CN1332126C - 自适应性可控热预混合直喷式柴油机燃烧***与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自适应性可控热预混合直喷式柴油机燃烧***与方法，属内燃机领域。所述燃烧***包括多孔油嘴，多连通空间燃烧室，进气道。所述多连通空间燃烧室由两个或两个以上相连的空间构成，可控制预混合燃烧的传播途径，并与燃油喷射和供油定时配合，可有效地控制混合气的时空分布及不同工况下的着火始点和燃烧速率，使燃烧***具有自适应性和可控性。燃烧室可形成多个环流促进均质混合气形成。所述***进气涡流比Ω为0～2，油嘴孔径为50～180μm，喷油压力大于800bar，能显著降低火焰温度，碳烟，NOX和HC，提高燃烧效率。

Description

自适应性可控热预混合直喷式柴油机燃烧***与方法

技术领域

本发明属内燃机领域，更具体地说，本发明涉及一种直喷式柴油机燃烧***和燃烧方法。

背景技术

传统的直喷式柴油机燃烧过程同时包括预混合燃烧和扩散燃烧，并以扩散燃烧为主。近百年来，人们研制成功不同的柴油机燃烧***。就其特点，多数***是扩散燃烧。由于扩散燃烧混合气的形成极不均匀，因而具有难以克服的排烟和NOX间的矛盾。近年来，随着电控和高压喷射等技术的发展，柴油机的燃烧和排放得以很大的改善，但扩散燃烧的本质问题仍有待解决。随着各国排放法规的日益严格，柴油机的燃烧和排放面临着更大的挑战。

近年来，均质压燃燃烧(HCCI)在国际上受到重视。HCCI的目标是在着火前形成均质混合气，原则上消除扩散燃烧，故有同时消除碳烟和降低NOX的潜力。但目前HCCI面临的主要问题是难以控制着火始点和燃烧速率，只能在部分工况下正常运行，因而实际运用面临着很大的挑战。我国学者提出了热预混合燃烧的思想，并用伞喷油嘴来促进均匀混合(中国专利86104093，90106022)。伞喷燃烧在低负荷下性能较好，但高负荷下易产生黑烟，因伞喷供油速率快，喷雾贯穿距较小，难以控制高负荷下油气的时空分布。

超低污染高效直喷式柴油机成功的关键在于尽可能消除扩散燃烧，但同时具有自适应性和可控性，即能在不同工况下对油气时空分布，着火始点，和燃烧速率进行有效优化控制。目前的优化控制技术，如美国专利US6,230,683，其控制技术复杂，因而成本高。现有技术虽能对供油规律进行控制，但未能对已形成的混合气的燃烧速率进行有效优化控制。其本质原因是由开式燃烧室的单一空间特点造成的。在开式燃烧室中，若过早喷油，则所形成的混合气可能同时可燃，难以控制燃烧速率；若过迟喷油，则难以在着火前完全形成预混合气，扩散燃烧难以避免。故而研制一种新型的自适应性可控热预混合直喷式柴油机燃烧***与方法，来克服现存问题是十分必要的。

发明内容

本发明的目的是提供一种自适应性可控热预混合直喷式柴油机燃烧方法与燃烧***，解决目前预混合直喷式柴油机燃烧面临的难以控制着火始点和燃烧速率的主要问题，同时降低排放中的碳烟，NOX和HC产物。

本发明所述的自适应性可控热预混合直喷式柴油机燃烧***，包括多孔油嘴，多连通空间燃烧室，活塞，气缸，气缸盖，进气道；整个燃烧室空间由活塞顶部的多连通空间燃烧室，活塞顶面，缸盖，和气缸构成。本发明所述活塞顶部的多连通空间燃烧室由两个或两个以上相连的燃烧空间构成，燃烧室截面内围底部由近似正弦或余弦曲线，***部分由半圆形弧线和直线段与圆角构成，燃烧室空间由整个底部和***曲线绕燃烧室中心线形成的旋转体构成，活塞顶部的燃烧室空间亦可由中心ω型燃烧室和***环型燃烧室构成，中心燃烧室可分为有无中心凸台两种。

