專利名稱：空間分散式直噴柴油機燃燒系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及的是一種空間分散式直噴柴油機的燃燒系統(tǒng)與燃燒方式，其屬于內燃
機混合氣的形成與燃燒領域。
背景技術：
在傳統(tǒng)柴油機中，油束緩慢地吸入周圍空氣，因著火延遲期很短，所以燃油在與空氣充分混合之前就開始燃燒。因此，油束中心區(qū)域燃油濃度大，產生碳煙，而在油束外層區(qū)域形成理想配比的混合氣，產生高NOx濃度的廢氣。 在噴油時，在靠近火焰前鋒的油束核心中存在大量碳煙。在噴油的過程中燃油會連續(xù)進入這個濃混合氣區(qū)，液態(tài)燃油或很濃的空燃比混合氣與火焰的相互作用，燃油噴到已燃區(qū)域，會生成大量的碳煙。較大份額的擴散燃燒會導致較高的碳煙排放。要使這些大量碳煙氧化需要有較高的溫度，并供給足夠的氧氣。 柴油機生成大量NOx主要原因歸結為噴霧尖端的混合強度較弱，高濃度的NOx區(qū)域在噴流尖端附近，并隨著時間的推移向下移動，并且在下游處于高溫且分布著NOx濃度極高的區(qū)域。這是因為在噴流尖端與周圍空氣的沖突及混合減少了動量，混合擴散強度也隨之降低，從而使依靠周圍氣體來稀釋燃燒氣體的混合稀釋能力下降。結果是維持在高溫的燃燒氣體滯留在下游區(qū)域，以致于在這非穩(wěn)態(tài)區(qū)域NOx大量生成。 改善傳統(tǒng)型柴油機燃燒困難的理由是混合氣濃度不均勻，在以紊流擴散燃燒為主體的傳統(tǒng)型柴油機燃燒的場合，從只有空氣存在的區(qū)域到只有燃油存在的區(qū)域，存在各種濃度的混合氣，并且混合氣同時存在于NOx和碳粒生成速度較快的區(qū)域。這也就成為同時降低NOx和PM較為困難的原因。均質壓燃(HCCI)燃燒方式具有降低NOx和碳煙生成量的潛力。但是，在采用HCCI的發(fā)動機還有許多問題尚待解決。例如與常規(guī)柴油機相比工作區(qū)域小，HC和CO排放高，在大負荷過早的噴射引起工作粗暴，燃油噴霧附于氣缸套壁面稀釋機油等問題。

發(fā)明內容
為了克服現(xiàn)有技術中存在的不足，本發(fā)明提供了一種噴束壁面引導的空間分散式雙壁面射流直噴柴油機燃燒系統(tǒng)。通過低溫燃燒來降低NOx、通過預混合燃燒和"雙壁面射流"技術來降低微粒排放，實現(xiàn)了降低NOx和PM的"柴油機兩難"解決方案。此燃燒系統(tǒng)所具有的特征是低爆壓、快速混合、滯燃期長和低溫燃燒。 本發(fā)明的技術方案是采用引導噴束和分層技術，開發(fā)空間分散式"雙壁面射流"低排放燃燒系統(tǒng)。采用降低壓縮比、控制噴油時刻、"雙壁面射流"技術實現(xiàn)低溫燃燒降低NOx排放，通過預混合燃燒和"雙壁面射流"技術來降低微粒排放。所謂的"雙壁面射流"技術，其特征在于燃燒室壁面上設有導向凸弧和小臺階。多孔噴油器噴出的液態(tài)油束，撞擊在燃燒室壁面上，經(jīng)壁面上的導向凸弧和小臺階的反射，形成分層壁面射流，簡稱"雙壁面射流"。
"雙壁面射流"燃燒技術的思想是 (a)噴束引導這里采用"壁面引導"的方式，S卩液態(tài)油束撞擊到燃燒室壁面，會產生粘附、平攤、反彈、破碎、飛濺等現(xiàn)象。使噴束撞擊到壁面后，大份額反射到燃燒室的空間，少部分形成壁面油膜。壁面引導，避免了在傳統(tǒng)柴油機油束中心區(qū)域燃油濃度大，產生碳煙，而在油束外層區(qū)域形成理想配比的混合氣，產生高NOx濃度的廢氣現(xiàn)象。另外，傳統(tǒng)的柴油機噴霧尖端的混合強度較弱，在火焰尖端生成高濃度的NOx，采用壁面引導，促進噴霧尖端的混合，使火焰中的流動結構接近穩(wěn)態(tài)噴射火焰的結構。 (b)空間分散"雙壁面射流"技術屬于空間分散式空間噴霧的一種。直噴柴油機碳煙生成的一個主要原因是液態(tài)燃油或很濃的空燃比混合氣與火焰的相互作用，燃油噴到已燃區(qū)域，會生成大量的碳煙。較大份額的擴散控制燃燒會導致較高的碳煙排放。采用空間分散的方法可以避免液態(tài)燃油與火焰接觸方面產生不利的相互作用，改善空氣的利用率，提高局部空燃比，降低碳煙排放。 (c)分層技術壁面反射后的油束能分層混合，快速混合。即，導向凸弧和小臺階分別形成射流，各自占有一定的份額。下面是分層技術獨有的特點 1)反射后的油束能同時分布在燃燒室的擠流區(qū)和凹坑區(qū)，形成大的噴束渦流，并向較大范圍擴展。 2)壁面射流的噴束能巻吸更多的空氣，在有限的滯燃期內形成更多的可燃混合氣，產生多個著火點，縮短燃燒持續(xù)期。 3)在噴束燃燒后，上下兩層的噴束與能相互輻射吸收熱量，上層噴束中霧化不好的質量大的油滴受離心力的作用能在下層噴束中繼續(xù)燃燒，下層未完全燃燒產物受活塞逆擠流的作用上升，能在上層噴束中進一步燃燒。 4)噴束中夾帶的空氣多，則混合氣較稀薄，燃料與空氣混合更快，因而燃燒持續(xù)期縮短，這會產生較高的有效膨脹，結果使發(fā)動機效率提高。由于擴散燃燒持續(xù)期的縮短使碳粒形成時間縮短而增加了其氧化的時間，從而在膨脹行程中以及擴散燃燒后，碳煙可能會被氧化。 5)分層技術更適用于電控燃油多段噴射技術，若按主噴設計，主噴能通過導向凸弧和小臺階反射的話，那么預噴與后噴，根據(jù)活塞與上止點的距離，油束仍能通過導向凸弧反射到燃燒室的空間。"雙壁面射流"燃燒技術的特征是 1)快速壁面噴射液態(tài)油束撞擊燃燒室壁面后，導向凸弧和小臺階都能快速產生壁面射流，實現(xiàn)分層空間霧化，通過噴孔夾角調節(jié)上下兩層的份額。
2)快速混合反射可比通常的噴霧分裂微?；潭雀?，同時由于撞擊擴散，有
望快速形成更均勻的混合氣。不僅在預混合燃燒階段形成均勻混合氣，實現(xiàn)油氣的快速混
合，而且減少擴散燃燒量。上下雙層的快速混合，使油束能巻吸更多的空氣。
3)快速燃燒能縮短燃燒持續(xù)期，提高熱效率。由于擴散燃燒持續(xù)期的縮短使碳
粒行程時間縮短而增加其氧化時間。
空間分散式燃燒系統(tǒng)的燃燒方法為 (1)采用降低壓縮比的方法降低汽缸壓力，實現(xiàn)低爆壓燃燒，能降低燃燒最高溫度，從而降低NOx排放，降低燃燒噪聲。
(2)控制噴油時刻，在上止點附近噴油，利用降低壓縮比來增加滯燃期，控制燃燒溫度的同時盡可能多的增加預混合燃燒，降低微粒排放。 (3)降低壓縮比的同時，燃燒速率降低，燃燒持續(xù)期變長，導致油耗率惡化。采用"雙壁面射流"燃燒技術彌補了降低壓縮比帶來的不利影響，因為其具有分層、空間分散、快速混合、快速燃燒的特點，確保了滯燃期，即使在上止點附近噴油，也可以形成均勻的混合氣，消除混合氣中存在理論配比和富油區(qū)，增加預混合燃燒量。即使存在擴散燃燒，將局部燃空當量比控制在低于1. 5以下很少產生微粒。
(4)使用縮口型的燃燒室，燃燒室底部設有大凸臺，有助于產生更高的渦流混合
率。這是因為當活塞在上止點處保持燃燒室內的渦流，并產生強勁的擠流。
(5)選擇中等強度的渦流比，可以兼顧低速與高速，強渦流會使高速的燃油過度集
中，局部燃空比過高；弱渦流引起低速油氣混合能量較弱，降低了油氣的混合速率。 通過以上的方法，可以在不增加油耗率的前提下，同時降低直噴柴油機NOx和微
