CN109899150A - 一种适用于大缸径微喷柴油-天然气双燃料发动机分层燃烧控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种适用于大缸径微喷柴油‑天然气双燃料发动机分层燃烧控制方法，采用进气道低压喷射、缸内高压直喷相结合的方式实现天然气供给，在心型预燃室内喷射引燃柴油。根据发动机不同运行工况，通过对每循环燃气喷射量、进气道喷射和高压直喷中所占的不同比例以及缸内高压直喷喷气阀的喷气规律的调节，使得缸内形成预燃室出口处燃气浓度区域较高，而随着距离预燃室的距离增加，燃气浓度变低的天然气浓度分层，在心型预燃室出口区域形成有利于的柴油引燃的燃气分布，从而实现双燃料发动机分层快速引燃燃烧的目的。本发明不仅保证了双燃料发动机着火的稳定性，还能够提高发动机的燃烧效率与排放性。

Description

一种适用于大缸径微喷柴油-天然气双燃料发动机分层燃烧 控制方法

技术领域

本发明涉及的是一种燃烧控制方法，具体地说是双燃料发动机燃烧控制方法。

背景技术

近年来，以天然气为燃料的发动机技术飞速发展，在世界范围内被广泛使用，相比于其他能源，天然气被认为是二十一世纪的主导能源。使用天然气，能减少环境污染，缓解能源危机，对环境和能源结构的调整有重要的意义。以天然气为主要燃料的双燃料发动机以其优秀的经济性和排放性得到了广泛应用。但是双燃料发动机也继承了天然气的相关缺点。在燃烧过程中,火焰传播速度较慢,容易造成天然气在燃烧冲程中燃烧不充分,影响天然气发动机的动力性。

带有预燃室结构的双燃料发动机得到了广泛应用，即通过预燃室柴油压燃来点燃主燃烧室内的混合气，预燃室内的高温的柴油火焰来点燃整个缸内的混合气。由于天然气存在着着火稳定性能差及火焰传播速度慢等缺点,所以在大缸径的双燃料发动机上，十分有必要调整发动机缸内天然气的浓度分布,从而提高双燃料发动机的燃烧性能。

如今大部分双燃料发动机的燃料供给方式是在进气道内安装一套天然气供气装置，缸内安装有一套供油装置。天然气喷入进气道内与空气混合后进入缸内,在这种方式下为了改善双燃料发动机的燃烧性能，部分专利如CN104500248A采用了在进气道内多次喷射天然气的方法，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，但无论采用进气道单次喷射还是多次喷射的方法，由于缸内气流的运动，在混合气进入气缸后，单次喷射会使混合气整体呈现上稀下浓的分布,多次喷射会使混合气整体呈现上浓下稀的分布，都存在大量局部过浓或过稀的区域，这种受气流运动的影响而导致的混合气随机分层的情况，是影响天然气火焰传播稳定性的一大原因。

发明内容

本发明的目的在于提供实现大型双燃料发动机缸内混合气的分层快速燃烧，能够大大改善发动机的燃烧性能和排放性能的一种适用于大缸径微喷柴油-天然气双燃料发动机分层燃烧控制方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明一种适用于大缸径微喷柴油-天然气双燃料发动机分层燃烧控制方法，其特征是：采用四冲程发动机，包括活塞、气缸、气缸盖，活塞位于最上方时，气缸、活塞和气缸盖形成ω型主燃烧室，进气道内设置低压燃气供气装置，气缸盖里设置心形预燃室和缸内高压直喷喷气阀，心形预燃室连通ω型主燃烧室，心形预燃室上方设置喷油器，缸内高压直喷喷气阀出口通向ω型主燃烧室；

进气道单次喷射的天然气与空气在进气道内进行预混后进入气缸，气缸内高压直喷喷气阀向气缸内喷射天然气，直喷天然气和预混气在ω型主燃烧室内形成浓度梯度的分层混合气；通过调节进气道喷射和高压直喷所占每循环喷气量的比例和缸内高压直喷燃气阀的喷气规律,控制该混合气分层，具体控制步骤如下：

