CN110318858A - 一种柴油引燃式天然气发动机燃烧系统及燃烧方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种柴油引燃式天然气发动机燃烧系统及燃烧方法，包括发动机、柴油柜、天然气储气罐、高压共轨、低压气轨，所述发动机包括气缸盖、气缸、活塞，气缸盖里分别设置进气道、排气道、喷油器、预燃室，喷油器位于预燃室上方，进气道里安装多级喷气阀，柴油柜通过高压共轨连接喷油器，天然气储气罐通过低压气轨连接多级喷气阀。本发明能够通过控制多级喷气阀进行多次多级燃气喷射，实现燃气量的精确控制，在气缸内形成不同充量和分层状态的混合气，满足发动机不同负荷工况要求；通过调整预燃室多个连接通道位置与主燃室结构相匹配，实现整个燃烧室内混合气多点分层燃烧，提高发动机动力性，经济性和排放性能。

Description

一种柴油引燃式天然气发动机燃烧系统及燃烧方法

技术领域

本发明涉及的是一种发动机燃烧系统及燃烧方法，具体地说是双燃料发动机燃烧系统及燃烧方法。

背景技术

天然气具有资源丰富、价格低廉、燃烧热值高和排放污染低等特点，是一种具有广泛应用前景的代用燃料。柴油引燃式天然气发动机是解决船舶柴油机排放问题和提高燃料经济性的重要途径。常规的柴油引燃式天然气发动机燃气供给方式一般采用缸外多点供气方式，即在进气歧管安装天然气喷气阀，通过电控单元ECU控制天然气喷气阀进行多点顺序喷射，这种燃气供给方式对缸内混合气空燃比控制精确度不高，并且会降低充气效率，降低发动机的输出功率，由于缺乏对混合气空燃比的有效控制和采用单一的燃料喷射策略，往往造成发动机在中小负荷时存在有效效率低、燃料经济性差、碳氢排放高等问题，在大负荷时存在发动机工作粗暴等问题。另一种燃气供给方式为天然气缸内直喷，缸内直喷天然气供给方式是在压缩冲程活塞运动到接近上止点附近时将天然气以一定的压力直接喷人气缸内，这种供气方式避免了缸外供气引起的充气效率低和燃气损失，同时可以实现更精确的燃气喷射量。但是缸内直喷天然气与空气的混合程度较低，使得缸内混合气浓度不均匀，影响缸内燃烧过程。

公开号CN104121102B涉及一种微量柴油引燃直喷天然气发动机燃料供给系统及控制方法，通过电控系统根据发动机的工况分别控制主喷天然气和引燃柴油压力及供给量。公开号CN105298671A涉及一种发动机微柴油引燃天然气当量空燃比燃烧系统及控制方法，通过在发动机排气管道上安装排气净化装置和检测排气成分的传感器，利用预先标定的脉谱图和传感器反馈信号控制柴油和天然气的喷射时间、喷射量和喷射脉宽。以上专利均没有涉及通过优化燃气喷射策略，组织合理的缸内混合气浓度分层状态，通过优化燃烧系统的结构匹配，达到改善缸内混合气燃烧，提高热效率的目的。

发明内容

本发明的目的在于提供能实现燃气量的精确控制，在气缸内形成不同充量和分层状态的混合气，满足发动机不同负荷工况要求的一种柴油引燃式天然气发动机燃烧系统及燃烧方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明一种柴油引燃式天然气发动机燃烧系统，其特征是：包括发动机、柴油柜、天然气储气罐、高压共轨、低压气轨，所述发动机包括气缸盖、气缸、活塞，气缸盖、气缸和活塞构成主燃室，气缸盖里分别设置进气道、排气道、喷油器、预燃室，进气道里设置进气阀，排气道里设置排气阀，喷油器位于预燃室上方，进气道里安装多级喷气阀，柴油柜通过高压共轨连接喷油器，天然气储气罐通过低压气轨连接多级喷气阀。

