CN110410234A - 天然气直喷装置及具有其的双喷射分层燃烧系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于发动机技术领域，具体涉及一种天然气直喷装置及具有其的双喷射分层燃烧系统，该天然气直喷装置包括火花塞壳体、中心电极和侧电极，火花塞壳体内设置有至少一个直喷通道，直喷通道设置成将高压天然气输送到燃烧室中，中心电极设置于火花塞壳体内，且中心电极的点火部伸出火花塞壳体，侧电极连接在火花塞壳体上，且侧电极与点火部对应设置，根据本发明实施例的天然气直喷装置，将直喷通道集成到火花塞壳体上，天然气通过直喷通道直接进入燃烧室，中心电极与侧电极配合点火，天然气可吹散积聚在中心电极附近的废气，并对中心电极和侧电极进行冷却，降低回火和不正常点火发生几率，提高发动机可靠性，并有利于组织喷雾引导分层。

Description

天然气直喷装置及具有其的双喷射分层燃烧系统

技术领域

本发明属于发动机技术领域，具体涉及一种天然气直喷装置及具有其的双喷射分层燃烧系统。

背景技术

本部分提供的仅仅是与本公开相关的背景信息，其并不必然是现有技术。

目前，由于储量丰富、排放清洁以及存储安全等优点，以天然气为代表的替代燃料，成为内燃机行业的重要发展方向之一，然而，天然气发动机和常规汽油机一样都需要直喷装置进行点火，因此受到爆燃限制，增压比和压缩比都无法进一步提高，并且天然气混合气热值也比同条件下的柴油低，因此动力性和经济性不如常规柴油机；另外，天然气点火能量高但不易着火，并且燃烧速度较慢，燃烧不稳定，循环变动和各缸均匀性都较汽油机差，并且天然气常温下为气体，进气道喷射占据部分空气空间，造成泵气损失增加，限制了发动机的动力性和经济性；火花塞一直处于发动机内部，使用EGR(Exhaust Gas Recirculation废气再循环)后在中心电极附近会积聚有大量废气，致使点火困难。

发明内容

本发明的目的是至少解决发动机点火困难不易着火以及循环气耗高的问题。该目的是通过以下技术方案实现的：

本发明第一方面提出了一种天然气直喷装置，包括火花塞壳体、中心电极和侧电极，所述火花塞壳体内设置有至少一个直喷通道，所述直喷通道设置成将高压天然气输送到燃烧室中，所述中心电极设置于所述火花塞壳体内，且所述中心电极的点火部伸出所述火花塞壳体，所述侧电极连接在所述火花塞壳体上，且所述侧电极与所述点火部对应设置。

根据本发明实施例的天然气直喷装置，将直喷通道集成到火花塞壳体上，结构紧凑，易于原有发动机的改制，天然气的压力高，能够通过直喷通道快速且直接进入到燃烧室中，中心电极与侧电极配合点火为车辆提供动力，高压天然气从直喷通道中涌出时可吹散积聚在中心电极附近的废气，改善火花塞的点火环境，提高着火性能，解决了燃烧循环波动大和各缸均匀性差的问题，并对中心电极和侧电极进行强制冷却，降低回火和不正常点火发生的几率，提高发动机可靠性，此外，本实施例装置还利于组织喷雾引导分层燃烧，进而降低循环气耗。

