CN1218117C

CN1218117C - 内燃机缸内直接喷射周向分层燃烧系统

Info

Publication number: CN1218117C
Application number: CN031342280A
Authority: CN
Inventors: 周龙保; 黄勇成; 刘圣华; 杜嘉陵; 韩志玉; 张玉银; 赵慧
Original assignee: Xian Jiaotong University
Current assignee: Xian Jiaotong University
Priority date: 2003-06-02
Filing date: 2003-06-02
Publication date: 2005-09-07
Anticipated expiration: 2023-06-02
Also published as: CN1455079A

Abstract

本发明公开了一种能燃用汽油、甲醇、乙醇等多种燃料的内燃机缸内直接喷射周向分层燃烧系统，它包括：一个以气缸盖底面为上顶和以ω型活塞上表面为下底的燃烧室；一个火花塞和一个喷油嘴；一个进气门；一个排气门；一个螺旋形进气道在其下端通过进气门与燃烧室相通，以便在燃烧室内使进入的空气形成涡流；一个排气道在其下端通过排气门与燃烧室相通，以便将燃烧室内的燃烧气体排出。本发明的特点是：燃油通过喷孔不均匀分布的喷油嘴在压缩行程后期喷入燃烧室，火花塞附近的油束间夹角较小，而在火花塞下游顺涡流方向油束间夹角逐渐变大，利用机械运动以及燃烧室内涡流运动，实现由浓到稀的混合气周向分层。

Description

内燃机缸内直接喷射周向分层燃烧系统

一、技术领域

本发明涉及点燃式内燃机缸内直接喷射技术，进一步涉及适用于多种燃料的内燃机缸内直接喷射周向分层燃烧系统，特别适合火花点火缸内直喷分层燃烧发动机和醇类燃料发动机的使用。

二、背景技术

传统的点燃式内燃机燃烧汽油与空气形成的均质混合气(均质混合气是借助进气系统中的化油器或燃油喷射系统来形成的)，其功率依靠进气系统中节气门的开度来控制，在中小负荷工况下，由于节气门开度小，进气管内的真空度高，因此造成了较大的泵气损失，降低了发动机的热效率，同时由于小节气门开度时，残余废气系数高，燃烧质量下降，有害排放物增加。而缸内直接喷射式柴油机采用较高的压缩比，功率的变化是由喷油量来控制的，没有传统的点燃式内燃机那样的节气门节流损失，因而具有高的热效率。为了减少点燃式发动机的泵气损失，希望采用类似柴油机的缸内直接喷射技术，由喷油量控制发动机的功率，从而取消节气门，减小进气阻力，并改善发动机的热效率和排放。这就是二十世纪90年代出现的汽油机缸内直接喷射(简称为GDI)技术。

缸内直接喷射式汽油机在部分负荷时采用分层燃烧方案，即燃油在压缩行程后期喷入气缸，并通过合理地组织燃烧室内燃油与空气混合气的分布，保证点火期间在火花塞间隙区域内形成具有良好着火条件的较浓混合气，而在燃烧室大部分区域内形成较稀的混合气，在两者之间，混合气浓度从火花塞开始由浓到稀逐步过渡，以利于火焰的传播，从而在总体上燃烧较稀的混合气，以达到与柴油机的相当的燃油经济性；在全负荷时，在进气行程中喷入燃油，使燃油与空气有较长的混合时间，实现均质预混燃烧，以保持汽油机升功率高的优点。

缸内直接喷射式汽油机综合了传统柴油机与汽油机两者优点(热效率高、排放低以及动力性好等)，已成为当今车用汽油机的一个十分重要的发展方向。目前国外对GDI技术的研究极为活跃，日本三菱、丰田和美国福特等公司已有相应的GDI机型推出。但国外的GDI燃烧系统大多采用旋流喷嘴(未见采用多孔喷油嘴)，通过可产生滚流或可变涡流的复杂的进气系统并配合复杂形状的燃烧室，来实现在部分负荷时的分层燃烧。这种混合气分层方法，由于分层质量受流体动力控制，难以在各种工况下均能形成稳定可靠的分层充量，另外活塞顶形状比较复杂。

三、发明内容

从上述针对现有技术的介绍和分析中可见，目前在国内外还没有见到采用多孔喷油嘴的缸内直接喷射周向分层燃烧系统和缸内直接喷射式汽油机能灵活燃用醇类燃料的报道，本发明的目的是提供一种采用多孔喷油嘴的缸内直接喷射周向分层燃烧系统(简称为DICSC燃烧系统)，能燃用汽油和醇类等多种燃料。本发明采用加工技术成熟的多孔喷油嘴、用普通柴油机可产生进气涡流的成熟的螺旋进气道技术并配合适当形状的燃烧室，采用喷孔不均匀分布的多孔喷油嘴将燃油喷入缸内，结合适当的进气涡流，实现分层燃烧。

