一种超低排放柴油预混合均质压燃燃烧系统

摘要

一种超低排放柴油预混合均质压燃燃烧系统，包括高压共轨装置和燃烧室，其特征在于：高压共轨装置中的电控喷油器与一可输出多脉冲复合喷射信号，且可利用多次的具有一定间隔的窄脉冲驱动喷油器喷油的多脉冲复合喷射控制信号电路连接；在燃烧室内壁面上布置凸沿。本发明的优点是：本发明将多脉冲复合喷射控制和具有凸沿的燃烧室二者结合，可实现柴油均质压燃着火过程的可控性，并使均质压燃着火过程在发动机更宽广的工况范围应用，从而实现柴油机的高效超低排放。

说明书

所属领域：

本发明涉及一种柴油机的燃烧系统，特别涉及一种超低排放柴油预混合均质压燃燃烧系统。

背景技术：

传统直喷式柴油机的燃烧过程分预混燃烧和扩散燃烧两个阶段，混合气不均匀，燃烧是由扩散火焰控制，导致发动机的有害排放氮氧化物(NOx)和碳烟颗粒排放较高。柴油机实现均质压燃着火过程(Homogeneous Charge Compression Ignition)，可以实现极低的NOx和碳烟颗粒排放，但目前在均质压燃着火过程研究中所面临的最大难点是燃烧过程的可控性，这限制了均质压燃着火过程在发动机上运转工况范围。对于柴油燃料来说，其研究难点还包括混合气的形成过程。柴油本身十六烷值高、挥发性低、粘度大不易形成均质混合气。国际上采用的柴油均质混合气形成方式包括：进气道缸外喷射、缸内早期喷射和晚喷。

进气道缸外喷射，喷射压力低，燃油易附着在进气管上。柴油在进气道中与空气混合进入汽缸，从进气门关闭开始，混合气经历压缩过程。混合气着火始点对应于曲轴转角位置受进气温度、进气量、喷油量、发动机压缩比等因素影响，因此只在很窄的低负荷工况范围内，着火始点在可接受范围内。混合气在着火前经历同等的压缩过程，也必然达到同等的着火条件，一旦开始着火燃烧速度过快，无法控制。

缸内早期喷射，目前现有技术为避免油束与汽缸壁碰撞，采用双喷油器方案，由汽缸壁方向向汽缸中心喷射，造成结构复杂，实用化困难。

晚喷，目前技术的基本思想是，在上止点附近喷射，通过提高喷射压力和缸内涡流提高柴油与空气的混合速率，以保证在着火发生之前完成喷射形成混合气。但随着发动机负荷提高，喷油量加大，无法保证着火之前完成喷射，限制了运行工况范围。

对于传统柴油机的燃烧室，从喷油器喷出的燃油在撞壁后，会沿壁面向下发展，在壁面形成浓混合气区，这部分混合气的存在不利于和空气的混合，造成燃烧恶化，碳烟颗粒和NOx排放增加。

发明内容：

本发明的目的就在于克服上述现有技术中存在的不足，而提供一种高效低污染、且可实现柴油与空气的混合过程和燃烧过程的可控性的超低排放柴油预混合均质压燃燃烧系统。

本实用新型的技术方案是：一种超低排放柴油预混合均质压燃燃烧系统，包括高压共轨装置和燃烧室，其特征在于：高压共轨装置中的电控喷油器与一可输出多脉冲复合喷射信号，且可利用多次的具有一定间隔的窄脉冲驱动喷油器喷油的多脉冲复合喷射控制信号电路连接；在燃烧室内壁面上布置凸沿。

上述多脉冲复合喷射控制信号电路由定时卡与I/O卡集成的8253可编程定时器、8255可编程I/O、可编程逻辑器件(GAL)、光电隔离器件和与蓄电池相连的功率驱动元件组成；其中定时卡与I/O卡集成的8253可编程定时器和8255可编程I/O的输入端与微机连接，8253可编程定时器和I/O输出端与可编程逻辑器件连接，可编程逻辑器件(GAL)的输出端与光电隔离器件连接，光电隔离器件的输出端与功率驱动元件连接，功率驱动元件与电控喷油器连接。

上述凸沿可为环形。

本发明的优点是：本发明将多脉冲复合喷射控制和具有凸沿的燃烧室二者结合，可实现柴油均质压燃着火过程的可控性，并使均质压燃着火过程在发动机更宽广的工况范围应用，从而实现柴油机的高效超低排放。

附图说明：

图1为多脉冲复合喷射控制信号控制示意图。

图2为多脉冲复合喷射控制信号生成的原理图

图3为高压共轨装置示意图。

图4为燃烧室的结构示意图。

图5为几种带凸沿的燃烧室的示意图，其中图5a为敞口形燃烧室带有凸沿示意图；图5b为缩口ω形燃烧室带有凸沿示意图；图5c为大缩口深ω形燃烧室带有凸沿示意图；图5d为带三道凸沿的燃烧室的示意图。

图6为采用不同多脉冲喷射提前角对缸内压力和瞬时放热率的影响示意图。

图7为1400r/min，平均有效压力0.66Mpa，采用燃烧室排放结果与原机排放结果对比图。(原机采用高压共轨燃油系统满足欧排放法规)

