專利名稱：一種實現(xiàn)柴油機高效清潔低溫燃燒的裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及內燃機領域，尤其涉及一種改善柴油機低溫燃燒燃油經濟性，降低碳煙排放的高效清潔燃燒裝置。
背景技術：
與汽油機相比，柴油機在全部轉速工況下都具有更大的扭矩和更好的燃油經濟性，這一特點使柴油機廣泛應用于城市公共交通、物流運輸?shù)壬虡I(yè)車領域和工程機械領域，此外由于目前對碳排放的要求越發(fā)嚴格，因此柴油機由于高的熱效率可以有效降低CO2排放，因此乘用車也越來越多的使用柴油機。但是由于柴油機擴散燃燒的本質特征造成缸內存在明顯的局部混合氣過濃區(qū)和高溫區(qū)，使得柴油機具有較高的碳煙和氮氧化物排放。而且柴油機碳煙和氮氧化物排放的控制策略是相互矛盾的，即降低碳煙排放的措施往往會導致氮氧化物排放升高，因此在控制柴油機碳煙和氮氧化物排放時，總是力圖找尋一個可以實現(xiàn)碳煙和氮氧化物排放折衷的控制策略，即所謂的折衷關系。近年來，通過使用大比例廢氣再循環(huán)稀釋進氣的柴油機低溫燃燒作為一種新型燃燒模式，突破了傳統(tǒng)柴油機擴散燃燒概念，在實現(xiàn)柴油機高效清潔燃燒方面展現(xiàn)出巨大潛力，成為國際內燃機燃燒科學與技術研究的前沿和熱點。低溫燃燒通過采用大比例廢氣再循環(huán)策略，有效延長燃燒滯燃期并降低燃燒溫度，從而改變缸內燃燒反應過程的混合氣濃度和溫度發(fā)展歷程，避開NOx和碳煙生成區(qū)域，實現(xiàn)對有害排放產物的控制，擺脫了柴油機傳統(tǒng)燃燒中NOx與碳煙的折衷關系，被認為是滿足未來柴油機嚴格排放法規(guī)的主要燃燒模式。柴油機低溫燃燒過程大比例EGR使NOx排放接近于零，但EGR對碳煙排放影響較復雜:低比例EGR使碳煙排放相當或略有升高；EGR提高到一定比例時，碳煙排放迅速升高，出現(xiàn)碳煙峰值區(qū)域；EGR率進一步提高后，碳煙排放開始明顯降低，甚至達到零碳煙排放?？梢?，柴油機低溫燃燒低碳煙和低NOx排放局限于特定的EGR比率下，而且研究也表明低溫燃燒過程的碳煙排放對EGR率變化很敏感，在高比例EGR區(qū)域(約50%)，EGR率細小的變化(如1%EGR率變化)有可能導致碳煙排放的急劇增加，顯著增大了燃燒控制的難度。此外，在高比例EGR區(qū)域，盡管碳煙和氮氧化物排放都接近為零，但燃油經濟性顯著惡化，生成大量HC和CO排放。可見，低溫燃燒模式把柴油機傳統(tǒng)燃燒中NOx與碳煙的折衷關系消除，但是卻帶來了碳煙與燃油經濟性新的折衷難題。
發(fā)明內容本實用新型的目的在于克服已有技術的不足，優(yōu)化碳煙與燃油經濟性的折衷關系，實現(xiàn)柴油機高效清潔低溫燃燒過程。本實用新型的一種實現(xiàn)柴油機高效清潔低溫燃燒的裝置，它包括氣缸、空氣管理系統(tǒng)、噴油策略控制系統(tǒng)，所述的空氣管理系統(tǒng)包括進氣總管和排氣總管，在所述的進氣總管上沿進氣流動方向依次安裝有低壓級壓氣機、第一級中冷器、高壓級壓氣機以及第二級中冷器，所述的進氣總管的出氣口與氣缸的進氣門相連通，在所述的排氣總管上沿排氣方向依次安裝有高壓級渦輪機、低壓級渦輪機以及顆粒捕集器，所述的排氣總管的進氣口與氣缸的排氣門相連通，所述的低壓級壓氣機與低壓級渦輪機通過轉軸相連，所述的高壓級壓氣機與高壓級渦輪機通過轉軸相連，高壓級廢氣再循環(huán)回路的進氣端與位于排氣總管的進氣口端和高壓級渦輪機之間的排氣總管相連通并且高壓級廢氣再循環(huán)回