专利名称：二次稀预混射流燃烧直喷式柴油机燃烧系统及其燃烧方法
技术领域：
本发明涉及一种柴油机，更具体地说，本发明涉及一种直喷式柴油机用的燃烧系统。
现有的直喷式柴油机，尽管具体设计千差万别，但其基本的燃烧原理是柴油喷雾的扩散燃烧，即在柴油机压缩冲程的终点，高压柴油喷嘴上的喷孔喷出，喷出的油束，自燃着火后形成一个扩散燃烧的火炬。其燃烧是浓预混合气自燃着火和化学当量比下的扩散燃烧，且由于油束扩散燃烧形成了浓度、温度极不均匀的性质，使火焰区的浓度大体等于化学剂量比，温度高达2700度K，而燃烧室内总体平均温度只有1300度K。上述原因造成了柴油燃烧后形成大量碳烟和NOx等有害排放物，并且降低了柴油机效率。
本发明的目的是提供一种能降低燃烧后排放物中的碳烟和NOx浓度，并提高燃烧效率的直喷式柴油机燃烧系统及其燃烧方法。
本发明的目的是通过如下技术方案予以实现的。
本发明二次稀预混射流燃烧直喷式柴油机燃烧系统，包括进气道、喷油嘴和燃烧室，所述燃烧室为收口ω型燃烧室，其底部设有一凸出的锥形体，锥形体底部外侧设有环状凸台，凸台外侧设有圆环状混合室，所述的喷油嘴设有5～8个喷油孔；所述各喷油孔的轴线延长线与燃烧室锥形体锥面的夹角为10～30度。
所述的环状凸台横截面为有圆角的矩形，高度为1～2mm。
本发明二次稀预混射流燃烧直喷式柴油机燃烧系统的燃烧方法是，柴油经喷油嘴的喷孔形成油束喷向ω型燃烧室的底部，所述燃烧室的底部设有一凸出锥形体，锥形体底部外侧设有凸台，油束与锥面之间夹角为10～30度，所述喷油孔与油束在锥形体上的撞击点之间的距离为17～23mm。
所述燃烧室内的涡流比为Ω=1～2。所述喷油嘴的喷油压力为1000～2000bar。
与现有技术相比本发明有如下有益效果。
1．显著减少对环境的污染。
现有直喷式柴油机是柴油喷雾的燃烧，在自燃着火过程中，混合气的空燃比为0.25～0.5，过浓的混合气形成大量碳烟，着火之后火焰区的空燃比大约为理论空燃比，此时生成的NOx最高。而本发明利用柴油喷雾与燃烧室圆锥台撞击，以及环状凸台的干扰作用使柴油喷雾与燃烧室壁面剥离，形成高湍流混合燃油射流，此射流的混合率比现有的燃烧系统的撞壁柴油射流的混合率提高几倍至几十倍，使其空燃比控制在0.6～0.8，从而可大幅度减少碳烟和NOx的生成，实现超低排放，当采用高增压和电控高压(高于1000bar)燃油喷射系统时，采用本发明的柴油机NOx排放可低于2g/hp-h，微粒排放可低于0.05g/hp-h。
2．大大提高了燃烧效率。
随着碳烟和NOx的减少，柴油得到充分燃烧，燃烧效率显著提高，这样就可提高柴油机的效率。
下面结合附图
和实施例对本发明进行详细说明。
附图是本发明的直喷式柴油机燃烧系统的结构示意图。
在图中，本发明的直喷式柴油机燃烧系统包含有燃烧室1、喷油嘴7及喷油孔8。所述燃烧室为带收口的ω形燃烧室1的底部中心有一凸出的锥形体4，锥形体4底部的外侧设有环状凸台3，凸台3的横截面为有圆角的矩形，高度为1～2mm，当然其横截面也可为其它形状，如梯形、半圆形等，喷油嘴7上设有喷油孔8，喷油孔8的数目在5个以上，且从喷油孔8喷出来的油束将喷射在锥形体4的锥面上，油束在燃烧室的撞击点必须在环状凸台3的内侧，油束与锥形体4锥面的冲击角为10～30度，喷油孔8到撞击点的距离为17～23mm。
