CN101418753A - 稀燃天然气发动机燃气喷射方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种稀燃天然气发动机燃气喷射方法。旨在克服现有技术采用单次燃气喷射方法使点火时刻缸内混合气浓度呈现上稀下浓的问题。本发明将天然气发动机每一个工作循环所需要的天然气量分成两份，按比例、按速度、按时间分第一与第二两次向缸内喷射：在气缸中形成大范围均质混合气体的第一次喷射的天然气量与第二次喷射的天然气量之比例为4.7∶1，速度之比例为1∶2，时间是在进气上止点前30度曲轴转角至进气上止点后30度曲轴转角之间开始喷射；在气缸中实现混合气浓度局部分层的第二次喷射的天然气量与第一次喷射的天然气量之比例为1∶4.7，速度之比例为2∶1，时间是在进气上止点后100度至160度曲轴转角之间开始喷射。

Description

稀燃天然气发动机燃气喷射方法

技术领域

本发明涉及一种天然气发动机的燃气的喷射方法，更具体地说，它涉及一种稀燃天然气发动机燃气喷射方法。

背景技术

能源的匮乏和全球环境的恶化已成为世界关注的焦点。随着科技的进步和社会的发展，世界汽车保有量逐年增加，并占用了大量有限的石油储备资源，同时加大了对大气的污染程度。“节能减排”是我国的基本国策；是贯彻落实科学发展观，构建社会主义和谐社会的重大举措。为此，国务院于2007年11月22日颁发了《国家环境保护“十一五”规划》，其中明确指出“大力开发和使用节能型和清洁燃料汽车，降低机动车污染物排放”。

天然气发动机以其排放特性好(几乎不产生微粒排放)、资源较为丰富、辛烷值高等优点，而得到了高度重视。为了充分提高天然气发动机的热效率及改善排放，人们就天然气发动机稀薄燃烧技术进行了深入地研究。过量的空气可以提高燃烧终了混合气的绝热指数，有利于提高膨胀功；并且空气充足也使得燃烧效率提高；稀燃可以降低缸内的热负荷，允许采用更高的压缩比来提高热效率。但是必须妥善解决火焰传播速度慢的缺点，才能使稀燃技术得到充分的发展。

重型天然气发动机多是在柴油机的基础上开发的，由于天然气发动机的燃料供给方式和着火方式与柴油机有着本质的不同。天然气发动机多为进气道喷射火花点燃，而天然气发动机着火稳定性差及火焰传播速度慢，决定了必须优化缸内混合气浓度场分布，来改善点燃式稀燃天然气发动机的燃烧过程。

目前进气道喷射火花点燃式天然气发动机的供气方法多为单次喷射。研究结果表明，采用单次喷射的喷气方法使得点火时刻缸内混合气呈现上稀下浓的分布，这不利于混合气的可靠点火和稳定燃烧，也不利于提高稀燃极限。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服了现有技术存在的问题，提供了一种稀燃天然气发动机燃气喷射方法。旨在通过采用燃气两次喷射的喷气方法，优化缸内混合气浓度场的分布，改善发动机的着火稳定性，从而提高进气道喷射点燃式稀燃天然气发动机的燃烧热效率。

为解决上述技术问题，本发明是采用如下技术方案实现的：将天然气发动机每一个工作循环所需要的天然气量分成两份，按比例、按速度、按时间分第一与第二两次由进气道向缸内进行喷射：

1)在气缸中形成大范围均质混合气体的第一次喷射的天然气量与第二次喷射的天然气量之比例为4.7:1，速度之比例为1:2，时间是在进气上止点前30度曲轴转角至进气上止点后30度曲轴转角之间开始喷射。

2)在气缸中实现混合气浓度局部分层的第二次喷射的天然气量与第一次喷射的天然气量之比例为1:4.7，速度之比例为2:1，时间是在进气上止点后100度至160度曲轴转角之间开始喷射。

与现有技术相比本发明的有益效果是：

对原机在1450r/min，100％ load工况点的工作过程进行了模拟分析。

通过数值模拟研究表明，对于稀燃电控多点喷射天然气发动机而言，燃气喷射时刻对发动机燃气的燃烧及排放性能均有较为明显的影响。这主要是由于喷气时刻决定了点火时刻缸内的混合气浓度场分布。分析结果表明，采取原来的单次喷射的喷气方法使得点火时刻缸内混合气呈现上稀下浓的分布，这不利于混合气的可靠点火和稳定燃烧，也不利于提高稀燃极限。局部分层，即以大范围内的均质混合气为基础，对火花塞周围混合气实施小范围的局部加浓这种混合气分布情况既可以保证稳定点火，又可以提高稀燃极限。

本发明所提出的两次喷射的喷气方法即可以实现这种局部分层。并利用商用数值模拟软件STAR-CD，模拟了发动机采用两次喷射方法时缸内混合气形成和燃烧过程。

两次喷射的具体方案是在原机上，将每循环所需的天然气量分作两部分，比例为4.7:1，分别在不同时间，采用不同的速度喷射。一部分是在进气上止点前30度曲轴转角至进气上止点后30度曲轴转角之间开始喷射，喷射持续期为94度曲轴转角；另一部分是在进气上止点后100度至160度曲轴转角之间开始喷射，喷射持续期为19度曲轴转角。

