[0001] 本发明涉及发动机压燃技术领域， 特别涉及一种发动机及燃料缸内分层压燃方 法。

背景技术

[0002] 5见有的点燃式汽油发动机由于受到爆震的限� �， 压缩比远低于以压燃为主的柴 油发动机。 由于发动机的热效率与压缩比直接相关， 因此现有的汽油发动机的 热效率相对较低。

[0003] 目前汽油发动机主要采用滚流分层， 由于滚流在压缩过程中易于破碎， 保持性 较差， 进气冲程形成的分层混合气体往往不能保持到 点火前， 使得火花塞附近 难于形成稳定适宜的油气混合气， 不利于发挥分层的优势。

发明概述

问题的解决方案

技术解决方案

[0004] 有鉴于此， 本发明提供一种发动机， 能避免在高压缩比情况下， 汽油燃料末端 混合气体自燃而引发的爆震， 提高热效率。

[0005] 一种发动机， 包括气缸、 缸盖、 活塞和喷油器， 所述缸盖设置在所述气缸上， 所述活塞可活动地设置在所述气缸内， 所述缸盖与所述活塞之间形成燃烧室， 所述喷油器设置在所述缸盖上， 所述喷油器用于向所述燃烧室喷入燃料， 所述 缸盖上设有螺旋进气道和排气道， 所述螺旋进气道与所述排气道之间连接有废 气导引道， 所述废气导引道上设有控制废气流量的废气控 制阀， 当所述发动机 在进气冲程时， 使废气和空气经过所述螺旋进气道后形成渦流 混合气体进入所 述气缸的燃烧室。

[0006] 在本发明的实施例中， 所述活塞的端面位于所述燃烧室中， 所述端面向着远离 所述缸盖的方向凹陷。

[0007] 在本发明的实施例中， 所述活塞的端面向着远离所述缸盖的方向凹陷 形成第一 燃烧槽和第二燃烧槽， 所述第一燃烧槽位于所述活塞的中部， 所述第二燃烧槽 沿着所述第一燃烧槽的周向设置。

[0008] 在本发明的实施例中， 所述第二燃烧槽为环形槽且环绕设置在所述第 一燃烧槽 的外围， 所述第二燃烧槽的深度比所述第一燃烧槽的深 度浅。

[0009] 在本发明的实施例中， 所述喷油器沿着所述气缸的轴线设置于所述缸 盖的中部

[0010] 在本发明的实施例中， 所述螺旋进气道内设有第一进气门， 所述缸盖上还设有 切向进气道， 所述切向进气道内设有第二进气门， 所述排气道内设有排气门。

[0011] 在本发明的实施例中， 所述缸盖上还设有预热塞， 所述预热塞靠近所述喷油器 设置。

[0012] 在本发明的实施例中， 所述废气导引道的端部设有引射管， 所述引射管设置在 所述螺旋进气道内， 所述引射管沿着所述螺旋进气道的进气方向设 置。

[0013] 本发明还提供一种燃料缸内分层压燃方法， 应用于上述的发动机， 所述燃料缸 内分层压燃方法包括：

[0014] 在所述发动机进气冲程时， 将废气和空气经过所述螺旋进气道后形成渦流 混合 气体进入所述气缸， 混合气体在渦流惯性作用下将废气和部分空气 甩入靠近所 述气缸侧壁的外围区域；

