CN1212474C - 增压柴油机湿空气－柴油均质燃烧系统 - Google Patents

Abstract

增压柴油机湿空气-柴油均质燃烧系统是对增压柴油机采用废气再循环管进口端喷油来制备柴油/空气均质混合气。采用文丘里管和废气再循环管装置引入少量废气，利用废气的高温使燃油很快蒸发，并从柴油机进气管末端引入缸内。使用进气加湿装置，一方面对增压空气加湿，另一方面控制进气温度，利用空气的含湿量控制工质的温度及成分，间接控制燃烧过程。本系统的特点是易于制备柴油/空气混合气，并且系统可以自我调节，燃烧过程更容易控制。利用本系统较容易实现柴油机的预混合均质低排放燃烧，使之满足越来越严格的排放法规要求。

Description

增压柴油机湿空气-柴油均质燃烧系统

技术领域

本发明涉及的是一种增压柴油机均质燃烧系统，特别是一种通过对进气加湿，废气再循环管内喷油来制备柴油/空气预混合气的增压柴油机湿空气-柴油均质燃烧系统，属于内燃机技术领域。

背景技术

为了满足日趋严格的排放法规要求，柴油机正面临极大的挑战。各柴油机生产厂家及研究单位纷纷开展降低柴油机排放的研究，这些研究包括代用燃料、燃烧系统、后处理、电子控制等的多方面研究。就柴油机的燃烧系统而言，其燃烧方式是柴油喷雾压燃，缸内油气分布很不均匀，这种非均匀燃烧产生局部高温、缺氧，导致NOx、颗粒等有害排放产物偏高。这种燃烧方式很难达到严格的排放法规要求。为了从根本上改善柴油机的排放问题，应改变柴油机的这种喷雾扩散燃烧方式。

均质燃烧的概念从根本上改变了柴油机的传统燃烧方式。它是在燃烧发生之前，使柴油和空气均匀混合，在压缩行程接近上止点时，缸内的可燃混合气多点同时压燃着火，并迅速燃烧。这种燃烧方式由于不存在局部高温区以及局部富油区，因此可以同时使NOx和颗粒排放大大降低。均质燃烧方式是使柴油机满足更严格的排放法规(超低排放车ULEV)的最有希望的燃烧方式。但是，从均质燃烧概念最早提出至今已有20年，这方面的研究绝大部分还停留在试验阶段。这是因为实现均质燃烧，尤其是柴油均质燃烧有几个难点：1、柴油不易挥发，柴油蒸汽和空气混合物的制备比较困难，换句话说，就是均质很难实现；2、由于均质燃烧是可燃混合气压燃多点着火，燃烧始点和燃烧速率都不能直接通过喷油来控制，因此其燃烧过程的控制比较困难，也就是说多点压燃很难控制。为了实现柴油均质燃烧，在已有技术中，Thomas W.Ryan III和Timothy J.Callahan在发表的SAE论文《Homogeneous Charge Compression Ignition of Diesel Fuel》中，采用废气再循环管和背压控制阀实现大的废气再循环率，并在柴油机进气道喷油实现柴油的均质燃烧。文章中，当压缩比为8∶1，废气再循环率为45％～50％时，能够得到较理想的均质燃烧过程，但在试验中能够运行均质燃烧过程的工况范围很小，容易产生爆震和失火。在柴油机进气道喷油，会使燃油喷到进气道壁面以及气缸壁，引起积油、润滑油稀释以及很高的HC/CO排放。此外这种方案需要进气有较高的温度以利于燃油的蒸发，但是进气温度高使压缩过程温度升高，易产生爆震，使效率下降。因此上述方案需要较大的废气再循环率(40％～60％)以提高进气温度，同时控制压缩过程终了温度。对实际运行的增压柴油机，实现如此大的废气再循环率存在困难。另外，文中的方式只能在较小的工况范围内实现柴油均质燃烧。若柴油机工况稍有变化，则容易发生爆震或失火。EmmanuelRiom在2001年23届CIMAC国际会议上的文章《NOx Emission Reduction withThe HumidAir Motor Concept》中，用加湿器将进气加湿降低缸内燃烧最高温度，降低船用增压柴油机NOx的排放。试验结果是NOx从13.5g/kWh降到3.5g/kWh，对油耗和其他排放产物基本无影响。但是，此试验的燃烧系统是传统柴油机的喷雾扩散燃烧，因此颗粒排放基本无改善。

发明内容

为克服已有技术的不足和缺陷，本发明对增压柴油机采用废气再循环管进口端喷油来制备柴油/空气均质混合气，采用废气再循环管和文丘里管装置引入少量废气，利用废气的高温使燃油很快蒸发，再通过柴油机进气管末端进入缸内；使用进气加湿装置，一方面控制进气温度，另一方面对空气加湿，利用空气的含湿量控制缸内过程中的温度及成分，间接控制燃烧过程。