根据发动机不同运转工况确定第一次喷射与第二次喷射的具体喷射时间。

由于第二次喷射时，进气门开度较小，因此以首次喷射两倍的速度进行喷射，以使天然气随气流快速进入气缸。第一次喷气的目的在于在气缸中形成大范围的均质混合气。第二次喷气则要求在火花塞周围形成易于点火并形成初期燃烧火焰团的局部浓混合气。控制第二次喷射的燃气量，可以调节火花塞附近的可燃混合气的浓度。

模拟的工况点为1450r/min、100％负荷，在压缩上止点前12度曲轴转角开始点火。下面为描述方便，将采用原机喷气方法的工况称为原机，将采用两次喷射方法的工况称为两次喷射。

图1为采用不同喷气方法时，缸内甲烷质量浓度场(沿气缸中轴线的切面)随曲轴转角的变化规律。

由图1-a-1与图1-a-2可以看出，原机的缸内呈现明显的分层现象，而两次喷射除了顶部小部分外，整个气缸内的混合气浓度分布较均匀。这是由于在进气上止点后24度曲轴转角开始首次喷射，进入气缸内的天然气位于气缸的中部，与前期和后期进入气缸内的空气充分混合，因此首次喷射进入气缸的气体没有出现浓度分层。而两次喷射的天然气只要能保证可靠点火且其燃烧能量足以使其他部分的稀混合气稳定燃烧即可，因此喷入的天然气量较少，只在气缸上部形成了微弱的分层现象。参阅图1-b-1与图1-b-2为点火时刻的缸内混合气浓度场，原机喷气规律使得缸内混合气呈现上稀下浓的分布，这不利于混合气的可靠点火和稳定燃烧，也不利于提高稀燃极限；而两次喷射实现了在火花塞周围或其上风区集聚浓混合气、在燃烧室的其它大部分区域分布稀混合气的混合气分布情况，有利于提高天然气的着火稳定性，因此在燃烧初期火焰迅速形成并开始传播，缸内混合气迅速燃烧。参阅图1-c-1与图1-c-2，在压缩上止点后8度曲轴转角，两次喷射的火焰传播速度明显快于原机。此外由于首次喷射在缸内形成了大范围的均质混合气，急燃期内火焰传播迅速，燃烧稳定性也好，不会出现失火、部分燃烧和后燃现象，所以相对应的热效率也较高。

研究结果表明与现有技术相比本发明的有益效果是：

1.两次喷射方法改善了点火时刻缸内的混合气浓度分布，由原来的上稀下浓变成了火花塞处浓而其他区域较均匀的浓度分布，有利于改善着火稳定性。

参阅图2，图2中的曲线所表示的是分别采用原机喷气规律和两次喷射方法时缸内燃烧压力、平均燃烧温度、放热率、瞬时累积放热百分比的模拟计算结果对比。

从图2-a与图2-b中的曲线可以看出：虽然两种喷气规律缸内燃烧压力、平均温度随曲轴转角变化趋势相同，但在急燃期内，采用两次喷射的缸内压力、温度明显有所升高。这是由于第二次喷气在火花塞周围形成了易于点火并形成初期燃烧火焰团的局部浓混合气，燃烧初期火焰迅速形成并开始传播，缸内混合气迅速燃烧，导致缸内压力、温度急剧升高。此外由于第一次喷射时间晚于原机，在缸内形成了大范围的均质混合气，急燃期内火焰传播迅速，燃烧稳定性也好，不会出现失火、部分燃烧和后燃现象，所以相对应的热效率也较高。

图2-c中的放热率曲线也验证了上述变化趋势。从上止点开始的30度曲轴转角范围内，两次喷射的放热率始终高于原机。两次喷射的放热率曲线相对于原机有前移升高的趋势：原机放热率峰值为120.7焦耳每曲轴转角，对应的曲轴转角为压缩上止点后25度曲轴转角；而两次喷射的放热率峰值为128.8焦耳每曲轴转角，对应的曲轴转角为24度曲轴转角。

图2-d中的曲线为瞬时累积放热百分比随曲轴转角的变化曲线。曲线的瞬时累积放热百分比始于5％，终于95％。从图中可以看出，两次喷射的滞燃期和急燃期明显缩短：两次喷射的滞燃期约为17.5度曲轴转角，急燃期约为41.5度曲轴转角；而原机的滞燃期约为20度曲轴转角，急燃期约为43度曲轴转角。

研究结果表明与现有技术相比本发明的有益效果是：

2.两次喷射方法改善了点火时刻缸内的混合气浓度分布，改善了发动机着火稳定性，优化了燃烧过程，提高了燃烧热效率，使稀燃天然气发动机的经济性得到改善。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明：

