CN109268164A - 一种天然气发动机燃烧组织方法及装置 - Google Patents

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Abstract

一种天然气发动机燃烧组织方法及装置涉及内燃机燃烧方法领域，具体涉及一种天然气发动机燃烧组织方法及装置。一种天然气发动机装置包括第一低压燃气喷射阀、第二低压燃气喷射阀、进气门、主进气道、长进气道、短进气道、火花塞、气缸盖、第一弯曲喷管、第二弯曲喷管和半球形燃烧室。一种天然气发动机燃烧组织方法，根据发动机不同工况，独立控制第一低压燃气喷射阀和第二低压燃气喷射阀的喷气量和喷气规律，促使缸内形成一定浓度梯度的分层混合气；控制火花塞适时点燃缸内的分层混合气，缩短半球形燃烧室内火焰传播距离。实现天然气发动机的分层快速燃烧，有效提高了天然气发动机点火和工作的稳定性。

Description

一种天然气发动机燃烧组织方法及装置
技术领域
本发明涉及内燃机燃烧方法领域，具体涉及一种天然气发动机燃烧组织方法及装置。
背景技术
天然气具有着火性差、火焰传播速度慢等问题,在天然气发动机上，必须合理组织发动机缸内天然气的浓度分布来优化天然气发动机缸内的燃烧过程，从而实现高效低排放燃烧。
目前,大部分天然气发动机采用单进气道内喷射天然气的供气方式。为了改善采用这种供气方式的天然气发动机的燃烧性能，部分专利如CN104500248A提出了在进气道内多次喷射天然气的方法，根据发动机的不同负荷，在进气道内提供不同浓度梯度的混合气进入气缸，实现一定程度的分层燃烧，但多次喷射反而延长了天然气进入缸内的时间，会降低发动机的进气效率，导致进气残留，且缸内混合气的分层有大量随机性，容易导致较大燃烧循环变动。
为了进一步改善天然气发动机的燃烧性能，一些天然气发动机采用螺旋气道供气或者双气道供气，加强了混合气进入缸内的横向大尺度流动，但这类天然气发动机通常是在进气道内安装一套供气装置，在采用双气道进气时，天然气进入各气道是随机的，导致不同气道间的进气效率、混合气进入缸内的扩散方向都会存在差异，更不能适当的控制缸内混合气的分层效果。
发明内容
本发明的目的在于提供分层快速燃烧与工作稳定的一种天然气发动机燃烧组织方法及装置。
一种天然气发动机燃烧组织方法，包括以下步骤：
(1)根据发动机不同工况，独立控制第一低压燃气喷射阀和第二低压燃气喷射阀的喷气量和喷气规律，实现第一低压燃气喷射阀和第二低压燃气喷射阀的同时喷射、间隔喷射、顺序喷射、交替喷射，利用喷射形式变化所实现的双进气道内气体燃料进入缸内时间和流动特性的差异、双进气道内燃气浓度分布的不均匀性，促使缸内形成一定浓度梯度的分层混合气；
(2)控制火花塞适时点燃缸内的分层混合气，缩短半球形燃烧室内火焰传播距离。
步骤(1)中，第一低压燃气喷射阀和第二低压燃气喷射阀的相位差不能超过40°CA，且两者的喷气持续期要始终位于进气门开启后20°CA到进气门关闭前80°CA间。
步骤(1)中，第一低压燃气喷射阀和第二低压燃气喷射阀的喷气次数为1到2次。
步骤(1)中，喷气规律包括喷气正时、喷气持续期、喷气次数。
一种天然气发动机装置，包括第一低压燃气喷射阀、第二低压燃气喷射阀、进气门、主进气道、长进气道、短进气道、火花塞、气缸盖、第一弯曲喷管、第二弯曲喷管和半球形燃烧室，发动机每缸具有双直进气道、双喷气阀和双喷管结构，主进气道末端分成长进气道和短进气道，对应每缸的进气管上装有两个低压喷气阀为第一低压燃气喷射阀及第二低压燃气喷射阀，第一低压燃气喷射阀与第一弯曲喷管相连，第一弯曲喷管的另一端延伸至长进气道内，第二低压燃气喷射阀与第二弯曲喷管相连，第二弯曲喷管的另一端延伸至短进气道内，第一弯曲喷管和第二弯曲喷管均具有单孔结构，喷气方向为喷管出口截面的法线方向。
