CN102425483B - 一种采用助燃剂提高天然气发动机压缩着火性能的方法 - Google Patents

Abstract

一种采用助燃剂提高天然气发动机压缩着火性能的方法，发动机采用高压缩比的主副燃烧室结构，副燃烧室设置助燃剂喷射阀，在压缩行程上止点前喷射助燃添加剂，使副燃烧室内燃料首先着火燃烧，实现对主燃烧室内燃料混合气的引燃作用。本发明的优点是：采用助燃剂可大大提高天然气发动机压缩着火性能，副燃烧室设计易于实现，可在市场上现有的大量涡流室式柴油机基础上改装而成，改装成本低，市场应用规模广；该燃烧系统不仅适用于天然气，还可适用于其他高自燃点的发动机替代燃料，如沼气、氢气等，实现气体燃料压缩着火燃烧，提高发动机启动性、经济性和排放特性。

Description

一种采用助燃剂提高天然气发动机压缩着火性能的方法

技术领域

本发明涉及内燃机设计及燃烧技术领域，特别是一种采用助燃剂提高天然气发动机压缩着火性能的燃烧系统。

背景技术

受我国汽车保有量大幅增加等因素的影响，2011年前5个月我国原油对外依存度首度超过美国，而其中90%新增原油需求来自汽车产业，直接干扰国家能源安全战略。为此高效清洁使用气体燃料作为汽油、柴油的替代燃料，将大大降低汽车产业等对原油的过度依赖，而开发气体燃料清洁高效的燃烧技术是推广气体燃料发动机应用的关键。在已应用的替代燃料中压缩天然气所占比例最高，分布的国家最广。

与点燃式发动机相比较，压燃式发动机具有压缩比高的特点，有利于提高发动机热效率和燃料经济性。但是压缩天然气等燃料由于自燃温度高，在通常条件下很难实现稳定的压缩着火燃烧，必须借助某些特殊的技术手段，如在发动机气缸内设置点火用的电热塞，采用绝热燃烧室。但是，适用于高自燃点温度的高热值电热塞的开发还存在很多困难，特别是电热塞最高工作温度值和长期工作的可靠性方面还没有明显突破，距离商业化使有待时日。绝热燃烧室研究虽然自上世纪六七十年代就已开始，特别是美国德士古公司做了大量研究工作，但是高温用工业陶瓷的研制和发动机全陶瓷的使用同样也面临很多困难，如陶瓷发动机的润滑、陶瓷的抗疲劳强度、高温条件下燃油燃烧的有效组织等，使得绝热发动机的优势还未完全发挥出来。

此外，利用燃料助燃添加剂同样可改善气体燃料压缩着火的可靠性，利用压缩行程末期喷入的一定数量的助燃添加剂，由于助燃剂着火性能好，首先在缸内形成着火源，相当于数量和能量被急剧放大的电热塞，对提高气体燃料点火可靠性效果非常突出，此项技术已成为各发动机研究与生产单位的关注重点。但是，助燃添加剂的数量和所占比例通常较小，为保证助燃添加剂可靠着火，适用条件较为苛刻：助燃添加剂必须在着火前完成与空气混合，且混合气浓度满足着火燃烧的需要；缸内温度达到或超过添加剂自燃温度。在开式燃烧室中，由于燃烧室空间统一，燃料喷入气缸后会迅速扩散，为了在燃料扩散前着火，必须将助燃剂的喷射时刻向压缩行程终点靠近，而此时缸内压力高，为保证助燃添加剂能够进入气缸必须采用高压喷射装置，如美国西岸开发的双燃料高压喷射装置，可在压缩行程终点附近分别喷射压缩天然气和助燃剂柴油，利用两种燃料的喷射角度不同，实现了缸内燃料分层和天然气的可靠点火。这种燃料喷射装置已在欧美重型货车上得到使用，但是由于结构复杂，价格高，还没有得到普遍推广。中国潍柴公司开发的双燃料发动机利用气缸盖内设置的预燃室结构，实现了大缸径天然气发动机的可靠点火燃烧。由于预燃室内部须设置天然气和柴油两套燃料供给装置，故预燃室的结构尺寸较大，在中小型缸径的发动机中使用受到限制，目前专门针对中小型机的气体燃料压缩着火辅助装置还未见到。针对压缩天然气、沼气、氢气等高自燃点气体燃料，实现其可靠的压缩着火必须探索内燃机新的燃烧技术，并结合内燃机结构改进和设计，开发出新型的燃烧系统才能实现。

发明内容

本发明的目的在于针对上述技术分析和存在问题，提供一种采用助燃剂提高天然气发动机压缩着火性能的方法，利用涡流室内助燃添加剂的引燃作用，给主燃烧室提供比普通火花塞高很多的超高能点火能量，实现天然气发动机压缩着火和快速燃烧。

