CN109184982B - 一种预燃室低压供气和柴油微喷引燃的天然气发动机燃烧组织方法 - Google Patents

一种预燃室低压供气和柴油微喷引燃的天然气发动机燃烧组织方法 Download PDF

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Abstract

本发明的目的在于提供一种采用歧管多次喷射、预燃室低压供气和柴油微喷引燃的天然气发动机燃烧组织方法，低压喷气阀安装在每缸进气歧管，不同工况下，控制低压喷气阀的喷射次数和正时，使天然气在缸内形成不同程度的浓度梯度分布；单向供气阀安装在预燃室顶部，进气冲程向预燃室供气；喷油器倾斜安装在预燃室右上方，压缩冲程末向预燃室喷入微量柴油，柴油自燃点燃其中的混合气，高温燃气喷入主燃室引燃缸内混合气。本发明通过调节单向阀的供气压力，调整供入预燃室内天然气的量，保证不同工况下的点火稳定性，通过歧管多次喷射实现缸内稀混合气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

一种预燃室低压供气和柴油微喷引燃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
当前传统石油等资源逐渐面临枯竭，与此同时传统燃料燃烧带来的环境问题也日益得到世界各国的重视，寻找新的替代能源势在必行。天然气作为一种储量丰富、排放清洁的绿色燃料，其研究得到世界各国的广泛关注。
天然气发动机预混合进气分为进气总管单点喷射和进气歧管多点喷射，进气总管单点喷射在整个发动机循环中不间断供气，这样在气阀重叠角内会造成大量的天然气逃逸，不利于发动机的排放性能，同时进气总管喷射会占用较多的体积，导致充气效率下降，进而影响发动机的动力性能，采用进气歧管多点喷射可以避开气阀重叠角，避免天然气逃逸，同时还可以精确控制各缸燃气供应量，改善各缸燃烧的不均匀性，有利于实现空燃比精确控制，提高发动机热效率，降低氮氧化物排放。
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、燃烧持续期长，易产生较大的循环变动，稀混合气也容易出现失火及爆震现象，为了解决这些问题一方面可以改进点火系统，另一方面可以采用分层燃烧的燃烧组织方式。
改进点火系统方面，可以采用高能点火线圈，但这种方式点火的范围小、成本较高、维修不便，国内相关技术还不够成熟，为了保证点火的稳定性，可以采用预燃室加微喷引燃的形式，这种方式既能保证点火的稳定性，还能采用较大的压缩比，拓宽稀燃极限。
对于天然气发动机，如果燃空混合气在整个燃烧区域内都是同一性质，火焰的传播速度就较慢，燃烧过程长，后燃严重，热负荷和排温较高，且随着缸径的增加，这些问题越来越突出。采用分层燃烧系统可以加快火焰传播速度，缩短燃烧持续期，有利于改善燃烧过程，同时预燃室可以将燃烧区域分割，有利于降低热负荷。
在使用微喷引燃改进点火系统方面，有的专利对适用于微喷的喷油器进行了研究如CN107514328A，这种喷油具有喷油量小且稳定性高的特点；有的专利对微喷引燃型发动机控制系统进行了研究如CN105971746A,这种控制系统包含多个单元，可以实现燃料模式的精确切换控制；在天然气发动机供气方式方面，有的专利对多次喷射进行了研究如CN104500248A,这种多次喷射控制方法在进气门侧针对不同负荷进行不同喷射次数的控制；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、合理组织分层燃烧以及实现稳定点火等问题进行详细研究。
发明内容
本发明的目的在于提供保证不同工况下预燃室内都能形成浓度合理的混合气，实现不同工况下缸内混合气稳定着火以及混合气快速分层燃烧的一种采用歧管多次喷射、预燃室低压供气和柴油微喷引燃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：
本发明一种采用歧管多次喷射、预燃室低压供气和柴油微喷引燃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，进气道连通主燃室，进气道与主燃室相通处设置进气阀，气缸盖里分别设置喷油器、低压单向供气阀，低压单向供气阀和喷油器的出口连通预燃室，预燃室通过预燃室出口连通主燃室，进气道上设置低压燃气喷射阀；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，喷油器轴线与气缸盖下表面形成的角度在30°-60°范围内；
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：
低负荷时，进气冲程排气阀关闭后，低压燃气喷射阀开始工作，进行单次喷射，燃气在进气门开启最大升程后5-25°CA开始喷射；
中负荷时，进气道内低压燃气喷射装置采用两次喷射，第一次喷射时间为进气冲程排气阀关闭后0-30°CA范围内，第二次喷射时间为进气门开启最大升程后10-30°CA范围内，两次燃料喷射的比例在1：2-1：3的范围内；
高负荷时，低压燃气喷射阀进行单次喷射，喷射开始时刻在排气阀关闭后0-30°CA范围内。
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、低压单向供气阀供气压力以及微喷柴油的比例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，通过低压燃气喷射阀在不同工况下采用不同的喷射次数以及喷射脉宽，在主燃室内形成合理尺度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，可以改善天然气发动机失火及爆震问题，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为本发明的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以及柴油喷射区域示意图；
