專利名稱：自適應(yīng)性可控?zé)犷A(yù)混合直噴式柴油機(jī)燃燒系統(tǒng)與方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬內(nèi)燃機(jī)領(lǐng)域，更具體地說(shuō)，本發(fā)明涉及一種直噴式柴油機(jī)燃燒系統(tǒng)和燃燒方法背景技術(shù)傳統(tǒng)的直噴式柴油機(jī)燃燒過(guò)程同時(shí)包括預(yù)混合燃燒和擴(kuò)散燃燒，并以擴(kuò)散燃燒為主。近百年來(lái)，人們研制成功不同的柴油機(jī)燃燒系統(tǒng)。就其特點(diǎn)，多數(shù)系統(tǒng)是擴(kuò)散燃燒。由于擴(kuò)散燃燒混合氣的形成極不均勻，因而具有難以克服的排煙和NOX間的矛盾。近年來(lái)，隨著電控和高壓噴射等技術(shù)的發(fā)展，柴油機(jī)的燃燒和排放得以很大的改善，但擴(kuò)散燃燒的本質(zhì)問(wèn)題仍有待解決。隨著各國(guó)排放法規(guī)的日益嚴(yán)格，柴油機(jī)的燃燒和排放面臨著更大的挑戰(zhàn)。
近年來(lái)，均質(zhì)壓燃燃燒(HCCI)在國(guó)際上受到重視。HCCI的目標(biāo)是在著火前形成均質(zhì)混合氣，原則上消除擴(kuò)散燃燒，故有同時(shí)消除碳煙和降低NOX的潛力。但目前HCCI面臨的主要問(wèn)題是難以控制著火始點(diǎn)和燃燒速率，只能在部分工況下正常運(yùn)行，因而實(shí)際運(yùn)用面臨著很大的挑戰(zhàn)。我國(guó)學(xué)者提出了熱預(yù)混合燃燒的思想，并用傘噴油嘴來(lái)促進(jìn)均勻混合(中國(guó)專利86104093，90106022)。傘噴燃燒在低負(fù)荷下性能較好，但高負(fù)荷下易產(chǎn)生黑煙，因傘噴供油速率快，噴霧貫穿距較小，難以控制高負(fù)荷下油氣的時(shí)空分布。
超低污染高效直噴式柴油機(jī)成功的關(guān)鍵在于盡可能消除擴(kuò)散燃燒，但同時(shí)具有自適應(yīng)性和可控性，即能在不同工況下對(duì)油氣時(shí)空分布，著火始點(diǎn)，和燃燒速率進(jìn)行有效優(yōu)化控制。目前的優(yōu)化控制技術(shù)，如美國(guó)專利US6,230,683，其控制技術(shù)復(fù)雜，因而成本高。現(xiàn)有技術(shù)雖能對(duì)供油規(guī)律進(jìn)行控制，但未能對(duì)已形成的混合氣的燃燒速率進(jìn)行有效優(yōu)化控制。其本質(zhì)原因是由開(kāi)式燃燒室的單一空間特點(diǎn)造成的。在開(kāi)式燃燒室中，若過(guò)早噴油，則所形成的混合氣可能同時(shí)可燃，難以控制燃燒速率；若過(guò)遲噴油，則難以在著火前完全形成預(yù)混合氣，擴(kuò)散燃燒難以避免。故而研制一種新型的自適應(yīng)性可控?zé)犷A(yù)混合直噴式柴油機(jī)燃燒系統(tǒng)與方法，來(lái)克服現(xiàn)存問(wèn)題是十分必要的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種自適應(yīng)性可控?zé)犷A(yù)混合直噴式柴油機(jī)燃燒方法與燃燒系統(tǒng)，解決目前預(yù)混合直噴式柴油機(jī)燃燒面臨的難以控制著火始點(diǎn)和燃燒速率的主要問(wèn)題，同時(shí)降低排放中的碳煙，NOX和HC產(chǎn)物。