图1-a-1是原有天然气发动机压缩上止点前90度曲轴转角时的甲烷质量浓度场的分布图；

图1-a-2是采用两次喷射方法的天然气发动机压缩上止点前90度曲轴转角时的甲烷质量浓度场的分布图；

图1-b-1是原有天然气发动机压缩上止点前12度曲轴转角时的甲烷质量浓度场(点火时刻)的分布图；

图1-b-2是采用两次喷射方法的天然气发动机压缩上止点前12度曲轴转角时的甲烷质量浓度场(点火时刻)的分布图；

图1-c-1是原有天然气发动机压缩上止点后8度曲轴转角时的甲烷质量浓度场的分布图；

图1-c-2是采用两次喷射方法的天然气发动机压缩上止点后8度曲轴转角时的甲烷质量浓度场的分布图；

图2-a是采用原有天然气发动机和采用两次喷射方法的天然气发动机时缸内燃烧压力的对比曲线；

图2-b是采用原有天然气发动机和采用两次喷射方法的天然气发动机时缸内平均燃烧温度的对比曲线；

图2-c是采用原有天然气发动机和采用两次喷射方法的天然气发动机时缸内放热率的对比曲线；

图2-d是采用原有天然气发动机和采用两次喷射方法的天然气发动机时缸内瞬时累积放热百分比的对比曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细的描述：

天然气发动机点火时刻缸内混合气浓度场分布情况直接决定了着火过程，着火过程又直接决定了放热率的变化，进而决定了热效率。研究表明燃气喷气方法直接决定了缸内混合气浓度场的分布规律。

目前进气道喷射火花点燃式天然气发动机多为单次喷射。研究结果表明采用单次喷射的喷气方法使得点火时刻缸内混合气呈现上稀下浓的分布，这不利于混合气的可靠点火和稳定燃烧，也不利于提高稀燃极限。

本发明中采用天燃气两次喷射的方法就很好的解决了采用单次喷射的喷气方法使得点火时刻缸内混合气呈现上稀下浓分布的问题，提高进气道喷射火花点燃式稀燃天然气发动机的燃烧热效率，起到了“节能减排”的效果。

两次喷射方法的技术方案为：

将每一个循环所需要的天然气量分作两部分，按照相应的比例，分别在不同时间，以不同的速度进行喷射。

1.第一次喷射的结果是在气缸中形成大范围的均质混合气体。

2.第二次喷射的结果是在气缸中实现混合气浓度局部分层。

在大范围内的均质混合气的基础上，对火花塞周围混合气实施小范围的局部加浓，即第二次喷气则要求在火花塞周围形成易于点火并形成初期燃烧火焰团的局部浓混合气，通过控制燃气量，可以调节火花塞附近的可燃混合气的浓度。这种混合气分布情况既可以保证稳定点火，又可以提高稀燃极限。

实施例

通过对中国第一汽车集团公司的CA6SE1-21N天然气发动机进行试验研究，对原机1450r/min，100％load工况点的工作过程进行了模拟分析。分析结果表明，采取原来单次喷射的喷气方法使得点火时刻缸内混合气呈现上稀下浓的分布，这不利于混合气的可靠点火和稳定燃烧，也不利于提高稀燃极限。

局部分层，即以大范围内的均质混合气为基础，对火花塞周围混合气实施小范围的局部加浓这种混合气分布情况既可以保证稳定点火，又可以提高稀燃极限。

本发明所提出的两次喷射方法可以实现这种局部分层。

利用商用数值模拟软件STAR-CD，模拟了发动机采用两次喷射方法时缸内混合气形成和燃烧过程。

两次喷射的具体方案是在原机上，将每循环所需的天然气量分作两部分，比例为4.7:1，分别在不同时间，采用不同的速度喷射。

第一部分是在进气上止点前30度曲轴转角至进气上止点后30度曲轴转角之间开始喷射，喷射持续期为94度曲轴转角。第一次喷气的目的在于在气缸中形成大范围的均质混合气。

第二部分是在进气上止点后100度至160度曲轴转角之间开始喷射，喷射持续期为19度曲轴转角。

根据发动机不同运转工况确定第一次喷射与第二次喷射的具体喷射时间。

由于第二次喷射时，进气门开度较小，因此以首次喷射两倍的速度进行喷射，使天然气随气流快速进入气缸。第二次喷气则要求在火花塞周围形成易于点火并形成初期燃烧火焰团的局部浓混合气。控制第二次喷射的燃气量，可以调节火花塞附近的可燃混合气的浓度。

Claims (1)

1.一种稀燃天然气发动机燃气喷射方法，其特征是将天然气发动机每一个工作循环所需要的天然气量分成两份，按比例、按速度、按时间分第一与第二两次由进气道向缸内进行喷射：

1)在气缸中形成大范围均质混合气体的第一次喷射的天然气量与第二次喷射的天然气量之比例为4.7:1，速度之比例为1:2，喷射时间是在进气上止点前30度曲轴转角至进气上止点后30度曲轴转角之间开始喷射；

2)在气缸中实现混合气浓度局部分层的第二次喷射的天然气量与第一次喷射的天然气量之比例为1:4.7，速度之比例为2:1，时间是在进气上止点后100度至160度曲轴转角之间开始喷射。

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