CN111764996B - 一种针对船用柴油机的燃烧室、燃烧系统及燃烧方法 - Google Patents

Abstract

为了解决现有技术中采用的缩口ω型燃烧室的结构不合理而导致的油气混合不彻底的问题，本发明提供一种针对船用柴油机的燃烧室、燃烧系统及燃烧方法，其特征在于：该燃烧室包括ω形燃烧室和与ω形燃烧室上部的缩口部依次圆弧过渡连接的台阶斜面、竖直导流面，使燃油沿台阶斜面向上运动，与ω形燃烧室上部空间的空气充分混合，得到混合后的燃油，再通过竖直导流面引导所述混合后的燃油向气缸运动的方向运动，使燃油与气缸壁面不发生撞击。本发明能够有效促进燃烧室内的油气混合，减少缸内高温区域和油气过浓区域，从而降低柴油机的排气污染物排放，实现清洁燃烧。

Description

一种针对船用柴油机的燃烧室、燃烧系统及燃烧方法

技术领域

本发明属于发动机燃烧技术领域，特别涉及一种针对船用柴油机的燃烧室、燃烧系统及燃烧方法。

背景技术

随着高压共轨燃油喷射系统在船用柴油机上普及应用，柴油机传统的直口型或缩口ω型燃烧室在引导碰壁燃油和缸内气流运动方面已不能满足低排放的要求。因此需合理设计燃烧室侧壁面，以形成有效的挤流和涡流，提高燃烧室内的气流运动强度；并结合燃油喷射控制策略，引导燃油碰壁后的运动。

为降低排放，船用柴油机采用了涡轮增压技术，增压压力提高会增加充量密度。如果采用废气再循环(EGR)技术，为了保证空燃比，发动机的增压压力应进一步提高，这会导致喷油器喷出的燃油喷雾在缩口ω型燃烧室内贯穿距离减小，空气利用率降低，油气混合不彻底。

总之，现有的缩口ω型燃烧室的结构不合理，在与废气再循环(EGR)技术匹配时，空气利用率低下。

发明内容

为了解决现有技术中采用的缩口ω型燃烧室的结构不合理而导致的油气混合不彻底的问题，本发明提供一种针对船用柴油机的燃烧室、燃烧系统及燃烧方法，能有效解决上述技术问题。

为了实现上述目的，本发明采用的具体方案为：一种针对船用柴油机的燃烧室，其特征在于：该燃烧室包括ω形燃烧室和与ω形燃烧室上部的缩口部依次圆弧过渡连接的台阶斜面、竖直导流面，使燃油沿台阶斜面向上运动，与ω形燃烧室上部空间的空气充分混合，得到混合后的燃油，再通过竖直导流面引导所述混合后的燃油向气缸运动的方向运动，使燃油与气缸壁面不发生撞击。

所述的ω形燃烧室包括缩口、凹坑、导流斜面以及凸台；其中，所述凸台设置在ω形燃烧室底部的中心位置；所述凸台的两侧分别依次圆弧过渡连接导流斜面、凹坑以及缩口，使燃油喷射在缩口后，燃油沿凹坑壁面向下运动，与ω形燃烧室底部的空气充分混合，并通过导流斜面和凸台在凹坑内形成涡流，提升燃油与空气的混合效果。

所述燃烧室的竖直导流面直径D1＝0.70～0.75D；其中D为燃烧室对应的活塞的直径；所述凹坑的圆弧最外侧距活塞顶面距离H1＝0.53～0.58H，所述缩口最内侧距活塞顶面深度H2＝0.30～0.34H，所述竖直导流面与台阶斜面之间圆弧过渡中心点距活塞顶面深度H3＝0.11～0.15H；其中，燃烧室的深度H＝0.15～0.19D；D为燃烧室对应的活塞的直径；所述凹坑的圆弧最外侧直径D2＝0.63～0.67D，所述缩口最内侧直径D3＝0.60～0.64D；其中D为燃烧室对应的活塞的直径。

