CN108547697A - 一种采用高能点火技术的转子发动机 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种采用高能点火技术的转子发动机，包括缸体、燃烧室和三角转子，所述燃烧室位于所述缸体与三角转子之间；所述燃烧室被所述三角转子分成第一燃烧室、第二燃烧室和第三燃烧室，包括气体喷嘴、液体喷嘴、高能火花塞组和ECU；所述缸体上设有与第一燃烧室连通的进气歧管，所述进气歧管上设有气体喷嘴；所述液体喷嘴安装在缸体上，且与第二燃烧室连通；所述第二燃烧室内安装高能火花塞组；所述ECU与气体喷嘴、液体喷嘴、高能火花塞组连接。本发明可以充分利用天然气和二甲醚的燃料特性和高能点火技术的优点，提升燃效速率、着火稳定性和排放性能，有利于柴油转子发动机性能改进和应用拓展。

Description

一种采用高能点火技术的转子发动机
技术领域
本发明涉及内燃机燃烧技术领域，特别涉及一种采用高能点火技术的转子发动机。
背景技术
随着能源危机和环境问题日益凸显，内燃机高效低污染的要求日益严格。柴油转子发动机是一种旋转式三角转子发动机，它与往复式活塞发动机相比具有结构简单、功重比高、噪声小、振动低、高速性能优良的特点。相比于汽油转子发动机，它的动力输出强劲、多燃料特性突出和安全性能可靠，使其更适用于军事领域。由于柴油转子发动机结构特点无法将燃料圧燃，必须采用额外的辅助点火装置进行燃烧。
然而，采用以往技术，即柴油缸内直喷+火花塞辅助点火的柴油转子发动机遇到了瓶颈：
(1)缸内直喷柴油时，燃烧室内压力和温度较低，燃料雾化效果差，导致油气混合不均匀；
(2)柴油燃烧过程中，狭长燃烧室内火焰的传播速度慢，上止点附近易产生熄火现象，导致燃烧效率低；
(3)采用传统火花引燃点火方式时，点火能量低，普遍在30-50mJ左右；火花作用时间短，一般在0.8-1.0ms左右，在缸内高速单向气流环境和稀薄工况下，点火稳定性得不到保障。
申请号为CN2017106294036提出了一种直喷式转子发动机的气/液燃料供给系统及控制方法，但其所述的喷气系统及喷液系统只是给出了一种气/液燃料模式在转子发动机上的应用，并未明确指出利用天然气和二甲醚的燃料特性来改善柴油转子发动机的燃烧效率和排放性能。此外，该专利中所述的火花塞为常规火花塞，在缸内高速单向气流的冲击下，初始火核的形成和火焰传播速度必然受到影响，进而无法保证各种工况下均能满足苛刻的着火需求。
这些未解决的问题都会导致柴油转子发动机的燃烧和排放问题突出，进而限制其快速发展和应用领域拓展。
发明内容
针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种采用高能点火技术的转子发动机，可以充分利用天然气和二甲醚的燃料特性和高能点火技术的优点，提升燃效速率、着火稳定性和排放性能，有利于柴油转子发动机性能改进和应用拓展。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种采用高能点火技术的转子发动机，包括缸体、燃烧室和三角转子，所述燃烧室位于所述缸体与三角转子之间；所述燃烧室被所述三角转子分成第一燃烧室、第二燃烧室和第三燃烧室，且第一燃烧室、第二燃烧室和第三燃烧室体积随三角转子转动而变化，还包括气体喷嘴、液体喷嘴、高能火花塞组和ECU；所述缸体上设有与第一燃烧室连通的进气歧管，所述进气歧管上设有气体喷嘴；所述液体喷嘴安装在缸体上，且与第二燃烧室连通；所述第二燃烧室内安装高能火花塞组；所述ECU与气体喷嘴、液体喷嘴、高能火花塞组连接。
进一步，所述气体喷嘴的中心线与进气歧管中心线的夹角θ1为25°～35°，有利于天然气与空气充分混合后再进入缸内燃烧。
进一步，所述液体喷嘴的喷射方向与缸体水平中心线的夹角θ2为50°～60°。这样可确保高速喷出的二甲醚/柴油混合燃料集中分布在燃烧室凹坑处，在点火时刻及时着火燃烧。
进一步，所述气体喷嘴内气体介质为天然气；所述液体喷嘴内液体介质为柴油和二甲醚的混合物。
