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CN114382585B - 主动预燃室燃料供给系统 - Google Patents

主动预燃室燃料供给系统 Download PDF

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CN114382585B CN202011124960.0A CN202011124960A CN114382585B CN 114382585 B CN114382585 B CN 114382585B CN 202011124960 A CN202011124960 A CN 202011124960A CN 114382585 B CN114382585 B CN 114382585B
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Abstract

一种主动预燃室燃料供给系统，包括气缸总成，所述气缸总成包括缸盖、缸体和活塞，所述缸盖、所述缸体和所述活塞组成主燃室，所述主动预燃室燃料供给系统还包括预燃室总成和柱塞气泵总成，所述预燃室总成与所述主燃室连通，所述柱塞气泵总成与所述预燃室总成连通，所述柱塞气泵总成能够主动将空气和燃料混合为混合燃气并输入至所述预燃室总成内。本发明的主动预燃室燃料供给系统通过在预燃室总成上增加柱塞气泵总成，基于与活塞相反的往复行程为预燃室输送混合燃气，安全可靠且效率高。

Description

主动预燃室燃料供给系统
技术领域
本发明涉及汽车发动机技术领域，尤其涉及一种主动预燃室燃料供给系统。
背景技术
随着汽油机技术的发展以及排放法规和油耗法规的日益严格，现有汽油机技术受到了更为严峻的挑战，在提高汽油机的热效率的同时降低燃油消耗一直都是各大厂商追求的目标。
稀薄燃烧和废气再循环(EGR)是提高汽油机热效率的有效途径之一。现有实验数据表明，汽油机若采用过量空气系数(lambda)在1到1.5之间的轻度稀燃，可提高热效率，但由于偏离理论空燃比，无法使用三元催化转化器，需要昂贵的NOx后处理设备才能满足排放法规的要求；汽油机若采用过量空气系数大于1.5的超稀薄燃烧，则能在提高汽油机热效率的同时，不导致过高的NOx排放。另一方面，采用大EGR率混合燃气(EGR率>20％)可降低泵气损失，减轻爆震倾向，提高热效率。
然而，常规火花塞难以点燃超稀薄混合燃气或大EGR率混合燃气，超稀薄混合燃气或大EGR率混合燃气燃烧需要高能点火装置才能满足的使用要求，因此，预燃室技术受到了广泛的关注。
目前最常见的主动式预燃室能够单独加浓预燃室中的混合燃气，且采用常规火花塞就能满足稳定点火要求。混合燃气在预燃室内燃烧后，高温燃烧混合物从预燃室喷入主燃室，快速引燃主燃室中的稀薄混合燃气，随后预燃室喷射点火，在喷孔喷射区域产生多个点火源，实现非常快的燃烧速率。也就是说，主动式预燃室能够一定程度上降低超稀薄燃烧和大EGR率工况的点火难度，提高燃烧速率，克服常规汽油机在超稀薄燃烧和大EGR率下火焰传播速度慢、燃烧循环变动大的缺点。但主动式预燃室在应用于大EGR率混合燃气的情况下效果并不佳，而且主动式预燃室通常采用汽油直喷的方式，直喷方式还存在以下缺点：
1、由于预燃室体积较小，直喷方式会导致燃油撞壁严重，易结焦和生成碳烟；
2、在大EGR率工况下若废气浓度过高，则可能会导致预燃室失火；
3、火花塞处的燃油浓度稳定性较差，导致火焰发展的不确定性增强，发动机循环变动大；
4、直喷后燃油可能在预燃室内气化吸热，使得冷启动更为困难；
