CN1076995A - 双燃料发动机的燃烧方法 - Google Patents

Abstract

一种将主燃料，如煤水浆，和易燃的附加燃料，如 传统的柴油，喷入内燃机中的装置和方法。它包括检 测发动机的负载状况，确定在活塞上止点位置之前， 向燃烧室中喷射主燃料的时间，并确定向燃烧室喷射 附加燃料的时间关系，以得到预定的比燃料消耗量、 燃烧效率和汽缸峰值燃烧压力。

Description

本发明涉及一种将细小颗粒的煤与水混合喷入柴油机气缸中的***。

柴油机能够有效地将碳氢化合物燃料的潜热转化为有用的机械功。在传统柴油机的操作中，一预定量的燃料在曲轴的旋转与往复活塞的空气压缩冲程相一致的重复的间隔喷入发动机的每个气缸中。在压力增加时，气缸中的压缩温度升高，且喷入的燃料不久便加热到足以起燃的程度。结果是燃料的燃烧迫使活塞向相反方向运动，从而为发动机曲轴提供力矩。

传统发动机燃料的品级较低。精炼的燃料，即柴油机燃油，具有所需的起燃和放热特性。柴油含有低的腐蚀性，磨蚀性和其他有害物质，而且目前供应充足。

近一个世纪以来，本领域的技术人员已经知道，不论煤是以干粉或液浆形式（即粉状煤或其他形式的碳粉与液态载体如油或水的混合物），是另一种可供选择的柴油机燃料。对发展一种煤燃料占主要部分的柴油机的关注焦点越来越转向其成本，而非标准柴油的供给。见J.P.Davis，J.B.Dunlay，M.K.Eberle和H.A.Steiger所著“使用煤基燃料的低速两冲程柴油机试验”一文。美国机械工程学会1981年，第81-DGP-12文章。

向压燃式往复活塞内燃机（诸如大型中速多缸柴油机）中喷射煤水浆（以下有时简称为CWS），会造成纯液体燃料喷射中不常遇到的问题。问题之一是由于CWS有较长的点火滞后期，因而不会象传统柴油机那样容易起燃，因为对所获得的CWS的雾化程度的实际的限制，并且与使用标准柴油作为主燃料的柴油机相比，对进气温度和发动机气缸中的压缩温度的增加量亦有实际的限制。

早在六十五年前，人们就知道少量的易燃辅助燃料喷入柴油机可改善其它不易起燃的“重”碳氢化合物燃料的燃烧。见英国专利第124，642号。其中所用的术语“辅助燃料”意思是较轻的碳氢化合物燃料（例如，甲醇、甚至标准柴油），它们具有比喷射***中的主燃料更为容易起燃的特性。

美国专利4，825，842号公开了一种内燃机的燃料喷射***，其中柴油作为起始燃料喷射，而CWS则作为主燃料喷射。该专利公开了一台装置，它既可让柴油用作CWS的辅助燃料，又可作为内燃机的单一燃料。然而，该专利中既没有写明喷射CWS主燃料和起燃燃料的喷射定时，也没有写明对用这些燃料的燃料效率、排放控制及最大缸内压力进行优化。

美国专利4，612，898号公开了一种活塞式内燃机的气缸盖，它具有两个燃料喷嘴：一个用来喷射起燃燃料，而另一个用来喷射主要的非自燃燃料。然而它也没有写出喷射CWS主燃料和起燃燃料的喷射定时，并且也未对使用这些燃料时的燃料效率、排放控制及最大缸内压力进行优化。

美国专利4，700，672公开了一种内燃机的双燃料喷射装置，其中可用液态或气态的燃料作为主燃料，还有辅助燃料。文中称，辅助燃料应与主燃料同时喷射。然而它也未对使用这些燃料时的燃料效率，排放控制及最大缸内压力进行优化。

Hsu等人的美国专利4，782，794公开的是将少量易燃辅助燃料在喷射CWS之前喷入，以帮助煤燃料柴油机中的CWS的燃烧。它建议辅助燃料可与CWS在供油箱中混合喷射，或者可用分开的辅助燃料喷嘴（美国专利4，335，684）或者将辅助燃料及主燃料喷嘴合为一同轴的组件（见美国专利4，266，727），它也提议通过喷射与CWS燃料适时的起燃相协调而喷入最少量的辅助燃料来节约成本（假定CWS燃料比辅助燃料便宜）。

Hsu的美国专利4，782，794号也公开了一种燃料喷射***，它特别适用于在高压下喷射煤浆燃料，它包括一个蓄压式燃料喷射器，利用高压辅助燃料作为清洁液，以防止来自针阀将要打开和关闭时燃料中的大颗粒并作为液压媒介，以使针阀保持在关闭位置。一条在喷射器中的流体通道将少量的起燃助燃辅助燃料导至喷射器喷嘴处的腔室的一适当区域内，以便在每次喷射开始时让第一层主要由辅助燃料构成的燃料喷入，而后再喷主要的液浆燃料。

