点火方法及发动机与流程

1.本发明涉及发动机技术领域，尤其涉及一种点火方法及发动机。


背景技术：

2.重型气体机日常承担着重载运输工作，因此对于发动机的功率密度和瞬态响应都有较高的要求。
3.传统的点燃式发动机采用单一火花塞点火的方式，火花塞点火的特点是中心点火火焰传播，由于重型发动机的缸径大，火焰传播距离长，同时天然气的分子结构稳定，层流火焰速度低，造成火焰传播到燃烧室边缘的时间长，因此爆震倾向进一步加剧。
4.现有技术中公开了一种基于优化稀薄燃烧的双火花塞异步点火方法，该方法通过双火花塞异步点火能够避免爆震燃烧，使发动机工作稳定性更好，使用寿命更长；同时能够使燃烧更加充分，从而使发动机效率和功率显著提高。但是该方法始终控制主火花塞首先点火，没有考虑具体的燃烧系统和火花塞形式，不能充分发挥双火花塞系统降低爆震的作用。
5.因此，亟需一种点火方法及发动机，以解决上述技术问题。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提出一种点火方法及发动机，能够实现充分降低爆震的目的。
7.为达此目的，本发明采用以下技术方案：
8.点火方法，应用于发动机燃烧系统，发动机燃烧系统包括：
9.气缸盖，所述气缸盖设置有两个进气道和两个排气道；
10.活塞，所述气缸盖的内壁与所述活塞的端面形成有主燃烧室，所述主燃烧室具有多个爆震区域，多个爆震区域中至少有一个为高频爆震区域，所述高频爆震区域基于仿真和可视化试验的结果确定；
11.主火花结构，所述主火花结构设置于所述气缸盖内壁的中心处，所述主火花结构伸入所述主燃烧室的一端设置有多个喷孔，至少一个所述喷孔射流朝向所述高频爆震区域，所述主火花结构包括壳体和主火花塞，所述壳体的内腔形成预燃烧室，所述喷孔设置于所述壳体，所述主火花塞设置于所述预燃烧室内；
12.副火花塞，所述副火花塞设置于所述主火花塞的一侧，且所述副火花塞设置于所述排气道和所述进气道之间。
13.所述方法包括：
14.确定燃烧系统产生爆震；
15.根据发动机的转速和发动机的扭矩确定多个爆震区域中至少一个作为高频爆震区域；所述爆震区域至少包括两个第一爆震区域、三个第二爆震区域和三个第三爆震区域，所述第二爆震区域中心与所述主火花塞中心的距离大于所述进气道任一点与所述主火花塞中心的距离，每个所述进气道远离所述主火花塞的一侧均设置有一所述第二爆震区域，
两个设置于所述进气道远离所述主火花塞一侧的第二爆震区域之间设置有一所述第二爆震区域，所述第三爆震区域中心与所述主火花塞中心的距离大于所述排气道任一点与所述主火花塞中心的距离，每个所述排气道远离所述主火花塞的一侧均设置有一所述第三爆震区域，两个设置于所述排气道远离所述主火花塞一侧第三爆震区域之间设置有一所述第三爆震区域，所述第一爆震区域设置于所述第二爆震区域与所述第三爆震区域之间，所述第一爆震区域中心与所述主火花塞中心的距离大于所述副火花塞任一点与所述主火花塞中心的距离，且所述副火花塞背离所述主火花塞的一侧设置有一第一爆震区域；
16.根据确定的高频爆震区域确定主火花塞和副火花塞的点火时序。
17.作为上述点火方法的一种优选技术方案，根据发动机的转速和发动机的扭矩确定多个爆震区域中至少一个作为高频爆震区域，包括：
18.获取发动机的实际转速和发动机的实际扭矩；
19.基于发动机的转速、发动机的扭矩和爆震区域之间的对应关系，查询与发动机的实际转速和发动机的实际扭矩所对应的爆震区域，并将查询到的爆震区域作为所述高频爆震区域。
20.作为上述点火方法的一种优选技术方案，根据确定的高频爆震区域确定主火花塞和副火花塞点火的时序包括：
21.若第三爆震区域为高频爆震区域，则主火花塞先点火，副火花塞延迟点火。
22.作为上述点火方法的一种优选技术方案，根据确定的高频爆震区域确定主火花塞和副火花塞点火的时序包括：
23.若第一爆震区域为高频爆震区域，则副火花塞先点火，主火花塞延迟点火。
24.作为上述点火方法的一种优选技术方案，根据确定的高频爆震区域确定主火花塞和副火花塞点火的时序包括：
25.若第二爆震区域为高频爆震区域，则主火花塞和副火花塞同时点火。
