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CN102996223A - 柴油机预混合燃烧系统 - Google Patents

柴油机预混合燃烧系统 Download PDF

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隆武强
田江平
盛凯
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Dalian University of Technology
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Abstract

一种柴油机预混合燃烧系统，其属于内燃机燃烧领域。这种燃烧系统把柴油、或者重油、或者柴油和自燃温度比柴油高，十六烷值比柴油低的燃料的混合物由主喷油嘴喷入燃烧室、或者由进气道喷入，形成预混合气；采用低压缩比，使缸内形成的预混合气不能依靠压缩温度自燃着火；在压缩上止点附近由副喷油嘴直接向燃烧室内喷射相对于主喷油嘴喷射的燃料而言，自燃温度低、十六烷值高的燃料，即更易于压燃的燃料，缸内着火燃烧，从而有效地控制预混合气的着火相位，实现全工况范围的均质预混压燃。采用废气再循环、或向气缸或进气道内喷水控制燃烧速率，采用高膨胀比以保证高的热效率。

Description

柴油机预混合燃烧系统
技术领域
本发明涉及一种柴油机预混合燃烧系统，其属于内燃机燃烧领域。 
背景技术
众所周知，一方面柴油机燃料的多元化进展在加快，另一方面，为了满足日趋严格的排放法规和对经济性的要求，柴油机的技术越来越复杂，成本不断攀升。此外，蓄电池技术的快速发展，也对柴油机形成了严峻的挑战。 
发明内容
为了改善柴油机性能，并降低成本，增强柴油机的竞争力，本发明提供一种柴油机预混合燃烧系统，这种燃烧系统采用低压缩比高膨胀比热力循环，对增压柴油机还要进行增压空气强化冷却、或通过进气管路喷水、或气缸内喷水，使在进气行程或压缩行程由主喷油嘴喷入的柴油、或者重油、或者柴油和自燃温度比柴油高，十六烷值比柴油低的燃料的混合物形成的缸内预混合气不能压缩着火，然后在压缩上止点附近喷入相对主喷油嘴喷射的燃料更易于压燃（自燃温度低，十六烷值高）的燃料着火，进而引燃缸内的预混合气，有效地控制柴油机预混合燃烧的着火相位，并通过废气再循环技术把部分废气重新引入缸内，或者向进气管路、或者燃烧室内喷水，控制预混合燃烧速率，实现着火相位和燃烧速率可控的柴油机预混合燃烧，达到高效清洁的目标。 
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种柴油机预混合燃烧系统，它包括一个由燃烧室、一个主喷油嘴和一个副喷油嘴；所述主喷油嘴安装在燃烧室或进气道内，主喷油嘴在进气行程或压缩行程向燃烧室、或在进气行程向进气道内喷射柴油、或重油、或柴油和自燃温度比柴油高，十六烷值比柴油低的燃料的混合物，形成预混合气。进气方式采用自然吸气或增压进气。在采用增压进气时，用增压空气冷却器把增压后的空气进行强制冷却，或采用进气加湿，或喷水降低压缩温度，使燃烧室内的预混合气不能依靠压缩温度自燃着火； 
在压缩上止点附近，用副喷油嘴直接向燃烧室喷射相对于主喷油嘴喷射的燃料而言，自燃温度低、十六烷值高的燃料，即更易于压燃的燃料，缸内着火燃烧，燃烧产生的高温高压，激发燃烧室内的一次预混合气发生多点同时着火的预混合压缩着火燃烧。
所述主喷油嘴和副喷油嘴安装于燃烧室内。 
所述主喷油嘴和副喷油嘴做成一体。 
所述燃烧室内安装喷水器。 
所述柴油机的进气道内安装喷水器。 
所述柴油机进气道内安装主喷油嘴和喷水器。 
所述柴油机进气道内安装主喷油嘴，喷水器安装于燃烧室内。 