本发明所述的多连通空间燃烧室尺寸比例为：D1/D＝0.45～0.65；D0/D＝0.5～0.75；H/D＝0.14～0.30；H2/H＝0.5～0.75；其中，D-活塞直径，D0-燃烧室截面最大直径，D1-燃烧室口径，H-燃烧室深度，H2为燃烧室正弦或余弦截面曲线顶部离燃烧室底高度。

本发明所述的全部燃料为柴油或一部分燃料是柴油，一部分燃料是天燃气。

本发明所述的喷油嘴开有6～20个直径为50～180μm的油孔，喷油嘴中心线与燃烧室中心线重合，全部喷油孔中心延伸线与喷油嘴中心线夹角为65～80度。

本发明所述的喷油嘴开有8～20个直径为50～180μm的油孔，喷油嘴中心线与燃烧室中心线重合，其中有3～4个直径为50～140μm的油孔其中心延伸线与喷油嘴中心线夹角为50～65度，与中心燃烧室空间匹配，其余油孔其中心延伸线与喷油嘴中心线夹角为65～80度，与***燃烧室空间匹配。

本发明所述的进气***采用的进气涡流比为Ω＝0～2，且进气涡流比随油嘴孔数的增多而减少。

本发明所述的燃烧方法是采用多连通空间燃烧室利用大于800bar的高压喷射和6～20个孔径为50～180μm的多孔油嘴形成细喷雾，并在缸内热态下形成混和气，从而消除高压油束在燃烧室或气缸壁的堆积现象。

本发明所述的燃烧方法是采用多连通空间燃烧室，并利用单次喷射，对供油定时和供油规律进行控制，从而控制燃油与空气在多个燃烧室空间的时空分布，从而控制各个燃烧室空间的着火始点在上死点后和其燃烧规律，达到可控热预混合燃烧。

本发明所述的燃烧方法是采用多连通空间燃烧室，并利用多次喷射，对供油定时和供油规律进行控制，从而控制燃油与空气在多个燃烧室空间的时空分布，从而控制各个燃烧室空间的着火始点在上死点后和其燃烧规律，达到可控热预混合燃烧。

本发明是通过以下技术方案来实现的。所述燃烧***包括多孔油嘴，多连通空间燃烧室，进气道。所述多连通空间燃烧室由两个或两个以上相连的空间构成，可控制预混合燃烧的传播途径，并与燃油喷射和供油定时配合，可有效地控制混和气的时空分布及不同工况下的着火始点和燃烧速率，使***具有自适应性和可控性。燃烧室可形成多个环流促进均质混合气的形成。所述燃烧***进气涡流比为0～2，油嘴孔径为80～150μm，喷射压力大于800bar。本文中所述的’自适应性’是指在变负荷和变转速时柴油机仍有良好的燃烧特性，’可控性’是指可对着火始点和燃烧速率进行有效控制，’热预混合’是指在缸内空气热态壮态下将燃油喷入燃烧室。

对预混合燃烧，若能在喷雾早期即消除过浓混合气，且让混合气在不同燃烧空间得以分布并有效地限制反应途径，则燃烧速率可得以控制。本发明所述多连通空间燃烧室设计原理如下。

直喷式柴油机开式燃烧室空间在本质上多数属于’单连通域’。在数学上，’单连通域’是指区域的表面可缩为一点但不经过空间外的点。’多连通域’是指区域的表面若缩为一点则必须经过空间外的点。如图5和图6所示。’多连通域’的特性在化学反应上具有重要意义。如有一反应粒子在A处，在’单连通域’中，该反应粒子可直接影响B处，但在图5和图6的区域中，A处的介质对B可不发生直接影响。因而，’多连通域’中的介质反应比在’单连通域’中的更可控，即不会因一处的随机现象(如着火)而将反应迅速传遍整个’多连通域’，且不同空间可具有不同的物理化学特性。

