CN106014694B - 空气辅助燃气喷射器、大缸径气体机预燃室燃烧系统及方法 - Google Patents

空气辅助燃气喷射器、大缸径气体机预燃室燃烧系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种空气辅助燃气喷射器、大缸径气体机预燃室燃烧系统及方法，包括：喷射器本体，压缩空气管道，高燃烧速率燃气管道以及喷射器单向阀；压缩空气管道和高燃烧速率燃气管道在喷射器本体上连通，所述喷射器单向阀设置在喷射器本体末端。本发明有益效果：空气辅助燃气喷射器可以利用新鲜空气扫气降低预燃室内残余废气系数，同时可以为预燃室提供燃气混合气，在预燃室内形成接近化学当量比的燃气混合气，提高预燃室的点火可靠性，并促进主燃室内的火焰传播，提高大缸径气体机的稳定性与动力性。

Description

空气辅助燃气喷射器、大缸径气体机预燃室燃烧系统及方法
技术领域
本发明涉及大缸径气体机预燃室扫气技术领域，尤其涉及一种空气辅助燃气喷射器、大缸径气体机预燃室燃烧系统及方法。
背景技术
目前国内大缸径气体机多由相应的柴油机升级设计而来，燃烧室结构也多采用浅盆形燃烧室，压缩比低、转速低，缸内难以组织有效的湍流运动。而天然气热值低，燃烧室内火焰传播距离长，燃烧速度慢，特别是在小负荷和稀薄燃烧条件下，很难实现混合气的快速燃烧。
由于天然气—空气混合气火焰传播速度慢，高压缩比时易发生爆震，减小压缩比可以降低爆震的倾向，但同时也使得气体机动力性能和经济性能下降。为了抑制天然气发动机的爆震，提高其经济性，多年来内燃机研究者一直围绕着组织稳定的稀薄燃烧开展工作。稀燃能够提高热效率，降低NOx排放，但稀燃对点火能量提出了更高的要求。随着稀燃程度的加深，排温高、热负荷大的问题迎刃而解，但点火所需能量也急速增长。
为了提高大缸径气体机的燃烧稳定性，降低燃烧循环变动，拓宽稀燃极限，需要提高燃烧速度，缩短火焰发展期和燃烧持续期。为此国内外专家基于预燃室气体机进行了大量研究，利用预燃室燃烧时喷出的湍流射流在主燃室形成分布式点火，可增强点火能量，拓宽稀燃极限，提高气体机热效率并改善部分负荷时的燃油经济性。射流的能量对射流的贯穿距影响很大，而射流的能量取决于预燃室喷孔直径和预燃室与主燃室之间的压力差。
目前，预燃室几乎都没有采用单独的扫气技术，利用主燃室压入气体扫气不完善，预燃室内残余废气较多。点火后，受火焰传播速度的限制，燃烧速度慢，预燃室内压力升高率较小，且预燃室容积较小，难以在预燃室和主燃室之间建立较大的压力差。
发明内容
本发明为了解决气体机工作过程中预燃室残余废气系数大，可燃混合气浓度稀，不易点火的问题，提出了一种空气辅助燃气喷射器、大缸径气体机预燃室燃烧系统及方法，采用空气辅助喷射器喷射新鲜空气对预燃室进行扫气，降低预燃室内的残余废气系数，以便充分利用预燃室的有限空间。并利用空气辅助喷射器喷入高燃烧速率的燃气混合气，获得主副室的较大压力差，以保证主燃室的燃烧稳定。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种空气辅助燃气喷射器，包括：喷射器本体，压缩空气管道，高燃烧速率燃气管道以及喷射器单向阀；
所述压缩空气管道和高燃烧速率燃气管道分别与喷射器本体的进气装置连接，所述喷射器单向阀设置在喷射器本体末端；
压缩空气与高燃烧速率燃气在喷射器本体的进气装置内部形成螺旋导流促进燃气混合。
进一步地，所述压缩空气管道上设有控制压缩空气喷入的压缩空气控制阀或者第一喷油器。
进一步地，所述高燃烧速率燃气管道上设有控制高燃烧速率燃气喷入的高燃烧速率燃气控制阀或者第二喷油器。
进一步地，所述喷射器本体的进气装置包括：进气总管，在所述进气总管的外围设有燃气环流通道，所述进气总管内部设置螺旋导流片，所述进气总管的壁上设有连通进气总管和燃气环流通道的燃气孔；压缩空气经螺旋导流片在进气总管内形成旋流，高燃烧速率燃气经燃气孔进入进气总管，高燃烧速率燃气与压缩空气在进气总管内旋流混合。
进一步地，所述高燃烧速率燃气为氢气或乙炔。
