CN101769195B

CN101769195B - 空间分散式直喷柴油机燃烧系统

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Publication number: CN101769195B
Application number: CN2010101265209A
Authority: CN
Inventors: 高希彦; 郭鹏江
Original assignee: Dalian University of Technology
Current assignee: Dalian University of Technology
Priority date: 2010-03-17
Filing date: 2010-03-17
Publication date: 2011-08-24
Anticipated expiration: 2030-03-17
Also published as: CN101769195A

Abstract

本发明公开了一种空间分散式直喷柴油机燃烧系统及燃烧方法，其属于内燃机混合气的形成和燃烧领域。其特征是包括进气道、喷油器和燃烧室，燃烧室为缩口ω型燃烧室，具体的缩口程度为沿燃烧室侧壁面的切线方向与燃烧室锥形体中心线的夹角为0～30°；其底面设有一个大凸台产生强劲的挤流；燃烧室侧壁上周向设有导向凸弧和小台阶；喷出的油束在壁面撞击区的上边缘在导向凸弧的上方，下边缘在导向凸弧的下方、小台阶的上方，油束经导向凸弧和小台阶的反射后分成上下两部分。此燃烧系统低爆压、快速混合、滞燃期长和低温燃烧，能在柴油机上得到最佳的性能，实现低温预混合燃烧，同时降低柴油机NOx浓度和微粒的排放。

Description

空间分散式直喷柴油机燃烧系统

技术领域

本发明涉及的是一种空间分散式直喷柴油机的燃烧系统与燃烧方式，其属于内燃机混合气的形成与燃烧领域。

背景技术

在传统柴油机中，油束缓慢地吸入周围空气，因着火延迟期很短，所以燃油在与空气充分混合之前就开始燃烧。因此，油束中心区域燃油浓度大，产生碳烟，而在油束外层区域形成理想配比的混合气，产生高NOx浓度的废气。

在喷油时，在靠近火焰前锋的油束核心中存在大量碳烟。在喷油的过程中燃油会连续进入这个浓混合气区，液态燃油或很浓的空燃比混合气与火焰的相互作用，燃油喷到已燃区域，会生成大量的碳烟。较大份额的扩散燃烧会导致较高的碳烟排放。要使这些大量碳烟氧化需要有较高的温度，并供给足够的氧气。

柴油机生成大量NOx主要原因归结为喷雾尖端的混合强度较弱，高浓度的NOx区域在喷流尖端附近，并随着时间的推移向下移动，并且在下游处于高温且分布着NOx浓度极高的区域。这是因为在喷流尖端与周围空气的冲突及混合减少了动量，混合扩散强度也随之降低，从而使依靠周围气体来稀释燃烧气体的混合稀释能力下降。结果是维持在高温的燃烧气体滞留在下游区域，以致于在这非稳态区域NOx大量生成。

改善传统型柴油机燃烧困难的理由是混合气浓度不均匀，在以紊流扩散燃烧为主体的传统型柴油机燃烧的场合，从只有空气存在的区域到只有燃油存在的区域，存在各种浓度的混合气，并且混合气同时存在于NOx和碳粒生成速度较快的区域。这也就成为同时降低NOx和PM较为困难的原因。均质压燃(HCCI)燃烧方式具有降低NOx和碳烟生成量的潜力。但是，在采用HCCI的发动机还有许多问题尚待解决。例如与常规柴油机相比工作区域小，HC和CO排放高，在大负荷过早的喷射引起工作粗暴，燃油喷雾附于气缸套壁面稀释机油等问题。

发明内容

为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供了一种喷束壁面引导的空间分散式双壁面射流直喷柴油机燃烧系统。通过低温燃烧来降低NOx、通过预混合燃烧和“双壁面射流”技术来降低微粒排放，实现了降低NOx和PM的“柴油机两难”解决方案。此燃烧系统所具有的特征是：低爆压、快速混合、滞燃期长和低温燃烧。