所述柴油机采用废气再循环技术。 
所述柴油机在用作汽车动力时，怠速工况主喷油嘴和副喷油嘴都停止燃料喷射。 
所述主燃料为柴油或柴油和自燃温度比柴油高，十六烷值比柴油低的燃料的混合物，区别于适于火花点燃的燃料。 
上述技术方案的指导思想是：柴油机预混合压缩着火方式的关键问题是着火相位的控制。本发明利用相对易于压燃的燃料引燃通常采用压缩着火方式的柴油或柴油混合燃料的预混合气，实现着火相位的可控。方案采用：1.包括主喷油嘴和副喷油嘴的双供油系统，主喷油嘴较早喷射柴油或柴油混合物，形成预混合气，副喷油嘴在压缩上指点附近喷射相对主喷油嘴喷射的燃料更易于压燃（自燃温度低，十六烷值高）的燃料；2.减小压缩比，降低压缩终点的缸内温度；3.在柴油中加入自燃温度比柴油高，十六烷值比柴油低的燃料，形成较难压燃的柴油混合燃料。这样使形成的预混合气不会依靠压缩温度而自燃，通过副喷油嘴喷射相对主喷油嘴喷射的燃料更易于压燃（自燃温度低，十六烷值高）的燃料着火，引燃并激发燃烧室内的预混合气发生预混合压燃着火燃烧。而采用高膨胀比，有利于提高内燃机的效率，降低油耗；采用废气再循环技术和喷水技术，将部分废气和水引入气缸，降低燃烧温度，从而可以控制预混合压缩着火燃烧的速率。 
本发明的有益效果是：这种柴油机预混合燃烧系统，采用低压缩比和高膨胀比，对增压内燃机还要进行增压空气强化冷却，使缸内的预混合气不能压缩自燃，然后副喷油嘴喷射相对主喷油嘴喷射的燃料而言更易于压燃（自燃温度低，十六烷值高）的燃料，引燃并激发缸内预混合气发生预混合压燃着火燃烧，从而有效地控制了预混合燃烧的着火相位；通过废气再循环技术和缸内加水技术，控制预混合燃烧的速率。从而实现了全工况范围内着火相位和燃烧速率可控的柴油机预混合燃烧，可以获得超低的NOx和碳烟排放，并保持高效率。这种柴油机可以适应多种燃料，尾气后处理系统也较为简单。向缸内喷入柴油和汽油、乙醇等易挥发而不易自燃的燃料所组成的混合燃料，既可以更多地降低缸内温度，又可以降低燃料的自燃性，从而保证有效压缩比不必设置太低，有利于提高发动机的热效率。这种情况下，副喷油嘴可以直接喷射柴油引燃柴油的混合物。由于实现预混合燃烧，使循环的定容放热率增加，因此完全可以弥补甚至超过降低压缩比所带来的热效率损失。在一台135单缸柴油机上的试验表明，NOx排放下降90%，碳烟排放降低88%，热效率提高5%。 
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。 
图1是一种采用主副喷油嘴直喷的柴油机预混合燃烧系统示意图。 
图2是一种主喷油嘴安装在进气道副喷油嘴直喷的柴油机预混合燃烧系统示意图。 
图3是主喷油嘴和副喷油嘴以及喷水器均采用缸内直喷的柴油机预混合燃烧系统示意图。
图4是喷水器安装在进气道主副喷油嘴直喷的柴油机预混合燃烧系统示意图。 
图5是主副喷油嘴做成一体式的柴油机预混合燃烧系统示意图。 
图6是主副喷油嘴做成一体式并将喷水器安装在进气道的柴油机预混合燃烧系统示意图。 
图7是主喷油嘴安装在进气道副喷油嘴和喷水器直喷的柴油机预混合燃烧系统示意图。 
图中：1、燃烧室，2、主喷油嘴，3、副喷油嘴，4、气缸盖，5、主副喷油嘴一体式喷油器，6、喷水器，7、进气道。 
具体实施方式
图1所示的柴油机预混合燃烧系统主喷油嘴和副喷油嘴均采用缸内直喷的方式。 
图2所示的柴油机预混合燃烧系统副喷油嘴采用缸内直喷的方式，主喷油嘴安装于进气道内。 
图3所示的柴油机预混合燃烧系统主喷油嘴和副喷油嘴以及喷水器均采用缸内直喷的方式。 
图4所示的柴油机预混合燃烧系统主喷油嘴和副喷油嘴采用缸内直喷的方式，喷水器安装于进气道内。 
图5所示的柴油机预混合燃烧系统将主喷油嘴和副喷油嘴做成一体式喷油器，采用缸内直喷的方式。 