[0015] 利用所述喷油器在进气冲程时向所述气缸内喷 入燃料， 燃料气化后在渦流惯性 作用下与所述外围区域的废气和空气混合；

[0016] 利用所述喷油器在压缩冲程时向所述气缸内喷 入燃料， 燃料气化后与所述气缸 的中心区域的空气混合； 以及

[0017] 在压缩冲程末期， 所述中心区域的混合气先被压燃形成多个火核 ， 所述多个火 核点燃所述外围区域的混合气体。

[0018] 在本发明的实施例中， 当所述发动机处于压缩冲程时， 利用所述活塞的端面上 的第一燃烧槽将燃料限制在所述气缸的中心区 域。

[0019] 在本发明的实施例中， 当所述发动机处于冷起动低温工况时， 利用预热塞对所 述气缸内的工质进行预热。

[0020] 在本发明的实施例中， 当所述发动机处于低速、 低负荷工况时， 控制所述废气 控制阀的开度小于

所述废气控制阀完全开打时的开度， 并控制所述喷油器在进气冲程时单次喷射 燃料。

[0021] 在本发明的实施例中， 当所述发动机处于低速、 大负荷工况时， 控制所述废气 控制阀的开度小于

1/^

所述废气控制阀完全开打时的开度， 并控制所述喷油器在进气冲程时多次喷射 燃料。

[0022] 在本发明的实施例中， 当所述发动机处于中速、 低负荷工况时， 控制所述废气 控制阀的开度大于

1/：^

所述废气控制阀完全开打时的开度， 并控制所述喷油器在进气冲程时单次喷射 燃料。

[0023] 在本发明的实施例中， 当所述发动机处于中速、 大负荷工况时， 控制所述废气 控制阀的开度小于

1/2

所述废气控制阀完全开打时的开度， 并控制所述喷油器在进气冲程时多次喷射 燃料。

发明的有益效果

有益效果

[0024] 本发明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， 缸盖与活 塞之间形成燃烧室， 喷油器设置在缸盖上， 喷油器用于向燃烧室喷入燃料， 缸 盖上设有螺旋进气道和排气道， 螺旋进气道与排气道之间连接有废气导引道， 废气导引道上设有控制废气流量的废气控制阀 ， 当发动机在进气冲程时， 使废 气和空气经过螺旋进气道后形成渦流混合气体 进入气缸的燃烧室。 本发明的发 动机能够在对现有汽油燃料不作更改的情况下 ， 避免在高压缩比情况下， 汽油 燃料末端混合气体自燃而引发的强烈爆震。 而且， 较高的压缩比在热效率提高 方面有着显著优势。 此外， 汽油分层压燃的控制方式， 为汽油稀燃等非当量比 燃烧过程的控制提供了一条技术途径。

对附图的简要说明

附图说明

[0025] 图 1是本发明的发动机的局部结构示意图。

[0026] 图 2是本发明的发动机在进气冲程时的结构示意� �。

[0027] 图 3是本发明的发动机在压缩冲程时的结构示意� �。

[0028] 图 4是本发明的燃料缸内分层压燃方法的流程示� �图。

发明实施例

本发明的实施方式

[0029] 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。

[0030] 图 1是本发明的发动机的局部结构示意图。 如图 1所示， 发动机 10包括多组气缸 11、 缸盖 12、 活塞 13和喷油器 14。 本发明的发动机 10为汽油发动机， 发动机 10 的压缩比为 13〜 17 , 高于现有的汽油发动机的压缩比。

[0031] 气缸 11的端部封闭设置， 缸盖 12设置在气缸 11的开口端上。

[0032] 缸盖 12上设有螺旋进气道 121、 切向进气道 （图未示） 和排气道 123。 螺旋进气 道 121、 切向进气道和排气道 123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, 切向进气道内设有控制切 向进气道与燃烧室 101通、 断的第二进气门， 排气道 123内设有控制排气道 123与 燃烧室 101通、 断的排气门 124, 关于第一进气门 122、 第二进气门和排气门 124 的功能和作用请参照现有技术， 此处不再赘述。

[0033] 螺旋进气道 121与排气道 123之间连接有废气导引道 125， 即废气导引道 125的一 端与螺旋进气道 121连通， 废气导引道 125的另一端与排气道 123连通， 废气导引 道 125用于将排气道 123中的部分废气引入螺旋进气道 121中。 废气导引道 125上 设有控制废气流量的废气控制阀 126 , 通过调节废气控制阀 126开度， 控制进入 螺旋进气道 121的废气流量。 在本实施例中， 当发动机 10在进气冲程时， 调节废 气控制阀 126的开度， 使废气进入螺旋进气道 121中， 废气和空气经过螺旋进气 道 121后形成渦流混合气体进入气缸 11。

[0034] 在另一较佳的实施例中， 废气导引道 125的端部设有引射管 （图未示） ， 引射 管设置在螺旋进气道 121内， 引射管沿着螺旋进气道 121的进气方向设置。 引射 管将废气引入螺旋进气道 121的一侧， 有利于增大废气与空气的分层度， 保证后 续燃烧能顺利进行。

[0035] 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， 活塞 13在气缸 11内上下往复移动， 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位于燃烧室 101中， 活塞 13的端面 131向着远罔缸盖 1 2的方向凹陷， 因此活塞 13上凹陷的端面 131可作为小的燃烧室， 优选地， 活塞 1 3的端面 131向着远离缸盖 12的方向凹陷形成第一燃烧槽 102和第二燃烧槽 103， 第一燃烧槽 102位于活塞 13的中部， 第一燃烧槽 102的轴线与活塞 13的轴线重合 ， 第二燃烧槽 103沿着第一燃烧槽 102的周向设置， 即第二燃烧槽 103为环形槽且 环绕设置在第一燃烧槽 102的外围。 而且， 第二燃烧槽 103的深度比第一燃烧槽 1 02的深度浅。 值得一提的是， 气缸 11的燃烧室 101包括靠近气缸 11轴线的中心区 域 101a和靠近气缸 11侧壁的外围区域 101b， 即外围区域 101b环绕中心区域 101a， 其中第一燃烧槽 102位于燃烧室 101的中心区域 101a内， 第二燃烧槽 103位于燃烧 室 101的外围区域 101b内。

