CN104595021B - 基于环形电极的稀燃天然气发动机燃烧系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于环形电极的稀燃天然气发动机燃烧系统及控制方法；发动机运转过程中工况发生变化；电子控制单元ECU根据转速传感器的反馈值调整节气门的开度，使转速稳定；电子控制单元ECU根据预先标定好的MAP图控制天然气喷射模块的天然气喷射量，并根据排气氧传感器的反馈值进行调整；电子控制单元ECU根据预先标定好的MAP图通过交流电源控制模块控制交流电源的电压和频率大小；电子控制单元ECU根据进气温度、压力传感器，转速传感器以及排气氧传感器反馈出的过量空气系数，通过交流电源控制模块对电场电源的电压和频率大小进行精确控制。本发明拓展天然气发动机的稀燃极限，提高了火焰传播速率，提高了发动机的效率并降低了排放。

Description

基于环形电极的稀燃天然气发动机燃烧系统及控制方法

技术领域

本发明涉及发动机领域，尤其涉及一种基于环形电极的稀燃天然气发动机燃烧系统及控制方法。

背景技术

全球气候变暖，能源短缺，使天然气作为一种储量丰富、高效清洁的燃料受到越来越广泛的关注。而随着排放法规的日益严格，天然气发动机高效清洁燃烧技术的开发成为了当今世界天然气应用技术的焦点之一。

目前，稀燃被认为是降低天然气发动机排放的有效措施，然而，由于天然气燃烧火焰传播速度远低于柴油机，特别是过量空气系数大于1.8时，天然气的层流火焰传播速度极为缓慢，极易导致燃烧不稳定。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述问题，提供一种基于环形电极的稀燃天然气发动机燃烧系统及控制方法，采用外加电极电场的方式，利用电场产生的热效应、电化学效应和离子风效应，拓展了天然气发动机的稀燃极限，提高了火焰传播速率，提高了发动机的效率并降低排放，提高了稀燃天然气发动机的燃烧稳定性。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

基于环形电极的稀燃天然气发动机燃烧系统，包括天然气供给喷射系统；

所述天然气供给喷射系统为发动机提供不同过量空气系数、混合均匀的天然气和空气混合气；智能点火装置按照电子控制单元ECU指令点燃气缸内的混合气；

空气经过气体循环系统进入天然气供给喷射系统中的天然气和空气混合器中与天然气混合；

气缸套上设有环形电极，所述环形电极与燃烧室壁面形成电场；电场电源在电子控制单元ECU的控制下为环形电极施加合适的电压，环形电极与燃烧室壁面形成交流电场，提高火焰的传播速率。

所述天然气供给喷射系统包括天然气罐，所述天然气罐通过天然气管道连接缓冲罐，所述缓冲罐的输出管道上依次设有天然气减压稳压器、天然气喷射模块；所述天然气喷射模块通过天然气管道与所述天然气和空气混合器连接；

所述天然气喷射模块在电子控制单元ECU的控制下喷射天然气；

所述天然气和空气混合器通过进气管连接气缸的进气道，所述气缸的进气管上设有节气门；

所述节气门在电子控制单元ECU的控制下控制进入气缸的混合气量。

所述智能点火装置包括智能点火模块，所述智能点火模块的输入端连接电子控制单元ECU的输出端，所述智能点火模块的输出端连接火花塞；智能点火模块在电子控制单元ECU的控制下为火花塞提供点火信号，以点燃混合气体。

所述气体循环系统包括增压器，所述增压器压气机的输出端通过进气管连接中冷器；

所述中冷器的输出端通过进气管连接天然气和空气混合器；

气缸的排气道通过排气管连接增压器中涡轮机的进气口；

所述增压器中涡轮机的出气口设有排气氧传感器，所述排气氧传感器连接电子控制单元ECU的输入端。

所述节气门之后、气缸进气道之前的进气管内设有进气温度、压力传感器，所述进气温度、压力传感器连接电子控制单元ECU的输入端。

所述气缸内设有转速传感器，所述转速传感器连接电子控制单元ECU的输入端。

所述电场电源为交流电源，交流电源控制模块在电子控制单元ECU的控制下控制交流电源输出电压、频率能变的交流电。

所述环形电极为平板型，安装于高于活塞上止点处的气缸套上，外环直径小于气缸套内径，避免与气缸套内壁接触，内环直径根据发动机结构参数确定，环形电极底部在发动机整个运行过程中与活塞始终无接触。环形电极要保证环形面积不过于大，以免影响发动机气流运动，环形电极的厚度应在保证可靠性和使用需要的前提下尽量薄。