本发明的技术方案：

一种采用助燃剂提高天然气发动机压缩着火性能的方法，发动机采用高压缩比的主副燃烧室结构，副燃烧室设置助燃剂喷射阀，在压缩行程上止点前喷射助燃添加剂，使副燃烧室内燃料首先着火燃烧，实现对主燃烧室内燃料混合气的引燃作用。

所述发动机的主副燃烧室，利用S195柴油机的涡流室式燃烧室，改造涡流副燃烧室，发动机缸盖上设有用于安装助燃剂喷射阀的安装孔并与副燃烧室相通，同时在主燃烧室和副燃烧室之间采用设有贯穿通道的涡流室镶块，助燃剂喷射阀安装孔的位置与原电热塞的位置相同，安装孔的中心线与副燃烧室的垂直中心线的夹角为60度，助燃剂喷射阀安装孔上部为直径12mm、长18mm圆柱型螺纹孔，下部为直径7.5mm圆柱型孔，下部的圆柱型孔与副燃烧室相贯通，助燃剂喷射阀与助燃剂喷射阀安装孔通过螺纹密封连接；涡流室镶块外型为阶梯状圆柱体结构，由三个不同直径的圆柱体构成，自上而下三个圆柱体分别为高6.5mm、直径36mm，高8mm、直径32mm和高8mm、直径40mm，涡流室镶块内部中心设有顶部的圆柱型孔和与之相通的半球型涡流室底，顶部的圆柱型孔直径为30mm、高4mm，半球型涡流室底的直径为26mm，涡流室镶块底边设有两个圆孔通道，，其中一个圆孔通道为启动孔，其中心线下端距镶块垂直中心线下端15mm、与镶块垂直中心线的夹角为30度、直径为3mm，另一个圆孔通道为涡流室通道，其中心线下端距镶块垂直中心线下端7mm、与镶块垂直中心线的夹角为40度、直径为8-12mm，涡流室镶块与发动机缸盖通过过盈配合固定。

所述发动机的压缩比为19-21。

所述助燃剂为环己烷或二叔丁基过氧化物，助燃添加剂的喷射压力5.5MPa，供气数量以喷射阀开启持续时间计在30-60度曲轴转角。

所述助燃剂喷射阀为贵州红华公司生产的SP系列气体喷射阀，由助燃剂喷射阀喷射的助燃剂为环己烷或二叔丁基过氧化物，助燃剂的喷射压力5.5MPa，供气数量以喷射阀开启持续时间计在30-60度曲轴转角。

本发明的技术分析：

内燃机工作过程包括吸气过程，压缩过程，着火燃烧做功过程和排气过程，共4个过程。通常一台内燃机做功单元的重要部件为燃烧室，燃烧室由圆柱型缸套内侧、活塞顶部和缸盖底面所围成的空间组成，缸套上方为气缸盖，活塞在缸套内作往复运动。活塞在缸套内由上向下运动，将环境空气吸入为吸气行程；活塞由下向上运动将吸入的空气压缩为压缩行程；压缩行程终点喷入燃料实现着火燃烧，所产生的高温高压气体推动活塞向下运动对外做功，称为着火燃烧做功行程；燃烧后产生的废气由活塞由下向上运动推出气缸，称为排气行程。

燃料实现压缩着火的条件，燃料在气缸内实现压缩着火燃烧必须同时具备几个条件：着火前燃料和空气的混合气浓度合适；压缩终点的温度超过缸内混合气的自燃点。着火前混合气浓度分布受到燃烧室结构，缸内气流运动及燃料在燃烧室内的喷射状态，如喷射方向和喷射时刻等影响。压缩终点的温度取决于发动机的压缩比等参数。

发明内容包括燃烧室结构设计和助燃剂。为保证天然气等高自燃温度燃料的可靠压缩着火，设计采用涡流室式燃烧室结构，燃烧室包括由活塞顶部和缸盖底部形成的主燃烧室以及在缸盖底部且远离气缸中心线处设置的球型涡流室。在副燃烧室内设置助燃剂喷射装置，在压缩终点前喷入助燃剂，利用燃烧室空间分隔的特点，有效阻止在缸内燃烧出现前助燃剂向主燃烧室的扩散，因此可保证在加入极少量助燃剂的情况下，副燃烧室内的助燃剂的混合气浓度仍能满足其自身压缩着火的需要。同时，助燃剂的喷入时刻可适当离压缩终点位置远些，此时由于活塞相对缸套的位置靠下，气缸内的压力较低，有利于助燃剂实现低压喷射，大大降低对助燃剂喷射装置的技术要求和制造成本。通过该套装置可有效提高压缩天然气、氢气或者沼气等高自燃点燃料在内燃机气缸中的可靠压缩着火，实现气体燃料的高效清洁燃烧。

