CN110318859A - 一种多次喷射天然气的发动机分层快速燃烧方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种多次喷射天然气的发动机分层快速燃烧方法，其系统包括进气道、排气道、低压天然气喷射阀、具有倾斜出口(单孔)的心形预燃室，以便气流在内形成滚流、火花塞、缸内高压直喷喷气阀以及主燃烧室。本发明采用进气道低压喷射和缸内高压直喷结合的方式供给天然气，针对发动机不同运行工况，通过调节每循环所需燃气总量在进气道喷射和高压直喷中所占的不同比例和缸内高压直喷喷气阀的喷气规律，可以在缸内由预燃室出口向外形成由浓到稀的混合气浓度分层，而火花塞附近也会形成混合气由浓到稀的分布，从而实现天然气发动机分层快速燃烧目的，保证了天然气发动机着火的稳定性，还能够提高发动机效率和降低排放。

Description

一种多次喷射天然气的发动机分层快速燃烧方法

技术领域

本发明涉及的是一种发动机控制方法，具体地说是天然气发动机燃烧控制方法。

背景技术

天然气在我国储量丰富,价格低廉,燃烧清洁,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,从而影响天然气发动机的动力性。

大型天然气发动机多安装有预燃室，靠点燃预燃室内的混合气形成的高温燃气来点燃整个缸内的混合气，由于天然气着火稳定性能差及火焰传播速度慢, 在大缸径的天然气发动机上，决定了必须改变发动机缸内天然气的浓度分布, 从而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的燃料供给方式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并预混的方式,在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，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。

为了使混合气能够充分地燃烧，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由浓混合气引燃稀混合气的着火形式,从而大大缩短火焰传播距离,改善发动机的着火稳定性并实现清洁排放的一种多次喷射天然气的发动机分层快速燃烧方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明一种多次喷射天然气的发动机分层快速燃烧方法，其特征是：包括气缸、气缸盖、活塞、进气道，活塞与气缸盖之间形成ω型主燃烧室，气缸盖里设置缸内高压直喷喷气阀、高压天然气供气管路、心形预燃室、火花塞，火花塞头部位于心形预燃室，高压天然气供气管路连通缸内高压直喷喷气阀，缸内高压直喷喷气阀为单孔结构并倾斜设置，其倾斜角度使得缸内高压直喷喷气阀的燃气射流喷射到ω型主燃烧室的中心凸起上，心形预燃室的出口具有倾斜角度，使得心形预燃室的燃气射流倾斜地喷射到ω型主燃烧室的中心凸起上，进气道里设置低压燃气喷射阀；

低压燃气喷射阀在进气阀开启至进气阀关闭期间单次喷射天然气，天然气与空气在进气道内初步混合后进入气缸；缸内高压直喷喷气阀在进气阀关闭至活塞运行到上止点前10℃A期间进行至少两次等量或不等量的天然气喷射；两种供气方式供气量的具体控制方案如下：

在天然气发动机处于中、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比例≧70％，以实现缸内大尺度的分层快速燃烧；

在天然气发动机处于高负荷工况时，低压燃气喷射阀的天然气量占每循环所需燃气总量的比例≧60％，以实现缸内小尺度稀薄分层快速燃烧。

本发明还可以包括：

1、缸内高压直喷喷气阀的喷射策略为：

(1)在天然气发动机处于低负荷工况时，缸内高压直喷喷气阀进行三次等量的天然气喷射，实现缸内大梯度浓度分层；

(2)在天然气发动机处于中负荷工况时，缸内高压直喷喷气阀进行二次等量的天然气喷射，实现缸内小梯度浓度分层；

(3)在天然气发动机处于高负荷工况时，缸内高压直喷喷气阀进行二次不等量的天然气喷射，且两次喷射燃料所占比例为1：3，在缸内形成距喷气阀由近及远由浓到稀的小梯度分层混合气。

本发明的优势在于：利用本发明对大型天然气发动机燃料供给装置进行控制,燃气喷射量及燃气喷射次数对发动机的燃烧及排放性能均有较为明显的影响,这主要是由于燃气喷射量及燃气喷射次数决定了点火时刻气缸内混合气浓度场的分布，这样就可针对发动机的不同受负荷工况,以局部分层的方式即：对预燃室内火花塞周围混合气实施小范围的局部加浓，对缸内大范围内的混合气进行一定梯度的分层；来保证大型天然气发动机的稳定点火，提高火焰传播速度和发动机工作的稳定性。

附图说明

图1为本发明的系统示意图；

图2为缸内高压直喷喷气阀最后一次喷射后，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由于气流的运动作用反射压入心形预燃室，形成的部分混合气示意图。；