(1)在发动机处于低负荷工况时，缸内高压直喷喷气阀的天然气量占每循环所需燃气总量的50％以上，缸内高压直喷喷气阀在进气门关闭至喷油点火前进行单次的的天然气喷射，实现缸内混合气的由浓到稀的大浓度梯度分层；

(2)在发动机处于中负荷工况时，缸内高压直喷喷气阀在进气门关闭至喷气点火前进行二次等量的天然气喷射，最后一次喷射时刻喷油时刻前，实现缸内混合气由浓到稀的小梯度分层；

(3)在发动机处于高负荷工况时，超过60％的天然气以进气预混的方式喷入进气道，缸内高压直喷喷气阀在进气门关闭至活塞运行到喷油点火前进行二次不等量的天然气喷射，最后一次喷射时刻为喷油点火时且两次燃料喷射比例为1：3，在缸内形成离喷气阀由近及远由浓到稀的稀薄分层混合气，在预燃室出口形成由里而外由浓到稀的混合气分布。

本发明还可以包括：

1、在发动机处于高负荷工况时，以进气预混的方式喷入进气道的天然气的比例上限为90％。

本发明的优势在于：利用本方法对大型双燃料发动机燃气供给装置进行控制，对发动机的燃烧性能与排放性能具有一定改善；通过对燃气喷射方式，喷射次数，不同喷射方式燃气喷射量的调整，对喷油点火时刻气缸内混合气浓度场的分布有很大的影响，这样就可根据发动机的不同受负荷工况调节燃气喷射方式，对预燃室内喷油器附近混合气实施局部加浓，使缸内的混合气形成一定梯度的分层，从而保证了大型双燃料发动机的稳定点火，提高了发动机燃烧性能和工作的稳定性。

附图说明

图1为本发明系统示意图；

图2为缸内高压直喷燃气阀喷射后，高压高速的天然气射流喷射到ω型主燃烧室正中央的凸台处，一部分浓度的天然气在气流的运动和活塞运动共同作用下反射压入心形预燃室，形成缸内混合气浓度示意图；

图3为心形预燃室内的高温燃气进入ω型主燃烧室的燃气浓度分布示意图；

图4a为缸内高压直喷喷气阀在二次等量喷射的喷射规律作用下的曲线图，图4b为二次等量喷射在气缸内形成的分层混合气示意图，图4c为缸内高压直喷喷气阀在二次不等量喷射的喷射规律作用下的曲线图，图4d为二次不等量喷射在气缸内形成的分层混合气示意图；图4e为缸内高压直喷喷气阀在单次喷射的喷射规律作用下的曲线图，图4f为单次喷射在气缸内形成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1-4f，本发明一种用于大缸径双燃料发动机缸内直喷天然气分层燃烧方法，其系统组成包括：低压燃气喷射阀1、气缸盖7、心形预燃室2、喷油器3、缸内高压直喷喷气阀5、高压天然气供气管路4、固定装置6、活塞9、ω型主燃烧室10、气缸8。所采用的双燃料发动机为四冲程天然气发动机,循环包含进气、压缩、燃烧及排气四冲程；该双燃料发动机采用两套燃料供给装置与一套供油装置：一套为安装在进气道内的低压燃气供气装置1、一套为安装在气缸盖7内的高压直喷供气装置5，柴油喷射装置3安装在预燃室顶部中心；进气道单次喷射的天然气与空气在进气道内进行预混后进入气缸，缸内高压直喷喷气阀5再向缸内喷射天然气，直喷天然气和预混气会在主燃烧室10内形成一定浓度梯度的分层混合气；通过调节进气道喷射和高压直喷所占每循环喷气量的比例和缸内高压直喷燃气阀的喷气规律,可以控制该混合气分层，具体控制步骤如下：

1)在双燃料发动机处于低负荷工况时，天然气主要以高压直喷的方式通过缸内高压直喷喷气阀5进入气缸，高压直喷的天然气量应占每循环所需燃气总量的50％以上；缸内高压直喷喷气阀5在进气门关闭至喷油点火前进行单次的的天然气喷射，实现缸内混合气的由浓到稀的大浓度梯度分层(见图四)，并保证点火稳定。采用这种大尺度分层快速燃烧来提高发动机低负荷状态下燃烧的稳定性与火焰传播速度。