粒排放。 本發(fā)明的技術解決方案是，本發(fā)明是空間分散式直噴柴油機燃燒系統(tǒng)，包括進氣道、噴油器和燃燒室，燃燒室為縮口 "型燃燒室，壓縮比e較低，e = 14 18.5，具體的縮口程度為沿燃燒室側壁壁面的切線方向與燃燒室錐形體中心線的夾角為0 30° ，其底面設有一個大凸臺產生強勁的擠流。燃燒室側壁上周向設有導向凸弧和小臺階。導向凸弧的凸起高度為0. 5 3. Omm，小臺階的臺階面的切向尺寸為0. 5 3. 5mm，臺階面的切向方向與活塞頂平面的夾角為0 50。。導向凸弧和小臺階的位置根據(jù)噴油器噴孔夾角、油束錐角、噴油壓力和環(huán)境壓力等參數(shù)來確定。所述的噴油器設有多個噴油孔，噴孔數(shù)為4 8個，噴孔直徑為0. 15 0. 35mm，噴孔的軸線分布在一個假想的錐面上，該錐面的中心線與燃燒室錐形體的中心線平行，并且該錐面的頂角為120。 165°之間。燃燒室內的渦流比Q = 1 3，所述的噴油嘴端壓力為800 2000bar。 在本發(fā)明中，從噴油嘴的噴孔噴出的液態(tài)油束，撞擊到帶有導向凸弧和小臺階的燃燒室側壁上，形成二次射流，反射回燃燒室的空間，射流是導向凸弧發(fā)射產生的，射流是小臺階反射產生的，其作用具有壁面引導、分層混合、空間分散噴霧的特征，能巻吸更多的空氣，形成多個著火點，快速燃燒。通過合理的優(yōu)化，是壁面上形成的油膜量盡可能的少。燃燒室的底面是一個大凸臺，在壓縮沖程能產生大的擠流。 本發(fā)明的有益效果是采用較低的壓縮比，降低爆發(fā)壓力，降低燃燒最高溫度，從而降低NOx排放和燃燒噪聲，同時能增加滯燃期。通過"雙壁面射流"燃燒技術使油氣快速混合，快速燃燒，增加預混合的燃燒量，減少擴散燃燒，這樣可以在上止點附近噴油，同樣能形成均勻的混合氣，消除混合氣中存在理論配比和富油區(qū)，有利于控制燃燒溫度的同時，盡可能的增加預混合燃燒，即低溫預混合燃燒，并且能實現(xiàn)分層和空間分散式噴霧混合和燃燒，改善微粒排放。 本發(fā)明在不增加油耗和保持原機動力性的前提下，能大幅度地降低柴油機的NOx和微粒排放。本設計在車用增壓中冷四缸柴油機上進行了試驗研究和優(yōu)化設計，得到了理想的試驗結果。在柴油機扭矩點，煙度為0. 4BSU，N0x的濃度為460ppm，油耗率與原機相當，為215g/(Kw. h);標定點，煙度在0. 6BSU，N0x的濃度為360卯m，油耗率為245g/(Kw. h)。接近歐IV的排放放法規(guī)。圖4是標定點的原機與"雙壁面射流"燃燒系統(tǒng)柴油機汽缸壓力和
5瞬時放熱率的對比。


圖1是"雙壁面射流"燃燒示意圖。
圖2為本發(fā)明空間分散式直噴柴油機燃燒系統(tǒng)的結構示意圖。
圖3為本發(fā)明的燃燒室示意圖。 圖4是標定點的原機與"雙壁面射流"燃燒系統(tǒng)柴油機汽缸壓力和放熱率的對比圖。 a缸壓對比圖；b是放熱率對比圖。 圖中1多孔噴油器；2噴孔；3油束；4導向凸弧；5小臺階；6下層噴束；7上層噴束；8底面；9燃燒室；10下層噴束。
具體實施例方式
在圖2中，本發(fā)明的燃燒系統(tǒng)，其特征是燃燒室9的內壁上周向設置了導向凸弧4和小臺階5，底面8是凸臺式(底面8也可以設計成錐形、平底、球面性等型式)。從圖2中可以看出，燃燒室9為縮口形，也可以設計成直口型或敞口型。降低壓縮比，本發(fā)明的空間分散式燃燒系統(tǒng)的壓縮比為14 18. 5。 本發(fā)明的工作過程是在壓縮上止點附近，2 8° CABTDC，多孔噴油器1經(jīng)噴孔2噴出的噴束3(單次或多次噴射)，以合適的入射角在分裂前以液態(tài)形式撞到燃燒室9的壁面，保證油束3在壁面撞擊區(qū)的上邊緣在導向凸弧4的上方，下邊緣在小臺階5的上方，也就是說導向凸弧將油束3分成兩部分，使反射后的油束分成上下兩層，上層噴束7是經(jīng)導向凸弧4反射形成的油束，下層噴束6是經(jīng)壁面小臺階5反射形成的油束。