具体实施方式

如背景技术所述，现有的分层稀薄燃烧方式存在NOx和颗粒物排放高、节油率低、成本高的问题，主要表现在以下方面：

1)分层稀薄燃烧方式虽然整体空燃比很稀，有利于降低NOx排放，但为了稳定燃烧而在火花塞周围形成偏浓的混合气使得前半段燃烧产生的原始NOx浓度高，因此，需要NOx后处理技术来处理NOx；

2)现有三元催化器在稀燃条件下对NOx的转化效率接近零，需要配置NOx稀燃催化器，如LNT(Lean NOx Trap，稀燃NOx搜集器)，这不仅增加了系统成本，而且由于LNT需要通过周期性的加浓燃烧来进行再生，再生过程一方面牺牲油耗，使得稀薄燃烧的节油潜力大打折扣，另一方面也会导致颗粒物排放的大幅上升，这对满足目前世界范围内越来越严苛的颗粒物排放法规带来了新的挑战。

综上所述，为了在节油和降低颗粒物排放的同时，尽可能降低成本，就需要从混合气组织和燃烧方式上入手，解决上述分层稀薄燃烧面临的技术瓶颈，实现综合性能最佳的燃烧系统。

基于此，本发明提供一种高效低NOx和颗粒物排放的均匀混合气稀薄燃烧系统，以解决现有的分层稀薄燃烧面临的NOx原始排放高、需要额外的稀燃催化器问题，并在实现稀燃节油的同时，大幅度降低工业界越来越重视的颗粒物排放。总体而言，是通过位于进气道的低压喷油器和位于燃烧室内的高压喷油器在一个循环内协同工作实现理想的均匀混合气稀薄燃烧模式。相比分层稀燃，由于本发明是均匀混合气稀燃，因此可以将NOx原始排放降低到不需要稀燃催化器的水平，同时，由于燃烧室内形成了整体均匀的稀薄混合气，所以大幅降低了颗粒物排放。

为使本发明的目的、特征更明显易懂，下面结合附图对本发明的技术方案作详细的说明，然而，本发明可以用不同的形式实现，不应只是局限在所述的实施例。

图1是本发明一实施例提供的一种稀薄燃烧系统的结构示意图。请参考图1，一种稀薄燃烧系统，包括燃烧室10、进气结构20、低压喷射系统30、高压喷射系统40、点火系统50、排气结构60和活塞70。

所述活塞70上下活动于所述燃烧室10，优选的，所述活塞70为高压缩比活塞，高压缩比活塞可使得所述燃烧室10的几何压缩比达到12:1以上，从而能够更好地实现稀薄燃烧。

所述进气结构20和所述排气结构60位于所述燃烧室10顶部的两侧，所述进气结构20包括进气道21、进气门22和进气升程机构(未示出)，所述排气结构60包括排气道61、排气门62和排气升程机构(未示出)，进气升程机构和排气升程机构可以连续改变进气门22和排气门62的开启时刻。

所述低压喷射系统30包括低压喷油器31，所述低压喷油器31位于所述进气道21以向所述进气道21喷射燃油(即低压燃油喷雾311)。优选的，所述低压喷油器31的喷射压力不超过10bar。所述低压喷油器31可选用进气道喷射发动机的电磁阀驱动的多孔喷油器，优选的使用孔漩涡型喷油器。

如图1所示，所述低压喷射系统30还可以包括低压油轨32、汽油箱及低压供油模块33，低压喷油器31通过管道与低压油轨32连接，低压油轨32通过管道与汽油箱及低压供油模块33连接，低压油轨32用于存贮燃油，同时抑制汽油箱及低压供油模块33和低压喷油器31喷油产生的压力波动，确保低压喷射系统30压力稳定。

所述高压喷射系统40和所述点火系统50位于所述燃烧室10顶部且位于所述进气结构20和所述排气结构60之间，所述高压喷射系统40包括高压喷油器41，所述高压喷油器41设置在所述燃烧室10的顶部以向所述燃烧室10直接喷射燃油(即高压燃油喷雾411)。优选的，所述高压喷油器10的喷射压力不低于200bar，所述高压喷油器10为两孔喷油器或单孔喷油器。

