專利名稱：用兩次噴射控制直噴式汽油機(jī)壓縮著火燃燒的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種控制直噴式汽油機(jī)壓縮著火燃燒的方法，特別涉及汽油直噴式發(fā)動機(jī)采用均質(zhì)混合氣壓縮著火燃燒方式工作時(shí)著火時(shí)刻及著火可靠性的控制方法，屬于汽車發(fā)動機(jī)、內(nèi)燃機(jī)燃燒技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
均質(zhì)混合氣壓縮著火(HCCI)燃燒方式可以使汽油機(jī)的燃燒熱效率顯著改善，達(dá)到普通柴油機(jī)的水平，同時(shí)NOx的排放比普通汽油機(jī)降低95％以上，是目前國際上的研究熱點(diǎn)。但實(shí)現(xiàn)這種燃燒方式的主要難點(diǎn)是如何精確控制著火時(shí)刻和燃燒速率，避免失火或粗暴燃燒。目前尚無有效控制技術(shù)措施，極大妨礙了這種新型燃燒方式的實(shí)際應(yīng)用和產(chǎn)品化。
均質(zhì)混合氣壓縮著火(HCCI)燃燒過程主要受化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)的控制，也就是說主要受反應(yīng)溫度和濃度的控制。目前已經(jīng)采用的HCCI燃燒控制方法主要從溫度控制角度考慮，如進(jìn)氣加熱、廢氣再循環(huán)(EGR)、以及提高壓縮比等。但這些方法不但控制精度較低、對工況變化敏感，而且存在響應(yīng)速度慢等問題。
申請者認(rèn)為，由于濃混合氣(過量空氣系數(shù)φa＝0.9～1.0)最容易壓燃，這時(shí)的臨界著火溫度較稀混合氣(φa＞1)時(shí)的要低，因此應(yīng)同時(shí)考慮用可燃混合氣濃度作為HCCI著火時(shí)刻的控制方法，即采用濃稀分層的混合氣，在相同的壓縮終點(diǎn)溫度和壓力下，濃混合氣先發(fā)生自燃著火，由此產(chǎn)生的高溫高壓引起稀混合氣發(fā)生自燃著火。由于形成濃混合氣的時(shí)間可以用兩次噴射的方法控制，因而可以控制著火時(shí)刻，減少失火，控制燃燒速率，避免粗暴燃燒。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種用混合氣濃度控制汽油機(jī)HCCI著火時(shí)刻和提高著火可靠性的方法，通過在缸內(nèi)進(jìn)行兩次燃油噴射，形成濃稀不同的分層混合氣，先使?jié)饣旌蠚庾匀贾?，由此產(chǎn)生的高溫高壓引起稀混合氣自燃著火。調(diào)節(jié)兩次噴油時(shí)刻和比例可以控制分層混合氣形成的時(shí)間和濃度，因而可以調(diào)節(jié)和控制HCCI燃燒的著火時(shí)刻并減少失火。使發(fā)動機(jī)的熱效率和NOx排放同時(shí)得到改善。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種用兩次噴射控制直噴式汽油機(jī)壓縮著火燃燒的方法，其特征在于該方法是在同一工作循環(huán)內(nèi)將燃料分兩次噴入氣缸，具體步驟如下1)在進(jìn)氣過程中進(jìn)行第一次噴射，噴入70％～90％的燃料，使燃料在壓縮上止點(diǎn)時(shí)形成均質(zhì)稀薄混合氣；2)在壓縮過程中進(jìn)行第二次噴射，噴入10％～30％的燃料，在燃燒室凹坑中形成濃混合氣，其過量空氣系數(shù)φa＝0.8～1.1。
由于改變第二次噴射的噴油量和噴油時(shí)刻可以改變濃混合氣區(qū)域的濃度和最易壓燃混合氣形成的時(shí)刻，因而可以有效地控制自燃著火時(shí)刻。同時(shí)，由于分兩個(gè)區(qū)域先后著火，也可以減少粗暴燃燒的發(fā)生。而改變噴油量和噴油時(shí)刻對電控噴油系統(tǒng)是很容易實(shí)現(xiàn)的，與進(jìn)氣加熱、改變壓縮比等HCCI著火控制方法相比，具有時(shí)間響應(yīng)快、著火時(shí)刻控制準(zhǔn)確、簡單易行等特點(diǎn)。由于這種用分層混合氣控制著火的方法可以提高汽油機(jī)HCCI著火的可靠性，因而可用來擴(kuò)大HCCI燃燒運(yùn)行工況范圍，以及提高過渡工況的穩(wěn)定性。實(shí)測NOx排放為0～20ppm，較相同負(fù)荷下汽油機(jī)降低NOx排放95％以上，無碳煙排放，燃油消耗率達(dá)到柴油機(jī)水平。


圖1為汽油直噴式發(fā)動機(jī)燃燒系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本發(fā)明實(shí)施例的著火時(shí)刻隨噴油時(shí)刻變化的試驗(yàn)結(jié)果。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖及具體實(shí)例對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。