路的排氣端與位于高壓級壓氣機和第二級中冷器之間的進氣總管相連通，在所述的高壓級廢氣再循環(huán)回路上沿進氣端依次裝有高壓級廢氣再循環(huán)冷卻器、單向閥和高壓級廢氣再循環(huán)閥，低壓級廢氣再循環(huán)回路的進氣端與位于排氣總管的顆粒捕集器之后的排氣管路相連通并且低壓級廢氣再循環(huán)回路的出氣端與所述的進氣總管的進氣端相連通，在所述的低壓級廢氣再循環(huán)回路上沿進氣端依次裝有低壓級廢氣再循環(huán)冷卻器和低壓級廢氣再循環(huán)閥，在高壓級渦輪機的上游和下游之間安裝有廢氣旁通閥，廢氣旁通閥進氣口端與排氣總管的排氣端相連通并且其出氣口端與位于低壓級渦輪機和高壓級渦輪機之間的排氣總管相連通，在進氣總管的出氣口與氣缸的進氣門之間安裝有溫度傳感器、壓力傳感器和氧濃度傳感器，溫度、壓力、氧濃度傳感器與比例-積分-微分控制器相連并把反饋信號傳輸給高壓級廢氣再循環(huán)冷卻器、高壓級廢氣再循環(huán)閥、低壓級廢氣再循環(huán)冷卻器、低壓級廢氣再循環(huán)閥、進氣總管上的第一級、第二級中冷器以及廢氣旁通閥；噴射策略控制系統(tǒng)包括噴霧錐角為140度的小噴射錐角噴油器和電子控制單元，所述的小噴射錐角噴油器安裝在氣缸上，所述的電子控制單元與所述的小噴射錐角噴油器相連。本實用新型裝置與現(xiàn)有裝置相比的有益效果是:高低壓廢氣再循環(huán)的使用保證了低溫燃燒所需的廢氣質量，有效降低NOx排放；兩級增壓以及低壓縮比活塞在保證足夠的新鮮進氣量的同時，提高了油氣混合時間，有效降低碳煙排放和燃燒控制難度，改善燃油經濟性；廢氣旁通閥可以優(yōu)化高低壓級渦輪機的廢氣能量分布和進入氣缸內充量的增壓壓力，進一步提高燃油經濟性；對進氣溫度、壓力、氧濃度的閉環(huán)控制并結合上述裝置的使用，可以在柴油機全負荷工況下實現(xiàn)高效清潔的低溫燃燒過程。

圖1是本實用新型一種實現(xiàn)柴油機高效清潔低溫燃燒的裝置的結構示意圖；圖2是圖1所示的裝置中的活塞示意圖；圖3是圖1所示的裝置的控制邏輯示意圖；圖4是采用本實用新型裝置后柴油機排放和燃油經濟性效果圖。
具體實施方式
以下結合附圖對本實用新型作以詳細描述。如附圖所示本實用新型的一種實現(xiàn)柴油機高效清潔低溫燃燒的裝置，它包括氣缸、空氣管理系統(tǒng)、噴油策略控制系統(tǒng)，所述的空氣管理系統(tǒng)包括進氣總管和排氣總管，在所述的進氣總管上沿進氣流動方向依次安裝有低壓級壓氣機1、第一級中冷器2、高壓級壓氣機3以及第二級中冷器4，所述的進氣總管的出氣口與氣缸的進氣門5相連通，在所述的排氣總管上沿排氣方向依次安裝有高壓級渦輪機6、低壓級渦輪機7以及顆粒捕集器8，所述的排氣總管的進氣口與氣缸的排氣門9相連通，所述的低壓級壓氣機與低壓級渦輪機通過轉軸相連，所述的高壓級壓氣機與高壓級渦輪機通過轉軸相連，高壓級廢氣再循環(huán)回路的進氣端與位于排氣總管的進氣口端和高壓級渦輪機之間的排氣總管相連通并且高壓級廢氣再循環(huán)回路的排氣端與位于高壓級壓氣機3和第二級中冷器之4間的進氣總管相連通，在所述的高壓級廢氣再循環(huán)回路上沿進氣端依次裝有高壓級廢氣再循環(huán)冷卻器10、單向閥11和高壓級廢氣再循環(huán)閥12，低壓級廢氣再循環(huán)回路的進氣端與位于排氣總管的顆粒捕集器8之后的排氣管路相連通并且低壓級廢氣再循環(huán)回路的出氣端與所述的進氣總管的進氣端相連通，在所述的低壓級廢氣再循環(huán)回路上沿進氣端依次裝有低壓級廢氣再循環(huán)冷卻器13和低壓級廢氣再循環(huán)閥14，在高壓級渦輪機的上游和下游之間安裝有廢氣旁通閥19，廢氣旁通閥的進氣口端與排氣總管的排氣端相連通并且其出氣口端與位于低壓級渦輪機7和高壓級渦輪機6之間的排氣總管相連通，在進氣總管的出氣口與氣缸的進氣門5之間安裝有溫度傳感器15、壓力傳感器16和氧濃度傳感器17，溫度、壓力、氧濃度傳感器與比例-積分-微分控制器(PID) 