反射后的油束分布在燃燒室的擠流區(qū)和凹坑區(qū)，形成大的噴束渦流，并向較大范圍擴展。這樣，壁面射流的噴束能巻吸更多的空氣，在有限的滯燃期內形成更多的可燃混合氣，產生多個著火點，縮短燃燒持續(xù)期。在噴束燃燒后，上下兩層的噴束6與7能相互輻射吸收熱量，層上層噴束7中霧化不好的質量大的油滴受離心力的作用能在下層噴束6中繼續(xù)燃燒，下層未完全燃燒產物受活塞逆擠流的作用上升，能在上層噴束7中進一步燃燒。另外，反射可比通常的噴霧分裂微?；潭雀?，同時由于撞擊擴散，有望快速形成更均勻的混合氣。在柴油機實際設計時，導向凸弧4和小臺階5的位置與燃燒室的形狀、噴孔大小、噴空夾角、噴油壓力、進氣渦流比等參數(shù)有關，通過合理的設計和優(yōu)化，能在柴油機上得到最佳的性能，實現(xiàn)低溫預混合燃燒，降低柴油機N0x濃度和微粒的排放。
權利要求
空間分散式直噴柴油機燃燒系統(tǒng)，包括進氣道、噴油器和燃燒室，其特征在于燃燒室為縮口ω型燃燒室，具體的縮口程度為沿燃燒室側壁面的切線方向與燃燒室錐形體中心線的夾角為0～30°；其底面設有一個大凸臺產生強勁的擠流；燃燒室側壁上周向設有導向凸弧和小臺階；噴出的油束在壁面撞擊區(qū)的上邊緣在導向凸弧的上方，下邊緣在導向凸弧的下方、小臺階的上方，油束經(jīng)導向凸弧和小臺階的反射后分成上下兩部分；所述的噴油器設有多個噴油孔，噴孔數(shù)為4～8個，噴孔直徑為0.15～0.35mm，噴孔夾角為120°～165°之間。
2. 根據(jù)權利要求1所述的空間分散式直噴柴油機燃燒系統(tǒng)，其特征是，所述的導向凸 弧的凸起高度為0. 5 3. 0mm ;所述的小臺階的臺階面的切向尺寸為0. 5 3. 5mm，臺階面 的切向方向與活塞頂平面的夾角為0 50。。
3. 根據(jù)權利要求1所述的空間分散式直噴柴油機燃燒系統(tǒng)，其特征是，導向凸弧截面 為半圓形或橢圓形。
4. 根據(jù)權利要求1所述的空間分散式直噴柴油機燃燒系統(tǒng)，其特征是，燃燒系統(tǒng)的壓 縮比e較低，e = 14 18.5。
5. 根據(jù)權利要求1所述的空間分散式直噴柴油機燃燒系統(tǒng)，其特征是，在壓縮上止點 附近噴油，噴油提前角為2 8° CABTDC。
6. 根據(jù)權利要求1所述的空間分散式直噴柴油機燃燒系統(tǒng)，其特征是，燃燒室內的渦 流比Q = 1 3，所述的噴油嘴端壓力為800 2000bar。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種空間分散式直噴柴油機燃燒系統(tǒng)及燃燒方法，其屬于內燃機混合氣的形成和燃燒領域。其特征是包括進氣道、噴油器和燃燒室，燃燒室為縮口ω型燃燒室，具體的縮口程度為沿燃燒室側壁面的切線方向與燃燒室錐形體中心線的夾角為0～30°；其底面設有一個大凸臺產生強勁的擠流；燃燒室側壁上周向設有導向凸弧和小臺階；噴出的油束在壁面撞擊區(qū)的上邊緣在導向凸弧的上方，下邊緣在導向凸弧的下方、小臺階的上方，油束經(jīng)導向凸弧和小臺階的反射后分成上下兩部分。此燃燒系統(tǒng)低爆壓、快速混合、滯燃期長和低溫燃燒，能在柴油機上得到最佳的性能，實現(xiàn)低溫預混合燃燒，同時降低柴油機NOx濃度和微粒的排放。
文檔編號F02B23/00GK101769195SQ201010126520
公開日2010年7月7日 申請日期2010年3月17日 優(yōu)先權日2010年3月17日
發(fā)明者郭鵬江, 高希彥 申請人:大連理工大學