。
附图说明
34.图1为本发明实施例一中的共享喷油点火的汽油机射流预燃室的结构示意图。
35.图2为本发明实施例二中的共享喷油点火的汽油机射流预燃室的结构示意图。
36.图3为图2中预燃室的局部放大图。
37.图中，1为主壳体，2为喷油器，3为火花塞，4为空腔套体，5为火花塞电极，6为预燃室，7为喷孔，8为喷油器喷口，9为空腔套体底部结构，10为燃油喷孔，11为换气孔，12为导流结构。
具体实施方式
38.下面结合具体实施例对本发明进行说明。
实施例一
39.如图1所示，一种共享喷油点火的汽油机射流预燃室，包括：主壳体1、空腔套体4、喷油器2、火花塞3、喷油器喷口8、火花塞电极5。空腔套体4设置在主壳体1的下方，空腔套体4与主壳体1上下一体化构成预燃室腔体6。预燃室安装在点燃式内燃机的燃烧室顶部。
40.具体地，空腔套体4为圆柱形，空腔套体4的底部具有空腔套体底部结构9，空腔套体底部结构9为半球状，其横截面为圆形。主壳体1的下端面和空腔套体4围合而成的腔体构成预燃室腔体6。本实施例中，预燃室安装在点燃式内燃机的发动机缸盖上。
41.喷油器2的下端从主壳体1的上方中央穿过主壳体1并伸入到预燃室腔体6中；火花塞3的下端从主壳体1的上方斜向穿过主壳体1并伸入预燃室腔体6中。火花塞电极5设置在火花塞3的下端。喷油器喷口8设置在喷油器2的下端，即只有一个喷油器2在预燃室内中置，
42.空腔套体4上设置有射流喷孔7和换气孔11。
43.具体地，射流喷孔7设置在空腔套体底部结构9的侧面，射流喷孔7的数量为n个其中，n≥4，射流喷孔7关于预燃室的中心轴线对称，并且均匀布置在空腔套体底部结构9的侧面的圆周上。换气孔11设置在空腔套体底部结构9的底部，且换气孔11的数量不受限制，换气孔11的孔径远小于射流喷孔7的孔径。空腔套体4的空腔套体底部结构9内壁上围绕射流喷孔7周围加工有导流结构12。射流喷孔7位于点燃式内燃机的燃烧室内部。
44.本实施例中，射流喷孔7的形状采用圆柱形。在本发明的其他实施例中，射流喷孔7的形状还可以为椭圆形或圆角矩形等。
45.本实施例中，喷油器2采用外开式喷油器，外开式喷油器的锥形喷雾外沿和内沿之间的中轴线与n个射流喷孔7的轴线重合，射流喷孔7的孔径介于锥形喷雾的最大宽度与最小宽度之间。
46.预燃室的圆柱形空腔侧面n个射流喷孔7和底部换气孔11设计参数计算步骤如下：
47.步骤1：空腔套体底部结构9侧面的圆柱形射流喷孔7的角度与喷油器2的喷雾轴线重合，射流喷孔7关于预燃室的中心轴线对称布置。
48.步骤2：由喷油器的相关参数，如喷油器的喷孔直径、喷油压力等，结合预燃室内部压力和主燃烧室压力计算喷雾贯穿距l0和喷雾锥角θ的变化范围，接着由l0和θ可以确定喷油器的喷雾在不同位置处的喷雾宽度l1。
49.步骤3：由于射流孔直径/喷雾宽度比与主燃室所需燃油量/总喷油量比相关，所以根据每循环总燃油量、预燃室/主燃烧室体积和各自的需求燃油量可以确定射流孔直径d，同时要保证射流孔直径d介于喷雾最大宽度和最小宽度之间。进而可以计算得到每个射流孔的横截面积s0。
50.步骤4：预燃室体积为上止点主燃烧容积的1％～2.5％，由此计算得到预燃室体积v。
51.步骤5：预燃室较大的孔径可能导致燃料向主燃烧室迅速流失，从而阻碍了预燃烧室压力的增加，影响喷射；较小的孔径则对扫气不利，提升预燃室内的剩余废气。预燃室内的燃烧效果主要受残余废气率影响，残余废气率由预燃室6上所有孔面积之和a和预燃室6的体积v决定，其中a/v之比优选为在2～4.5之间。由此可以计算得到预燃室6上所有n个射流喷孔n≥4和底部换气小孔面积之和a。
52.步骤6：由预燃室上所有n个射流喷孔7n≥4和底部的换气孔11面积之和a以及每个
射流喷孔7的横截面积s0可计算得到底部换气孔11面积s1。
53.本实施例中，喷雾最大宽度为4mm，射流喷孔7的孔径取3.5mm。
54.具有上述共享喷油点火的汽油机射流预燃室的控制系统，包括喷油控制模块，用于控制所述喷油器2的喷油时刻、喷油脉宽和喷射压力；电子控制系统(ecu)，用于根据所述喷油时刻和所述喷油脉宽计算当前燃油浓度，以计算所述火花塞3的点火时刻；和点火控制模块，用于控制所述火花塞电极5执行点火，实现预燃室内点火。
55.预燃室腔体6内的喷油器进行燃油喷射时，燃油喷雾可以通过n个射流喷孔n≥4引导直接注入到主燃烧室内进行扩散，同时通过射流孔直径和喷雾宽度控制部分燃油存留于预燃室内，完成预燃室内的燃烧过程。具体的控制方法包括以下步骤：
56.s1：打开发动机的进气门或进气口，活塞向下移动，喷油控制模块结合发动机的运行状态和ecu预设的喷油控制谱计算所需的喷油时刻和喷油脉宽，在活塞到达下止点前0～30
°
ca时，向喷油器2发出喷油指令，使预燃室腔体6中的喷油器2喷油，并实时控制预燃室腔体6中喷油器2的喷油时刻和喷油脉宽，将燃油喷雾在进气冲程和压缩冲程中同时注入预燃室和主燃烧室，并使燃油喷雾与新鲜空气混合后在主燃烧室和预燃室中充分扩散。具体地，喷油时刻应在进气冲程活塞到达下止点前0～60
°
ca，保证了主燃室和预燃室压力稳定，实现稳定的喷雾扩散。
57.s2：当活塞到达压缩冲程上止点附近时，喷油控制模块再次向喷油器2发出指令，在预燃室内喷射少量燃油，这部分燃油全部留存于预燃室内用于提升预燃室内的燃油浓度，从而促进射流点火效果。电子控制系统ecu根据喷油时刻和喷油脉宽计算预燃室和主燃烧室的当前燃油浓度当量比，以计算火花塞3的点火时刻，并将点火信号发送至电子控制系统ecu的点火控制模块，点火控制模块控制火花塞电极5执行点火，随后，预燃室腔体6内的可燃混合气体开始燃烧，温度和压力急剧上升，预燃室腔体6内被点燃的混合气会通过射流喷孔7向主燃烧室喷射，形成火焰射流；
58.s3：主燃烧室内的可燃混合气被火焰射流引燃，开始扩散燃烧，实现整个预燃室内的点火、射流和主燃烧室的燃烧过程。实施例二
59.如图2-3所示，本实施例中，与实施例一的区别在于，喷油器2采用n孔电磁式喷油器其中，n≥4，n孔电磁式喷油器具有n个n≥4燃油喷孔10，即燃油喷孔10的数量与射流喷孔7的数量相同。所有n个圆柱形的射流喷孔7的轴线与中置n孔电磁式喷油器的n个燃油喷孔10轴线一一重合。
60.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“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。
61.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。