主进气道采用弯曲壁面结构。
长进气道和短进气道均为直进气道。
本发明的有益效果在于：
根据发动机不同工况，独立控制两个低压燃气喷射阀的喷气量和喷气规律，利用双进气道内气体燃料进入缸内时间和流动特性的差异、双进气道内燃气浓度分布的不同，促使缸内形成一定浓度梯度的分层混合气，控制火花塞适时点燃缸内的分层混合气，实现天然气发动机的分层快速燃烧，有效提高了天然气发动机点火和工作的稳定性。
附图说明
图1天然气发动机装置示意图；
图2天然气发动机装置正视剖面图；
图3发动机低负荷下，气阀升程拟合曲线与低压燃气喷气阀喷气规律拟合曲线对比图；
图4发动机中负荷下，气阀升程拟合曲线与低压燃气喷气阀喷气规律拟合曲线对比图；
图5发动机高负荷下，气阀升程拟合曲线与低压燃气喷气阀喷气规律拟合曲线对比图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。
一种采用双直进气道独立喷气的天然气发动机燃烧组织方法，其燃烧系统组成包括：1—低压燃气喷射阀、2—低压燃气喷射阀、3—主进气道、4—长进气道、5—短进气道、6—进气门、7—气缸盖、8—排气阀孔、9—火花塞、10—半球形燃烧室、11—弯曲喷管、12—弯曲喷管。采用四冲程双直进气道式天然气发动机,该天然气发动机的燃烧系统结构如图1所示，其特征是：发动机主进气道3采用弯曲壁面结构，其末端分成长进气道4和短进气道5，长进气道4和短进气道5均为直进气道，以便进气道在发动机缸盖内的布置，并能够加强缸内气体的滚流运动；对应每缸的进气管上装有两个低压喷气阀，第一低压燃气喷射阀1与第一弯曲喷管11相连，第一弯曲喷管11的另一端延伸至长进气道4内，实现第一低压燃气喷射阀1对长进气道4的单独供气，第二低压燃气喷射阀2与第二弯曲喷管12相连，第二弯曲喷管12的另一端延伸至短进气道5内，实现第二低压燃气喷射阀2对短进气道5的单独供气；第一弯曲喷管11和第二弯曲喷管12均具有单孔结构，喷气方向为喷管出口截面的法线方向，且在进气门6开启期间喷气射流能够穿过进气门和气门座之间的间隙直接进入缸内，实现快速进气；第一低压喷气阀1和第二低压喷气阀2向长进气道4和短进气道5内喷射的燃料可以相同也可以不同，根据发动机不同工况，独立控制两个低压燃气喷射阀的喷气量和喷气规律(喷气正时、喷气持续期、喷气次数)，形成燃气喷射阀间的同时喷射、间隔喷射、顺序喷射、交替喷射，利用喷射形式变化所实现的双进气道内气体燃料进入缸内时间和流动特性的差异、双进气道内燃气浓度分布的不均匀性，促使缸内形成一定浓度梯度的分层混合气，控制火花塞9适时点燃缸内的分层混合气，半球形燃烧室结构能够缩短火焰传播距离，达到天然气发动机快速燃烧的目的。现以两个燃气喷射阀单次喷射、喷射持续期相同、均喷射天然气为例，详细阐述本燃烧方法所包含控制策略的主要发明内容：
(1)在天然气发动机处于低负荷工况时，第一低压燃气喷射阀1在进气门6打开后50°CA到70°CA期间开启，经第一弯曲喷管11向长进气道4内喷射天然气，第二低压燃气喷射阀2在进气门打开后80°CA到100°CA期间开启，经第二弯曲喷管12向短进气道5内喷射天然气，两个燃气喷射阀的喷气相位相差30°CA，形成间隔喷射，喷气持续期拟合曲线与气阀升程拟合曲线如图3所示，目的是给予天然气和空气足够的混合时间，同时适当延长短进气道内气体进入气缸的时间，促进缸内混合气形成自上而下由浓到稀的浓度分布；火花塞9的点火正时控制在活塞上止点前20到30°CA范围内，此时缸内混合气的分层梯度较大，大浓度梯度的分层燃烧使缸内燃烧得更充分，有效提高发动机低负荷工况下工作的稳定性。