所述环形电极设有两处突出的固定位置，两处突出的固定位置经绝缘套包裹后穿过气缸套固定于发动机机体；所述环形电极的两处固定位置同时也是电压的施加位置，通过导线与电场电源相连。

基于环形电极的稀燃天然气发动机燃烧系统的控制方法，包括以下步骤：

步骤S301，利用试验方法标定不同工况下合适的电压大小及频率，制定详细的MAP图；

步骤S302，发动机运转过程中工况发生变化；

步骤S303，电子控制单元ECU根据转速传感器的反馈值调整节气门的开度，使转速稳定；

步骤S304，电子控制单元ECU根据预先标定好的MAP图控制天然气喷射模块的天然气喷射量，并根据排气氧传感器的反馈值进行调整；

步骤S305，电子控制单元ECU根据进气温度、压力传感器、转速传感器以及排气氧传感器反馈出过量空气系数；根据预先标定好的MAP图通过交流电源控制模块精确控制电场电源的电压和频率大小。

适当的外加电场可以提高火焰的传播速率，而外加电场过弱会降低本措施的有效性，外加电场过强会使燃烧不稳定，甚至导致火焰熄灭，并且电场电压和频率的适用范围随运行工况的改变而改变，因此所施加的交流电压和频率应在一定范围内灵活调节，发动机的工况变化时，根据预先标定好的MAP图，电子控制单元ECU通过控制交流电源控制模块控制电场电源的电压和频率大小，基本规律是随着过量空气系数的增大，所加电压值增大，电压频率增大，低速低负荷工况要比高速高负荷工况应用更高的电压及更高的频率。

本发明的有益效果：

通过环形电极与燃烧室壁面形成电场，采用外加电极电场的方式，利用电场产生的热效应、电化学效应和离子风效应，拓展天然气发动机的稀燃极限，提高了火焰传播速率，提高了发动机的效率并降低了排放,提高了稀燃天然气发动机的燃烧稳定性。

附图说明

图1示出了根据本发明的一个实施方式的示意图；

图2示出了根据本发明的一个实施方式的外加电场布置结构图；

图3示出了根据本发明的一个实施方式的控制方法逻辑流程图；

其中101.天然气罐，102.缓冲罐，103.天然气减压稳压器，104.天然气喷射模块，105.天然气和空气混合器，106.节气门，107.进气温度、压力传感器，108.智能点火模块，109.火花塞，110.环形电极，111.转速传感器，112.排气氧传感器，113.增压器，114.交流电源控制模块，115.交流电源，116.中冷器，117.电子控制单元ECU，201.发动机机体，202.气缸套，203.绝缘套。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，基于环形电极的稀燃天然气发动机燃烧系统，包括天然气供给喷射系统；

天然气供给喷射系统为发动机提供不同过量空气系数、混合均匀的天然气和空气混合气；智能点火装置按照电子控制单元ECU117指令点燃气缸内的混合气；空气经过气体循环系统进入天然气供给喷射系统中的天然气和空气混合器105中与天然气混合；气缸套202上设有环形电极110，环形电极110与燃烧室壁面形成电场；电场电源在电子控制单元ECU117的控制下为环形电极110施加合适的电压，环形电极110与燃烧室壁面形成交流电场，提高火焰的传播速率。

天然气供给喷射系统包括天然气罐101，天然气罐101通过输气管道连接缓冲罐102，缓冲罐102的输出管道上依次设有天然气减压稳压器103、天然气喷射模块104；天然气喷射模块104通过天然气管道与天然气和空气混合器105连接；

天然气喷射模块104在电子控制单元ECU117的控制下喷射天然气；

天然气和空气混合器105通过进气管连接气缸的进气道，气缸的进气管上设有节气门106；节气门106在电子控制单元ECU117的控制下控制进入气缸的混合气量。

智能点火装置包括智能点火模块108，智能点火模块108的输入端连接电子控制单元ECU117的输出端，智能点火模块108的输出端连接火花塞109；智能点火模块108在电子控制单元ECU117的控制下为火花塞109提供点火信号，以点燃混合气体。

