一种低排放直喷式柴油机的实现方法技术

本发明专利技术公开了一种低排放直喷式柴油机，属于内燃机燃烧和排放技术领域，涉及的是直喷式柴油机的燃烧概念和燃烧方式。其特征是直喷式柴油机带有电控可变气门、废气再循环（EGR）、电控燃油喷射系统、高增压系统和快速混合燃烧系统。在上止点附近开始燃油（或多段喷射中的主喷燃油），通过进气门早关或晚关和EGR联合的方式控制燃烧始点，使燃烧始点向后推迟，从而降低燃烧的最高温度，降低NOx排放和燃烧噪声，而且是控制滞燃期的主要手段。采用燃烧系统的优化、贯穿度的控制和涡流比的标定等方法油耗率和热效率。通过几何方法等快速混合手段实现预混合燃烧，来控制燃烧速率，达到柴油机低排放的同时保持较高热效率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于内燃机燃烧和排放
，涉及的是直喷式柴油机的燃烧概念和燃烧方式，具体涉及一种直喷式柴油机的燃烧方法及燃烧控制策略，使柴油机达到更严格的排放法规要求。
技术介绍
在传统的柴油机中，NOx主要生成在气缸的高温区，即在燃烧温度高、燃空当量比小的情况下产生；而微粒的生成正好相反，主要生成在气缸的富油区，即在燃烧温度低、燃空当量比大的情况下产生。这给降低柴油机的排放带来了很大的困难，往往使一种污染物降低的方法会使另一种污染物升高，例如，采用EGR (废气再循环)的方法能降低最高燃烧温度，降低NOx排放，但是抑制了燃烧后期碳烟的氧化，使微粒排放升高；优化喷油时刻和喷油压力的方法能降低碳烟排放，但NOx排放增加较明显。 在不同工况下，不同浓度的混合气同时在NOx和碳烟的生成区域并存，这也加剧了同时降低NOx和碳烟排放的难度。国内外研究人员积极寻求能同时改善柴油机NOx和微粒排放的方法，HCCI燃烧方式虽然能同时降低NOx和微粒排放，但是距离实用化阶段还相差甚远，工作区域较小，大负荷出现工作粗暴和敲缸现象，HC和CO排放高，着火始点和燃烧相位控制困难等问题。随着电子技术和先进设计技术的发展，柴油机的研究对电子控制、控制精度等问题也提出了更高的要求，单一的技术不能适应和达到日益严格的排放法规，在现代柴油机的设计和开发中采用多技术集成的方式，才能实现柴油机低排放要求。
技术实现思路
本专利技术提供了一种能同时降低NOx与微粒排放的直喷柴油机燃烧概念，实现柴油机的低排放，保证了柴油机低温条件下仍然具有快速燃烧的特性，在整个工况范围内具有“四低三快”的特征，即低爆压、低噪声、低NOx碳烟排放、低油耗；快速喷射、快速混合、快速燃烧。本专利技术的技术方案是开发带有可变气门技术、EGR (废气再循环)技术、电控燃油喷射技术和高增压技术等多技术集成的直喷柴油机实现低排放。在上止点附近开始喷油或多段喷射中的主喷燃油，通过进气门早关或晚关和EGR联合的方式控制燃烧始点，使燃烧始点向后推迟，从而降低燃烧的最高温度，降低NOx排放和燃烧噪声，而且是控制滞燃期的主要手段。采用这种方法会降低燃烧速率，增加油耗率，降低热效率，为此采用燃烧系统的优化、贯穿度的控制和涡流比的标定等方法来弥补；通过几何方法等快速混合手段实现预混合燃烧，来控制燃烧速率，达到柴油机低排放的同时保持较高热效率。实质上是一种以燃烧相位控制为出发点，对着火始点和燃烧速率进行控制，即瞬时放热率的控制。低排放柴油机燃烧概念的核心是低温预混合燃烧。具有“低燃烧温度，高燃烧速率”的特性。具体操作如下(I)在上止点附近开始喷 油或多段喷射的主喷，对喷油始点标定，控制燃烧最高温度，控制NOx排放。(2)进气门的关闭时刻(早关或晚关)，可以降低有效压缩比，这是由发动机的容积效率决定的，从而降低了压缩过程的压力和温度，使燃烧始点推迟。(3)采用EGR，一方面降低了氧浓度，推迟燃烧始点，增加滞燃期；另一方面，增加了工质的比容，降低燃烧温度，降低NOx排放量。(4)通过进气门的关闭时刻与EGR率联合来控制燃烧始点，需要对进气门的关闭时刻与EGR率进行标定，实现对着火点的精确控制。(5)降低直喷柴油机的有效压缩比和EGR后，会使燃烧速率和热效率降低，油耗率增加，通过几何形状方法使油气快速混合实现预混合燃烧来弥补，实现柴油机低NOx排放同时油耗率不恶化。(6)在油气快速混合的过程中，优化燃烧系统，包括孔径、孔数、喷孔锥角、喷射压力、燃烧室的形状等。孔径不仅决定了贯穿距的长度，而且影响雾化质量。决定贯穿距的还有喷射压力和涡流的强弱，贯穿不足会导致燃烧室空间的空气不能被充分利用，贯穿过度会使大量的燃油喷射到燃烧室壁面，在壁面上生成大量的油膜，导致于碳烟排放的增加。