26.作为上述点火方法的一种优选技术方案，所述喷孔的射流路径与所述气缸盖的内侧壁平行。
27.作为上述点火方法的一种优选技术方案，所述喷孔的射流路径与所述活塞的倾斜侧壁平行。
28.作为上述点火方法的一种优选技术方案，所述主火花结构至少设置有一个喷孔射流朝向位于所述排气道远离所述主火花塞的一侧的爆震区域。
29.本发明实施例还提供了一种发动机，包括气缸体和发动机燃烧系统，所述气缸盖连接于所述气缸体，该发动机应用上述任一项所述点火方法进行工作。本发明有益效果：
30.本发明提供的系统及方法中，火花塞的点火时序与高频爆震区域相对应，高频爆震区域首先点火并使火焰传播尽早通过，这样减小了主燃烧室边缘末端混合气的自燃，进而减小了爆震倾向。
31.发动机燃烧系统包括气缸盖、活塞、主火花结构和副火花塞，其中气缸盖设置有两个进气道和两个排气道；进气道设置有进气门，排气道设置有排气门。气缸盖的内壁与活塞的端面形成有主燃烧室，燃烧室具有多个爆震区域；主火花结构设置于气缸盖内壁的中心处，主火花结构伸入主燃烧室的一端设置有多个喷孔，至少一个喷孔射流朝向高频爆震区域，主火花结构包括壳体和主火花塞，其中壳体内腔形成预燃烧室，喷孔设置于壳体，主火
花塞位于预燃烧室内，具体设置于预燃烧室的中上部；副火花塞设置于主火花塞的一侧，且副火花塞设置于排气道和进气道之间。由于主火花结构具有预燃烧室，而预燃烧室在高负荷时具有明显的降爆震作用；另外，由于喷孔射流朝向高频爆震区域，而排气道处对应的爆震区域产生爆震的概率高，这样也能够降低爆震。
附图说明
32.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对本发明实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据本发明实施例的内容和这些附图获得其他的附图。
33.图1为本发明实施例提供的气缸盖的结构示意图；
34.图2为本发明实施例提供的主火花塞的布置示意图；
35.图3为本发明实施例提供的发动机燃烧系统的a-a处的剖视图；
36.图4为本发明实施例提供的主火花结构的剖视图；
37.图5为本发明实施例提供的主燃烧室划分的爆震区域；
38.图6为本发明实施例提供的点火方法的流程示意图。
39.图中：
40.1、气缸盖；2、活塞；3、主火花结构；31、壳体；311、预燃烧腔室；312、喷孔；32、主火花塞；4、副火花塞；5、进气道；6、排气道；7、进气门；8、排气门。
具体实施方式
41.下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
42.在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
43.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
44.在本实施例的描述中，术语“上”、“下”、“右”、等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。
45.本发明提供了一种点火方法以及发动机，能够减小爆震倾向。
46.本发明提供的点火方法，应用于发动机燃烧系统，具体地，如图1至图4所示，发动机燃烧系统包括气缸盖1、活塞2、主火花结构3和副火花塞4，其中气缸盖1设置有两个进气道5和两个排气道6；进气道5设置有进气门7，排气道6设置有排气门8。气缸盖1的内壁与活塞2的端面形成有主燃烧室，主燃烧室具有多个爆震区域，多个爆震区域中至少有一个为高频爆震区域；主火花结构3设置于气缸盖1内壁的中心处，主火花结构3伸入主燃烧室的一端设置有多个喷孔312，至少一个喷孔312射流朝向高频爆震区域，主火花结构3包括壳体31和主火花塞32，其中壳体31内腔形成预燃烧室，喷孔312设置于壳体31，主火花塞32位于预燃烧室内，主火花塞32具体设置于预燃烧室的中上部；副火花塞4设置于主火花塞32的至少一侧，且副火花塞4设置于排气道6和进气道5之间。由于主火花结构3具有预燃烧室，而预燃烧室在高负荷时具有明显的降爆震作用；另外，由于喷孔312射流朝向高频爆震区域，而排气道6处对应的爆震区域产生爆震的概率高，这样也能够降低爆震。
