CN109098835B - 一种带有预燃室低压供气和缸内高压直喷的天然气发动机燃烧组织方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种带有预燃室低压供气和缸内高压直喷的天然气发动机燃烧组织方法，高压燃气喷射装置倾斜安装在缸盖上，在压缩冲程末喷射的气体在缸内形成浓度梯度分布；预燃室位于主燃室正上方，火花塞倾斜安装在预燃室左上方；低压单向供气阀安装在预燃室顶部，在进气冲程向预燃室内供气，与压缩冲程被挤入预燃室的空气形成可燃混合气并由火花塞点燃，火焰进入主燃室引燃缸内混合气；低负荷时，控制单向供气阀供气压力为4‑6bar；(2)高负荷时，控制单向供气阀供气压力为8‑10bar。本发明通过调节单向阀内的供气压力保证不同工况下的点火稳定性，通过缸内直喷实现缸内稀混合气的浓度分层和快速燃烧，从而提升发动机的经济性和排放性。

Description

一种带有预燃室低压供气和缸内高压直喷的天然气发动机燃 烧组织方法

技术领域

本发明涉及的是一种燃烧控制方法，具体地说是天然气发动机燃烧控制方法。

背景技术

天然气是一种储量丰富、排放清洁的绿色燃料，在发动机领域将其作为石油的替代燃料，能有效改善目前能源短缺和环境污染的困境。

天然气发动机按供气方式可分为缸外供气和缸内供气，缸外供气方式分为进气总管单点进气和进气歧管多点进气，单点进气方式会不可避免的出现天然气大量逃逸，不仅造成碳氢大量排放，而且不利于改善燃料经济性，多点进气方式虽可减少天然气逃逸，但是这种方式对阀件要求高，维修成本高，不利于发动机的整体经济性，而且各缸浓度的均匀性不易控制，易出现爆震和失火现象。这两种方式都会因为天然气占用一部分体积，导致进气效率降低。

缸内供气又分为缸内高压喷射供气和缸内低压喷射供气，低压喷射供气虽能解决天然气占用体积导致进气效率降低的问题，但是由于发动机充量需要节气门的节流作用来调节，导致中低负荷时节流损失大，而缸内高压直喷是以较高的喷射压力将天然气喷入气缸内，能有效解决缸外喷射和缸内低压喷射带来的充气效率不足、动力性下降等问题，具有较高的热效率，因而具有良好的动力性，此外在高压缸内直喷发动机中，天然气不参与压缩行程，因此不存对其抗爆性的要求，所以可靠性较高。

为了更好的发挥天然气的排放优势，天然气发动机通常会在较稀的混合气下工作，但是天然气的主要成分甲烷燃点较高，燃烧过程中火焰传播速度较慢，稀混合气容易出现失火及爆震现象，为了解决这些问题一般采用带有火花塞的预燃室式结构，这种结构能够保证较大的点火能量，不仅能改善失火及爆震问题，还能拓宽天然气发动机稀燃极限。

现阶段多数天然气发动机均由柴油机或汽油机改装而来，这种改装的天然气发动机大部分采用缸外供气的方式，由于天然气常温下呈现气态的性质，会占用部分体积，导致大部分改装的天然气发动机都存在动力性下降的问题。

缸内高压直喷技术是目前天然气发动机领域的最新技术，在专利方面已有不少成果，如专利CN105888858A申请了一种单喷嘴直喷气液燃料点燃式内燃机及控制方法，其中提出了解决高压气体喷射时喷嘴的润滑与散热问题的方法；专利CN101749136A申请了电控燃气缸内直喷发动机，其供气方式采用缸内高压直喷；专利CN204572248U申请了一种船用发动机燃料供给装置，对高压燃气供气装置结构进行了详细描述；在天然气发动机预燃室研究方面，有的专利对预燃室供气装置进行了研究如CN105422256A，这种供气装置同时对预燃室和主燃室供气，还有专利对预燃室单向供气阀进行了研究如CN205446824U，详细介绍了适用于预燃室式的单向供气阀结构。而这些专利均未对预燃室和主燃室内混合气形成、合理组织燃烧以及预燃室火焰稳定的向主燃室传播等问题进行详细研究。

发明内容

本发明的目的在于提供通过调节单向阀内的供气压力保证不同工况下预燃室内都能形成浓度合理混合气的一种带有预燃室低压供气和缸内高压直喷的天然气发动机燃烧组织方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明一种带有预燃室低压供气和缸内高压直喷的天然气发动机燃烧组织方法，其特征是：天然气发动机包括气缸套、气缸盖，气缸盖位于气缸套上方，气缸套里设置活塞，活塞与气缸盖之间为主燃室，进气歧管连通主燃室，进气管与主燃室相通处设置进气阀，气缸盖里分别设置火花塞、高压燃气喷射阀、低压单向供气阀，低压单向供气阀出口连通预燃室，预燃室通过预燃室出口连通主燃室，火花塞头部伸入至预燃室里，高压燃气喷射阀的喷口位于主燃室上方；主燃室为非对称偏心结构，其中部具有突起，突起位于预燃室出口左侧，预燃室的截面为上宽下窄的椭圆形结构，预燃室中心线与气缸套中线轴线重合，预燃室出口位于预燃室中心位置，出口直径不小于5mm，预燃室最大直径与预燃室出口直径比在3:1-5:1范围内，低压单向阀安装在预燃室顶部中心位置，高压燃气喷射阀轴线与气缸盖下表面形成的角度在30°-60°范围内，高压燃气喷射阀喷出的射流冲向主燃室的突起部分；