18相連并把反饋信號傳輸給高壓級廢氣再循環(huán)冷卻器、高壓級廢氣再循環(huán)閥、低壓級廢氣再循環(huán)冷卻器、低壓級廢氣再循環(huán)閥、進氣總管上的第一級、第二級中冷器以及廢氣旁通閥19 ;噴射策略控制系統(tǒng)包括噴霧錐角為140度的小噴射錐角噴油器20和電子控制單元(ECU) 21，所述的小噴射錐角噴油器安裝在氣缸上，所述的電子控制單元與所述的小噴射錐角噴油器相連。在噴射策略控制上，ECU通過向噴油器發(fā)送控制信號，按照發(fā)動機不同運轉工況的需求調整噴油時刻，在小負荷工況推遲噴油器的噴射時刻(上止點前0-10度曲軸轉角);在大負荷工況提前噴油器的噴射時刻(上止點前10-20度曲軸轉角)，同時增加后噴。優(yōu)選的所述的氣缸的活塞為壓縮比為16的低壓縮比強湍流活塞22，所述氣缸活塞的縮口直徑Rl為65.6mm,縮口直徑與氣缸直徑比62.5%，與較小噴霧錐角相匹配，減少油束撞壁量，增強油氣空間預混合能力；活塞凹坑深度Hl為18.8mm，凹坑深度與氣缸直徑比為17.9%，活塞凹坑圓弧處半徑R2為6mm，有效增大燃燒室內湍流強度及湍流保持率，進一步增強燃燒前和燃燒期間油氣的混合過程；活塞環(huán)槽距頂面高度H2為4mm，減小狹縫容積內碳氫和一氧化碳的生成。本活塞結構可以形成較低的壓縮比結構(16壓縮比)，提供更長的著火滯燃期，增強燃燒著火前混合氣的均勻性。本實用新型裝置的運行原理為:在發(fā)動機運行過程中，控制單元接受轉速和油門踏板(對應發(fā)動機的負荷)信號，根據上述信號確定發(fā)動機的運行工況，判斷空氣管理系統(tǒng)和噴射策略控制系統(tǒng)如何投入工作。如果發(fā)動機運行在小負荷工況，減小高壓級廢氣再循環(huán)冷卻器10和低壓級廢氣再循環(huán)冷卻器13的開度、進氣總管上第一級中冷器2和第二級中冷器4的開度，提高進入進氣總管內的廢氣再循環(huán)(EGR)溫度和最終進入氣缸內的氣體溫度，獲取較高的進氣溫度，保證小負荷燃燒穩(wěn)定性，降低小負荷由于低溫產生的碳氫(HC)和一氧化碳(CO)排放，此時噴油策略電子控制單元21適當推遲噴油器20的噴油時刻(上止點前0-10度曲軸轉角左右)，使噴油時刻工作在燃油經濟性最優(yōu)的范圍內，同時與本實用新型的低壓縮比強湍流活塞22相匹配，油束可以很好的在燃燒室內擴散、蒸發(fā)、混合，而且活塞環(huán)槽25距頂面較低的高度，有效降低狹縫容積內HC和CO的生成，提高燃油經濟性；如果發(fā)動機運行在大負荷工況，增大高壓級EGR回路中冷卻器10和低壓級EGR冷卻器13的開度以及第一級中冷器2和第二級中冷器4的開度，降低進入進氣管內的EGR溫度和進入氣缸內的氣體溫度，獲取更大的進氣量，改善大負荷下燃空當量比分布，在整個柴油機低溫燃燒過程中，通過溫度傳感器15和比例-積分-微分(PID)控制器18始終保持對進氣溫度進行PID閉環(huán)控制。