涡轮增压气道喷射汽油机燃烧系统

技术领域

本发明涉及汽车发动机，具体涉及一种涡轮增压气道喷射汽油机燃烧系统。

背景技术

随着油耗法规日益加严，车用汽油机利用涡轮增压实现小型化低速化以提高发动机运行工况负荷来降低整车油耗，已经是行业主流技术趋势。但开发高性能涡轮增压汽油机，相比自然吸气汽油机，需要解决催化剂起燃及低速早燃两大技术难题。

在催化器起燃工况下，一般的涡轮增压汽油机，因其排气门与三元催化转化器之间距离和散热面积比自然吸气发动机大为增加，导致传热损失增大，且排气若流过涡轮将因推动涡轮做功而产生能量损失致使排气热流量进一步降低，因此，其用于催化剂起燃的热流量损失将明显大于自然吸气发动机，导致起燃时间延长，排放恶化。汽油机70%以上的气体排放（特别是HC排放）发生在催化剂起燃之前。因此，采用涡轮增压技术，如何提高排气热流量使催化剂尽快起燃是解决气体排放的关键技术。而汽油机增压之后的另一技术难题，是低速早燃。低速早燃是指缸内燃料燃烧时刻早于点火时刻而导致的压力升高率和最大缸内爆发压力都明显高于正常点火时的现象，频繁发生将导致火花塞电极炸裂、活塞击穿、气门崩裂等毁灭性破坏，由于其一般都发生在低转速大负荷，因此一般称其为低速早燃。开发高性能涡轮增压气道喷射汽油机，降低低速早燃的发生频率是燃烧系统开发需要解决的又一关键技术难题。

对于涡轮增压发动机燃烧系统来说，在排气热流量和抑制低速早燃方面，气道喷射都比缸内直喷的技术难度更大，但气道喷射在成本和供应链成熟度方面均存在优势，且气道喷射汽油机某些工况下的碳烟排放具有明显优势，因此开发高性能低油耗、低排放而又可靠的涡轮增压气道喷射汽油机燃烧系统，具有重要意义。

CN107218161A公开了一种汽油发动机的废气再循环系统，具有：经管路依次连接的EGR混合器、进气中冷器、节气门和发动机本体，节气门通过管路与发动机本体的进气歧管连接；经管路依次连接的预催、主催、排气管路；涡轮机管路与发动机本体的排气歧管连接；EGR管路，第一端与排气系统连通，第二端穿过缸盖中的水套并从缸盖中延伸出来；EGR管路的第二端依次连接EGR中冷器和EGR阀，EGR阀通过管路与EGR混合器连通，可进行两级冷却，省去一个EGR冷却器成本和布置空间。

CN108915914A公开了一种自然吸气汽油机阿特金森循环实现方法，该方法包括：（一）采用高能量点火线圈，点火线圈的点火能量至少为80mJ；（二）在进气歧管上集成EGR稳压腔，EGR系统从排气歧管出口取废气，经EGR系统后进入到EGR稳压腔，废气在EGR稳压腔汇集，并均匀的分配给进气歧管各支管；（三）采用高滚流进气道匹配顶面具有浅坑的活塞；（四）进气凸轮轴为通过可变气门相位系统，进气门相位调整角度为58°曲轴角度，实现进气门延迟关闭，进气凸轮轴的最大延迟关闭角最大为下止点后100°曲轴角度以上，调节发动机有效压缩比。该方法能够有效降低低负荷失火率、抑制高负荷爆震、提高中间负荷热效率、改善全工况燃烧稳定性。

CN209398491U公开了一种能有效拓展汽油压燃高效清洁运行范围的控制系统，双可变气门机构的每个气缸进气口均连接进气总管出气口，进气总管进气口连接压气机；每个气缸排气口均连接排气总管进气口，排气总管排气口连接涡轮机，进气总管设置进气加热器，进气加热器进气口设置进气加热器流量控制阀；进气加热器进气口和排气口之间通过管路并联中冷器，中冷器进气口设置中冷器流量控制阀；进气道低压喷油器、进气温度传感器、缸内直喷高压喷油器、进气加热器、进气加热器流量控制阀、中冷器流量控制阀、EGR单向阀和高压EGR阀均与电子控制单元电连接。该实用新型解决了目前缸内直喷技术存在的颗粒数排放高的问题。

毋庸置疑，上述三份专利文献公开的技术方案都是所属技术领域的一种有益的尝试。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种涡轮增压气道喷射汽油机燃烧系统，能够实现换气过程优化，减少各汽缸直接的相互影响，能够降低气门重叠期的排气干扰，减少缸内残余废气量，提高充气效率和降低爆震倾向，降低各汽缸脉冲排气排出气门后的膨胀容积，从而能够维持更高的排气流速，提高涡轮机的做功能力。

