專利名稱：柴油機(jī)燃油分段噴射定時(shí)與缸內(nèi)渦流的匹配方法
柴油機(jī)燃油分段噴射定時(shí)與缸內(nèi)渦流的匹配方法本發(fā)明涉及一種柴油機(jī)缸內(nèi)燃油分段噴射定時(shí)與缸內(nèi)渦流的匹配方法。通過此方法可以指導(dǎo)進(jìn)氣渦流和燃油分段噴射匹配設(shè)計(jì)及控制，核心是使預(yù)噴段燃油在渦流的作用下旋轉(zhuǎn)一定的角度，在主噴射段開始后，預(yù)噴段燃油及燃燒產(chǎn)物移出主噴區(qū)域旋轉(zhuǎn)到相鄰主噴射油束之間的空隙，同時(shí)預(yù)噴區(qū)域以外的新鮮空氣旋轉(zhuǎn)到主噴區(qū)域，使主噴燃油遇到的仍然是新鮮空氣。因此(1)燃油能更充分地利用缸內(nèi)空氣，從而改善混合氣的總體均勻性和提高空氣利用率；( 預(yù)噴燃燒使放熱等容度和熱效率得到提高，進(jìn)而提高功率。
背景技術(shù)：
柴油機(jī)的油氣混合過程直接影響著燃燒性能及排放特性。若能使燃油在整個(gè)燃燒室空間范圍內(nèi)分布更廣，提高空氣利用率，減小燃燒室中出現(xiàn)的燃油分布不均，都可以明顯改善柴油機(jī)的動力性、經(jīng)濟(jì)性及排放性能。雖然柴油機(jī)缸內(nèi)總過量空氣系數(shù)較大，但是由于柴油機(jī)特有的燃油噴射方式和油氣混合過程，使得缸內(nèi)的混合氣均勻性較差，存在著局部燃油過濃和過稀的區(qū)域，甚至有的區(qū)域根本沒有燃油。現(xiàn)代柴油機(jī)中應(yīng)用了不同的油、氣、室匹配方法來提高發(fā)動機(jī)動力性能，但這些技術(shù)路線并沒有完全有效地克服柴油機(jī)缸內(nèi)混合氣均勻性差、空氣利用率不高的缺陷。為了更好地說明，下面結(jié)合附圖分別分析幾種燃燒系統(tǒng)匹配方法的缺陷。一種方法是對噴油器進(jìn)行改進(jìn)增加噴孔數(shù)，減小噴孔直徑。圖1和圖2是6孔和 8孔噴油器噴油油束無渦流情況下在燃燒室內(nèi)分布情況的俯視圖。從圖上可以看出，隨著噴孔數(shù)的增加，區(qū)域①的空氣通道變窄，燃油分布面積增大，混合氣均勻性得到提高，但是空氣通道內(nèi)仍然有空氣沒有被利用，而且增多孔數(shù)會受噴嘴頭部的幾何尺寸的限制。第二種方法是通過制造缸內(nèi)渦流，如圖3所示，油束在渦流的作用下沿燃燒室周向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，這在一定程度上擴(kuò)大了油氣混合面積。但是，制造缸內(nèi)渦流的方法也沒有解決空氣通道內(nèi)空氣的完全利用問題，因此不能有效提高空氣利用率。同時(shí)，以上兩種方法都是單次噴射，整個(gè)燃燒過程中預(yù)混燃燒部分的比例受到限制，即速燃期放熱量少。而預(yù)混合燃燒由于燃燒速度快，使放熱過程接近等容放熱，預(yù)混燃燒的比例大，則放熱的等容度提高，在上止點(diǎn)附近燃燒室內(nèi)迅速達(dá)到較高的壓力，即圖4中曲線2-3段增長，使發(fā)動機(jī)做功能力增加，熱效率提高，功率增大。而以上兩種方法由于沒有有效提高燃燒放熱的等容度，因此無法有效提高熱效率和發(fā)動機(jī)功率?；谝陨戏治?，本發(fā)明提出一種燃油分段噴射與缸內(nèi)渦流的匹配方法，根據(jù)該方法開發(fā)的燃燒系統(tǒng)可以通過預(yù)噴、主噴和渦流的配合改善缸內(nèi)混合氣均勻性并提高空氣利用率；同時(shí)，預(yù)噴段燃油能夠形成快速的預(yù)混合燃燒，增加在活塞上止點(diǎn)附近的等容放熱比例，即增加等容度，使柴油機(jī)熱效率得到提高，功率增大。因此具有重大的實(shí)用價(jià)值。