CN106321289A - 单点喷射的燃气发动机分层燃烧系统 - Google Patents

单点喷射的燃气发动机分层燃烧系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种单点喷射的燃气发动机分层燃烧系统。该燃气发动机分层燃烧系统包括：EGR混合器；燃气混合器；中冷器，其出口端设置有第一节气门，并分别与所述燃气混合器的第一进口和所述EGR混合器的第一进口连通；燃气喷嘴，其与所述燃气混合器的第二进口连通；第一进气总管，其与所述燃气混合器的出口连通，并分别与各缸的第一进气门连通；EGR冷却器，其入口端与涡前高温排气总管连通，该EGR冷却器的出口端设置有EGR阀，再与所述EGR混合器的第二进口连通；以及第二进气总管，其与所述EGR混合器的出口连通，并分别与各缸的第二进气门连通。该燃气发动机分层燃烧系统降低NOX排放、降低发动机热负荷的同时保持较高的火焰传播速度。

Description

单点喷射的燃气发动机分层燃烧系统
技术领域
本发明涉及燃气发动机领域，特别涉及一种单点喷射的燃气发动机分层燃烧系统。
背景技术
发动机的有害排放物是造成大气污染的一个主要来源，随着环境保护问题的重要性日趋增加，降低发动机有害排放和CO2排放这一目标成为当今世界上发动机发展的一个重要方向。所以开展发动机燃油经济性提升、NOX、THC等有害排放物控制方法和技术的研究是所有发动机设计者的首要任务。其中为减少发动机尾气中的NOx(氮氧化物)排放，EGR(废气再循环系统)作为一种技术手段通过延缓燃烧过程，降低缸内燃烧温度的技术，可以有效的减少废气排放中的NOX含量。而燃气发动机作为现在市场上柴油机的主要清洁燃烧替代产品，其可以有效的降低发动机CO2排放和PM排放。目前市场上生产销售的国五排放燃气发动机主要通过稀薄燃烧+氧化型(GOC)后处理技术手段达到排放要求，但要达到更高一级的国六排放，需要在稀薄燃烧+GOC的基础上引入SCR系统，或者采用当量燃烧+EGR+三效催化转化器(TWC)。而稀燃+GOC+SCR路线存在生产成本和用户使用成本高的缺陷，故当量燃烧+EGR+三效催化转化器(TWC)成为了一个当前世界的一个主流燃气发动机技术路线。
但是，传统的当量+EGR发动机存在部分负荷泵气损失大，发动机由于受到燃烧速度降低、点火系统性能的限值等影响，无法实现较高的EGR率。同时由于燃烧速度降低，发动机循环波动大，燃烧稳定性差，发动机失火风险大。
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种结构简单合理的单点喷射的燃气发动机分层燃烧系统，该单点喷射的燃气发动机分层燃烧系统能够实现火花塞周围合适的燃料和空气以及少量EGR气体的混合气，而缸壁周围是EGR气体浓度较高的空气、燃料混合气，进而有效的利用EGR降低NOX排放、降低发动机热负荷的同时保持较高的火焰传播速度，从而实现发动机经济性、排放性能以及耐久性的有机高效结合。
为实现上述目的，本发明提供了一种单点喷射的燃气发动机分层燃烧系统，该单点喷射的燃气发动机分层燃烧系统包括：EGR混合器；燃气混合器；中冷器，其出口端设置有第一节气门，该第一节气门分别与所述燃气混合器的第一进口和所述EGR混合器的第一进口连通；燃气喷嘴，其与所述燃气混合器的第二进口连通；第一进气总管，其与所述燃气混合器的出口连通，并分别与各缸的第一进气门连通；EGR冷却器，其入口端与涡前高温排气总管连通，该EGR冷却器的出口端设置有EGR阀，该EGR阀与所述EGR混合器的第二进口连通；以及第二进气总管，其与所述EGR混合器的出口连通，并分别与各缸的第二进气门连通。
优选地，上述技术方案中，EGR混合器的第一进口设置有第二节气门。
优选地，上述技术方案中，燃气发动机为四气门发动机。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：该单点喷射的燃气发动机分层燃烧系统采用双进气道，一个进气道进入燃料和空气混合气，另一个进入EGR气体或者EGR和新鲜空气，能够实现火花塞周围合适的燃料和空气以及少量EGR气体的混合气，而缸壁周围是EGR气体浓度较高的空气、燃料混合气，进而有效的利用EGR降低NOX排放、降低发动机热负荷的同时保持较高的火焰传播速度，从而实现发动机经济性、排放性能以及耐久性的有机高效结合。
附图说明
图1为本发明的单点喷射的燃气发动机分层燃烧系统的结构示意图。
图2为本发明中一个运行工况降泵气损失原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。
如图1所示，根据本发明具体实施方式的单点喷射的燃气发动机分层燃烧系统只能在四气门发动机上应用，其具体结构包括：涡轮增压器3、中冷器4、第一节气门5、第二节气门6、燃气混合器7、燃气喷嘴8、第一进气总管9、第一进气门1、涡前高温排气总管10、EGR冷却器11、EGR阀12、EGR混合器13、第二进气总管14和第二进气门2。其中，涡轮增压器3、中冷器4、第一节气门5、燃气混合器7、燃气喷嘴8、第一进气总管9、第一进气门1形成一个进入燃料和空气混合气的进气道，第二节气门6、涡前高温排气总管10、EGR冷却器11、EGR阀12、EGR混合器13、第二进气总管14和第二进气门2形成一个进入EGR气体或者EGR和新鲜空气的进气道，从而实现缸内分层燃烧，可以有效的保持传统当量+EGR发动机的经济性好的优势，同时还可以有效的降低燃烧死区的燃料残余量，降低THC、CH4等排放。