本发明的技术方案是：采用引导喷束和分层技术，开发空间分散式“双壁面射流”低排放燃烧系统。采用降低压缩比、控制喷油时刻、“双壁面射流”技术实现低温燃烧降低NOx排放，通过预混合燃烧和“双壁面射流”技术来降低微粒排放。所谓的“双壁面射流”技术，其特征在于：燃烧室壁面上设有导向凸弧和小台阶。多孔喷油器喷出的液态油束，撞击在燃烧室壁面上，经壁面上的导向凸弧和小台阶的反射，形成分层壁面射流，简称“双壁面射流”。

“双壁面射流”燃烧技术的思想是：

(a)喷束引导：这里采用“壁面引导”的方式，即：液态油束撞击到燃烧室壁面，会产生粘附、平摊、反弹、破碎、飞溅等现象。使喷束撞击到壁面后，大份额反射到燃烧室的空间，少部分形成壁面油膜。壁面引导，避免了在传统柴油机油束中心区域燃油浓度大，产生碳烟，而在油束外层区域形成理想配比的混合气，产生高NOx浓度的废气现象。另外，传统的柴油机喷雾尖端的混合强度较弱，在火焰尖端生成高浓度的NOx，采用壁面引导，促进喷雾尖端的混合，使火焰中的流动结构接近稳态喷射火焰的结构。

(b)空间分散：“双壁面射流”技术属于空间分散式空间喷雾的一种。直喷柴油机碳烟生成的一个主要原因是液态燃油或很浓的空燃比混合气与火焰的相互作用，燃油喷到已燃区域，会生成大量的碳烟。较大份额的扩散控制燃烧会导致较高的碳烟排放。采用空间分散的方法可以避免液态燃油与火焰接触方面产生不利的相互作用，改善空气的利用率，提高局部空燃比，降低碳烟排放。

(c)分层技术：壁面反射后的油束能分层混合，快速混合。即，导向凸弧和小台阶分别形成射流，各自占有一定的份额。下面是分层技术独有的特点：

1)反射后的油束能同时分布在燃烧室的挤流区和凹坑区，形成大的喷束涡流，并向较大范围扩展。

2)壁面射流的喷束能卷吸更多的空气，在有限的滞燃期内形成更多的可燃混合气，产生多个着火点，缩短燃烧持续期。

3)在喷束燃烧后，上下两层的喷束与能相互辐射吸收热量，上层喷束中雾化不好的质量大的油滴受离心力的作用能在下层喷束中继续燃烧，下层未完全燃烧产物受活塞逆挤流的作用上升，能在上层喷束中进一步燃烧。

4)喷束中夹带的空气多，则混合气较稀薄，燃料与空气混合更快，因而燃烧持续期缩短，这会产生较高的有效膨胀，结果使发动机效率提高。由于扩散燃烧持续期的缩短使碳粒形成时间缩短而增加了其氧化的时间，从而在膨胀行程中以及扩散燃烧后，碳烟可能会被氧化。

5)分层技术更适用于电控燃油多段喷射技术，若按主喷设计，主喷能通过导向凸弧和小台阶反射的话，那么预喷与后喷，根据活塞与上止点的距离，油束仍能通过导向凸弧反射到燃烧室的空间。

“双壁面射流”燃烧技术的特征是：

1)快速壁面喷射：液态油束撞击燃烧室壁面后，导向凸弧和小台阶都能快速产生壁面射流，实现分层空间雾化，通过喷孔夹角调节上下两层的份额。

2)快速混合：反射可比通常的喷雾分裂微粒化程度更高，同时由于撞击扩散，有望快速形成更均匀的混合气。不仅在预混合燃烧阶段形成均匀混合气，实现油气的快速混合，而且减少扩散燃烧量。上下双层的快速混合，使油束能卷吸更多的空气。

