專利名稱：多種燃料內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)直接噴射周向分層燃燒系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)直接噴射技術(shù)，進(jìn)一步涉及多種燃料內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)直接噴射周向分層燃燒系統(tǒng)，特別適合火花點(diǎn)火缸內(nèi)直噴分層燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)和醇類燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的使用。
缸內(nèi)直接噴射式汽油機(jī)在部分負(fù)荷時(shí)采用分層燃燒方案，即燃油在壓縮行程后期噴入氣缸，并通過合理地組織燃燒室內(nèi)燃油與空氣混合氣的分布，保證點(diǎn)火期間在火花塞間隙區(qū)域內(nèi)形成具有良好著火條件的較濃混合氣，而在燃燒室大部分區(qū)域內(nèi)形成較稀的混合氣，在兩者之間，混合氣濃度從火花塞開始由濃到稀逐步過渡，以利于火焰的傳播，從而在總體上燃燒較稀的混合氣，以達(dá)到與柴油機(jī)的相當(dāng)?shù)娜加徒?jīng)濟(jì)性；在全負(fù)荷時(shí)，在進(jìn)氣行程中噴入燃油，使燃油與空氣有較長(zhǎng)的混合時(shí)間，實(shí)現(xiàn)均質(zhì)預(yù)混燃燒，以保持汽油機(jī)升功率高的優(yōu)點(diǎn)。
缸內(nèi)直接噴射式汽油機(jī)綜合了傳統(tǒng)柴油機(jī)與汽油機(jī)兩者優(yōu)點(diǎn)(熱效率高、排放低以及動(dòng)力性好等)，已成為當(dāng)今車用汽油機(jī)的一個(gè)十分重要的發(fā)展方向。目前國(guó)外對(duì)GDI技術(shù)的研究極為活躍，日本三菱、豐田和美國(guó)福特等公司已有相應(yīng)的GDI機(jī)型推出。但國(guó)外的GDI燃燒系統(tǒng)大多采用旋流噴嘴(未見采用多孔噴油嘴)，通過可產(chǎn)生滾流或可變渦流的復(fù)雜的進(jìn)氣系統(tǒng)并配合復(fù)雜形狀的燃燒室，來實(shí)現(xiàn)在部分負(fù)荷時(shí)的分層燃燒。這種混合氣分層方法，由于分層質(zhì)量受流體動(dòng)力控制，難以在各種工況下均能形成穩(wěn)定可靠的分層充量，另外活塞頂形狀比較復(fù)雜。
實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的所采用的技術(shù)方案是多種燃料內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)直接噴射周向分層燃燒系統(tǒng)，包括一個(gè)以氣缸蓋底面為上頂和以ω型活塞上表面為下底的燃燒室；一個(gè)火花塞和一個(gè)多孔噴油嘴；一個(gè)進(jìn)氣門；一個(gè)排氣門；一個(gè)螺旋形進(jìn)氣道在其下端通過進(jìn)氣門與燃燒室相通，以便在燃燒室內(nèi)使進(jìn)入的空氣形成渦流；一個(gè)排氣道在其下端通過排氣門與燃燒室相通；其特點(diǎn)是，多孔噴油嘴的噴孔不均勻分布，燃油通過噴油嘴在壓縮行程后期噴入燃燒室，火花塞附近的油束間夾角較小，而在火花塞下游順渦流方向油束間夾角逐漸變大，利用機(jī)械運(yùn)動(dòng)以及燃燒室內(nèi)渦流運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)由濃到稀的混合氣周向分層。
本發(fā)明的其他一些特點(diǎn)是，火花塞與油束間相對(duì)位置可以用下面四個(gè)參數(shù)所決定噴油嘴與火花塞間隙的距離L＝27mm；火花塞與油束間的夾角θ＝10-16度；噴油嘴相對(duì)于火花塞在豎直平面內(nèi)的伸出長(zhǎng)度h-δ＝2mm-3mm；火花塞電極方位θs＝85-95度。
