CN1068096C - 在柴油发动机的汽缸中喷射燃料的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
在活塞式柴油发动机的汽缸的燃烧室内喷射燃烧的方法,当工作活塞在燃烧室内向上运动时产生燃烧空气旋流,并且从喷嘴中喷出的燃料束一部分与旋流方向相同,一部分与旋流方向相反,由与旋流方向相反方向喷出的燃料束在燃烧后产生的烟气混入与旋流方向相同的燃料束中,以减少NOx的形成。
Description
本发明涉及在柴油发动机的汽缸中喷射燃料的方法。本发明还涉及在柴油发动机的汽缸中喷射燃料的装置。
EP-0586775A1公开了一种在柴油发动机中用于燃料喷射的方法以及一种布置。柴油发动机,以及上述的专利文献所涉及的柴油发动机,在工作过程中产生大量的氮氧化合物(NOx)。
氮氧化合物产生的原因在于燃料温度高,该高温导致在燃烧空气中含有的氮的一部分在燃烧过程中氧化成氮氧化合物(NOx)。产生氮氧化合物的另一个原因在于,柴油发动机,特别是大型柴油机在工作过程中具有大的转速,这可促使氮氧化合物的形成,因为在实际工作过程中,有足够的时间用于形成NOx。
本发明的目的是提供一种减少在柴油发动机中形成NOx的方法及装置,以使在燃烧过程中产生的氮氧化合物(NOx)保持在较低的程度。
在根据本发明的在活塞式柴油发动机的汽缸的燃烧室内喷射燃料的方法中,用于一个工作行程的全部燃料由喷嘴喷出,并且在工作活塞向上运动时,燃烧空气的旋流在燃烧室内形成,其特征在于:
-至少一束从喷嘴喷出的燃料束的方向与旋流的方向相同;
-至少一束从喷嘴喷出的燃料束的方向与旋流的方向相反;
-由与旋流的方向相反的方向喷出的燃料束在燃烧后产生的烟气混入与旋流方向相同的燃料束中。
根据本发明的布置在活塞式柴油发动机的汽缸的燃烧室内的喷嘴,其特征在于:
-喷嘴具有以一个通过汽缸的中线和喷嘴的中线的延伸基线为准的多个出口,其中,所说出口中的至少一个出口具有用于喷射燃料的射出方向,该出口方向相对于基线在顺时针方向上具有小于180度的一夹角;并且
-所说出口中的至少一个出口具有用于喷射燃料的射出方向,该出口方向相对于基线在逆时针方向上具有小于180度的一个夹角。
本发明的优点在于,由于惰性烟气的作用,燃烧时间延长,使得燃烧温度降低。本发明的另一个优点在于,烟气为惰性热气,因此,混合有烟气的燃料束的燃烧温度下降。再一个优点是,以反方向喷出的燃料束与燃烧空气能产生非常好的混合,因此,燃料、空气和烟气能产生有益的混合。这种效果使燃烧温度下降,并且形成较少的NOx。这样的效果特别是在低速柴油发动机中出现,在这种发动机中,燃料在喷射后的燃烧时间是很短的。因此,在喷射和混合的整个时间内,烟气几乎总是存在的。
众所周知,迄今,本领域专业人员从不要求与旋流方向相反的燃烧喷射,认为这样的喷射会导致柴油发动机的效率降低。本发明的优点在于,NOx的产生将大幅度降低,相反,发动机的效率几乎没有降低,或者是仅是非实质性地变坏。
本发明方法的优点还在于,NOx的产生取决于部分以与旋流方向相反方向喷出的燃料。与旋流方向相反方向喷出的燃料越多,NOx的形成将越少。因此,不同的喷嘴,将相应产生不同的NOx。
下面通过一些实施例来描述本发明,其中:
图1简略表示一个带有喷嘴的汽缸的纵剖面图,该喷嘴于用实现本发明的方法;
图1a表示从燃烧室看的喷嘴装置的视图;
图1b表示另一个从燃烧室看的喷嘴装置的视图;
图1c表示在燃烧室中燃料燃烧过程中的一个喷嘴的视图;
图1d表示一个喷嘴的出口的视图;
图2表示一个NOx的形成及效率简图,其是在旋流方向相反方向上喷射燃烧量的函数。
