CN110284991A - 一种天然气发动机结构及其燃烧组织方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的在于提供一种天然气发动机结构及其燃烧组织方法，包括气缸盖、气缸、活塞，气缸盖里分别安装螺旋进气道、低压单向供气阀、火花塞，气缸盖里设置预燃室，低压单向供气阀的出口连通预燃室，火花塞的端部位于预燃室里，螺旋进气道位于气缸盖外部的部分安装低压天然气喷射阀，所述螺旋进气道包括气道入口、气道出口以及分别连通气道入口和气道出口的螺旋气道，螺旋气道包括相切的立体圆弧体。本发明通过进气道低压喷射形成预混合气，并通过调节低压天然气喷射阀的喷射正时、喷射次数与喷射量，控制缸内混合气浓度梯度分布，实现了分层燃烧与均质燃烧；通过螺旋进气道提高气缸内的涡流强度，提高了燃烧效率。

Description

一种天然气发动机结构及其燃烧组织方法
技术领域
本发明涉及的是一种发动机及控制方法，具体地说是天然气发动机及其控制方法。
背景技术
由于传统石油燃料的日益枯竭,天然气这种高效清洁的燃料渐渐被世界各国所重视。虽然天然气具有高效清洁，价格低廉的优点，但由于天然气的燃点比汽油、柴油等燃料要高，导致点燃天然气所需的能量较高，火焰传播速度相对较低，从而降低了发动机的燃烧效率，影响发动机的排放性与动力性。
典型的电控多点喷射式天然气发动机如美国SPI公司为Benz公司改装的OM352天然气发动机、德国MAN公司的MAN28/32天然气发动机等，通过将天然气喷入进气岐管与空气形成均匀稀薄预混合气后进入气缸。这类天然气发动机不仅避免了气门重叠过程中气体燃料随排气排出，而且有利于混合气的分层燃烧，实现稀薄燃烧。但是对于低负荷工况，电控多点式天然气发动机动力性相对较差。因此，面对发动机的不同工况，采用一种燃烧策略是不可行的。
发明内容
本发明的目的在于提供解决天然气在不同工况下动力性、经济性、排放性相对较差问题的一种天然气发动机结构及其燃烧组织方法。
本发明的目的是这样实现的：
本发明一种天然气发动机结构，其特征是：包括气缸盖、气缸、活塞，气缸盖、气缸和活塞构成燃烧室，气缸盖里分别安装螺旋进气道、低压单向供气阀、火花塞，气缸盖里设置预燃室，低压单向供气阀的出口连通预燃室，火花塞的端部位于预燃室里，螺旋进气道位于气缸盖外部的部分安装低压天然气喷射阀，所述螺旋进气道包括气道入口、气道出口以及分别连通气道入口和气道出口的螺旋气道，螺旋气道包括相切的立体圆弧体。
本发明一种天然气发动机结构还可以包括：
1、预燃室呈球型安装在燃烧室的正上方，预燃室的出口为具有倾斜角度的单孔结构。
本发明一种天然气发动机燃烧组织方法，其特征是：采用如下天然气发动机结构，包括气缸盖、气缸、活塞，气缸盖、气缸和活塞构成燃烧室，气缸盖里分别安装螺旋进气道、低压单向供气阀、火花塞，气缸盖里设置预燃室，低压单向供气阀的出口连通预燃室，火花塞的端部位于预燃室里，螺旋进气道位于气缸盖外部的部分安装低压天然气喷射阀，所述螺旋进气道包括气道入口、气道出口以及分别连通气道入口和气道出口的螺旋气道，螺旋气道包括相切的立体圆弧体；
(1)在天然气发动机处于(0，50％]的中低负荷时，低压天然气喷射阀在排气阀关闭后10-30℃A范围内向螺旋进气道进行两次不等量天然气喷射，使缸内混合气浓度呈由上到下变稀的浓度梯度分布，实现天然气的大浓度梯度分层燃烧；
(2)在天然气发动机处于(50％，75％]的中高负荷时，发动机在燃气模式运行，低压天然气喷射阀在排气阀关闭后10-30℃A范围内向螺旋进气道进行两次等量天然气喷射，使缸内混合气呈由上到下变稀的浓度梯度分布，实现天然气的中等浓度梯度分层；
(3)当天然气发动机大于75％负荷即高负荷时，低压天然气喷射阀在进气冲程排气阀关闭后10-30℃A范围内向螺旋进气道进行单次天然气喷射，使缸内混合气形成稀混合气弱分层分布，实现天然气的相对均质燃烧。
本发明一种天然气发动机燃烧组织方法还可以包括：