下面列出了几篇关于一般的柴油机或用CWS燃料的内燃机的文章：

W.J.D.Annand的“往复活塞式内燃机气缸中的热传导”，机械工程学报1963年第177期第36号。

J.A.Caton，K.D.Kihm，A.K.Sesadri和G.Zicterman的“容积式燃料喷射***中喷雾微细煤水浆”，发表于燃烧学会，中部地区1991年春季技术会议，田纳西Nashville，1991年4月（后简称为“[Cafon    1991]”）。

P.L.Flynn，B.D.Hsu和G.L.Leonard的“GE运输***中煤燃料柴油机的发展”ASME出版，燃气轮机及动力工程杂志，1990年第112期第3号，369-375页（后简称“[Flynn等1990]”）。

B.D.Hsu的“柴油机的放热、循环效率及最大气缸压力-空气循环分析的广泛应用”SAE会刊，1984年第4.766页（后简称“[Hsu    1984]”）。

B.D.Hsu的“在中速柴油机中煤水浆燃料的研究进展：第1部分-起燃研究”ASME会刊，燃气轮机及动力工程杂志1985年第110期，第3号，415-422页（后简称“[Hsu    1988a]”）。

B.D.Hsu的“在中速柴油机中煤水浆燃料的研究进展：第2部分-满负荷初步试验”SAME会刊，燃气轮机及动力工程杂志，1988年第10期，第3号，423-430页（后简称“[Hsu    1988b]”）。

B.D.Hsu，G.L.Leonard和R.N.Johnson的“在中速柴油机中煤水浆燃料的研究进展：第3部分-蓄压喷射器的性能”SAME会刊，燃气轮机及动力工程杂志，1989年第111期，第3号，516～520页（后简称“[Hsu    1989]”）。

B.D.Hsu和G.L.Confer的“在中速柴油机中煤水浆燃料的研究进展：第4部分-燃料的影响”SAME会刊，煤燃料柴油机1991年ICE第14期（后简称“[Hsu    1991]”）。

A.M.Kanury的“燃烧现象的介绍”Cordon和Breach科学出版社1977年第2版（后简称“[Kanury    1975]”）。

S.Wahiduzzaman，P.N.Blumberg和B.D.Hsu的“煤燃料机车柴油机的有效设计及操作特性的模型”ASME会刊，煤燃料柴油机1991年ICE第14期（后简称“[Wahiduzzaman    1991]”）。

P.M.Walsh，M.张，W.F.Farmayan，J.M.Beer的“煤水浆在密闲紊流扩散火焰中的起燃和燃烧”参加了1984年8月的第二十届国际燃烧会议密执安州Ann    Arbor。

下面所述的CWS在柴油机中的起燃方法是由B.D.Hsu在“煤水浆燃料在中速柴油机中的研究进展：第一部分-起燃研究”中讨论的，ASME会刊燃气轮机及动力程杂志1988年第110期，第3号，415～422页（后简称“[Hsu    1988a]”）：

·压燃，其中CWS是完全由发动机气缸中产生的压缩温度点燃。

·分置的辅助柴油燃料喷射，其中一个分置的辅助喷射器用来提供一小部分纯柴油，以点燃由主喷射器喷射的CWS（用两个分置的喷射器）。

·层状辅助燃料起燃，其中有少量柴油通过主燃料喷射器喷入气缸中，在此来自喷射器的另一部分燃料主要由柴油构成，而后再主要是CWS。此处用的辅助燃料是在CWS的喷射之前喷入的，以便帮助CWS燃料起燃。

[Hsu    1988a]一文中描述了一台中速柴油机中CWS燃料的起燃研究。其中CWS燃料和辅助燃料是利用分置的喷射***分别喷入燃烧室的。其中所有的试验都是在低负载状态下进行的。在该文章的描述中，辅助燃料是在低负载状态下在CWS燃料之前或在接近CWS燃料开始喷射之时喷入的。

在[Hsu    1988a]和[Flynn等1990]的试验报告中，初步的成功是在主要燃烧煤浆燃料的12缸发动机中经改装的机械燃料喷射装置（FIE）下获得的。但是，该发动机所用的机械燃料喷射装置只能提供95%的燃烧效率，并且须用高比例的柴油辅助燃料（见Hsu    1988b和Flynn等1990）。在[Hsu    1988a]文章中指出，在低或最小负荷状态下用辅助燃料起燃CWS燃料时，CWS燃料的燃烧开始时刻是受辅助燃料开始起燃支配的。