雖然燃油分段噴射技術(shù)已經(jīng)在上世紀(jì)90年代提出，但研究工作都是圍繞如何降低發(fā)動機(jī)有害排放物而展開的，通過燃油分段噴射并與缸內(nèi)渦流匹配來提高發(fā)動機(jī)功率的研究還未見報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種燃油分段噴射與缸內(nèi)渦流的匹配方法，采用該方法優(yōu)化匹配的燃燒系統(tǒng)，可使預(yù)噴段燃油在渦流作用下旋轉(zhuǎn)一定角度，當(dāng)主噴段燃油噴射開始時(shí)， 預(yù)噴段燃油混合氣或燃燒產(chǎn)物處于相鄰兩主噴油束之間的空氣通道內(nèi)的區(qū)域。由于預(yù)噴燃油經(jīng)過旋轉(zhuǎn)離開了原始噴射位置，因此主噴燃油進(jìn)入燃燒室后能立即與新鮮空氣接觸，有利于進(jìn)一步的混合燃燒。該方法使燃燒室內(nèi)的空氣利用率提高，在總的噴油量不變的情況下，由于空氣利用率的提高，可以降低進(jìn)氣量的需求，減小進(jìn)氣系統(tǒng)(增壓器、中冷器)的體積、重量和成本；在進(jìn)氣量不變的情況下，由于發(fā)動機(jī)可工作在更低的過量空氣系數(shù)下，所以可以增大噴油量，增大發(fā)動機(jī)功率；在高原地區(qū)空氣稀薄、進(jìn)氣量減少的情況下仍能產(chǎn)生較大的功率。本發(fā)明中，燃油預(yù)噴、主噴噴射定時(shí)與缸內(nèi)渦流的匹配是關(guān)鍵。對本發(fā)明而言，可以采用電控高壓共軌系統(tǒng)等完成燃油分段噴射，燃油分段噴射主要包括預(yù)噴和主噴，通過電控系統(tǒng)可以精確控制預(yù)噴和主噴的噴射時(shí)刻、噴油脈寬。缸內(nèi)渦流可以利用切向氣道、 螺旋氣道或者導(dǎo)氣屏等結(jié)構(gòu)產(chǎn)生，渦流能夠使燃油在燃燒室周向發(fā)生一定程度的旋轉(zhuǎn)。由于在預(yù)噴和主噴之間可以控制不同的時(shí)間間隔，在這一時(shí)間間隔內(nèi)，預(yù)噴燃油進(jìn)入氣缸受到渦流的吹拂作用，會順著渦流旋轉(zhuǎn)方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)。對于某一發(fā)動機(jī)，缸蓋結(jié)構(gòu)確定后，缸內(nèi)渦流強(qiáng)度也隨之確定，若其產(chǎn)生的渦流比過小，則對油束偏轉(zhuǎn)的作用不顯著；若渦流比過大，相鄰油束會由于偏轉(zhuǎn)過大而發(fā)生重疊，造成局部燃油濃度過大，反而惡化發(fā)動機(jī)燃燒性能。當(dāng)預(yù)噴和主噴的定時(shí)與渦流強(qiáng)度匹配得較好時(shí)，在主噴開始時(shí)，預(yù)噴段燃油及混合氣或燃燒產(chǎn)物剛好處于相鄰主噴油束之間的通道內(nèi)，而主噴燃油進(jìn)入氣缸后，能立即與新鮮空氣混合，則整個(gè)燃燒室空間的混合氣均勻性和空氣利用率便會得到提高。同時(shí)，由于預(yù)噴燃油噴入氣缸后經(jīng)過充分混合，形成快速的預(yù)混合燃燒，此時(shí)活塞接近壓縮上止點(diǎn)，燃燒放熱過程接近于等容放熱，提高了實(shí)際循環(huán)中等容放熱比例，從而能夠獲得更高的熱效率，使發(fā)動機(jī)功率增大、經(jīng)濟(jì)性提高。本發(fā)明能在較大渦流比范圍內(nèi)與燃油分段噴射進(jìn)行匹配，例如現(xiàn)代柴油機(jī)多采用的中、低渦流(、< 1.5)，同時(shí)可采用多種形狀燃燒室，例如ω型燃燒室和雙卷流(Double Swirl)燃燒室等。


