CN101302961A - 天然气发动机 - Google Patents

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杜喜云
闫涛
李鹏
吴世友
张慧英
王伟
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崔勇
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  • Electrical Control Of Air Or Fuel Supplied To Internal-Combustion Engine (AREA)
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Abstract

本发明涉及一种天然气发动机，其特征在于：多点顺序喷射电控系统搭载在发动机上、采用带有天然气导入通道的进气歧管、采用铸造火花塞孔的气缸盖、盆型燃烧室、专用活塞环、水冷增压器并布置合理的冷却管路、采用分区控制空燃比和加装氧化催化器实现欧3排放的稀燃排放控制方法。其为高性能、低排放、高可靠性的多点电控顺序喷射天然气发动机。

Description

天然气发动机
技术领域：
本发明涉及一种天然气发动机，特别是一种多点电控喷射稀燃天然气发动机。
背景技术：
随着能源短缺和环境污染问题的日益严重，天然气发动机以其良好的能源替代性和排放特性在国内推广应用。所以有很多的研究开发转向如何利用天然气资源，用天然气作发动机的燃料。一般开发采用机械混合器式的天然气发动机较多，这些发动机排放水平较低，动力性较差。电控发动机主要采用单点集中喷射方式，在发动机的进气歧管上布置混合器，采用几个喷气嘴将天然气喷进混合器，空气和天然气在此混合后沿进气歧管流入气缸。与多点电控发动机相比，这种发动机的动态响应较差，发动机燃料消耗率高。发动机较难满足欧III以上排放要求。
发明内容：
本发明的目的在于提供一种天然气发动机，是一种多点顺序喷射电控天然气发动机，其为高性能、低排放、高可靠性的多点电控顺序喷射天然气发动机。
本发明的技术方案是这样实现的：天然气发动机，其特征在于：多点顺序喷射电控系统搭载在发动机上：气轨布置在进气歧管上，气轨与进气歧管间采用密封胶圈密封，六个喷气嘴布置在气轨上，天然气温度传感器和压力传感器安装在气轨上，进气温度传感器和进气压力传感器布置在进气歧管上，转速传感器安装在飞轮壳上，从飞轮取转速信号，相位传感器安装在飞轮壳正对凸轮轴正时齿轮处，水温传感器布置在出水管上，排温传感器安装在排气管上；线性氧传感器安装在排气总管上；点火线圈固定在气缸体上的点火线圈支架上；火花塞安装在气缸盖上，高压线一端连接点火线圈，一端连接火花塞；高压线支架安装在气缸体上，固定高压线；线束固定在发动机上，用相应的线束夹固定；电子节气门安装在进气歧管进口处；ECU、天然气滤清器和减压器布置在整车驾驶室内或发动机机舱内。
水冷中间壳增压器连接在排气管和排气总管之间，其进水管一端布置在发动机的水套高压端，另一端与增压器连接，其回水管一端布置在发动机出水管上，另一端与增压器连接。
进气歧管在喷气嘴孔的连接处安装了一个铜制套管，套管过盈压入进气歧管，通过一直径为φ8～10mm的天然气导向管将天然气喷到进气门口处。
气缸盖上铸造六个火花塞孔。
燃烧室为盆型，燃烧室外径64～66mm，深度25～27mm，底部圆角R7～8mm，燃烧室喉口倒角为R2mm，压缩比12。
活塞上设有专用的活塞环，活塞环包括有气环和油环，其中气环为梯形结构，油环的刮油刃宽度L减小35％。
本发明的积极效果是：该天然气发动机保持了原柴油机的动力性，排放达到欧3标准要求。控制方法通过分区控制空燃比实现缸内有效控制NOx排放，同时采用氧化催化器降低HC及CO排放；在欧III排放法规的NOx控制区使过量空气系数达到1.4～1.58，在非排放控制区的低速大负荷区域，过量空气系数控制在1.2左右。
附图说明：
图1为多点顺序喷射电控系统在发动机上的搭载图；
图2为带有天然气导入通道的进气歧管；
图3为铸造火花塞孔的气缸盖示意图；
图4为盆型燃烧室；
图5为专用活塞环；
图6为分区控制空燃比的排放控制方法。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明做进一步的描述：
