CN1434193A - 实现柴油机低排放均质燃烧的方法 - Google Patents

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崔毅
邓康耀
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    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B1/00—Engines characterised by fuel-air mixture compression
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Abstract

一种实现柴油机低排放均质燃烧的方法，属于内燃机技术领域。本发明通过改变传统柴油机的进排气及喷油正时，用缸内高温废气加热预先喷入的柴油使柴油能够在着火之前充分蒸发并与空气均匀混合；通过控制进气温度和进排气阀正时来实现柴油的均质多点压燃，Nox排放可降低98％，碳烟排放几乎为零，同时提高中低工况的热效率；燃烧室采用绝热材料，减少了不完全燃烧量，保持较低的HC和CO排放；实现柴油发动机的高效低污染燃烧。

Description

实现柴油机低排放均质燃烧的方法
技术领域
本发明涉及的是一种实现柴油机低排放均质燃烧的方法，特别是一种通过改变柴油机常规的进排气凸轮型线以改变进排气阀正时，改变喷油正时，以及采用绝热材料等措施，控制柴油机工作工质成分、柴油的蒸发混合过程，从而间接控制缸内燃烧发生时刻及燃烧速度，实现柴油空气均匀混合压燃的低排放燃烧方式，属于内燃机技术领域。
背景技术
现阶段，柴油机仍然是效率最高的热机，但是为了满足日趋严格的排放法规要求，传统的柴油机面临极大的挑战。由于柴油机的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。为了克服上述排放问题，提出了预混合均质燃烧概念。这种预混合均质燃烧方法能够使Nox和颗粒排放大幅度降低，使柴油机不采取其他措施就可满足严格的Nox和颗粒排放标准。正因为在排放方面的巨大吸引力，人们进行了一些柴油均质燃烧的试验及理论研究。通过研究发现，要实现柴油均质燃烧有两个障碍：一是柴油/空气混合气的制备，二是燃烧始点及速度的控制。已有技术中，Takeda Y.等发表的SAE论文《Emission characteristics of premixedlean diesel combustion with extremely early staged fuelinjection》中，提出了采用增大喷油提前角的方法，在压缩冲程开始就提前喷油，使在燃烧之前柴油能够蒸发并与空气均匀混合，实现均质预混合燃烧。但是柴油不易挥发，难于和空气均匀混合，增加喷油提前角，一方面喷油油束和燃烧室不能很好匹配，另一方面喷油时缸内温度压力较低，将柴油喷入温度不高的低密度环境介质中，柴油油束蒸发较慢，会和气缸壁面干涉，导致缸壁积油，产生了很高的HC和CO排放，并使油耗上升。
发明内容
为了克服已有技术的不足和缺陷，本发明提出了一种柴油机实现低排放均质燃烧的新方法。即通过改变进排气凸轮型线，以改变进排气阀正时，使排气阀在排气冲程上止点前关闭，进气阀在排气冲程上止点后开启，排气阀关闭角度和进气阀开启角度相对于排气冲程上止点基本对称，压缩废气所消耗的功在进气冲程基本回收；在排气阀关闭之后，排气冲程上止点之前(考虑到燃烧室与喷雾的配合)将燃油喷入缸内。同时，气缸套、活塞顶、气缸盖底板、气缸圈、进排气门采用高温结构陶瓷绝热材料。
