CN1212471C - 直喷式柴油机预混合燃烧方法与装置 - Google Patents

Abstract

一种直喷式柴油机预混合燃烧方法与装置可以实现控制着火定时和燃烧速率的预混合燃烧过程，降低燃烧产物中的碳烟和NO_x有害排放，同时提高柴油机燃烧效率。本发明方法为利用高压喷油器的喷射油束与燃烧室表面的合理碰撞，形成燃油与空气的多种混合方式，显著提高油气混合速率，实现直喷式柴油机的预混合燃烧。其在燃烧室中设有环形柱体，环形柱体外侧为外部环形燃烧室，内侧为中心燃烧室。喷油器的喷油嘴开有多个喷油孔，喷油嘴的中心线与燃烧室中心线重合，喷油孔轴线延长线与喷油嘴中心线的夹角为60°-75°。环形柱体的横截面为圆弧形截面，环形柱体的高度为整个燃烧室高度的2/3-3/4。

Description

直喷式柴油机预混合燃烧方法与装置

技术领域

本发明所属内燃机领域，具体说是一种直喷式柴油机预混合燃烧方法与装置。

背景技术

随着世界各国对车辆排放的要求日益严格，作为车辆主要动力的直喷式柴油机面临低排放的挑战。传统的直喷式柴油燃烧系统是通过高压喷油器将柴油喷入燃烧室，形成的喷雾束与燃烧室内空气作用实现喷雾混合燃烧，这种燃烧方式以扩散燃烧形式为主，油束浓度分布很不均匀、燃烧温度很高，从而导致碳烟和氮氧化物有害排放的大量生成。最近，内燃机研究者提出了一种柴油机均匀预混合燃烧(HCCI)理论，使柴油和空气在燃烧室内先形成预混合气，然后再着火、燃烧，理论和实验表明这种燃烧形式能大幅降低碳烟和氮氧化物等有害排放。

日本专利文献特开平10-212959，采用在燃烧室中心部位放置一伞形面凸台，利用单股喷射油束与之碰撞，产生伞形飞溅燃油表面，促进与空气雾化混合，但缺点是使燃油在凸台底部积聚，使燃烧恶化。日本专利文献特开平6-248952，采用在常规燃烧室的底部设置碰撞凸台，碰撞面分为上部，与周边部分，并在碰撞凸台的内部开设空气室，形成良好的燃油碰撞飞溅雾化。美国专利文献US5357924是在燃烧室内设置一柱型碰撞凸台，与喷油器对置，通过在不同的燃油喷射阶段，产生不同的油气混合过程，如在喷油初期，燃油与碰撞体撞击并在空气运动作用下，与凹腔内的空气首先混合，在主喷油期，燃油撞击后，在空气运动(与喷油初期的方向相反)的作用下燃油分布到活塞顶部与汽缸形成的燃烧室空间进行油气混合。以上的燃油碰撞混合装置，都采用单股油束对正下方的凸台碰撞表面进行撞击，或与燃烧室四周壁面碰撞，难以有效利用整个燃烧室的空气运动，混合效果不佳。

美国专利号US5467757，“压燃式发动机及其燃烧方式(Compression-ignition typeengine and combustion method of same)”，采用在柴油机压缩冲程上止点前60°CA将柴油提前喷入燃烧室与空气混合形成预混合气，再压缩燃烧，在一定条件下可以明显改善碳烟和NO_x排放，但混合气着火时间和燃烧速率难以控制，在柴油机高负荷时，易产生爆震使燃烧恶化；SAE论文No.892068，题目“均质混合气压燃式发动机(Homogeneous-ChargeCompression Ignition(HCCI)Engines)”，提出采用废气再循环方法来控制柴油机预混合燃烧过程，包括着火始点、燃烧速率等，但没有给出具体的控制方法；美国专利号US2002026926，“带有燃烧优化控制装置的预混合压燃式发动机(Premixed chargecompression ignition engine with optimal combustion control)”，提供一种电子控制系统，控制柴油机柴油-空气预混合气的燃烧过程，包括燃烧着火时间，燃烧速率，燃烧室内压力、温度等，但控制系统复杂，费用高。

发明内容

本发明的目的是提供一种直喷式柴油机预混合燃烧方法与装置，可以实现控制着火定时和燃烧速率的预混合燃烧过程，降低燃烧产物中的碳烟和NO_x有害排放，同时提高柴油机燃烧效率。

本发明的目的是通过如下技术方案来实现的：

本发明的技术装置，包括气缸、气缸盖、安装在气缸盖上的喷油器、活塞及燃烧室，其特征在于所述燃烧室设有环形柱体，其横截面为圆弧形截面，环形柱体的高度为整个燃烧室高度的2/3-3/4，环形柱体外侧为外部环形燃烧室，内侧为中心燃烧室，外部环形燃烧室和中心燃烧室与环形柱体光滑连接，喷油器的喷油嘴开有多个喷油孔。

