专利名称：一种实现柴油机高效清洁低温燃烧的装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及内燃机领域，尤其涉及一种改善柴油机低温燃烧燃油经济性，降低碳烟排放的高效清洁燃烧装置。
背景技术：
与汽油机相比，柴油机在全部转速工况下都具有更大的扭矩和更好的燃油经济性，这一特点使柴油机广泛应用于城市公共交通、物流运输等商业车领域和工程机械领域，此外由于目前对碳排放的要求越发严格，因此柴油机由于高的热效率可以有效降低CO2排放，因此乘用车也越来越多的使用柴油机。但是由于柴油机扩散燃烧的本质特征造成缸内存在明显的局部混合气过浓区和高温区，使得柴油机具有较高的碳烟和氮氧化物排放。而且柴油机碳烟和氮氧化物排放的控制策略是相互矛盾的，即降低碳烟排放的措施往往会导致氮氧化物排放升高，因此在控制柴油机碳烟和氮氧化物排放时，总是力图找寻一个可以实现碳烟和氮氧化物排放折衷的控制策略，即所谓的折衷关系。近年来，通过使用大比例废气再循环稀释进气的柴油机低温燃烧作为一种新型燃烧模式，突破了传统柴油机扩散燃烧概念，在实现柴油机高效清洁燃烧方面展现出巨大潜力，成为国际内燃机燃烧科学与技术研究的前沿和热点。低温燃烧通过采用大比例废气再循环策略，有效延长燃烧滞燃期并降低燃烧温度，从而改变缸内燃烧反应过程的混合气浓度和温度发展历程，避开NOx和碳烟生成区域，实现对有害排放产物的控制，摆脱了柴油机传统燃烧中NOx与碳烟的折衷关系，被认为是满足未来柴油机严格排放法规的主要燃烧模式。柴油机低温燃烧过程大比例EGR使NOx排放接近于零，但EGR对碳烟排放影响较复杂:低比例EGR使碳烟排放相当或略有升高；EGR提高到一定比例时，碳烟排放迅速升高，出现碳烟峰值区域；EGR率进一步提高后，碳烟排放开始明显降低，甚至达到零碳烟排放。可见，柴油机低温燃烧低碳烟和低NOx排放局限于特定的EGR比率下，而且研究也表明低温燃烧过程的碳烟排放对EGR率变化很敏感，在高比例EGR区域(约50%)，EGR率细小的变化(如1%EGR率变化)有可能导致碳烟排放的急剧增加，显著增大了燃烧控制的难度。此外，在高比例EGR区域，尽管碳烟和氮氧化物排放都接近为零，但燃油经济性显著恶化，生成大量HC和CO排放。可见，低温燃烧模式把柴油机传统燃烧中NOx与碳烟的折衷关系消除，但是却带来了碳烟与燃油经济性新的折衷难题。
发明内容本实用新型的目的在于克服已有技术的不足，优化碳烟与燃油经济性的折衷关系，实现柴油机高效清洁低温燃烧过程。本实用新型的一种实现柴油机高效清洁低温燃烧的装置，它包括气缸、空气管理系统、喷油策略控制系统，所述的空气管理系统包括进气总管和排气总管，在所述的进气总管上沿进气流动方向依次安装有低压级压气机、第一级中冷器、高压级压气机以及第二级中冷器，所述的进气总管的出气口与气缸的进气门相连通，在所述的排气总管上沿排气方向依次安装有高压级涡轮机、低压级涡轮机以及颗粒捕集器，所述的排气总管的进气口与气缸的排气门相连通，所述的低压级压气机与低压级涡轮机通过转轴相连，所述的高压级压气机与高压级涡轮机通过转轴相连，高压级废气再循环回路的进气端与位于排气总管的进气口端和高压级涡轮机之间的排气总管相连通并且高压级废气再循环回路的排气端与位于高压级压气机和第二级中冷器之间的进气总管相连通，在所述的高压级废气再循环回路上沿进气端依次装有高压级废气再循环冷却器、单向阀和高压级废气再循环阀，低压级废气再循环回路的进气端与位于排气总管的颗粒捕集器之后的排气管路相连通并且低压级废气再循环回路的出气端与所述的进气总管的进气端相连通，在所述的低压级废气再循环回路上沿进气端依次装有低压级废气再循环冷却器和低压级废气再循环阀，在高压级涡轮机的上游和下游之间安装有废气旁通阀，废气旁通阀进气口端与排气总管的排气端相连通并且其出气口端与位于低压级涡轮机和高压级涡轮机之间的排气总管相连通，在进气总管的出气口与气缸的进气门之间安装有温度传感器、压力传感器和氧浓度传感器，温度、压力、氧浓度传感器与比例-积分-微分控制器相连并把反馈信号传输给高压级废气再循环冷却器、高压级废气再循环阀、低压级废气再循环冷却器、低压级废气再循环阀、进气总管上的第一级、第二级中冷器以及废气旁通阀；喷射策略控制系统包括喷雾锥角为140度的小喷射锥角喷油器和电子控制单元，所述的小喷射锥角喷油器安装在气缸上，所述的电子控制单元与所述的小喷射锥角喷油器相连。