CN102410097A - 柴油机燃油分段喷射定时与缸内涡流的匹配方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种柴油机缸内燃油分段喷射定时与缸内涡流的匹配方法。通过此方法可以指导进气涡流和燃油分段喷射匹配设计及控制，其核心是使预喷段燃油在涡流的作用下移出主喷区域，旋转到相邻主喷射油束之间的空隙，此时主喷燃油遇到的是同步旋转过来的新鲜空气。因此(1)燃油能更充分地利用缸内空气，从而改善混合气的总体均匀性和提高空气利用率。所以可以增大喷油量，增大发动机功率；或可以降低进气系统要求；或在高原地区空气稀薄、进气量减少的情况下仍能产生较大的功率；(2)预喷燃烧使放热等容度和热效率得到提高，进而提高功率。在现有燃烧系统的基础上通过该方法即可指导燃油分段喷射与缸内涡流的匹配，操作方便，简单易行。

Description

柴油机燃油分段喷射定时与缸内涡流的匹配方法

本发明涉及一种柴油机缸内燃油分段喷射定时与缸内涡流的匹配方法。通过此方法可以指导进气涡流和燃油分段喷射匹配设计及控制，核心是使预喷段燃油在涡流的作用下旋转一定的角度，在主喷射段开始后，预喷段燃油及燃烧产物移出主喷区域旋转到相邻主喷射油束之间的空隙，同时预喷区域以外的新鲜空气旋转到主喷区域，使主喷燃油遇到的仍然是新鲜空气。因此(1)燃油能更充分地利用缸内空气，从而改善混合气的总体均匀性和提高空气利用率；(2)预喷燃烧使放热等容度和热效率得到提高，进而提高功率。

背景技术

柴油机的油气混合过程直接影响着燃烧性能及排放特性。若能使燃油在整个燃烧室空间范围内分布更广，提高空气利用率，减小燃烧室中出现的燃油分布不均，都可以明显改善柴油机的动力性、经济性及排放性能。

虽然柴油机缸内总过量空气系数较大，但是由于柴油机特有的燃油喷射方式和油气混合过程，使得缸内的混合气均匀性较差，存在着局部燃油过浓和过稀的区域，甚至有的区域根本没有燃油。现代柴油机中应用了不同的油、气、室匹配方法来提高发动机动力性能，但这些技术路线并没有完全有效地克服柴油机缸内混合气均匀性差、空气利用率不高的缺陷。为了更好地说明，下面结合附图分别分析几种燃烧系统匹配方法的缺陷。

一种方法是对喷油器进行改进：增加喷孔数，减小喷孔直径。图1和图2是6孔和8孔喷油器喷油油束无涡流情况下在燃烧室内分布情况的俯视图。从图上可以看出，随着喷孔数的增加，区域①的空气通道变窄，燃油分布面积增大，混合气均匀性得到提高，但是空气通道内仍然有空气没有被利用，而且增多孔数会受喷嘴头部的几何尺寸的限制。第二种方法是通过制造缸内涡流，如图3所示，油束在涡流的作用下沿燃烧室周向发生偏转，这在一定程度上扩大了油气混合面积。但是，制造缸内涡流的方法也没有解决空气通道内空气的完全利用问题，因此不能有效提高空气利用率。同时，以上两种方法都是单次喷射，整个燃烧过程中预混燃烧部分的比例受到限制，即速燃期放热量少。而预混合燃烧由于燃烧速度快，使放热过程接近等容放热，预混燃烧的比例大，则放热的等容度提高，在上止点附近燃烧室内迅速达到较高的压力，即图4中曲线2-3段增长，使发动机做功能力增加，热效率提高，功率增大。而以上两种方法由于没有有效提高燃烧放热的等容度，因此无法有效提高热效率和发动机功率。

基于以上分析，本发明提出一种燃油分段喷射与缸内涡流的匹配方法，根据该方法开发的燃烧系统可以通过预喷、主喷和涡流的配合改善缸内混合气均匀性并提高空气利用率；同时，预喷段燃油能够形成快速的预混合燃烧，增加在活塞上止点附近的等容放热比例，即增加等容度，使柴油机热效率得到提高，功率增大。因此具有重大的实用价值。

