CN109184962B - 废气缸内直喷湍流燃烧系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种废气缸内直喷湍流燃烧系统及方法，属于发动机尾气处理技术领域，该系统包括气缸、排气管、气罐、废气喷射器和工况检测单元，所述气罐通过废气引入管与所述排气管连通，所述气罐上设置有冷却系统，所述废气引入管上设置有中冷器和压气机；所述废气喷射器通过废气喷射管与所述气罐连通，所述废气喷射器安装于所述气缸的缸盖，电子控制单元根据工况检测单元的输出信号判断发动机所处工况，在压缩冲程时向所述废气喷射器发送喷射废气指令，并对废气喷射相位和喷射量进行控制，废气通过废气喷射器以一定角度射入所述气缸的燃烧室，形成强湍流。本发明可同时降低NOx和碳烟排放；不影响发动机的动力输出和经济性能。

Description

废气缸内直喷湍流燃烧系统及方法
技术领域
本发明属于发动机尾气处理技术领域，尤其涉及一种废气缸内直喷湍流燃烧系统及方法。
背景技术
目前，国际、国内船舶排放法规日趋严格，国际海事组织(IMO)要求2016年以后建造的船舶必须满足Tier III排放要求，而国内方面则要求2021年7月全面实施中国内河二阶段排放法规。面对降低排放的巨大压力，各船舶内燃机制造企业纷纷加大了清洁内燃机的研发力度，并提出采用米勒循环、废气再循环(EGR，Exhaust Gas Recirculation)、缸内喷水、SCR(Selective Catalytic Reduction，选择性催化还原法)、两级增压、气体机等降低NOx和碳烟排放的技术。
其中，废气再循环技术是通过将部分燃烧废气重新引入燃烧室，用于降低最高燃烧温度，抑制NOx生成。目前，现有技术中通常采用废气再循环进气道喷射的方式。但是，废气再循环进气道喷射会占用部分进气份额，并且废气温度通常较高，对进气形成一定的加热效应，导致进气性能下降，因此会影响发动机的动力输出，造成动力性下降。另外，废气存在大量不可燃烧气体，导致燃烧速度减慢，燃烧等容度降低，热效率下降。该技术方案虽然能较大程度降低NOx排放，但由于降低了进气量，过量空气系数下降，对碳烟排放存在潜在风险，可导致碳烟排放增加。
发明内容
针对现有技术的上述不足，本发明所要解决的第一个技术问题是：提供一种废气缸内直喷湍流燃烧系统，可同时降低NOx和碳烟排放，且不引起发动机动力性和经济性能下降。
作为同一种技术构思，本发明所要解决的第二个技术问题是：提供一种废气缸内直喷湍流燃烧方法，可同时降低NOx和碳烟排放，且不引起发动机动力性和经济性能下降。
为解决上述第一个技术问题，本发明的技术方案是：一种废气缸内直喷湍流燃烧系统，包括：气缸和与所述气缸连通的排气管，所述废气缸内直喷湍流燃烧系统还包括
气罐，所述气罐通过废气引入管与所述排气管连通，所述气罐上设置有冷却系统，所述废气引入管上沿废气流动方向依次设置有中冷器和压气机；
废气喷射器，所述废气喷射器通过废气喷射管与所述气罐连通，所述废气喷射器安装于所述气缸的缸盖，所述废气喷射器以一定角度向所述气缸内喷射废气；
工况检测单元，用于检测发动机工况，并输出信号至电子控制单元；
所述电子控制单元用于根据所述工况检测单元的输出信号判断发动机所处工况，以在压缩冲程时向所述废气喷射器发送废气喷射指令，并对废气喷射相位和喷射量进行控制。
作为一种改进，所述气罐上设置有废气温度传感器，所述废气温度传感器用于测量所述气罐内的温度，并输出信号至所述电子控制单元；
所述电子控制单元还用于根据所述废气温度传感器的输出信号判断废气温度是否超过预设值，以在废气温度超过预设值时，向所述冷却系统发送工作指令。