本发明的系统由柴油机、涡轮增压器、气缸外柴油喷嘴、废气再循环管、文丘里管、柴油废气混合室、加湿器、水箱、预热换热器、再热换热器、水泵、阀门以及连接管路组成。增压器进口端与大气相通，增压器出口端与加湿器下端的空气进口相连，加湿器上端湿空气出口与文丘里管相连，文丘里管出口与柴油机的进气管连接；废气再循环管进口连柴油机排气管，并且进口端有柴油废气混合室，从气缸外柴油喷嘴喷出的燃油在混合室中与废气混合并蒸发；废气再循环管出口与文丘里管相连。加湿器底端循环水出口与水箱相连，水箱出口通过管路与预热换热器管程连接，此换热器管程出口通过管路与再热换热器管程连接，此换热器管程出口通过管路与水泵连接，水泵出口通过管路与加湿器循环水进口连接。预热换热器壳程与柴油机循环冷却水回路相通，再热换热器壳程通涡轮后排气。

空气经过增压器后压力提高，温度上升，到达加湿器，在加湿器内进气被加湿成接近饱和的湿空气并且被冷却降温。气缸外柴油喷嘴在废气再循环管开始端将燃油喷入柴油废气混合室，燃油在排气高温下蒸发，并与再循环废气一起在文丘里管内与饱和湿蒸汽会合，并通过进气管进入气缸内。用于加湿的水量通过水路循环来供应。补充水进入循环水箱与循环水混合后进入预热换热器，被发动机循环冷却水加热(预热)，然后再进入再热换热器，被从涡轮排出的废气进一步加热，最后经过循环水泵到加湿器。在加湿器中，高压水从喷头喷出，并与逆相流动的进气混合，对进气加湿到近饱和状态。在加湿器中凝结的水从加湿器底部流出到循环水箱。阀门控制水循环路径，以控制循环水的温度。

系统运行时，喷入废气再循环管的细小柴油液滴在排气较高温度作用下很快蒸发，蒸发的燃油与湿空气在文丘里管内混合并进入进气管。被增压后的进气温度和压力较高，在高工况下，增压器后进气温度可达150～170℃；在加湿器中，进气被加湿并冷却，含湿量可达20％～30％。当发动机运行在不同工况时，通过调节进气加湿量来控制进气温度和成分，间接控制压缩终点的温度，最终控制燃烧发生时刻和燃烧速度。当发动机运行在高负荷时，增大加湿量，这样可控制进气温度以及压缩终点温度防止其过高，使着火不会在压缩过程未结束时就发生，抑制爆震。同时增大含湿量可以控制燃烧速度，防止过高爆发压力。当负荷降低时，减小加湿量，保持压燃多点着火所需的压缩终点温度和O₂浓度，使燃烧可顺利进行，不失火。

本发明与其他实现柴油均质燃烧的方法相比有几个特点：1、易于制备柴油/空气均质混合气。采用少量的废气再循环量(能满足柴油的快速蒸发即可)并在废气再循环管进口喷油。目的是利用排气的高温使燃油能够迅速蒸发。虽然再循环废气与进气混合后温度会有所降低，但是由于进气是增压加湿冷却，温度相对仍较高，可达100℃以上，而且从进气管末端到缸内经历的时间较短，而凝结需要时间，因此燃油蒸汽基本不会液化，即使有少量的液化，也不会生成大的液滴，在以后的压缩过程中会很快被蒸发。2、燃烧过程更易于控制。这有两方面的原因，首先，当用废气再循环方式控制燃烧时，为了使着火点推迟，要增加废气再循环量，但是废气再循环量增加又使进气温度上升，使着火提前。因此废气再循环量对燃烧过程的影响比较复杂，其作用不是单向的。因此用废气再循环方式能够实现的均质燃烧范围非常有限，而且难于控制。本发明中，使用湿空气代替再循环废气控制燃烧过程，当负荷增加时，进气压力、温度上升，导致更多的循环水蒸发，含湿量增加，抑制了进气温度及压缩过程中温度的上升，这些都控制了由于负荷上升导致的着火提前。因此本系统能在很大程度上根据工况自动调节控制燃烧。另一个原因是水蒸汽与空气、燃烧废气相比，定压比热容要大得多，因此同样的比例，水蒸汽对缸内温度的影响要比纯废气要大得多。所以利用湿空气的含湿量以及湿空气的温度对缸内燃烧过程的调节范围应比用废气再循环要大。

附图说明

图1是增压柴油机湿空气-柴油均质燃烧系统原理图

图中1是涡轮增压器，2是气缸外柴油喷嘴，3是废气再循环管，4是文丘里管，5是柴油废气混合室，6是加湿器，7是增压柴油机，8是水泵，9是水箱，10是预热换热器，11是再热换热器，12是A控制阀，14是B控制阀，13是A旁通阀，15是B旁通阀。