所述点火系统50包括点火线圈51和火花塞52，所述火花塞52布置在所述燃烧室10顶部且较所述高压喷油器41靠近所述排气结构60，这样就可以把所述高压喷油器41布置在进气侧，否则如果火花塞放在进气侧，所述高压喷油器41就得放在排气侧，而排气侧温度太高，喷油器41无法适应高温。

所述高压喷油器41喷射的燃油(即高压燃油喷雾411)导向靠近所述火花塞52的位置但不与所述火花塞52发生碰撞，图2示出了高压喷油器41为两孔喷油器时的高压直喷燃油喷射示意图，两孔喷油器喷射产生的两束高压燃油喷雾411分别从火花塞52的两侧导向了靠近火花塞52的位置，但不与火花塞52发生碰撞，可确保稀薄燃烧的燃烧稳定性和鲁棒性。可以理解的是，当高压喷油器41为单孔喷油器时，单孔喷油器喷射产生的一束高压燃油喷雾411可从火花塞52的一侧导向靠近火花塞52的位置，但不与火花塞52发生碰撞。

如图1所示，高压喷射系统还包括高压油轨42、高压油泵43，高压喷油器41通过管道与高压油轨42连接，高压油轨42通过管道与高压油泵43连接。高压油泵43通过管道与汽油箱及低压供油模块33连接，从而高压喷射系统40与低压喷射系统30共用一个油箱。高压油轨42用于存贮燃油，同时抑制由于高压油泵43和高压喷油器41喷油产生的压力波动，确保高压喷射系统40压力稳定。

本实施例中，燃烧室10内可形成整体均匀的稀薄混合气，均匀混合气的制备主要由进气道喷射的低压喷射系统30和燃烧室内喷射的高压喷射系统40完成。相比常规缸内直喷汽油机使用的多孔(>4孔)喷油器，本实施例采用了两孔喷油器或单孔喷油器，通过降低燃油喷射的质量，避免了常规多孔喷油器在火花塞周围形成过浓混合气的问题。

基于同一发明构思，本发明一实施例还提供了一种稀薄燃烧发动机，包括多个上述实施例所述的稀薄燃烧系统。具体的，该稀薄燃烧发动机包括至少一个气缸，每个气缸可对应设置上述的稀薄燃烧系统，如此，可在各个气缸内均实现稀薄燃烧。由于所述稀薄燃烧发动机的气缸内可形成均匀稀薄混合气，相比于现有的分层稀薄燃烧发动机，可以将NOx原始排放降低到不需要稀燃催化器的水平，同时，由于缸内形成了整体均匀的稀薄混合气，所以大幅降低了颗粒物排放。

基于同一发明构思，本发明一实施例还提供了一种稀薄燃烧方法，应用于上述实施例所述的稀薄燃烧发动机，由位于进气道的低压喷油器和位于缸内的高压喷油器在一个工作循环内协同工作来实现均匀混合气稀薄燃烧。

图3示出了在发动机整个运行工况图中的稀薄燃烧区域，区域I为中低转速、低负荷工况，区域II为中低转速、中负荷工况，区域III为高转速或高负荷工况。其中均匀混合稀薄燃烧模式主要应用在影响整车油耗最重要的区域I和区域II，而区域III可采用理论空燃比的燃烧方式。以下对这三个区域采取的燃烧策略进行详细说明。

图4示出了在区域I的中低转速、低负荷工况的均匀混合气稀薄燃烧策略，图5示出了在区域II的中低转速、中负荷工况的均匀混合气稀薄燃烧策略。

请参考图4，在区域I的中低转速、低负荷工况下，稀薄燃烧方法为：针对一个工作循环，在进气门打开之前的时间段内通过所述低压喷油器进行进气道低压燃油喷射，在压缩冲程后期、点火时刻之前通过所述高压喷油器进行缸内高压燃油喷射。优选的，所述高压喷油器的喷油结束时刻距离点火开始时刻的时间间隔为0～10度曲轴转角。