另外，根据本发明实施例的天然气直喷装置，还可具有如下附加的技术特征：

在本发明的一些实施例中，还包括单向阀，所述单向阀设置在所述直喷通道内，且所述单向阀设置成在所述高压天然气的压力下打开所述直喷通道。

在本发明的一些实施例中，所述单向阀包括阀芯，所述阀芯设置在所述直喷通道内，且所述阀芯能够沿所述直喷通道直线运动；

第一状态下，所述阀芯在所述高压天然气的压力下打开所述直喷通道，第二状态下，所述阀芯密封所述直喷通道。

在本发明的一些实施例中，所述单向阀还包括弹性件，所述弹性件设置在所述阀芯和所述直喷通道之间。

在本发明的一些实施例中，所述弹性件处于形变状态。

在本发明的一些实施例中，所述单向阀还包括阀座，所述阀座设置在所述直喷通道内，并设置有与所述直喷通道连通的出气口；

所述弹性件设置在所述阀芯和所述阀座之间。

在本发明的一些实施例中，还包括第一进气管和电磁阀，所述第一进气管、所述电磁阀和所述直喷通道依次连接。

在本发明的一些实施例中，还包括控制装置，所述控制装置与所述电磁阀电连接，且所述控制装置根据发动机需求启闭所述电磁阀。

本发明第二方面提供了一种双喷射分层燃烧系统，具有上述任一技术方案中所述的天然气直喷装置，还具有进气道喷射装置；

所述天然气直喷装置与所述燃烧室连通，并设置成所述燃烧室内输送所述高压天然气；

所述进气道喷射装置与所述燃烧室连通，并设置成向所述燃烧室内输送混合气体。

本发明实施例的双喷射分层燃烧系统与上述实施例中的天然气直喷装置具有相同的优势，在此不再赘述，另外，双喷射分层燃烧系统包括可实现缸内直喷的天然气直喷装置和可实现进气道喷射的进气道喷射装置，两种喷射方式结合既能利用缸内直喷的技术优势，同时又能弥补缸内直喷的不足，由于进气道喷射装置可组织较稀的混合气体甚至不含有天然气的混合气体进入到燃烧室中，而直喷装置将天然气喷入到燃烧室中的混合气体中，这样一来位于火花塞附近的天然气浓度高于其他位置的天然气浓度，从而实现天然气的主动分层，天然气主动分层降低了燃烧热损失和爆震倾向，可以提高压缩比并增加点火提前角，以降低天然气的消耗，同时有助于提高发动机的EGR(Exhaust GasRecirculation，废气再循环)适应性，以进一步降低氮氧化物的排放和发动机热负荷，相较于现有技术，由进气道进入到燃烧室中的天然气喷射量较少，增加了由进气道进入的空气的占比，降低了泵气损失，提高了发动机的动力性，进气道喷射和缸内直喷结合又避免了缸内直喷持续时间过长导致匹配困难。

在本发明的一些实施例中，所述进气道喷射装置包括第二进气管、废气进气管、节气门和混合器，所述第二进气管设置成输送低压天然气，所述废气进气管设置成输送废气，所述节气门设置成输送空气，所述第二进气管、所述废气进气管和所述节气门均与所述混合器连通，所述低压天然气、所述废气和所述空气在所述混合器中形成所述混合气体。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1为本发明实施例的双喷射分层燃烧系统的立体结构示意图；

图2为本发明实施例的天然气直喷装置的立体结构示意图；

图3为图2所示的天然气直喷装置的A处的放大示意图；

图4为图2所示的天然气直喷装置中的火花塞的立体结构示意图；

图5为图2所示的天然气直喷装置的火花塞的剖视图；

图6为图5所示的天然气直喷装置的B处的放大示意图；

图7为图5所示的天然气直喷装置的C处的放大示意图；

图8为图7所示的天然气直喷装置的阀座的剖面结构示意图。

附图中各标记表示如下：

1、天然气直喷装置；11、火花塞壳体；12、中心电极；13、侧电极；14、直喷通道；15、单向阀；16、第一进气管；17、电磁阀；18、点火线圈；19、高压线；

111、接线口；

141、第一通道；142、第二通道；143、第三通道；

151、阀芯；152、弹性件；153、阀座；1531、出气口；1532、固定部；

2、进气道喷射装置；21、第二进气管；22、废气进气管；23、节气门；24、混合器。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

应理解的是，文中使用的术语仅出于描述特定示例实施方式的目的，而无意于进行限制。除非上下文另外明确地指出，否则如文中使用的单数形式“一”、“一个”以及“所述”也可以表示包括复数形式。术语“包括”、“包含”、“含有”以及“具有”是包含性的，并且因此指明所陈述的特征、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但并不排除存在或者添加一个或多个其它特征、步骤、操作、元件、部件、和/或它们的组合。