发动机运行时，在排气阀关闭后，排气冲程上止点之前将燃油喷入缸内。在排气阀关闭到进气阀开启这段时间内，缸内的温度较高，因此燃油蒸发较快；而且缸内基本是燃烧废气，温度低于冷火焰反应温度，不满足着火条件，喷入的燃油不会着火燃烧。由于燃油喷射时温度高，蒸发快，减少了油束的碰壁。在进气阀打开后，由于气流的运动，使燃油蒸汽和新鲜空气均匀混合(由于时间较短，蒸发的燃油蒸汽较少凝结)。由于燃烧室采用了绝热材料，室壁的高温抑制了燃油蒸汽在进气过程中凝结于壁面。通过控制进气温度和排气阀关闭角度(控制缸内残余废气量)，使混合气在压缩冲程上止点附近开始燃烧，由于燃烧是预先均匀混合方式，燃烧速度较快，中低工况热效率比常规的柴油机燃烧热效率高；同时由于缸内油气均匀分布，不存在局部高温区和缺氧区，并且由于采用缸内废气再循环，因此Nox和颗粒排放大幅度下降，NOx可降低98％，颗粒接近零排放，无需其他措施就可满足严格的Nox和颗粒排放法规。由于燃油蒸发混合比较完全，在燃烧室壁面滞留的燃油蒸汽减少；同时采用了绝热材料，燃烧室壁温升高；这些措施都使HC和CO的排放大幅度降低。
本发明通过在传统柴油机上做部分改进，解决了柴油机Nox和颗粒排放这一对矛盾，保持了传统柴油机较低的HC和CO排放。同时提高了中低工况燃烧效率。
附图说明
图1是本发明的喷油及气阀正时匹配示意图
图中时刻1为排气冲程下止点，2为开始喷油时刻，3为排气冲程上止点，4为进气冲程下止点，5为一般柴油机的凸轮型线，6为本发明的凸轮型线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施做进一步的描述。如图1所示，改变进排气凸轮型线，以改变进排气阀正时，将原机凸轮型线5改变为本发明凸轮型线6，使原机的排气阀关闭时刻提前，进气阀开启时刻延后，即排气阀在排气冲程上止点3前关闭，进气阀在排气冲程上止点3后开启，排气阀关闭角度和进气阀开启角度相对于排气冲程上止点3基本对称。并且喷油时刻2从压缩冲程上止点前提前到排气冲程上止点3前。气缸套、活塞顶、气缸盖底板、气缸圈、进排气门采用高温结构陶瓷绝热材料ZrO2，Si3N4。发动机运行时，在排气阀关闭后，排气冲程上止点3之前的开始喷油时刻2将燃油喷入缸内。在排气阀关闭到进气阀开启这段时间内，缸内的温度较高，因此燃油蒸发较快；而且缸内基本是燃烧废气，温度低于冷火焰反应温度，不满足着火条件，喷入的燃油不会着火燃烧。由于燃油喷射时温度高，蒸发快，减少了油束的碰壁。在进气阀打开后，由于气流的运动，使燃油蒸汽和新鲜空气均匀混合。由于燃烧室采用了绝热材料，室壁的高温抑制了燃油蒸汽在进气过程中凝结于壁面。通过控制进气温度和缸内残余废气量，使混合气在压缩冲程上止点附近开始燃烧，由于燃烧是预先均匀混合方式，燃烧速度较快，中低工况热效率比常规的柴油机燃烧热效率高；同时由于缸内油气均匀分布，不存在局部高温区和缺氧区，并且由于采用缸内废气再循环，因此Nox和颗粒排放大幅度下降，NOx可降低98％，颗粒接近零排放，无需其他措施就可满足严格的Nox和颗粒排放法规。由于燃油蒸发混合比较完全，在燃烧室壁面滞留的燃油蒸汽减少；同时采用了绝热材料，燃烧室壁温升高；这些措施都使HC和CO的排放降低，保持了传统柴油机HC和CO排放低的特点。

Claims (1)

1、一种实现柴油机低排放均质燃烧的方法，其特征在于：
(1)改变进排气凸轮型线，以改变进排气阀正时，使排气阀在排气冲程上止点3前关，进气阀在排气冲程上止点3后开，排气阀关闭角度和进气阀开启角度相对于排气冲程上止点基本对称；
(2)发动机运行时，在排气阀关闭后，排气冲程上止点3之前的开始喷油时刻2将燃油喷入缸内；
(3)气缸套、活塞顶、气缸盖底板、气缸圈、进排气门采用高温结构陶瓷绝热材料ZrO2，Si3N4。
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