检测天然气发动机工况，根据天然气发动机不同工况，实行不同控制策略：

(1)低负荷时，控制单向供气阀供气压力为4-6bar；

(2)高负荷时，控制单向供气阀供气压力为8-10bar。

本发明的优势在于：本发明通过对天然气发动机预燃室结构和低压单向供气阀供气压力做出合理的匹配设计，使预燃室内气体实现分层快速燃烧，保证不同工况下天然气发动机的点火稳定性，通过高压燃气喷射阀安装位置、喷嘴结构与喷气压力以及主燃室形状之间的匹配设计，在主燃室内形成合理的天然气浓度梯度分布，从而在主燃室内实现天然气快速分层燃烧，加速火焰传播速度，缩短燃烧时间，有利于提高燃烧质量，降低排气温度，同时也能改善进气道进气导致的容积效率下降及爆震问题，综合效果可提升天然气发动机的经济性与排放性。

附图说明

图1为本发明天然气发动机燃烧系统的具体布置图；

图2为预燃室内天然气浓度分布示意图；

图3为高压燃气喷射阀喷射的气流形状示意图；

图4为主燃室内天然气浓度分布示意图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1-4，本发明天然气发动机燃烧系统结构包括：活塞1、气缸套2、气缸盖3、高压燃气喷射装置4、预燃室出口5、预燃室6、低压单向供气装置7、火花塞8、主燃室9。ω型主燃室由活塞上表面、气缸套周壁以及气缸盖下表面组成，主燃室采用非对称偏心设计，中间突起位于预燃室出口左侧；预燃室位于气缸盖内，采用上宽下窄的椭圆形结构，预燃室中心轴线与气缸中心轴线重合，预燃室出口位于预燃室底部中心位置，出口直径不小于5mm，椭圆形预燃室最大直径与预燃室出口直径之比在3：1-5：1范围内；火花塞倾斜安装在预燃室左上方；低压单向供气阀安装在预燃室顶部中心位置；高压燃气喷气阀倾斜安装在气缸盖内，阀身轴线与气缸盖下表面形成的角度在30°-60°范围，喷射压力为300bar，喷嘴采用单孔结构，喷嘴头部伸入主燃室内，喷射次数为一次；高压喷射阀喷出的天然气与预燃室出口间有不小于；15mm的最小距离。

当天然气发动机处于低负荷时，涡轮增压器增压压力低，进气管内空气压力低，流量较小；进气冲程，活塞向下运动，气缸内压力降低，此时低压单向供气阀内的供气压力大于缸内压力，当压力差达到单向阀开启的阈值时，单向阀打开，向预燃室内供气，低负荷时流入气缸的空气较少，压缩冲程活塞向上运动挤入预燃室内的空气也较少，所以此时为单向供气阀的匹配一个较小的供气压力，形成较小的压力差，单向阀处于小流量、短供气的工作状态，此时进入预燃室内的天然气也较少，随着活塞运动，缸内压力升高，压力差会减小，当压力差减小到阈值时，单向阀关闭，供气结束；压缩冲程，活塞向上运动，空气被持续的挤入预燃室，预燃室出口直径比气缸直径小，加上预燃室采用上宽下窄的椭圆形结构，空气会在预燃室出口不断的形成滚流并向预燃室顶部流去，滚流进入预燃室与进气冲程进入预燃室的天然气不断混合，由于预燃室上半部分较宽，滚流向上运动过程中会逐渐减弱，因此预燃室内天然气会呈现上浓下稀的非均质分布状态，如图2所示；在压缩上止点附近，预燃室内混合气浓度已达到点火要求，火花塞点燃预燃室内混合气，混合气由上至下快速分层燃烧，产生的高温高压燃烧火焰会迅速向主燃室内传播。

在压缩上止点附近，主燃室内高压燃气喷射阀开始工作，由于高压燃气喷射阀倾斜安装角度与主燃室形状是相互匹配的，高压燃气喷射喷出的高速射流会冲向ω型主燃室中间凸台部分，射流形状如图3所示，主燃室采用ω型可以将射流分为两部分，一部分在初始速度影响下向主燃室左侧运动，并于空气混合，形成稀混合气，另一部分会被凸台表面反射，ω型主燃室为非对称偏心设计，中间凸台位于预燃室出口左侧，被反射的气流会在预燃室出口附近形成较浓的混合气，主燃室内天然气浓度分布如图4所示。