(2)在天然气发动机处于中负荷工况时，第一低压燃气喷射阀1在进气门6打开后30°CA～50°CA期间开启，经第一弯曲喷管11向长进气道4内喷射天然气，第二低压燃气喷射阀2在进气门6打开后45°CA～65°CA期间开启，经第二弯曲喷管12向短进气道5内喷射天然气，两个燃气喷射阀的喷气相位相差15°CA，形成顺序喷射，喷气持续期拟合曲线与气阀升程拟合曲线如图4所示，目的是提高天然气与空气混合的均匀性，相位差的缩短降低了短进气道5内混合气进入气缸的延时性，促进缸内混合气形成自上而下由浓到稀的小梯度分层；火花塞9的点火正时控制在活塞上止点前15～25°CA范围内，此时缸内混合气的分层梯度较小，小浓度梯度的分层燃烧能够加快火焰在缸内的传播速度，有效提高发动机中负荷工况下的工作效率。
(3)在天然气发动机处于高负荷工况时，第一低压燃气喷射阀1在进气门6打开后10°CA～25°CA期间开启，经第一弯曲喷管11向长进气道4内喷射天然气，低压燃气喷射阀2在进气门6打开后15°CA～30°CA期间开启，经第二弯曲喷管12向短进气道5内喷射天然气，两个燃气喷射阀的喷气相位相差5°CA，基本形成同时喷射，喷气持续期拟合曲线与气阀升程拟合曲线如图5所示，目的是保证短进气道5、长进气道4内的混合气能同时进入气缸，促进缸内混合气的匀质分布；火花塞9的点火正时控制在活塞上止点前10～20°CA范围内，此时缸内混合气呈大范围匀质，局部小浓度梯度的分层，这种小浓度梯度的匀质分层燃烧不仅保证了缸内火焰的快速传播，提高了发动机的工作效率，而且能有效降低发动机高负荷工况下的排放。
综上所述,该燃烧方法将传统天然气发动机的进气道改装成双直进气道，并在对应每缸的进气管上装有两个低压喷气阀，每个喷气阀与相应的独立弯曲喷管连接，两个喷管均具有单孔结构并分别伸入两个气道内独立供气，喷气方向为喷管出口截面的法线方向，两个低压喷气阀向两个进气道内喷射的燃料可以相同也可以不同，根据发动机不同工况，独立控制两个低压燃气喷射阀的喷气量和喷气规律(喷气正时、喷气持续期、喷气次数)，利用双进气道内气体燃料进入缸内时间和流动特性的差异、双进气道内燃气浓度分布的不同，促使缸内形成一定浓度梯度的分层混合气，控制火花塞适时点燃缸内的分层混合气，实现天然气发动机的分层快速燃烧，产业化前景较好。
最后应说明的是：以上提到的燃烧系统组成和控制策略的实施，仅为本发明燃烧方法中众多实施方案的一种，本领域技术人员应当理解,本发明方法中涉及的发明范围,并不仅限于上述方案,同时也涵盖在不脱离所述发明构思的情况下,由上述技术特征或其等同特征组合而成的其它方案。
为了进一步改善天然气发动机的燃烧性能，一些天然气发动机采用螺旋气道供气或者双气道供气，加强了混合气进入缸内的横向大尺度流动，但这类天然气发动机通常是在进气道内安装一套供气装置，在采用双气道进气时，天然气进入各气道是随机的，导致不同气道间的进气效率、混合气进入缸内的扩散方向都会存在差异，更不能适当的控制缸内混合气的分层效果。
任何喷射形式下，第一低压燃气喷射阀1与第二低压燃气喷射阀2喷射的相位差不能超过40°CA，且两者的喷气持续期要始终位于进气门6开启后20°CA到进气门6关闭前80°CA间，以保证快速进气和缸内混合气形成理想的分层效果。