气体循环系统包括增压器113，增压器113压气机C的输出端通过进气管连接中冷器116；

中冷器116的输出端通过进气管连接天然气和空气混合器105；

气缸的出气口通过进气管连接增压器113中涡轮机T的进气口；

增压器113中涡轮机T的出气口设有排气氧传感器112，排气氧传感器112连接电子控制单元ECU117的输入端。

节气门106之后、气缸进气道之前的进气管内设有进气温度、压力传感器107，进气温度、压力传感器107连接电子控制单元ECU117的输入端。

气缸内设有转速传感器111，转速传感器111连接电子控制单元ECU117的输入端。

电场电源为交流电源115，交流电源控制模块114在电子控制单元ECU117的控制下控制交流电源115输出电压、频率能变的交流电。

环形电极110为平板型，安装于高于活塞上止点处的气缸套202上，外环直径小于气缸套202内径，避免与气缸套202内壁接触，环形电极110底部在发动机整个运行过程中与活塞始终无接触。环形电极110要保证环形面积不过于大，以免影响发动机气流运动，环形电极的厚度应在保证可靠性和使用需要的前提下尽量薄。

天然气罐101的作用是储存天然气燃料；缓冲罐102的作用是对天然气的压力波动进行缓冲；天然气减压稳压器103的作用是将高压天然气减压到6-10bar范围内某一合适的值，并且使天然气压力保持稳定；天然气喷射模块104的作用是通过控制喷射脉宽提供一定量的天然气；天然气和空气混合器105的作用是将天然气和空气尽量均匀的混合，形成一定过量空气系数的混合气，节气门106的作用是根据工况对进入发动机气缸的混合气量进行控制；进气温度、压力传感器107的作用是测量进气的压力、温度；智能点火模块108的作用是为火花塞109提供点火信号；火花塞109的作用是在合适的时刻点燃气缸内的天然气和空气混合气；环形电极110的作用是与燃烧室壁面等形成交流电场，转速传感器111的作用是测量发动机转速；排气氧传感器112的作用是反馈排气中的氧浓度信号；增压器113的作用是对进入发动机的空气进行增压，增加进气量；交流电源控制模块114的作用是对交流电源115的电压和频率进行控制；交流电源115的作用提供交流电压；中冷器116的作用是对增压后的空气进行冷却，降低进气温度；电子控制单元ECU117的作用是接收进气温度、压力传感器107、转速传感器111、及排气氧传感器112的信号，并根据反馈信号和预先标定好的MAP图对天然气喷射模块104、电子节气门106、智能点火模块108及交流电源控制模块114进行电子控制。

如图1所示，根据本发明的实施方式，发动机工作时，天然气的供给过程为高压天然气罐101中储存的天然气经缓冲罐102进入天然气减压稳压模块103，然后经天然气喷射模块104进入天然气和空气混合器105；新鲜空气通过进气管进入增压器113经增压器压气机C(compressor)增压后，经中冷器116冷却后，在天然气和空气混合器105中与天然气混合形成天然气空气混合气，混合气通过进气道进入气缸后，电子控制单元ECU117控制智能点火模块108控制火花塞109点燃混合气，于此同时，电子控制单元ECU117根据运行工况，通过交流电源控制模块114对交流电源115的电压和频率进行调节，并通过电路施加于环形电极110，与气缸盖底面、气缸套202内壁等燃烧室壁面等接地部位形成交流电场；混合气在外加电场的发动机气缸内完成燃烧过程后，产生的废气排出气缸，经过增压器113的T(turbine)涡轮部分做功后排出发动机。

如图2所示，基于环形电极的外加电场布置结构包括交流电源115，交流电源控制模块114，环形电极110，绝缘套203，气缸套202，发动机机体201。环形电极110设有两处突出的固定位置，两处固定位置经绝缘套203包裹后穿过气缸套202固定于发动机机体201；环形电极110的两处固定位置同时也是电压的施加位置，通过电路与电场电源相连。

交流电源控制模块114接受到ECU的控制信号后对交流电源115进行电压和频率大小的调节，并通过电路将电压施加于环形电极110，环形电极两侧的固定位置处包裹有两个绝缘套203，绝缘套同时起到固定和绝缘的作用。

如图3所示，基于环形电极的稀燃天然气发动机燃烧系统的控制方法，包括以下步骤：

步骤S301，利用试验方法标定不同工况下合适的电压大小及频率，制定详细的MAP图；

步骤S302，发动机运转过程中工况发生变化；

步骤S303，电子控制单元ECU117根据转速传感器111的反馈值调整节气门106的开度，使转速稳定；

步骤S304，电子控制单元ECU117根据预先标定好的MAP图控制天然气喷射模块104的天然气喷射量，并根据排气氧传感器112的反馈值进行调整；

步骤S305，电子控制单元ECU117根据进气温度、压力传感器、转速传感器以及排气氧传感器反馈出过量空气系数；根据预先标定好的MAP图通过交流电源控制模块精确控制电场电源的电压和频率大小。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.基于环形电极的稀燃天然气发动机燃烧系统，包括天然气供给喷射系统；所述天然气供给喷射系统为发动机提供不同过量空气系数、混合均匀的天然气和空气混合气；智能点火装置按照电子控制单元ECU指令点燃气缸内的混合气；空气经过气体循环系统进入天然气供给喷射系统中的天然气和空气混合器中与天然气混合，其特征是，