在图1中,一个汽缸2表示一个未被详细示出的多缸低速两冲程柴油发动机,其中,一工作活塞8上下移动。工作活塞8与一个在汽缸2上设置的汽缸盖2b一起限定了一个燃烧室1,利用喷嘴3,液态燃料,即柴油或重油从下面将要描述的方式进行喷射。在汽缸盖2b的中心设置一个未被表示的排放阀,以便在工作活塞8向上移动开始时,产生一个纵向冲洗作用。在汽缸壁2上具有未被表示的进口,由这些进口燃烧空气被喷射到燃烧室1内,因此,各进口要如此安装和对正,以便使被吸入的燃烧空气产生旋转,该旋转是在燃烧室1内形成的。
喷嘴3具有一个喷针17,该喷针17在闭合弹簧16的作用下压向一支撑面16。在支撑面16之下预设一个盲孔,该盲孔与喷射孔12连通,该等喷射孔12与燃烧室1相通。在喷嘴壳体内在支撑面16之上预设一个压力室10,该压力室10通过一压力管道19与一喷射泵20连接,燃料通过管道21从一个未被示出的容器引出。当喷嘴18工作时,通过压力室10的管道19引出的燃料的压力是如此之大,以致使弹簧18的闭合压力被克服,并且喷针17从支撑面16上抬起,因此,燃料通过各喷射孔12进入燃烧室1。在壳体上,一通道22与一喷嘴3相连,该通道22用于排出漏出的燃料。汽缸2具有一假想的轴向中线2a,该中线2a延伸通过汽缸盖2b的中心。喷嘴3具有一个假想的处于喷嘴中心的轴向中线3a。
燃烧室1的视图图1a表示三个喷嘴3的布置,这三个喷嘴安装在汽缸盖2b上。从简略表示的喷嘴的喷射孔12燃料以放射状束6a、6b和6c的形式喷入燃烧室1,其表示从喷射孔12喷出的燃料的方向5a、5b和5c。现以三个喷嘴3中的一个为例表示燃料的喷射。因此,由每一个喷嘴燃料被以有效的方式喷射,以致利用三个同样的喷嘴,这三个喷嘴在燃烧室1内以具有同样效果的方式被设置,因此,对于每个喷嘴3都可获得相似的放射状束6a、6b和6c。
由于在汽缸2的壁上的进口角度的作用,喷入燃烧室1内的燃烧空气形成旋流。当工作活塞8向上运动时,燃烧空气旋流4进一步加强,该旋流的方向在图1a中用一箭头表示。在燃烧室1内的放射束6a、6b和6c通过旋流4的作用以常规的方式偏离燃料从喷射孔12射出的方向5a、5b、5c。
从图1a中可同样清楚地表示出与观察方向垂直的汽缸2的延长中线2a,以及喷嘴3的中线3a。一垂直的通过中线2a和3a的延伸基线5形成一直线,该直线相应地与射出方向5a、5b和5c形成各自的夹角。射出方向5a为0度角,射出方向5b和5c分别具有夹角α1和α2,这些夹角在所示的附图中在顺时针方向增大。射出方向5b和5c以与旋流4相同方向延伸,相反,射出方向5a以与旋流4相垂直方向延伸。
在图1b中,喷嘴3在燃烧室1内以与图1a相同的方式设置。在图1b所示的喷嘴3每一个都具有附加喷孔12,其相应的射出方向5d、5e和5f分别以夹角α3、α4及α5方向延伸,因此,在该示图中各相对于基线5的夹角在逆时针方向上增大。射出方向5d、5e和5f在图中是与旋流4相反方向延伸。
图1c表示一幅通过喷嘴3的断面,燃料从各喷孔12喷入燃烧室1内。射出的燃料束6a、6b和6c被燃烧,其由部分燃料和部分燃烧产物,如烟气构成。由于旋流4的作用,放射束6a、6b和6c的形成将受到严重影响。与旋流相反喷出的燃料束6c形成烟气,该烟气进一步与吸入的空气充分混合,并且烟气在旋流4的作用下与放射束6a和6b混合,因此,在燃料6a和6b的混合及燃烧过程中仅有少量的氧。该烟气使得燃烧时间变长,导致燃料束6a、6b中的燃烧温度降低。此外,该烟气吸收热量,使在其中弥散有烟气的燃料束的燃烧温度进一步降低。由此形成的低温燃料束导致少量的NOx的产生。当然,与旋流4同方向喷出的燃料束6b也受到与旋流4大体垂直方向喷出的燃料束6a的影响,在这种情况下,由燃料束6a产生的烟气通过旋流4被送到燃料束6b,不过,这种作用是相当小的,因此,仅有相对少量的烟气与新鲜燃烧空气的混合体产生。