如早在[Hsu    1989]的报告中所述，它发展了一种使用金刚石紧密嵌入的喷嘴的高压电子控制蓄压喷射器[Flynn等1990]。这种新型FIE可靠性及耐久性的改进使得柴油机的CWS燃料的燃烧可以得到改善，并可更加全面地进行研究。主要是由于发动机的起动和低负载运行的需要而决定在燃烧***中带有一个柴油辅助燃料喷射器。由于不需要停机就有能力改变辅助/CWS喷射定时和量，因而实验性的燃烧研究就十分方便。其他参数的研究，包括燃烧室形状（通过改变CWS燃料喷射器喷嘴孔的数目/形状/角度），以及喷射压力。

由于广泛的试验，从而确定了将较少的柴油量在最小负载下于CWS燃料之前作为辅助燃料喷入燃烧室中起燃CWS燃料。但是在中到低负荷之间的范围内，在CWS燃料喷入之前以传统方式喷入同样量柴油作为辅助燃料则不能够使CWS燃料以及时并且干净的方式燃烧，但是这会使利用廉价CWS燃料驱动发动机的目标部分受挫。

本发明的一个目的是在柴油机中干净并有效地燃烧CWS燃料。

本发明的第二个目的是开发一种双燃料***，其中CWS为主燃料，而较少量的易燃燃料，诸如传统的柴油，则用作附加燃料来完成CWS燃料的及时和完全的燃烧。

本发明的第三个目的是一面保持可容许的气缸峰值燃烧压力（Pmax）以及适当的比燃料消耗量（SFC），而同时又使燃烧效率（即碳完全燃烧）达到最大。高燃烧效率主要是为了控制排放，虽然也对SFC一些效果。人们已发现，由于集中放热或者煤燃料柴油机的较高循环效率[Hsu    1984]，需要限制Pmax[Hsu    1988a]。低的发动机SFC依赖于较高的循环效率和高的燃烧效率。但是，较高的循环效率通常带来高的Pmax。因而本发明的这一目的就是获得一个折衷方案，防止发动机元件的机械故障。

本发明的第四个目的是提供一个燃料喷射及控制***，使涡轮增压式压燃发动机起动并用柴油在低功率状态下工作，而后在涡轮增压器能提供所需的进气温度和压力状态时，转换为煤水浆或者其他不易燃的燃料。该燃料喷射***包括两个部分：（1）一套附加柴油***（2）一套满负荷煤水浆***。发动机可以在低负荷下以附加柴油***来起动、空转及运转。当负载水平达到可用煤燃料时，煤水浆喷射***便工作并随负载情况逐渐引入且作为负载的附加柴油逐渐停用。

在本发明的实施例中，在柴油机上使用了两个燃料***：一个主燃料***和一个附加燃料***。主燃料***采用CWS燃料。附加燃料***使用一种易燃燃料，诸如传统的柴油。用来驱动发动机的主要燃料是CMS燃料，它较附加燃料要廉价。附加燃料根据发动机负载状况既可作为燃烧的起燃剂或增强剂。发动机的负载状况由本领域技术人员公知的传统检测***检测。

在本发明的一个实施例中，主燃料和易燃附加燃料是分别喷入内燃机燃烧室的。两种燃料每个的喷射定时都取决于发动机的负载状况。因而，要首先确定负载状态，再决定两种燃料的喷射定时。在一定负载状态下，喷射定时的确定是以活塞的上止点位置之前喷入燃烧室主燃料的时间量来实现的。附加燃料喷入燃烧室的喷射定时关系也被确定，用来实现预定的比燃料消耗量、燃烧效率及气缸峰值燃烧压力。

在本发明的一实施例中，一套用于多缸柴油机车发动机的双燃料***带有：一种主燃料，即煤水浆;还有一种附加燃料，即一种易燃燃料，诸如传统的柴油。附加燃料用来起动机车发动机，并使之在怠速或无负载状态下运转，进行预热。当发动机用来驱动机车时，即在发动机加载时，发动机的负载状况被检测并被确定，而且在最小负载状态（大于发动机怠速或无负载状态），附加燃料便在主燃料被引入之前被引入燃烧室中作为辅助燃料。在中等负载水平下，所需的主燃料蒸发及挥发预定量的时间已被确定，并且主燃料大大早于活塞上止点位置之前引入燃烧室，以便实现预期的蒸发和挥发量。附加燃料向燃烧室的喷入较在最小负载状态下的喷射要滞后一个预定的时间量，以便主燃料能够被引燃并很快燃烧，产生预期高燃烧率和效率。在最大负载状态下，主燃料预定的蒸发及挥发量所要时间量已被确定。主燃料的喷入大大早于活塞的上止点位置，以便实现预期的蒸发及挥发量。附加燃料向燃烧室中的喷入被延迟到主燃料喷射后的一预定时间量之后，以使主燃料蒸发并使主燃料能很快燃烧，从而产生预定最大气缸压力下的预期高燃烧率和效率。因而，某些情况下，在最大负载状态时，主燃料会在附加燃料喷入之前自燃，这样，附加燃料将作为燃烧增强剂，而不是辅助燃料。