47.具体地，在本实施例中，副火花塞4的数量为一个，该副火花塞4设置于于主火花塞32的一侧。在其他实施例中，副火花塞4的数量还可为两个，其中主火花塞32的两侧分别设置有一副火花塞4，每个排气道6和进气道5之间均设置有一副火花塞4，两个副火花塞4的设置能够进一步降低爆震。
48.如图5所示，主燃烧室被分成八个爆震区域，而高频爆震区域至少为一个，高频爆震区域根据仿真或可视化结果确定；为了能够使八个爆震区域中的高频爆震区域先点火，为此，至少一个喷孔312的射流方向应朝向高频爆震区域。具体而言，喷孔312设置在壳体31位于主燃烧室的部分，喷孔312的数量没有具体限定，具体可根据高频爆震区域位置而设定。壳体31上设置的喷孔312可以非均匀设置。即喷孔312的射流方向应朝向高频爆震区域，而对于高频爆震区域根据仿真或者台架实验得到。主火花结构3至少设置有一个喷孔射流朝向每个所述排气道远离所述主火花塞的一侧设置爆震区域。
49.爆震是末端混合气在火焰传播达到之前产生的自燃现象，自燃比例达到一定数值时，两种火焰传播叠加产生冲击波，进而在主燃烧室发生压力震荡。因此，爆震的发生和缸内的流场、火焰传播的情况和缸内热点等存在一定的关系，一般来说，排气门受高温排气的冲刷，壁面温度很高，因此热点区域位于排气门附近，如果在热点区域同时存在着适于着火的混合气浓度和流场，则较容易发生自燃。燃烧的可视化和燃烧仿真可以对划分的区域自燃和压力震荡进行识别，如图5所示，a-h各编号对应的爆震区域不同，通常排气道6附近的爆震倾向较高。
50.在本实施例中，确定高负荷工况下易爆震，那么燃烧可视化基于高负荷工况进行试验，而燃烧仿真也是基于高负荷工况进行仿真，仿真时基于转速和扭矩进行。其中高负荷工况包括高速高负荷工况和低速高负荷工况。
51.在本实施例中，如图6所示，发动机点火方法包括：
52.s101、根据发动机的转速和发动机的扭矩确定多个爆震区域中至少一个作为高频爆震区域；爆震区域至少包括两个第一爆震区域、三个第二爆震区域和三个第三爆震区域，第二爆震区域中心与主火花塞32中心的距离大于进气道5任一点与主火花塞32中心的距离，每个进气道5远离主火花塞32的一侧均设置有一第二爆震区域，两个设置于进气道5远离主火花塞32一侧的第二爆震区域之间设置有一第二爆震区域，第三爆震区域中心与主火
花塞32中心的距离大于排气道6任一点与主火花塞32中心的距离，每个排气道6远离主火花塞32的一侧均设置有一第三爆震区域，两个设置于排气道6远离主火花塞32一侧第三爆震区域之间设置有一第三爆震区域，第一爆震区域设置于第二爆震区域与第三爆震区域之间，第一爆震区域中心与主火花塞32中心的距离大于副火花塞4任一点（也即任一位置）与主火花塞32中心的距离，且副火花塞4背离主火花塞32的一侧设置有一个第一爆震区域；
53.s102、根据确定的高频爆震区域确定主火花塞32和副火花塞4的点火时序。
54.本方法中火花塞的点火时序与高频爆震区域相对应，高频爆震区域首先点火并使火焰传播尽早通过，这样减小了主燃烧室边缘末端混合气的自燃，进而减小了爆震倾向。通过先确定高频爆震区域，再根据确定的高频爆震区域确定点火时序，如此可减小爆震倾向。
55.具体地，根据确定的高频爆震区域确定主火花塞32和副火花塞4点火的时序，包括：若第三爆震区域为高频爆震区域，则主火花塞32先点火，副火花塞4延迟点火。
56.如图5所示，主火花塞32先点火且副火花塞4延迟点火的点火时序适用于高频爆震区域位于爆震区域d、爆震区域e、爆震区域f，通过喷孔312射流的分布使火焰尽快抵达主燃烧室边缘，由于喷孔312可以进行非对称设计，因此当判断出爆震区域d、爆震区域e和爆震区域f为高频爆震区域，那么可以调整喷孔312的设计使射流分布朝向这三个区域，并且主火花塞32首先点火，因此射流较早通过高频爆震区域，也即射流较早通过爆震区域d、爆震区域e和爆震区域f，以防止爆震区域d、爆震区域e和爆震区域f发生爆震。副火花塞4位于爆震区域c附近，副火花塞4延迟点火可以减缓由于缸压过早升高从而增强对末端混合气的压缩作用。副火花塞4为两个时，另外一个副火花塞4位于爆震区域g和主火花塞32之间，且位于副火花塞4背离主火花塞32的一侧。
