專利名稱：一種低排放直噴式柴油機的實現(xiàn)方法
技術領域：
本發(fā)明屬于內(nèi)燃機燃燒和排放技術領域，涉及的是直噴式柴油機的燃燒概念和燃燒方式，具體涉及一種直噴式柴油機的燃燒方法及燃燒控制策略，使柴油機達到更嚴格的排放法規(guī)要求。
背景技術：
在傳統(tǒng)的柴油機中，NOx主要生成在氣缸的高溫區(qū)，即在燃燒溫度高、燃空當量比小的情況下產(chǎn)生；而微粒的生成正好相反，主要生成在氣缸的富油區(qū)，即在燃燒溫度低、燃空當量比大的情況下產(chǎn)生。這給降低柴油機的排放帶來了很大的困難，往往使一種污染物降低的方法會使另一種污染物升高，例如，采用EGR (廢氣再循環(huán))的方法能降低最高燃燒溫度，降低NOx排放，但是抑制了燃燒后期碳煙的氧化，使微粒排放升高；優(yōu)化噴油時刻和噴油壓力的方法能降低碳煙排放，但NOx排放增加較明顯。 在不同工況下，不同濃度的混合氣同時在NOx和碳煙的生成區(qū)域并存，這也加劇了同時降低NOx和碳煙排放的難度。國內(nèi)外研究人員積極尋求能同時改善柴油機NOx和微粒排放的方法，HCCI燃燒方式雖然能同時降低NOx和微粒排放，但是距離實用化階段還相差甚遠，工作區(qū)域較小，大負荷出現(xiàn)工作粗暴和敲缸現(xiàn)象，HC和CO排放高，著火始點和燃燒相位控制困難等問題。隨著電子技術和先進設計技術的發(fā)展，柴油機的研究對電子控制、控制精度等問題也提出了更高的要求，單一的技術不能適應和達到日益嚴格的排放法規(guī)，在現(xiàn)代柴油機的設計和開發(fā)中采用多技術集成的方式，才能實現(xiàn)柴油機低排放要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種能同時降低NOx與微粒排放的直噴柴油機燃燒概念，實現(xiàn)柴油機的低排放，保證了柴油機低溫條件下仍然具有快速燃燒的特性，在整個工況范圍內(nèi)具有“四低三快”的特征，即低爆壓、低噪聲、低NOx碳煙排放、低油耗；快速噴射、快速混合、快速燃燒。本發(fā)明的技術方案是開發(fā)帶有可變氣門技術、EGR (廢氣再循環(huán))技術、電控燃油噴射技術和高增壓技術等多技術集成的直噴柴油機實現(xiàn)低排放。在上止點附近開始噴油或多段噴射中的主噴燃油，通過進氣門早關或晚關和EGR聯(lián)合的方式控制燃燒始點，使燃燒始點向后推遲，從而降低燃燒的最高溫度，降低NOx排放和燃燒噪聲，而且是控制滯燃期的主要手段。采用這種方法會降低燃燒速率，增加油耗率，降低熱效率，為此采用燃燒系統(tǒng)的優(yōu)化、貫穿度的控制和渦流比的標定等方法來彌補；通過幾何方法等快速混合手段實現(xiàn)預混合燃燒，來控制燃燒速率，達到柴油機低排放的同時保持較高熱效率。實質(zhì)上是一種以燃燒相位控制為出發(fā)點，對著火始點和燃燒速率進行控制，即瞬時放熱率的控制。低排放柴油機燃燒概念的核心是低溫預混合燃燒。具有“低燃燒溫度，高燃燒速率”的特性。具體操作如下
(I)在上止點附近開始噴 油或多段噴射的主噴，對噴油始點標定，控制燃燒最高溫度，控制NOx排放。(2)進氣門的關閉時刻(早關或晚關)，可以降低有效壓縮比，這是由發(fā)動機的容積效率決定的，從而降低了壓縮過程的壓力和溫度，使燃燒始點推遲。(3)采用EGR，一方面降低了氧濃度，推遲燃燒始點，增加滯燃期；另一方面，增加了工質(zhì)的比容，降低燃燒溫度，降低NOx排放量。(4)通過進氣門的關閉時刻與EGR率聯(lián)合來控制燃燒始點，需要對進氣門的關閉時刻與EGR率進行標定，實現(xiàn)對著火點的精確控制。(5)降低直噴柴油機的有效壓縮比和EGR后，會使燃燒速率和熱效率降低，油耗率增加，通過幾何形狀方法使油氣快速混合實現(xiàn)預混合燃燒來彌補，實現(xiàn)柴油機低NOx排放同時油耗率不惡化。(6)在油氣快速混合的過程中，優(yōu)化燃燒系統(tǒng)，包括孔徑、孔數(shù)、噴孔錐角、噴射壓力、燃燒室的形狀等。