专利名称：直喷式柴油机燃烧系统的制作方法
技术领域：
本发明设计的是直喷柴油机上使用的一种称为PCI的燃烧系统。
背景技术：
现有的直喷式柴油机，其基本的燃烧原理是柴油喷雾的扩散燃烧。一般的过程是在柴油机压缩冲程上止点前，喷油嘴开始向缸内喷入高压燃油。喷出的燃油与缸内的空气混合形成可燃混合气并开始燃烧。由于这部分燃油喷入缸内时缸内的温度相对较低，因此它们与空气一般有充分的时间混合，生成预混合气。但是随着缸内燃烧的开始，缸内的压力和温度迅速升高。因此在燃烧开始后向缸内继续喷射的那部分燃油，往往在与空气充分混合前就开始燃烧。这部分燃烧由于缺少空气容易生成微粒物PM。另外，由于柴油机进气的充量系数一般大于1较多，因此燃烧过程中缸内存在部分氧气量较丰富的混合区域。在高温条件下这部分区域容易生成氮氧化物NOx。上述原因使得柴油机的排气中同时存在大量的两种污染物。而且，由于两种污染物的生成条件大相径庭，因此为了降低其中一种采取的措施，容易引起另外一种排放量的增加。另外，对于小型高速柴油机，由于燃油的喷射压力较高，喷雾的贯穿距离较大，因此容易在燃烧室壁面上形成油膜。在发动机高转速和高负荷工况下，壁面油膜量较多而可用的从壁面吸热蒸发参与燃烧的时间较短，因此会有部分油膜来不及与空气混合而在高温下分化裂解生成碳烟。这一方面增加了柴油机排气中微粒物的浓度，另外也降低了燃烧效率，使得柴油机的油耗增加。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够同时降低柴油机排气中微粒物PM和氮氧化物NOx浓度的新型燃烧系统，能构实现柴油机的低温预混合燃烧。
本发明的技术解决方案是，本发明直喷式柴油机PCI(Peripheral-CentricInjection)燃烧系统，包括气缸13，气缸盖15，喷油嘴11，活塞14及燃烧室1。所述的喷油嘴设有多个喷油孔，其中一个12位于喷油嘴前端中央，也就是喷孔锥角为0，该喷孔的轴线与燃烧室锥形体的中心线重合。其他的喷孔10轴线布置在一个假想的锥面上，该锥面中心线与燃烧室锥形体的中心线以及中心喷孔的轴线重合，并且该锥面的顶角为100°～160°。该系统采用4气门的进气系统，并且要求喷油嘴正置。另外，所采用的燃烧室底部中央为一凸台5，该凸台的上顶面为平面(也可为凸面或者凹面)。燃烧室四周壁面上设有由一段导向圆弧8形成的环形凸台7，导向圆弧的直径为0.5～2.5mm。
本发明达到的的有益效果是，现有直喷式柴油机对缸内空气的利用率不高，另外燃烧过程中着火点出现较早，使缸内的温度和压力上升较快，且峰值较高。因此，生成大量的微粒物PM和氮氧化物NOx，并且由于燃料的燃烧不充分，发动机的燃烧效率和经济性能较差。而在本发明中，从喷油嘴中心喷孔12中喷出的燃油撞击到底面凸台7的顶面，将形成一个圆盘状的喷注4，并且从上下两面卷吸空气，充分利用凸台顶部附近空间的空气。从四周喷孔10喷出的燃油，在撞击侧壁后在导向圆弧处从壁面脱落，在燃烧室下部凹坑2的空间内二次雾化与空气混合形成大量稀薄可燃气3。因此能充分利用燃烧室内的空气，降低微粒物PM的生成。另外，由于所有的喷雾经过撞击壁面后将损失部分动量，所以将适当减慢可燃混合气的形成，从而推迟燃烧着火点的出现。这样将降低燃烧过程缸内的最高温度，从而降低NOx。最后，由于四周的燃油在导向圆弧处从壁面脱离，因此壁面上形成的油膜量将非常少，系统的燃烧效率得到提高。在相同的供油提前角条件下，本系统的平均油耗率低于原机16％左右。另外，按照标准的十三工况法进行测量，采用本燃烧系统的柴油机，其微粒物PM的排放量将低于0.15g/kw·h，NOx的排放量将低于7g/kw·h。也就是说能够达到欧II排放标准。
图1为本发明的直喷式柴油机燃烧系统的局部示意图。
图2为本发明的直喷式柴油机燃烧系统的结构示意图。
具体实施例方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