所述台阶斜面与活塞顶面的夹角a1为30～35°，所述凸台两侧的导流斜面之间的夹角a2为115～125°。

一种包括如上述的针对船用柴油机的燃烧室的燃烧系统，其特征在于，包括燃烧室、喷油器、控制单元；其中，所述喷油器与燃烧室同轴设置且所述喷油器的喷雾锥角与缩口对应；所述的控制单元与喷油器连接，用于控制喷油器的工作；所述喷油器的喷雾锥角为155～162°；喷孔数为6～8个。

一种如上述的燃烧系统的燃烧方法，包括以下步骤：

S1：当柴油机运行在10％额定负荷以下时，控制单元控制喷油器进行单次喷射，喷油正时为上止点前13～18°；

S2：当柴油机运行在10％～80％额定负荷时，控制单元3控制喷油器2进行两次喷射，

其中，主喷正时为上止点前0～12°；预喷正时比主喷正时提前15～25°曲轴转角，预喷油量为主喷油量的2～10％；

S3：当柴油机运行在80％额定负荷以上时，控制单元3控制喷油器2进行三次喷射，其中分别为预喷、主喷、后喷；其中，预喷正时比主喷正时提前15～25°曲轴转角，预喷油量为主喷油量的2～10％；后喷正时为主喷结束后5～10°曲轴转角，后喷油量为主喷油量的3～5％。

其中，上述的步骤中，在停机间隔，调整喷油器的参数，如喷雾锥角、喷孔个数、油嘴凸出高度等。

有益效果：本发明所述的燃烧系统通过在燃烧室上部设置缩口、台阶斜面和竖直导流面，在燃烧室底部设置凹坑和凸台，并通过喷油器的喷雾锥角与燃烧室的缩口和凸台相匹配，使得喷油器喷出的燃油一部分沿着台阶斜面向燃烧室上部空间运动，另一部分沿着凹坑向燃烧室下部空间运动，能够有效促进燃烧室内的油气混合，减少缸内高温区域和油气过浓区域，从而降低柴油机的排气污染物排放，实现清洁燃烧。同时，本发明所述的燃烧方法，根据柴油机全工况的需求，通过调整喷油正时、喷射压力、喷射次数，提高缸内燃油与空气的混合程度，促进燃料的完全氧化。

附图说明

图1所示为本发明所述燃烧室的示意图；

图2所示为所述燃烧室的尺寸示意图；

图3所示为所述燃烧系统的结构示意图；

图4为燃烧室内气流运动的示意图；

图5为燃烧室内燃油分布的示意图。

图中附图标记表示为：

1-燃烧室；2-喷油器；3-控制系统；4-气门；5-气缸盖；6-活塞；7-缸套；2-喷油器；8-机体；11-活塞顶面；12-竖直导流面；13-台阶斜面；14-缩口；15-凹坑；16-导流斜面；17-凸台。

具体实施方式

柴油机燃烧室的形状和结构参数对缸内气流运动、燃油空气混合气形成以及燃烧过程至关重要，并最终影响柴油机的性能和排放。

如图1，本发明所述燃烧室1的结构为所述燃烧室1底部设置凸台17和凹坑15，所述凸台17和凹坑15均为圆弧壁面，导流斜面16与凸台17和凹坑15相切。所述燃烧室1上部设置缩口14，所述缩口14下部与凹坑15相连，上部与台阶斜面13相连。所述台阶斜面13与活塞顶面11之间设置竖直导流面12，所述竖直导流面12与台阶斜面13和活塞顶面11之间均圆弧过渡。

图2所示为所述燃烧室1的优选尺寸。所述活塞6的直径为D。所述燃烧室1的竖直导流面12直径D1＝0.70～0.75D，此为燃烧室1的最大开口直径。所述凹坑15的圆弧最外侧直径D2＝0.63～0.67D，所述燃烧室1深度H＝0.15～0.19D，这两个尺寸决定了燃烧室1的体积，从而得到设计的压缩比。所述缩口14最内侧直径D2＝0.60～0.64D，适当的缩口尺寸可在燃烧室1内形成一定强度的涡流，如果D2过小，燃油容易滞留在凹坑15，燃烧后期难以进入气缸氧化，如果D2过大，凹坑15内的涡流强度较弱，导致燃油与空气混合不良。所述缩口最内侧距活塞顶面深度H2＝0.30～0.34H，其具体数值与喷油器2的喷雾锥角相匹配，使喷射的燃油撞击到缩口14，一部分燃油沿凹坑15壁面向下运动，与燃烧室1底部的空气充分混合，另一部分燃油沿台阶斜面13向上运动，与燃烧室1上部空间的空气充分混合。优选所述台阶斜面与活塞顶面的夹角a1为30～35°。所述竖直导流面与台阶斜面之间圆弧过渡中心点距活塞顶面深度H3＝0.11～0.15H，其主要作用是引导燃油向气缸运动的方向，使燃油不至撞击到气缸壁面。

