专利名称：柴油机燃油分段喷射定时与缸内涡流的匹配方法
柴油机燃油分段喷射定时与缸内涡流的匹配方法本发明涉及一种柴油机缸内燃油分段喷射定时与缸内涡流的匹配方法。通过此方法可以指导进气涡流和燃油分段喷射匹配设计及控制，核心是使预喷段燃油在涡流的作用下旋转一定的角度，在主喷射段开始后，预喷段燃油及燃烧产物移出主喷区域旋转到相邻主喷射油束之间的空隙，同时预喷区域以外的新鲜空气旋转到主喷区域，使主喷燃油遇到的仍然是新鲜空气。因此(1)燃油能更充分地利用缸内空气，从而改善混合气的总体均勻性和提高空气利用率；( 预喷燃烧使放热等容度和热效率得到提高，进而提高功率。
背景技术：
柴油机的油气混合过程直接影响着燃烧性能及排放特性。若能使燃油在整个燃烧室空间范围内分布更广，提高空气利用率，减小燃烧室中出现的燃油分布不均，都可以明显改善柴油机的动力性、经济性及排放性能。虽然柴油机缸内总过量空气系数较大，但是由于柴油机特有的燃油喷射方式和油气混合过程，使得缸内的混合气均勻性较差，存在着局部燃油过浓和过稀的区域，甚至有的区域根本没有燃油。现代柴油机中应用了不同的油、气、室匹配方法来提高发动机动力性能，但这些技术路线并没有完全有效地克服柴油机缸内混合气均勻性差、空气利用率不高的缺陷。为了更好地说明，下面结合附图分别分析几种燃烧系统匹配方法的缺陷。一种方法是对喷油器进行改进增加喷孔数，减小喷孔直径。图1和图2是6孔和 8孔喷油器喷油油束无涡流情况下在燃烧室内分布情况的俯视图。从图上可以看出，随着喷孔数的增加，区域①的空气通道变窄，燃油分布面积增大，混合气均勻性得到提高，但是空气通道内仍然有空气没有被利用，而且增多孔数会受喷嘴头部的几何尺寸的限制。第二种方法是通过制造缸内涡流，如图3所示，油束在涡流的作用下沿燃烧室周向发生偏转，这在一定程度上扩大了油气混合面积。但是，制造缸内涡流的方法也没有解决空气通道内空气的完全利用问题，因此不能有效提高空气利用率。同时，以上两种方法都是单次喷射，整个燃烧过程中预混燃烧部分的比例受到限制，即速燃期放热量少。而预混合燃烧由于燃烧速度快，使放热过程接近等容放热，预混燃烧的比例大，则放热的等容度提高，在上止点附近燃烧室内迅速达到较高的压力，即图4中曲线2-3段增长，使发动机做功能力增加，热效率提高，功率增大。而以上两种方法由于没有有效提高燃烧放热的等容度，因此无法有效提高热效率和发动机功率。基于以上分析，本发明提出一种燃油分段喷射与缸内涡流的匹配方法，根据该方法开发的燃烧系统可以通过预喷、主喷和涡流的配合改善缸内混合气均勻性并提高空气利用率；同时，预喷段燃油能够形成快速的预混合燃烧，增加在活塞上止点附近的等容放热比例，即增加等容度，使柴油机热效率得到提高，功率增大。因此具有重大的实用价值。虽然燃油分段喷射技术已经在上世纪90年代提出，但研究工作都是围绕如何降低发动机有害排放物而展开的，通过燃油分段喷射并与缸内涡流匹配来提高发动机功率的研究还未见报道。
发明内容
本发明的目的是提供一种燃油分段喷射与缸内涡流的匹配方法，采用该方法优化匹配的燃烧系统，可使预喷段燃油在涡流作用下旋转一定角度，当主喷段燃油喷射开始时， 预喷段燃油混合气或燃烧产物处于相邻两主喷油束之间的空气通道内的区域。由于预喷燃油经过旋转离开了原始喷射位置，因此主喷燃油进入燃烧室后能立即与新鲜空气接触，有利于进一步的混合燃烧。该方法使燃烧室内的空气利用率提高，在总的喷油量不变的情况下，由于空气利用率的提高，可以降低进气量的需求，减小进气系统(增压器、中冷器)的体积、重量和成本；在进气量不变的情况下，由于发动机可工作在更低的过量空气系数下，所以可以增大喷油量，增大发动机功率；在高原地区空气稀薄、进气量减少的情况下仍能产生较大的功率。