1、在天然气发动机处于(0，50％]的中低负荷时，在上止点前15-25℃A使用火花塞进行点火，并将单向供气阀的压力调节为5-6bar。
2、在天然气发动机处于(50％，75％]的中高负荷时，在上止点前10-20℃A使用火花塞进行点火，并将单向供气阀的压力调节为6-8bar。
3、当天然气发动机大于75％负荷即高负荷时，同时在上止点前5-15℃A使用火花塞进行点火，并将单向供气阀的压力调节为8-10bar。
本发明的优势在于：天然气发动机通过进气道低压喷射形成预混合气，并通过调节低压天然气喷射阀的喷射正时、喷射次数与喷射量，控制缸内混合气浓度梯度分布，实现了分层燃烧与均质燃烧；通过螺旋进气道提高气缸内的涡流强度，提高了燃烧效率；调节单向供气阀内的压力使预燃室内的混合气均匀分布；通过火花塞的点火正时控制燃烧始点，从而使天然气发动机在各个工况下的燃料浓度分布处于最佳状态，有利于天然气发动机的稳定、高效率、低排放燃烧。
附图说明
图1为本发明的结构及工作原理图；
图2为螺旋进气道的俯视图；
图3为天然气发动机在0-50％负荷下的混合气分布图；
图4为天然气发动机在50％—75％负荷下的混合气分布图；
图5为天然气发动机在大于75％负荷下的混合气分布图。
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1-5，本发明涉及的天然气发动机燃烧系统主要由活塞1、气缸2、气缸盖3、预燃室4、火花塞5、低压单向供气阀6、螺旋进气道7、低压天然气喷射阀8、进气阀9和燃烧室10等组成。气缸盖3里分别安装螺旋进气道7、低压单向供气阀6、火花塞5，气缸盖3里设置预燃室4，低压单向供气阀6的出口连通预燃室4，火花塞5的端部位于预燃室4里，螺旋进气道7位于气缸盖3外部的部分安装低压天然气喷射阀8，螺旋进气道7包括气道入口、气道出口以及分别连通气道入口和气道出口的螺旋气道，螺旋气道包括相切的立体圆弧体。预燃室4呈球型安装在燃烧室10的正上方，预燃室4的出口为具有倾斜角度的单孔结构。低压天然气喷射阀8安装在螺旋进气道7上，阀为单孔结构。
天然气发动机燃烧系统的螺旋进气道由气道入口、螺旋室、气道出口构成(如图2)，其中螺旋室由相切的多段立体圆弧组成。在进气冲程，螺旋进气道强制空气沿着预期的导流方向进入气缸，产生较强的涡流，使空气与燃气充分混合。进气道采用螺旋结构，在进气旋流的作用下，进气早期喷射的天然气靠近活塞，进气行程后期喷射的天然气更靠近预燃室。
天然气发动机燃烧系统的低压天然气喷射阀安装在螺旋进气道上，阀为单孔结构。根据发动机所处的工况不同，在进气阀开启至进气阀关闭期间进行多次喷射(压力小于1MPa)，根据工况的不同，控制天然气的喷射次数、喷射正时和喷射量，同时利用较强的进气涡流，在缸内形成不同梯度的混合气浓度分层。
上述天然气发动机燃烧系统的单向供气阀安装在预燃室的一侧，根据工况的不同调节单向供气阀内的压力(压力调节范围为5-10bar)，根据供气阀内与预燃室内的压力差打开阀门，往预燃室内喷射天然气，在预燃室内形成均匀的混合气。
天然气发动机燃烧系统的预燃室安装在燃烧室的正上方，采用球型结构，混合气被压入预燃室时可以加强预燃室内的滚流，预燃室出口直径不小于5mm，确保有足够的混合气进入预燃室，当发动机处于压缩上止点时，高温混合气能够从球型预燃室倾斜地喷出到燃烧室的中心凸起位置。
发动机在不同负荷下的具体控制方法如下：
(1)在天然气发动机处于0-50％中低负荷时，低压天然气喷射阀在排气阀关闭后0-30℃A范围内向螺旋进气道进行两次不等量天然气喷射，使缸内混合气浓度呈由上到下逐渐变稀的大浓度梯度分布，实现天然气的大浓度梯度分层燃烧。同时在上止点前15-25℃A使用火花塞进行点火。单向供气阀的压力调节为5-6bar，这是由于低负荷时进气冲程进入缸内的空气流量小，缸内气体压力升高慢，气体压力低，进入预燃室的空气少，较小的压力差能使预燃室内的天然气浓度处于最佳状态分布。图2为天然气发动机在0％-50％负荷下的混合气分布图。