本发明一种柴油引燃式天然气发动机燃烧系统还可以包括：

1、预燃室通过连接通道与主燃室相通，所述连接通道包括主通道和旁通道，旁通道的数量至少为一个，主通道的中心轴线与气缸中心轴线共线，并与活塞顶面垂直。

2、主通道长径比为1-1.5，旁通道长径比为2-2.5，旁通道与气缸中心轴线夹锐角45°-70°。

3、多级喷气阀包括至少两个燃气喷射阀。

本发明一种柴油引燃式天然气发动机燃烧方法，其特征是：

当发动机处于低负荷时，在进气上止点至下至点前，控制多级喷气阀向进气道进行一次喷射，通过控制燃气喷射阀的工作数量来调整天然气供给量，天然气与空气在进气道内预先混合，在气缸内形成稀薄混合气；在进气阀关闭前，控制多级喷气阀向进气道内进行最后一次燃气喷射，通过控制燃气喷射阀同时工作，在相同的喷射脉宽下喷射更多的天然气，通过控制最后一次燃气喷射定时喷射量，使得气缸上层的混合气浓于下层，在活塞上行的过程中，上层的混合气经过连接通道进入预燃室内，在引燃柴油喷射时刻，柴油首先引燃预燃室内的混合气，混合气燃烧后经连接通道形成与连接通道数量相同的高温高压的燃气射流，高温高压燃气射流作为点火源，点燃主燃室内的浓度分层混合气；

当发动机处于中高负荷时，在进气上止点至下至点前，控制多级喷气阀向进气道内进行单次或多次燃气喷射，在进气阀关闭前，控制多级喷气阀向进气道内进行最后一次燃气喷射，通过控制燃气喷射阀同时工作，在相同的喷射脉宽下供给更多的天然气，在气缸内形成一部分浓度浓于其他部分的混合气；控制系统根据发动机实际工况调整每次燃气喷射次数、喷射定时、喷射脉宽以及喷射量，在缸内形成不同分层状态的混合气，适应发动机当前的工况要求；通过控制最后一次燃气喷射定时和喷射量，使得气缸上层的混合气浓于下层，在活塞上行的过程中，上层的混合气经过连接通道进入预燃室内，在引燃柴油喷射时刻，柴油首先引燃预燃室内混合气，混合气燃烧后经连接通道形成与连接通道数量相同的高温高压的燃气射流，高温高压燃气射流作为点火源，点燃主燃室内的浓度分层混合气，实现整个主燃室区域内混合气多点分层高效燃烧。

本发明的优势在于：本发明通过灵活控制多级喷气阀，实现燃气量的精确控制；通过控制多级喷气阀的喷射次数和喷射级数，向进气道内分阶段喷射不同流量的天然气，能够在缸内实现不同分层状态的混合气，满足发动机不同负荷工况的要求；通过优化预燃室多个连接通道位置与主燃室结构相匹配，实现整个燃烧室内混合气多点分层高效燃烧，提高发动机整体性能。

附图说明

图1是本发明的燃烧系统示意图；

图2是多级喷气阀剖面示意图；

图3是多级喷气阀内单个燃气喷射阀喷射流量特性曲线示意图；

图4是燃烧系统预燃室连接通道位置示意图。

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，本发明一种带有多点多级低压供气与预燃室柴油引燃式天然气发动机燃烧系统，包括气缸盖1、气缸2、预燃室3、主燃室4、进气道5、排气道6、进气阀7、排气门8、多级喷气阀9、低压气管10、低压气轨11、调压器12、滤清器13、天然气储气罐14、喷油器15、高压油管16、高压共轨17、过滤装置18、轻质柴油柜19、控制系统20等。燃烧系统包括天然气低压供给系统和引燃柴油高压供给系统，两个供给系统相互独立。所述天然气低压供给系统包括天然气储气罐14、滤清器、13调压器12、低压气轨11、低压气管10、多级喷气阀9等。多级喷气阀9布置在进气道接近进气阀位置，用于在指定时刻向进气道喷射低压燃气。所述引燃柴油高压供给系统包括轻质柴油柜19、过滤装置18、高压共轨17、高压油管16、喷油器15等。喷油器15安装在预燃室3上，用于在适当时刻向预燃室3内高压喷射少量轻质柴油引燃预燃室3内的可燃混合气。引燃柴油的喷射压力和喷射脉宽以及喷射定时由控制系统20控制。