图中实线表示气体循环，虚线表示水循环。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施作进一步描述：

如图1所示，本发明主要包括：涡轮增压器1，气缸外柴油喷嘴2，废气再循环管3，文丘里管4，柴油废气混合室5，加湿器6，柴油机7，水泵8，、水箱9，预热换热器10，再热换热器11，A控制阀12，B控制阀14，A旁通阀13，B旁通阀15以及连接管路。涡轮增压器1的增压器进口端与大气相通，增压器出口端与加湿器6下端的空气进口相连，加湿器6上端湿空气出口与文丘里管4进口相连，文丘里管4出口与柴油机7的进气管连接；废气再循环管3进口与柴油机7的排气管相通，并且在进口端装有柴油废气混合室5，在混合室5上端装有气缸外柴油喷嘴2，废气再循环管3出口与文丘里管4相连，加湿器6底端循环水出口与水箱9相连，水箱9出口分别通过A控制阀12和B控制阀14与预热换热器10和再热换热器11管程进口相接。在预热换热器10管程进出口管道旁通回路中装有旁通阀13，在再热换热器11管程进出口管道旁通回路中装有旁通阀门15。再热换热器11管程出口通过管路与水泵8进口连接，预热换热器10的壳程与柴油机循环冷却水回路相连，再热换热器11的壳程与涡轮后排气管路相连，水泵8出口通过管路与加湿器6循环水进口连接。

系统运行过程如下：空气经过增压器1后压力提高，温度上升，到达加湿器6，在加湿器6内进气被加湿成接近饱和的湿空气，同时温度降低。喷油嘴2在废气再循环管3开始端将燃油喷入柴油废气混合室5，燃油在排气高温下蒸发，并与再循环废气一起在文丘里管4内和饱和湿蒸汽会合后通过进气管进入缸内。用于加湿的水量通过水路循环来供应。补充水进入循环水箱9与循环水混合后进入预热换热器10，被发动机循环冷却水加热(预热)，然后再进入再热换热器11，被从涡轮增压器1的涡轮端排出的废气进一步加热，最后经过循环水泵8到加湿器6。在加湿器6中，高压水从喷头喷出，并与逆相流动的进气混合，对进气加湿到近饱和状态。在加湿器6中凝结的水从加湿器6底部流出到循环水箱9。控制阀12、14，旁通阀13、15控制水循环路径，以控制循环水的温度。

系统运行时，喷入废气再循环管3的细小柴油液滴在排气较高温度作用下很快蒸发。蒸发的燃油与湿空气在文丘里管4内混合，并流入进气管。被增压后的进气温度和压力较高，在高工况下，涡轮增压器1的增压器出口进气温度可达150～170℃；在加湿器6中，进气被加湿并冷却，含湿量可达20％～30％。当发动机运行在不同工况时，通过调节进气加湿量控制进气温度和成分，间接控制压缩终点的温度，最终控制燃烧发生时刻和燃烧速度。当发动机运行在高负荷时，增大加湿量，这样可控制进气温度以及压缩终点温度，防止其过高，使着火不会在压缩过程未结束就发生，抑制爆震。同时增大含湿量可以控制燃烧速度防止过高爆发压力。当负荷降低时，减小加湿量，保持压燃多点着火所需的压缩终点温度和O2浓度，使燃烧可顺利进行，不失火。

Claims (2)

1、一种增压柴油机湿空气—柴油均质燃烧系统，包括涡轮增压器(1)、柴油机(7)、水箱(9)，其特征在于还包括加湿器(6)、气缸外柴油喷嘴(2)、废气再循环管(3)、文丘里管(4)、柴油废气混合室(5)、水泵(8)、预热换热器(10)、再热换热器(11)、A控制阀(12)、B控制阀(14)、A旁通阀(13)、B旁通阀(15)；涡轮增压器(1)的增压器出口端与加湿器(6)下端的空气进口相连，加湿器(6)上端湿空气出口与文丘里管(4)进口相连，文丘里管(4)出口与柴油机(7)的进气管连接；废气再循环管(3)进口与柴油机(7)的排气管相通，并且在进口端装有柴油废气混合室(5)，在柴油废气混合室(5)上端装有气缸外喷油嘴(2)，废气再循环管(3)出口与文丘里管(4)相连；加湿器(6)底端循环水出口与水箱(9)相连，水箱(9)出口分别通过A控制阀(12)和B控制阀(14)与预热换热器(10)和再热换热器(11)管程进口相连，再热换热器(11)管程出口通过管路与水泵(8)进口连接；预热换热器(10)的壳程与柴油机循环冷却水回路相连，再热换热器(11)的壳程与涡轮后排气管路相连；水泵(8)出口通过管路与加湿器(6)循环水进口连接。

2、根据权利要求1所述的一种增压柴油机湿空气—柴油均质燃烧系统，其特征是所述的A旁通阀(13)和B旁通阀(15)，A旁通阀(13)安装在预热换热器(10)管程进出口管道旁通回路中，B旁通阀(15)安装在再热换热器(11)管程进出口管道旁通回路中。

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