若采用对燃油喷射正时和喷射量进行修正调整来克服上述缺点，则会控制逻辑更加复杂，增加了成本。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种针对预燃室直喷辅助加浓方式缺点的主动预燃室燃料供给系统。
本发明的主动预燃室燃料供给系统包括主燃室，主燃室包括缸盖、缸体和活塞，主动预燃室燃料供给系统还包括预燃室总成和柱塞气泵总成，预燃室总成与主燃室连通，柱塞气泵总成与预燃室总成连通，柱塞气泵总成能够将空气和燃料混合为混合燃气并输入至预燃室总成内。柱塞气泵总成包括柱塞气泵驱动器、柱塞气泵杆和柱塞气泵弹簧，柱塞气泵驱动器用于驱动柱塞气泵杆，柱塞气泵弹簧缠设于柱塞气泵杆上，柱塞气泵杆能够在柱塞气泵驱动器的驱动下在柱塞气泵腔体内上下滑动，柱塞气泵总成还包括燃料供给管路总成，燃料供给管路分别与发动机和柱塞气泵腔体连通，燃料供给管路总成包括柱塞气泵管路进气管、空气压缩装置和气化混合装置，柱塞气泵管路进气管的入口端设于发动机空气滤清器和发动机进气管之间，空气压缩装置和气化混合装置通过管路与柱塞气泵管路进气管连通，燃料供给管路总成还包括柱塞气泵进气管，燃料供给管路总成通过柱塞气泵进气管与柱塞气泵总成连通，柱塞气泵进气管与柱塞气泵管路进气管的出口端连通；所述主动预燃室燃料供给系统运行时，所述柱塞气泵杆与所述活塞的上下行方向相反，所述柱塞气泵杆始终与所述活塞沿相反的方向运动，在发动机压缩阶段，所述活塞上行，所述柱塞气泵杆下行；在发动机进气阶段，所述活塞下行，所述柱塞气泵杆上行，当所述柱塞气泵杆处于上止点时，所述活塞则处于最低点，当所述柱塞气泵杆下行至下止点时，所述活塞则处于最高点。
进一步地，预燃室总成包括火花塞和预燃室壳体，火花塞固定在预燃室壳体上，火花塞能够点燃预燃室腔体内的混合燃料，预燃室壳体上设有预燃室喷孔，预燃室总成通过预燃室喷孔与主燃室连通。
进一步地，预燃室腔体与柱塞气泵腔体相连。
进一步地，柱塞气泵杆能够控制柱塞气泵腔体和预燃室腔体连通或阻隔。
进一步地，预燃室壳体上还设有第一台阶和第二台阶，第一台阶与柱塞气泵弹簧的下端相抵并限位柱塞气泵弹簧，第二台阶能够与柱塞气泵杆的下端相抵并限位柱塞气泵杆。
进一步地，当主动预燃室燃料供给系统用于汽油机时，柱塞气泵腔体的直径在1-40mm范围内，柱塞气泵杆的行程在1-40mm范围内；当主动预燃室燃料供给系统用于柴油机时，柱塞气泵腔体的直径在10-500mm范围内，柱塞气泵杆的行程在5-500mm范围内。
进一步地，柱塞气泵驱动器驱动柱塞气泵杆的频率与活塞驱动发动机曲轴的频率之比为1：1。
综上，本发明的主动预燃室燃料供给系统通过在预燃室总成上增加柱塞气泵总成，基于与活塞相反的往复行程为预燃室输送混合燃气，安全可靠且效率高。预燃室腔体内的混合燃气采用了预混的方式，更易保证预燃室点火位置的当量比，同时避免出现混合气过浓所导致的结焦和碳烟生成和点火位置混合气过稀所导致的失火。预燃室外制备混合气，实现了预燃室气体组分与主燃室气体组分的部分解耦，可解决高EGR率工况下残余废气比例过高导致的失火问题。另外，由于本发明中的高压混合燃气是现用现制的，一方面省去了高压储气装置，降低了成本，降低了高压混合燃气泄露的风险，另一方面由于压缩后混合燃气温度会升高，在提高点火稳定性的同时还降低了冷启动的难度。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
附图说明
图1为本发明提供的主动预燃室燃料供给系统的示意图。
图2为本发明提供的燃料供给管路总成的示意图。
图3为本发明提供的柱塞气泵杆处于上止点时的示意图。
图4为本发明提供的柱塞气泵杆处于下止点时的示意图。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对本发明详细说明如下。