所述喷油嘴的中心线与燃烧室中心线重合，喷油孔轴线延长线与喷油嘴中心线的夹角为60°-75°。中心燃烧室是一个倒置的曲面旋转体，可以是圆弧面旋转体、抛物面旋转体或圆锥体。活塞顶面与气缸盖下平面构成整个燃烧室空间。整个燃烧室呈气缸中心线对称。

本发明与现有技术相比有如下优点：

由于利用喷油器的喷射油束与燃烧室表面的合理碰撞，可形成燃油飞溅破碎雾化混合、油膜蒸发混合。利用燃烧室内的空气涡流与湍流增加油气混合速率，由于多种混合方式并存，油气混合速率显著增加，使得预混合气形成时间极短，这样，预混合气的着火时间和燃烧速率可以由燃油喷射定时来控制，解决了由于柴油过早喷入燃烧室而存在的着火时间和燃烧速率难以控制的问题。因此本发明能成功实现柴油机预混合燃烧。另外，由于预混合气形成速率高，可使空燃比控制在0.6-0.8，实现稀薄燃烧，大幅降低碳烟和NO_x有害排放，提高柴油机燃烧效率。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明的实施例的结构示意图。

1喷油器        2气缸盖    3燃烧室    4活塞        5活塞环

6气缸          7喷油嘴    8喷油孔    9外部环形燃烧室

10中心燃烧室   11环形柱体

实施方式

在图1中，本发明的直喷式柴油机燃烧系统包括：喷油器1，气缸盖2，燃烧室3，活塞4，活塞环5，气缸6。在图2中，本发明的燃烧室空间分为外部环形燃烧室9和中心燃烧室10两部分，二者由环形柱体11分隔，环形柱体11高度为整个燃烧室高度的2/3-3/4。环形柱体11的横截面形状为圆弧形。环形柱体11表面与外部环形燃烧室9和中心燃烧室10光滑连接。中心燃烧室10是一个倒置的曲面旋转体，也可以是圆弧面旋转体、抛物面旋转体或圆锥体。在燃烧室中心上方是喷油嘴7和喷油孔8。喷油孔8的数目在4个以上。喷油孔8均匀分布在喷油嘴7的锥面上。从喷油嘴7喷出的油束中心线与喷油嘴7中心线的角度必须保证油束喷射到环形柱体11的表面上，此角度为60°-75°。

在本发明的柴油机燃烧装置中，从喷油器1喷出的燃油束与环形柱体11表面产生碰撞，碰撞之后，燃油分成三部分：一部分燃油束由于碰撞产生破碎所形成的液滴飞溅到燃烧室的外部环形燃烧室9，与此处的空气混合而形成混合气；一部分飞溅到燃烧室的中心燃烧室10，在中心室内空气运动作用下，与空气进行混合，形成混合气；另外一部分在碰撞处的环形柱体11表面形成一层油膜，油膜一方面在表面上受热蒸发，同时在外部环形室9和中心室10内的强烈的空气运动作用下迅速形成预混合气。这样，喷射油束在碰撞后形成与空气的多种混合方式，显著提高了柴油与空气的混合速率，实现了柴油机预混合燃烧，解决了着火定时与燃烧速率的问题，有效地降低了碳烟和NO_x的排放生成，提高了直喷式柴油机燃烧效率。

Claims (3)

1.一种直喷式柴油机预混合燃烧装置，包括气缸(6)、气缸盖(2)及安装在其上的喷油器(1)，活塞(4)及燃烧室(3)，其特征在于所述燃烧室(3)设有环形柱体(11)，其横截面为圆弧形截面，环形柱体(11)的高度为整个燃烧室(3)高度的2/3-3/4，环形柱体(11)外侧为外部环形燃烧室(9)，内侧为中心燃烧室(10)，外部环形燃烧室(9)和中心燃烧室(10)与环形柱体(11)光滑连接，喷油器(1)的喷油嘴(7)开有多个喷油孔(8)。

2.根据权利要求1所述的直喷式柴油机预混合燃烧装置，其特征在于所述喷油嘴(7)的中心线与燃烧室(3)中心线重合，喷油孔(8)轴线延长线与喷油嘴(7)中心线的夹角为60℃-75℃。

3.根据权利要求1所述的直喷式柴油机预混合燃烧装置，其特征在于所述的中心燃烧室(10)是一个倒置的曲面旋转体，可以是圆弧面旋转体、抛物面旋转体或圆锥体。

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