如图2、3所示，是本发明的多级喷气阀示意图和单个燃气喷射阀喷射流量特性曲线示意图，多级喷气阀9包括多个燃气喷射阀，多个燃气喷射阀分别与控制系统连接，由控制系统单独控制。每个燃气喷射阀的参数相同或不同，单级喷射即单个燃气喷射阀工作可以满足小流量燃气供给，多级喷射即多个燃气喷射阀共同工作可以满足大流量燃气供给，此外，多个燃气喷射阀同时工作可以在相同喷射脉宽内喷射更多的天然气，使天然气快速进入气缸，通过控制多级喷气阀9的喷射次数和喷射级数，向进气道内分阶段喷射不同流量的天然气，实现缸内混合气不同的分层状态，满足发动机不同负荷工况时的要求。

如图4所示，是本发明作为一种实施例的燃烧系统预燃室连接通道位置示意图。预燃室3布置在气缸盖1上，预燃室3与主燃室4通过多个连接通道相通。主燃室4内活塞顶面燃烧室形状可以为浴盆形、球形或ω形燃烧室，多个连接通道的位置与夹角与主燃室4结构相匹配，使得预燃室3内高温高压燃气经多个连接通道的导向至主燃室4指定区域。多个连接通道的直径和长度不同，包括一个直径较大的连接通道和多个直径较小的连接通道，直径加大的连接通道长径比为1-1.5，直径较小的连接通道长径比为2-2.5。所述一个直径较大的连接通道的中心轴线与气缸中心轴线共线，并与活塞顶面垂直。所述多个直径较小的连接通道与气缸中心轴线夹锐角45°-70°。通过改变多个连接通道直径和长度的大小来改变预燃室燃气射流的贯穿距，直径较大的连接通道可以使燃气射流获得较小的贯穿距，引燃主燃室4内中央区域可燃混合气；直径较小且长度较大的连接通道可以使燃气射流获得较大的贯穿距，引燃主燃室4径向区域可燃混合气，同时改善气缸余隙容积内可燃混合气的燃烧。预燃室3内的混合气燃烧后经多个连接通道形成多个燃气射流，多个燃气射流形成多个点火源，使得主燃室4内浓度分层混合气实现多点燃烧，缩短火焰传播距离，提高燃烧速度，缩短燃烧持续期，实现整个燃烧室高效分层燃烧。

本发明提出的一种带有多点多级低压供气与预燃室柴油引燃式天然气发动机燃烧系统及方法，燃烧组织方法如下：

当发动机处于低负荷时，在进气冲程阶段，控制多级喷气阀9向进气道5内进行多次喷射。在进气上止点至下至点前，控制多级喷气阀9向进气道5进行一次喷射，通过控制多个燃气喷射阀工作数量来调整天然气供给量，适应发动机当前的工况要求。一定量的天然气与空气在进气道5内预先混合，可以在缸内形成相对均匀的稀薄混合气。在接近进气阀关闭时，控制多级喷气阀9向进气道5内进行最后一次燃气喷射，通过控制多个燃气喷射阀同时工作，可以在相同的喷射脉宽下喷射更多的天然气，在气缸2内形成一部分较浓的混合气。通过控制最后一次燃气喷射定时喷射量，使得较浓的混合气分布在气缸2的上层，在活塞上行的过程中，较浓混合气经过预燃室3多个连接通道进入预燃室3内，在引燃柴油喷射时刻，柴油首先引燃预燃室3内较浓的混合气，较浓混合气燃烧后经多个连接通道形成多个高温高压的燃气射流，高温高压燃气射流作为点火源，点燃主燃室4内的浓度分层混合气，此外预燃室3多个连接通道的位置和夹角与主燃室形状相匹配，既可以满足主燃室4中央区域的可燃混合气燃烧要求，也可以改善主燃室4径向和气缸余隙容积内可燃混合气的燃烧，实现整个主燃室区域内混合气多点高效燃烧。