进一步，所述柴油和二甲醚的混合物中，二甲醚占混合物的质量分数为10-15％。
进一步，所述气体喷嘴的压力为1-3bar；这是由于天然气是气体燃料且无雾化过程，低喷射压力所需设备少、成本低且易于安装。所述液体喷嘴的压力为30-70MPa，这是因为柴油和二甲醚混合物即需要较高喷射压力使其快速雾化，同时还要考虑高速液滴的碰壁现象。
进一步，所述高能火花塞组包括至少4个火花塞，所述火花塞分布在所述液体喷嘴四周。在点火时刻由ECU控制同时进行点火工作，可将集中分布的混合燃料及时引燃。
进一步，还包括高能点火装置，所述高能点火装置分别与所述高能火花塞组和所述ECU内的点火控制模块交互连接。
本发明的有益效果在于：
1.本发明所述的采用高能点火技术的转子发动机，天然气在进气歧管中与空气进行预混，可利用天然气良好的扩散性能和较宽的可燃极限，改善燃烧过程中，在上止点附近由于燃烧室狭长而易发生的淬熄现象，提高燃烧速率。二甲醚掺混柴油并采用30-70MPa的高压直喷方式，可利用二甲醚雾化、蒸发快的特点加速液体燃料雾化和蒸发，促进油气充分混合以及后续完全燃料。
2.本发明所述的采用高能点火技术的转子发动机，高能火花塞组可提供较高的点火能量和延长火花持续时间，确保燃烧室内集中分布的燃料在点火时刻及时可靠点燃，亦可加快初始火核形成及混合气燃烧速度，改善燃烧过程。
3.本发明所述的采用高能点火技术的转子发动机，天然气和二甲醚燃料具有燃烧后排放低的特点，可有效降低碳烟、氮氧化物、碳氧化和碳氢物的排放。
4.本发明所述的采用高能点火技术的转子发动机，所述液体喷嘴的喷射方向与缸体水平中心线的夹角θ2为50°～60°。这样可确保高速喷出的二甲醚/柴油混合燃料集中分布在燃烧室凹坑处，在点火时刻及时着火燃烧。
附图说明
图1为本发明所述的采用高能点火技术的转子发动机主视图。
图2为本发明所述的转子发动机气体喷嘴工作状态图。
图3为本发明所述的转子发动机内天然气/空气混合状态图。
图4为本发明所述的转子发动机内液体喷嘴喷射的状态图。
图5为本发明所述的转子发动机内膨胀做功的状态图。
图中：
1-气体喷嘴；2-进气歧管；3-第一燃烧室；4-第二燃烧室；5-第三燃烧室；6-缸体；7-三角转子；8-液体喷嘴；9-高能火花塞组；10-排气歧管；11-高能点火装置。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
如图1所示，本发明所述的采用高能点火技术的转子发动机，包括缸体6、燃烧室和三角转子7，所述燃烧室位于所述缸体6与三角转子7之间；所述燃烧室被所述三角转子7分成第一燃烧室3、第二燃烧室4和第三燃烧室5，且第一燃烧室3、第二燃烧室4和第三燃烧室5体积随三角转子7转动而变化，第三燃烧室5设有排气歧管10，用于排气。还包括气体喷嘴1、液体喷嘴8、高能火花塞组9和ECU；所述缸体6上设有与第一燃烧室3连通的进气歧管2，所述进气歧管2上设有气体喷嘴1；所述液体喷嘴8安装在缸体6上，且与第二燃烧室4连通；所述第二燃烧室4内安装高能火花塞组9；所述ECU与气体喷嘴1、液体喷嘴8、高能火花塞组9连接。所述气体喷嘴1内气体介质为天然气；所述液体喷嘴8内液体介质为柴油、二甲醚中的一种或二种的混合物。所述柴油和二甲醚的混合物中，二甲醚占混合物的质量分数为10-15％。
所述天然气的气体喷嘴1安装在进气歧管2上，在进气阶段采用1-3bar的低压将天然气喷出，由于天然气是气体燃料且无雾化过程，低喷射压力所需设备少、成本低且易于安装；喷射方向顺气流方向，且与进气岐管中心线的夹角θ1为25°～35°，有利于天然气与空气充分混合后再进入缸内燃烧。所述柴油/二甲醚液体喷嘴8安装在缸体6上且喷射方向与缸体6水平中心线的夹角θ2为50°～60°，这样可确保高速喷出的二甲醚/柴油混合燃料集中分布在燃烧室凹坑处，在点火时刻及时着火燃烧；二甲醚掺混在柴油中且占二甲醚/柴油混合燃料的质量分数为15％，二甲醚/柴油混合燃料在压缩阶段采用30-70MPa的高压被直接喷入缸内，掺混二甲醚后混合燃料的雾化锥角增大，贯穿距离降低，有利于燃烧快速雾化和蒸发，进而形成均匀混合气；所述高能点火装置11能将12V的低压经过逆变、整流后变成高压，为高能火花塞组9提供大于500mJ的点火能量和大于2ms的火花持续时间，确保点火稳定性，满足不同工况下的点火需求。