一种带有空气辅助燃气喷射器的大缸径气体机预燃室，包括：空气辅助燃气喷射器和预燃室；所述空气辅助燃气喷射器和预燃室通过喷射器单向阀连通；在所述预燃室的顶部设置火花塞；
在发动机排气与进气阶段，控制高燃烧速率燃气管道关闭，压缩空气管道开启，使得空气辅助燃气喷射器内部充满压缩空气，此时预燃室压力低，喷射器单向阀打开，压缩空气进入预燃室扫气。
进一步地，在发动机进气阶段末期及压缩阶段初期，控制高燃烧速率燃气管道开启，压缩空气管道开启；根据设定的比例关系在喷射器本体内形成设定比例的高燃烧速率燃气混合气；所述高燃烧速率燃气混合气在压力差的作用下进入预燃室，使得预燃室内形成设定比例的混合气。
一种采用大缸径气体机预燃室的燃烧系统，包括：大缸径气体机预燃室、进气道、排气道和发动机气缸主燃室；
所述进气道和排气道分别与主燃室连通，所述大缸径气体机预燃室通过若干通道与主燃室连通；
发动机气缸主燃室内通过进气道注入天然气混合气，所述天然气混合气压入预燃室内部并形成强湍流，天然气混合气与在喷射器本体内形成的设定比例的高燃烧速率燃气混合气混合，形成化学当量比下的燃气混合气。
一种燃烧系统的工作方法，包括：
预先设定空气辅助燃气喷射器内的高燃烧速率燃气与压缩空气供给压力；
在发动机排气与进气阶段，控制压缩空气进入辅助喷射器本体；所述压缩空气经喷射器单向阀进入预燃室对预燃室进行扫气；
在发动机进气阶段末期及压缩阶段初期，控制高燃烧速率燃气与压缩空气按照设定供给压力进入空气辅助燃气喷射器混合，形成设定空燃比的混合气；
发动机进气过程中，稀薄天然气混合气由进气道预混进入主燃室，气缸压缩过程中，主燃室的压力上升，将稀薄天然气混合气压入预燃室内；
所述设定空燃比的混合气与稀薄天然气混合气在预燃室内形成化学当量比下的可燃混合气；
压缩上止点前，火花塞点火，预燃室内可燃混合气燃烧；预燃室内的压力上升，主燃室与预燃室间形成较大压差，预燃室内的火焰喷射入主燃室内，促进主燃室的燃烧过程。
进一步地，所述高速率燃烧燃气为氢气或乙炔。
本发明的有益效果是：
1)通过空气辅助喷射器的扫气作用，可以降低预燃室的残余废气系数，同时采用空气进行扫气过程，能够避免燃料的浪费。
2)空气辅助喷射器可以为预燃室提供燃料混合气，在预燃室内形成接近化学当量比的燃气混合气，提高预燃室的点火可靠性；
3)通过喷入氢气混合气，优化预燃室内混合气的浓度场，提高预燃室内火焰燃烧速率，提高其压力升高率，进而提高预燃室射流能量，更好地促进主燃室内的燃烧。
附图说明
图1为本发明燃烧系统的装配剖视图；
图2为本发明空气辅助喷射器结构示意图；
图3是空气辅助喷射器A-A’截面图；
图4是空气辅助喷射器正视切面图；
其中，1.进气道，2.排气道，3.主燃室，4.预燃室，5.火花塞，6.空气辅助喷射器本体，7.压缩空气控制阀，8.高燃烧速率燃气控制阀，9.高燃烧速率燃气管道，10.喷射器单向阀，11.压缩空气管道，12.燃气环流通道，13.进气总管，14.螺旋导流片，15.燃气孔。
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。
一种空气辅助燃气喷射器，如图2所示，包括：喷射器本体6，压缩空气管道11，高燃烧速率燃气管道9以及喷射器单向阀10；
压缩空气管道11和高燃烧速率燃气管道9在喷射器本体6上连通，所述喷射器单向阀10设置在喷射器本体6末端。
压缩空气管道11上设有控制压缩空气喷入的压缩空气控制阀7或者第一喷油器。高燃烧速率燃气管道9上设有控制高燃烧速率燃气喷入的高燃烧速率燃气控制阀8或者第二喷油器。
采用压缩空气、高燃烧速率燃气电磁控制阀能够在不同的曲轴转角下控制其管道的开闭，从而控制扫气相位以及混合气形成的时刻。
作为另外一种实施方式，压缩空气控制阀7、高燃烧速率燃气电磁控制阀可以分别用喷油器代替。
图3是空气辅助喷射器A-A’截面图，即喷射器本体的进气装置截面示意图；这个位置是氢气与燃气开始混合的位置。
如图3所示，喷射器本体的进气装置包括：进气总管13，在进气总管13的外围设有燃气环流通道12，进气总管13内部设置螺旋导流片14，进气总管13的壁上设有连通进气总管和燃气环流通道的燃气孔15；