煤水浆可以包括有大约0.7%到2.5%的煤灰而且的固体填料的重量百分比为大约47%到49%。

同样，在本发明又一实施例中，一套分置的独立附加燃料喷射***被用来以易燃燃料（诸如传统的柴油）起动，并驱动发动机在低负荷下运转，而另一套独立的主燃料喷射***则被用来在发动机到达常规工作状态时喷射低可燃性燃料，诸如CWS。节流装置用以选择发动机的工作负载。传感装置，诸如，传感器，用来与气缸相联系，既可以是直接的也可以通过发动机的其他部分，以确定发动机的工况。响应于传感装置和节流装置的控制装置，例如电子回路或其他公知的计算机控制器，连接在附加燃料喷射***和主燃料喷射***中，并且选择喷入发动机汽缸中的CWS燃料及柴油的量，以及根据上述方法为其相应的喷射定时。

图1是具有独立的煤水浆燃料和附加燃料喷射器的燃烧室的示意图;

图2是在三种不同工况下双燃料发动机全负荷时的燃烧分析图表;

图3是图2所示燃烧工况下气缸内温度和压力的示图;

图4是对CWS燃料自燃滞后研究的结果图;

图5是燃烧过程中CWS燃料的冲击作用示图;

图6为喷射定时和CWS燃料冲击的简图;

图7是在满负荷下的喷射定时图;

图8表示出了喷孔出流系数的影响;

图9为在一定转角下的喷束和冲击面的示意图;

图10是不同曲轴转角下喷束定时的效果图;

图11为CWS燃料不同喷射压力下的运行效果图;

图12为CWS燃料不同喷射压力下的燃料效果图;

图13为低负荷下发动机的燃烧状态;

图14是本发明的燃料喷射***的方框图;

图15为煤水浆燃料柴油机燃料喷射***的示意图;

图16显示了一种煤燃料发动机的结构示意图;

图17为一种12缸煤燃料柴油机的结构示意图;

图18为一种用于12缸煤燃料柴油机的燃料喷射装置的示意图;

图19是一种用于12缸煤燃料柴油机的燃料喷射控制器的示意图;

图1示出了一种用于本发明的多缸柴油机的典型燃烧室的各个部件。内燃机的往复运动的活塞12置于气缸10中，它与曲轴（图中未示出）以公知的方式可操作地相连。活塞12顶部16和缸盖18下方之间的气缸空间构成了燃烧室14。

气缸10上设有可将主燃料引入气缸的装置，该装置包括一个主燃料喷射器20，此喷射器可依授于Hsu的美国专利4，782，794号来制造。这样的燃料喷射***特别适用于高压下喷射煤浆燃料，它包括一个蓄能型燃料喷射器，该喷射器将高压辅助燃料作为清洁液，以防止燃料中的硬颗粒阻碍针阀的开启和关闭，同时该高压辅助燃料还可作为液压介质，将针阀保持在其关闭位置。

气缸10还包括另一个分置的装置，用以将不同于主燃料的附加燃料引入气缸。该装置包括一个如同现有技术中任何一种传统柴油机喷射器的附加燃料喷射22。

气缸10中还设有检测装置，如一个传感器，用以检测气缸内的压力和/或温度情况。

如现有技术中已知的传统柴油机，一般都具有一个与可变负载机械连接的曲轴，该可变负荷可以是一个交流发动机转子，发电机则向负载电路提供电能。发电机的输出能量，即加到发动机曲轴上的负荷受到一调节器的限制。发动机通常为带有两个气缸一组有多缸型式，每个气缸中分别配置一个往复运动的活塞，每个活塞经由连杆和轴承与曲轴的各个偏心轴或称曲拐连接。在常用的4000马力中速发动机中有16个气缸，缸孔直径约为9英寸。压缩比是12左右。每个气缸的空气进气阀和排气阀（图中未示出），这些阀由发动机凸轮轴上相应的凸轮控制，而凸轮轴则又由四冲程发动机的曲轴来驱动，曲轴每转两周凸轮轴转一圈，这样其齿轮的减速比为2∶1。

在授予Hsu的美国专利4，782，794号中，喷射期间进入每个气缸的CWS燃料量是随燃料控制轴的角度位置而变化的。燃料控制轴通过与曲拐的平行布置与燃料泵组的调整杆相连，每个燃料泵分别与各喷射器相对应。燃料控制轴通过一连接杆与可调执行机构相连，可将其转至所需位置，如所表明的由控制装置供给执行器的可变电输入信号值“X”位置处。

本发明的一个实施例为一个多缸柴油机，其缸径为229mm，冲程长267mm，额定转速1050转/分。燃烧室14中有一侧置辅助柴油燃料喷射器20和一个在中心设置的CWS主燃料喷射器22。辅助燃料喷射***和CWS主燃料喷射***均为柴油机中贯常使用的公知***，且它们的均由传统的电控***控制，此电控***亦如柴油机中已知的型式。这些***可依本发明如下所述方式改变喷射定时及喷射量。