此時噴油策略電子控制單元21適當提前噴油器20的噴油時刻(上止點前10-20度曲軸轉角左右)，使大負荷下較大的噴油量可以有更充分的時間與空氣混合，小噴霧錐角噴油器20的設計與增大的燃燒室縮口 23直徑相匹配，減少早噴燃料撞擊到活塞頂面造成濕壁的可能性，同時低壓縮比燃燒室有效延長著火滯燃期，進一步增大燃油與空氣的混合時間，燃燒室凹坑24深度的增大以及燃燒室凹坑24圓弧處形狀的改變，有效增大燃燒室內湍流強度及湍流保持率，進一步增強燃燒前和燃燒期間油氣的混合過程，此外針對大負荷下碳煙控制的難題，噴油策略電子控制單元21給噴油器20增加一次后噴，有效促進燃燒后期碳煙以及未燃HC和CO的氧化，實現(xiàn)低溫清潔燃燒；如果發(fā)動機運行在中低轉速工況，則所述的控制單元向安裝在發(fā)動機排氣旁接管上的電控旁通閥19發(fā)出關閉信號，廢氣排氣經高壓級渦輪機6，低壓級渦輪機7依次膨脹，為了保持較高的EGR率，此時高壓級廢氣再循環(huán)閥12和低壓級廢氣再循環(huán)閥14均打開，部分廢氣排氣流經高壓級廢氣再循環(huán)冷卻器10、單向閥11和高壓級廢氣再循環(huán)閥12進入高壓級壓氣機3的出口，形成高壓級廢氣再循環(huán)回路；另一部分廢氣排氣流經顆粒捕集器8、低壓級廢氣再循環(huán)冷卻器13和低壓級廢氣再循環(huán)閥14進入低壓級壓氣機I的進氣口，形成低壓級廢氣再循環(huán)回路，從而滿足低溫燃燒對大比例廢氣再循環(huán)的需求、有效降低氮氧化物排放；進氣以及經過低壓級廢氣再循環(huán)回路的廢氣一起經低壓級壓氣機I被壓縮，然后流經第一級中冷器2被冷卻以增加空氣密度、增大進氣量；經第一級中冷器2后，混合氣進入高壓級壓氣機3被進一步壓縮，然后與經過高壓級廢氣再循環(huán)回路的廢氣再經第二級中冷器4被進一步冷卻，最后經進氣總管進入氣缸，兩級壓氣機的增壓效果可以保持低溫燃燒大比例EGR下的進入缸內新鮮空氣量，降低燃空當量比，有效降低碳煙排放；如果發(fā)動機運行在高轉速工況，則所述的控制單元向安裝在發(fā)動機排氣旁接管上的電控旁通閥19發(fā)出打開信號，部分廢氣不經高壓級渦輪機6，直接經低壓級渦輪機7膨脹后排出(使進氣壓比不至于達到設定的最高極限、優(yōu)化高低壓級渦輪機廢氣能量分布)。此時高壓級廢氣再循環(huán)閥12和低壓級廢氣再循環(huán)閥14也均打開，經進氣總管進入氣缸的氣體同樣也是低壓EGR和高壓EGR與兩級壓氣機增壓后的空氣的混合物。在發(fā)動機運行過程中，通過壓力傳感器16、氧濃度傳感器17和進氣條件控制器18始終保持對進氣壓力和進氣燃空當量比(進氣成分)進行PID閉環(huán)控制。圖4為應用本實用新型改進發(fā)動機結構后，實際臺架實驗采集的發(fā)動機性能和排放參數(shù)。圖4是提高進氣壓力、結合低壓縮比強湍流活塞、噴油策略控制后獲得的NOx、碳煙、HC、C0和指示油耗圖。圖中表明，通過綜合使用空氣管理系統(tǒng)、噴油策略控制系統(tǒng)以及新設計的低壓縮比強湍流活塞，本實用新型可以使發(fā)動機承受更高比例的EGR (達到55%)而不引起碳煙、HC、CO和燃油經濟性的惡化，降低了 EGR率的控制難度，很好實現(xiàn)了柴油機高效清潔低溫燃燒過程?？梢?，通過本實用新型上述燃油噴射策略控制、空氣管理系統(tǒng)控制、油氣混合控制(低壓縮比強湍流燃燒室與噴油策略的結合)，獲取不同工況所需的混合氣濃度和溫度分布狀況，實現(xiàn)高效清潔低溫燃燒，獲得了很好的柴油機低溫燃燒碳煙與燃油經濟性折衷關系。并且很好實現(xiàn)了其它污染排放物的控制，有害污染物缸內原始排放滿足國5排放法規(guī)，并在加裝簡單的柴油機氧化催化器和顆粒補集器后可滿足歐6排放法規(guī)，同時柴油機燃油經濟性較改進前提高2.5%-5%。