如图3，为本发明所述燃烧系统的结构示意图，其中，该燃烧系统包括燃烧室1、喷油器2、控制单元3，所述燃烧室1位于活塞6的顶部，所述喷油器2安装在气缸盖5中。燃烧室1、喷油器2以及活塞6的轴线重合。

所述喷油器2的喷雾锥角为155～162°。较浅的燃烧室和较大的喷雾锥角有利于燃烧室1内的燃油空气混合气在活塞下行时从燃烧室1运动到气缸中，使得燃油在气缸中进一步氧化，从而增大燃油的完全氧化程度，显著降低柴油机的碳烟排放；同时，燃油空气混合气在气缸中扩散更加均匀，有利于降低柴油机的氮氧化物、一氧化碳和碳氢排放。

所述喷油器2的喷孔数为6～8。所述气缸盖5的涡流比为0.4～0.8。高压共轨燃油喷射系统的喷射压力高达1600bar以上，燃油喷雾颗粒非常细小，因此需适当降低气缸盖的涡流比，并选择合适的喷孔数，避免喷雾油束发生干涉所导致的燃油空气混合不良。

如图4～5，为本发明所述的燃烧室1在实际使用中的燃烧室内气流运动、燃烧室内燃油分布示意图。可见通过本发明所述的燃烧室的结构，可以能够有效促进燃烧室内的油气混合，减少缸内高温区域和油气过浓区域，提升燃烧系统的工作效率。

本发明所提供的燃烧系统通过控制单元3控制喷油器2的喷油时刻、喷射压力以及喷射次数，在柴油机不同工况下，喷油器2喷出的燃油在燃烧室1的缩口14、导流斜面13、凹坑15和凸台17的引导下，与燃烧室1内的空气混合良好；同时，在活塞下行时，燃烧室1内的燃油空气混合气易于运动至气缸中，在气缸中完全氧化，保证柴油机排气污染物满足法规限值的要求。

本发明还提供了一种针对上述燃烧系统的燃烧方法，该方法包括以下步骤：

S1：当柴油机运行在10％额定负荷以下时，控制单元3控制喷油器2进行单次喷射，喷油正时为上止点前13～18°。此时，燃油喷射量较少，缸内空气充足，燃油与空气混合良好。

S2：当柴油机运行在10％～80％额定负荷时，控制单元3控制喷油器2进行两次喷射.。主喷正时根据柴油机标定的情况，调整为上止点前0～12°。预喷正时比主喷正时提前15～25°，预喷油量为主喷油量的2～10％。控制单元3控制喷油器2首先进行预喷，燃油在喷油嘴附近发生低温氧化反应，生成大量活性自由基，随缸内气流运动均匀分布至燃烧室各处。间隔15～25°曲轴转角后，控制单元3控制喷油器2进行主喷，燃油撞击到燃烧室1的缩口14位置，一部分燃油沿凹坑15的壁面向下运动，与燃烧室1底部的空气充分混合，另一部分燃油沿台阶斜面13向上运动，与燃烧室1上部的空气充分混合，此时燃烧室内均匀分布预喷燃油生成的活性自由基，使得主喷燃油的滞燃期缩短，有利于降低缸内燃烧温度，从而降低柴油机的氮氧化物排放。同时，燃油与空气充分混合，减少了缸内混合气的过浓区域，有利于降低柴油机的碳烟排放。当活塞下行时，合适的涡流运动和较浅的燃烧室1深度，有利于燃烧室内的燃油空气混合气迁移至气缸中，使其氧化燃烧地更加完全，有利于降低一氧化碳和碳氢排放。