本發(fā)明所述的自適應(yīng)性可控?zé)犷A(yù)混合直噴式柴油機(jī)燃燒系統(tǒng)，包括多孔油嘴，多連通空間燃燒室，活塞，氣缸，氣缸蓋，進(jìn)氣道；整個(gè)燃燒室空間由活塞頂部的多連通空間燃燒室，活塞頂面，缸蓋，和氣缸構(gòu)成。本發(fā)明所述活塞頂部的多連通空間燃燒室由兩個(gè)或兩個(gè)以上相連的燃燒空間構(gòu)成，燃燒室截面內(nèi)圍底部由近似正弦或余弦曲線，外圍部分由半圓形弧線和直線段與圓角構(gòu)成，燃燒室空間由整個(gè)底部和外圍曲線繞燃燒室中心線形成的旋轉(zhuǎn)體構(gòu)成，活塞頂部的燃燒室空間亦可由中心ω型燃燒室和外圍環(huán)型燃燒室構(gòu)成，中心燃燒室可分為有無(wú)中心凸臺(tái)兩種。
本發(fā)明所述的多連通空間燃燒室尺寸比例為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-活塞直徑，D0-燃燒室截面最大直徑，D1-燃燒室口徑，H-燃燒室深度，H2為燃燒室正弦或余弦截面曲線頂部離燃燒室底高度。
本發(fā)明所述的全部燃料為柴油或一部分燃料是柴油，一部分燃料是天燃?xì)狻?br> 本發(fā)明所述的噴油嘴開(kāi)有6～20個(gè)直徑為50～180μm的油孔，噴油嘴中心線與燃燒室中心線重合，全部噴油孔中心延伸線與噴油嘴中心線夾角為65～80度。
本發(fā)明所述的噴油嘴開(kāi)有8～20個(gè)直徑為50～180μm的油孔，噴油嘴中心線與燃燒室中心線重合，其中有3～4個(gè)直徑為50～140μm的油孔其中心延伸線與噴油嘴中心線夾角為50～65度，與中心燃燒室空間匹配，其余油孔其中心延伸線與噴油嘴中心線夾角為65～80度，與外圍燃燒室空間匹配。
本發(fā)明所述的進(jìn)氣系統(tǒng)采用的進(jìn)氣渦流比為Ω＝0～2，且進(jìn)氣渦流比隨油嘴孔數(shù)的增多而減少。
本發(fā)明所述的燃燒方法是采用多連通空間燃燒室利用大于800bar的高壓噴射和6～20個(gè)孔徑為50～180μm的多孔油嘴形成細(xì)噴霧，并在缸內(nèi)熱態(tài)下形成混和氣，從而消除高壓油束在燃燒室或氣缸壁的堆積現(xiàn)象。
本發(fā)明所述的燃燒方法是采用多連通空間燃燒室，并利用單次噴射，對(duì)供油定時(shí)和供油規(guī)律進(jìn)行控制，從而控制燃油與空氣在多個(gè)燃燒室空間的時(shí)空分布，從而控制各個(gè)燃燒室空間的著火始點(diǎn)在上死點(diǎn)后和其燃燒規(guī)律，達(dá)到可控?zé)犷A(yù)混合燃燒。
本發(fā)明所述的燃燒方法是采用多連通空間燃燒室，并利用多次噴射，對(duì)供油定時(shí)和供油規(guī)律進(jìn)行控制，從而控制燃油與空氣在多個(gè)燃燒室空間的時(shí)空分布，從而控制各個(gè)燃燒室空間的著火始點(diǎn)在上死點(diǎn)后和其燃燒規(guī)律，達(dá)到可控?zé)犷A(yù)混合燃燒。
本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的。所述燃燒系統(tǒng)包括多孔油嘴，多連通空間燃燒室，進(jìn)氣道。所述多連通空間燃燒室由兩個(gè)或兩個(gè)以上相連的空間構(gòu)成，可控制預(yù)混合燃燒的傳播途徑，并與燃油噴射和供油定時(shí)配合，可有效地控制混和氣的時(shí)空分布及不同工況下的著火始點(diǎn)和燃燒速率，使系統(tǒng)具有自適應(yīng)性和可控性。燃燒室可形成多個(gè)環(huán)流促進(jìn)均質(zhì)混合氣的形成。所述燃燒系統(tǒng)進(jìn)氣渦流比為0～2，油嘴孔徑為80～150μm，噴射壓力大于800bar。本文中所述的’自適應(yīng)性’是指在變負(fù)荷和變轉(zhuǎn)速時(shí)柴油機(jī)仍有良好的燃燒特性，’可控性’是指可對(duì)著火始點(diǎn)和燃燒速率進(jìn)行有效控制，’熱預(yù)混合’是指在缸內(nèi)空氣熱態(tài)壯態(tài)下將燃油噴入燃燒室。