[0036] 当发动机 10在进气冲程时， 由螺旋进气道 121形成的渦流混合气体进入气缸 11 ， 废气的密度较大， 在渦流惯性作用下废气和部分空气被甩入靠近 气缸 11侧壁 的外围区域 101b， 由切向进气道输入的空气进入气缸 11的中心区域 101a， 进而在 气缸 11内形成废气、 空气混合气分层现象。 在本实施例中， 当发动机 10在压缩 冲程时， 第一燃烧槽 102和第二燃烧槽 103作为小的燃烧室， 中心区域 101a氧含量 高， 外围区域 101b废气含量高， 废气会抑制化学反应， 随着燃烧室 101压力和温 度瞬速升高， 中心区域 101a的混合气体首先在第一燃烧槽 102上方的区域被压燃 ， 进而形成多个火核， 所述各火核同时点燃外围区域 101b的混合气体。

[0037] 喷油器 14设置在缸盖 12上， 喷油器 14用于向燃烧室 101喷入燃料， 所述燃料例 如为汽油， 但并不此为限。 喷油器 14沿着气缸 11的轴线设置于缸盖 12的中部， 且喷油器 14的喷嘴正对活塞 13的第一燃烧槽 102。 当发动机在压缩冲程时， 喷油 器 14喷出的汽油处于第一燃烧槽 102限定的区域内。 在本实施例中， 缸盖 12上还 设有预热塞， 预热塞靠近喷油器 14设置， 预热塞用于加热燃烧室 101中的工质， 保证燃料能够顺利被压燃。

[0038] 图 2是本发明的发动机在进气冲程时的结构示意� �。 图 3是本发明的发动机在压 缩冲程时的结构示意图。 图 4是本发明的燃料缸内分层压燃方法的流程示� �图。 如图 2、 图 3和图 4所示， 本发明还涉及一种燃料缸内分层压燃方法， 所述方法克 服了传统汽油发动机需要匹配复杂点火系统的 问题， 通过采用较高的压缩比， 在热效率提升方面具有较大潜力。 本发明的燃料缸内分层压燃方法利用上述的 发动机 10, 其步骤包括：

[0039] 步骤一， 在发动机 10进气冲程时， 将废气和空气经过螺旋进气道 121后形成渦 流混合气体进入气缸 11， 混合气体在渦流惯性作用下将废气和部分空气 甩入靠 近气缸 11侧壁的外围区域 101b。

[0040] 具体地， 在发动机 10进气冲程时， 控制第一进气门 122和第二进气门打开， 同 时调节废气控制阀 126的开度， 控制进入螺旋进气道 121的废气量， 废气和空气 经过螺旋进气道 121后形成渦流混合气体进入气缸 11， 废气由于密度较大， 在渦 流惯性作用下将废气和部分空气甩入靠近气缸 11侧壁的外围区域 101b， 切向进 气道输入的空气进入气缸 11的中心区域 101a。

[0041] 步骤二， 利用喷油器 14在进气冲程时向气缸 11内喷入燃料， 燃料气化后在渦流 惯性作用下与外围区域 101b的废气和空气混合。

[0042] 具体地， 在发动机 10进气冲程时， 喷油器 14向气缸 11内喷射汽油燃料， 汽油的 密度相对较高， 在渦流惯性作用下被甩入靠近气缸 11侧壁的外围区域 101b， 并 与废气和空气混合， 实现汽油、 废气、 空气混合气分层。

[0043] 步骤三， 利用喷油器 14在压缩冲程时向气缸 11内喷入燃料， 燃料气化后与气缸 11的中心区域 101a的空气混合。

[0044] 具体地， 在发动机 10压缩冲程时， 喷油器 14向气缸 11内喷入少量汽油燃料， 喷 出的汽油燃料进入活塞 13的第一燃烧槽 102内， 第一燃烧槽 102将汽油燃料限制 在气缸 11的中心区域 101a， 避免汽油燃料扩散到气缸 11的外围区域 101b， 此时汽 油燃料与中心区域 ₁₀ la的空气混合形成较为稳定的混合气。 值得一提的是， 由于 外围区域 101b的渦流混合气体是绕着气缸 11轴线流动， 当活塞 13向着靠近缸盖 1 2的方向移动时， 不会破坏渦流混合气体， 有利于混合气体的分层优势。

[0045] 步骤四， 在压缩冲程末期， 中心区域 101a的混合气先被压燃形成多个火核， 火 核点燃外围区域 101b的混合气体。

[0046] 具体地， 在压缩冲程末期， 气缸 11内的温度和压力升高， 气缸 11的中心区域 10 la的混合气体由于氧气含量充足， 能够率先被压燃形成多个火核， 气缸 11的外围 区域 101b的废气含量多， 废气中氧含量少， 二氧化碳含量多， 二氧化碳不参与 化学反应， 可作为化学反应的抑制剂， 能降低外围区域 101b汽油燃料的化学反 应速率， 此时气缸 11的中心区域 101a处于多点同时着火的状态， 能够作为高能火 源引燃气缸 11的外围区域 101b的混合气体。