请参阅图1，本发明的主动预燃室燃料供给系统包括气缸总成10、预燃室总成20和柱塞气泵总成30，气缸总成10内包括主燃室16，主燃室16包括缸盖11、缸体14和活塞13，气缸总成10还包括进气门15和排气门12，分别用于进气和排气，柱塞气泵总成30包括燃料供给管路总成，燃料供给管路分别与发动机和柱塞气泵腔体301连通，预燃室总成20与主燃室16连通，柱塞气泵总成30与预燃室总成20连通。
进一步地，柱塞气泵总成30包括柱塞气泵驱动器31、柱塞气泵杆32和柱塞气泵弹簧33，柱塞气泵驱动器31用于驱动柱塞气泵杆32，柱塞气泵弹簧33缠设于柱塞气泵杆32上，柱塞气泵杆32能够在柱塞气泵驱动器31的驱动下在柱塞气泵腔体301内上下往复滑动。在本实施例中，柱塞气泵杆32还包括柱塞气泵活塞34，柱塞气泵活塞34硬连接于柱塞气泵杆32的底端并被柱塞气泵杆32直接驱动，能够在柱塞气泵驱动器31的驱动下在柱塞气泵腔体301内上下往复滑动，柱塞气泵驱动器31为安装在气门凸轮轴上的凸轮结构，柱塞气泵驱动器31驱动柱塞气泵杆32的频率与活塞13驱动发动机曲轴的频率之比为1：2，也就是说，每当发动机曲轴转两圈，柱塞气泵驱动器31就转一圈。在其他实施例中，柱塞气泵驱动器31驱动柱塞气泵杆32的频率与活塞13驱动发动机曲轴的频率之比也可以为1:1或2:1，只要保证柱塞气泵杆32始终与活塞13沿相反的方向运动或保持静止即可，柱塞气泵驱动器31可以安装在与气门凸轮轴无关的独立凸轮轴上，若有需要，柱塞气泵驱动器31也可以为电动机构、电磁机构或是曲柄连杆机构，只要能够以固定频率往复驱动柱塞气泵杆32即可。
进一步地，预燃室总成20包括火花塞21和预燃室壳体22，火花塞21固定在预燃室壳体22上，火花塞21能够点燃预燃室腔体221内的混合燃料，预燃室壳体22上设有预燃室喷孔222，预燃室总成20通过预燃室喷孔222与主燃室16连通，柱塞气泵腔体301位于预燃室壳体22内，柱塞气泵杆32能够控制柱塞气泵腔体301和预燃室腔体221连通或阻隔，柱塞气泵腔体301为圆柱形。在本实施例中，预燃室壳体22为倒圆锥形，也可根据缸体14的实际需要进行设计和布置，预燃室喷孔222设于预燃室壳体22的底部，多个预燃室喷孔222沿预燃室壳体22的轴线均匀布置，火花塞21设于预燃室壳体22顶部的一侧，而另一侧则设置有柱塞气泵总成30，此种缸体14、火花塞21和柱塞气泵总成30之间的安装夹角仅为示例，柱塞气泵可处于相对于缸体14和火花塞21安装于任意合理的角度上。
进一步地，预燃室壳体22上还设有第一台阶223和第二台阶224，第一台阶223与柱塞气泵弹簧33的下端相抵并限位柱塞气泵弹簧33，第二台阶224能够与柱塞气泵杆32的下端相抵并限位柱塞气泵杆32。在本实施例中，第一台阶223设于预燃室壳体22的外壁上，第二台阶224设于预燃室壳体22内壁上相对内侧，第一台阶223和第二台阶224的位置实质上限制了柱塞气泵腔体301的高度。
请一并参阅图2，进一步地，柱塞气泵总成30包括燃料供给管路总成，燃料供给管路分别与发动机和柱塞气泵腔体301连通，燃料供给管路总成包括柱塞气泵管路进气管41、空气压缩装置42、气化混合装置43和柱塞气泵进气管35，柱塞气泵管路进气管41的入口端设于发动机空气滤清器51和发动机进气管52(图仅示意)之间，空气压缩装置42和气化混合装置43通过管路与柱塞气泵管路进气管41连通，燃料供给管路总成通过柱塞气泵进气管35与柱塞气泵总成30连通，柱塞气泵进气管35与柱塞气泵管路进气管41的出口端连通。