對(duì)預(yù)混合燃燒，若能在噴霧早期即消除過(guò)濃混合氣，且讓混合氣在不同燃燒空間得以分布并有效地限制反應(yīng)途徑，則燃燒速率可得以控制。本發(fā)明所述多連通空間燃燒室設(shè)計(jì)原理如下。
直噴式柴油機(jī)開(kāi)式燃燒室空間在本質(zhì)上多數(shù)屬于’單連通域’。在數(shù)學(xué)上，’單連通域’是指區(qū)域的表面可縮為一點(diǎn)但不經(jīng)過(guò)空間外的點(diǎn)?！噙B通域’是指區(qū)域的表面若縮為一點(diǎn)則必須經(jīng)過(guò)空間外的點(diǎn)。如圖5和圖6所示?！噙B通域’的特性在化學(xué)反應(yīng)上具有重要意義。如有一反應(yīng)粒子在A處，在’單連通域’中，該反應(yīng)粒子可直接影響B(tài)處，但在圖5和圖6的區(qū)域中，A處的介質(zhì)對(duì)B可不發(fā)生直接影響。因而，’多連通域’中的介質(zhì)反應(yīng)比在’單連通域’中的更可控，即不會(huì)因一處的隨機(jī)現(xiàn)象(如著火)而將反應(yīng)迅速傳遍整個(gè)’多連通域’，且不同空間可具有不同的物理化學(xué)特性。
將’多連通域’特性用于柴油機(jī)燃燒室設(shè)計(jì)上，本發(fā)明公開(kāi)了’多連通空間’燃燒室設(shè)計(jì)如圖2所示，其特征是所述活塞頂部的多連通空間燃燒室由兩個(gè)或兩個(gè)以上相連的燃燒空間構(gòu)成，燃燒室截面內(nèi)圍底部由近似正弦或余弦曲線，外圍部分由半圓形弧線和直線段與圓角構(gòu)成，燃燒室空間由整個(gè)底部和外圍曲線繞燃燒室中心線形成的旋轉(zhuǎn)體構(gòu)成。當(dāng)與油束和供油定時(shí)配和時(shí)，由于處于不同燃燒室波谷中的混合氣的反應(yīng)傳播受燃燒室波峰的限制，預(yù)混合氣的著火始點(diǎn)和燃燒速率得以控制，且不同的燃燒室波峰與波谷可形成多個(gè)促進(jìn)均勻混合的旋流。所形成的旋流隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化，使混合氣的形成具有自適應(yīng)性。燃燒室中心區(qū)域垂直方向上所形成的環(huán)流還有助于降低油嘴附近的油氣濃度?；钊敳康娜紵铱臻g亦可由中心ω型燃燒室和外圍環(huán)型燃燒室構(gòu)成，中心燃燒室可分為有無(wú)中心凸臺(tái)兩種。
近年來(lái)，高壓噴射已成為國(guó)際柴油機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)。但超細(xì)噴霧(SMD＜10μm)在實(shí)際應(yīng)用中往往受到傳統(tǒng)開(kāi)式燃燒室的限制，即超細(xì)噴霧可能產(chǎn)生燃燒速率過(guò)快，燃燒粗爆。本發(fā)明所述多連通空間燃燒室可消除傳統(tǒng)開(kāi)式燃燒室的弱點(diǎn)，可明顯地限制燃燒速率，可用超細(xì)噴霧(SMD＜10μm)來(lái)降低碳煙，同時(shí)控制爆壓。