当发动机处于中高负荷时，在进气冲程阶段，控制多级喷气阀9向进气道5内进行多次喷射。在进气上止点至下至点前，控制多级喷气阀9向进气道5内进行单次或多次燃气喷射，在接近进气阀关闭时，控制多级喷气阀9向进气道5内进行最后一次燃气喷射，通过控制多个燃气喷射阀同时工作，可以在相同的喷射脉宽下供给更多的天然气，在气缸内形成一部分较浓的混合气。控制系统20根据发动机实际工况调整每次燃气喷射次数、喷射定时、喷射脉宽以及喷射量，在缸内形成不同分层状态的混合气，适应发动机当前的工况要求。通过控制最后一次燃气喷射定时和喷射量，使得较浓的混合气分布在气缸的上层，在活塞上行的过程中，较浓混合气经过预燃室3多个连接通道进入预燃室内，在引燃柴油喷射时刻，柴油首先引燃预燃室3内较浓的混合气，较浓混合气燃烧后经多个连接通道形成多个高温高压的燃气射流，高温高压燃气射流作为点火源，点燃主燃室4内的浓度分层混合气，实现整个主燃室4区域内混合气多点分层高效燃烧。

Claims (5)

1.一种柴油引燃式天然气发动机燃烧系统，其特征是：包括发动机、柴油柜、天然气储气罐、高压共轨、低压气轨，所述发动机包括气缸盖、气缸、活塞，气缸盖、气缸和活塞构成主燃室，气缸盖里分别设置进气道、排气道、喷油器、预燃室，进气道里设置进气阀，排气道里设置排气阀，喷油器位于预燃室上方，进气道里安装多级喷气阀，柴油柜通过高压共轨连接喷油器，天然气储气罐通过低压气轨连接多级喷气阀。

2.根据权利要求1所述的一种柴油引燃式天然气发动机燃烧系统，其特征是：预燃室通过连接通道与主燃室相通，所述连接通道包括主通道和旁通道，旁通道的数量至少为一个，主通道的中心轴线与气缸中心轴线共线，并与活塞顶面垂直。

3.根据权利要求2所述的一种柴油引燃式天然气发动机燃烧系统，其特征是：主通道长径比为1-1.5，旁通道长径比为2-2.5，旁通道与气缸中心轴线夹锐角45°-70°。

4.根据权利要求1-3任一所述的一种柴油引燃式天然气发动机燃烧系统，其特征是：多级喷气阀包括至少两个燃气喷射阀。

5.一种柴油引燃式天然气发动机燃烧方法，其特征是：

当发动机处于低负荷时，在进气上止点至下至点前，控制多级喷气阀向进气道进行一次喷射，通过控制燃气喷射阀的工作数量来调整天然气供给量，天然气与空气在进气道内预先混合，在气缸内形成稀薄混合气；在进气阀关闭前，控制多级喷气阀向进气道内进行最后一次燃气喷射，通过控制燃气喷射阀同时工作，在相同的喷射脉宽下喷射更多的天然气，通过控制最后一次燃气喷射定时喷射量，使得气缸上层的混合气浓于下层，在活塞上行的过程中，上层的混合气经过连接通道进入预燃室内，在引燃柴油喷射时刻，柴油首先引燃预燃室内的混合气，混合气燃烧后经连接通道形成与连接通道数量相同的高温高压的燃气射流，高温高压燃气射流作为点火源，点燃主燃室内的浓度分层混合气；

当发动机处于中高负荷时，在进气上止点至下至点前，控制多级喷气阀向进气道内进行单次或多次燃气喷射，在进气阀关闭前，控制多级喷气阀向进气道内进行最后一次燃气喷射，通过控制燃气喷射阀同时工作，在相同的喷射脉宽下供给更多的天然气，在气缸内形成一部分浓度浓于其他部分的混合气；控制系统根据发动机实际工况调整每次燃气喷射次数、喷射定时、喷射脉宽以及喷射量，在缸内形成不同分层状态的混合气，适应发动机当前的工况要求；通过控制最后一次燃气喷射定时和喷射量，使得气缸上层的混合气浓于下层，在活塞上行的过程中，上层的混合气经过连接通道进入预燃室内，在引燃柴油喷射时刻，柴油首先引燃预燃室内混合气，混合气燃烧后经连接通道形成与连接通道数量相同的高温高压的燃气射流，高温高压燃气射流作为点火源，点燃主燃室内的浓度分层混合气，实现整个主燃室区域内混合气多点分层高效燃烧。