高压燃气喷射阀喷射时间为上止点前50°CA范围内，预燃室内火花塞点火时刻要比高压喷射时间晚，在上止点前5-15°CA，保证预燃室内火焰传播之前，主燃室内混合气已准备完成。预燃室内的高温燃烧火焰向主燃室内传播时首先会传播到预燃室出口附近的较浓混合气，较浓混合气燃烧产生较大的火核迅速向主燃室内其他区域传播，这样整个主燃室内的混合气便能实现稳定着火以及快速分层燃烧。

预燃室的主要作用是提供具有较高点火能量的可燃气体引燃主燃室内的混合气。压缩冲程，空气被连续的挤入预燃室，预燃室上大下小的椭圆形结构会使空气在预燃室出口不断的形成滚流，滚流进入预燃室与天然气不断混合，由于预燃室上半部分较宽，滚流向上运动过程中会逐渐减弱，因此预燃室内天然气会呈现上浓下稀的非均质分布状态。进入预燃室内的天然气量由单向供气阀控制，不同工况下，挤入预燃室内的空气质量不同，根据压差原理，调节单向供气阀供气压力，改变进入预燃室内的天然气质量，保证预燃室内混合气可稳定着火燃烧，具体调节方式如下：

(1)低负荷时，控制单向供气阀供气压力为4-6bar。低负荷时压缩冲程挤入预燃室的空气少，较小的供气压力与预燃室内气体形成较小的压力差，此时单向供气阀此时处于小流量、短供气的状态，进入预燃室内的天然气也较少；

(2)高负荷时，控制单向供气阀供气压力为8-10bar。低负荷时压缩冲程挤入预燃室的空气多，较大的供气压力与预燃室内气体形成较大的压力差，单向供气阀此时处于大流量、长供气的状态，此时进入预燃室内的天然气也较多，当发动机处于中负荷时，供气压力可通过线性插值确定。

高压燃气喷射阀倾斜安装角度与主燃室形状是相互配合的，高压燃气喷射喷出的高速射流会冲向ω型主燃室中间凸台部分，射流形状如图2所示，中间凸台可以将射流分为两部分，左侧部分在初始速度影响下向主燃室左侧运动，并于空气混合，形成稀混合气，ω型主燃室为非对称偏心设计，竖直方向上中间凸台位于预燃室出口左侧，右侧部分会被凸台表面反射，被反射的气流会在预燃室出口附近形成较浓的混合气，这样预燃室内的火焰向主燃室传播时会先点燃预燃室出口附近的浓混合气，有利于火焰的快速传播。

高压燃气喷射阀喷射时间为上止点前50°CA范围内，预燃室内火花塞点火时刻要比高压喷射时间晚，在上止点前5-15°CA，保证预燃室内火焰传播之前，主燃室内混合气已准备完成。预燃室内的高温燃烧火焰向主燃室内传播时首先会传播到预燃室出口附近的较浓混合气，较浓混合气燃烧产生较大的火核迅速向主燃室内其他区域传播，这样整个主燃室内的混合气便能实现稳定着火以及快速分层燃烧。

Claims (1)

1.一种带有预燃室低压供气和缸内高压直喷的天然气发动机燃烧组织方法，其特征是：天然气发动机包括气缸套、气缸盖，气缸盖位于气缸套上方，气缸套里设置活塞，活塞与气缸盖之间为主燃室，进气歧管连通主燃室，进气管与主燃室相通处设置进气阀，气缸盖里分别设置火花塞、高压燃气喷射阀、低压单向供气阀，低压单向供气阀出口连通预燃室，预燃室通过预燃室出口连通主燃室，火花塞头部伸入至预燃室里，高压燃气喷射阀的喷口位于主燃室上方；主燃室为非对称偏心结构，其中部具有突起，突起位于预燃室出口左侧，预燃室的截面为上宽下窄的椭圆形结构，预燃室中心线与气缸套中线轴线重合，预燃室出口位于预燃室中心位置，出口直径不小于5mm，预燃室最大直径与预燃室出口直径比在3:1-5:1范围内，低压单向阀安装在预燃室顶部中心位置，高压燃气喷射阀轴线与气缸盖下表面形成的角度在30°-60°范围内，高压燃气喷射阀喷出的射流冲向主燃室的突起部分；

检测天然气发动机工况，根据天然气发动机不同工况，实行不同控制策略：

(1)低负荷时，控制单向供气阀供气压力为4-6bar；低负荷时压缩冲程挤入预燃室的空气少，较小的供气压力与预燃室内气体形成较小的压力差，低压单向供气阀此时处于小流量、短供气的状态；

(2)高负荷时，控制单向供气阀供气压力为8-10bar；低负荷时压缩冲程挤入预燃室的空气多，较大的供气压力与预燃室内气体形成较大的压力差，低压单向供气阀此时处于大流量、长供气的状态；

主燃室采用ω型可以将射流分为两部分，一部分在初始速度影响下向主燃室左侧运动，并于空气混合，形成稀混合气，另一部分会被凸台表面反射，被反射的气流会在预燃室出口附近形成较浓的混合气。

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