57.继续参考图5，具体地，根据确定的高频爆震区域确定主火花塞32和副火花塞4点火的时序，还包括：若第一爆震区域为高频爆震区域，则副火花塞4先点火，主火花塞32延迟点火。
58.副火花塞4位于爆震区域3和爆震区域7背离主火花塞32的一侧，或副火花塞4位于爆震区域3背离主火花塞32的一侧，因此副火花塞4先点火能够使火焰较早通过判断为高频爆震区域的爆震区域c和爆震区域g。主火花塞32能使射流通过爆震区域d、爆震区域e和爆震区域f，因此，主火花塞32需要延迟点火。通过副火花塞4的点火使主燃烧室边缘的混合气点燃并火焰传播，然后利用射流的分布加快其他区域的燃烧，共同提高了燃烧速度。
59.继续参考图5，具体地，根据确定的高频爆震区域确定主火花塞32和副火花塞4点火的时序，包括：若第二爆震区域为高频爆震区域，则主火花塞32和副火花塞4同时点火。
60.经过可视化或仿真可知爆震区域a、爆震区域b和爆震区域h的爆震倾向实际较低，通过设置主火花塞32和副火花塞4不同的点火时序相对于主火花塞32和副火花塞4同时点火没有明显的效果，此时采用主火花塞32和副火花塞4同时点火大大减轻了标定的工作量；当然，该点火时序还适用的场景是尽管爆震倾向较高，但是通过仿真或可视化分析无法识别出爆震倾向比较突出的区域（即高频爆震区域），即高频爆震区域可能位于几个不同的位置，无法通过主火花塞32和副火花塞4点火的时序优化进一步降低爆震。因此，该状态下可采用主火花塞32和副火花塞4同时点火的方式。
61.进一步地，在本实施例中，继续参考图4，喷孔312的射流路径与气缸盖1的内侧壁平行，或喷孔312的射流路径与活塞2的倾斜侧壁平行。需要说明的是，喷孔312的射流路径
与气缸盖1的内侧壁平行，或喷孔312的射流路径与活塞2的倾斜侧壁平行。可以是喷孔312的射流路径与气缸盖1的内侧壁近似平行，或者喷孔312的射流路径与活塞2的倾斜侧壁近似平行，喷孔312的射流路径能够将主燃烧室分成上下均匀的两部分。例如喷孔312的射流路径与气缸盖1的内侧壁之间的夹角在1
°‑5°
之间，喷孔312的射流路径与活塞2的倾斜侧壁之间的夹角在1
°‑5°
之间。这样能够保证主燃烧室内实现充分燃烧的目的。喷孔312的射流锥角和穹顶式缸盖的形状相对应，与高压缩比活塞形成了一种非常紧凑的燃烧系统。需要说明的是，射流在主燃烧室的分布和喷孔312的设计参数有关，例如主火花塞32的突出高度决定了射流开始喷射的位置，喷孔312锥角决定了射流形成的夹角，高频爆震区域决定了喷孔312数量、喷孔312分布角决定了喷孔312在圆周方向的分布，喷孔312孔径决定了射流的贯穿距，即射流能够达到的距离。而对于主火花塞32的突出高度、喷孔锥角、喷孔数量和分布角根据实际需要设定，在本实施例中没有具体限定。
62.在本实施例中，主火花结构3伸入主燃烧室一端的端面与气缸盖1内壁之间的距离为h，其中h小于主火花塞32的直径。这样可避免主火花塞32伸入主燃烧室内的部分较长而影响燃烧效果，同时还可防止主燃烧室内的火焰传导热量给主火花结构3。
63.在本实施例中，气缸盖1为穹顶式缸盖。穹顶式缸盖具有较大的空间，此时采用主火花塞32射流点火和副火花塞4同时加速主燃烧室的燃烧。同时，由于副火花塞4设置于进气道5和排气道6之间的区域，对于进气道5和排气道6之间可能存在较高爆震倾向的区域，副火花塞4可以明显降低此区域的爆震倾向。
64.在本实施例中，还提供了一种发动机，该发动机包括气缸体和上述所述的发动机燃烧系统，气缸体与气缸盖连接。发动机采用上述点火方法进行工作。
65.由于采用上述点火方法进行工作，故本发明实施例的发动机有上述实施例的所有优点和有益效果，此处不再赘述。
66.此外，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

技术特征：