本发明的方法在于,至少一束从喷嘴3喷出的燃料束6b的方向与旋流4的方向相同,至少一束从喷嘴3喷出的燃料束6a、6c的方向与旋流4的方向相反,并且根据旋流4,由燃料束6a、6c燃烧产生的烟气在旋流4的方向上被分别送到在该等燃料束后边的燃料束6a和/或6b中,因此,该烟气将影响在后面的燃料束6a和/或6b的燃烧过程。
为了实现上述的方法,喷嘴3可以各种可能的方式布置。特别是,在喷嘴3上的喷孔12可以各种可能的方式布置,以便达到所希望的效果,同样,喷嘴3也可以各种可能的方式布置在汽缸盖2b上,因此,部分燃料将以与旋流4相反方向喷出。图1d表示在喷嘴3的壁3b上布置出口7a-7e的一个实施例,该实施例是多种可能的实施例之一。
壁3b是喷嘴3置于燃烧室1内部的部分。该壁3b可以是圆筒形或者圆锥形。图1d表示的是壁3b的外形展开图。基线5构成夹角的零点,并且该基线通过出口7a。出口7b、7c、7h-e以相邻10度的间隔布置,因此,夹角α在顺时针方向上逐渐增加。出口7d、7e7f和7g同样以相邻10度的间隔布置,夹角α在逆时针方向上也逐渐增加。在图16中,射出方向5a相当于射出方向7a,射出方向5a在基线5方向上延伸。出口7b和7c相当于5b和5c,并相应对于基线5具有在顺时针方向上的夹角α1和α2。出口7d、7e和7f相当于出口5d、5e和5f,并且相对于基线5在逆时针方向上具有夹角α3、α4和α5。放射束6a、6b和6c的形式及射出方向可能受到例如出口7a-7e的布置,喷孔12的方向以及截面,或者在喷嘴3内所提供的燃料压力的影响。因此,喷嘴3的实施方式可以有许多,它们都具有本发明的效果。
在一个有益的实施例中,在逆时针方向布置的出口7d、7e、7f和7g,或者出口5d、5e和5f相对于基线5至少具有20度的夹角。在另一个有益的实施例中,出口7d、7e、8f和7d相对于基线5的夹角至少为20度,最大为100度。在又一个有益的实施例中,出口7d、7c、7f和7d的布置应使至少10%的从喷嘴3喷出的燃料通过这些出口7d、7e、7f和7g以与旋流4相反方向喷出。
图2表示在与旋流4方向相反方向喷出的燃料量与NOx产生,更确切地说与效率η之间的关系。随着与旋流4方向相反方向喷出的燃料的增加,在燃烧过程中,NOx的形成减小。如在与旋流4相反方向上喷出的燃料达30%,NOx的减少值ΔNOx将大幅度下降,与此相反,效率η仅下降较小和值Δη。
用一个可控制的手段影响在与旋流4相反方向喷出的燃料是有益的,以此控制所喷出的燃料,或者与一个传感器,例如NOx传感器以及一调整装置相结合,使所喷出的燃料可被调整。这样的可控制的手段,例如可设置在喷嘴3内,该手段可以采用阀门,该阀门可部分地盖住出口7d、7e、7f和7g,并与一个机械传动装置相连。该控制手段还可以如此设置,以使其成为机械方式设置,喷嘴在燃烧室内的位置或布置可通过旋转喷嘴来改变,以便在与旋流4相反方向喷出的可调节部分的燃料得以改变。
Claims (11)
1.在活塞式柴油发动机的汽缸(2)的燃烧室(1)内喷射燃料的方法,其中,用于一个工作行程的全部燃料由喷嘴(3)喷出,并且在工作活塞(8)向上运动时,燃烧空气的旋流(4)在燃烧室(1)内形成,其特征在于:
—至少一束从喷嘴(3)喷出的燃料束(6b、6c)的方向与旋流(4)的方向相同;
—至少一束从喷嘴(3)喷出的燃料束(6d)的方向与旋流(4)的方向相反;
—由与旋流(4)的方向相反的方向喷出的燃料束(6d)在燃烧后产生的烟气混入与旋流方向相同的燃料束(6b、6c)中。
2.根据权利要求1的方法,其特征在于,由汽缸(2)的中线(2a)和喷嘴(3)的中线(3a)构成一垂直基线(5),并且以与旋流(4)的方向相反方向喷出的至少一束燃料束(6c)以至少20度角喷出,该角度是该燃料束的射出方向(5d、5e、5f)与基线(5)之间的夹角。