3)快速燃烧：能缩短燃烧持续期，提高热效率。由于扩散燃烧持续期的缩短使碳粒行程时间缩短而增加其氧化时间。

空间分散式燃烧系统的燃烧方法为：

(1)采用降低压缩比的方法降低汽缸压力，实现低爆压燃烧，能降低燃烧最高温度，从而降低NOx排放，降低燃烧噪声。

(2)控制喷油时刻，在上止点附近喷油，利用降低压缩比来增加滞燃期，控制燃烧温度的同时尽可能多的增加预混合燃烧，降低微粒排放。

(3)降低压缩比的同时，燃烧速率降低，燃烧持续期变长，导致油耗率恶化。采用“双壁面射流”燃烧技术弥补了降低压缩比带来的不利影响，因为其具有分层、空间分散、快速混合、快速燃烧的特点，确保了滞燃期，即使在上止点附近喷油，也可以形成均匀的混合气，消除混合气中存在理论配比和富油区，增加预混合燃烧量。即使存在扩散燃烧，将局部燃空当量比控制在低于1.5以下很少产生微粒。

(4)使用缩口型的燃烧室，燃烧室底部设有大凸台，有助于产生更高的涡流混合率。这是因为当活塞在上止点处保持燃烧室内的涡流，并产生强劲的挤流。

(5)选择中等强度的涡流比，可以兼顾低速与高速，强涡流会使高速的燃油过度集中，局部燃空比过高；弱涡流引起低速油气混合能量较弱，降低了油气的混合速率。

通过以上的方法，可以在不增加油耗率的前提下，同时降低直喷柴油机NOx和微粒排放。

本发明的技术解决方案是，本发明是空间分散式直喷柴油机燃烧系统，包括进气道、喷油器和燃烧室，燃烧室为缩口ω型燃烧室，压缩比ε较低，ε＝14～18.5，具体的缩口程度为沿燃烧室侧壁壁面的切线方向与燃烧室锥形体中心线的夹角为0～30°，其底面设有一个大凸台产生强劲的挤流。燃烧室侧壁上周向设有导向凸弧和小台阶。导向凸弧的凸起高度为0.5～3.0mm，小台阶的台阶面的切向尺寸为0.5～3.5mm，台阶面的切向方向与活塞顶平面的夹角为0～50°。导向凸弧和小台阶的位置根据喷油器喷孔夹角、油束锥角、喷油压力和环境压力等参数来确定。所述的喷油器设有多个喷油孔，喷孔数为4～8个，喷孔直径为0.15～0.35mm，喷孔的轴线分布在一个假想的锥面上，该锥面的中心线与燃烧室锥形体的中心线平行，并且该锥面的顶角为120°～165°之间。燃烧室内的涡流比Ω＝1～3，所述的喷油嘴端压力为800～2000bar。

在本发明中，从喷油嘴的喷孔喷出的液态油束，撞击到带有导向凸弧和小台阶的燃烧室侧壁上，形成二次射流，反射回燃烧室的空间，射流是导向凸弧发射产生的，射流是小台阶反射产生的，其作用具有壁面引导、分层混合、空间分散喷雾的特征，能卷吸更多的空气，形成多个着火点，快速燃烧。通过合理的优化，是壁面上形成的油膜量尽可能的少。燃烧室的底面是一个大凸台，在压缩冲程能产生大的挤流。

本发明的有益效果是：采用较低的压缩比，降低爆发压力，降低燃烧最高温度，从而降低NOx排放和燃烧噪声，同时能增加滞燃期。通过“双壁面射流”燃烧技术使油气快速混合，快速燃烧，增加预混合的燃烧量，减少扩散燃烧，这样可以在上止点附近喷油，同样能形成均匀的混合气，消除混合气中存在理论配比和富油区，有利于控制燃烧温度的同时，尽可能的增加预混合燃烧，即低温预混合燃烧，并且能实现分层和空间分散式喷雾混合和燃烧，改善微粒排放。

本发明在不增加油耗和保持原机动力性的前提下，能大幅度地降低柴油机的NOx和微粒排放。本设计在车用增压中冷四缸柴油机上进行了试验研究和优化设计，得到了理想的试验结果。在柴油机扭矩点，烟度为0.4BSU，NOx的浓度为460ppm，油耗率与原机相当，为215g/(Kw.h)；标定点，烟度在0.6BSU，NOx的浓度为360ppm，油耗率为245g/(Kw.h)。接近欧IV的排放放法规。图4是标定点的原机与“双壁面射流”燃烧系统柴油机汽缸压力和瞬时放热率的对比。