本发明所用的一种CWS燃料是其中的煤要净化至仅含0.8%的煤灰（参见表1），浆中所用的固体的重量百分比应保持在49%。当然，CWS燃料中煤灰的含量也可以在0.7%至2.5%的范围内，浆液的重量百分比则可以在46%至51%的范围内变化，但其最好在47%至49%范围内。

表1.CWS中所用煤的成份分析

近似分析                                            化学分析

煤灰                    0.8%                          碳                82.59%

                                                              氢                5.34%

挥发物            39.40%                          氮                2.08%

                                                              氯                0.18%

碳                    59.80%                          硫                1.01%

                                                              氧                8.00%

颗粒大小

整体平均直径                5.47（微米）

热值                高热值        34630千焦／千克

图2表示了发动机满负荷工况下（高进气温度和压力）三次运行的燃烧分析。这三次运行使用相同的CWS燃料喷射定时，即上止点前25°，而辅助燃料的定时则是在上止点前35°、25°到15°变化的。正如从前的研究已经证实的那样，放热曲线的第一个小峰值对应的是辅助燃料的燃烧。放热曲线上升部分一开始，后面紧接着即为CWS燃料燃烧或称起燃的开始。图中表明发动机整个燃烧过程的开始取决于辅助燃料的定时。同样，还可以看了出，尽管CWS燃料的喷射定时是相同的，但煤起燃前CWS燃料的滞留时间是随辅助燃料的定时而变化的（滞留时间则是指从CWS喷射开始到燃起燃的时间。以放热曲线的第二次上升开始为特征）。

在图2右上角的表中列出了测试工况。在下面的“燃烧结果”表中列出了该燃烧研究中所用的测试条件（最大压力Pmax，燃烧效率和SFC）。在辅助喷射定时为15°时燃烧情况最好，此时的Pmax最低、燃烧效率最高、SFC最低。有些燃烧结果可以从对放热曲线的分析中得出。Pmax的最大值（辅助燃料定时为上止点前35°时）是由于上止点前有大量燃料燃烧所致。上止点前燃烧的燃料对Pmax值的影响远远大于上止点后燃烧的燃料（Hsu    1984）。最低的SFC值（辅助定时为上止点前15°）可由上止点附近燃料的集中燃烧得到解释，在同一表中所列的最高相对循环效率为92.4%即是证明。其他影响也可以从（Hsu    1984）中得到解释。在图3中，气缸压力和温度与放热曲线绘在了一起。在辅助燃料定时为上止点前15°，最高温度的最大值发生在放热曲线的结束期（上止点后30°～40°），它或许会对所得到的最高燃烧效率产生影响。

据信三条放热曲线形状的差别是由于煤起燃前CWS燃料滞留时间的变化造成的，该变化由图表2示出。煤起燃前CWS前的滞留时间有时类似于柴油燃料的“起燃延迟”，但其过程绝然不同。对一般的柴油燃料来说，在起燃延迟期内同时有物理的蒸发过程和化学能反应过程（主要是后一过程，该过程取决于燃料的十六烷值）。而对CWS燃料来说，滞留时间的存在主要是取决于水份蒸发的需要。在[Hsu    1988a]的对发动机的研究和[Walsh等人1984]的对炉的研究中可以观察到上述现象。可在起燃时间内燃烧的脱水煤燃料的量取决于此时水的蒸发量。显然，起燃前气缸内CWS燃料的滞留时间越长，则气缸内加热蒸发的水份就越多。因此，在起燃后立即会有更多的脱水煤进行燃烧。进而的很高的热量释放率。另一方面也应指出，在辅助燃料喷射初期以及开始燃烧时，气缸压力最初升得很高因而加速了蒸发过程。这一结果可以从图3所示的三个例子中看出。表2列出了煤起燃前的滞留时间期间缸内气体的平均温度（两者均是由曲轴转角和绝对时间表示）。但是，较高的温度对蒸发过程的影响要小于滞留时间的影响。这种现象一方面可以由如下所示的简化液滴蒸发关系来解释（Kanury，1975）。

dw＝k1＊dt＊1n（k2＊Tcy1+c）

其中：dw-蒸发水份的增量;

dt-时间增量;

Tcy1-缸内温度;

k1-液滴直径、热扩散和密度的函数;

k2-比热和蒸发热的函数;

c-比热、蒸发热和液滴密度的函数。

从上式可以看出，蒸发时受缸内温度指数的影响，而滞留时间则正比于蒸发量。另一方面，表2还表明了三种情况下气体平均温度的差是非常小的（即从940K到920K，差2%），但蒸发滞留时间变化的量级却很大（从0.95毫秒到2.38毫秒，增大约250%）。因此，由于有绝大多数的脱水煤燃料燃烧，也就不难理解在辅助喷射定时为上止点前15°时释放的热量最多、最集中的原因了。