作为进一步的改进，所述冷却系统为水冷式冷却系统或空冷式冷却系统。
作为一种改进，所述气罐上设置有废气压力传感器，所述废气压力传感器用于测量所述气罐内的压力，并输出信号至所述电子控制单元；
所述电子控制单元还用于根据所述废气压力传感器的输出信号判断废气压力是否低于预设值，以在废气压力低于预设值时，向所述压气机发送工作指令。
作为进一步的改进，所述排气管上位于所述废气引入管的上游设置有颗粒物捕集器。
作为进一步的改进，所述气缸有多个，相应的，所述废气喷射管和所述废气喷射器有多个。
作为一种改进，所述废气喷射器的出口处设有导流道，所述导流道与所述气缸的中心线之间设有夹角。
作为一种改进，所述气缸的缸盖位于所述废气喷射器处设有导流道，所述导流道与所述气缸的中心线之间设有夹角。
为解决上述第二个技术问题，本发明的技术方案是：一种废气缸内直喷湍流燃烧方法，采用上述废气缸内直喷湍流燃烧系统，包括如下步骤：
A、从所述排气管中将部分废气引入所述中冷器，对废气进行降温，冷却后的废气由所述压气机压入所述气罐中；
B、所述电子控制单元根据所述工况检测单元的输出信号判断发动机所处工况，在压缩冲程时向所述废气喷射器发送喷射废气指令，并对废气喷射相位和喷射量进行控制，废气通过废气喷射器以一定角度射入所述气缸的燃烧室，形成强湍流。
采用了上述技术方案后，本发明的有益效果是：
本发明提供的废气缸内直喷湍流燃烧系统及方法，从所述排气管中将部分废气引入所述中冷器，对废气进行降温，冷却后的废气由所述压气机压入所述气罐中；所述电子控制单元根据所述工况检测单元的输出信号判断发动机所处工况，在压缩冲程时向所述废气喷射器发送喷射废气指令，并对废气喷射相位和喷射量进行控制，废气通过废气喷射器以一定角度射入所述气缸的燃烧室，形成强烈湍流，强化燃烧室气流扰动，加速燃烧，抵消废气惰性对燃烧的抑制作用，同时由于产生了强湍流，促进燃油扩散混合，防止局部混合气过浓，抑制碳烟生成。本发明废气缸内直喷和现有技术中废气进气道喷射原理相类似，都是通过引入高比热的三原子分子气体重新进入燃烧室内，以降低燃烧温度，抑制NOx生成，但废气缸内直喷不存在对进气性能的影响，过量空气系数不会降低，因此不存在碳烟增加风险，同时动力输出不受影响。
由于设计了工况检测单元、废气温度传感器和废气压力传感器，使得缸内直喷废气喷射相位、流量、压力和温度可以灵活控制，因此可实现不同工况下，发动机都有最佳的动力性、经济性和排放性能。
附图说明
图1是本发明实施例一提供的废气缸内直喷湍流燃烧系统的结构示意图；
图2是图1中废气喷射器处的局部放大图；
图3是本发明实施例一中废气喷射器的局部剖视图；
图4是本发明实施例二中废气喷射器处的局部放大图；
图5是本发明实施例二中废气喷射器和导流道的放大示意图；
图中：1-气缸，2-排气管，3-气罐，31-冷却系统，32-废气温度传感器，33-废气压力传感器，4-废气引入管，5-中冷器，6-压气机，7-废气喷射器，71-导流道，8-废气喷射管，9-工况检测单元，10-电子控制单元，11-颗粒物捕集器，12-进气阀系，13-排气阀系，14-喷油器，15-导流道。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例一