本实用新型装置与现有装置相比的有益效果是:高低压废气再循环的使用保证了低温燃烧所需的废气质量，有效降低NOx排放；两级增压以及低压缩比活塞在保证足够的新鲜进气量的同时，提高了油气混合时间，有效降低碳烟排放和燃烧控制难度，改善燃油经济性；废气旁通阀可以优化高低压级涡轮机的废气能量分布和进入气缸内充量的增压压力，进一步提高燃油经济性；对进气温度、压力、氧浓度的闭环控制并结合上述装置的使用，可以在柴油机全负荷工况下实现高效清洁的低温燃烧过程。
图1是本实用新型一种实现柴油机高效清洁低温燃烧的装置的结构示意图；图2是图1所示的装置中的活塞示意图；图3是图1所示的装置的控制逻辑示意图；图4是采用本实用新型装置后柴油机排放和燃油经济性效果图。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型作以详细描述。如附图所示本实用新型的一种实现柴油机高效清洁低温燃烧的装置，它包括气缸、空气管理系统、喷油策略控制系统，所述的空气管理系统包括进气总管和排气总管，在所述的进气总管上沿进气流动方向依次安装有低压级压气机1、第一级中冷器2、高压级压气机3以及第二级中冷器4，所述的进气总管的出气口与气缸的进气门5相连通，在所述的排气总管上沿排气方向依次安装有高压级涡轮机6、低压级涡轮机7以及颗粒捕集器8，所述的排气总管的进气口与气缸的排气门9相连通，所述的低压级压气机与低压级涡轮机通过转轴相连，所述的高压级压气机与高压级涡轮机通过转轴相连，高压级废气再循环回路的进气端与位于排气总管的进气口端和高压级涡轮机之间的排气总管相连通并且高压级废气再循环回路的排气端与位于高压级压气机3和第二级中冷器之4间的进气总管相连通，在所述的高压级废气再循环回路上沿进气端依次装有高压级废气再循环冷却器10、单向阀11和高压级废气再循环阀12，低压级废气再循环回路的进气端与位于排气总管的颗粒捕集器8之后的排气管路相连通并且低压级废气再循环回路的出气端与所述的进气总管的进气端相连通，在所述的低压级废气再循环回路上沿进气端依次装有低压级废气再循环冷却器13和低压级废气再循环阀14，在高压级涡轮机的上游和下游之间安装有废气旁通阀19，废气旁通阀的进气口端与排气总管的排气端相连通并且其出气口端与位于低压级涡轮机7和高压级涡轮机6之间的排气总管相连通，在进气总管的出气口与气缸的进气门5之间安装有温度传感器15、压力传感器16和氧浓度传感器17，温度、压力、氧浓度传感器与比例-积分-微分控制器(PID) 18相连并把反馈信号传输给高压级废气再循环冷却器、高压级废气再循环阀、低压级废气再循环冷却器、低压级废气再循环阀、进气总管上的第一级、第二级中冷器以及废气旁通阀19 ;喷射策略控制系统包括喷雾锥角为140度的小喷射锥角喷油器20和电子控制单元(ECU) 21，所述的小喷射锥角喷油器安装在气缸上，所述的电子控制单元与所述的小喷射锥角喷油器相连。在喷射策略控制上，ECU通过向喷油器发送控制信号，按照发动机不同运转工况的需求调整喷油时刻，在小负荷工况推迟喷油器的喷射时刻(上止点前0-10度曲轴转角);在大负荷工况提前喷油器的喷射时刻(上止点前10-20度曲轴转角)，同时增加后喷。优选的所述的气缸的活塞为压缩比为16的低压缩比强湍流活塞22，所述气缸活塞的缩口直径Rl为65.6mm,缩口直径与气缸直径比62.5%，与较小喷雾锥角相匹配，减少油束撞壁量，增强油气空间预混合能力；活塞凹坑深度Hl为18.8mm，凹坑深度与气缸直径比为17.9%，活塞凹坑圆弧处半径R2为6mm，有效增大燃烧室内湍流强度及湍流保持率，进一步增强燃烧前和燃烧期间油气的混合过程；活塞环槽距顶面高度H2为4mm，减小狭缝容积内碳氢和一氧化碳的生成。