图6所示的柴油机预混合燃烧系统将主喷油嘴和副喷油嘴做成一体式喷油器，采用缸内直喷的方式，并在进气道内加装喷水器。 
图7所示的柴油机预混合燃烧系统主喷油嘴安装于进气道内，副喷油嘴和喷水器采用缸内直喷的方式。 
在图1所示的柴油机预混合燃烧系统采用主(2)副(3)两个喷油嘴，并且两个喷油嘴均采用直喷的方式布置于气缸盖(4)上。主喷油嘴(2)在进气行程或压缩行程向燃烧室(1)内喷射柴油和自燃温度比柴油高，十六烷值比柴油低的燃料的混合物，形成预混合气。进气方式采用自然吸气或增压进气。在采用增压进气时，用增压空气冷却器把增压后的空气进行强制冷却，或采用进气加湿的方式使燃烧室(1)内的预混合气不能依靠压缩温度自燃着火；副喷油嘴(3)在压缩上止点附近喷射相对主喷油嘴(2)喷射的燃料而言更易于压燃（自燃温度低，十六烷值高）的燃料，着火燃烧产生的高温高压，激发燃烧室内(1)的预混合气，发生多点同时着火的预混合压燃着火燃烧。 
在图2所示的柴油机预混合燃烧系统采用主(2)副(3)两个喷油嘴，主喷油嘴(2)安装于进气道(7)内，副喷嘴(3)安装燃烧室内。主喷油嘴(2)在进气行程向进气道(7)内喷射柴油和自燃温度比柴油高，十六烷值比柴油低的燃料的混合物，形成预混合气。进气方式采用自然吸气或增压进气。在采用增压进气时，用增压空气冷却器把增压后的空气进行强制冷却，或采用进气加湿的方式使燃烧室(1)内的预混合气不能依靠压缩温度自燃着火；副喷油嘴(3)在压缩上止点附近喷射相对主喷油嘴(2)喷射的燃料更易于压燃（自燃温度低，十六烷值高）的燃料着火，燃烧产生的高温高压，激发燃烧室(1)内的预混合气，发生多点同时着火的预混合压燃着火燃烧。 
在图3所示的柴油机预混合燃烧系统采用主(2)副(3)两个喷油嘴，并且两个喷油嘴均采用直喷的方式布置于气缸盖(4)上。增加一个喷水器(6)，也安装在气缸盖(4)上。主喷油嘴(2)在进气行程或压缩行程向燃烧室(1)内喷射柴油和自燃温度比柴油高，十六烷值比柴油低的燃料的混合物，形成预混合气。进气方式采用自然吸气或增压进气。在采用增压进气时，用增压空气冷却器把增压后的空气进行强制冷却，并且采用喷水器(6)喷射水雾的方式降低燃烧室内的温度，使燃烧室(1)内的预混合气不能依靠压缩温度自燃着火；副喷油嘴(3)在压缩上止点附近喷射相对主喷油嘴(2)喷射的燃料更易于压燃（自燃温度低，十六烷值高）的燃料着火，燃烧产生的高温高压，激发燃烧室内(1)的预混合气，发生多点同时着火的预混合压燃着火燃烧。 
图4和图7是在图3的基础上，分别将喷水器(6)和主喷油嘴(2)布置于进气道(7)内的方案。其具体的工作过程同图3中各喷油嘴和喷水器的工作过程。 
图5是将主(2)副(3)喷油嘴做成一体式喷油器(5)，布置与气缸盖(4)上，以直喷的方式喷射到燃烧室(1)内。图6是在图5的基础上，在进气道(7)内加装喷水器(6)。在进气过程喷射水雾，降低进气温度。 
从上述实施例可见，内燃机工作时，以低压缩比高膨胀比的循环方式工作。内燃机的有效压缩比不大于可以使主喷油嘴喷射的混合燃料的混合气自燃着火的最小压缩比，以确保缸内的混合气不能自燃着火；对于增压内燃机，采用增压空气冷却系统将增压后的空气进行强制冷却，或采用喷射水雾的方式降低进气管路内气体的温度。在进气行程或压缩行程向燃烧室内喷射柴油基混合燃料，形成一次预混合气；而副喷油嘴喷射少量易压燃的燃料，燃烧并激发缸内的一次预混合气发生预混合燃烧，从而控制燃烧室内混合气发生预混合燃烧的着火相位。通过EGR阀门、EGR冷却器及相关管路，可以将部分内燃机尾气重新引入气缸内，以及在高负荷下采用喷水器向燃烧室喷射水雾，从而可以在全负荷范围控制燃烧室混合气的燃烧速率。在怠速时停机，主喷油嘴和副喷油嘴停止喷射燃料。因为燃烧速率快，内燃机具有较高的热效率。 
  