虽然燃油分段喷射技术已经在上世纪90年代提出，但研究工作都是围绕如何降低发动机有害排放物而展开的，通过燃油分段喷射并与缸内涡流匹配来提高发动机功率的研究还未见报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种燃油分段喷射与缸内涡流的匹配方法，采用该方法优化匹配的燃烧系统，可使预喷段燃油在涡流作用下旋转一定角度，当主喷段燃油喷射开始时，预喷段燃油混合气或燃烧产物处于相邻两主喷油束之间的空气通道内的区域。由于预喷燃油经过旋转离开了原始喷射位置，因此主喷燃油进入燃烧室后能立即与新鲜空气接触，有利于进一步的混合燃烧。该方法使燃烧室内的空气利用率提高，在总的喷油量不变的情况下，由于空气利用率的提高，可以降低进气量的需求，减小进气系统(增压器、中冷器)的体积、重量和成本；在进气量不变的情况下，由于发动机可工作在更低的过量空气系数下，所以可以增大喷油量，增大发动机功率；在高原地区空气稀薄、进气量减少的情况下仍能产生较大的功率。

本发明中，燃油预喷、主喷喷射定时与缸内涡流的匹配是关键。对本发明而言，可以采用电控高压共轨系统等完成燃油分段喷射，燃油分段喷射主要包括预喷和主喷，通过电控系统可以精确控制预喷和主喷的喷射时刻、喷油脉宽。缸内涡流可以利用切向气道、螺旋气道或者导气屏等结构产生，涡流能够使燃油在燃烧室周向发生一定程度的旋转。由于在预喷和主喷之间可以控制不同的时间间隔，在这一时间间隔内，预喷燃油进入气缸受到涡流的吹拂作用，会顺着涡流旋转方向发生偏转。对于某一发动机，缸盖结构确定后，缸内涡流强度也随之确定，若其产生的涡流比过小，则对油束偏转的作用不显著；若涡流比过大，相邻油束会由于偏转过大而发生重叠，造成局部燃油浓度过大，反而恶化发动机燃烧性能。当预喷和主喷的定时与涡流强度匹配得较好时，在主喷开始时，预喷段燃油及混合气或燃烧产物刚好处于相邻主喷油束之间的通道内，而主喷燃油进入气缸后，能立即与新鲜空气混合，则整个燃烧室空间的混合气均匀性和空气利用率便会得到提高。同时，由于预喷燃油喷入气缸后经过充分混合，形成快速的预混合燃烧，此时活塞接近压缩上止点，燃烧放热过程接近于等容放热，提高了实际循环中等容放热比例，从而能够获得更高的热效率，使发动机功率增大、经济性提高。

本发明能在较大涡流比范围内与燃油分段喷射进行匹配，例如现代柴油机多采用的中、低涡流(S_R≤1.5)，同时可采用多种形状燃烧室，例如ω型燃烧室和双卷流(Double Swirl)燃烧室等。

附图说明

图1为6孔喷油器喷油油束在无涡流燃烧室内周向分布示意图。

图2为8孔喷油器喷油油束在无涡流燃烧室内周向分布示意图。

图3为8孔喷油器油束在涡流作用下在燃烧室内周向分布示意图。

图4为柴油机理论循环中混合加热循环的示功图。

图5为8孔喷油器预喷燃油在涡流作用下在燃烧室内周向分布示意图。

图6为8孔喷油器预喷和主喷油束在涡流作用下在燃烧室内周向分布示意图。

图7为预喷、主喷始点以及预喷、主喷持续期说明图。

图8为功率随着预喷油量或预喷持续期的变化示意图。

图9为功率随着预喷始点的变化示意图。

图10为具体实施例中的ω型燃烧室对应喷嘴一个孔的三维模型。

图11为CFD软件中的ω型燃烧室对应喷嘴一个孔的网格模型。

图12为仿真计算得到的缸内涡流比S_R＝0/燃油单次喷射、涡流比S_R＝0.8/燃油单次喷射以及涡流比S_R＝0.8/燃油分段喷射时的指示功率图。

图13为在不同过量空气系数下，缸内涡流比S_R均为0.8/单次喷射和分段喷射时的柴油机指示功率仿真计算结果柱状图。

图14为缸内涡流比S_R均为0.8/燃油单次喷射和分段喷射时的示功图。

图15为缸内涡流比S_R均为0.8/燃油单次喷射和分段喷射时的指示热效率图。

图16为332°CA，燃烧室周向方向上预喷燃油的燃空当量比与油束示意图。

图17为352°CA，燃烧室周向方向上预喷和主喷燃油的燃空当量比与油束示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明：