表2：起燃前的滞留时间和平均温度

从以上分析可以看出，辅助燃料喷入发动机的任何时间都可使CWS燃料起燃，但尽可能多的延迟起燃时间可以获得好的燃烧结果，正如辅助喷射为15°的燃烧情况那样。这种情形或许可被称为“延迟起燃”。事实上通过对计算机燃烧模型的研究也表明，CWS燃料可以在大大早于辅助燃料之前喷射[Wahicluzzaman    1991]从发动机测试中还可以发现，如果辅助喷射更晚的话，CWS燃料就会自燃，此即为“延迟起燃”的界限。此时辅助燃料便不再点燃煤燃料，但却能在煤自燃后加强其燃烧。在所有这些情况下均未见对燃烧或发动机的运行有任何的不利影响。

由于CWS的自燃即为“延迟起燃”的界限，所以下一步就是研究如何推迟CWS燃料的自燃。显然，一种方法就是提前CWS燃料的喷射定时。在CWS燃料不自燃的情况下推迟辅助燃料喷射定的试验结果表示在图4中。很明显随着CWS喷射定时的提前，起燃延迟增大（见最下边的曲线），这是由于延迟期间内CWS处于比较低的缸内平均压缩温度造成的。所述试验的缸内平均温度情况示于图4最上边的一条曲线上。有趣的是中间一条曲线表明，依据曲轴转角位置的实际起燃时间并无很大变化。

可是这些试验结果却也表明了提前的喷射定时虽然大大推迟自燃，但却损害了缸内燃烧和发动机运行。图5表示了上述试验的燃烧分析结果。从该图右下角的燃烧结果表中，可以比较一下第一和第二个试验结果，显然第二个试验的SFC更好，它的起燃延迟更长。第一个试验号为31（CWS喷射是在22°）。第一个试验的试验号为33（CWS喷射是在32°）。两个试验的燃烧效率是一样的，但试验31的Pmax值却低得多。这是因“延迟起燃”的时间较短，致使放热率（实际的）较低而造成的。但这种趋向在试验39（点划线）中却有所变化，在这第三个试验中，CWS喷射定时进一步从上止点前32°提前到42°。试验结果表明，虽然Pmax值大致相等，但燃烧效率和SFC开始变坏（前者从99.5%变至99.1%，后者从8054KJ/KWh变化到8876KJ/KWh）。如果进一步将CWS喷射定时提前到上止点前47°（图中未示），则燃烧效率将猛然降至98%，SFC增至超过9100KJ/KWh。

这种燃烧恶化的原因是无法用通常的纯柴油运行试验来解释的。相反，在用柴油燃料工作时，提前喷射定时可导致上止点前的早期燃烧，从而使Pmax升高、敲缸（起燃延迟长）和SFC变化。反观煤燃料发动机，却没有早期燃烧。从对-包括本申请的分置的CWS燃料喷射的研究中[Caton    1991]得出的可能解释是，在喷射定时最早的试验中，CWS燃料束喷到了冷的气缸套壁上（参见图6）进一步的分析还表明，即使在喷射定时为32°的情况下，在5°曲轴转角以内，CWS燃料束将喷及活塞顶部。但在其后的至少20°曲轴转角内（约上止点前10°）CWS是不会起燃的。因此，喷来对活塞顶部的冲击发生在起燃之前很早，也许是活塞顶的温度还未高到足以破坏总体的蒸发及其后的燃烧的程度。将发动机打开后对活塞顶部进行观察，可以看到受到冲击的痕迹。CWS燃料和纯柴油燃料燃烧的主要区别在于，对CWS燃料束说，燃料束的冲击不仅是不可避免的，而且（对延迟起燃来说）是必要的。

发动机满负荷运行时的燃料喷射定时图可如图7所示，由Pmax，燃烧效率和SFC表示。它们由试验结果的等距线绘出（图中为直角坐标）。对上述三个值来说，在发动机满负荷工作范围内辅助燃料喷射定时似乎不产生什么大的影响，这可能是由于发动机缸内的燃烧主要是从煤燃料自燃开始的。在CWS喷射定时为上止点前37°时，任一种辅助燃料喷射定时均可产生最大的Pmax。由于上止点后燃烧的存在，辅助燃料喷射得越晚它对增加Pmax的作用就越小。在上止点前37°之前喷入CWS燃料（在图中为向右），由于燃料束对气缸套的冲击减少了放热率，所以Pmax便会减小。当喷射是在上止点前37°后（在图中为向左）进行的话就又可以看到CWS燃料“延迟起燃”的影响。从对图中燃烧效率和SFC的分析中也可得到同样的解释。但对CWS燃料最隹喷射定时来说，这两个图得出的结论就不尽相同了，其原因可能在于最隹喷射效率主要取决于缸内温度，而SFC则取决于在上止点处的放热强度（相对循环效率）和燃烧效率。利用这张图可以根据所需的Pmax、燃烧效率和SFC选择辅助燃料喷射定时和CWS燃料喷射定时。在图7的例3中前者为上止点前12°、后者为35°曲轴转角。