所述提高天然气发动机压缩着火性能的燃烧系统的关键技术是：1）发动机压缩比和涡流室的容积比的选择；2）压缩天然气与助燃剂喷射装置在涡流室内的布置；3）涡流室镶块通道的设计，包括通道的角度、尺寸、数量；4）助燃剂的喷射时刻、数量和种类。

上述措施是一个整体，对天然气压缩着火和燃烧过程具有相互制约。存在最优方案，即存在最佳的参数选择。设计发动机压缩比是为保证压缩终点的温度满足助燃添加剂的自燃着火。设计主副燃烧室容积比是为保证副室内混合气着火后进入主实施的点火能量满足主室天然气点火能量要求。设计副燃烧室参数是为了确保助燃剂喷射后最大限度地保留在副室，并与副室内空气混合，尽快形成当量比可燃混合气并实现点火。设计主燃烧室参数是为了与副燃烧室的镶块通道相匹配，使得副燃烧室内燃烧的火焰以最小的能量损失进入主燃烧室，实现主燃烧室内天然气与空气混合气的可靠点火和快速燃烧。选择助燃剂的种类，是根据发动机的压缩比、容积比和主副燃烧室的参数来确定的，以保证其首先可靠点火。设计助燃剂喷射参数可实现使用量最少的条件下，保证助燃剂可靠点火和产生足够高的能量，引燃主燃烧室内的天然气空气混合气。如助燃剂化学性质活泼，则助燃剂的喷射时刻可以更晚些，在保证助燃剂可靠着火前提下，发动机的压缩比可以更小，以降低压缩功并有助于燃料空气混合。镶块通道尺寸越大，节流小，副燃烧室压缩终点的温度越高，有利燃料着火，但通道尺寸大容易增加副室内燃料在着火前向主室内扩散，造成其缸内浓度分层作用减弱，可能造成混合气过稀又不利于着火。

本发明的优点是：采用助燃剂可大大提高天然气发动机压缩着火性能，副燃烧室设计易于实现，可在市场上现有的大量涡流室式柴油机基础上改装而成，改装成本低，市场应用规模广；该燃烧系统不仅适用于天然气，还可适用于其他高自燃点的发动机替代燃料，如沼气、氢气等，实现气体燃料压缩着火燃烧，提高发动机启动性、经济性和排放特性。

附图说明

图1为发动机缸盖、副燃烧室及涡流室镶块结构示意图。

图中：1.发动机缸盖    2.助燃剂喷射阀     3.助燃剂喷射阀安装孔 

4.副燃烧室      5.主燃烧室      6.涡流室镶块     7.圆柱型孔 

8.半球形涡流室底     9.启动孔      10.涡流室通道。

具体实施方式

实施例：

一种采用助燃剂提高天然气发动机压缩着火性能的方法，发动机采用高压缩比的主副燃烧室结构，副燃烧室设置助燃剂喷射阀，在压缩行程上止点前喷射助燃添加剂，使副燃烧室内燃料首先着火燃烧，实现对主燃烧室内燃料混合气的引燃作用，具体措施如下：

1）利用S195柴油机的涡流室式燃烧室，改造涡流副燃烧室

设计天然气进气口，以便安装助燃剂喷射阀，天然气燃料喷射阀，发动机缸盖、副燃烧室及镶块结构如图1所示，发动机缸盖1上设有用于安装助燃剂喷射阀2的安装孔3并与副燃烧室4相通，同时在主燃烧室5和副燃烧室之4间采用设有贯穿通道的涡流室镶块6，助燃剂喷射阀安装孔3的位置与原电热塞的位置相同，安装孔3的中心线与副燃烧室4的垂直中心线的夹角为60度，助燃剂喷射阀安装孔3上部为直径12mm、长18mm圆柱型螺纹孔，下部为直径7.5mm圆柱型孔，下部的圆柱型孔与副燃烧室相贯通，助燃剂喷射阀与助燃剂喷射阀安装孔通过螺纹密封连接；涡流室镶块6外型为阶梯状圆柱体结构，由三个不同直径的圆柱体构成，自上而下三个圆柱体分别为高6.5mm、直径36mm，高8mm、直径32mm和高8mm、直径40mm，涡流室镶块6内部中心设有顶部的圆柱型孔7和与之相通的半球型涡流室底8，顶部的圆柱型孔7直径为30mm、高4mm，半球型涡流室底8的直径为26mm，涡流室镶块6底边设有两个圆孔通道，，其中一个圆孔通道为启动孔9，其中心线下端距镶块垂直中心线下端15mm、与镶块垂直中心线的夹角为30度、直径为3mm，另一个圆孔通道为涡流室通道10，其中心线下端距镶块垂直中心线下端7mm、与镶块垂直中心线的夹角为40度、直径为8mm，涡流室镶块6与发动机缸盖1通过过盈配合固定。