圖1為6孔噴油器噴油油束在無渦流燃燒室內(nèi)周向分布示意圖。圖2為8孔噴油器噴油油束在無渦流燃燒室內(nèi)周向分布示意圖。圖3為8孔噴油器油束在渦流作用下在燃燒室內(nèi)周向分布示意圖。圖4為柴油機(jī)理論循環(huán)中混合加熱循環(huán)的示功圖。圖5為8孔噴油器預(yù)噴燃油在渦流作用下在燃燒室內(nèi)周向分布示意圖。圖6為8孔噴油器預(yù)噴和主噴油束在渦流作用下在燃燒室內(nèi)周向分布示意圖。圖7為預(yù)噴、主噴始點(diǎn)以及預(yù)噴、主噴持續(xù)期說明圖。圖8為功率隨著預(yù)噴油量或預(yù)噴持續(xù)期的變化示意圖。圖9為功率隨著預(yù)噴始點(diǎn)的變化示意圖。圖10為具體實(shí)施例中的ω型燃燒室對應(yīng)噴嘴一個(gè)孔的三維模型。
圖11為CFD軟件中的ω型燃燒室對應(yīng)噴嘴一個(gè)孔的網(wǎng)格模型。圖12為仿真計(jì)算得到的缸內(nèi)渦流比& = 0/燃油單次噴射、渦流比& = 0. 8/燃油單次噴射以及渦流比& = 0. 8/燃油分段噴射時(shí)的指示功率圖。圖13為在不同過量空氣系數(shù)下，缸內(nèi)渦流比&均為0. 8/單次噴射和分段噴射時(shí)的柴油機(jī)指示功率仿真計(jì)算結(jié)果柱狀圖。圖14為缸內(nèi)渦流比&均為0.8/燃油單次噴射和分段噴射時(shí)的示功圖。圖15為缸內(nèi)渦流比&均為0. 8/燃油單次噴射和分段噴射時(shí)的指示熱效率圖。圖16為332° CA，燃燒室周向方向上預(yù)噴燃油的燃空當(dāng)量比與油束示意圖。圖17為352° CA，燃燒室周向方向上預(yù)噴和主噴燃油的燃空當(dāng)量比與油束示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步說明圖5為預(yù)噴燃油噴入ω型燃燒室后的周向分布示意圖。圖中，預(yù)噴燃油在渦流作用下在周向沿渦流旋轉(zhuǎn)方向旋轉(zhuǎn)了一定角度，逐漸偏離初始油束位置。圖6為主噴油束在噴入燃燒室一段時(shí)間后燃油在燃燒室周向分布的示意圖，從圖上可以看出，當(dāng)燃油分段噴射控制策略與缸內(nèi)渦流匹配較好時(shí)，預(yù)噴燃油正好處于相鄰主噴燃油之間的通道內(nèi)，預(yù)噴燃油與主噴燃油不會發(fā)生重疊，這時(shí)燃油在整個(gè)燃燒室內(nèi)的分布效果相當(dāng)于噴油器孔數(shù)增加了一倍，最終效果是燃油可以更充分地占據(jù)整個(gè)燃燒室區(qū)域與空氣進(jìn)行混合，因此提高了缸內(nèi)空氣的利用率。首先，對發(fā)動機(jī)有關(guān)參數(shù)名稱進(jìn)行說明和定義。發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為n(r/min)，渦流比為Sk( = ns/n, ns為缸內(nèi)渦流轉(zhuǎn)速，單位為r/min)。噴油器噴孔數(shù)為m，噴霧錐角為 θ )，相鄰油束的空氣通道夾角為θ"。)。在渦流作用下，預(yù)噴油束前端旋轉(zhuǎn)角度定義為θ ‘ )，預(yù)噴油束末端旋轉(zhuǎn)角度定義為θ “ )，如圖6所示。分段噴射的有關(guān)參數(shù)預(yù)噴始點(diǎn)為A(° CA)，預(yù)噴持續(xù)期為θρ—dur(° CA)，主噴始點(diǎn)為B(° CA)，主噴持續(xù)期為
CA)，如圖7所示。(一 )預(yù)噴、主噴始點(diǎn)的間隔范圍及預(yù)噴最大持續(xù)期的確定當(dāng)渦流比一定時(shí)，燃油分段噴射的匹配需要滿足以下兩方面的約束(1)若預(yù)噴與主噴間隔過大，則預(yù)噴燃油在渦流作用下偏轉(zhuǎn)角度過大，會與相鄰噴孔的主噴燃油重疊，造成局部燃油濃度升高，因此預(yù)噴霧注前端旋轉(zhuǎn)角度不能大于相鄰霧注的空氣通道夾角，S卩θ ‘彡θ。；(2)若預(yù)噴與主噴間隔過小，則預(yù)噴燃油在渦流作用下偏轉(zhuǎn)角度過小，預(yù)噴燃油霧注未能完全離開其噴霧錐角覆蓋范圍，主噴燃油噴入燃燒室后會與其重疊，造成局部燃油濃度升高，因此，預(yù)噴霧注末端至少轉(zhuǎn)過噴霧錐角θ的角度，S卩θ “ ^ θ，同時(shí)要滿足預(yù)噴油束前端旋轉(zhuǎn)角度θ‘ > θ。相鄰油束間的空氣通道夾角θ ^可表示為 Γ _ 360 ^ ^ 360 Λ