尽管可以在文中使用术语第一、第二、第三等来描述多个元件、部件、区域、层和/或部段，但是，这些元件、部件、区域、层和/或部段不应被这些术语所限制。这些术语可以仅用来将一个元件、部件、区域、层或部段与另一区域、层或部段区分开。除非上下文明确地指出，否则诸如“第一”、“第二”之类的术语以及其它数字术语在文中使用时并不暗示顺序或者次序。因此，以下讨论的第一元件、部件、区域、层或部段在不脱离示例实施方式的教导的情况下可以被称作第二元件、部件、区域、层或部段。

为了便于描述，可以在文中使用空间相对关系术语来描述如图中示出的一个元件或者特征相对于另一元件或者特征的关系，这些相对关系术语例如为“内部”、“外部”、“内侧”、“外侧”、“下面”、“下方”、“上面”、“上方”等。这种空间相对关系术语意于包括除图中描绘的方位之外的在使用或者操作中装置的不同方位。例如，如果在图中的装置翻转，那么描述为“在其它元件或者特征下面”或者“在其它元件或者特征下方”的元件将随后定向为“在其它元件或者特征上面”或者“在其它元件或者特征上方”。因此，示例术语“在……下方”可以包括在上和在下的方位。装置可以另外定向(旋转90度或者在其它方向)并且文中使用的空间相对关系描述符相应地进行解释。

如图1至图8所示，本发明第一方面提供了一个实施例的天然气直喷装置，包括火花塞壳体11、中心电极12和侧电极13，火花塞壳体11内设置有至少一个直喷通道14，直喷通道14设置成将高压天然气输送到燃烧室中，中心电极12设置于火花塞壳体11内，且中心电极12的点火部伸出火花塞壳体11，侧电极13连接在火花塞壳体11上，且侧电极13与点火部对应设置。

根据本发明实施例的天然气直喷装置，将直喷通道14集成到火花塞壳体11上，结构紧凑，易于原有发动机的改制，天然气的压力高，能够通过直喷通道14快速且直接进入到燃烧室中，中心电极12与侧电极13配合点火为车辆提供动力，高压天然气从直喷通道14中涌出时可吹散积聚在中心电极12附近的废气，改善火花塞的点火环境，并对中心电极12和侧电极13进行强制冷却，降低回火和不正常点火发生的几率，提高发动机可靠性，高压天然气吹散废气后，中心电极12和侧电极13附近的惰性气体减少，提高了着火性能，且解决了燃烧循环波动大和各缸均匀性差的问题。

根据本发明实施例的天然气直喷装置，直喷通道14的数量可为一个、两个或多个，在一个实施例中为三个，说明书及说明书附图以直喷通道14为三个为例进行说明，其中，火花塞壳体11、中心电极12和侧电极13构成了火花塞。

在本发明的一些实施例中，还包括点火线圈18和与点火线圈18连接的高压线19，火花塞壳体11上设置有接线口111，高压线19穿过接线口111与中心电极12连接。

在本发明的一些实施例中，还包括设置在直喷通道14内的单向阀15，单向阀15沿直喷通道14直线运动打开或关闭直喷通道，具体的，单向阀15向燃烧室的方向运动打开直喷通道14和燃烧室连通以使高压天然气进入到燃烧室中，当不需要天然气时，单向阀15向背离燃烧室的方向运动再次关闭直喷通道14，同时起到防止高压天然气燃烧产生的高温气体进入到火花塞壳体11的内部损坏直喷通道14，进一步的，直喷通道14包括第一通道141、第二通道142和第三通道143，第一通道141、第二通道142和第三通道143依次连通，且第二通道142的直径小于第一通道141的直径，第三通道143的直径大于第二通道142的直径，单向阀15设置在第三通道143内，并抵在第二通道142上。