由于’多連通空間’燃燒室設(shè)計(jì)可控制混合氣的時(shí)空分布和反應(yīng)速率，可解決預(yù)混合燃燒反應(yīng)速率控制的本質(zhì)問(wèn)題。本發(fā)明的關(guān)鍵在于利用細(xì)噴霧(油嘴孔徑為50～180μm)來(lái)降低碳煙，同時(shí)用’多連通空間’燃燒室來(lái)控制燃燒反應(yīng)速率，同時(shí)降低NOX。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)方案相比有如下優(yōu)點(diǎn)1)采用高壓噴射與細(xì)油孔(噴油壓力大于800bar，油嘴孔徑為50～180μm)形成細(xì)噴霧，能顯著地降低碳煙的生成；2)采用多連通空間燃燒室，可有效地控制熱預(yù)混合燃燒的反應(yīng)粒子傳播途徑，該種燃燒室可與燃油單次或多次噴射和供油定時(shí)相結(jié)合來(lái)有效地控制燃油與空氣在不同的燃燒空間的時(shí)間和空間分布特性，從而控制不同工況下的預(yù)混合燃燒著火始點(diǎn)和燃燒速率，具有可控性；3)同時(shí)燃燒室可形成多個(gè)有利于混合氣形成與燃燒的環(huán)狀氣流，且這種壓縮旋流運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化，從而對(duì)不同工況具有自適應(yīng)性。以上優(yōu)點(diǎn)使本發(fā)明能顯著降低火焰溫度，碳煙，NOX和HC，提高燃燒效率。


本發(fā)明共有八張附圖，其中附圖1是直噴式柴油機(jī)的自適應(yīng)性可控?zé)犷A(yù)混合燃燒系統(tǒng)總體示意圖；圖中1、燃燒室空間I2、燃燒室空間II3、活塞4、氣缸5、氣缸蓋6、油嘴7、油嘴孔8、進(jìn)氣閥9、排氣閥附圖2是圖1的’多連通空間’燃燒室尺度標(biāo)記示意圖；附圖3是圖1的’多連通空間’燃燒室擠流場(chǎng)示意圖；附圖4是’單連通域’示意圖；附圖5是’多連通域’示意圖，中間區(qū)域不屬A與B所在區(qū)域；附圖6是’多連通域’示意圖，區(qū)域II不屬A與B所在區(qū)域；附圖7是油束與燃燒室匹配示意圖，其中所有油束夾角相同；附圖8是油束與燃燒室匹配示意圖，其中一小部分油束呈小夾角，其余部分油束呈大夾角具體實(shí)施方式
本發(fā)明的具體實(shí)施方式
如附圖所示對(duì)車用柴油機(jī)和其它小型柴油機(jī)，燃燒室可采用圖2方案，其特征是所述多連通空間燃燒室尺寸比例如圖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。
燃燒室可采用有收口或無(wú)收口方案。中心燃燒室和外圍燃燒室的容積比通常為1/5～1/3。整個(gè)燃燒系統(tǒng)如圖1所示油嘴和油束按如下兩方案設(shè)計(jì)。第一方案特征是噴油嘴開(kāi)有6～20個(gè)直徑為50～180μm的油孔，噴油嘴中心線與燃燒室中心線重合，全部噴油孔中心延伸線與噴油嘴中心線夾角為65～80度。第二方案特征是噴油嘴開(kāi)有8～20個(gè)直徑為50～180μm的油孔，噴油嘴中心線與燃燒室中心線重合，其中有3～4個(gè)直徑為50～140μm的油孔其中心延伸線與噴油嘴中心線夾角為50～65度，與中心燃燒室空間匹配，其余油孔其中心延伸線與噴油嘴中心線夾角為65～80度，與外圍燃燒室空間匹配。