如图1所示，天然气发动机，其特征在于：是一种多点顺序喷射电控天然气发动机，电控系统搭载在发动机上，气轨9布置在进气歧管8上，气轨与进气歧管之间采用密封胶圈密封，六个喷气嘴10布置在气轨9上，天然气温度传感器13和压力传感器15安装在气轨9上，进气温度传感器11和进气压力传感器14布置在进气歧管8上，转速传感器8安装在飞轮壳上，从飞轮取转速信号，相位传感器1安装在飞轮壳正对凸轮轴正时齿轮处，水温传感器5布置在出水管上，排温传感器2安装在排气管上；线性氧传感器16安装在排气总管上。点火线圈21固定在气缸体上的点火线圈支架14上。火花塞17安装在气缸盖上，高压线18一端连接点火线圈21，一端连接火花塞17。高压线支架20安装在气缸体上，固定高压线18。线束19固定在发动机上，用相应的线束夹固定。电子节气门12安装在进气歧管进口处。ECU、天然气滤清器和减压器布置在整车驾驶室内或发动机机舱内。
水冷中间壳增压器3连接在排气管和排气总管之间。其进水管7一端布置在发动机的水套高压端，另一端与增压器连接。其回水管4一端布置在发动机出水管上，另一端与增压器连接，使增压器得到足够的冷却水，保证增压器可靠工作。
如图2所示，为带有天然气导入通道的进气歧管8。在喷气嘴孔的连接处安装了一个铜制套管8-1，套管过盈压入进气歧管，杜绝发动机在使用过程中天然气泄漏，通过一直径为φ8～10mm的天然气导入管8-2将天然气喷到进气门口处。该结构使各缸天然气充分进入气缸，有效避免了因天然气密度低于空气密度而积存在进气歧管上部，从而保证了各缸正确的天然气供给量。
如图3所示，为采用铸造火花塞孔的气缸盖示意图。在气缸盖上取消原来的喷油器孔，设计六个铸造的火花塞孔，避免了采用铜套密封冷却水时经常出现冷却水漏到缸内或火花塞孔内的问题。在确定火花塞孔的位置时，应采用CFD模拟方法或试验方法确认铸造后的气缸盖能够保证所需的冷却能力。
图4所示为采用盆型燃烧室的示意图。燃烧室外径64～66mm，深度25～27mm，底部圆角R7～8mm，燃烧室喉口倒角为R2mm，压缩比12。
图5所示为活塞上设有专用的活塞环，如图5所示，气环为T型结构，取消二环扭曲，同时活塞环径向弹力增加15％。油环：一方面增加撑簧弹力，另一方面将图5所示的刮油刃宽度L减小35％，以提高油环与缸套的接触面压，增加油环的刮油能力。
采用通过分区控制空燃比实现缸内有效控制NOx排放，同时采用氧化催化器降低HC及CO排放，使发动机达到欧III标准的排放控制方法。图6为分区控制空燃比的排放控制方法。在欧III排放法规的NOx控制区使过量空气系数达到1.4～1.58，在非排放控制区的低速大负荷区域，过量空气系数控制在1.2左右，使燃烧完善，但需要保证排温在允许的范围内。对于中小负荷区域，主要追求发动机的燃料经济性。在进行发动机的性能开发和电控标定时，采用多点电控顺序喷射系统，按照该控制方法精确地控制各区域的过量空气系数，使发动机排放达到欧III标准。
当天然气发动机工作时，空气经过涡轮增压器后，到中冷器冷却，冷却后的空气通过进气歧管进入气道中，根据各缸工作顺序，在进气门打开后流入气缸内。天然气从钢瓶导减压器，经过减压后，经滤清器进入到气轨，由喷气嘴将天然气喷到进气歧管中天然气导入管，在进气门口处与空气混合后，进入气缸内。ECU采集处理传感器得到的各种发动机工况信号，并通过运算，确定发动机在不同转速、负荷、温度等工况下的天然气喷射量，向执行装置按照喷射正时输出控制脉冲信号，控制喷射的整个工作过程。同时，查询点火正时MAP图，确定各缸点火时刻，控制点火系统实现准确点火。为了保证发动机在MAP存储的最优过量空气系数下工作，ECU根据氧传感器信号、进气温度、压力、天然气温度、压力等信号实时修正天然气的喷射量，发送给执行模块实现天然气多点顺序喷射。发动机运行时，故障诊断模块实时监测各个系统的工作情况，当发生一些意外情况时，报警系统会发出警报并将发动机转换到安全模式运行或停机。
本电控天然气发动机适用的机型为80～300马力，特别适合安装在排放要求严格的城市公交车、旅游车、环卫车及卡车等其它车型上。本发动机保持了与原柴油机相同的动力性，排放达到欧III水平。本机型价格比同类进口机型低30％～45％，燃料消耗率与进口机型相当。因此是一种具有广阔应用前景的发动机。