所述火花塞間隙寬度為0.6mm-0.8mm。
ω型燃燒室底部設(shè)置錐形凸臺(tái)并與油束噴霧錐角相適應(yīng)，以減少燃燒室內(nèi)的空氣運(yùn)動(dòng)死區(qū)，增加空氣和混合氣的運(yùn)動(dòng)線速度，提高燃燒室內(nèi)空氣利用率，壓縮比為10-14。
螺旋形進(jìn)氣道產(chǎn)生的進(jìn)氣渦流強(qiáng)度為0.7-1.3。
本燃燒系統(tǒng)具有較好的燃油適應(yīng)性，實(shí)驗(yàn)研究表明，本系統(tǒng)不僅有高的熱效率，且可燃用甲醇、乙醇和汽油等多種燃料，目前國(guó)外文獻(xiàn)未見缸內(nèi)直接噴射式汽油機(jī)燃用醇類燃料的報(bào)道。
圖2是缸內(nèi)直接噴射周向分層燃燒系統(tǒng)燃用汽油、甲醇和乙醇時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)性能(n＝1800r/min)對(duì)比曲線。
缸內(nèi)直接噴射周向分層燃燒系統(tǒng)包括一個(gè)以氣缸蓋底面為上頂和以ω型活塞上表面為下底的燃燒室2；布置在缸蓋上的一個(gè)火花塞3和一個(gè)多孔噴油嘴4；布置在缸蓋上的一個(gè)進(jìn)氣門5和一個(gè)排氣門6；一個(gè)螺旋形進(jìn)氣道7在其下端通過進(jìn)氣門5與燃燒室2相通，以便在燃燒室內(nèi)使進(jìn)入的空氣形成渦流；一個(gè)排氣道8在其下端通過排氣門6與燃燒室2相通，以便將燃燒室內(nèi)的燃燒氣體排出。
缸內(nèi)直接噴射周向分層燃燒系統(tǒng)工作過程描述如下進(jìn)氣行程，空氣通過螺旋進(jìn)氣道7進(jìn)入氣缸內(nèi)，形成繞氣缸軸線旋轉(zhuǎn)的渦流運(yùn)動(dòng)；燃油在壓縮行程后期通過噴孔不均勻分布的多孔噴油嘴噴入燃燒室，火花塞附近的油束間夾角較小，而在火花塞下游順渦流方向油束間夾角逐漸變大，利用機(jī)械運(yùn)動(dòng)以及燃燒室內(nèi)渦流運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)由濃到稀的混合氣周向分層；燃油噴射后某一時(shí)刻火花塞點(diǎn)火，火焰從火花塞間隙開始向燃燒室其它區(qū)域傳播，高溫燃?xì)馔苿?dòng)活塞做功，進(jìn)入膨脹階段；活塞下止點(diǎn)前某一時(shí)刻排氣門打開，進(jìn)入排氣行程，燃燒氣體通過排氣門排出燃燒室；活塞到達(dá)上止點(diǎn)前某一時(shí)刻，進(jìn)氣門打開，進(jìn)入進(jìn)氣行程，如此往復(fù)。
本發(fā)明的多種燃料內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)直接噴射周向分層燃燒系統(tǒng)，在一臺(tái)氣缸直徑為100mm的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。
缸內(nèi)直接噴射周向分層燃燒系統(tǒng)中混合氣濃度場(chǎng)的分布主要取決于噴油嘴頂端油孔的分布。在油嘴的設(shè)計(jì)過程中，為了保證在任何工況下火花塞附近總存在較濃、處于著火界限范圍內(nèi)、易于點(diǎn)燃的混合氣，油束在火花塞附近的夾角較小(見

圖1)，并且在火花塞上游布置了3根油束(油束7′、8′、1′)，在火花塞下游順渦流方向油束間夾角逐漸變大，共有8根油束，油孔直徑為0.25mm。油束1′與油束2′、油束2′與油束3′、油束3′與油束4′、油束4′與油束5′、油束5′與油束6′、油束6′與油束7′、油束7與油束8′、油束8′與油束1′間的夾角分別為30度、45度、50度、55度、60度、60度、30度和30度。油束與缸蓋底面的夾角為β＝15°。