權(quán)利要求
1.一種柴油機(jī)燃油分段噴射定時(shí)與缸內(nèi)渦流的匹配方法，其特征在于燃油噴射為分段噴射，即預(yù)噴和主噴。預(yù)噴燃油進(jìn)入燃燒室，就會在渦流的吹拂作用下沿渦流旋轉(zhuǎn)方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)。當(dāng)預(yù)噴結(jié)束后，再經(jīng)過一段時(shí)間間隔，主噴開始，而在這一段時(shí)間間隔內(nèi)，預(yù)噴燃油繼續(xù)隨渦流發(fā)生偏轉(zhuǎn)，當(dāng)主噴開始后，預(yù)噴燃油及混合氣或燃燒產(chǎn)物處于相鄰主噴油束之間的通道內(nèi)，這樣能夠充分利用燃燒室內(nèi)的空氣，提高油氣混合氣的總體均勻性和空氣利用率，可使發(fā)動機(jī)在高原空氣稀薄地區(qū)，仍能產(chǎn)生較強(qiáng)的動力，預(yù)噴燃燒還可以提高放熱等容度以及熱效率，提高功率及經(jīng)濟(jì)性。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的匹配方法，其特征在于，預(yù)噴、主噴燃油由相同的噴孔噴出， 但預(yù)噴燃油在渦流作用下移出主噴區(qū)域，使預(yù)噴和主噴燃油在不同區(qū)域混合燃燒，提高空氣利用率。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的匹配方法，其特征在于對于一定孔數(shù)的噴油器，一定的渦流強(qiáng)度，預(yù)噴與主噴始點(diǎn)的時(shí)間間隔以及預(yù)噴持續(xù)期(均以曲軸轉(zhuǎn)角表示)可以通過公式進(jìn)行推算，即θ /Se 彡 B-A 彡(360/m- θ ) /Seθρ—dur 彡(B-A)-θ/Se
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的匹配方法，其特征在于利用預(yù)噴燃油所形成的預(yù)混合快速燃燒能夠提高放熱速率及放熱等容度，進(jìn)而提高發(fā)動機(jī)的熱效率和功率。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種柴油機(jī)缸內(nèi)燃油分段噴射定時(shí)與缸內(nèi)渦流的匹配方法。通過此方法可以指導(dǎo)進(jìn)氣渦流和燃油分段噴射匹配設(shè)計(jì)及控制，其核心是使預(yù)噴段燃油在渦流的作用下移出主噴區(qū)域，旋轉(zhuǎn)到相鄰主噴射油束之間的空隙，此時(shí)主噴燃油遇到的是同步旋轉(zhuǎn)過來的新鮮空氣。因此(1)燃油能更充分地利用缸內(nèi)空氣，從而改善混合氣的總體均勻性和提高空氣利用率。所以可以增大噴油量，增大發(fā)動機(jī)功率；或可以降低進(jìn)氣系統(tǒng)要求；或在高原地區(qū)空氣稀薄、進(jìn)氣量減少的情況下仍能產(chǎn)生較大的功率；(2)預(yù)噴燃燒使放熱等容度和熱效率得到提高，進(jìn)而提高功率。在現(xiàn)有燃燒系統(tǒng)的基礎(chǔ)上通過該方法即可指導(dǎo)燃油分段噴射與缸內(nèi)渦流的匹配，操作方便，簡單易行。
文檔編號F02D41/30GK102410097SQ201110316368
公開日2012年4月11日 申請日期2011年10月18日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月18日
發(fā)明者劉福水, 李向榮, 趙陸明 申請人:北京理工大學(xué)