2)在双燃料发动机处于中负荷工况时，天然气主要以高压直喷的方式通过缸内高压直喷喷气阀5进入气缸，每循环所需燃气的大部分燃气由高压直喷的方式提供，但缸内高压直喷喷气阀5在进气门关闭至喷气点火前仅进行二次等量的天然气喷射，最后一次喷射时刻喷油时刻前，实现缸内混合气由浓到稀的小梯度分层(见图四)，保证点火稳定的同时提高了发动机在中负荷工况下缸内的火焰传播速度。

3)在天然气发动机处于高负荷工况时，天然气主要以进气道预混的方式通过低压燃气喷射阀1进入气缸，超过60％的天然气以进气预混的方式喷入进气道，随着负荷的增高，比例最高可达90％；缸内高压直喷喷气阀5在进气门关闭至活塞运行到喷油点火前进行二次不等量的天然气喷射，最后一次喷射时刻为喷油点火时且两次燃料喷射比例为1：3(见图四)，目的是在缸内形成离喷气阀由近及远由浓到稀的小梯度稀薄分层混合气，在预燃室出口附近形成由里而外由浓到稀的小梯度混合气分布；不等量喷射是为了保证喷油器附近的混合气浓度不至于过稀造成点火困难，从而保证了发动机在高负荷工况下整体的稀薄分层快速燃烧。

综上所述,该方法在所述大缸径双燃料发动机的进气道内单次喷射天然气,主燃烧室内高压根据负荷进行单次或多次天然气喷射，采用预燃室点燃的方式,通过调节每循环进气道喷射和高压直喷各自燃气比例和缸内高压直喷喷气阀的喷气规律从而实现缸内分层快速燃烧的方法,保证大型天然气发动机稳定的着火与燃烧。且该方法仅需要在现有大缸径的双燃料发动机机的缸内加装一套缸内高压喷射系统,产业化前景好。

Claims (2)

1.一种适用于大缸径微喷柴油-天然气双燃料发动机分层燃烧控制方法，其特征是：采用四冲程发动机，包括活塞、气缸、气缸盖，活塞位于最上方时，气缸、活塞和气缸盖形成ω型主燃烧室，进气道内设置低压燃气供气装置，气缸盖里设置心形预燃室和缸内高压直喷喷气阀，心形预燃室连通ω型主燃烧室，心形预燃室上方设置喷油器，缸内高压直喷喷气阀出口通向ω型主燃烧室；

进气道单次喷射的天然气与空气在进气道内进行预混后进入气缸，气缸内高压直喷喷气阀向气缸内喷射天然气，直喷天然气和预混气在ω型主燃烧室内形成浓度梯度的分层混合气；通过调节进气道喷射和高压直喷所占每循环喷气量的比例和缸内高压直喷燃气阀的喷气规律,控制该混合气分层，具体控制步骤如下：

(1)在发动机处于低负荷工况时，缸内高压直喷喷气阀的天然气量占每循环所需燃气总量的50％以上，缸内高压直喷喷气阀在进气门关闭至喷油点火前进行单次的的天然气喷射，实现缸内混合气的由浓到稀的大浓度梯度分层；

(2)在发动机处于中负荷工况时，缸内高压直喷喷气阀在进气门关闭至喷气点火前进行二次等量的天然气喷射，最后一次喷射时刻喷油时刻前，实现缸内混合气由浓到稀的小梯度分层；

(3)在发动机处于高负荷工况时，超过60％的天然气以进气预混的方式喷入进气道，缸内高压直喷喷气阀在进气门关闭至活塞运行到喷油点火前进行二次不等量的天然气喷射，最后一次喷射时刻为喷油点火时且两次燃料喷射比例为1：3，在缸内形成离喷气阀由近及远由浓到稀的稀薄分层混合气，在预燃室出口形成由里而外由浓到稀的混合气分布。

2.根据权利要求1所述的一种适用于大缸径微喷柴油-天然气双燃料发动机分层燃烧控制方法，其特征是：在发动机处于高负荷工况时，以进气预混的方式喷入进气道的天然气的比例上限为90％。