高燃烧速率燃气由高燃烧速率燃气管道9进入，进入燃气环流通道12，在燃气环流通道12内，再经燃气孔15进入进气总管13，此处的进气总管13内设有螺旋导流片14，压缩空气经螺旋导流片14会形成旋流，高燃烧速率燃气进入进气总管13后与压缩空气一起旋流进入喷射器本体6，有效的促进了压缩空气与高燃烧速率燃气的混合。
采用燃气环流通道12目的是使得单侧进入的高燃烧速率燃气可以通过此来增加圆周上的均匀性。
燃气孔15是连接燃气环流通道12与螺旋导流片14导流区域的孔。
螺旋导流片14使压缩空气经过时形成旋流，并使得通过燃气孔15进入的高燃烧速率燃气随压缩空气运动，促进混合气的形成。
作为另外一种实施方式，本发明空气辅助燃气喷射器还可以采用导流管道实现螺旋导流促进燃气混合的方式。
同时，螺旋导流促进燃气混合的方式并不局限于导流片或者导流管道的形式，其他能够实现增强湍流促进混合气形成的方式都是本发明的保护范围。
本实施例中，高燃烧速率燃气选用氢气。燃料的选择主要是提高预燃室4内的压升率。因为氢气燃料在极短的时间内能够迅速燃烧，释放能量。这一点是以往直接采用天然气压入预燃室4内燃烧所达不到的燃烧速率和压升率。
一种带有空气辅助燃气喷射器的大缸径气体机预燃室4，包括：空气辅助燃气喷射器和预燃室4；空气辅助燃气喷射器和预燃室4通过喷射器单向阀10连通；喷射器单向阀10位于喷射器本体6与预燃室4之间，作用是控制新鲜空气与氢气混合气进入预燃室4，防止预燃室4内气体进入辅助喷射器内。在预燃室4的顶部设置火花塞5。
在预燃室4增加空气辅助燃气喷射器，利用空气辅助燃气喷射器能够进行预燃室4扫气；现有的扫气是利用了燃气混合气进行扫气，而辅助喷射器是利用纯空气扫气，均可以降低残余废气量，但是由于扫气的过程需要在进、排气冲程中；这样本发明的扫气方式能够避免燃料的浪费。
一种采用大缸径气体机预燃室4的燃烧系统，如图1所示，包括：大缸径气体机预燃室4、进气道1、排气道2和发动机气缸主燃室3；进气道1和排气道2分别与主燃室3连通，大缸径气体机预燃室4通过若干通道与主燃室3连通；
上述系统是在柴油机的基础上进行设计改造的，预燃室4、火花塞5以及空气辅助喷射器组合后安装在缸盖上的一个孔内，火花塞5安装在预燃室4顶部，空气辅助喷射器与预燃室4相连接。
在预燃室4扫气阶段(此阶段约位于发动机大循环的排气末期和进气初期)，氢气控制阀控制氢气管道关闭，仅控制压缩空气控制阀7开启，使得辅助喷射器内部充满压缩空气，此时预燃室4和主燃室3内压力较低，此时单向阀打开，压缩空气进入预燃室4扫气。达到利用新鲜的压缩空气对预燃室4残余废气进行扫气的目的。
在预燃室4内混合气形成阶段(此阶段约位于进气末期和压缩初期)，压缩空气控制阀7、氢气控制阀8均打开，根据不同的比例关系在喷射器本体6管道内形成恰当比例的混合关系，利用在喷射器本体6内形成的一定压力打开喷射器单向阀10进入预燃室4内部，随着压缩冲程的进行，主燃室3内稀薄天然气混合气压入预燃室4内部并形成强湍流，促进氢气混合气与稀薄天然气混合气的混合，最终形成化学当量比下的燃气混合气。
本发明采用大缸径气体机预燃室4的燃烧系统的工作方法如下：
根据实际情况预先设定空气辅助喷射器6内高速率燃烧燃气与压缩空气的供给压力。
按照发动机的运行过程是排气-进气-压缩-做功。
在排气与进气阶段，辅助喷射器控制压缩空气的电磁阀，压缩空气进入辅助喷射器本体6经预燃室4与喷射器之间的单向阀进入预燃室4对预燃室4进行扫气；利用新鲜的压缩空气对预燃室4残余废气进行扫气，扫气过程是在气体机的进、排气冲程过程中进行的，能够促进预燃室4内的残余废气的排出，降低预燃室4内的残余废气系数。
在进气阶段末期及压缩阶段初期，预燃室4与主燃室3内的压力仍然较低，此时控制喷射器的压缩空气电磁阀、氢气管道电磁阀开启，使得其在喷射器内部形成设定比例的高燃烧速率燃气混合气，混合气经单向阀流入预燃室4内。