3.根据权利要求1或2的方法,其特征在于,从喷嘴(3)喷出的燃料至少有10%通过至少一束与旋流(4)的方向相反的燃料束(6c)喷出。
4.根据权利要求1或2中的任意一项的方法,其特征在于,与旋流(4)的方向相反方向喷出的燃料束(6c)喷出的燃料量由一个控制装置控制。
5.布置在活塞式柴油发动机的汽缸(2)的燃烧室(1)内的喷嘴(3),其特征在于:
—喷嘴(3)具有以一个通过汽缸(2)的中线(2a)和喷嘴(3)的中线(3a)的延伸基线(5)为准的多个出口(7a-7e),其中,所说出口(7a-7e)中的至少一个出口具有用于喷射燃料的射出方向(5b、5c),该出口方向相对于基线(5)在顺时针方向上具有小于180度的一夹角(α1、α2);并且
—所说出口(7a-7e)中的至少一个出口具有用于喷射燃料的射出方向(5d、5e、5f),该出口方向相对于基线(5)在逆时针方向上具有小于180度的一个夹角(α3、α4、α5)。
6.带有出口(7a-7e)的喷嘴(3),其特征在于,该喷嘴(3)具有一个在径向上通过喷嘴(3)的中线(3a)的延伸基线(5);各出口(7a-7e)中的至少一个出口具有燃料的射出方向(5b、5c),该方向相对于基线(5)在顺时针方向上具有一小于180度的夹角(α1,α2);各出口(7a-7e)中的至少一个出口具有燃料的射出方向(5d、5e、5f),该方向相对于基线(5)在逆时针方向上具有一小于180度的夹角(α3、α4、α5)。
7.根据权利要求6的喷嘴,其特征在于,各出口(7a-7e)是如此布置,以便至少10%的燃料通过出口(7d、7e、7f)以一个相对于基线(5)在逆时针方向上小于180度的夹角(α3、α4、α5)的射出方向(5d、5e、5f)喷出。
8.根据权利要求5至7中任意一项的喷嘴,其特征在于,所说出口(7d、7e、7f)在逆时针方向上的夹角(α3、α4、α5)的角度范围在20度和100度之间。
9.根据权利要求5至7中任意一项的喷嘴,其特征在于,设置一个控制装置,以便最少量的燃料能影响在相对旋流(4)的逆时针方向上燃烧束(6c)。
10.由权利要求1或2的方法驱动的柴油发动机。
11.具有权利要求5至7中任意一项的喷嘴的柴油发动机。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
C53 | Correction of patent for invention or patent application | ||
CB02 | Change of applicant information |
Applicant after: New Sulzer Diesel A G Applicant before: New Sulzer Diesel AG |
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COR | Change of bibliographic data |
Free format text: CORRECT: APPLICANT; FROM: NEW SULZER DIESEL AG TO: WARTSILA NSD SCHWEIZ AG |
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C14 | Grant of patent or utility model | ||
GR01 | Patent grant | ||
C17 | Cessation of patent right | ||
CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20010704 Termination date: 20101116 |