由于本發(fā)明的周向分層燃燒系統(tǒng)中混合氣的濃度分布是不均勻的，燃燒室中混合氣濃度是隨空間位置和時(shí)間而變化的，因而，要想在任何工況下都能保證火核穩(wěn)定的形成并使火焰順利傳播，在燃燒室中選擇合適的火花塞的位置非常重要?；鸹ㄈc油束間相對(duì)位置可以用下面四個(gè)參數(shù)所決定(見圖1)油嘴與火花塞間隙的距離L＝27mm；火花塞與油束間的夾角θ＝10度-16度；油嘴相對(duì)于火花塞在豎直平面內(nèi)的伸出長(zhǎng)度(h-δ)＝2mm-3mm；火花塞電極方位θs＝85度-95度。其他優(yōu)化參數(shù)如下火花塞間隙寬度定為0.6mm-0.8mm；最佳供油提前角對(duì)汽油、甲醇和乙醇分別是上止點(diǎn)前37℃A、42℃A和40℃A；汽油、甲醇和乙醇時(shí)的最佳噴油壓力為8-12MPa；螺旋形進(jìn)氣道產(chǎn)生的進(jìn)氣渦流強(qiáng)度為0.7-1.3；采用ω型燃燒室，在燃燒室底部設(shè)置錐形凸臺(tái)并與油束噴霧錐角相適應(yīng)，以減少燃燒室內(nèi)的空氣運(yùn)動(dòng)死區(qū)，增加空氣和混合氣的運(yùn)動(dòng)線速度，提高燃燒室內(nèi)空氣利用率，壓縮比為10-14。
發(fā)明人給出了缸內(nèi)直接噴射周向分層燃燒系統(tǒng)燃用汽油、甲醇和乙醇時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的實(shí)例，見圖2。由圖2(a)可知，低負(fù)荷區(qū)域，燃用汽油、甲醇和乙醇時(shí)熱效率略低于相似結(jié)構(gòu)參數(shù)的缸內(nèi)直接噴射式柴油機(jī)，在中、高負(fù)荷時(shí)，燃用醇類燃料時(shí)的熱效率高于柴油機(jī)，其中燃用甲醇的最高，燃用汽油的熱效率與柴油機(jī)的相當(dāng)。
圖2(b)給出了多種燃料發(fā)動(dòng)機(jī)和柴油機(jī)的外特性對(duì)比曲線，在整條外特性曲線上，燃用醇類燃料的效率都較原柴油機(jī)高1-2個(gè)百分點(diǎn)，燃用汽油時(shí)的熱效率與原機(jī)相當(dāng)。多種燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率較原柴油機(jī)的高。
圖2(c-f)給出了多種燃料發(fā)動(dòng)機(jī)和原柴油機(jī)排放的對(duì)比曲線。由于采用分層稀燃，以及醇類燃料高的汽化潛熱，燃用醇類燃料時(shí)的NOx排放僅為原機(jī)的10％-40％，燃用汽油時(shí)約為原柴油機(jī)的21％-78％。低負(fù)荷時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)HC排放高于原柴油機(jī)，高負(fù)荷時(shí)，兩者接近。CO排放比原柴油機(jī)的略高，但都在1％之下。發(fā)動(dòng)機(jī)燃用醇類燃料時(shí)，煙度排放始終為零。燃用汽油時(shí)，在低、中負(fù)荷區(qū)可以實(shí)現(xiàn)無煙燃燒，而高負(fù)荷時(shí)存在少許碳煙。
由上可知，采用本發(fā)明的能靈活燃用多種燃料的缸內(nèi)直接噴射周向分層燃燒系統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)具有熱效率高、排放低以及動(dòng)力性好等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于燃用汽油、甲醇和乙醇等燃料。
權(quán)利要求