在本发明的一些实施例中，单向阀15包括阀芯151和设置在阀芯151与第三通道143之间的弹性件152，单向阀15设置在直喷通道14的下方，此时，第一状态下，天然气向下压阀芯151，阀芯151压缩弹性件152，气体压力需要大于阀芯151收到的向上的合力，天然气进入到燃烧室中，第二状态下，阀芯151在弹性件152弹力的作用下恢复至密封第二通道142，天然气不再进入到燃烧室中，进一步的，弹性件152在阀芯151密封第二通道142时，弹性件152处于形变被压缩状态，此时的弹性件152对阀芯151产生一个弹力使阀芯151紧密贴在第二通道142上，防止天然气泄漏，提高发动机的可靠性。

其中，弹性件152可为橡胶、柱状弹簧或弹片等，在一个实施例中为柱状弹簧，柱状弹簧与阀芯151之间的连接可为抵接或卡接，在此不做限定，柱状弹簧与第三通道143之间的连接为卡接或插接，便于对于进行更换。

在本发明的一些实施例中，为了方便安装阀芯151和弹性件152，单向阀15还包括设置在第三通道143内的阀座153，阀座153上设置有出气口1531，天然气从直喷通道14中出来经由出气口1531进入到燃烧室中，且出气口1531朝向第三通道143的一侧延伸设置有固定部1532，弹性件152套设在固定部1532上，防止单向阀15在不断启闭的过程中弹性件152发生移位，致使密封失效。

其中，阀座153可拆卸连接在第三通道143内，可为螺接、卡接或铰接，在一个实施例中为螺接，方便对单向阀15中的阀芯151和弹性件152进行检修更换，以保证密封的有效性。

在本发明的一些实施例中，还包括第一进气管16和电磁阀17，第一进气管16、电磁阀17和直喷通道14依次连接，第一进气管16用于高压天然气的输送，通过电磁阀17控制第一进气管16和直喷通道14之间的通断，进一步的，电磁阀17与控制装置相连接，控制装置为发动机的ECU(Electronic Control Unit电子控制单元)，控制装置根据发动机需求，控制电磁阀17打开和关闭时间即控制通过直喷通道14进入到燃烧室中的天然气的流量，发动机需求包括发动机的转速和负荷。

本发明第二方面提供了一个实施例的双喷射分层燃烧系统，具有上述实施例的天然气直喷装置1，还具有进气道喷射装置2；

天然气直喷装置1与燃烧室连通，并设置成燃烧室内输送高压天然气；

进气道喷射装置2与燃烧室连通，并设置成向燃烧室内输送混合气体。

本发明实施例的双喷射分层燃烧系统与上述实施例中的天然气直喷装置1具有相同的优势，在此不再赘述，另外，双喷射分层燃烧系统包括可实现缸内直喷的天然气直喷装置1和可实现进气道喷射的进气道喷射装置2，两种喷射方式结合既能利用缸内直喷的技术优势，同时又能弥补缸内直喷的不足，由于进气道喷射装置可组织较稀的混合气体甚至不含有天然气的混合气体进入到燃烧室中，而直喷装置将天然气喷入到燃烧室中的混合气体中，这样一来位于火花塞附近的天然气浓度高于其他位置的天然气浓度，从而实现天然气的主动分层，天然气分层降低了燃烧热损失和爆震倾向，可以提高压缩比并增加点火提前角，以降低天然气的消耗，同时有助于提高发动机的EGR(Exhaust Gas Recirculation，废气再循环)适应性，以进一步降低氮氧化物的排放和发动机热负荷，相较于现有技术，由进气道进入到燃烧室中的天然气喷射量较少，增加了由进气道进入的空气的占比，降低了泵气损失，提高了发动机的动力性，进气道喷射和缸内直喷结合避免了缸内直喷持续时间过长导致匹配困难，总体上，发动机的动力性、经济性和排放性可以得到提升。