孔徑不僅決定了貫穿距的長度，而且影響霧化質(zhì)量。決定貫穿距的還有噴射壓力和渦流的強弱，貫穿不足會導致燃燒室空間的空氣不能被充分利用，貫穿過度會使大量的燃油噴射到燃燒室壁面，在壁面上生成大量的油膜，導致于碳煙排放的增加。渦流的強弱決定了混合的程度，渦流太弱使混合能量不足，渦流過強使相鄰噴孔噴出的油束之間發(fā)生干擾，燃油分布過于集中，出現(xiàn)富油區(qū)，也有一部分燃油會被氣流卷席到燃燒室的壁面，增加了燃油在壁面上的周向分布面積。進氣量隨著渦流強度的增加而減少，降低了空燃比。(7)本發(fā)明中也可采用可變壓縮比技術替代可變氣門技術。從燃燒的角度闡述燃燒概念控制燃燒始點，使燃燒始點向后推遲，由于采用了快速混合的方式，一旦著火仍然具有較高的燃燒速率，有效地控制了燃燒相位和瞬時放熱率重心。從排放的角度闡述燃燒概念在上止點附近噴油，由于采用可變氣門技術和EGR的聯(lián)合方法推遲了著火始點，活塞下行，使燃燒過程在一個較大的容積內(nèi)進行，從而降低了燃燒溫度，降低了 NOx排放和燃燒噪聲，為了彌補給油耗率和熱效率等方面帶來的負面影響，由于具有快速燃燒的特征，放熱率的重心不向后推遲，保證了在降低NOx的同時，仍然有較高的熱效率和較低的碳煙排放。本發(fā)明的技術解決方案是，本發(fā)明的直噴式柴油機帶有電控可變氣門、廢氣再循環(huán)(EGR)、電控燃油噴射系統(tǒng)、高增壓系統(tǒng)和快速混合燃燒系統(tǒng)。進氣門的關閉時刻為排氣上止點后的120° 240°CA (四沖程柴油機)，EGR率為0飛0%，電控燃油噴射始點(或多段噴射的主噴)在-10° CA 3° CA ATDC，增壓系統(tǒng)的增壓比在2飛，柴油機的燃燒系統(tǒng)采用幾何方法(例如壁面射流)使油氣快速混合。本發(fā)明的有益效果是進氣門早關或晚關，使容積效率降低，降低了柴油機的有效壓縮比，降低了壓縮終了時的壓力和溫度，使著火點向后推遲，降低了 NOx排放和燃燒噪聲。油氣的快速混合，控制燃燒速率和放熱率的重心，使煙度和油耗率保持很低的水平。


附圖是直噴柴油機不同工況的運行模式圖。
圖中1采用高壓共軌噴射+EGR+可變氣門技術(早關或晚關)+特殊幾何形狀；2過渡工況；3高壓共軌噴射+高增壓；4過渡工況；5高壓共軌多段噴射+高噴射壓力。
具體實施例方式本發(fā)明的工作過程是柴油機進氣時，廢氣再循環(huán)系統(tǒng)(EGR)中的廢氣以一定的比率與新鮮空氣預混合，進氣門的開啟后，混合氣體進入發(fā)動機，進氣門的早關或晚關后，被封閉在發(fā)動機的氣缸內(nèi)。隨著活塞的上行，工質(zhì)被壓縮，在壓縮上止點附近，燃油(或多段噴射的主噴)噴入汽缸，使著火點推遲，通過幾何方法使油氣快速混合，經(jīng)過物理滯燃期和化學滯燃期后，著火快速燃燒，活塞下行對外做功。縮短燃燒持續(xù)期。當活塞達到下止點附近排氣門開啟，活塞上行，開始排氣，完成一個工作循環(huán)。如上所述，柴油機可以按上面所提供的方法在整個工況范圍內(nèi)采用單一模式運 行。為了更進一步改善直噴式柴油機的性能，降低大負荷的煙度和油耗率，可以采用多模式運行，即在不同的工況(不同轉速、不同負荷)下采用不同的運行模式。具體技術方案是在所有轉速的中小負荷工況(75%負荷以內(nèi))，采用上述專利。在低速大負荷區(qū)域，關閉EGR閥。不采用進氣門早關或晚關的控制策略，使發(fā)動機獲得最高的容積效率。采用超高增壓技術增加進氣量和電控燃油高壓噴射技術相結合。在中、高轉速大負荷區(qū)域，關閉EGR閥。不采用進氣門早關和晚關的控制策略，使發(fā)動機獲得較高的容積效率。采用高壓共軌多段噴射技術，并且增加噴射壓力。在不同的區(qū)域之間有過渡區(qū)域，能實現(xiàn)發(fā)動機在不同模式切換之間平穩(wěn)過渡。采用多模式運行的優(yōu)點是(I)改善了大負荷的煙度和油耗率。(2)在低速大負荷區(qū)域，關閉EGR閥。不采用進氣門早關和晚關的控制策略，使發(fā)動機獲得了最高的容積效率，改善了油耗率。