本发明中，燃油预喷、主喷喷射定时与缸内涡流的匹配是关键。对本发明而言，可以采用电控高压共轨系统等完成燃油分段喷射，燃油分段喷射主要包括预喷和主喷，通过电控系统可以精确控制预喷和主喷的喷射时刻、喷油脉宽。缸内涡流可以利用切向气道、 螺旋气道或者导气屏等结构产生，涡流能够使燃油在燃烧室周向发生一定程度的旋转。由于在预喷和主喷之间可以控制不同的时间间隔，在这一时间间隔内，预喷燃油进入气缸受到涡流的吹拂作用，会顺着涡流旋转方向发生偏转。对于某一发动机，缸盖结构确定后，缸内涡流强度也随之确定，若其产生的涡流比过小，则对油束偏转的作用不显著；若涡流比过大，相邻油束会由于偏转过大而发生重叠，造成局部燃油浓度过大，反而恶化发动机燃烧性能。当预喷和主喷的定时与涡流强度匹配得较好时，在主喷开始时，预喷段燃油及混合气或燃烧产物刚好处于相邻主喷油束之间的通道内，而主喷燃油进入气缸后，能立即与新鲜空气混合，则整个燃烧室空间的混合气均勻性和空气利用率便会得到提高。同时，由于预喷燃油喷入气缸后经过充分混合，形成快速的预混合燃烧，此时活塞接近压缩上止点，燃烧放热过程接近于等容放热，提高了实际循环中等容放热比例，从而能够获得更高的热效率，使发动机功率增大、经济性提高。本发明能在较大涡流比范围内与燃油分段喷射进行匹配，例如现代柴油机多采用的中、低涡流(、< 1.5)，同时可采用多种形状燃烧室，例如ω型燃烧室和双卷流(Double Swirl)燃烧室等。
图1为6孔喷油器喷油油束在无涡流燃烧室内周向分布示意图。图2为8孔喷油器喷油油束在无涡流燃烧室内周向分布示意图。图3为8孔喷油器油束在涡流作用下在燃烧室内周向分布示意图。图4为柴油机理论循环中混合加热循环的示功图。图5为8孔喷油器预喷燃油在涡流作用下在燃烧室内周向分布示意图。图6为8孔喷油器预喷和主喷油束在涡流作用下在燃烧室内周向分布示意图。图7为预喷、主喷始点以及预喷、主喷持续期说明图。图8为功率随着预喷油量或预喷持续期的变化示意图。图9为功率随着预喷始点的变化示意图。图10为具体实施例中的ω型燃烧室对应喷嘴一个孔的三维模型。
图11为CFD软件中的ω型燃烧室对应喷嘴一个孔的网格模型。图12为仿真计算得到的缸内涡流比& = 0/燃油单次喷射、涡流比& = 0. 8/燃油单次喷射以及涡流比& = 0. 8/燃油分段喷射时的指示功率图。图13为在不同过量空气系数下，缸内涡流比&均为0. 8/单次喷射和分段喷射时的柴油机指示功率仿真计算结果柱状图。图14为缸内涡流比&均为0.8/燃油单次喷射和分段喷射时的示功图。图15为缸内涡流比&均为0. 8/燃油单次喷射和分段喷射时的指示热效率图。图16为332° CA，燃烧室周向方向上预喷燃油的燃空当量比与油束示意图。图17为352° CA，燃烧室周向方向上预喷和主喷燃油的燃空当量比与油束示意图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明做进一步说明图5为预喷燃油喷入ω型燃烧室后的周向分布示意图。图中，预喷燃油在涡流作用下在周向沿涡流旋转方向旋转了一定角度，逐渐偏离初始油束位置。图6为主喷油束在喷入燃烧室一段时间后燃油在燃烧室周向分布的示意图，从图上可以看出，当燃油分段喷射控制策略与缸内涡流匹配较好时，预喷燃油正好处于相邻主喷燃油之间的通道内，预喷燃油与主喷燃油不会发生重叠，这时燃油在整个燃烧室内的分布效果相当于喷油器孔数增加了一倍，最终效果是燃油可以更充分地占据整个燃烧室区域与空气进行混合，因此提高了缸内空气的利用率。