在进气冲程，稀薄天然气混合气由进气道1预混进入主燃室3，压缩过程中由于主燃室3的压力上升，稀薄天然气混合气压入预燃室4内，并强湍流促进混合，在预燃室4内形成化学当量比下的可燃混合气。所谓的化学当量比是指：燃气与空气刚好完全燃烧时的质量比。此时的放热量最大，燃烧速率最快。
在压缩上止点前，预燃室4内火花塞5点火，氢气的燃烧速度高，使得预燃室4内的压力迅速上升，预燃室4内的压升率比主燃室3内的压升率高，主燃室3与预燃室4间形成较大压差，使得预燃室4内的火焰能够以较高的速度喷射入主燃室3内，促进主燃室3的燃烧过程，从而达到稳定点火能量及较强的火焰射流的作用。
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 (7)

1.一种空气辅助燃气喷射器，其特征是，包括：喷射器本体，压缩空气管道，高燃烧速率燃气管道以及喷射器单向阀；
所述压缩空气管道和高燃烧速率燃气管道分别与喷射器本体的进气装置连接，所述喷射器单向阀设置在喷射器本体末端；
压缩空气与高燃烧速率燃气在喷射器本体的进气装置内部形成螺旋导流促进燃气混合；所述喷射器本体的进气装置包括：进气总管，在所述进气总管的外围设有燃气环流通道，所述进气总管内部设置螺旋导流片，所述进气总管的壁上设有连通进气总管和燃气环流通道的燃气孔；压缩空气经螺旋导流片在进气总管内形成旋流，高燃烧速率燃气经燃气孔进入进气总管，高燃烧速率燃气与压缩空气在进气总管内旋流混合。
2.如权利要求1所述的一种空气辅助燃气喷射器，其特征是，所述压缩空气管道上设有控制压缩空气喷入的压缩空气控制阀或者第一喷油器。
3.如权利要求1所述的一种空气辅助燃气喷射器，其特征是，所述高燃烧速率燃气管道上设有控制高燃烧速率燃气喷入的高燃烧速率燃气控制阀或者第二喷油器。
4.如权利要求1所述的一种空气辅助燃气喷射器，其特征是，所述高燃烧速率燃气为氢气或乙炔。
5.一种带有权利要求1-4所述的任一种空气辅助燃气喷射器的大缸径气体机预燃室，其特征是，包括：空气辅助燃气喷射器和预燃室；所述空气辅助燃气喷射器和预燃室通过喷射器单向阀连通；在所述预燃室的顶部设置火花塞；
在发动机排气与进气阶段，控制高燃烧速率燃气管道关闭，压缩空气管道开启，使得空气辅助燃气喷射器内部充满压缩空气，此时预燃室压力低，喷射器单向阀打开，压缩空气进入预燃室扫气；
在发动机进气阶段末期及压缩阶段初期，控制高燃烧速率燃气管道开启，压缩空气管道开启；根据设定的比例关系在喷射器本体内形成设定比例的高燃烧速率燃气混合气；所述高燃烧速率燃气混合气在压力差的作用下进入预燃室，使得预燃室内形成设定比例的混合气。
6.一种采用权利要求5所述的大缸径气体机预燃室的燃烧系统，其特征是，包括：大缸径气体机预燃室、进气道、排气道和发动机气缸主燃室；
所述进气道和排气道分别与主燃室连通，所述大缸径气体机预燃室通过若干通道与主燃室连通；
发动机气缸主燃室内通过进气道注入天然气混合气，所述天然气混合气压入预燃室内部并形成强湍流，天然气混合气与在喷射器本体内形成的设定比例的高燃烧速率燃气混合气混合，形成化学当量比下的燃气混合气。
7.一种如权利要求6所述的燃烧系统的工作方法，其特征是，包括：
预先设定空气辅助燃气喷射器内的高燃烧速率燃气与压缩空气供给压力；
在发动机排气与进气阶段，控制压缩空气进入辅助喷射器本体；所述压缩空气经喷射器单向阀进入预燃室对预燃室进行扫气；
在发动机进气阶段末期及压缩阶段初期，控制高燃烧速率燃气与压缩空气按照设定供给压力进入空气辅助燃气喷射器混合，形成设定空燃比的混合气；
发动机进气过程中，稀薄天然气混合气由进气道预混进入主燃室，气缸压缩过程中，主燃室的压力上升，将稀薄天然气混合气压入预燃室内；
所述设定空燃比的混合气与稀薄天然气混合气在预燃室内形成化学当量比下的可燃混合气；
压缩上止点前，火花塞点火，预燃室内可燃混合气燃烧；使得预燃室内的压力迅速上升，主燃室与预燃室间形成较大压差，预燃室内的火焰喷射入主燃室内，促进主燃室的燃烧过程。
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