图3为心形预燃室内的高温燃气进入ω型主燃烧室的燃气分布示意图；

图4a为缸内高压直喷喷气阀二次等量喷射规律曲线，图4b为缸内高压直喷喷气阀二次等量喷射，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二次不等量喷射规律曲线，图4d为缸内高压直喷喷气阀二次不等量喷射，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三次等量喷射曲线，图4f为缸内高压直喷喷气阀三次等量喷射，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，本发明一种预燃室引燃缸内高压多次喷射天然气的发动机分层快速燃烧方法，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、火花塞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。所采用的天然气发动机为四冲程天然气发动机,每循环分别包含进气行程、压缩行程、燃烧行程及排气行程；该天然气发动机采用两套燃料供给装置：一套低压供气装置1安装在进气道内、一套缸内高压直喷供气装置5安装在气缸盖7内；进气道单次喷射的天然气先与空气在进气道内进行预混，然后进入气缸，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。缸内高压直喷喷气阀5为单孔结构并倾斜的安装在缸盖7内，其安装位置能够保证活塞运行至压缩上止点前10℃A时高压燃气射流能直接喷射到ω型主燃烧室的中心凸起上；心形预燃室2的出口为具有一定倾斜角度的单孔结构，可以加强预燃室内气流的滚流，在预燃室形状和气流运动的配合下，混合气会在火花塞附近形成由浓到稀的分布；心形预燃室2的安装位置要能够保证在活塞运行至压缩上止点时，高温燃气射流从预燃室内倾斜地喷射到ω型主燃烧室的中心凸起上；火花塞3布置在心形预燃室2的正中央处。缸内高压直喷喷气阀5的最后一次喷射时刻为活塞8运行到上止点前10℃A，高压高速的天然气射流喷射到ω型主燃烧室10正中央的凸起上，受气流和活塞运动的影响一部分反射气流会被压入心形预燃室2，被压入预燃室的天然气受滚流的影响，在火花塞附近呈现由浓到稀的分布，从而保证天然气发动机在各个工况下点火的稳定性。缸内高压直喷喷气阀5的最小喷射贯穿距到预燃室入口的垂直距离应保证≧d，以防止最后一次高压喷射压入预燃室内的天然气浓度过大，点火困难。

通过调节每循环所需燃气总量在进气道喷射和高压直喷中所占的不同比例和缸内高压直喷喷气阀的喷气规律,可以控制该混合气分层的尺度，具体控制步骤如下：

1)在天然气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占每循环所需燃气总量的比例应≧70％；缸内高压直喷喷气阀5在进气门关闭至活塞运行到上止点前 10℃A期间进行三次等量的天然气喷射，最后一次喷射时刻为上止点前10℃A (见图2)，实现缸内混合气的由浓到稀的大梯度分层(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和火焰传播的稳定性。

2)在天然气发动机处于中负荷工况时，天然气仍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占每循环所需燃气总量的比例应≧70％，但缸内高压直喷喷气阀5在进气门关闭至活塞运行到上止点前10℃A期间仅进行二次等量的天然气喷射，最后一次喷射时刻仍为上止点前10℃A(见图2)，实现缸内混合气由浓到稀的小梯度分层(见图4)，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，进气预混的天然气量占每循环所需燃气总量的比例应≧60％；缸内高压直喷喷气阀5在进气门关闭至活塞运行到上止点前10℃ A期间进行二次不等量的天然气喷射，最后一次喷射时刻为上止点前10℃A (见图2)且两次燃料喷射比例为1：3(见图4)，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，在火花塞附近形成由浓到稀的小梯度混合气分布；不等量喷射是为了保证火花塞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,该方法在所述大型天然气发动机的进气道内单次喷射天然气,主燃烧室内高压多次喷射天然气，采用预燃室点燃的方式,通过调节每循环燃气总量在进气道喷射和高压直喷中所占的不同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型预燃室气体机的缸内加装一套缸内高压喷射系统,产业化前景好。

Claims (2)

1.一种多次喷射天然气的发动机分层快速燃烧方法，其特征是：包括气缸、气缸盖、活塞、进气道，活塞与气缸盖之间形成ω型主燃烧室，气缸盖里设置缸内高压直喷喷气阀、高压天然气供气管路、心形预燃室、火花塞，火花塞头部位于心形预燃室，高压天然气供气管路连通缸内高压直喷喷气阀，缸内高压直喷喷气阀为单孔结构并倾斜设置，其倾斜角度使得缸内高压直喷喷气阀的燃气射流喷射到ω型主燃烧室的中心凸起上，心形预燃室的出口具有倾斜角度，使得心形预燃室的燃气射流倾斜地喷射到ω型主燃烧室的中心凸起上，进气道里设置低压燃气喷射阀；

低压燃气喷射阀在进气阀开启至进气阀关闭期间单次喷射天然气，天然气与空气在进气道内初步混合后进入气缸；缸内高压直喷喷气阀在进气阀关闭至活塞运行到上止点前10°CA期间进行至少两次等量或不等量的天然气喷射；两种供气方式供气量的具体控制方案如下：

在天然气发动机处于中、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比例≧70％，以实现缸内大尺度的分层快速燃烧；

在天然气发动机处于高负荷工况时，低压燃气喷射阀的天然气量占每循环所需燃气总量的比例≧60％，以实现缸内小尺度稀薄分层快速燃烧。

2.根据权利要求1所述的一种多次喷射天然气的发动机分层快速燃烧方法，其特征是：缸内高压直喷喷气阀的喷射策略为：

(1)在天然气发动机处于低负荷工况时，缸内高压直喷喷气阀进行三次等量的天然气喷射，实现缸内大梯度浓度分层；

(2)在天然气发动机处于中负荷工况时，缸内高压直喷喷气阀进行二次等量的天然气喷射，实现缸内小梯度浓度分层；

(3)在天然气发动机处于高负荷工况时，缸内高压直喷喷气阀进行二次不等量的天然气喷射，且两次喷射燃料所占比例为1：3，在缸内形成距喷气阀由近及远由浓到稀的小梯度分层混合气。