1.点火方法，应用于发动机燃烧系统，发动机燃烧系统包括：气缸盖(1)，所述气缸盖(1)设置有两个进气道(5)和两个排气道(6)；活塞(2)，所述气缸盖(1)的内壁与所述活塞(2)的端面形成有主燃烧室，所述主燃烧室具有多个爆震区域，多个爆震区域中至少有一个为高频爆震区域，所述高频爆震区域基于仿真和可视化试验的结果确定；主火花结构(3)，所述主火花结构(3)设置于所述气缸盖(1)内壁的中心处，所述主火花结构(3)伸入所述主燃烧室的一端设置有多个喷孔(312)，至少一个所述喷孔(312)射流朝向所述高频爆震区域，所述主火花结构(3)包括壳体(31)和主火花塞(32)，所述壳体(31)的内腔形成预燃烧室，所述喷孔(312)设置于所述壳体(31)，所述主火花塞(32)设置于所述预燃烧室内；副火花塞(4)，所述副火花塞(4)设置于所述主火花塞(32)的一侧，且所述副火花塞(4)设置于所述排气道(6)和所述进气道(5)之间；其特征在于，所述方法包括：确定燃烧系统产生爆震；根据发动机的转速和发动机的扭矩确定多个爆震区域中至少一个作为高频爆震区域；所述爆震区域至少包括两个第一爆震区域、三个第二爆震区域和三个第三爆震区域，所述第二爆震区域中心与所述主火花塞中心的距离大于所述进气道任一点与所述主火花塞中心的距离，每个所述进气道远离所述主火花塞的一侧均设置有一所述第二爆震区域，两个设置于所述进气道远离所述主火花塞一侧的第二爆震区域之间设置有一所述第二爆震区域，所述第三爆震区域中心与所述主火花塞中心的距离大于所述排气道任一点与所述主火花塞中心的距离，每个所述排气道远离所述主火花塞的一侧均设置有一所述第三爆震区域，两个设置于所述排气道远离所述主火花塞一侧第三爆震区域之间设置有一所述第三爆震区域，所述第一爆震区域设置于所述第二爆震区域与所述第三爆震区域之间，所述第一爆震区域中心与所述主火花塞中心的距离大于所述副火花塞任一点与所述主火花塞中心的距离，且所述副火花塞背离所述主火花塞的一侧设置有一第一爆震区域；根据确定的高频爆震区域确定主火花塞和副火花塞的点火时序。2.根据权利要求1所述的点火方法，其特征在于，根据发动机的转速和发动机的扭矩确定多个爆震区域中至少一个作为高频爆震区域，包括：获取发动机的实际转速和发动机的实际扭矩；基于发动机的转速、发动机的扭矩和爆震区域之间的对应关系，查询与发动机的实际转速和发动机的实际扭矩所对应的爆震区域，并将查询到的爆震区域作为所述高频爆震区域。3.根据权利要求1所述的点火方法，其特征在于，根据确定的高频爆震区域确定主火花塞和副火花塞点火的时序包括：若第三爆震区域为高频爆震区域，则主火花塞先点火，副火花塞延迟点火。4.根据权利要求1所述的点火方法，其特征在于，根据确定的高频爆震区域确定主火花塞和副火花塞点火的时序包括：若第一爆震区域为高频爆震区域，则副火花塞先点火，主火花塞延迟点火。5.根据权利要求1所述的点火方法，其特征在于，根据确定的高频爆震区域确定主火花
塞和副火花塞点火的时序包括：若第二爆震区域为高频爆震区域，则主火花塞和副火花塞同时点火。6.根据权利要求1所述的点火方法，其特征在于，所述喷孔(312)的射流路径与所述气缸盖(1)的内侧壁平行。7.根据权利要求1所述的点火方法，其特征在于，所述喷孔(312)的射流路径与所述活塞(2)的倾斜侧壁平行。8.根据权利要求1所述的点火方法，其特征在于，所述主火花结构(3)至少设置有一个喷孔射流朝向位于所述排气道远离所述主火花塞的一侧的爆震区域。9.发动机，包括气缸体和所述发动机燃烧系统，所述气缸盖连接于所述气缸体，其特征在于，应用权利要求1-8任一项所述点火方法进行工作。

技术总结
本发明涉及发动机技术领域，尤其涉及一种点火方法及发动机。点火方法包括：确定燃烧系统产生爆震；根据发动机的转速和发动机的扭矩确定多个爆震区域中至少一个作为高频爆震区域；根据确定的高频爆震区域确定主火花塞和副火花塞的点火时序。本发明提供的系统及方法中，火花塞的点火时序与高频爆震区域相对应，高频爆震区域首先点火并使火焰传播尽早通过，这样减小了主燃烧室边缘末端混合气的自燃，进而减小了爆震倾向。而减小了爆震倾向。而减小了爆震倾向。


技术研发人员：李卫 朱涛 宿兴东 王雪鹏
受保护的技术使用者：潍柴动力股份有限公司
技术研发日：2023.05.16
技术公布日：2023/6/26