采用高壓噴射技術能使油滴霧化更細，采用高增壓技術增加了進氣量，改善了低速煙度排放。(3)在中、高轉速大負荷區(qū)域，關閉EGR閥。不采用進氣門早關和晚關的控制策略。采用高壓共軌多段噴射技術，預噴射能降低主噴的滯燃期，降低NOx排放和燃燒噪聲，后噴射能氧化碳煙。提高噴射壓力，加強燃油的霧化和蒸發(fā)，減少了壁面油膜的生成量，改善了油耗和碳煙排放。在柴油機的不同工況，采用不同的運行模式。例如從I區(qū)過渡到3區(qū)時，經(jīng)過一個過渡工況后，EGR閥關閉，并且進氣門的關閉時刻使容積效率最高，采用可變增壓技術增加進氣量，噴油時刻可以不做調(diào)整或略微提前。
權利要求
1.一種低排放直噴式柴油機的實現(xiàn)方法，其特征在干，該低排放直噴式柴油機帶有電控可變氣門、廢氣再循環(huán)(EGR)、電控燃油噴射系統(tǒng)、高增壓系統(tǒng)和快速混合燃燒系統(tǒng)；在上止點附近開始燃油或多段噴射中的主噴燃油，通過進氣門早關或晚關和EGR聯(lián)合的方式控制燃燒始點，使燃燒始點向后推遲，從而降低燃燒的最高溫度，降低NOx排放和燃燒噪聲，通過幾何方法等快速混合手段實現(xiàn)預混合燃燒，來控制燃燒速率，進行燃燒系統(tǒng)的優(yōu)化、貫穿度的控制和渦流比的標定等方法彌補油耗率和碳煙排放，達到柴油機低排放的同時保持較高熱效率。
2.根據(jù)權利要求I所述的ー種低排放直噴式柴油機的實現(xiàn)方法，其特征在于電控燃油噴射始點或多段噴射的主噴在_10°CA 3°CA ATDC0
3.根據(jù)權利要求I所述的ー種低排放直噴式柴油機的實現(xiàn)方法，其特征在于通過 進氣門的關閉時刻與EGR率聯(lián)合來控制燃燒始點，進氣門的關閉時刻為排氣上止點后的120° 240° CA (四沖程柴油機)，EGR率為0 60%。
4.根據(jù)權利要求I所述的ー種低排放直噴式柴油機的實現(xiàn)方法，其特征在于增壓系統(tǒng)的增壓比在2飛。
5.根據(jù)權利要求I所述的ー種低排放直噴式柴油機的實現(xiàn)方法，其特征在于柴油機的燃燒系統(tǒng)采用幾何方法使油氣快速混合。
6.根據(jù)權利要求1-5所述的實現(xiàn)方法，柴油機可以按上面所提供的方法在整個エ況范圍內(nèi)采用単一模式運行。
7.為了更進ー步改善直噴式柴油機的性能，也可以采用多模式運行，其特征還在干，在所有轉速的中小負荷エ況，采用上述模式；在低速大負荷區(qū)域，采用超高增壓技術增加進氣量和電控燃油高壓噴射技術相結合；在中、高轉速大負荷區(qū)域，采用高壓共軌多段噴射技術,并且增加噴射壓力。
8.根據(jù)權利要求1-5所述的實現(xiàn)方法，其特征在干采用可變壓縮比技術替代可變氣門技術。
9.根據(jù)權利要求7所述的實現(xiàn)方法，其特征在干采用可變壓縮比技術替代可變氣門技木。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種低排放直噴式柴油機，屬于內(nèi)燃機燃燒和排放技術領域，涉及的是直噴式柴油機的燃燒概念和燃燒方式。其特征是直噴式柴油機帶有電控可變氣門、廢氣再循環(huán)(EGR)、電控燃油噴射系統(tǒng)、高增壓系統(tǒng)和快速混合燃燒系統(tǒng)。在上止點附近開始燃油(或多段噴射中的主噴燃油)，通過進氣門早關或晚關和EGR聯(lián)合的方式控制燃燒始點，使燃燒始點向后推遲，從而降低燃燒的最高溫度，降低NOx排放和燃燒噪聲，而且是控制滯燃期的主要手段。采用燃燒系統(tǒng)的優(yōu)化、貫穿度的控制和渦流比的標定等方法油耗率和熱效率。通過幾何方法等快速混合手段實現(xiàn)預混合燃燒，來控制燃燒速率，達到柴油機低排放的同時保持較高熱效率。
文檔編號F02D43/00GK102650244SQ20121015469
公開日2012年8月29日 申請日期2012年5月17日 優(yōu)先權日2012年5月17日
發(fā)明者郭鵬江, 高希彥 申請人:大連理工大學