实现上述发明目的所采用的技术方案是：一种内燃机缸内直接喷射周向分层燃烧系统，包括：一个以气缸盖底面为上顶和以ω型活塞上表面为下底的燃烧室；一个火花塞和一个多孔喷油嘴；一个进气门；一个排气门；一个螺旋形进气道在其下端通过进气门与燃烧室相通，以便在燃烧室内使进入的空气形成涡流；一个排气道在其下端通过排气门与燃烧室相通；其特点是，多孔喷油嘴的喷孔不均匀分布，燃油通过喷油嘴在压缩行程后期喷入燃烧室，火花塞附近的油束间夹角较小，而在火花塞下游顺涡流方向油束间夹角逐渐变大，利用机械运动以及燃烧室内涡流运动，实现由浓到稀的混合气周向分层。

本发明的其他一些特点是，火花塞与油束间相对位置用下面四个参数所决定：喷油嘴与火花塞间隙的距离L＝27mm；火花塞与油束间的夹角θ＝10-16度；喷油嘴相对于火花塞在竖直平面内的伸出长度h-δ＝2mm-3mm；火花塞电极方位θs＝85-95度。

所述火花塞间隙宽度为0.6mm-0.8mm。

ω型燃烧室底部设置锥形凸台并与油束喷雾锥角相适应，以减少燃烧室内的空气运动死区，增加空气和混合气的运动线速度，提高燃烧室内空气利用率，压缩比为10-14。

螺旋形进气道产生的进气涡流强度为0.7-1.3。

本燃烧系统具有较好的燃油适应性，实验研究表明，本系统不仅有高的热效率，且可燃用甲醇、乙醇和汽油等多种燃料，目前国外文献未见缸内直接喷射式汽油机燃用醇类燃料的报道。

四、附图说明

图1是多孔喷油嘴的缸内直接喷射周向分层燃烧系统示意图；其中图1(a)是喷油嘴与火花塞所在平面剖面图；图1(b)是纵剖面图；图1(c)是油束分布示意图。

图2是缸内直接喷射周向分层燃烧系统燃用汽油、甲醇和乙醇时发动机性能(n＝1800r/min)对比曲线。

五、具体实施方式

以下结合附图和发明人给出的实施例，对本发明作进一步的详细说明。

多孔喷油嘴的缸内直接喷射周向分层燃烧系统包括：一个以气缸盖底面为上顶和以ω型活塞上表面为下底的燃烧室2；布置在缸盖上的一个火花塞3和一个多孔喷油嘴4；布置在缸盖上的一个进气门5和一个排气门6；一个螺旋形进气道7在其下端通过进气门5与燃烧室2相通，以便在燃烧室内使进入的空气形成涡流；一个排气道8在其下端通过排气门6与燃烧室2相通，以便将燃烧室内的燃烧气体排出。

缸内直接喷射周向分层燃烧系统工作过程描述如下：进气行程，空气通过螺旋进气道7进入气缸内，形成绕气缸轴线旋转的涡流运动；燃油在压缩行程后期通过喷孔不均匀分布的多孔喷油嘴喷入燃烧室，火花塞附近的油束间夹角较小，而在火花塞下游顺涡流方向油束间夹角逐渐变大，利用机械运动以及燃烧室内涡流运动实现由浓到稀的混合气周向分层；燃油喷射后某一时刻火花塞点火，火焰从火花塞间隙开始向燃烧室其它区域传播，高温燃气推动活塞做功，进入膨胀阶段；活塞下止点前某一时刻排气门打开，进入排气行程，燃烧气体通过排气门排出燃烧室；活塞到达上止点前某一时刻，进气门打开，进入进气行程，如此往复。

本发明的多种燃料内燃机缸内直接喷射周向分层燃烧系统，在一台气缸直径为100mm的发动机进行了实验。

缸内直接喷射周向分层燃烧系统中混合气浓度场的分布主要取决于喷油嘴顶端油孔的分布。在油嘴的设计过程中，为了保证在任何工况下火花塞附近总存在较浓、处于着火界限范围内、易于点燃的混合气，油束在火花塞附近的夹角较小(见图1)，并且在火花塞上游布置了3根油束(油束7′、8′、1′)，在火花塞下游顺涡流方向油束间夹角逐渐变大，共有8根油束，油孔直径为0.25mm。油束1′与油束2′、油束2′与油束3′、油束3′与油束4′、油束4′与油束5′、油束5′与油束6′、油束6′与油束7、油束7′与油束8′、油束8′与油束1′间的夹角分别为30度、45度、50度、55度、60度、60度、30度和30度。油束与缸盖底面的夹角为β＝15°。