图3为低负荷时缸内天然气浓度梯度分布示意图；
图4为中负荷时缸内天然气浓度梯度分布示意图；
图5为高负荷时缸内天然气浓度梯度分布示意图；
图6为本发明的流程图。
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1-6，带有预燃室低压供气的预混合微喷引燃的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、喷油器4、低压单向供气装置5、预燃室6、进气阀7、歧管低压燃气喷射装置8、进气道9、主燃室10。主燃室由活塞上表面、气缸套周壁以及气缸盖下表面组成；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；喷油器倾斜安装在预燃室右上方，喷油器轴线与气缸盖平面所成角度在30-60°范围内；低压单向供气阀安装在预燃室顶部中心位置；低压燃气喷气阀安装在进气道内，喷射压力为5bar，喷嘴采用单孔结构，不同工况采用不同的喷射次数与喷射脉宽。
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涡流并向预燃室顶部流去，涡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，涡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，喷油器向预燃室内喷入微量柴油，占燃烧室内燃料总能量的2-5％，柴油在高压下被压燃形成能量较大初始火焰，引燃预燃室内的混合气，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。
当天然气发动机处于高负荷时，与低负荷时相反，此时空气增压压力大，进气管内空气流量大，进气冲程进入气缸的空气多，缸内气体压力升高快，压缩冲程被挤入预燃室的空气也较多，此时为单向供气阀匹配一个较大的供气压力，与进气冲程气缸内的气体压力形成较大的压力差，让单向阀处于小流量、短供气的工作状态，使足够的天然气被压入预燃室，以便于在预燃室内得到合适的空燃比，此时喷油器喷射的柴油比例适量减少，占燃烧室内燃料总能量的1-2％，以保证预燃室内混合气稳定点火，中负荷时工期压力与柴油喷射比例可由线性插值确定。
不同工况下燃气喷射策略如图6所示，发动机传感器采集转速和节气门位置信号传递给ECU单元，ECU单元判断发动机负载状态，根据不同的负载状态给出不同的喷射正时与喷射次数，最后控制信号传递给执行器，控制燃气系统的喷射动作，具体如下：
低负荷时，进气冲程排气阀关闭后，低压燃气喷射阀开始工作，进行单次喷射，燃气在进气门开启最大升程后5-25°CA开始喷射，此时缸内的气流运动开始减弱，喷入缸内的天然气在弱气流作用下混合速度较慢，最终会形成靠近进气阀的区域天然气较浓，远离汽缸盖的区域天然气浓度较稀的分布状态。低负荷时总体燃料较少，浓稀区域的天然气浓度梯度较小，较小梯度的天然气能保证缸内混合气快速燃烧，压缩冲程末，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缸内中上层较浓的混合气，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。
中负荷时，进气道内歧管低压燃气喷射装置采用两次喷射，第一次喷射时间为进气冲程排气阀关闭后0-30°CA范围内，进气阀关闭后开始喷射是为了防止天然气通过排气阀进入排气管内，此时喷射的天然气会随空气气流一起进入燃烧室，由于空气气流运动在不断增强，进入缸内的天然气在气流作用下会不断混合，最终形成较均匀的稀混合气，第二次喷射时间为进气门开启最大升程后10-30°CA范围内，此时气流运动开始减弱，喷入缸内的天然气混合能力下降，在靠近进气阀的区域天然气较浓，远离进气阀的区域天然气较稀，两次燃料喷射的比例控制在1：2-1：3的范围内，两次喷射结束后在燃烧室内形成天然气浓度分层。
高负荷时，低压燃气喷射阀进行单次喷射，由于燃气充足，采用单次喷射，喷射开始时刻是在排气阀关闭后0-30°CA范围内，此时空气气流运动不断增强，喷入缸内的天然气与空气会形成良好的混合，这样缸内会形成比较均匀的混合气，避免浓度梯度较大导致的NOx排放增加的问题，在燃料充足的情况下预燃室内火焰也可以较为稳定的传播。

Claims (1)

1.一种预燃室低压供气和柴油微喷引燃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，进气道连通主燃室，进气道与主燃室相通处设置进气阀，气缸盖里分别设置喷油器、低压单向供气阀，低压单向供气阀和喷油器的出口连通预燃室，预燃室通过预燃室出口连通主燃室，进气道上设置低压燃气喷射阀；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，喷油器轴线与气缸盖下表面形成的角度在30°-60°范围内；
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：
低负荷时，进气冲程排气阀关闭后，低压燃气喷射阀开始工作，进行单次喷射，燃气在进气门开启最大升程后5-25°CA开始喷射；
中负荷时，进气道内低压燃气喷射阀采用两次喷射，第一次喷射时间为进气冲程排气阀关闭后0-30°CA范围内，第二次喷射时间为进气门开启最大升程后10-30°CA范围内，两次燃料喷射的比例在1：2-1：3的范围内；
高负荷时，低压燃气喷射阀进行单次喷射，喷射开始时刻在排气阀关闭后0-30°CA范围内。
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