如图1、图2和图3共同所示，一种废气缸内直喷湍流燃烧系统，包括气缸1和与气缸1连通的排气管2，气罐3通过废气引入管4与排气管2连通，气罐3上设置有冷却系统31，废气引入管4上沿废气流动方向依次设置有中冷器5和压气机6；废气喷射器7通过废气喷射管8与气罐3连通，废气喷射器7安装于气缸1的缸盖，废气喷射器7以一定角度向气缸1内喷射废气；工况检测单元9用于检测发动机工况，并输出信号至电子控制单元10(发动机ECU)；电子控制单元10用于根据工况检测单元9的输出信号判断发动机所处工况，以在压缩冲程时向废气喷射器7发送废气喷射指令，并对废气喷射相位和喷射量进行控制。这样，使得缸内直喷废气相位和流量可以灵活控制。需要说明的是，废气喷射相位与现有技术中废气进气道喷射的喷射时间相类似，在此不再赘述。
在本实施例中，工况检测单元9由本领域公知的可检测发动机工况的传感器组成，例如发动机油门位置、转速和水温等传感器，工况检测单元9可以检测油门位置、转速和水温等发动机工况信息，并输出信号至电子控制单元10，从而判断发动机所处工况。
气罐3上设置有废气温度传感器32，废气温度传感器32用于测量气罐3内的温度，并输出信号至电子控制单元10；电子控制单元10还用于根据废气温度传感器32的输出信号判断废气温度是否超过预设值，以在废气温度超过预设值时，向冷却系统31发送工作指令。在本实施例中，气罐3为风冷式高压气罐，冷却系统为空冷式冷却系统，空冷式冷却系统包括风扇，通过风扇对气罐3进行降温。当然，作为一种替代方式，也可以在气罐3上设置冷却水道，冷却系统为水冷式冷却系统，水冷式冷却系统中可设置供水泵或供水电磁阀等等，通过冷却水对气罐3进行降温。空冷式冷却系统和水冷式冷却系统的具体结构为本领域的公知技术，在此不再赘述。这样，使得缸内直喷废气温度可以灵活控制。
气罐3上还设置有废气压力传感器33，废气压力传感器33用于测量气罐3内的压力，并输出信号至电子控制单元10；电子控制单元10还用于根据废气压力传感器33的输出信号判断废气压力是否低于预设值，以在废气压力低于预设值时，向压气机6发送工作指令。这样，使得缸内直喷废气压力可以灵活控制。
为了避免废气中的微粒排放物质进入大气或废气引入管4，排气管2上位于废气引入管4的上游设置有颗粒物捕集器11，可以捕捉废气中的微粒排放物质。
在本实施例中，废气喷射器7的出口处设有导流道71，导流道71与气缸1的中心线之间设有夹角。废气喷射器7为本领域的公知技术，在此不再赘述。
本实施例中还公开了一种废气缸内直喷湍流燃烧方法，采用上述废气缸内直喷湍流燃烧系统，包括如下步骤：
A、从排气管2中将部分废气引入中冷器5，对废气进行降温，冷却后的废气由压气机6压入气罐3中；
B、电子控制单元10根据工况检测单元9的输出信号判断发动机所处工况，在压缩冲程时向废气喷射器7发送喷射废气指令，并对废气喷射相位和喷射量进行控制，废气通过废气喷射器7以一定角度射入所述气缸的燃烧室，形成强湍流。
本发明实施例通过将废气直喷入气缸内形成强烈湍流，强化燃烧室气流扰动，加速燃烧，抵消废气惰性对燃烧的抑制作用，同时由于产生了强湍流，促进燃油扩散混合，防止局部混合气过浓，抑制碳烟生成。本发明形成强湍流的原理与现有技术中预混式燃烧室(整个发动机燃烧室由缸盖内的预燃室和活塞上方的主燃烧室构成，两者之间由孔道连接。预燃室首先着火燃烧后，随着温度和压力升高，燃烧气体经连接孔道高速喷入主燃烧室，产生强烈的湍流)相类似，在此不再赘述。
本发明废气缸内直喷和现有技术中废气进气道喷射原理相类似，都是通过引入高比热的三原子分子气体重新进入燃烧室内，以降低燃烧温度，抑制NOx生成，但废气缸内直喷不存在对进气性能的影响，过量空气系数不会降低，因此不存在碳烟增加风险，同时动力输出不受影响。
此外，由于设计了工况检测单元9、废气温度传感器32和废气压力传感器33，使得缸内直喷废气喷射相位、流量、压力和温度可以灵活控制，因此可实现不同工况下，发动机都有最佳的动力性、经济性和排放性能。