图5为预喷燃油喷入ω型燃烧室后的周向分布示意图。图中，预喷燃油在涡流作用下在周向沿涡流旋转方向旋转了一定角度，逐渐偏离初始油束位置。图6为主喷油束在喷入燃烧室一段时间后燃油在燃烧室周向分布的示意图，从图上可以看出，当燃油分段喷射控制策略与缸内涡流匹配较好时，预喷燃油正好处于相邻主喷燃油之间的通道内，预喷燃油与主喷燃油不会发生重叠，这时燃油在整个燃烧室内的分布效果相当于喷油器孔数增加了一倍，最终效果是燃油可以更充分地占据整个燃烧室区域与空气进行混合，因此提高了缸内空气的利用率。

首先，对发动机有关参数名称进行说明和定义。发动机转速为n(r/min)，涡流比为S_R(S_R＝n_s/n，n_s为缸内涡流转速，单位为r/min)。喷油器喷孔数为m，喷雾锥角为θ(°)，相邻油束的空气通道夹角为θ₀(°)。在涡流作用下，预喷油束前端旋转角度定义为θ′(°)，预喷油束末端旋转角度定义为θ″(°)，如图6所示。分段喷射的有关参数：预喷始点为A(°CA)，预喷持续期为θ_{p_dur}(°CA)，主喷始点为B(°CA)，主喷持续期为θ_{m_dur}(°CA)，如图7所示。

(一)预喷、主喷始点的间隔范围及预喷最大持续期的确定：

当涡流比一定时，燃油分段喷射的匹配需要满足以下两方面的约束：

(1)若预喷与主喷间隔过大，则预喷燃油在涡流作用下偏转角度过大，会与相邻喷孔的主喷燃油重叠，造成局部燃油浓度升高，因此预喷雾注前端旋转角度不能大于相邻雾注的空气通道夹角，即θ′≤θ₀；

(2)若预喷与主喷间隔过小，则预喷燃油在涡流作用下偏转角度过小，预喷燃油雾注未能完全离开其喷雾锥角覆盖范围，主喷燃油喷入燃烧室后会与其重叠，造成局部燃油浓度升高，因此，预喷雾注末端至少转过喷雾锥角θ的角度，即θ″≥θ，同时要满足预喷油束前端旋转角度θ′≥θ。

相邻油束间的空气通道夹角θ₀可表示为：

${\mathrm{\θ}}_0=\frac{360}{m}-\frac{\mathrm{\θ}}{2}\×2=\frac{360}{m}-\mathrm{\θ}---\left(1\right)$

从预喷起始和主喷起始这一时间段内，预喷燃油前端旋转角度θ′为：

${\mathrm{\θ}=\frac{(B-A)\×n_s}{n}}^{\′}=(B-A)\×S_R---\left(2\right)$

预喷末端燃油旋转角度为θ″：

${\mathrm{\θ}}^{\′\′}=\frac{(B-A-{\mathrm{\θ}}_{p\_\mathrm{dur}})\×n_s}{n}=(B-A-{\mathrm{\θ}}_{p\_\mathrm{dur}})\×S_R---\left(3\right)$

根据以上分析，为了保证预喷油束在主喷开始时处于相邻油束的空气通道内，只要同时满足：

θ≤θ′≤θ₀                     (4)

θ″≥θ                          (5)

将表达式(2)、(3)代入以上两式，得到以曲轴转角计的预喷与主喷始点间隔和预喷持续期应满足：

θ/S_R≤B-A≤(360/m-θ)/S_R                 (6)

θ_{p_dur}≤(B-A)-θ/S_R                      (7)

通过以上的计算方法，即可确定预喷与主喷始点的间隔范围以及预喷持续期最大值，但二者是关联的，选定一个预喷、主喷始点时间间隔，即对应一个预喷最大持续期，即预喷、主喷始点间隔可以在上述范围内选定，然后重新计算预喷最大持续期。

(二)预喷持续期θ_{P_du}r和主喷持续期θ_{m_dur}的确定

预喷、主喷的总油量根据发动机负荷确定，它由预喷、主喷持续期共同决定。在预喷最大持续期的约束条件下，预喷油量(由预喷持续期长短决定)占总油量的比例会使发动机功率存在极大值，如图8所示，极值点对应的预喷油量或持续期即为最终选定的预喷持续期。预喷持续期或油量确定后，由于总油量已根据发动机负荷确定，所以主喷持续期也就确定了。