本发明中的一种涡轮增压气道喷射汽油机燃烧系统，包括经管路依次连接的空滤器、压气机、中冷器、节气门、进气歧管以及发动机本体，还包括排气歧管和涡轮机，所述发动机本体具有第一汽缸、第二汽缸、第三汽缸以及第四汽缸，所述排气歧管包括第一排气分管、第二排气分管、第三排气分管、第四排气分管、第一排气合管、第二排气合管以及排气总管；所述第一排气分管的首端与所述第一汽缸连接，所述第四排气分管的首端与所述第四汽缸连接，所述第一排气分管以及第四排气分管的尾端均与所述第一排气合管的首端连接；所述第二排气分管的首端与所述第二汽缸连接，所述第三排气分管的首端与所述第三汽缸连接，所述第二排气分管以及第三排气分管的尾端均与所述第二排气合管的首端连接；所述第一排气合管与所述第二排气合管的尾端与所述排气总管的首端连接，所述排气总管的尾端与所述涡轮机连接。

进一步，还包括三元催化器和旁通管路；所述涡轮机经管路与所述三元催化器连接；所述旁通管路的首端与所述排气总管连接，所述旁通管路的尾端与所述三元催化器连接，所述旁通管路上设置有旁通阀。

进一步，所述旁通阀通过电机驱动，在起燃工况以及低负荷工况下，所述电机驱动旁通阀至全开状态。

进一步，所述排气歧管集成在所述发动机本体的汽缸盖中。

进一步，所述中冷器采用水冷方式。

进一步，所述进气歧管具有四条进气歧管气道，所述发动机本体的汽缸盖上设置有分别与所述第一汽缸、第二汽缸、第三汽缸以及第四汽缸连接的四条高滚流进气道，四条所述进气歧管气道的尾端分别与四条所述高滚流进气道连接，并且各条所述进气歧管气道的尾端内设置有截面控制装置。

进一步，所述发动机本体的活塞采用平坦浅坑型活塞，所述平坦浅坑型活塞的顶面设置有平坦浅坑以及挤流区域，所述平坦浅坑位于所述平坦浅坑型活塞的顶面的中部，所述挤流区域将所述平坦浅坑包围在内，并且所述平坦浅坑向下凹陷于所述挤流区域。

进一步，所述平坦浅坑与所述挤流区域之间设置有过渡圆角，所述平坦浅坑型活塞的顶面还设置有四个气门避让坑，四个所述气门避让坑向下凹陷于所述挤流区域。

进一步，所述发动机本体还包括可变排量机油泵和用于对活塞进行冷却的冷却喷嘴，由所述发动机本体的链轮驱动所述可变排量机油泵，所述可变排量机油泵可根据发动机所处工况调节机油压力；所述可变排量机油泵通过主油道为所述冷却喷嘴提供机油。

本发明的有益效果是：

1、本发明能够实现换气过程优化，本发明工作时先将第一汽缸和第四汽缸的排气汇合以及将第二气缸和第三汽缸的排气汇合，再汇总至排气总管，能够减少各汽缸直接的相互影响，将相邻发火间隔的两缸的排气分开能够降低气门重叠期的排气干扰，减少缸内残余废气量，提高充气效率和降低爆震倾向，各汽缸脉冲排气排出气门后的膨胀容积降低一半，因此其能够维持更高的排气流速，并通过管道的导向进入涡轮机后产生高于传统结构的膨胀比，从而提高涡轮机的做功能力。

2、该涡轮增压气道喷射汽油机燃烧系统基于换气过程优化及缸内气流优化，爆震倾向显著降低，涡轮增压气道喷射汽油机升功率可达到80kW/L，达到当前主流涡轮增压缸内直喷燃烧系统的水平；再加上喷油匹配优化对低速早燃的抑制效果，该涡轮增压气道喷射汽油机燃烧系统的发动机在1500rpm至4500rpm范围内可达到160Nm的升扭矩。

3、基于排气歧管的分支路流动汇总、涡轮机的旁通阀控制、湍流强度优化和喷油匹配优化，本实施例中的燃烧系统排气热流量，比不采用此类技术的涡轮增压气道喷射汽油机提高1倍，同时HC排放降低50%以上。

4、基于换气过程优化、湍流强度优化及喷油匹配的集成优化，低速早燃频率以燃烧循环计，可控制到5ppm以内，而不采用本实施例中技术的涡轮增压气道喷射汽油机，相同BMEP下的低速早燃频率50ppm以上。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为本发明的换气过程布置示意图；