油束與燃燒室間的匹配可采用圖7或圖8兩種。在圖7的匹配中，應(yīng)使燃燒室空間的波峰低于油束的中心線，但高于油束的邊界線，通常波峰伸入油束截面的1/4～1/2，使燃油在中心燃燒室和外圍燃燒室的分布與其中的空氣量成正比，并根據(jù)具體柴油機(jī)由試驗(yàn)來(lái)匹配。在圖8的匹配中，應(yīng)使燃燒室空間的波峰低于大角油束的邊界線或輕度相切。
采用高壓噴射，噴油壓力大于800bar(通常在800～2000bar)。單次噴射供油提前角在上死點(diǎn)前(BTDC)10°CA以后。多次先導(dǎo)噴射供油提前角隨噴射次數(shù)變化，但應(yīng)均在BTDC 100°CA后，主噴射始點(diǎn)在上死點(diǎn)后(ATDC)5～10°CA。單次噴射和多次噴射均將著火始點(diǎn)控制在上死點(diǎn)(TDC)后。
所述燃燒系統(tǒng)采用進(jìn)氣渦流比為Ω＝0～2，且進(jìn)氣渦流比隨油嘴孔數(shù)的增多而減少。
對(duì)中大型柴油機(jī)，可采用無(wú)收口方案，并且燃燒室深度偏淺(H/D＝0.14～0.28)，油嘴孔徑隨缸徑增大(100～180μm)，燃燒室截面可形成兩個(gè)或兩個(gè)以上燃室空間，其他參數(shù)可采用與以上小型柴油機(jī)類似的方案。
權(quán)利要求
權(quán)利要求1一種自適應(yīng)性可控?zé)犷A(yù)混合直噴式柴油機(jī)燃燒系統(tǒng)；其特征是所述燃燒系統(tǒng)包括多孔油嘴，多連通空間燃燒室，活塞，氣缸，氣缸蓋，進(jìn)氣道；整個(gè)燃燒室空間由活塞頂部的多連通空間燃燒室，活塞頂面，缸蓋，和氣缸構(gòu)成。
權(quán)利要求2根據(jù)權(quán)利要求1所述的自適應(yīng)性可控?zé)犷A(yù)混合直噴式柴油機(jī)燃燒系統(tǒng)；其特征是活塞頂部的多連通空間燃燒室由兩個(gè)或兩個(gè)以上相連的燃燒空間構(gòu)成，燃燒室截面內(nèi)圍底部由近似正弦或余弦曲線，外圍部分由半圓形弧線和直線段與圓角構(gòu)成，燃燒室空間由整個(gè)底部和外圍曲線繞燃燒室中心線形成的旋轉(zhuǎn)體構(gòu)成，活塞頂部的燃燒室空間亦可由中心ω型燃燒室和外圍環(huán)型燃燒室構(gòu)成，中心燃燒室可分為有無(wú)中心凸臺(tái)兩種。
權(quán)利要求3根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的自適應(yīng)性可控?zé)犷A(yù)混合直噴式柴油機(jī)燃燒系統(tǒng)；其特征是所述多連通空間燃燒室尺寸比例為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-活塞直徑，D0-燃燒室截面最大直徑，D1-燃燒室口徑，H-燃燒室深度，H2為權(quán)利要求1中所述正弦或余弦截面曲線頂部離燃燒室底高度。
權(quán)利要求4根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的自適應(yīng)性可控?zé)犷A(yù)混合直噴式柴油機(jī)燃燒系統(tǒng)；其特征是全部燃料為柴油或一部分燃料是柴油，一部分燃料是天燃?xì)饣蚱渌扇細(xì)怏w。
權(quán)利要求5根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的自適應(yīng)性可控?zé)犷A(yù)混合直噴式柴油機(jī)燃燒系統(tǒng)；其特征是噴油嘴開(kāi)有6～20個(gè)直徑為50～180μm的油孔，噴油嘴中心線與燃燒室中心線重合，全部噴油孔中心延伸線與噴油嘴中心線夾角為65～80度。