将’多连通域’特性用于柴油机燃烧室设计上，本发明公开了’多连通空间’燃烧室设计如图2所示，其特征是所述活塞顶部的多连通空间燃烧室由两个或两个以上相连的燃烧空间构成，燃烧室截面内围底部由近似正弦或余弦曲线，***部分由半圆形弧线和直线段与圆角构成，燃烧室空间由整个底部和***曲线绕燃烧室中心线形成的旋转体构成。当与油束和供油定时配和时，由于处于不同燃烧室波谷中的混合气的反应传播受燃烧室波峰的限制，预混合气的着火始点和燃烧速率得以控制，且不同的燃烧室波峰与波谷可形成多个促进均匀混合的旋流。所形成的旋流随发动机转速变化，使混合气的形成具有自适应性。燃烧室中心区域垂直方向上所形成的环流还有助于降低油嘴附近的油气浓度。活塞顶部的燃烧室空间亦可由中心ω型燃烧室和***环型燃烧室构成，中心燃烧室可分为有无中心凸台两种。

近年来，高压喷射已成为国际柴油机的发展趋势。但超细喷雾(SMD＜10μm)在实际应用中往往受到传统开式燃烧室的限制，即超细喷雾可能产生燃烧速率过快，燃烧粗爆。本发明所述多连通空间燃烧室可消除传统开式燃烧室的弱点，可明显地限制燃烧速率，可用超细喷雾(SMD＜10μm)来降低碳烟，同时控制爆压。

由于’多连通空间’燃烧室设计可控制混合气的时空分布和反应速率，可解决预混合燃烧反应速率控制的本质问题。本发明的关键在于利用细喷雾(油嘴孔径为50～180μm)来降低碳烟，同时用’多连通空间’燃烧室来控制燃烧反应速率，同时降低NOX。

本发明与现有技术方案相比有如下优点：1)采用高压喷射与细油孔(喷油压力大于800bar，油嘴孔径为50～180μm)形成细喷雾，能显著地降低碳烟的生成；2)采用多连通空间燃烧室，可有效地控制热预混合燃烧的反应粒子传播途径，该种燃烧室可与燃油单次或多次喷射和供油定时相结合来有效地控制燃油与空气在不同的燃烧空间的时间和空间分布特性，从而控制不同工况下的预混合燃烧着火始点和燃烧速率，具有可控性；3)同时燃烧室可形成多个有利于混合气形成与燃烧的环状气流，且这种压缩旋流运动强度随着发动机转速变化，从而对不同工况具有自适应性。以上优点使本发明能显著降低火焰温度，碳烟，NOX和HC，提高燃烧效率。

附图说明

本发明共有八张附图，其中：

附图1是直喷式柴油机的自适应性可控热预混合燃烧***总体示意图；

图中：1、燃烧室空间I 2、燃烧室空间II 3、活塞 4、气缸 5、气缸盖

6、油嘴 7、油嘴孔 8、进气阀 9、排气阀

附图2是图1的’多连通空间’燃烧室尺度标记示意图；

附图3是图1的’多连通空间’燃烧室挤流场示意图；

附图4是’单连通域’示意图；

附图5是’多连通域’示意图，中间区域不属A与B所在区域；

附图6是’多连通域’示意图，区域II不属A与B所在区域；

附图7是油束与燃烧室匹配示意图，其中所有油束夹角相同；

附图8是油束与燃烧室匹配示意图，其中一小部分油束呈小夹角，其余部分油束呈大夹角

具体实施方式

本发明的具体实施方式如附图所示：

对车用柴油机和其它小型柴油机，燃烧室可采用图2方案，其特征是所述多连通空间燃烧室尺寸比例如图2所示：D1/D＝0.45～0.65；D0/D＝0.5～0.75；H/D＝0.15～0.30；H1/H＝0.5～0.75；