附图说明

图1是“双壁面射流”燃烧示意图。

图2为本发明空间分散式直喷柴油机燃烧系统的结构示意图。

图3为本发明的燃烧室示意图。

图4是标定点的原机与“双壁面射流”燃烧系统柴油机汽缸压力和放热率的对比图。

a缸压对比图；b是放热率对比图。

图中：1多孔喷油器；2喷孔；3油束；4导向凸弧；5小台阶；6下层喷束；7上层喷束；8底面；9燃烧室；10下层喷束。

具体实施方式

在图2中，本发明的燃烧系统，其特征是燃烧室9的内壁上周向设置了导向凸弧4和小台阶5，底面8是凸台式(底面8也可以设计成锥形、平底、球面性等型式)。从图2中可以看出，燃烧室9为缩口形，也可以设计成直口型或敞口型。降低压缩比，本发明的空间分散式燃烧系统的压缩比为14～18.5。

本发明的工作过程是：在压缩上止点附近，2～8°CABTDC，多孔喷油器1经喷孔2喷出的喷束3(单次或多次喷射)，以合适的入射角在分裂前以液态形式撞到燃烧室9的壁面，保证油束3在壁面撞击区的上边缘在导向凸弧4的上方，下边缘在小台阶5的上方，也就是说导向凸弧将油束3分成两部分，使反射后的油束分成上下两层，上层喷束7是经导向凸弧4反射形成的油束，下层喷束6是经壁面小台阶5反射形成的油束。反射后的油束分布在燃烧室的挤流区和凹坑区，形成大的喷束涡流，并向较大范围扩展。这样，壁面射流的喷束能卷吸更多的空气，在有限的滞燃期内形成更多的可燃混合气，产生多个着火点，缩短燃烧持续期。在喷束燃烧后，上下两层的喷束6与7能相互辐射吸收热量，层上层喷束7中雾化不好的质量大的油滴受离心力的作用能在下层喷束6中继续燃烧，下层未完全燃烧产物受活塞逆挤流的作用上升，能在上层喷束7中进一步燃烧。另外，反射可比通常的喷雾分裂微粒化程度更高，同时由于撞击扩散，有望快速形成更均匀的混合气。在柴油机实际设计时，导向凸弧4和小台阶5的位置与燃烧室的形状、喷孔大小、喷空夹角、喷油压力、进气涡流比等参数有关，通过合理的设计和优化，能在柴油机上得到最佳的性能，实现低温预混合燃烧，降低柴油机NOx浓度和微粒的排放。

Claims

1.空间分散式直喷柴油机燃烧系统，包括进气道、喷油器和燃烧室，其特征在于：燃烧室为缩口ω型燃烧室，具体的缩口程度为沿燃烧室侧壁面的切线方向与燃烧室锥形体中心线的夹角为0～30°；其底面设有一个凸台产生强劲的挤流；燃烧室侧壁上周向设有导向凸弧和台阶；喷出的油束在壁面撞击区的上边缘在导向凸弧的上方，下边缘在导向凸弧的下方、台阶的上方，油束经导向凸弧和台阶的反射后分成上下两部分；所述的喷油器设有多个喷油孔，喷孔数为4～8个，喷孔直径为0.15～0.35mm，喷孔夹角为120°～165°之间。

2.根据权利要求1所述的空间分散式直喷柴油机燃烧系统，其特征是，所述的导向凸弧的凸起高度为0.5～3.0mm；所述的台阶的台阶面的切向尺寸为0.5～3.5mm，台阶面的切向方向与活塞顶平面的夹角为0～50°。

3.根据权利要求1所述的空间分散式直喷柴油机燃烧系统，其特征是，导向凸弧截面为半圆形或椭圆形。

4.根据权利要求1所述的空间分散式直喷柴油机燃烧系统，其特征是，燃烧系统的压缩比ε较低，ε＝14～18.5。

5.根据权利要求1所述的空间分散式直喷柴油机燃烧系统，其特征是，在压缩上止点附近喷油，喷油提前角为2～8℃ABTDC。

6.根据权利要求1所述的空间分散式直喷柴油机燃烧系统，其特征是，燃烧室内的涡流比Ω＝1～3，所述的喷油嘴端压力为800～2000bar。