由于本发明的周向分层燃烧系统中混合气的浓度分布是不均匀的，燃烧室中混合气浓度是随空间位置和时间而变化的，因而，要想在任何工况下都能保证火核稳定的形成并使火焰顺利传播，在燃烧室中选择合适的火花塞的位置非常重要。火花塞与油束间相对位置可以用下面四个参数所决定(见图1)：油嘴与火花塞间隙的距离L＝27mm；火花塞与油束间的夹角θ＝10度-16度；油嘴相对于火花塞在竖直平面内的伸出长度(h-δ)＝2mm-3mm；火花塞电极方位θs＝85度-95度。其他优化参数如下：火花塞间隙宽度定为0.6mm-0.8mm；最佳供油提前角对汽油、甲醇和乙醇分别是上止点前37℃A、42℃A和40℃A；汽油、甲醇和乙醇时的最佳喷油压力为8-12MPa；螺旋形进气道产生的进气涡流强度为0.7-1.3；采用ω型燃烧室，在燃烧室底部设置锥形凸台并与油束喷雾锥角相适应，以减少燃烧室内的空气运动死区，增加空气和混合气的运动线速度，提高燃烧室内空气利用率，压缩比为10-14。

发明人给出了缸内直接喷射周向分层燃烧系统燃用汽油、甲醇和乙醇时发动机性能的实例，见图2。由图2(a)可知，低负荷区域，燃用汽油、甲醇和乙醇时热效率略低于相似结构参数的缸内直接喷射式柴油机，在中、高负荷时，燃用醇类燃料时的热效率高于柴油机，其中燃用甲醇的最高，燃用汽油的热效率与柴油机的相当。

图2(b)给出了多种燃料发动机和柴油机的外特性对比曲线，在整条外特性曲线上，燃用醇类燃料的效率都较原柴油机高1-2个百分点，燃用汽油时的热效率与原机相当。多种燃料发动机的输出功率较原柴油机的高。

图2(c-f)给出了该适用于多种燃料的发动机和原柴油机排放的对比曲线。由于采用分层稀燃，以及醇类燃料高的汽化潜热，燃用醇类燃料时的NOx排放仅为原机的10％-40％，燃用汽油时约为原柴油机的21％-78％。低负荷时，发动机HC排放高于原柴油机，高负荷时，两者接近。CO排放比原柴油机的略高，但都在1％之下。发动机燃用醇类燃料时，烟度排放始终为零。燃用汽油时，在低、中负荷区可以实现无烟燃烧，而高负荷时存在少许碳烟。

由上可知，采用本发明的能灵活燃用多种燃料的缸内直接喷射周向分层燃烧系统的内燃机具有热效率高、排放低以及动力性好等优点，特别适用于燃用汽油、甲醇和乙醇等燃料。

Claims

1.一种内燃机缸内直接喷射周向分层燃烧系统，包括：一个以气缸盖底面【1】为上顶和以ω型活塞上表面为下底的燃烧室【2】；一个火花塞【3】和一个多孔喷油嘴【4】；一个进气门【5】；一个排气门【6】；一个螺旋形进气道【7】在其下端通过进气门【5】与燃烧室【2】相通，以便在燃烧室【2】内使进入的空气形成涡流；一个排气道【8】在其下端通过排气门【6】与燃烧室【2】相通；其特征在于，所述多孔喷油嘴【4】的喷孔不均匀分布，燃油通过多孔喷油嘴【4】在压缩行程后期喷入燃烧室【2】，火花塞【3】附近的油束间夹角较小，而在火花塞【3】下游顺涡流方向油束间夹角逐渐变大，利用机械运动以及燃烧室内涡流运动，实现由浓到稀的混合气周向分层。

2.如权利要求1所述的内燃机缸内直接喷射周向分层燃烧系统，其特征在于，所述火花塞【3】与油束间相对位置用下面四个参数所决定：多孔喷油嘴【4】与火花塞【3】间隙的距离L＝27mm；火花塞【3】与油束间的夹角θ＝10-16度；多孔喷油嘴【4】相对于火花塞【3】在竖直平面内的伸出长度h-δ＝2mm-3mm；火花塞电极方位θs＝85-95度。

3.如权利要求1或2所述的内燃机缸内直接喷射周向分层燃烧系统，其特征在于，所述火花塞【3】间隙宽度为0.6mm-0.8mm。

4.如权利要求1所述的多孔喷油嘴的内燃机缸内直接喷射周向分层燃烧系统，其特征在于，所述ω型燃烧室【2】底部设置锥形凸台并与油束喷雾锥角相适应，以减少燃烧室内的空气运动死区，增加空气和混合气的运动线速度，提高燃烧室内空气利用率，压缩比为10-14。

5.如权利要求1所述的内燃机缸内直接喷射周向分层燃烧系统，其特征在于，所述螺旋形进气道【7】产生的进气涡流强度为0.7-1.3。