图2为本发明的进气歧管气道与高滚流进气道的截面示意图以及喷油匹配示意图；

图3为本发明的平坦浅坑型活塞的俯视示意图；

图4为本发明的平坦浅坑型活塞的截面示意图；

图5为本发明的可变排量机油泵和冷却喷嘴的工作原理图。

附图中标记如下：

1-空滤器，2-压气机，3-中冷器，4-节气门，5-进气歧管，51-进气歧管气道，52-截面控制装置，6-发动机本体，61-第一汽缸，62-第二汽缸，63-第三汽缸，64-第四汽缸，65-高滚流进气道，66-平坦浅坑型活塞，661-平坦浅坑，662-挤流区域，663-过渡圆角，664-气门避让坑，67-可变排量机油泵，68-主油道，69-冷却喷嘴，7-排气歧管，71-第一排气分管，72-第二排气分管，73-第三排气分管，74-第四排气分管，75-第一排气合管，76-第二排气合管，77-排气总管，8-涡轮机，9-三元催化器，10-旁通管路，101-旁通阀。

具体实施方式

如图1~5所示，本实施例中的一种涡轮增压气道喷射汽油机燃烧系统，包括经管路依次连接的空滤器1、压气机2、中冷器3、节气门4、进气歧管5以及发动机本体6，还包括排气歧管7和涡轮机8，发动机本体6具有第一汽缸61、第二汽缸62、第三汽缸63以及第四汽缸64，排气歧管7包括第一排气分管71、第二排气分管72、第三排气分管73、第四排气分管74、第一排气合管75、第二排气合管76以及排气总管77；第一排气分管71的首端与第一汽缸61连接，第四排气分管74的首端与第四汽缸64连接，第一排气分管71以及第四排气分管74的尾端均与第一排气合管75的首端连接；第二排气分管72的首端与第二汽缸62连接，第三排气分管73的首端与第三汽缸63连接，第二排气分管72以及第三排气分管73的尾端均与第二排气合管76的首端连接；第一排气合管75与第二排气合管76的尾端与排气总管77的首端连接，排气总管77的尾端与涡轮机8连接。本实施例能够实现换气过程优化：整个换气过程中，在发动机本体6的泵吸作用下，空气通过空滤器1进入压气机2，压气机2压缩后通过中冷器3对压缩后的高温气体进行冷却，然后气体通过节气门4和进气歧管5分配至发动机本体6的各个汽缸中。做功完成后，排气通过排气歧管7导入涡轮机8，涡轮机8做功后的能量通过涡轮机8与压气机2之间的连接轴传递给压气机2，用于对进气进行压缩以提高进气压力。传统发动机本体6是将四个汽缸的排气是直接汇总至一条管路，而本实施例中是先将第一汽缸61和第四汽缸64的排气汇合以及将第二气缸和第三汽缸63的排气汇合，再汇总至排气总管77，能够减少各汽缸直接的相互影响，将相邻发火间隔的两缸的排气分开能够降低气门重叠期的排气干扰，减少缸内残余废气量，提高充气效率和降低爆震倾向，各汽缸脉冲排气排出气门后的膨胀容积降低一半，因此其能够维持更高的排气流速，并通过管道的导向进入涡轮机8后产生高于传统结构的膨胀比，从而提高涡轮机8的做功能力。

本实施例中，还包括三元催化器9和旁通管路10；涡轮机8经管路与三元催化器9连接；旁通管路10的首端与排气总管77连接，旁通管路10的尾端与三元催化器9连接，旁通管路10上设置有旁通阀101。在本实施例中，旁通阀101通过电机驱动，在起燃工况以及低负荷工况下，电机驱动旁通阀101至全开状态。本实施例能够进一步实现换气过程优化：由于排气经过涡轮机8后将会有一部分能量转化为机械能而导致排气温度下降，并且排气与涡轮机8接触时间增加而传热增加导致排气温度下降，同时在起燃工况以及低负荷工况，发动机本体6需求的进气歧管5压力低，不需要涡轮机8提供增压压力，此时需要将高温排气通过涡轮旁通阀101直接旁通到三元催化器9中，以减小泵气损失而降低油耗，获得最佳的油耗和排放性能。

本实施例中，排气歧管7集成在发动机本体6的汽缸盖中。利用发动机本体6的冷却液对排气歧管7中的高温排气的冷却作用，减少高速高负荷区域的空燃比加浓量，以提高燃烧效率，从而降低单位功率的耗气量，以便采用更小尺寸的涡轮机8和压气机2，从而获得更高的低速扭矩，改善增压器响应性和抑制低速早燃，并且能够解决此种结构的排气歧管7的法兰面易开裂的问题。