本活塞结构可以形成较低的压缩比结构(16压缩比)，提供更长的着火滞燃期，增强燃烧着火前混合气的均匀性。本实用新型装置的运行原理为:在发动机运行过程中，控制单元接受转速和油门踏板(对应发动机的负荷)信号，根据上述信号确定发动机的运行工况，判断空气管理系统和喷射策略控制系统如何投入工作。如果发动机运行在小负荷工况，减小高压级废气再循环冷却器10和低压级废气再循环冷却器13的开度、进气总管上第一级中冷器2和第二级中冷器4的开度，提高进入进气总管内的废气再循环(EGR)温度和最终进入气缸内的气体温度，获取较高的进气温度，保证小负荷燃烧稳定性，降低小负荷由于低温产生的碳氢(HC)和一氧化碳(CO)排放，此时喷油策略电子控制单元21适当推迟喷油器20的喷油时刻(上止点前0-10度曲轴转角左右)，使喷油时刻工作在燃油经济性最优的范围内，同时与本实用新型的低压缩比强湍流活塞22相匹配，油束可以很好的在燃烧室内扩散、蒸发、混合，而且活塞环槽25距顶面较低的高度，有效降低狭缝容积内HC和CO的生成，提高燃油经济性；如果发动机运行在大负荷工况，增大高压级EGR回路中冷却器10和低压级EGR冷却器13的开度以及第一级中冷器2和第二级中冷器4的开度，降低进入进气管内的EGR温度和进入气缸内的气体温度，获取更大的进气量，改善大负荷下燃空当量比分布，在整个柴油机低温燃烧过程中，通过温度传感器15和比例-积分-微分(PID)控制器18始终保持对进气温度进行PID闭环控制。此时喷油策略电子控制单元21适当提前喷油器20的喷油时刻(上止点前10-20度曲轴转角左右)，使大负荷下较大的喷油量可以有更充分的时间与空气混合，小喷雾锥角喷油器20的设计与增大的燃烧室缩口 23直径相匹配，减少早喷燃料撞击到活塞顶面造成湿壁的可能性，同时低压缩比燃烧室有效延长着火滞燃期，进一步增大燃油与空气的混合时间，燃烧室凹坑24深度的增大以及燃烧室凹坑24圆弧处形状的改变，有效增大燃烧室内湍流强度及湍流保持率，进一步增强燃烧前和燃烧期间油气的混合过程，此外针对大负荷下碳烟控制的难题，喷油策略电子控制单元21给喷油器20增加一次后喷，有效促进燃烧后期碳烟以及未燃HC和CO的氧化，实现低温清洁燃烧；如果发动机运行在中低转速工况，则所述的控制单元向安装在发动机排气旁接管上的电控旁通阀19发出关闭信号，废气排气经高压级涡轮机6，低压级涡轮机7依次膨胀，为了保持较高的EGR率，此时高压级废气再循环阀12和低压级废气再循环阀14均打开，部分废气排气流经高压级废气再循环冷却器10、单向阀11和高压级废气再循环阀12进入高压级压气机3的出口，形成高压级废气再循环回路；另一部分废气排气流经颗粒捕集器8、低压级废气再循环冷却器13和低压级废气再循环阀14进入低压级压气机I的进气口，形成低压级废气再循环回路，从而满足低温燃烧对大比例废气再循环的需求、有效降低氮氧化物排放；进气以及经过低压级废气再循环回路的废气一起经低压级压气机I被压缩，然后流经第一级中冷器2被冷却以增加空气密度、增大进气量；经第一级中冷器2后，混合气进入高压级压气机3被进一步压缩，然后与经过高压级废气再循环回路的废气再经第二级中冷器4被进一步冷却，最后经进气总管进入气缸，两级压气机的增压效果可以保持低温燃烧大比例EGR下的进入缸内新鲜空气量，降低燃空当量比，有效降低碳烟排放；如果发动机运行在高转速工况，则所述的控制单元向安装在发动机排气旁接管上的电控旁通阀19发出打开信号，部分废气不经高压级涡轮机6，直接经低压级涡轮机7膨胀后排出(使进气压比不至于达到设定的最高极限、优化高低压级涡轮机废气能量分布)。此时高压级废气再循环阀12和低压级废气再循环阀14也均打开，经进气总管进入气缸的气体同样也是低压EGR和高压EGR与两级压气机增压后的空气的混合物。在发动机运行过程中，通过压力传感器16、氧浓度传感器17和进气条件控制器18始终保持对进气压力和进气燃空当量比(进气成分)进行PID闭环控制。图4为应用本实用新型改进发动机结构后，实际台架实验采集的发动机性能和排放参数。