涡流的强弱决定了混合的程度，涡流太弱使混合能量不足，涡流过强使相邻喷孔喷出的油束之间发生干扰，燃油分布过于集中，出现富油区，也有一部分燃油会被气流卷席到燃烧室的壁面，增加了燃油在壁面上的周向分布面积。进气量随着涡流强度的增加而减少，降低了空燃比。(7)本专利技术中也可采用可变压缩比技术替代可变气门技术。从燃烧的角度阐述燃烧概念控制燃烧始点，使燃烧始点向后推迟，由于采用了快速混合的方式，一旦着火仍然具有较高的燃烧速率，有效地控制了燃烧相位和瞬时放热率重心。从排放的角度阐述燃烧概念在上止点附近喷油，由于采用可变气门技术和EGR的联合方法推迟了着火始点，活塞下行，使燃烧过程在一个较大的容积内进行，从而降低了燃烧温度，降低了 NOx排放和燃烧噪声，为了弥补给油耗率和热效率等方面带来的负面影响，由于具有快速燃烧的特征，放热率的重心不向后推迟，保证了在降低NOx的同时，仍然有较高的热效率和较低的碳烟排放。本专利技术的技术解决方案是，本专利技术的直喷式柴油机带有电控可变气门、废气再循环(EGR)、电控燃油喷射系统、高增压系统和快速混合燃烧系统。进气门的关闭时刻为排气上止点后的120° 240°CA (四冲程柴油机)，EGR率为0飞0%，电控燃油喷射始点(或多段喷射的主喷)在-10° CA 3° CA ATDC，增压系统的增压比在2飞，柴油机的燃烧系统采用几何方法(例如壁面射流)使油气快速混合。本专利技术的有益效果是进气门早关或晚关，使容积效率降低，降低了柴油机的有效压缩比，降低了压缩终了时的压力和温度，使着火点向后推迟，降低了 NOx排放和燃烧噪声。油气的快速混合，控制燃烧速率和放热率的重心，使烟度和油耗率保持很低的水平。附图说明附图是直喷柴油机不同工况的运行模式图。图中1采用高压共轨喷射+EGR+可变气门技术(早关或晚关)+特殊几何形状；2过渡工况；3高压共轨喷射+高增压；4过渡工况；5高压共轨多段喷射+高喷射压力。具体实施例方式本专利技术的工作过程是柴油机进气时，废气再循环系统(EGR)中的废气以一定的比率与新鲜空气预混合，进气门的开启后，混合气体进入发动机，进气门的早关或晚关后，被封闭在发动机的气缸内。随着活塞的上行，工质被压缩，在压缩上止点附近，燃油(或多段喷射的主喷)喷入汽缸，使着火点推迟，通过几何方法使油气快速混合，经过物理滞燃期和化学滞燃期后，着火快速燃烧，活塞下行对外做功。缩短燃烧持续期。当活塞达到下止点附近排气门开启，活塞上行，开始排气，完成一个工作循环。如上所述，柴油机可以按上面所提供的方法在整个工况范围内采用单一模式运 行。为了更进一步改善直喷式柴油机的性能，降低大负荷的烟度和油耗率，可以采用多模式运行，即在不同的工况(不同转速、不同负荷)下采用不同的运行模式。具体技术方案是在所有转速的中小负荷工况(75%负荷以内)，采用上述专利。在低速大负荷区域，关闭EGR阀。不采用进气门早关或晚关的控制策略，使发动机获得最高的容积效率。采用超高增压技术增加进气量和电控燃油高压喷射技术相结合。在中、高转速大负荷区域，关闭EGR阀。不采用进气门早关和晚关的控制策略，使发动机获得较高的容积效率。采用高压共轨多段喷射技术，并且增加喷射压力。在不同的区域之间有过渡区域，能实现发动机在不同模式切换之间平稳过渡。采用多模式运行的优点是(I)改善了大负荷的烟度和油耗率。(2)在低速大负荷区域，关闭EGR阀。不采用进气门早关和晚关的控制策略，使发动机获得了最高的容积效率本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种低排放直喷式柴油机的实现方法，其特征在干，该低排放直喷式柴油机带有电控可变气门、废气再循环(EGR)、电控燃油喷射系统、高增压系统和快速混合燃烧系统；在上止点附近开始燃油或多段喷射中的主喷燃油，通过进气门早关或晚关和EGR联合的方式控制燃烧始点，使燃烧始点向后推迟，从而降低燃烧的最高温度，降低NOx排放和燃烧噪声，通过几何方法等快速混合手段实现预混合燃烧，来控制燃烧速率，进行燃烧系统的优化、贯穿度的控制和涡流比的标定等方法弥补油耗率和碳烟排放，达到柴油机低排放的同时保持较高热效率。2.根据权利要求I所述的ー种低排放直喷式柴油机的实现方法，其特征在于电控燃油喷射始点或多段喷射的主喷在_10°CA 3°CA ATDC03.根据权利要求I所述的ー种低排放直喷式柴油机的实现方法，其特征在于通过 进气门的关闭时刻与EGR率联合来控制燃烧始点，进气门的关闭时刻为排气上止点后的12...

【专利技术属性】
技术研发人员：高希彦，郭鹏江，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：