本实施例中，中冷器3采用水冷方式。将中冷器3的阻力损失降低50%，并且在低速大负荷区域的进气温度可比风冷中冷器3降低5至10摄氏度，以降低发动机在相同扭矩下对进气压力的需求，从而控制低速早燃，并降低爆震倾向以改善循环热效率来降低油耗。

本实施例中，进气歧管5具有四条进气歧管气道51，发动机本体6的汽缸盖上设置有分别与第一汽缸61、第二汽缸62、第三汽缸63以及第四汽缸64连接的四条高滚流进气道65，四条进气歧管气道51的尾端分别与四条高滚流进气道65连接，并且各条进气歧管气道51的尾端内设置有截面控制装置52。本实施例中，发动机本体6的活塞采用平坦浅坑型活塞66，平坦浅坑型活塞66的顶面设置有平坦浅坑661以及挤流区域662，平坦浅坑661位于平坦浅坑型活塞66的顶面的中部，挤流区域662将平坦浅坑661包围在内，并且平坦浅坑661向下凹陷于挤流区域662。在本实施例中，平坦浅坑661与挤流区域662之间设置有过渡圆角663，平坦浅坑型活塞66的顶面还设置有四个气门避让坑664，四个气门避让坑664向下凹陷于挤流区域662。本实施例中能够实现汽缸内气流优化以及湍流强度优化，进气歧管气道51的尾端内的截面控制装置52是指可转动阀片，通过控制阀片的转动，能够改变进气歧管气道51的流通面积，以改变进气流速和气流在进气歧管气道51中的分布，以提高进气滚流，以加速小负荷的燃烧速率，降低排放和油耗；截面控制装置52配合高滚流进气道65，能够获取高进气量的同时提升滚流强度，提高燃烧过程的湍流强度；而平坦浅坑型活塞66能够显著地减少缸内滚流在到达上止点前的耗散。在截面控制装置52、高滚流进气道65以及平坦浅坑型活塞66的共同作用下，能够提高燃烧过程的湍流强度，加速燃烧，为获得起燃阶段高排气热流量提供燃烧稳定性保障并同时降低HC排放，降低大负荷区域的增压压力需求而抑制低速早燃。

在本实施例中，高滚流进气道65采用平直型，平直型的高滚流进气道65通过进气道中心线与气门运动方向的夹角β控制，β角越大，高滚流进气道65能产生的滚流越高，而不采用高滚流进气道65局部结构产生高滚流，并通过平坦浅坑型活塞66顶面的浅坑，维持大尺度滚流在压缩上止点之前不被提前压碎而产生耗散，直到活塞接近上止点时才将大尺度滚流压碎，以提高点火时刻的湍流强度，从而降低爆震倾向，提高动力性；这种结构的高滚流进气道65较为平直，能够避免其内部产生油膜堆积而诱发低速早燃。另一方面，该高滚流进气道65能够为优化喷油匹配提供了条件，喷油器采用6孔以上喷油器，以减小喷油粒径，提高雾化性能；喷油器喷出的油束末端的中心基本与平直的高滚流进气道65中心重合，以避免油束湿壁，从而抑制低速早燃，最终能够实现配油匹配优化。

本实施例中，发动机本体6还包括可变排量机油泵67和用于对活塞进行冷却的冷却喷嘴69，由发动机本体6的链轮驱动可变排量机油泵67，可变排量机油泵67可根据发动机所处工况调节机油压力；可变排量机油泵67通过主油道68为冷却喷嘴69提供机油。

综上，本实施例中的涡轮增压气道喷射汽油机燃烧系统具有以下有益效果：

1、该涡轮增压气道喷射汽油机燃烧系统基于换气过程优化及缸内气流优化，爆震倾向显著降低，涡轮增压气道喷射汽油机升功率可达到80kW/L，达到当前主流涡轮增压缸内直喷燃烧系统的水平；再加上喷油匹配优化技术对低速早燃的抑制效果，该涡轮增压气道喷射汽油机燃烧系统的发动机在1500rpm至4500rpm范围内可达到160Nm的升扭矩。

2、基于排气歧管7的分支路流动汇总、涡轮机8的旁通阀101控制、湍流强度优化和喷油匹配优化，本实施例中的燃烧系统排气热流量，比不采用此类技术的涡轮增压气道喷射汽油机提高1倍，同时HC排放降低50%以上。

3、基于换气过程优化、湍流强度优化及喷油匹配的集成优化，低速早燃频率以燃烧循环计，可控制到5ppm以内，而不采用本实施例中技术的涡轮增压气道喷射汽油机，相同BMEP下的低速早燃频率50ppm以上。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。