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一种带有高低压气体喷射和微喷柴油的天然气发动机燃烧控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明的目的在于提供一种带有高低压气体喷射和微喷柴油的天然气发动机燃烧控制方法，根据发动机不同工况下缸内混合气的分层情况，及时控制引燃柴油的喷射正时，保证缸内混合气充分、稳定的燃烧。喷入的引燃柴油量固定为5％，其具体控制方式如下：在高负荷工况下，缸内直喷喷油器的开启范围为活塞运行到上止点前5°CA～10°CA期间，保证高负荷下发动机缸内燃烧的稳定性。在中低负荷工况下，缸内直喷喷油器的开启范围为活塞运行到上止点前10°CA～20°CA，使低负荷下发动机缸内燃烧的更充分。本发明通过控制天然气发动机的喷气正时和喷射次数来反向控制发动机不同负荷下缸内混合气的浓度分布，从而提高发动机的工作效率。

Description

一种带有高低压气体喷射和微喷柴油的天然气发动机燃烧控 制方法
技术领域
本发明涉及的是一种发动机燃烧控制方法，具体地说是天然气发动机燃烧控制方法。
背景技术
天然气是一种非常适合作为传统内燃机替代燃料的新型能源。因此,天然气发动机以其优良的经济性为公众知晓。虽然天然气发动机使用经济、排放清洁,但天然气的主要成分是甲烷,其燃点比汽油和柴油都高,表现在燃烧过程中,就是火焰传播速度相对较慢,容易造成天然气在做功行程中燃烧不充分,而改变发动机缸内天然气的浓度分布,可以有效地改善天然气发动机缸内的燃烧效果。
目前,大部分天然气发动机是在进气道内安装一套天然气供气装置，采用进气道内单次喷射天然气的控制策略,这种方式下为了改善天然气发动机的燃烧性能，部分专利如CN104500248A采用了在进气道内多次喷射天然气的方法，但采用进气道多次喷射的方法，受气流的运动影响，在混合气进入气缸后，会形成大量混合气局部过浓或过稀的区域，无法完全保证混合气整体呈现上浓下稀的分布，为了尽量避免受气流运动的影响而导致的混合气随机分层的情况，以MAN公司为代表，有少部分天然气发动机采用缸内高压直喷的方法单次向气缸内喷入天然气，通过对喷气时刻和点火时刻的配合控制，缩短燃气在缸内的扩散时间，保证在点火时，缸内混合气整体呈现上浓下稀的分布，而国内这种缸内直喷燃料技术目前多应用在双燃料发动机或者汽油机中，如专利CN105041512A、CN1455079A；尽管缸内直喷能有效降低气流运动的影响，但是缸内单次直喷的控制方法无法实现缸内多尺度的分层快速燃烧，也无法适时调整符合发动机当前工况下的混合气浓度梯度，仍然存在天然气燃烧不完全的情况。
发明内容
本发明的目的在于提供实现天然气发动机在不同工况下的分层快速燃烧，提高发动机的效率并降低排放的一种带有高低压气体喷射和微喷柴油的天然气发动机燃烧控制方法。
本发明的目的是这样实现的：
本发明一种带有高低压气体喷射和微喷柴油的天然气发动机燃烧控制方法，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燃烧室，进气歧管和排气歧管均连通燃烧室，进气管与燃烧室相通处设置进气阀，排气管与燃烧室相通处设置排气阀，气缸盖里分别设置缸内直喷喷油器、缸内高压直喷喷气阀，缸内直喷喷油器和缸内高压直喷喷气阀的头部伸入至燃烧室里，进气歧管里设置低压燃气喷射阀；
在高负荷工况下，低压燃气喷射阀在发动机进气阶段进气阀开启后10℃A向进气道内单次喷射天然气，由低压燃气喷射阀喷射的天然气质量占发动机每循环消耗的天然气总量的比例≧60％；在进气阀关闭至活塞运行到上止点前30°CA期间，缸内直喷喷气阀分别在曲轴转角560℃A～600℃A区间和650℃A～690℃A区间进行一共两次的等量天然气喷射，由缸内直喷喷气阀喷射的天然气质量占发动机每循环消耗的天然气总量的比例≦40％；缸内直喷喷油器的开启范围为活塞运行到上止点前5℃A～10℃A期间；
在中低负荷工况下，缸内高压直喷喷气阀只进行单次喷射，低压燃气喷射阀不工作；高压直喷喷气阀的喷气时刻为活塞运行至上止点前120℃A，由缸内直喷喷气阀喷射的天然气质量占发动机每循环消耗的天然气总量的比例为100％；缸内直喷喷油器的开启范围为活塞运行到上止点前10℃A～20℃A期间。
本发明的优势在于：本发明针对微喷柴油引燃的天然气发动机进行研究,发现天然气的喷射正时和喷射次数对发动机的燃烧及排放性能有明显的影响,这主要取决于引燃时刻缸内混合气浓度场的分布；这样就可通过控制天然气发动机的喷气正时和喷射次数来反向控制发动机不同负荷下缸内混合气的浓度分布，从而提高发动机的工作效率。
附图说明
图1为本发明的带有高低压气体喷射和微喷柴油的天然气发动机燃烧系统示意图；
图2为缸内高压直喷喷气阀与低压燃气喷射阀的喷射示意图；
图3为缸内直喷喷油器喷入引燃柴油的示意图；
图4a为中低负荷下的单次喷射规律曲线，图4b为中低负荷下缸内的分层混合气示意图，图4c为高负荷下的单次喷射规律曲线，图4d为高负荷下缸内的分层混合气示意图。
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，本发明一种带有高低压气体喷射和微喷柴油的天然气发动机燃烧控制方法，该燃烧系统包括：低压燃气喷射阀1、进气阀8、排气阀9、气缸盖6、缸内高压直喷喷气阀2、高压供气管路3、缸内直喷喷油器5、供油管路4、浴盆形燃烧室7。该燃烧系统拥有两套供气装置：一套低压供气装置安装在进气道内，在发动机高负荷工况下工作，向进气道喷射一定质量的预混天然气；一套缸内高压直喷供气装置安装在气缸盖内，负责发动机不同负荷下，向缸内喷入一定质量和浓度的天然气；发动机每循环燃烧所消耗的天然气总量为高压直喷喷气阀2向缸内喷射的天然气质量与低压燃气喷射阀1向进气道喷射的天然气质量之和，通过控制缸内高压直喷喷气阀2向缸内喷射的天然气质量和喷射次数，以及低压燃气喷射阀1向进气道喷射的天然气质量，来实现天然气发动机在不同工况下缸内混合气的不同浓度梯度的分层；缸内直喷喷油器5的引燃柴油喷射量固定为5％，并当活塞8运行到上止点前5℃A～20℃A期间进行喷射，喷入的微量柴油会先引燃高压直喷喷气阀附近的局部浓混合气，再由已燃的浓混合气点燃外围的稀混合气，实现缸内的逐层着火，达到发动机稳定快速分层燃烧的目的。具体的控制方法如下：
1)在高负荷工况下，低压燃气喷射阀1在发动机进气阶段(进气阶段为进气阀的开启阶段，进气阀的开启区间为350℃A～560℃A)进气阀8开启后10°CA向进气道内单次喷射天然气，由低压燃气喷射阀1喷射的天然气质量占发动机每循环消耗的天然气总量的比例应≧60％；在进气阀8关闭(活塞位于下止点后20℃A)至活塞运行到上止点前30℃A期间，缸内直喷喷气阀2分别在曲轴转角560℃A～600℃A区间和650℃A～690℃A区间进行一共两次的等量天然气喷射，由缸内直喷喷气阀2喷射的天然气质量占发动机每循环消耗的天然气总量的比例应≦40％；实现缸内天然气大范围浓度较低、缸内直喷喷气阀2附近浓度较高的混合气的分层；缸内直喷喷油器5的开启范围为活塞运行到上止点前5℃A～10℃A期间，以保证高负荷下发动机缸内燃烧的稳定性。
2)在中低负荷工况下，发动机每循环消耗的天然气总量较低，故缸内高压直喷喷气阀2只进行单次喷射，低压燃气喷射阀1不工作；高压直喷喷气阀2的喷气时刻为活塞运行至上止点前120℃A，由缸内直喷喷气阀2喷射的天然气质量占发动机每循环消耗的天然气总量的比例为100％，采用120℃A的大角度提前喷射能够增加天然气在缸内的混合时间，保证中低负荷下发动机缸内的混合气出现明显的梯度分布，避免出现浓度梯度较大的两极分层情况，保证发动机工作的稳定性；缸内直喷喷油器5的开启范围为活塞运行到上止点前10°CA～20℃A期间，使低负荷下发动机缸内燃烧的更充分。
综上所述,本发明提供的一种带有高低压气体喷射和微喷柴油的天然气发动机燃烧系统与燃烧控制方法：天然气发动机在高负荷工况下，采用进气道低压喷射与缸内高压多次直喷相结合的供气方式，通过控制缸内高压直喷喷气阀2向缸内喷射的天然气质量和喷射次数，以及低压燃气喷射阀1向进气道喷射的天然气质量，在缸内形成混合气的浓度分层；在中低负荷工况下，采用缸内高压单次直喷的供气方式，通过控制缸内高压直喷喷气阀2的喷气量和喷气正时，在缸内形成混合气的大尺度分层；再根据发动机所处的工况，及时控制引燃柴油的喷射正时，从而实现天然气发动机在不同工况下的分层快速燃烧，整体提高了发动机的工作效率。