具体来讲，第一节气门5设置在中冷器4的出口端，再通过管路分别与燃气混合器7的第一进口和EGR混合器13的第一进口连通，第二节气门6设置在EGR混合器13的第一进口；燃气喷嘴8与燃气混合器7的第二进口连通，燃气混合器7的出口与第一进气总管9连通，第一进气总管9分别与各缸的第一进气门1连通，新鲜空气经涡轮增压器3增压后进入中冷器4冷却，一部分再进入燃气混合器7与由燃气喷嘴8进入的燃料混合，燃料和新鲜空气的混合气从第一进气总管9进入第一进气门1所对应气道，通过第一进气门1进入气缸；通过缸盖气道以及气门座圈、气门锥角等结构设计，把通过第一进气门1的气体流入缸内中心区域。
涡前高温排气总管10与EGR冷却器11的入口端连通，EGR阀12设置在EGR冷却器11的出口端，再与EGR混合器13的第二进口连通，EGR混合器13的出口与第二进气总管14连通，第二进气总管14分别与各缸的第二进气门2连通，废气进入涡前高温排气总管10后，一部分(EGR气体)进入EGR冷却器11冷却，再进入EGR混合器13与新鲜空气混合进入第二进气总管14，EGR气体或EGR气体和新鲜空气的混合气从第二进气总管14进入第二进气门2所对应的进气道，通过第二进气门2进入气缸。而通过第二进气门2进入气缸的气体具有较大涡流和较大的旋转半径，把EGR气体或EGR、新鲜空气的混合气沿着气缸壁进入气缸，填充气缸内活塞环上部、气缸壁周围，从而实现中间区域是燃料浓度、新鲜空气浓度相对较高而EGR气体浓度低的内层混合气，而靠近缸壁周围的边缘区域是EGR气体浓度高、燃料浓度低的外层混合气。这样处于中心位置的火花塞可以有效的点燃混合气，并且具有较高的火焰传播速度；而由于缸壁周围、活塞环上部等燃烧死区聚集的是不可燃烧的EGR气体或新鲜空气，可以充分吸收中心区域释放的热能，同时有效的降低传统燃气发动机由于燃烧室死区带来的无法燃烧的THC、CH4排放，实现发动机燃烧稳定性、经济性和低排放性的有机结合。
该系统还可以根据发动机负载不同采取不同控制燃烧方式，具体工作方式如下：
当发动机处于较小负荷下工作时(节气门后压力低于大气压)，第二节气门6完全关闭，第二进气总管14中只引入EGR气体，而燃气、新鲜空气从第一进气总管9由第一进气门1进入气缸。此时，由于只有第一进气门1引入新鲜空气以及燃料，为了确保与传统发动机相同进气量，则需要加大第一节气门5开度，增加进入气缸的进气压力，如图2所示，进气压力的增加可以有效的降低发动机泵气损失，从而提高发动机热效率。同时，通过第二进气总管14和第二进气门2进入气缸的EGR气体可以有效的填充缸壁周围的燃烧死区，同时又可以吸收缸内燃烧温度，有效的降低发动机最高燃烧温度，从而降低发动机NOX排放，实现提高发动机燃气经济性、降低NOX、THC、CH4等排放、降低发动机热负荷、拓宽发动机失火边界，实现高EGR率下发动机经济性、排放、热负荷、稳定性等多种优势的有效结合。并且进气气缸内的EGR气体的量可以通过EGR阀以及相关传感器来实现精确地控制。当发动机处于增压压力较高的中等负荷或全负荷下，第二节气门6根据实际进气量的需要来控制开度，实现新鲜空气从第一进气门1和第二进气门2两个进气门同时进入，这样仍然可以保持传统四气门发动机充气效率高的优势。采用双进气道，一个进气道进入燃料和空气混合气、一个进入EGR气体或者EGR和新鲜空气，实现缸内分层燃烧，可以有效的保持传统当量+EGR发动机的经济性好的优势，同时还可以有效的降低燃烧死区的燃料残余量，降低THC、CH4等排放。
在泵气损失大的节气门前后压差大的工况，通过单气道进气模式，可有效的降低发动机泵气损失，从而提高发动机中小负荷的效率。特别是怠速工况，城市公交循环路谱有40～60％是怠速工况，通过该技术降低怠速的泵气损失可以有效降低怠速气耗，提高整车经济性。
综上，该单点喷射的燃气发动机分层燃烧系统能够实现火花塞周围合适的燃料和空气以及少量EGR气体的混合气，而缸壁周围是EGR气体浓度较高的空气、燃料混合气，进而有效的利用EGR降低NOX排放、降低发动机热负荷的同时保持较高的火焰传播速度，从而实现发动机经济性、排放性能以及耐久性的有机高效结合。
前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。

Claims (3)

1.一种单点喷射的燃气发动机分层燃烧系统，其特征在于，包括：
EGR混合器；
燃气混合器；
中冷器，其出口端设置有第一节气门，该第一节气门分别与所述燃气混合器的第一进口和所述EGR混合器的第一进口连通；
燃气喷嘴，其与所述燃气混合器的第二进口连通；
第一进气总管，其与所述燃气混合器的出口连通，并分别与各缸的第一进气门连通；
EGR冷却器，其入口端与涡前高温排气总管连通，该EGR冷却器的出口端设置有EGR阀，该EGR阀与所述EGR混合器的第二进口连通；以及
第二进气总管，其与所述EGR混合器的出口连通，并分别与各缸的第二进气门连通。
2.根据权利要求1所述的单点喷射的燃气发动机分层燃烧系统，其特征在于，所述EGR混合器的第一进口设置有第二节气门。
3.根据权利要求1所述的单点喷射的燃气发动机分层燃烧系统，其特征在于，所述燃气发动机为四气门发动机。
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