[0047] 进一步地， 当发动机 10处于冷起动低温工况时， 利用预热塞对气缸 11内的工质 （空气和燃料的混合气体） 进行预热， 保证燃料能够顺利自然着火。

[0048] 进一步地， 当发动机 10处于低速、 低负荷工况时， 控制废气控制阀 126的开度 小于

废气控制阀 126完全开打时的开度， 并控制喷油器 14在进气冲程时单次喷射燃 料。 在本实施例中， 较小的废气控制阀 126开度能够避免渦流强度过低导致废气 在气缸 11内迅速扩散形成均质废气分布， 有利于燃烧顺利进行。

[0049] 进一步地， 当发动机 10处于低速、 大负荷工况时， 控制废气控制阀 126的开度 小于

废气控制阀 126完全开打时的开度， 并控制喷油器 14在进气冲程时多次喷射燃 料， 优选地， 喷油器 14喷射 2〜 3次燃料， 但不以此为限。

[0050] 进一步地， 当发动机 10处于中速、 低负荷工况时， 控制废气控制阀 126的开度 大于 1/2

废气控制阀 126完全开打时的开度， 并控制喷油器 14在进气冲程时单次喷射燃料

[0051] 进一步地， 当发动机 10处于中速、 大负荷工况时， 控制废气控制阀 126的开度 小于

1/^

废气控制阀 126完全开打时的开度， 并控制喷油器 14在进气冲程时多次喷射燃 料， 优选地， 喷油器 14喷射 2〜 3次燃料， 但不以此为限。

[0052] 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与活塞 13之间形成燃烧室 101， 喷油器 14设置在缸盖 12上， 喷油器 14用 于向燃烧室 101喷入燃料， 缸盖 12上设有螺旋进气道 121和排气道 123 , 螺旋进气 道 121与排气道 123之间连接有废气导引道 125， 废气导引道 125上设有控制废气 流量的废气控制阀 126 , 当发动机 10在进气冲程时， 使废气和空气经过螺旋进气 道 121后形成渦流混合气体进入气缸 11的燃烧室 101。 本发明的发动机 10能够在 对现有汽油燃料不作更改的情况下， 避免在高压缩比情况下， 汽油燃料末端混 合气体自燃而引发的强烈爆震。 而且， 较高的压缩比在热效率提高方面有着显 著优势。 此外， 汽油分层压燃的控制方式， 为汽油稀燃等非当量比燃烧过程的 控制提供了一条技术途径。

[0053] 本发明的发动机 10采用渦流的形式在气缸 11内形成汽油、 废气、 空气混合气分 层， 即利用螺旋进气道 121配合分子量相对更大的废气在气缸 11内形成外围区域 101b氧含量低， 中心区域 101a氧含量高的分层状态。 同时利用废气对化学反应的 抑制作用来控制汽油化学反应速率， 避免在压缩冲程中燃烧室 101的外围区域 10 lb的混合气体先自燃。 而且， 利用气缸 11的中心区域 101a较高的氧气浓度与燃料 形成汽油、 空气混合气体， 保证在高压缩比下能够局部自燃着火， 由于自燃着 火位置发生在气缸 11的中心区域 101a， 与现有汽油发动机末端混合气体自燃导致 的爆震不同， 所述着火区域自燃后能够作为大量独立的高能 火核引燃外围区域 1 01b的混合气体 （汽油、 空气、 废气） 。 [0054] 以上所述仅为本发明的较佳实施例， 并不用以限制本发明， 凡在本发明的精神 和原则之内， 所作的任何修改、 等同替换、 改进等， 均应包含在本发明的保护 范围之内。

工业实用性

[0055] 本发明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， 缸盖与活 塞之间形成燃烧室， 喷油器设置在缸盖上， 喷油器用于向燃烧室喷入燃料， 缸 盖上设有螺旋进气道和排气道， 螺旋进气道与排气道之间连接有废气导引道， 废气导引道上设有控制废气流量的废气控制阀 ， 当发动机在进气冲程时， 使废 气和空气经过螺旋进气道后形成渦流混合气体 进入气缸的燃烧室。 本发明的发 动机能够在对现有汽油燃料不作更改的情况下 ， 避免在高压缩比情况下， 汽油 燃料末端混合气体自燃而引发的强烈爆震。 而且， 较高的压缩比在热效率提高 方面有着显著优势。 此外， 汽油分层压燃的控制方式， 为汽油稀燃等非当量比 燃烧过程的控制提供了一条技术途径。