H2/H＝0.5～0.75；H3/H＝0.3～0.6；R/H＝0.28～0.4。

燃烧室可采用有收口或无收口方案。中心燃烧室和***燃烧室的容积比通常为1/5～1/3。整个燃烧***如图1所示：

油嘴和油束按如下两方案设计。第一方案特征是喷油嘴开有6～20个直径为50～180μm的油孔，喷油嘴中心线与燃烧室中心线重合，全部喷油孔中心延伸线与喷油嘴中心线夹角为65～80度。第二方案特征是喷油嘴开有8～20个直径为50～180μm的油孔，喷油嘴中心线与燃烧室中心线重合，其中有3～4个直径为50～140μm的油孔其中心延伸线与喷油嘴中心线夹角为50～65度，与中心燃烧室空间匹配，其余油孔其中心延伸线与喷油嘴中心线夹角为65～80度，与***燃烧室空间匹配。

油束与燃烧室间的匹配可采用图7或图8两种。在图7的匹配中，应使燃烧室空间的波峰低于油束的中心线，但高于油束的边界线，通常波峰伸入油束截面的1/4～1/2，使燃油在中心燃烧室和***燃烧室的分布与其中的空气量成正比，并根据具体柴油机由试验来匹配。在图8的匹配中，应使燃烧室空间的波峰低于大角油束的边界线或轻度相切。

采用高压喷射，喷油压力大于800bar(通常在800～2000bar)。单次喷射供油提前角在上死点前(BTDC)10°CA以后。多次先导喷射供油提前角随喷射次数变化，但应均在BTDC 100°CA后，主喷射始点在上死点后(ATDC)5～10°CA。单次喷射和多次喷射均将着火始点控制在上死点(TDC)后。

所述燃烧***采用进气涡流比为Ω＝0～2，且进气涡流比随油嘴孔数的增多而减少。

对中大型柴油机，可采用无收口方案，并且燃烧室深度偏浅(H/D＝0.14～0.28)，油嘴孔径随缸径增大(100～180μm)，燃烧室截面可形成两个或两个以上燃室空间，其他参数可采用与以上小型柴油机类似的方案。

Claims (4)

1、一种自适应、可控、热预混合直喷式柴油机燃烧***，包括多孔喷油嘴，多连通空间燃烧室，活塞，气缸，汽缸盖，进气道；多连通空间燃烧室由中心燃烧室和***环型燃烧室构成；其特征是：

(1)上述的多连通空间燃烧室尺寸比例为：D1/D＝0.45～0.65，D0/D＝0.5～0.75，H/D＝0.14～0.30，H2/H＝0.5～0.75；其中D1-燃烧室口径；D0-燃烧室截面最大直径；D-活塞直径；H-燃烧室深度；H2-正弦或余弦截面曲线顶部离燃烧室底高度；

(2)上述的中心燃烧室和***燃烧室的容积比为1/5～1/3；

(3)上述的喷油嘴中心线与燃烧室中心线重合，喷油嘴有8～20个，其中有3～4个直径为50～140μm的油孔，其中心延伸线与喷油嘴中心线夹角为50～65度，与中心燃烧室空间匹配，其余油孔的直径为50～180μm，其中心延伸线与喷油嘴中心线夹角为65～80度，与***燃烧室空间匹配；

(4)所述的燃烧***采用的进气涡流比为Ω＝0～2，且进气涡流比随喷油嘴孔数的增多而减少。

2、一种利用权利要求1所述的燃烧***进行燃烧的方法，其特征是：与多连通空间燃烧室匹配的喷油嘴采用大于800bar的高压喷射，并利用喷油嘴的单次喷射或多次喷射方式，对供油定时和供油规律进行控制，从而控制燃油与空气在多个燃烧室空间的时空分布，并控制各个燃烧室空间的着火始点在上死点后和燃烧规律，达到可控热预混合燃烧。

3、根据权利要求2所述的自适应、可控、热预混合直喷式柴油机燃烧***进行燃烧的方法；其特征是：上述的喷油嘴采用单次喷射方式，其供油提前角应在上死点前10°CA以后。

4、根据权利要求2所述的自适应、可控、热预混合直喷式柴油机燃烧***进行燃烧的方法；其特征是：上述的喷油嘴采用多次喷射方式，其先导喷射供油提前角应在上死点前100°CA以后，主喷射始点应在上死点后5～10°CA。

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