(三)预喷或主喷始点(A或B)的确定

由于预喷、主喷始点间隔可在允许范围内选定，因此预喷、主喷始点只要确定一个，另一个也随之确定。例如预喷始点会使发动机功率存在极大值，如图9所示。由此确定最佳预喷始点，然后根据预喷、主喷始点间隔值确定主喷始点。

通过以上三个步骤的多轮次优化，即可确定整个分段喷射的控制参数，即预喷始点、预喷持续期，主喷始点和主喷持续期。

根据柴油机理想循环示功图(图4)，整个过程包括绝热压缩(1→2)、等容加热Q₁(2→3)、等压加热Q₂(3→4)、绝热膨胀(4→5)和等容放热Q₃过程(5→1)。在不超过发动机爆压极限的条件下，若燃油能在上止点附近快速放热，则会扩大理论循环过程中的等容放热比例，进而增加示功图上指示功的面积，提高热效率。

该燃烧系统的匹配设计方法，理论依据充分明确，计算过程简单方便，能够使燃烧室整个空间内的空气得到有效利用，燃油在燃烧室空间内分布更均匀，可以在相同进气量的条件下多喷油，增大了其在上止点附近的放热率，增大了作功能力，在现有的燃烧系统基础上利用缸内涡流和燃油分段喷射控制即可实现。

具体实施例

本实施例中，发动机参数为：缸径132mm，冲程145mm，连杆长度262mm，余隙高度1.3mm，压缩比17，ω型燃烧室喉口直径为99mm，燃烧室体积为106448mm³。计算中喷油器参数为：孔数×孔径×油束夹角为8×0.27mm×155°。

图10为ω型燃烧室在Pro/E软件中对应一个喷孔的造型图。建立了ω型燃烧室的CFD三维网格模型，进行仿真计算对比。图11为ω型燃烧室在三维仿真软件中的网格模型，由于计算采用的是8孔喷油器，根据计算结果的对称性，只取1/8燃烧室进行网格划分。根据先前的计算经验，网格过大，则计算精度降低；网格过小，在得到相同计算精度下的情况下计算时间大大增加，使得计算效率降低，因此在模型中，网格尺度均约为1mm，这样在保证计算精度的同时也缩短了计算时间。

仿真工况设定如下，发动机转速n＝2500r/min，进气压力p_in＝3.4MPa，进气温度T_in＝60℃，涡流比S_R＝0.8，根据经验，燃油喷雾锥角θ设定为16°。

预喷、主喷起始时刻及预喷、主喷持续期与涡流的匹配计算过程如下。

(一)预喷、主喷始点的间隔范围及预喷最大持续期的确定：

首先，根据公式(1)，计算得到相邻油束的空气通道夹角：

为了保证预喷油束不与相邻主喷油束重叠，通过公式(6)计算得到：20°CA ≤B-A≤36.25°CA，B-A为预喷、主喷始点以曲轴转角计的间隔。通过公式(7)计算得到预喷持续期θ_{p_dur}≤16.25°CA，本实施例中预喷、主喷始点间隔选28°CA＜36.25°CA，此时预喷最大持续期根据公式(7)变为8°CA。

(二)预喷持续期θ_{P_dur}和主喷持续期θ_{m_dur}的确定

通过柴油机燃烧过程仿真计算，以最大功率为优化目标，得到本实施例中预喷持续期最佳值为6°CA＜8°CA，此时预喷、主喷油量比例为1∶9，根据总油量的要求，得到的主喷持续期为34°CA，由于预喷平均压力较主喷平均压力稍低，因此两者油量比例会略低于预喷、主喷持续期之比。

(三)预喷或主喷始点(A或B)的确定

通过柴油机燃烧过程仿真计算，以最大功率为优化目标，得到本实施例中预喷始点的最佳值为320°CA，因为预喷、主喷始点间隔值为28°CA，因此主喷始点为348°CA。