在本实施例中，柱塞气泵管路进气管41的入口端，即取气位置设置在发动机空气滤清器后，目的是为了使进入柱塞气泵的新鲜空气不受EGR的影响，空气压缩装置42优选电动柱塞泵或罗茨泵，因为所需要的气量较少且压缩比较低，电动泵控制灵活且布置方便，若有需求也可次选曲轴驱动的机械泵；气化混合装置43的供油方式优选PFI电控喷油器供油，因为其油量控制灵活且精确，结构简单，可靠性高，若有需求也可次选化油器供油；气化混合装置43的内部混合装置优选钢球充填混合，因为该方式结构简单，可靠性高，若有需求也可次选网孔混合；气化混合装置43的加热方式优选电加热，因为该装置可加快冷启动时燃料的蒸发，提高混合燃气温度进而降低冷启动难度，若有需求也可根据使用环境不安装电加热的相关装置，采用其他加热方式。本实施例的空气压缩装置42的压缩比在1.5-2.5范围内；通过气化混合装置43制备的混合燃气的过量空气系数在0.6～2.2范围内；
请一并参阅图3和图4，具体地，本发明的主动预燃室燃料供给系统运行时，柱塞气泵杆32与活塞13的上下行方向是相反的，柱塞气泵杆32始终与活塞13沿相反的方向运动，在发动机压缩阶段，活塞13上行，柱塞气泵杆32下行；在发动机进气阶段，活塞13下行，柱塞气泵杆32上行；而在发动机做功行程和排气行程，也可根据实际设计的需要使柱塞气泵杆32静止或保持与主燃室16活塞13相反方向的运动。流入燃料供给管路总成的新鲜空气首先通过空气压缩装置42按恒定压比预增压，再通过气化混合装置43将燃油与新鲜空气按所需的空燃比充分混合，最后经由柱塞气泵进气管35输入至柱塞气泵腔体301内。本发明的主动预燃室燃料供给系统若用于车用汽油机，则柱塞气泵腔体301直径在1-40mm范围内，柱塞气泵杆32的行程在1-40mm范围内；若用于柴油机，则柱塞气泵腔体301直径在5-500mm范围内，柱塞气泵杆32的行程在10-500mm范围内。
请着重参阅图3，当柱塞气泵处于上止点时，活塞13则处于最低点，柱塞气泵管路进气管41通过柱塞泵腔体与预燃室腔体221相通，被空气压缩装置42和气化混合装置43混合完毕的混合燃气能够通过柱塞气泵进气管35进入柱塞气泵腔体301和预燃室腔体221内。
当柱塞气泵驱动器31驱动柱塞气泵杆32逐步下行时，混合燃气在柱塞气泵腔体301和预燃室腔体221内流通，同时也被逐步压入预燃室腔体221内，预燃室腔体221内的混合燃气被加压加温。
请着重参阅图4，当柱塞气泵杆32下行至下止点时，活塞13则处于最高点，柱塞气泵杆32与预燃室壳体22上的第二台阶224相抵，柱塞气泵杆32将柱塞气泵腔体301与预燃室腔体221隔断，防止预燃室内混合燃气倒流。此时预燃室腔体221的混合燃气被点燃，预燃室内温度升高、压力升高，预燃室内的高温混合物通过预燃室喷孔222高速喷向主燃室16，快速引燃主燃室16内的混合燃气。
综上，本发明的主动预燃室燃料供给系统通过在预燃室总成上增加柱塞气泵总成，基于与活塞相反的往复行程为预燃室输送混合燃气，安全可靠且效率高。预燃室腔体内的混合燃气采用了预混的方式，更易保证预燃室点火位置的当量比，同时避免出现混合气过浓所导致的结焦和碳烟生成和点火位置混合气过稀所导致的失火。预燃室外制备混合气，实现了预燃室气体组分与主燃室气体组分的部分解耦，可解决高EGR率工况下残余废气比例过高导致的失火问题。另外，由于本发明中的高压混合燃气是现用现制的，一方面省去了高压储气装置，降低了成本，降低了高压混合燃气泄露的风险，另一方面由于压缩后混合燃气温度会升高，在提高点火稳定性的同时还降低了冷启动的难度。
以上，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (7)