第一低压燃气喷射阀1与第二低压燃气喷射阀2喷气次数的选取不宜过多，1-2次为宜，主要通过控制第一低压燃气喷射阀1与第二低压燃气喷射阀2在发动机低、中、高负荷工况下的喷射量和喷气正时，控制长进气道4、短进气道5内的天然气进入缸内的燃气量和时间。
当发动机的喷气总量一定时，可通过调整第一低压燃气喷射阀1与第二低压燃气喷射阀2的供气比例，即调节第一低压燃气喷射阀1与第二低压燃气喷射阀2的喷气持续期，改变双进气道内燃气的浓度分布。
本发明的有益效果和技术特点是：将天然气发动机的进气道改装成双直进气道，对应每缸的进气管上装有两个低压喷气阀，每个喷气阀与相应的独立弯曲喷管连接，两个喷管均具有单孔结构并分别伸入两个气道内独立供气，喷气方向为喷管出口截面的法线方向，两个低压喷气阀喷射的燃料可以相同也可以不同，根据发动机不同工况，独立控制两个低压燃气喷射阀的喷气量和喷气规律(喷气正时、喷气持续期、喷气次数)，利用双进气道内气体燃料进入缸内时间和流动特性的差异、双进气道内燃气浓度分布的不同，促使缸内形成一定浓度梯度的分层混合气，控制火花塞适时点燃缸内的分层混合气，实现天然气发动机的分层快速燃烧，有效提高了天然气发动机点火和工作的稳定性。

Claims (7)

1.一种天然气发动机燃烧组织方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)根据发动机不同工况，独立控制第一低压燃气喷射阀和第二低压燃气喷射阀的喷气量和喷气规律，实现第一低压燃气喷射阀和第二低压燃气喷射阀的同时喷射、间隔喷射、顺序喷射、交替喷射，利用喷射形式变化所实现的双进气道内气体燃料进入缸内时间和流动特性的差异、双进气道内燃气浓度分布的不均匀性，促使缸内形成一定浓度梯度的分层混合气；
(2)控制火花塞适时点燃缸内的分层混合气，缩短半球形燃烧室内火焰传播距离。
2.根据权利要求1所述的一种天然气发动机燃烧组织方法，其特征在于：所述步骤(1)中，所述的第一低压燃气喷射阀和第二低压燃气喷射阀的相位差不能超过40℃A，且两者的喷气持续期要始终位于进气门开启后20℃A到进气门关闭前80℃A间。
3.根据权利要求1所述的一种天然气发动机燃烧组织方法，其特征在于：所述步骤(1)中，所述的第一低压燃气喷射阀和第二低压燃气喷射阀的喷气次数为1到2次。
4.根据权利要求1所述的一种天然气发动机燃烧组织方法，其特征在于：所述步骤(1)中，所述的喷气规律包括喷气正时、喷气持续期、喷气次数。
5.一种天然气发动机装置，其特征在于，包括第一低压燃气喷射阀、第二低压燃气喷射阀、进气门、主进气道、长进气道、短进气道、火花塞、气缸盖、第一弯曲喷管、第二弯曲喷管和半球形燃烧室，发动机每缸具有双直进气道、双喷气阀和双喷管结构，主进气道末端分成长进气道和短进气道，对应每缸的进气管上装有两个低压喷气阀为第一低压燃气喷射阀及第二低压燃气喷射阀，第一低压燃气喷射阀与第一弯曲喷管相连，第一弯曲喷管的另一端延伸至长进气道内，第二低压燃气喷射阀与第二弯曲喷管相连，第二弯曲喷管的另一端延伸至短进气道内，第一弯曲喷管和第二弯曲喷管均具有单孔结构，喷气方向为喷管出口截面的法线方向。
6.根据权利要求5所述的一种天然气发动机装置，其特征在于：所述的主进气道采用弯曲壁面结构。
7.根据权利要求5所述的一种天然气发动机装置，其特征在于：所述的长进气道和短进气道均为直进气道。
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