如图4所示的进气、燃油和点火策略，低压进气道燃油喷射发生在发动机进气门打开之前的时间段，即闭阀喷射策略，从而确保在点火前有足够的时间形成均匀混合气。高压喷油器的高压喷射时刻发生在压缩冲程后期、靠近点火时刻。高压喷射的喷油结束时刻距离点火时刻的时间间隔定义为Δ(曲轴转角)，Δ一般为0到10度曲轴转角。通过两孔喷油器喷射少量的燃油(小于1.5mg)，保证了在火花塞周围不形成大面积的过浓区，即避免了传统分层稀薄燃烧在火花塞周围形成的大面积过浓区，而导致颗粒物排放和燃烧后半段NOx生成高的问题。同时，由于高压喷油器的喷射压力较大，高速的喷雾提高了火花塞周围的湍流强度，从而加快了初始火焰的传播速度，使得均质稀薄混合气得以稳定燃烧。

请参考图5，在区域II的中低转速、中负荷工况下，稀薄燃烧方法为：针对一个工作循环，在进气门打开之前的时间段内通过所述低压喷油器进行进气道低压燃油喷射，在压缩冲程所述高压喷油器完成至少两次缸内高压燃油喷射，第一次缸内高压燃油喷射发生在压缩冲程后期、靠近点火时刻之前，最后一次缸内高压燃油喷射发生在点火期间或点火之后。优选的，第一次缸内高压燃油喷射结束时刻距离点火开始时刻的时间间隔为0～10度曲轴转角，最后一次缸内高压燃油喷射开始时刻距离点火开始时刻的时间间隔为0～10度曲轴转角。

如图5所示的进气、燃油和点火策略，针对此工况仍然采用均匀混合气稀薄燃烧策略，但和区域I的不同之处在于高压喷油器的喷射策略。进气道的低压喷油器喷射燃油发生在发动机进气门打开之前的时间段，即闭阀喷射策略，从而确保在点火前有足够的时间形成均匀混合气。高压喷油器的高压喷射至少完成两次喷射。第一次高压喷射时刻发生在压缩冲程后期、靠近点火时刻之前，最后一次喷射时刻发生在点火期间或者点火之后。图5示例性的示出了高压喷油器进行两次喷射，第一次高压喷油结束时刻距离点火开始时刻的时间间隔定义为Δ1(曲轴转角)，点火开始时刻到第二次高压喷射开始时刻的时间间隔定义为Δ2(曲轴转角)，Δ1和Δ2一般均为0到10度曲轴转角。在点火之前执行的第一次高压燃油喷射，产生极少的燃油喷射量(约1mg左右)，可减少颗粒物和NOx排放。而对于点火开始(Δ2≤点火脉宽)或点火结束(Δ2>点火脉宽)进行的第二次高压燃油喷射将极少量燃油(约1mg左右)喷射到火花塞间隙的周围，提高了火花塞周围的湍流强度，促进了火核的形成和火焰的传播，稳定了燃烧。

图6和图7示出了在区域III的高转速或高负荷工况的两种均匀混合气稀薄燃烧策略。

请参考图6和图7，在区域III所示的高转速或高负荷工况下，稀薄燃烧方法为：针对一个工作循环，在进气门打开之前的时间段内通过所述低压喷油器进行进气道低压燃油喷射，或在发动机进气门打开之前至进气门打开之后的时间段内通过所述低压喷油器进行进气道低压燃油喷射，在进气冲程通过所述高压喷油器进行缸内高压燃油喷射。

针对区域III采用理论空燃比燃烧模式，进气、燃油和点火控制策略如图6和7所示。根据发动机不同负荷和转速条件下对混合气制备的需求，进气道低压喷油器燃油喷射发生时刻可以在如图6所示的发动机进气门打开之前的时间段，即闭阀喷射策略，或者在如图7所示的进气门打开之前至进气门打开之后的时间段内，即部分开阀喷射、部分闭阀喷射的策略。高压喷油器在进气冲程完成一次高压喷射，燃油喷射质量较区域I和II多。点火时刻以最大热效率为目标，综合考虑爆震等限制因素，通常在压缩冲程上止点前或者后。

基于上述策略，本实施例提供的稀薄燃烧方法，通过位于进气道的低压喷油器喷雾和位于缸内的高压喷油器高压喷雾形成了充分混合的均匀稀薄混合气，并通过在一个循环内合理配置低压喷射和高压喷射的时刻，最终实现高效、低NOx和颗粒物排放的均匀混合气稀薄燃烧。

需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。

在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。