镶块上通道尺寸和方向影响着火前副室内混合气气流运动状态以及着火后火焰出流的状态，对主燃烧室快速燃烧具有重要影响。天然气和助燃添加剂的喷射阀安装孔必须与涡流室镶块的通道尺寸和方向相匹配。由前述的通道倾角可见，着火前副燃烧室内气流运动为逆时针方向，根据内燃机燃烧理论和相关试验研究，在逆时针方向上应该先安排助燃添加剂喷射阀再安排天然气喷射阀是保证燃烧质量的最佳设计方案。

2）选择发动机压缩比和助燃添加剂

根据压燃式发动机工作原理，发动机压缩比是影响燃料压缩着火性能的重要参数，压缩比数值大，压缩终点温度高，燃料容易实现着火燃烧，但过大的压缩比会消耗更多的机械功，并影响缸内燃料与空气在着火前的运动和混合质量，为此，根据不同的燃料物理和化学性质应选择适当的压缩比。该实施例中，压燃式天然气发动机的压缩比选定为20。

助燃添加剂的选择应与发动机压缩比相适应，保证压缩终点的温度能够高于助燃添加剂的自燃温度，压缩终点的缸内热量高于助燃添加剂的活化能，保证助燃添加剂的可靠着火燃烧。该实施例中，所述助燃剂为环己烷或二叔丁基过氧化物，助燃添加剂的喷射压力5.5MPa，供气数量以喷射阀开启持续时间计在30-60度曲轴转角。

3）确定天然气的喷射参数

天然气喷射参数包括喷射时刻、喷射数量，喷射压力等。喷射压力的确定必须保证天然气喷射时刻缸内压力低于天然气压力，以利于天然气冲入。喷射数量与发动机负荷相对应，以保证转速稳定。喷射时刻是影响缸内混合气分部的重要参数。喷射时刻越早，缸内混合气浓度分部越均匀，不利于混合气浓度分层布置，在发动机压缩着火起动阶段，燃料数量少，混合气均匀分布会使混合气浓度过稀，超出着火极限，出现失火，故应尽量延后天然气开始喷射的时刻，使得主副燃烧室混合气浓度不同（浓度分层），确保副燃烧室浓度在理论当量比范围内，便于压缩着火。

该实施例中，天然气喷射阀为贵州红华公司生产的SP系列气体喷射阀，喷射的天然气在压缩上止点前150度曲轴转角范围内喷射，喷射压力为6.5Mpa，供气数量以喷射阀开启持续时间计为60-180度曲轴转角范围内，选择天然气在压缩上止点前150度喷射，喷射压力6.5Mpa，为最佳方案。

通过发动机台架实测，上述实施方案能够保证天然气发动机正常着火启动。

Claims (1)

1.一种采用助燃剂提高天然气发动机压缩着火性能的方法，发动机采用高压缩比的主副燃烧室结构，副燃烧室设置助燃剂喷射阀，在压缩行程上止点前喷射助燃剂，使副燃烧室内燃料首先着火燃烧，实现对主燃烧室内燃料混合气的引燃作用，其特征在于：所述发动机的主副燃烧室，利用S195柴油机的涡流室式燃烧室，改造涡流副燃烧室，发动机缸盖上设有用于安装助燃剂喷射阀的安装孔并与副燃烧室相通，同时在主燃烧室和副燃烧室之间采用设有贯穿通道的涡流室镶块，助燃剂喷射阀安装孔的位置与原电热塞的位置相同，安装孔的中心线与副燃烧室的垂直中心线的夹角为60度，助燃剂喷射阀安装孔上部为直径12mm、长18mm圆柱型螺纹孔，下部为直径7.5mm圆柱型孔，下部的圆柱型孔与副燃烧室相贯通，助燃剂喷射阀与助燃剂喷射阀安装孔通过螺纹密封连接；涡流室镶块外型为阶梯状圆柱体结构，由三个不同直径的圆柱体构成，自上而下三个圆柱体分别为高6.5mm、直径36mm，高8mm、直径32mm和高8mm、直径40mm，涡流室镶块内部中心设有顶部的圆柱型孔和与之相通的半球型涡流室底，顶部的圆柱型孔直径为30mm、高4mm，半球型涡流室底的直径为26mm，涡流室镶块底边设有两个圆孔通道，其中一个圆孔通道为启动孔，其中心线下端距镶块垂直中心线下端15mm、与镶块垂直中心线的夹角为30度、直径为3mm，另一个圆孔通道为涡流室通道，其中心线下端距镶块垂直中心线下端7mm、与镶块垂直中心线的夹角为40度、直径为8-12mm，涡流室镶块与发动机缸盖通过过盈配合固定。

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