在对燃烧室结构研究的一个试验中，对具有10个和8个喷孔的CWS喷射进行了比较。10个孔的孔径为0.40mm，8个孔的孔径为0.46mm，其总的流通面积相等。图8对燃烧参数进行了归纳。从图中可以看出，这两种喷射器的Pmax、最高燃烧效率的最低SFC值是一样的，只是CWS的喷射定时是不同的。纯柴油燃料运行经验表明10个喷孔喷射器喷嘴更好的“空气利用”预示出了一些优点。对喷孔的燃料喷射速率的进一步研究表明，由于喷孔大小不同，所示喷射系数是不同的（0.40mm的喷孔系数为0.88，0.46mm的喷孔系数为0.80）。两种喷射器的喷射压力均为82.7MPa，喷出的喷束速度前者为333m/s、后者为300m/s。在喷射提前较小时具有较高速的10孔喷嘴喷出的燃料束将撞击缸套壁，使其最隹值有相应的变化。对被测试的两个喷射器的这种解释表明，开始进入喷束的空气量（取决于喷孔数）的重要性不及喷束撞击活塞顶后的二次雾化（取决于喷射速度）。另外还就其他喷孔形状进行了相似的测试，如用倒锥形喷孔、圆内边喷孔等，这些孔也分别被做成了8个和10个。所有这些试验都得出了相同的结论。喷束速度的影响是主要的。基于这些结论，为减小喷孔被堵塞的趋向，选用了8个孔喷嘴作为基本型式。

在8孔喷嘴中，经试验证明130°角的小喷束（与原先的150°角相比）可以避免CWS喷束对缸套的冲击（参见图9）。基于原先型式喷嘴的比较试验结果已在图10中绘出。由此可以看出，尽管SFC值很接近，但燃烧压力降低、燃烧效率不及以前。但是对于燃烧的设计，燃烧效率的降低是不可接受的，还表明最好也没有很多的CWS燃料附着在活塞顶部。要确定在燃烧室内CWS冲击的最隹值还有很多工作要做。

在对燃烧进行研究的一开始就研究了CWS的喷射压力。该压力从61到83MPa变化。图11对其间的Pmax，燃烧效率和SFC的结果进行了比较。随着CWS喷射压力的增加，Pmax和燃烧效率增加，而SFC降低。在试验范围内，当采用高喷射压力时，燃烧性能明显改善。图12表示了计算出的放热曲线及缸内压力的三个试验条件下喷射器的针阀升程。显然，在最高喷射压力时有最大的放热效率。喷射开始的时间是相同的（均为上止点前25°），且CWS是大约同时起燃的（上止点前10°），在起燃开始后放热率的增大是雾化改善和同时有更多燃料喷入共同作用的结果。有趣的是CWS燃料从起燃到其由放热峰值下降几乎都在35°至40°曲轴转角范围内。如果喷射持续时间超出该放热峰值下降之时，那么在[Hsu    1989]，文章中首次提及的那种放热速率很低的泵就会趋于燃烧过程的终点，它与超出35°至40°曲轴转角期间的燃料喷射延长期成正比。

低负荷运行的特点是进气道内的增压压力很低或没有。正如在[Hsu    1988a]的文章中已经说明过的那样，由于燃料中水份的蒸发吸收了大量热量导致温度下降，因此CWS燃料不可能自燃。考虑到水的蒸发，在循环的初期有必要加入辅助柴油以升高温度。图13表示了一个有凹形2的负荷典型的燃烧放热曲线（一般希望其转速为536转/分，BMEP为300KPa）。放热曲线中的第一个三角形是由辅助柴油燃料造成的，其占能量的24%（满负荷时则只占4%）。由于最高燃烧温度比较低，只有1560K（满负荷时为1900K），所以煤的燃烧效率仅达到93%。表3归纳出了低负荷时发动机的运行条件和性能。

有趣的是发动机负荷增加时辅助燃料的最隹喷射定时被延迟，而CWS的最隹喷射定时却提前了。正如估计的那样，发动机负荷增加，所需的辅助燃料减少。或许是由于燃烧改善的活塞顶部升高，燃烧效率随发动机负荷而增加。

在这一过程中，工作循环用煤的理想百分比是在对燃煤机车的经济效益总体考虑后确定的。使用纯柴油的一般机车怠速的时间占60%，在一个工作循环中，煤能量的消耗定为75%（柴油为25%）。在表3所列的工况中实际使用的煤占80%，超过了预定值。