在图1中，本发明的直喷式柴油机包含有气缸13，活塞14，气缸盖15，喷油嘴11和燃烧室1。图2中1为燃烧室，有一定的收口。4为燃烧室底部中央的凸台，顶面为平面，也可为凹面或者凸面。8为燃烧室四周壁面上的导向圆弧，圆弧半径为0.5～2.5mm。7是为了保证导向圆弧强度所设立的凸台，而2是中央凸台4和燃烧室壁面形成的凹坑。在中央凸台的上方是多孔喷油嘴11，喷油嘴设有中心喷油孔12和侧向喷油孔10。中心喷油孔的直径为0.15～0.25mm，并且轴线与喷油嘴11和活塞的轴线重合。从中央喷油孔喷出的油束形成锥形，该锥角的锥顶角要和中心喷孔12和中央凸台4顶面的距离相互配合，保证这部分油束能够全部撞击到凸台顶面。喷油孔10有4～6个，直径为0.33～0.36mm，并且他们的轴线都在一个假想锥体的锥面上。该锥形的锥顶角的角度选择要保证活塞在压缩行程的上止点时，从喷油孔10中喷出的油束9能够撞击到导向圆弧8上方的燃烧室壁面上。喷孔10到撞击点的距离为25～40mm。
本系统的工作过程是这样的在压缩行程上止点附近，燃油被喷入缸内。从中央喷孔12喷出的燃油首先撞击到燃烧室底部的平顶凸台上，将形成一个圆盘状的喷注4。并且从上下两面卷吸空气，充分利用凸台顶部附近空间的空气。由于这部分燃油正碰凸台，所以动量损失大一些。碰壁后燃油的贯穿距离较短，混合气浓度较大，将首先出现着火点。从四周喷孔12喷出的燃油，在撞击侧壁后在限流沿处从壁面脱落，在空间二次雾化与空气混合形成大量稀薄可燃气3。由于侧向喷孔的直径较大，并且喷油压力较低，因此二次喷射的喷注中油粒的直径还较大，需要一定的时间与空气混合才能出现着火点。而在出现着火点以前，活塞14已经开始下行。在逆向挤流的作用下，最先出现的中心火焰将首先加热最近的侧向混合气，使之加快蒸发并开始燃烧，并且边燃烧边向缸盖15底部运动，同时点燃相邻的混合气。这样燃烧室中下部的可燃混合气将分层地在上升过程中参加到燃烧中去。理想的情况是火焰能够在活塞凹坑内停留较长的时间。这样当混合气上升到活塞上部的空间碰到冷壁时，已经燃烧完全，从而减少HC的排放量。整个燃烧过程将以预混和燃烧为主，可以认为具有了HCCI燃烧的大部分特征。另外，通过优化中央喷孔和侧向喷孔的有效面积比，希望在高负荷时不至于使得侧向喷注处的空燃比过小而使PM的排放量增加。而由于中央喷雾最先开始燃烧，因此有较长的时间参与燃烧。此处浓混合气燃烧生成的PM和CO等，能够在上升过程中和燃烧室口部以及燃烧室上部空间的空气再次反映而氧化掉。从而使该燃烧系统能够在柴油机高负荷工况下保持较好的经济特性和排放特性。
权利要求
1.直喷式柴油机燃烧系统，其特征在于，主要包括气缸(13)，气缸盖(15)，，喷油嘴(11)，活塞(14)及燃烧室(1)所述的喷油嘴设有多个喷油孔，其中一个(12)位于喷油嘴前端中央，也就是喷孔锥角为0，该喷孔的轴线与燃烧室锥形体的中心线重合；其他的的喷孔(10)轴线布置在一个假想的锥面上，该锥面中心线与燃烧室锥形体的中心线以及中心喷孔的轴线重合，并且该锥面的顶角为100°～160°；该系统采用4气门的进气系统，并且要求喷油嘴正置；另外，所采用的燃烧室底部中央为一凸台(5)，该凸台的上顶面为平面，也可为凸面或者凹面；燃烧室四周壁面上设有由一段导向圆弧(8)形成的环形凸台(7)。
2.根据权利要求1所述的直喷式柴油机燃烧系统，其特征在于，所述的喷油嘴中心喷孔(12)的直径为0.10～0.25mm，侧向喷孔(10)的直径为0.30～0.40mm。
3.根据权利要求1或2所述的直喷式柴油机燃烧系统，其特征在于，所述的过渡圆弧(8)的半径为0.5～2.5mm，过渡圆弧的位置要求在活塞(14)压缩行程上止点时，从喷油嘴侧向喷孔喷出的油束能够撞击到圆弧上方的燃烧室(1)壁面上。
4.根据权利要求3所述的直喷式柴油机燃烧系统，其特征在于，所述的底部凸台(5)的顶面到喷油嘴(11)的距离在喷油过程中有10～20mm，并且凸台顶面的面积要保证中心喷孔(12)喷出的油束都能构撞击到顶面上去。
全文摘要
直喷式柴油机燃烧系统公开了一种适用于直喷式发动机的PCI燃烧系统。它在燃烧室1底部中央设有一平顶凸台5，并在燃烧室四周壁面上设有由导向圆弧8形成的凸台7。喷油嘴为多孔，其中一个12位于前端中央，喷出的油束撞击到中央凸台的顶面，从上下两面卷吸空气。其余的喷油孔10轴线位于一个假想锥体的锥面上，喷出的油束撞击到导向圆弧上方的壁面上，从导向圆弧处脱离壁面。本发明能充分利用燃烧室内的空气形成大量预混合气体，并且壁面上的油膜量少，因此即使在发动机高转速高负荷工况下，微粒物PM和氮氧化物NO
文档编号F02M61/14GK1556313SQ20041000236
公开日2004年12月22日 申请日期2004年1月6日 优先权日2004年1月6日
发明者杨德胜, 高希彦 申请人:大连理工大学