權(quán)利要求6根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的自適應(yīng)性可控?zé)犷A(yù)混合直噴式柴油機(jī)燃燒系統(tǒng)，其特征是噴油嘴開(kāi)有8～20個(gè)直徑為50～180μm的油孔，噴油嘴中心線與燃燒室中心線重合，其中有3～4個(gè)直徑為50～140μm的油孔，其中心延伸線與噴油嘴中心線夾角為50～65度，與中心燃燒室空間匹配，其余油孔其中心延伸線與噴油嘴中心線夾角為65～80度，與外圍燃燒室空間匹配。
權(quán)利要求7根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的自適應(yīng)性可控?zé)犷A(yù)混合直噴式柴油機(jī)燃燒系統(tǒng)；其特征是所述進(jìn)氣系統(tǒng)采用的進(jìn)氣渦流比為Ω＝0～2，且進(jìn)氣渦流比隨油嘴孔數(shù)的增多而減少。
權(quán)利要求8一種自適應(yīng)性可控?zé)犷A(yù)混合直噴式柴油機(jī)燃燒方法；其特征是采用多連通空間燃燒室，并采用大于800bar的高壓噴射和6～20個(gè)孔徑為50～180μm的多孔油嘴形成細(xì)噴霧，在缸內(nèi)熱態(tài)下形成混和氣，從而消除高壓油束在燃燒室或氣缸壁的堆積現(xiàn)象。
權(quán)利要求9一種自適應(yīng)性可控?zé)犷A(yù)混合直噴式柴油機(jī)燃燒方法；其特征是采用多連通空間燃燒室，并利用單次噴射，對(duì)供油定時(shí)和供油規(guī)律進(jìn)行控制，從而控制燃油與空氣在多個(gè)燃燒室空間的時(shí)空分布，從而控制各個(gè)燃燒室空間的著火始點(diǎn)在上死點(diǎn)后和其燃燒規(guī)律，達(dá)到可控?zé)犷A(yù)混合燃燒。
權(quán)利要求10一種自適應(yīng)性可控?zé)犷A(yù)混合直噴式柴油機(jī)燃燒方法；其特征是采用多連通空間燃燒室，并利用多次噴射，對(duì)供油定時(shí)和供油規(guī)律進(jìn)行控制，從而控制燃油與空氣在多個(gè)燃燒室空間的時(shí)空分布，從而控制各個(gè)燃燒室空間的著火始點(diǎn)在上死點(diǎn)后和其燃燒規(guī)律，達(dá)到可控?zé)犷A(yù)混合燃燒。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種自適應(yīng)性可控?zé)犷A(yù)混合直噴式柴油機(jī)燃燒系統(tǒng)與方法，屬內(nèi)燃機(jī)領(lǐng)域。所述燃燒系統(tǒng)包括多孔油嘴，多連通空間燃燒室，進(jìn)氣道。所述多連通空間燃燒室由兩個(gè)或兩個(gè)以上相連的空間構(gòu)成，可控制預(yù)混合燃燒的傳播途徑，并與燃油噴射和供油定時(shí)配合，可有效地控制混合氣的時(shí)空分布及不同工況下的著火始點(diǎn)和燃燒速率，使燃燒系統(tǒng)具有自適應(yīng)性和可控性。燃燒室可形成多個(gè)環(huán)流促進(jìn)均質(zhì)混合氣形成。所述系統(tǒng)進(jìn)氣渦流比Ω為0～2，油嘴孔徑為50～180μm，噴油壓力大于800bar，能顯著降低火焰溫度，碳煙，NOX和HC，提高燃燒效率。
文檔編號(hào)F02B23/06GK1587660SQ20041015526
公開(kāi)日2005年3月2日 申請(qǐng)日期2004年8月31日 優(yōu)先權(quán)日2004年8月31日
發(fā)明者侯德洋 申請(qǐng)人:侯德洋