S3：当柴油机运行在80％额定负荷以上时，控制单元3控制喷油器2进行三次喷射。后喷正时为主喷结束后5～10°曲轴转角，后喷油量为主喷油量的3～5％。由于柴油机在高负荷工况时喷油量大，燃烧持续期较长，当活塞下行一段时间后，气缸中的碳烟尚未完全氧化，此时气缸内温度下降，导致碳烟无法进一步氧化。后喷入气缸的燃油燃烧释放热量，提高气缸内的温度，促进碳烟完全氧化。

其中，在上述步骤中，在柴油机不同负荷下，控制单元3适时调整喷射压力和喷射正时，使柴油机的氮氧化物、碳烟、碳氢和一氧化碳排放值均处于较低的水平。

其中，在上述步骤停机间隔，调整喷油器2的喷雾锥角、喷孔个数、油嘴凸出高度，改善燃烧室1内燃油与空气的混合状况，最大程度降低柴油机排气污染物排放。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此所有等同的技术方案也属于本发明的保护范畴。

Claims (5)

1.一种针对船用柴油机的燃烧室，其特征在于：该燃烧室包括ω形燃烧室和与ω形燃烧室上部的缩口部依次圆弧过渡连接的台阶斜面、竖直导流面，使燃油沿台阶斜面向上运动，与ω形燃烧室上部空间的空气充分混合，得到混合后的燃油，再通过竖直导流面引导所述混合后的燃油向气缸运动的方向运动，使燃油与气缸壁面不发生撞击；

所述的ω形燃烧室包括缩口、凹坑、导流斜面以及凸台；

其中，所述凸台设置在ω形燃烧室底部的中心位置；所述凸台的两侧分别依次圆弧过渡连接导流斜面、凹坑以及缩口，使燃油喷射在缩口后，燃油沿凹坑壁面向下运动，与ω形燃烧室底部的空气充分混合，并通过导流斜面和凸台在凹坑内形成涡流，提升燃油与空气的混合效果；

所述燃烧室的竖直导流面直径D1＝0.70～0.75D；其中D为燃烧室对应的活塞的直径；

所述凹坑的圆弧最外侧距活塞顶面距离H1＝0.53～0.58H，所述缩口最内侧距活塞顶面深度H2＝0.30～0.34H，所述竖直导流面与台阶斜面之间圆弧过渡中心点距活塞顶面深度H3＝0.11～0.15H；其中，燃烧室的深度H＝0.15～0.19D；D为燃烧室对应的活塞的直径；

所述凹坑的圆弧最外侧直径D2＝0.63～0.67D，所述缩口最内侧直径D3＝0.60～0.64D；其中D为燃烧室对应的活塞的直径。

2.根据权利要求1所述的一种针对船用柴油机的燃烧室，其特征在于，所述台阶斜面与活塞顶面的夹角a1为30～35°，所述凸台两侧的导流斜面之间的夹角a2为115～125°。

3.一种包括如权利要求1所述的针对船用柴油机的燃烧室的燃烧系统，其特征在于，包括燃烧室、喷油器、控制单元；其中，所述喷油器与燃烧室同轴设置且所述喷油器的喷雾锥角与缩口对应；所述的控制单元与喷油器连接，用于控制喷油器的工作。

4.根据权利要求3所述的一种燃烧系统，其特征在于，所述喷油器的喷雾锥角为155～162°；喷孔数为6～8个。

5.一种如权利要求3所述的燃烧系统的燃烧方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：当柴油机运行在10％额定负荷以下时，控制单元控制喷油器进行单次喷射，喷油正时为上止点前13～18°；

S2：当柴油机运行在10％～80％额定负荷时，控制单元3控制喷油器2进行两次喷射，其中，主喷正时为上止点前0～12°；预喷正时比主喷正时提前15～25°曲轴转角，预喷油量为主喷油量的2～10％；

S3：当柴油机运行在80％额定负荷以上时，控制单元3控制喷油器2进行三次喷射，其中分别为预喷、主喷、后喷；其中，预喷正时比主喷正时提前15～25°曲轴转角，预喷油量为主喷油量的2～10％；后喷正时为主喷结束后5～10°曲轴转角，后喷油量为主喷油量的3～5％。

Images