图8为1400r/min，多脉冲喷射提前角和主喷射角对排放的影响示意图。

具体实施方式：

一种超低排放柴油预混合均质压燃燃烧系统，包括高压共轨装置和燃烧室5，其特征在于：高压共轨装置中的电控喷油器3与一可输出多脉冲复合喷射信号，且可利用多次的具有一定间隔的窄脉冲驱动喷油器喷油的多脉冲复合喷射控制信号电路连接；在燃烧室内壁面上布置凸沿1。

如图3所示：高压共轨装置由高压共轨管7、安装在其上的调压阀8和压力传感器9、与高压共轨管连接的高压油泵10和电控喷油器11组成。电控喷油器与升程传感器12连接，高压油泵与油箱13连接，电控喷油器与油箱相通。微机向调压阀输出控制信号、接收升程传感器的反馈信号、向高压油泵输出控制信号、接收高压共轨管的反馈信号、向电控喷油器输出控制信号、接收电控喷油器的反馈信号。

如图1所示为本系统提出的多脉冲复合喷射控制信号，图2为信号生成的原理图。微机控制定时卡与I/O卡集成的8253可编程定时器和8255可编程I/O输出TTL电平的逻辑方波，经可编程逻辑器件(GAL)合成后，再经光电隔离器件，由与蓄电池相连的功率驱动元件放大信号，利用该信号驱动高压共轨装置中的电控喷油器(参加附图3)。该信号的控制方法是从发动机压缩过程早期开始，利用附图1所示的多脉冲喷射信号部分的多次的具有一定间隔的窄脉冲驱动喷油器喷油。

多脉冲部分中，单次脉冲宽度决定了单次喷油的贯穿度，宽度越大贯穿度越大，因此为保证喷射的燃油不与汽缸壁相碰撞，单次脉冲宽度受喷油的贯穿度限制。多次脉冲喷射的间隔保证各次喷油相互独立，但彼此之间又存在一定的扰动，以利于喷射后燃油与空气的混合。在单次脉冲宽度一定的情况下，脉冲喷射次数决定了多脉冲喷射的喷油量。随发动机负荷提高，喷油量加大，一个循环所需油量不能在多脉冲喷射期内全部喷入缸内，因此如附图1中控制脉冲所示，需要后一部分主喷射控制脉冲控制喷油器在发动机上止点附近喷油。主喷射所起的作用是：为满足发动机负荷要求所需油量，促进先期反应中未燃烧的燃油继续氧化。对于传统柴油机来说，上止点附近喷油必然导致造成高NOx和碳烟排放的扩散燃烧的存在。为此，在本发明中提出具有凸沿的燃烧室，使主喷射油束与其相配合，获得快速混合的均质混合气。

在发动机压缩过程中，不同位置喷入汽缸的燃油具有不同的着火特性，因此在同样的多脉冲喷射脉宽、间隔、次数条件下，采用不同的多脉冲喷射提前角，所形成的柴油预混合气在缸内具有不同的自燃着火特性。本实用新型提出的多脉冲复合喷射控制，具有喷射位置完全柔性调节。利用燃油混合气在压缩过程中的不同着火特性，实现对所形成的均质混合气的着火和燃烧速度进行控制。图6为采用不同多脉冲喷射提前角对缸内压力和瞬时放热率的影响示意图。

如图4所示：发明人在大量的气体和实际柴油喷射的研究中均发现并证实，高速射流2在撞壁后会在壁面形成薄而浓的混合气层，在壁面设置限流凸沿1后，射流迅速被从壁面剥离，形成快速混合的二次空间射流4。二次空间射流可大大加快射流与空气的混合，防止射流在壁面沉积，从喷油器3喷出的高压燃油在撞到燃烧室5的壁面后，沿壁面发展的附面层就会从壁面剥离，形成空间分布的二次高速射流4，与空气的混合率大大增加。在气体模拟撞壁实验中，设置凸沿1后，二次射流的混合率与未设置相比增加了近40倍。

如图5所示：在实际柴油机燃烧室中布置的凸沿位置、高度和角度与实际燃烧室的形状、喷油器油线、喷雾锥角、压力以及进气状态有关。通过控制油束的入射角、二次撞壁距离和闪混环的高度，就可控制二次射流的反射角度，使其分布在燃烧室的适当位置。此种新的混合气形成方式，可实现缸内均质或稀扩散燃烧，大大降低发动机有害排放产物NOx和碳烟颗粒的排放量。

本设计的应用结果如下：

本发明在一台先进的斯太尔柴油机上进行了实验。

图6所示为采用不同多脉冲喷射提前角对缸内压力和瞬时放热率的影响，从放热率曲线中看出，当多脉冲喷射提前角加大到上止点前(BTDC)110°时，前期剧烈放热被抑制。

图7所示为1400r/min，平均有效压力0.66MPa时的实验结果。从图中可看出采用带凸沿的燃烧室，单次喷射碳烟和NOx排放大幅度降低。

图8中所示结果为基于多脉冲复合喷射控制和带有凸沿燃烧室的柴油预混均质压燃燃烧系统实验结果。从图中看出，在1400r/min，平均有效压力0.66MPa工况，烟度控制在0.3，而NOx排放小于220ppm，当平均有效压力增加到0.79MPa工况，采用110°脉冲喷射提前角，上止点后10°主喷射，烟度能够控制在0.5以下，而NOx小于240ppm，大大低于原机排放值。