这样就通过以上三个步骤的匹配，确定了在一定涡流强度强度下预喷、主喷始点以及预喷、主喷持续期。

下面考察燃油分段喷射与涡流匹配方法的有效性。计算中过量空气系数分别为1.8、1.55、1.45。

首先计算了过量空气系数为1.8，在①缸内无涡流/单次喷射；②涡流比S_R＝0.8/单次喷射；③涡流比S_R＝0.8/分段喷射这三种工况下的指示功率图，从图12上可以看出，单纯加入缸内涡流，由于缸内混合气在涡流的作用下混合效果得到改善，进而改善了燃烧过程，因此指示功率得到提高，从85.2kW提升到88.1kW，提高幅度为3.4％。当采用分段喷射后，指示功率进一步得到提高，增加到93.1kW，又增加了5.7％。说明采用燃油分段喷射后，能够达到提升功率的效果。

图13为涡流比S_R＝0.8，不同过量空气系数下的指示功率图，从图上可以看出，在过量空气系数从1.8减小到1.55甚至到1.45时，进气量分别减小13.9％、19.4％，但仍然比单次喷射对应的指示功率高，说明当燃油分段喷射与缸内涡流匹配较佳时，可以较大幅度地提高空气利用率，减小了对进气量的要求。

图14为过量空气系数α＝1.80，涡流比S_R＝0.8，燃油单次喷射和燃油分段喷射工况下的示功图，算例中的计算过程是从进气门关闭计算到排气门开启，由于进气门晚关和排气门早开，因此示功图并不封闭。从图上可以看出，采用燃油分段喷射匹配后，示功图中由于等容放热导致的压力升高值明显增加，等容度明显提高。

图15为两种工况下的指示热效率图，从图上可以看出，采用燃油分段喷射匹配后，指示热效率从38.2％提高到了41％。

下面深入到燃烧室空间去详细分析燃油分段喷射与缸内涡流相配合时缸内的工作状况。图16、图17分别为332°CA、352°CA的燃空当量比分布图。从图16可以看出，预喷燃油在涡流作用下逐渐发生偏转，由于压缩使缸内压力、温度升高，超过柴油的自燃温度后，预喷燃油已经开始燃烧，在涡流的作用下，火焰及周边未燃混合气顺着涡流旋转方向偏转了一个角度。在352°CA时刻(图17)，主喷燃油已经喷入燃烧室，但还处于滞燃期内，从图上可以明显看出，预喷燃油形成的混合气及其产物分布在主喷油束的两侧，主喷油束与新鲜空气接触混合，而不是喷入火焰内，因此不会产生“热束缚”，有利于燃油的充分燃烧。由于燃油在缸内分布的更加均匀，因此可以进一步的降低过量空气系数，提高循环供油量，这样能够显著的提高发动机在正常海拔地区的动力性；在高海拔地区，空气稀薄，进气量减少，通过本方法可以降低过量空气系数，即意味着仍可以喷入较多的燃油，使发动机仍能有较好的动力性，因此提高了车辆的适用范围。

Claims (4)

1.一种柴油机燃油分段喷射定时与缸内涡流的匹配方法，其特征在于：燃油喷射为分段喷射，即预喷和主喷。预喷燃油进入燃烧室，就会在涡流的吹拂作用下沿涡流旋转方向发生偏转。当预喷结束后，再经过一段时间间隔，主喷开始，而在这一段时间间隔内，预喷燃油继续随涡流发生偏转，当主喷开始后，预喷燃油及混合气或燃烧产物处于相邻主喷油束之间的通道内，这样能够充分利用燃烧室内的空气，提高油气混合气的总体均匀性和空气利用率，可使发动机在高原空气稀薄地区，仍能产生较强的动力，预喷燃烧还可以提高放热等容度以及热效率，提高功率及经济性。

2.根据权利要求1所述的匹配方法，其特征在于，预喷、主喷燃油由相同的喷孔喷出，但预喷燃油在涡流作用下移出主喷区域，使预喷和主喷燃油在不同区域混合燃烧，提高空气利用率。

3.根据权利要求1所述的匹配方法，其特征在于：对于一定孔数的喷油器，一定的涡流强度，预喷与主喷始点的时间间隔以及预喷持续期(均以曲轴转角表示)可以通过公式进行推算，即：

θ/S_R≤B-A≤(360/m-θ)/S_R

θ_{p_dur}≤(B-A)-θ/S_R

4.根据权利要求1所述的匹配方法，其特征在于：利用预喷燃油所形成的预混合快速燃烧能够提高放热速率及放热等容度，进而提高发动机的热效率和功率。

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