Claims (9)

1.一种柴油机预混合燃烧系统，它包括一个燃烧室(1)、一个主喷油嘴(2)、一个副喷油嘴(3)，其特征是：所述主喷油嘴(2)安装在燃烧室(1)或进气道（7）内，主喷油嘴(2)在进气行程或压缩行程向燃烧室(1)或进气道（7）内喷射柴油、或者喷射柴油和自燃温度比柴油高，十六烷值比柴油低的燃料的混合物、形成预混合气；采用低压缩比高膨胀比热力循环，保证燃烧室(1)内的预混合气不会因压缩温度自燃着火，又有较高的热效率；在压缩上止点附近，用副喷油嘴（3）直接向燃烧室（1）喷射相对于主喷油嘴（2）喷射的燃料而言，自燃温度低、十六烷值高的燃料，即更易于压燃的燃料，缸内着火燃烧，燃烧产生的高温高压，激发燃烧室(1)内的一次预混合气发生多点同时着火的预混合压缩着火燃烧。
2.根据权利要求1所述的柴油机预混合燃烧系统，其特征是：所述主喷油嘴(2)、副喷油嘴(3)安装于燃烧室(1)内。
3.根据权利要求1所述的柴油机预混合燃烧系统，其特征是：所述主喷油嘴(2)、副喷油嘴(3)做成一体，安装于燃烧室(1)内。
4.根据权利要求2所述的柴油机预混合燃烧系统，其特征是：所述燃烧室(1)内安装喷水器(6)。
5.根据权利要求2或3所述的柴油机预混合燃烧系统，其特征是：所述柴油机的进气道（7）内安装喷水器(6)。
6.根据权利要求1所述的柴油机预混合燃烧系统，其特征是：进气道（7）内安装主喷油嘴(2)和喷水器(6)。
7.根据权利要求1所述的柴油机预混合燃烧系统，其特征是：进气道（7）内安装主喷油嘴(2)，喷水器(6) 安装于燃烧室(1)内。
8.根据权利要求1所述的柴油机预混合燃烧系统，其特征是：所述预混合燃烧系统利用废气再循环控制燃烧速率。
9.根据权利要求1所述的柴油机预混合燃烧系统，其特征是：所述柴油机在用作汽车动力时，怠速工况主喷油嘴(2)和副喷油嘴(3)都停止燃料喷射。
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