图4是提高进气压力、结合低压缩比强湍流活塞、喷油策略控制后获得的NOx、碳烟、HC、C0和指示油耗图。图中表明，通过综合使用空气管理系统、喷油策略控制系统以及新设计的低压缩比强湍流活塞，本实用新型可以使发动机承受更高比例的EGR (达到55%)而不引起碳烟、HC、CO和燃油经济性的恶化，降低了 EGR率的控制难度，很好实现了柴油机高效清洁低温燃烧过程。可见，通过本实用新型上述燃油喷射策略控制、空气管理系统控制、油气混合控制(低压缩比强湍流燃烧室与喷油策略的结合)，获取不同工况所需的混合气浓度和温度分布状况，实现高效清洁低温燃烧，获得了很好的柴油机低温燃烧碳烟与燃油经济性折衷关系。并且很好实现了其它污染排放物的控制，有害污染物缸内原始排放满足国5排放法规，并在加装简单的柴油机氧化催化器和颗粒补集器后可满足欧6排放法规，同时柴油机燃油经济性较改进前提高2.5%-5%。
权利要求1.一种实现柴油机高效清洁低温燃烧的装置，其特征在于:它包括气缸、空气管理系统、喷油策略控制系统，所述的空气管理系统包括进气总管和排气总管，在所述的进气总管上沿进气流动方向依次安装有低压级压气机、第一级中冷器、高压级压气机以及第二级中冷器，所述的进气总管的出气口与气缸的进气门相连通，在所述的排气总管上沿排气方向依次安装有高压级涡轮机、低压级涡轮机以及颗粒捕集器，所述的排气总管的进气口与气缸的排气门相连通，所述的低压级压气机与低压级涡轮机通过转轴相连，所述的高压级压气机与高压级涡轮机通过转轴相连，高压级废气再循环回路的进气端与位于排气总管的进气口端和高压级涡轮机之间的排气总管相连通并且高压级废气再循环回路的排气端与位于高压级压气机和第二级中冷器之间的进气总管相连通，在所述的高压级废气再循环回路上沿进气端依次装有高压级废气再循环冷却器、单向阀和高压级废气再循环阀，低压级废气再循环回路的进气端与位于排气总管的颗粒捕集器之后的排气管路相连通并且低压级废气再循环回路的出气端与所述的进气总管的进气端相连通，在所述的低压级废气再循环回路上沿进气端依次装有低压级废气再循环冷却器和低压级废气再循环阀，在高压级涡轮机的上游和下游之间安装有废气旁通阀，废气旁通阀进气口端与排气总管的排气端相连通并且其出气口端与位于低压级涡轮机和高压级涡轮机之间的排气总管相连通，在进气总管的出气口与气缸的进气门之间安装有温度传感器、压力传感器和氧浓度传感器，温度、压力、氧浓度传感器与比例-积分-微分控制器相连并把反馈信号传输给高压级废气再循环冷却器、高压级废气再循环阀、低压级废气再循环冷却器、低压级废气再循环阀、进气总管上的第一级、第二级中冷器以及废气旁通阀；喷射策略控制系统包括喷雾锥角为140度的小喷射锥角喷油器和电子控制单元，所述的小喷射锥角喷油器安装在气缸上，所述的电子控制单元与所述的小喷射锥角喷油器相连。
2.根据权利要求1所述的实现柴油机高效清洁低温燃烧的装置，其特征在于:所述气缸的活塞为压缩比为16的低压缩比强湍流活塞，所述低压缩比强湍流活塞的缩口直径为.65.6mm，缩口直径与气缸直径比62.5%，活塞凹坑深度为18.8mm，凹坑深度与气缸直径比为.17.9%，活塞凹坑圆弧处半径为6mm，活塞环槽距顶面高度为4mm。
专利摘要本实用新型公开了一种实现柴油机高效清洁低温燃烧的装置，它包括气缸、空气管理系统、喷油策略控制系统，空气管理系统包括进气总管和排气总管，在进气总管上沿进气流动方向依次安装有低压级压气机、第一级中冷器、高压级压气机以及第二级中冷器，进气总管的出气口与气缸的进气门相连通，在排气总管上沿排气方向依次安装有高压级涡轮机、低压级涡轮机以及颗粒捕集器，排气总管的进气口与气缸的排气门相连通，低压级压气机与低压级涡轮机通过转轴相连，高压级压气机与高压级涡轮机通过转轴相连。本装置保证了低温燃烧所需的废气质量，有效降低NOx排放。
文档编号F02D43/00GK203009056SQ20132000589
公开日2013年6月19日 申请日期2013年1月7日 优先权日2013年1月7日
发明者刘海峰, 尧命发, 郑尊清, 张全长 申请人:天津大学