首先，对发动机有关参数名称进行说明和定义。发动机转速为n(r/min)，涡流比为Sk( = ns/n, ns为缸内涡流转速，单位为r/min)。喷油器喷孔数为m，喷雾锥角为 θ )，相邻油束的空气通道夹角为θ"。)。在涡流作用下，预喷油束前端旋转角度定义为θ ‘ )，预喷油束末端旋转角度定义为θ “ )，如图6所示。分段喷射的有关参数预喷始点为A(° CA)，预喷持续期为θρ—dur(° CA)，主喷始点为B(° CA)，主喷持续期为
CA)，如图7所示。(一 )预喷、主喷始点的间隔范围及预喷最大持续期的确定当涡流比一定时，燃油分段喷射的匹配需要满足以下两方面的约束(1)若预喷与主喷间隔过大，则预喷燃油在涡流作用下偏转角度过大，会与相邻喷孔的主喷燃油重叠，造成局部燃油浓度升高，因此预喷雾注前端旋转角度不能大于相邻雾注的空气通道夹角，S卩θ ‘彡θ。；(2)若预喷与主喷间隔过小，则预喷燃油在涡流作用下偏转角度过小，预喷燃油雾注未能完全离开其喷雾锥角覆盖范围，主喷燃油喷入燃烧室后会与其重叠，造成局部燃油浓度升高，因此，预喷雾注末端至少转过喷雾锥角θ的角度，S卩θ “ ^ θ，同时要满足预喷油束前端旋转角度θ‘ > θ。相邻油束间的空气通道夹角θ ^可表示为 Γ _ 360 ^ ^ 360 Λ
权利要求
1.一种柴油机燃油分段喷射定时与缸内涡流的匹配方法，其特征在于燃油喷射为分段喷射，即预喷和主喷。预喷燃油进入燃烧室，就会在涡流的吹拂作用下沿涡流旋转方向发生偏转。当预喷结束后，再经过一段时间间隔，主喷开始，而在这一段时间间隔内，预喷燃油继续随涡流发生偏转，当主喷开始后，预喷燃油及混合气或燃烧产物处于相邻主喷油束之间的通道内，这样能够充分利用燃烧室内的空气，提高油气混合气的总体均勻性和空气利用率，可使发动机在高原空气稀薄地区，仍能产生较强的动力，预喷燃烧还可以提高放热等容度以及热效率，提高功率及经济性。
2.根据权利要求1所述的匹配方法，其特征在于，预喷、主喷燃油由相同的喷孔喷出， 但预喷燃油在涡流作用下移出主喷区域，使预喷和主喷燃油在不同区域混合燃烧，提高空气利用率。
3.根据权利要求1所述的匹配方法，其特征在于对于一定孔数的喷油器，一定的涡流强度，预喷与主喷始点的时间间隔以及预喷持续期(均以曲轴转角表示)可以通过公式进行推算，即θ /Se 彡 B-A 彡(360/m- θ ) /Seθρ—dur 彡(B-A)-θ/Se
4.根据权利要求1所述的匹配方法，其特征在于利用预喷燃油所形成的预混合快速燃烧能够提高放热速率及放热等容度，进而提高发动机的热效率和功率。
全文摘要
本发明涉及一种柴油机缸内燃油分段喷射定时与缸内涡流的匹配方法。通过此方法可以指导进气涡流和燃油分段喷射匹配设计及控制，其核心是使预喷段燃油在涡流的作用下移出主喷区域，旋转到相邻主喷射油束之间的空隙，此时主喷燃油遇到的是同步旋转过来的新鲜空气。因此(1)燃油能更充分地利用缸内空气，从而改善混合气的总体均匀性和提高空气利用率。所以可以增大喷油量，增大发动机功率；或可以降低进气系统要求；或在高原地区空气稀薄、进气量减少的情况下仍能产生较大的功率；(2)预喷燃烧使放热等容度和热效率得到提高，进而提高功率。在现有燃烧系统的基础上通过该方法即可指导燃油分段喷射与缸内涡流的匹配，操作方便，简单易行。
文档编号F02D41/30GK102410097SQ201110316368
公开日2012年4月11日 申请日期2011年10月18日 优先权日2011年10月18日
发明者刘福水, 李向荣, 赵陆明 申请人:北京理工大学