本发明实施例的双喷射分层燃烧系统根据发动机状态包括发动机的转速和负荷大小，根据不同的发动机的状态，双喷射分层燃烧系统具有三种工作状态，第一种为天然气直喷装置1工作，进气道喷射装置2不工作；第二种为天然气直喷装置1不工作，进气道喷射装置2工作；第三种为天然气直喷装置1与进气道喷射装置2同时工作。

在本发明的一些实施例中，天然气直喷装置1提供高压天然气，压力为30bar，进气道喷射装置2提供混合气体，具体的是通过第二进气管21、废气进气管22和节气门23分别输送低压天然气、废气和空气，第二进气管21、废气进气管22和节气门23均与混合器24连通，低压天然气的压力为5-9bar，三种气体进入到混合器24中进行混合至均匀，在通过进气歧管均匀分配到各缸的进气道中，再进入到燃烧室中进行燃烧，这样一来位于火花塞附近的天然气浓度高于其他位置的天然气浓度，形成主动分层燃烧，第二进气管21还与控制装置连接，控制装置为发动机的ECU(Electronic Control Unit电子控制单元)，控制装置根据发动机需求，控制第二进气管21打开和关闭的时间即控制通过进气道进入到燃烧室中的天然气的流量，发动机需求包括发动机的转速和负荷。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种天然气直喷装置，其特征在于，包括：

火花塞壳体，所述火花塞壳体内设置有至少一个直喷通道，所述直喷通道设置成将高压天然气输送到燃烧室中；

中心电极，所述中心电极设置于所述火花塞壳体内，且所述中心电极的点火部伸出所述火花塞壳体；

侧电极，所述侧电极连接在所述火花塞壳体上，且所述侧电极与所述点火部对应设置。

2.根据权利要求1所述的天然气直喷装置，其特征在于，还包括：

单向阀，所述单向阀设置在所述直喷通道内，且所述单向阀设置成在所述高压天然气的压力下打开所述直喷通道。

3.根据权利要求2所述的天然气直喷装置，其特征在于，所述单向阀包括：

阀芯，所述阀芯设置在所述直喷通道内，且所述阀芯能够沿所述直喷通道直线运动；

第一状态下，所述阀芯在所述高压天然气的压力下打开所述直喷通道，第二状态下，所述阀芯密封所述直喷通道。

4.根据权利要求3所述的天然气直喷装置，其特征在于，所述单向阀还包括：

弹性件，所述弹性件设置在所述阀芯和所述直喷通道之间。

5.根据权利要求4所述的天然气直喷装置，其特征在于，所述弹性件处于形变状态。

6.根据权利要求4所述的天然气直喷装置，其特征在于，所述单向阀还包括：

阀座，所述阀座设置在所述直喷通道内，并设置有与所述直喷通道连通的出气口；

所述弹性件设置在所述阀芯和所述阀座之间。

7.根据权利要求1所述的天然气直喷装置，其特征在于，还包括：

第一进气管；

电磁阀，所述第一进气管、所述电磁阀和所述直喷通道依次连接。

8.根据权利要求7所述的天然气直喷装置，其特征在于，还包括：

控制装置，所述控制装置与所述电磁阀电连接，且所述控制装置根据发动机需求启闭所述电磁阀。

9.一种双喷射分层燃烧系统，其特征在于，具有根据权利要求1至8所述的天然气直喷装置，还具有进气道喷射装置；

所述天然气直喷装置与所述燃烧室连通，并设置成所述燃烧室内输送所述高压天然气；

所述进气道喷射装置与所述燃烧室连通，并设置成向所述燃烧室内输送混合气体。

10.根据权利要求9所述的双喷射分层燃烧系统，其特征在于，所述进气道喷射装置包括：

第二进气管，所述第二进气管设置成输送低压天然气；

废气进气管，所述废气进气管设置成输送废气；

节气门，所述节气门设置成输送空气；

混合器，所述第二进气管、所述废气进气管和所述节气门均与所述混合器连通，所述低压天然气、所述废气和所述空气在所述混合器中形成所述混合气体。