[发明专利]空间分散式直喷柴油机燃烧系统

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种空间分散式直喷柴油机的燃烧系统与燃烧方式，其属于内燃机混合气的形成与燃烧领域。

背景技术

在传统柴油机中，油束缓慢地吸入周围空气，因着火延迟期很短，所以燃油在与空气充分混合之前就开始燃烧。因此，油束中心区域燃油浓度大，产生碳烟，而在油束外层区域形成理想配比的混合气，产生高NOx浓度的废气。

在喷油时，在靠近火焰前锋的油束核心中存在大量碳烟。在喷油的过程中燃油会连续进入这个浓混合气区，液态燃油或很浓的空燃比混合气与火焰的相互作用，燃油喷到已燃区域，会生成大量的碳烟。较大份额的扩散燃烧会导致较高的碳烟排放。要使这些大量碳烟氧化需要有较高的温度，并供给足够的氧气。

柴油机生成大量NOx主要原因归结为喷雾尖端的混合强度较弱，高浓度的NOx区域在喷流尖端附近，并随着时间的推移向下移动，并且在下游处于高温且分布着NOx浓度极高的区域。这是因为在喷流尖端与周围空气的冲突及混合减少了动量，混合扩散强度也随之降低，从而使依靠周围气体来稀释燃烧气体的混合稀释能力下降。结果是维持在高温的燃烧气体滞留在下游区域，以致于在这非稳态区域NOx大量生成。

改善传统型柴油机燃烧困难的理由是混合气浓度不均匀，在以紊流扩散燃烧为主体的传统型柴油机燃烧的场合，从只有空气存在的区域到只有燃油存在的区域，存在各种浓度的混合气，并且混合气同时存在于NOx和碳粒生成速度较快的区域。这也就成为同时降低NOx和PM较为困难的原因。均质压燃(HCCI)燃烧方式具有降低NOx和碳烟生成量的潜力。但是，在采用HCCI的发动机还有许多问题尚待解决。例如与常规柴油机相比工作区域小，HC和CO排放高，在大负荷过早的喷射引起工作粗暴，燃油喷雾附于气缸套壁面稀释机油等问题。

发明内容

为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供了一种喷束壁面引导的空间分散式双壁面射流直喷柴油机燃烧系统。通过低温燃烧来降低NOx、通过预混合燃烧和“双壁面射流”技术来降低微粒排放，实现了降低NOx和PM的“柴油机两难”解决方案。此燃烧系统所具有的特征是：低爆压、快速混合、滞燃期长和低温燃烧。

本发明的技术方案是：采用引导喷束和分层技术，开发空间分散式“双壁面射流”低排放燃烧系统。采用降低压缩比、控制喷油时刻、“双壁面射流”技术实现低温燃烧降低NOx排放，通过预混合燃烧和“双壁面射流”技术来降低微粒排放。所谓的“双壁面射流”技术，其特征在于：燃烧室壁面上设有导向凸弧和小台阶。多孔喷油器喷出的液态油束，撞击在燃烧室壁面上，经壁面上的导向凸弧和小台阶的反射，形成分层壁面射流，简称“双壁面射流”。

“双壁面射流”燃烧技术的思想是：

(a)喷束引导：这里采用“壁面引导”的方式，即：液态油束撞击到燃烧室壁面，会产生粘附、平摊、反弹、破碎、飞溅等现象。使喷束撞击到壁面后，大份额反射到燃烧室的空间，少部分形成壁面油膜。壁面引导，避免了在传统柴油机油束中心区域燃油浓度大，产生碳烟，而在油束外层区域形成理想配比的混合气，产生高NOx浓度的废气现象。另外，传统的柴油机喷雾尖端的混合强度较弱，在火焰尖端生成高浓度的NOx，采用壁面引导，促进喷雾尖端的混合，使火焰中的流动结构接近稳态喷射火焰的结构。

(b)空间分散：“双壁面射流”技术属于空间分散式空间喷雾的一种。直喷柴油机碳烟生成的一个主要原因是液态燃油或很浓的空燃比混合气与火焰的相互作用，燃油喷到已燃区域，会生成大量的碳烟。较大份额的扩散控制燃烧会导致较高的碳烟排放。采用空间分散的方法可以避免液态燃油与火焰接触方面产生不利的相互作用，改善空气的利用率，提高局部空燃比，降低碳烟排放。

(c)分层技术：壁面反射后的油束能分层混合，快速混合。即，导向凸弧和小台阶分别形成射流，各自占有一定的份额。下面是分层技术独有的特点：

1)反射后的油束能同时分布在燃烧室的挤流区和凹坑区，形成大的喷束涡流，并向较大范围扩展。

2)壁面射流的喷束能卷吸更多的空气，在有限的滞燃期内形成更多的可燃混合气，产生多个着火点，缩短燃烧持续期。

3)在喷束燃烧后，上下两层的喷束与能相互辐射吸收热量，上层喷束中雾化不好的质量大的油滴受离心力的作用能在下层喷束中继续燃烧，下层未完全燃烧产物受活塞逆挤流的作用上升，能在上层喷束中进一步燃烧。

4)喷束中夹带的空气多，则混合气较稀薄，燃料与空气混合更快，因而燃烧持续期缩短，这会产生较高的有效膨胀，结果使发动机效率提高。由于扩散燃烧持续期的缩短使碳粒形成时间缩短而增加了其氧化的时间，从而在膨胀行程中以及扩散燃烧后，碳烟可能会被氧化。