本柴油机的燃烧系统当柴油从喷油孔中喷出之后，柴油喷雾存在一个逐步破碎为油滴和蒸发的过程，在开始阶段几乎就是一个液柱，仅有少量柴油蒸汽分布在液柱周围，当这个柴油喷雾与锥形体4锥面撞击之后，将迅速转变为沿锥面向外发展的壁面射流，这个壁面射流在环状凸台的扰动下，与燃烧室壁面分离形成二次空间射流，这个二次空间射流的湍流混合率可骤然提高到壁面射流的几倍至几十倍以上，因此形成为二次预混射流。当活塞在压缩过程中上行到接近上止点时，上止点前20～30度CA，在活塞的挤压下空气进入燃烧室，并在圆环状混合室2内形成强烈的空间旋转运动(挤流环涡运动)，二次稀预混射流与活塞形成的空气挤流运动相撞，而且其发展受到活塞圆环状混合室2的限制，从而在混合室2内形成稀的预混合气，其燃烧能有效地降低碳烟和NOx的生成。
该燃烧系统需要组织一定的空气涡流运动，涡流比为1～2，喷油孔数越多，涡流比越小，燃油射流停止之前，二次射流的形成过程持续进行，燃烧室内的空气涡流所形成的离心力和浮力，将把燃烧产物推向燃烧室中心，而把新鲜空气推向燃烧室外侧圆环状混合室，并与燃油的二次射流混合，由于二次射流引起的高湍流混合率克服了传统柴油机燃油喷雾燃烧固有的部分区域燃料过浓，部分区域燃料过稀的问题，从而可以大幅度减少碳烟和NOx的生成。
权利要求
1．一种二次稀预混射流燃烧直喷式柴油机燃烧系统，包括进气道、喷油嘴和燃烧室，其特征是，所述燃烧室为收口ω型燃烧室，其底部设有一凸出的锥形体，锥形体底部外侧设有环状凸台，凸台外侧设有圆环状混合室，所述的喷油嘴设有5～10个喷油孔；所述喷油孔轴线与燃烧室锥形体锥面的夹角为10～30度。
2．根据权利要求1所述的直喷式柴油机燃烧系统，其特征是，所述的圆环状凸台横截面为有圆角的矩形。
3．根据权利要求2所述的直喷式柴油机燃烧系统，其特征是，所述的圆环状凸台高度为1～2mm。
4．一种二次稀预混射流燃烧直喷式柴油机燃烧系统的燃烧方法，其特征是，柴油经喷油嘴的喷孔形成油束喷向ω形燃烧室的底部锥形体表面，该锥形体底部外侧设有凸台，油束与锥面之间夹角为10～30度，所述的喷油嘴喷出的油束与燃烧室锥形体的锥面相撞，所述喷油孔与油束在锥形体上的撞击点之间的距离为17～23mm。
5．根据权利要求4所述的直喷式柴油机燃烧方法，其特征是，所述燃烧室内的涡流比为Ω=1～2。
6．根据权利要求4所述的直喷式柴油机燃烧方法，其特征是，所述喷油嘴的喷油压力大于1000bar。
全文摘要
本发明公开了一种二次稀预混射流燃烧直喷式柴油机燃烧系统及其燃烧方法,燃烧系统包括进气道、燃烧室和喷油嘴,在燃烧室底部设有一凸出的锥形体,锥形体底部外侧设有环状凸台,凸台外侧设有圆环状混合室,所述喷油嘴设有多个喷油孔,柴油经喷油嘴喷入燃烧室,与圆锥台撞击,在环状凸台干扰下,形成高湍流混合率的二次稀混合燃油射流,本发明的柴油机燃烧系统能有效地降低碳烟和NOx的生成。
文档编号F02B23/06GK1307181SQ0010046
公开日2001年8月8日 申请日期2000年2月2日 优先权日2000年2月2日
发明者苏万华, 林荣文 申请人:天津大学