需要说明的是，气缸1的数量不限于一个，可以为多个，例如六个，相应的，废气喷射管8和废气喷射器7有六个。此外，气缸1上还设置有进气阀系12、排气阀系13和喷油器14。当然，喷油器14不限于设置在气缸1上，例如设置在进气管上等等。
实施例二
本实施例与实施例一基本相同，其不同之处在于，如图4和图5共同所示，废气喷射器7的出口处不设置导流道71，在气缸1的缸盖位于废气喷射器7处设有导流道15，导流道15与气缸1的中心线之间设有夹角。
综上，本发明实施例提供的废气缸内直喷湍流燃烧系统及方法，同时降低了NOx和碳烟排放，且不引起发动机动力性和经济性能下降；实现了不同工况下，发动机都有最佳的动力性、经济性和排放性能。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种废气缸内直喷湍流燃烧系统，包括：气缸和与所述气缸连通的排气管，其特征在于，所述废气缸内直喷湍流燃烧系统还包括
气罐，所述气罐通过废气引入管与所述排气管连通，所述气罐上设置有冷却系统，所述废气引入管上沿废气流动方向依次设置有中冷器和压气机；
废气喷射器，所述废气喷射器通过废气喷射管与所述气罐连通，所述废气喷射器安装于所述气缸的缸盖，所述废气喷射器以一定角度向所述气缸内喷射废气；
所述废气喷射器的出口处设有导流道，所述导流道与所述气缸的中心线之间设有夹角；或者，所述气缸的缸盖位于所述废气喷射器处设有导流道，所述导流道与所述气缸的中心线之间设有夹角；
工况检测单元，用于检测发动机工况，并输出信号至电子控制单元；
所述电子控制单元用于根据所述工况检测单元的输出信号判断发动机所处工况，以在压缩冲程时向所述废气喷射器发送废气喷射指令，并对废气喷射相位和喷射量进行控制。
2.根据权利要求1所述的废气缸内直喷湍流燃烧系统，其特征在于，所述气罐上设置有废气温度传感器，所述废气温度传感器用于测量所述气罐内的温度，并输出信号至所述电子控制单元；
所述电子控制单元还用于根据所述废气温度传感器的输出信号判断废气温度是否超过预设值，以在废气温度超过预设值时，向所述冷却系统发送工作指令。
3.根据权利要求2所述的废气缸内直喷湍流燃烧系统，其特征在于，所述冷却系统为水冷式冷却系统或空冷式冷却系统。
4.根据权利要求1或2或3所述的废气缸内直喷湍流燃烧系统，其特征在于，所述气罐上设置有废气压力传感器，所述废气压力传感器用于测量所述气罐内的压力，并输出信号至所述电子控制单元；
所述电子控制单元还用于根据所述废气压力传感器的输出信号判断废气压力是否低于预设值，以在废气压力低于预设值时，向所述压气机发送工作指令。
5.根据权利要求4所述的废气缸内直喷湍流燃烧系统，其特征在于，所述排气管上位于所述废气引入管的上游设置有颗粒物捕集器。
6.根据权利要求5所述的废气缸内直喷湍流燃烧系统，其特征在于，所述气缸有多个，相应的，所述废气喷射管和所述废气喷射器有多个。
7.一种废气缸内直喷湍流燃烧方法，其特征在于，采用如权利要求1至6中任一项所述的废气缸内直喷湍流燃烧系统，包括如下步骤：
A、从所述排气管中将部分废气引入所述中冷器，对废气进行降温，冷却后的废气由所述压气机压入所述气罐中；
B、所述电子控制单元根据所述工况检测单元的输出信号判断发动机所处工况，在压缩冲程时向所述废气喷射器发送喷射废气指令，并对废气喷射相位和喷射量进行控制，废气通过废气喷射器以一定角度射入所述气缸的燃烧室，形成强湍流。
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