1.一种主动预燃室燃料供给系统，包括主燃室(16)，所述主燃室(16)包括缸盖(11)、缸体(14)和活塞(13)，其特征在于：所述主动预燃室燃料供给系统还包括预燃室总成(20)和柱塞气泵总成(30)，所述预燃室总成(20)与所述主燃室(16)连通，所述柱塞气泵总成(30)与所述预燃室总成(20)连通，所述柱塞气泵总成(30)能够将空气和燃料混合为混合燃气并输入至所述预燃室总成(20)内，所述柱塞气泵总成(30)包括柱塞气泵驱动器(31)、柱塞气泵杆(32)和柱塞气泵弹簧(33)，所述柱塞气泵驱动器(31)用于驱动所述柱塞气泵杆(32)，所述柱塞气泵弹簧(33)缠设于所述柱塞气泵杆(32)上，所述柱塞气泵杆(32)能够在所述柱塞气泵驱动器(31)的驱动下在柱塞气泵腔体(301)内上下滑动，所述柱塞气泵总成(30)还包括燃料供给管路总成，所述燃料供给管路分别与发动机和所述柱塞气泵腔体(301)连通，所述燃料供给管路总成包括柱塞气泵管路进气管(41)、空气压缩装置(42)和气化混合装置(43)，所述柱塞气泵管路进气管(41)的入口端设于发动机空气滤清器(51)和发动机进气管(52)之间，所述空气压缩装置(42)和所述气化混合装置(43)通过管路与所述柱塞气泵管路进气管(41)连通，所述燃料供给管路总成还包括柱塞气泵进气管(35)，所述燃料供给管路总成通过所述柱塞气泵进气管(35)与所述柱塞气泵总成(30)连通，所述柱塞气泵进气管(35)与所述柱塞气泵管路进气管(41)的出口端连通；所述主动预燃室燃料供给系统运行时，所述柱塞气泵杆(32)与所述活塞(13)的上下行方向相反，所述柱塞气泵杆(32)始终与所述活塞(13)沿相反的方向运动，在发动机压缩阶段，所述活塞(13)上行，所述柱塞气泵杆(32)下行；在发动机进气阶段，所述活塞(13)下行，所述柱塞气泵杆(32)上行，当所述柱塞气泵杆(32)处于上止点时，所述活塞(13)则处于最低点，当所述柱塞气泵杆(32)下行至下止点时，所述活塞(13)则处于最高点。
2.根据权利要求1所述的主动预燃室燃料供给系统，其特征在于：所述预燃室总成(20)包括火花塞(21)和预燃室壳体(22)，所述火花塞(21)固定在所述预燃室壳体(22)上，所述火花塞(21)能够点燃预燃室腔体(221)内的混合燃料，所述预燃室壳体(22)上设有预燃室喷孔(222)，所述预燃室总成(20)通过所述预燃室喷孔(222)与所述主燃室(16)连通。
3.根据权利要求2所述的主动预燃室燃料供给系统，其特征在于：所述预燃室腔体(221)与所述柱塞气泵腔体(301)相连。
4.根据权利要求3所述的主动预燃室燃料供给系统，其特征在于：所述柱塞气泵杆(32)能够控制所述柱塞气泵腔体(301)和所述预燃室腔体(221)连通或阻隔。
5.根据权利要求2所述的主动预燃室燃料供给系统，其特征在于：所述预燃室壳体(22)上还设有第一台阶(223)和第二台阶(224)，所述第一台阶(223)与所述柱塞气泵弹簧(33)的下端相抵并限位所述柱塞气泵弹簧(33)，所述第二台阶(224)能够与所述柱塞气泵杆(32)的下端相抵并限位所述柱塞气泵杆(32)。
6.根据权利要求1所述的主动预燃室燃料供给系统，其特征在于：当所述主动预燃室燃料供给系统用于汽油机时，所述柱塞气泵腔体(301)的直径在1-40mm范围内，所述柱塞气泵杆(32)的行程在1-40mm范围内；当所述主动预燃室燃料供给系统用于柴油机时，所述柱塞气泵腔体(301)的直径在10-500mm范围内，所述柱塞气泵杆(32)的行程在5-500mm范围内。
7.根据权利要求1所述的主动预燃室燃料供给系统，其特征在于：所述柱塞气泵驱动器(31)驱动所述柱塞气泵杆(32)的频率与所述活塞(13)驱动发动机曲轴的频率之比为1：1。
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