Claims (1)

1.一种带有高低压气体喷射和微喷柴油的天然气发动机燃烧控制方法，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燃烧室，进气歧管和排气歧管均连通燃烧室，进气管与燃烧室相通处设置进气阀，排气管与燃烧室相通处设置排气阀，气缸盖里分别设置缸内直喷喷油器、缸内高压直喷喷气阀，缸内直喷喷油器和缸内高压直喷喷气阀的头部伸入至燃烧室里，进气歧管里设置低压燃气喷射阀；
在高负荷工况下，低压燃气喷射阀在发动机进气阶段进气阀开启后10°CA向进气道内单次喷射天然气，由低压燃气喷射阀喷射的天然气质量占发动机每循环消耗的天然气总量的比例≧60％；在进气阀关闭至活塞运行到上止点前30°CA期间，缸内直喷喷气阀分别在曲轴转角560°CA～600°CA区间和650°CA～690°CA区间进行一共两次的等量天然气喷射，由缸内直喷喷气阀喷射的天然气质量占发动机每循环消耗的天然气总量的比例≦40％；缸内直喷喷油器的开启范围为活塞运行到上止点前5°CA～10°CA期间；
在中低负荷工况下，缸内高压直喷喷气阀只进行单次喷射，低压燃气喷射阀不工作；高压直喷喷气阀的喷气时刻为活塞运行至上止点前120°CA，由缸内直喷喷气阀喷射的天然气质量占发动机每循环消耗的天然气总量的比例为100％；缸内直喷喷油器的开启范围为活塞运行到上止点前10°CA～20°CA期间。
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