[发明专利]一种低排放直喷式柴油机的实现方法

说明书

技术领域

本发明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，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。

背景技术

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。

发明内容

本发明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。

本发明的技术方案是：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：

（1）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）本发明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。