Claims (7)

1、天然气发动机，其特征在于：多点顺序喷射电控系统搭载在发动机上：气轨(9)布置在进气歧管(8)上，气轨(9)与进气歧管(8)间采用密封胶圈密封，六个喷气嘴(10)布置在气轨(9)上，天然气温度传感器(13)和压力传感器(15)安装在气轨(9)上，进气温度传感器(11)和进气压力传感器(14)布置在进气歧管(8)上，转速传感器(23)安装在飞轮壳上，从飞轮取转速信号，相位传感器(1)安装在飞轮壳正对凸轮轴正时齿轮处，水温传感器(5)布置在出水管上，排温传感器(2)安装在排气管上；线性氧传感器(16)安装在排气总管上；点火线圈(21)固定在气缸体上的点火线圈支架(22)上；火花塞(17)安装在气缸盖上，高压线(18)一端连接点火线圈(21)，一端连接火花塞(17)；高压线支架(20)安装在气缸体上，固定高压线(18)；线束(19)固定在发动机上，用相应的线束夹固定；电子节气门(12)安装在进气歧管进口处；ECU、天然气滤清器和减压器布置在整车驾驶室内或发动机机舱内。
2、根据权利要求1所述的天然气发动机，其特征在于所述的水冷中间壳增压器(3)连接在排气管和排气总管之间，其进水管(7)一端布置在发动机的水套高压端，另一端与增压器连接，其回水管(4)一端布置在发动机出水管上，另一端与增压器连接。
3、根据权利要求1所述的天然气发动机，其特征在于所述的进气歧管(8)在喷气嘴孔的连接处安装了一个铜制套管(8-1)，套管过盈压入进气歧管，通过一直径为φ8～10mm的天然气导向管(8-2)将天然气喷到进气门口处。
4、根据权利要求1所述的天然气发动机，其特征在于所述的气缸盖(6)上铸造六个火花塞孔。
5、根据权利要求1所述的天然气发动机，其特征在于所述的燃烧室为盆型，燃烧室外径64～66mm，深度25～27mm，底部圆角R7～8mm，燃烧室喉口倒角为R2mm，压缩比12。
6、根据权利要求1所述的天然气发动机，其特征在于所述的活塞上设有专用的活塞环，活塞环包括有气环和油环，其中气环为梯形结构，油环的刮油刃宽度L减小35％。
7、根据权利要求1所述的天然气发动机，其特征在于：控制方法通过分区控制空燃比实现缸内有效控制NOx排放，同时采用氧化催化器降低HC及CO排放；在欧III排放法规的NOx控制区使过量空气系数达到1.4～1.58，在非排放控制区的低速大负荷区域，过量空气系数控制在1.2左右。
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