(2)在天然气发动机处于50-75％中高负荷时，低压天然气喷射阀在排气阀关闭后0-30℃A范围内向螺旋进气道进行两次等量天然气喷射，使缸内混合气呈由上到下逐渐变稀的中等浓度梯度分布，实现天然气的中等浓度梯度分层。同时在上止点前10-20℃A使用火花塞进行点火。单向供气阀的压力调节为6-8bar，这是由于中等负荷时进气冲程进入缸内的空气流量适中，气体压力相对低负荷要高，进入预燃室的空气相对较多，采用中等压力能使预燃室内的天然气浓度处于最佳状态分布。图3为天然气发动机在50％—75％负荷下的混合气分布图。
(3)当天然气发动机大于75％负荷即高负荷时，低压天然气喷射阀在进气冲程排气阀关闭后0-30℃A范围内向螺旋进气道进行单次天然气喷射，使缸内混合气有足够的时间形成稀混合气弱分层分布，实现天然气的相对均质燃烧。同时在上止点前5-15℃A使用火花塞进行点火。单向供气阀的压力调节为8-10bar，这是由于高负荷时进气冲程进入缸内的空气流量大，缸内气体压力升高快，气体压力高，进入预燃室的空气多，较大的压力差能使预燃室内的天然气浓度处于最佳状态分布。图4为天然气发动机在大于75％负荷下的混合气分布图。

Claims (6)

1.一种天然气发动机结构，其特征是：包括气缸盖、气缸、活塞，气缸盖、气缸和活塞构成燃烧室，气缸盖里分别安装螺旋进气道、低压单向供气阀、火花塞，气缸盖里设置预燃室，低压单向供气阀的出口连通预燃室，火花塞的端部位于预燃室里，螺旋进气道位于气缸盖外部的部分安装低压天然气喷射阀，所述螺旋进气道包括气道入口、气道出口以及分别连通气道入口和气道出口的螺旋气道，螺旋气道包括相切的立体圆弧体。
2.根据权利要求1所述的一种天然气发动机结构，其特征是：预燃室呈球型安装在燃烧室的正上方，预燃室的出口为具有倾斜角度的单孔结构。
3.一种天然气发动机燃烧组织方法，其特征是：采用如下天然气发动机结构，包括气缸盖、气缸、活塞，气缸盖、气缸和活塞构成燃烧室，气缸盖里分别安装螺旋进气道、低压单向供气阀、火花塞，气缸盖里设置预燃室，低压单向供气阀的出口连通预燃室，火花塞的端部位于预燃室里，螺旋进气道位于气缸盖外部的部分安装低压天然气喷射阀，所述螺旋进气道包括气道入口、气道出口以及分别连通气道入口和气道出口的螺旋气道，螺旋气道包括相切的立体圆弧体；
(1)在天然气发动机处于(0，50％]的中低负荷时，低压天然气喷射阀在排气阀关闭后10-30°CA范围内向螺旋进气道进行两次不等量天然气喷射，使缸内混合气浓度呈由上到下变稀的浓度梯度分布，实现天然气的大浓度梯度分层燃烧；
(2)在天然气发动机处于(50％，75％]的中高负荷时，发动机在燃气模式运行，低压天然气喷射阀在排气阀关闭后10-30°CA范围内向螺旋进气道进行两次等量天然气喷射，使缸内混合气呈由上到下变稀的浓度梯度分布，实现天然气的中等浓度梯度分层；
(3)当天然气发动机大于75％负荷即高负荷时，低压天然气喷射阀在进气冲程排气阀关闭后10-30°CA范围内向螺旋进气道进行单次天然气喷射，使缸内混合气形成稀混合气弱分层分布，实现天然气的相对均质燃烧。
4.根据权利要求3所述的一种天然气发动机燃烧组织方法，其特征是：在天然气发动机处于(0，50％]的中低负荷时，在上止点前15-25°CA使用火花塞进行点火，并将单向供气阀的压力调节为5-6bar。
5.根据权利要求3所述的一种天然气发动机燃烧组织方法，其特征是：在天然气发动机处于(50％，75％]的中高负荷时，在上止点前10-20°CA使用火花塞进行点火，并将单向供气阀的压力调节为6-8bar。
6.根据权利要求3所述的一种天然气发动机燃烧组织方法，其特征是：当天然气发动机大于75％负荷即高负荷时，同时在上止点前5-15°CA使用火花塞进行点火，并将单向供气阀的压力调节为8-10bar。
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