气缸套上设有环形电极，所述环形电极与燃烧室壁面形成电场；电场电源在电子控制单元ECU的控制下为环形电极施加合适的电压，环形电极与燃烧室壁面形成交流的电场，提高火焰的传播速率。

2.如权利要求1所述的基于环形电极的稀燃天然气发动机燃烧系统，其特征是，所述天然气供给喷射系统包括天然气罐，所述天然气罐通过天然气管道连接缓冲罐，所述缓冲罐的输出管道上依次设有天然气减压稳压器、天然气喷射模块；所述天然气喷射模块通过天然气管道与所述天然气和空气混合器连接；

所述天然气喷射模块在电子控制单元ECU的控制下喷射天然气；

所述天然气和空气混合器通过进气管连接气缸的进气道，所述气缸的进气管上设有节气门；

所述节气门在电子控制单元ECU的控制下控制进入气缸的混合气量。

3.如权利要求1所述的基于环形电极的稀燃天然气发动机燃烧系统，其特征是，所述智能点火装置包括智能点火模块，所述智能点火模块的输入端连接电子控制单元ECU的输出端，所述智能点火模块的输出端连接火花塞；智能点火模块在电子控制单元ECU的控制下为火花塞提供点火信号，以点燃混合气体。

4.如权利要求1所述的基于环形电极的稀燃天然气发动机燃烧系统，其特征是，所述气体循环系统包括增压器，所述增压器压气机的输出端通过进气管连接中冷器；

所述中冷器的输出端通过进气管连接天然气和空气混合器；

气缸的排气道通过排气管连接增压器中涡轮机的进气口；

所述增压器中涡轮机的出气口设有排气氧传感器，所述排气氧传感器连接电子控制单元ECU的输入端。

5.如权利要求2所述的基于环形电极的稀燃天然气发动机燃烧系统，其特征是，所述节气门之后、气缸进气道之前的进气管内设有进气温度、压力传感器，所述进气温度、压力传感器连接电子控制单元ECU的输入端。

6.如权利要求1所述的基于环形电极的稀燃天然气发动机燃烧系统，其特征是，所述气缸内设有转速传感器，所述转速传感器连接电子控制单元ECU的输入端。

7.如权利要求1所述的基于环形电极的稀燃天然气发动机燃烧系统，其特征是，所述电场电源为交流电源，交流电源控制模块在电子控制单元ECU的控制下控制交流电源输出电压、频率能变的交流电。

8.如权利要求1所述的基于环形电极的稀燃天然气发动机燃烧系统，其特征是，所述环形电极为平板型，安装于高于活塞上止点处的气缸套上，外环直径小于气缸套内径，避免与气缸套内壁接触，内环直径根据发动机结构参数确定，环形电极底部在发动机整个运行过程中与活塞始终无接触。

9.如权利要求8所述的基于环形电极的稀燃天然气发动机燃烧系统，其特征是，所述环形电极设有两处突出的固定位置，两处突出的固定位置各自经绝缘套包裹后穿过气缸套固定于发动机机体；所述环形电极的两处固定位置同时也是电压的施加位置，通过导线与电场电源相连。

10.如权利要求1-9任一项所述的基于环形电极的稀燃天然气发动机燃烧系统的控制方法，其特征是，包括以下步骤：

步骤S301，利用试验方法标定不同工况下合适的电压大小及频率，制定详细的MAP图；

步骤S302，发动机运转过程中工况发生变化；

步骤S303，电子控制单元ECU根据转速传感器的反馈值调整节气门的开度，使转速稳定；

步骤S304，电子控制单元ECU根据预先标定好的MAP图控制天然气喷射模块的天然气喷射量，并根据排气氧传感器的反馈值进行调整；

步骤S305，电子控制单元ECU根据进气温度、压力传感器、转速传感器以及排气氧传感器反馈出过量空气系数；根据预先标定好的MAP图通过交流电源控制模块精确控制电场电源的电压和频率大小。