1.一種多種燃料內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)直接噴射周向分層燃燒系統(tǒng)，包括一個(gè)以氣缸蓋底面1為上頂和以ω型活塞上表面為下底的燃燒室2；一個(gè)火花塞3和一個(gè)多孔噴油嘴4；一個(gè)進(jìn)氣門5；一個(gè)排氣門6；一個(gè)螺旋形進(jìn)氣道7在其下端通過進(jìn)氣門5與燃燒室2相通，以便在燃燒室2內(nèi)使進(jìn)入的空氣形成渦流；一個(gè)排氣道8在其下端通過排氣門6與燃燒室2相通；其特征在于，所述多孔噴油嘴4的噴孔不均勻分布，燃油通過多孔噴油嘴4在壓縮行程后期噴入燃燒室2，火花塞3附近的油束間夾角較小，而在火花塞3下游順渦流方向油束間夾角逐漸變大，利用機(jī)械運(yùn)動(dòng)以及燃燒室內(nèi)渦流運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)由濃到稀的混合氣周向分層。
2.如權(quán)利要求1所述的多種燃料內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)直接噴射周向分層燃燒系統(tǒng)，其特征在于，所述火花塞3與油束間相對(duì)位置可以用下面四個(gè)參數(shù)所決定多孔噴油嘴4與火花塞3間隙的距離L＝27mm；火花塞3與油束間的夾角θ＝10-16度；多孔噴油嘴4相對(duì)于火花塞3在豎直平面內(nèi)的伸出長(zhǎng)度h-δ＝2mm-3mm；火花塞電極方位θs＝85-95度。
3.如權(quán)利要求1或2所述的多種燃料內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)直接噴射周向分層燃燒系統(tǒng)，其特征在于，所述火花塞3間隙寬度為0.6mm-0.8mm。
4.如權(quán)利要求1所述的多種燃料內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)直接噴射周向分層燃燒系統(tǒng)，其特征在于，所述ω型燃燒室2底部設(shè)置錐形凸臺(tái)并與油束噴霧錐角相適應(yīng)，以減少燃燒室內(nèi)的空氣運(yùn)動(dòng)死區(qū)，增加空氣和混合氣的運(yùn)動(dòng)線速度，提高燃燒室內(nèi)空氣利用率，壓縮比為10-14。
5.如權(quán)利要求1所述的多種燃料內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)直接噴射周向分層燃燒系統(tǒng)，其特征在于，所述螺旋形進(jìn)氣道7產(chǎn)生的進(jìn)氣渦流強(qiáng)度為0.7-1.3。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種能燃用汽油、甲醇、乙醇等多種燃料的內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)直接噴射周向分層燃燒系統(tǒng)，它包括一個(gè)以氣缸蓋底面為上頂和以ω型活塞上表面為下底的燃燒室；一個(gè)火花塞和一個(gè)噴油嘴；一個(gè)進(jìn)氣門；一個(gè)排氣門；一個(gè)螺旋形進(jìn)氣道在其下端通過進(jìn)氣門與燃燒室相通，以便在燃燒室內(nèi)使進(jìn)入的空氣形成渦流；一個(gè)排氣道在其下端通過排氣門與燃燒室相通，以便將燃燒室內(nèi)的燃燒氣體排出。本發(fā)明的特點(diǎn)是燃油通過噴孔不均勻分布的噴油嘴在壓縮行程后期噴入燃燒室，火花塞附近的油束間夾角較小，而在火花塞下游順渦流方向油束間夾角逐漸變大，利用機(jī)械運(yùn)動(dòng)以及燃燒室內(nèi)渦流運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)由濃到稀的混合氣周向分層。
文檔編號(hào)F02B19/08GK1455079SQ03134228
公開日2003年11月12日 申請(qǐng)日期2003年6月2日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月2日
發(fā)明者周龍保, 黃勇成, 劉圣華, 杜嘉陵, 韓志玉, 張玉銀, 趙慧 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)