具體方案是，在缸內(nèi)直噴式的汽油發(fā)動機(jī)上，將燃料分兩次噴入氣缸。其燃燒系統(tǒng)見圖1，燃燒系統(tǒng)包括活塞頂部帶凹坑的回轉(zhuǎn)形燃燒室1、火花塞2、螺旋進(jìn)氣道3、、高壓旋流噴油器4以及可進(jìn)行多段噴油的電控噴油系統(tǒng)。在HCCI壓燃模式的同一工作循環(huán)內(nèi)中，在進(jìn)氣過程中進(jìn)行第一次噴射，噴入70％～90％的燃料，噴油時(shí)刻為上止點(diǎn)后70～100°，這些燃料在壓縮上止點(diǎn)時(shí)已形成均質(zhì)稀薄混合氣；然后在壓縮過程中進(jìn)行第二次噴射，噴入10％～30％的燃料，噴油時(shí)刻為第一次噴射后的150～200°，由于來不及充分?jǐn)U散并且受燃燒室凹坑的限制，在燃燒室中心區(qū)域形成較濃混合氣。這樣，在壓縮上止點(diǎn)時(shí)，氣缸內(nèi)可燃混合氣形成濃度不同的兩個(gè)區(qū)域，即分層混合氣。當(dāng)活塞壓縮混合氣至上止點(diǎn)附近時(shí)，壓縮產(chǎn)生的高溫高壓低于稀混合氣的臨界著火溫度，但超過了濃混合氣的臨界著火溫度，因而濃混合氣區(qū)域先發(fā)生自燃著火，引起燃燒室內(nèi)溫度和壓力進(jìn)一步迅速升高，極短時(shí)間內(nèi)達(dá)到或超過稀混合氣的臨界著火溫度，引燃稀混合氣區(qū)域的自燃著火，從而完成整個(gè)壓縮著火燃燒過程。
實(shí)施例在一氣缸直徑為95毫米的發(fā)動機(jī)上，保持最常用的渦流進(jìn)氣方式，燃燒室形狀為一深10毫米、徑深比為4的圓筒形凹坑；壓縮比為13，用錐角為30°的高壓漩流傘噴汽油電控噴油器，采用兩次噴射。主要試驗(yàn)條件見下表。根據(jù)電控單元給出的噴油脈沖信號(控制噴油時(shí)刻和噴油量)，使噴油器在進(jìn)氣行程中進(jìn)行第一次噴油，在壓縮行程中進(jìn)行第二次噴油。由此形成混合氣濃稀不同的兩個(gè)區(qū)域，其中濃混合氣主要集中在燃燒室凹坑中，先發(fā)生自燃著火，由此產(chǎn)生的高溫高壓引燃稀混合氣區(qū)域的自燃著火，從而完成整個(gè)壓縮著火燃燒過程。
一般應(yīng)使稀混合氣區(qū)的過量空氣系數(shù)φa＞＞1，而保證濃混合氣區(qū)域φa＝0.8～1.1，這樣就使總過量空氣系數(shù)φa＞1，因而總體上仍然屬稀混合氣。濃混合氣燃燒溫度要高于稀混合氣，因而生成NOx也多一些。為此，在保證可靠的自燃著火前提下，應(yīng)盡量減少濃混合氣所占比重，以保持HCCI燃燒所特有的超低NOx特點(diǎn)。
試驗(yàn)證明，當(dāng)調(diào)節(jié)二次噴油時(shí)刻時(shí)，發(fā)動機(jī)實(shí)際著火時(shí)刻也隨之提前或遲后(見圖2)，二者之間存在良好的線性關(guān)系，說明這種方法可以有效的控制汽油機(jī)HCCI的著火時(shí)刻。這時(shí)發(fā)動機(jī)循環(huán)波動減小，燃燒狀況穩(wěn)定，說明這種方法可以提高汽油機(jī)HCCI的燃燒穩(wěn)定性。實(shí)測NOx排放為0～20ppm，較相同負(fù)荷下汽油機(jī)降低NOx排放95％以上，無碳煙排放，燃油消耗率達(dá)到柴油機(jī)水平，這是典型的HCCI燃燒特征。
實(shí)施工況例

權(quán)利要求
1.一種用兩次噴射控制直噴式汽油機(jī)壓縮著火燃燒的方法，其特征在于該方法是在同一工作循環(huán)內(nèi)將燃料分兩次噴入氣缸，具體步驟如下1)在進(jìn)氣過程中進(jìn)行第一次噴射，噴入70％～90％的燃料，使燃料在壓縮上止點(diǎn)時(shí)形成均質(zhì)稀薄混合氣；2)在壓縮過程中進(jìn)行第二次噴射，噴入10％～30％的燃料，在燃燒室凹坑中形成濃混合氣，其過量空氣系數(shù)φa＝0.8～1.1。
全文摘要
用兩次噴射控制直噴式汽油機(jī)壓縮著火燃燒的方法，該方法通過在缸內(nèi)進(jìn)行兩次燃油噴射，形成濃稀不同的分層混合氣，先使?jié)饣旌蠚庾匀贾穑纱水a(chǎn)生的高溫高壓引起稀混合氣自燃著火。調(diào)節(jié)兩次噴油的時(shí)間和比例可以控制分層混合氣形成的時(shí)間和濃度，因而可以調(diào)節(jié)和控制HCCI燃燒的著火時(shí)刻并減少失火；同時(shí)，由于形成了分區(qū)順序燃燒，因而可以控制燃燒速率，避免粗暴燃燒。本發(fā)明具有時(shí)間響應(yīng)快、著火時(shí)刻控制準(zhǔn)確、簡單易行等特點(diǎn)。在實(shí)際發(fā)動機(jī)上的試驗(yàn)表明，該方法可以提高汽油機(jī)HCCI的燃燒穩(wěn)定性，實(shí)測NOx排放為0～20ppm，較相同負(fù)荷下汽油機(jī)降低NOx排放95％以上，無碳煙排放，燃油消耗率達(dá)到柴油機(jī)水平。
文檔編號F02B17/00GK1603592SQ200410091550
公開日2005年4月6日 申請日期2004年11月19日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月19日
發(fā)明者王建昕, 王志, 帥石金, 王燕軍 申請人:清華大學(xué)