如图2-图5所示，本发明所述的采用高能点火技术的转子发动机的工作过程，以第一燃烧室3为例说明具体工作过程：
图2为第一燃烧室3处于进气阶段，ECU控制介质为天然气的气体喷嘴1开启，低喷射压力将天然气顺气流方向喷出，随后与空气充分混合后进入第一燃烧室3内。
图3为第一燃烧室3处于压缩阶段，气体喷嘴1关闭，天然气喷射过程已经结束，随着三角转子7的转动，燃烧室容积变小，天然气与空气进一步混合。
图4为第一燃烧室3处于喷油阶段，ECU控制介质为柴油/二甲醚的液体喷嘴8开启，缸内喷油过程开始，高喷射压力将柴油/二甲醚混合燃料喷入第一燃烧室3内，与天然气/空气混合形成可燃混合气；由于柴油掺混10-15％的二甲醚其雾化效果得到改善，如液滴雾化、蒸发过程加快以及贯穿距离减小，可降低液滴碰壁剧烈程度和促进油气充分混合和；ECU控制液体喷嘴8关闭后喷油过程结束，三角转子7继续转动第一燃烧室3的容积会进一步减小，可燃混合气在高速单向流作用下进一步混合，当接近上止点时ECU控制高能点火装置12工作，高能火花塞组9同时点火，开始燃烧放热；此时高点火能量和长火花持续时间可确保及时、可靠的引燃可燃混合气；同时天然气良好的扩散特性可有效解决狭长的第一燃烧室3内火焰淬熄问题，点燃后较快的火焰传播速度可确保火焰向四周快速传播和反应区域燃料的燃烧反应。
图5表示第一燃烧室3处于膨胀做功阶段，燃烧过程继续进行，高温高压环境对外输出功率，最后进入下一工作循环；得益于二甲醚和天然气低污染的特点，柴油转子发动机排放特性亦能得到有效改善，尤其是降低碳烟的效果十分明显。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种采用高能点火技术的转子发动机，包括缸体(6)、燃烧室和三角转子(7)，所述燃烧室位于所述缸体(6)与三角转子(7)之间；所述燃烧室被所述三角转子(7)分成第一燃烧室(3)、第二燃烧室(4)和第三燃烧室(5)，且第一燃烧室(3)、第二燃烧室(4)和第三燃烧室(5)体积随三角转子(7)转动而变化，其特征在于，还包括气体喷嘴(1)、液体喷嘴(8)、高能火花塞组(9)和ECU；所述缸体(6)上设有与第一燃烧室(3)连通的进气歧管(2)，所述进气歧管(2)上设有气体喷嘴(1)；所述液体喷嘴(8)安装在缸体(6)上，且与第二燃烧室(4)连通；所述第二燃烧室(4)内安装高能火花塞组(9)；所述ECU与气体喷嘴(1)、液体喷嘴(8)、高能火花塞组(9)连接。
2.根据权利要求1所述的采用高能点火技术的转子发动机，其特征在于，所述气体喷嘴(1)的中心线与进气歧管(2)中心线的夹角θ1为25°～35°。
3.根据权利要求1所述的采用高能点火技术的转子发动机，其特征在于，所述液体喷嘴(8)的喷射方向与缸体水平中心线的夹角θ2为50°～60°。
4.根据权利要求1所述的采用高能点火技术的转子发动机，其特征在于，所述气体喷嘴(1)内气体介质为天然气；所述液体喷嘴(8)内液体介质为柴油和二甲醚的混合物。
5.根据权利要求4所述的采用高能点火技术的转子发动机，其特征在于，所述柴油和二甲醚的混合物中，二甲醚占混合物的质量分数为10-15％。
6.根据权利要求1所述的采用高能点火技术的转子发动机，其特征在于，所述气体喷嘴(1)的压力为1-3bar；所述液体喷嘴(8)的压力为30-70MPa。
7.根据权利要求1所述的采用高能点火技术的转子发动机，其特征在于，所述高能火花塞组(9)包括至少4个火花塞，所述火花塞分布在所述液体喷嘴(8)四周。
8.根据权利要求1所述的采用高能点火技术的转子发动机，其特征在于，还包括高能点火装置(11)，所述高能点火装置(11)分别与所述高能火花塞组(9)和所述ECU内的点火控制模块相互连接。
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