图14的方框图表示了实现本发明的装置。内燃机（可以是柴油机）如图1所示。气缸具有一个活塞头顶部、气缸壁和缸盖之间的空间限定出的燃烧室。气缸带有两个燃料喷射器，一个用来喷射主燃料，另一个用来喷射附加燃料。每个喷射器均与燃料喷射***可操作地连接。附加燃料喷射***（可以是柴油）是现有技术中已知的。CWS燃料的喷射***由图15和18示意绘出。

压力传感装置（可以是压力传感器）、温度传感器和/或发动机曲轴传角感应器均设置成与发动机燃烧室和/或曲轴、和/或连杆、和/或节气门相连。可由计算机或微处理机驱动装置构成的控制与这些传感装置相连。控制装置还与燃烧喷射***可操作地连接，并根据节气门的输入来控制这些***。图16、17的19则表示了发动机的总体布置。

Claims (12)

1、一种将低可燃性燃料和高可燃性附加燃料引入内燃机中的方法，该内燃机包括至少一个带有一燃烧室的气缸，其特征在于：

a.喷入附加燃料起动机车并让发动机空转直到其达到正常工作状态；

b.检测发动机的负载状况；并且

(a)在最小负载状态下，将附加燃料作为辅助燃料在向燃烧室喷入主燃料之前喷入燃烧室中，

(b)在中等负载状态下，确定主燃料蒸发及挥发预定量所需的时间量；将主燃料在大大早于活塞上止点的位置前喷入燃烧室中以达到预定量的蒸发及挥发；将附加燃料向燃烧室的喷入较在最小负载状态下的喷入延迟一个预定的时间量，以便主燃料能够被引燃并很快燃烧产生预期的高燃烧率和效率，

(c)在最大负载状态下，确定主燃料蒸发及挥发预定量所需的时间量；将主燃料在大大早于活塞上止点位置前喷入以便实现预期的蒸发及挥发量，将附加燃料向燃烧室中的喷入延迟到主燃料喷射后的一预定时间量之后以使主燃料蒸发并能很快燃烧，从而产生预定最大气缸压力下的预期的高燃烧率和效率。

2、如权利要求1所述的方法，其中低可燃性主燃料是煤水浆。

3、如权利要求2所述的方法，其中高可燃性附加燃料是柴油。

4、一种将主燃料和高可燃性附加燃料引入内燃机燃烧室的方法，该内燃机包括至少一个带有一燃烧室的气缸，其特征在于：

a.检测发动机的负载状况;

b.确定活塞上止点前的时间量以便将主燃料喷入燃烧室;

c.将主燃料喷入燃烧室;

d.确定附加燃料喷入燃烧室的喷射定时关系用以实现预定的单位燃料消耗量、燃烧效率及气缸峰值燃烧压力;

e.将附加燃料喷入燃烧室。

5、如权利要求4所述的方法，其中主燃料是煤水浆。

6、如权利要求4所述的方法，其中高可燃附加燃料是柴油。

7、一种分别将主燃料和高可燃性附加燃料喷入内燃机燃烧室中的装置，该内燃机包括至少一个带有一燃烧室的气缸，其特征在于它包括：

a.检测发动机负载的第一负载传感装置;

b.确定活塞上止点位置前的时间量以便将主燃料喷入燃烧室的第二负载传感装置;

c.确定附加燃料相对于主燃料喷入燃烧室的喷射定时关系，与负载传感器共同实现预定的单位燃料消耗量、燃烧效率及气缸峰值燃烧压力的控制装置;

d.与负载传感器共同作用将主燃料喷入燃烧室的第一喷射装置;

e.与负载传感器共同作用将附加燃料喷入燃烧室的第二喷射装置。

8、如权利要求7所述的装置，其中主燃料是煤水浆，且第一喷射装置还包括将煤水浆喷入燃烧室的装置。

9、如权利要求8所述的装置，其中附加燃料是传统柴油，且第二喷射装置还包括柴油喷射***。

10、一种机车内燃机柴油发动机，包括至少两个气缸，每个气缸带有一个往复活塞，可操作地与曲拐相连，还带有燃烧室。该机还包括分别将主燃料和高可燃性附加燃料喷入柴油机的装置，其特征在于它还包括：

a.检测发动机负载的第一负载传感装置;

b.确定活塞上止点位置前的时间量以便将主燃料喷入燃烧室的第二负载传感装置;

c.确定附加燃料相对于主燃料喷入燃烧室的喷射定时关系，与负载传感器共同实现预定的单位燃料消耗量、燃烧效率及气缸峰值燃烧压力的控制装置;

d.与负载传感器共同作用将主燃料喷入燃烧室的喷射装置;

e.与负载传感器共同作用将附加燃料喷入燃烧室的装置。

11、如权利要求10所述的装置，其中主燃料是煤水浆，且第一喷射装置还包括将煤水浆喷入燃烧室的装置。

12、如权利要求10所述的装置，其中附加燃料是传统柴油，且第二喷射装置包括柴油喷射装置。

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