權利要求1.一種實現(xiàn)柴油機高效清潔低溫燃燒的裝置，其特征在于:它包括氣缸、空氣管理系統(tǒng)、噴油策略控制系統(tǒng)，所述的空氣管理系統(tǒng)包括進氣總管和排氣總管，在所述的進氣總管上沿進氣流動方向依次安裝有低壓級壓氣機、第一級中冷器、高壓級壓氣機以及第二級中冷器，所述的進氣總管的出氣口與氣缸的進氣門相連通，在所述的排氣總管上沿排氣方向依次安裝有高壓級渦輪機、低壓級渦輪機以及顆粒捕集器，所述的排氣總管的進氣口與氣缸的排氣門相連通，所述的低壓級壓氣機與低壓級渦輪機通過轉軸相連，所述的高壓級壓氣機與高壓級渦輪機通過轉軸相連，高壓級廢氣再循環(huán)回路的進氣端與位于排氣總管的進氣口端和高壓級渦輪機之間的排氣總管相連通并且高壓級廢氣再循環(huán)回路的排氣端與位于高壓級壓氣機和第二級中冷器之間的進氣總管相連通，在所述的高壓級廢氣再循環(huán)回路上沿進氣端依次裝有高壓級廢氣再循環(huán)冷卻器、單向閥和高壓級廢氣再循環(huán)閥，低壓級廢氣再循環(huán)回路的進氣端與位于排氣總管的顆粒捕集器之后的排氣管路相連通并且低壓級廢氣再循環(huán)回路的出氣端與所述的進氣總管的進氣端相連通，在所述的低壓級廢氣再循環(huán)回路上沿進氣端依次裝有低壓級廢氣再循環(huán)冷卻器和低壓級廢氣再循環(huán)閥，在高壓級渦輪機的上游和下游之間安裝有廢氣旁通閥，廢氣旁通閥進氣口端與排氣總管的排氣端相連通并且其出氣口端與位于低壓級渦輪機和高壓級渦輪機之間的排氣總管相連通，在進氣總管的出氣口與氣缸的進氣門之間安裝有溫度傳感器、壓力傳感器和氧濃度傳感器，溫度、壓力、氧濃度傳感器與比例-積分-微分控制器相連并把反饋信號傳輸給高壓級廢氣再循環(huán)冷卻器、高壓級廢氣再循環(huán)閥、低壓級廢氣再循環(huán)冷卻器、低壓級廢氣再循環(huán)閥、進氣總管上的第一級、第二級中冷器以及廢氣旁通閥；噴射策略控制系統(tǒng)包括噴霧錐角為140度的小噴射錐角噴油器和電子控制單元，所述的小噴射錐角噴油器安裝在氣缸上，所述的電子控制單元與所述的小噴射錐角噴油器相連。
2.根據權利要求1所述的實現(xiàn)柴油機高效清潔低溫燃燒的裝置，其特征在于:所述氣缸的活塞為壓縮比為16的低壓縮比強湍流活塞，所述低壓縮比強湍流活塞的縮口直徑為.65.6mm，縮口直徑與氣缸直徑比62.5%，活塞凹坑深度為18.8mm，凹坑深度與氣缸直徑比為.17.9%，活塞凹坑圓弧處半徑為6mm，活塞環(huán)槽距頂面高度為4mm。
專利摘要本實用新型公開了一種實現(xiàn)柴油機高效清潔低溫燃燒的裝置，它包括氣缸、空氣管理系統(tǒng)、噴油策略控制系統(tǒng)，空氣管理系統(tǒng)包括進氣總管和排氣總管，在進氣總管上沿進氣流動方向依次安裝有低壓級壓氣機、第一級中冷器、高壓級壓氣機以及第二級中冷器，進氣總管的出氣口與氣缸的進氣門相連通，在排氣總管上沿排氣方向依次安裝有高壓級渦輪機、低壓級渦輪機以及顆粒捕集器，排氣總管的進氣口與氣缸的排氣門相連通，低壓級壓氣機與低壓級渦輪機通過轉軸相連，高壓級壓氣機與高壓級渦輪機通過轉軸相連。本裝置保證了低溫燃燒所需的廢氣質量，有效降低NOx排放。
文檔編號F02D43/00GK203009056SQ20132000589
公開日2013年6月19日 申請日期2013年1月7日 優(yōu)先權日2013年1月7日
發(fā)明者劉海峰, 堯命發(fā), 鄭尊清, 張全長 申請人:天津大學