CN110714867A - 一种内燃机点火装置、燃烧系统及燃烧方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及内燃机领域，公开了一种内燃机点火装置、燃烧系统及燃烧方法，其中点火装置包括射流室和点火机构；射流室的内部设有点火机构，射流室的一端插入主燃烧室且通过射流喷孔与主燃烧室连通，射流喷孔包括第一喷孔和第二喷孔，第一喷孔的孔径大于第二喷孔的孔径，第一喷孔用于在点火后向主燃烧室喷射火焰射流，第二喷孔用于在点火后向主燃烧室喷射自由基射流。本发明实施例提供的一种内燃机点火装置、燃烧系统及燃烧方法，通过射流火焰和活性自由基快速稳定的点燃主燃烧室内的稀薄混合气；还可有利于控制主燃烧室内的燃烧温度，有利于实现氮氧化物的近零排放，提高热效率。

Description

一种内燃机点火装置、燃烧系统及燃烧方法

技术领域

本发明涉及内燃机技术领域，特别是涉及一种内燃机点火装置、燃烧系统及燃烧方法。

背景技术

内燃机作为交通运输领域最主要的动力源，在经济发展和社会进步的过程中扮演着十分重要的角色。然而，近年来随着内燃机保有量的不断增长，化石能源的消耗急剧上升，大气污染和温室效应等环境问题也变得日益严重。因此，能源和环境问题使得内燃机节能减排技术的转型升级越来越迫切。对内燃机而言，采用高过量空气系数的稀燃策略是提高热效率，降低排放的有效路径。

然而，在高过量空气系数的稀燃条件下，可燃混合气的层流火焰速度慢，火焰厚度增大，点火能量有限的传统火花塞难以建立接近火焰厚度的微小火核，并难以维持火核稳定的生长，从而容易导致失火。

发明内容

本发明实施例提供一种内燃机点火装置、燃烧系统及燃烧方法，用于解决或部分解决现有高过量空气系数的稀燃条件下，传统火花塞难以建立接近火焰厚度的微小火核，容易导致失火的问题。

本发明实施例提供一种内燃机点火装置，包括射流室和点火机构；所述射流室的内部设有点火机构，所述射流室的一端插入主燃烧室且通过射流喷孔与所述主燃烧室连通，所述射流喷孔包括第一喷孔和第二喷孔，所述第一喷孔的孔径大于所述第二喷孔的孔径，所述第一喷孔用于在点火后向主燃烧室喷射火焰射流，所述第二喷孔用于在点火后向主燃烧室喷射自由基射流。

在上述方案的基础上，所述射流室的另一端外部连接有空腔腔体，所述空腔腔体的一端与直喷喷嘴相连通，所述直喷喷嘴用于向所述空腔腔体中喷入点火燃料，所述空腔腔体在另一端设有汽化喷孔且通过所述汽化喷孔与所述射流室连通。

在上述方案的基础上，所述第二喷孔位于所述射流室的一端端面的中间部位，所述第一喷孔位于所述第二喷孔的外围，且所述第一喷孔的射流方向向外倾斜。

在上述方案的基础上，所述第一喷孔沿所述射流室的一端的周向均匀分布；或者所述第一喷孔两两为一组，多组沿所述射流室的一端的周向均匀分布，且任一组中的两个所述第一喷孔的射流方向相交。

在上述方案的基础上，所述第一喷孔的孔径为1.5-2.5mm；所述第二喷孔的孔径为0.5-1.0mm；所述射流室的容积与所述主燃烧室的容积之比小于等于3％。

在上述方案的基础上，所述汽化喷孔关于所述点火机构对称分布；所述点火燃料包括气体燃料或液体燃料。

本发明实施例提供一种内燃机燃烧系统，包括上述内燃机点火装置，还包括与所述主燃烧室相连通的进气喷嘴，其中，所述进气喷嘴用于向所述主燃烧室内喷入燃烧燃料，所述主燃烧室活动连接有活塞。

本发明实施例提供一种基于上述内燃机点火装置的内燃机燃烧方法，包括：向主燃烧室内通入燃烧燃料，在主燃烧室中形成稀薄混合气；将点火燃料以气态或雾态的形式喷入射流室；在射流室中进行点火；通过控制射流室上射流喷孔的孔径，使得从射流室向主燃烧室喷射火焰射流和自由基射流两种射流。

在上述方案的基础上，在将点火燃料以气态或雾态的形式喷入射流室之后、在射流室中进行点火之前还包括：对主燃烧室内部的稀薄混合气进行压缩。

在上述方案的基础上，所述稀薄混合气的过量空气系数大于等于1.5。

本发明实施例提供的一种内燃机点火装置、燃烧系统及燃烧方法，设置射流室，通过射流点火可以通过射流火焰和活性自由基快速稳定的点燃主燃烧室内的稀薄混合气；且通过第一喷孔和第二喷孔的设置，可在主燃烧室中形成多火焰面和发散分布的众多活性小岛即高温自由基，使得主燃烧室内的稀薄混合气分布式分阶段放热，实现快速稳定而不爆震的燃烧；还可有利于控制主燃烧室内的燃烧温度，有利于实现氮氧化物的近零排放，提高热效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的一种内燃机燃烧系统的结构示意图；

图2为本发明实施例中第一喷孔的第一分布俯视示意图；

图3为本发明实施例中第一喷孔的第二分布俯视示意图。

附图标记说明：

1—直喷喷嘴； 2—点火机构； 3—汽化喷孔；

4—主燃烧室； 5—活塞； 6—火焰射流；

7—自由基射流； 8—活性小岛； 9—射流室；

10—进气喷嘴； 11—空腔腔体； 12—第一喷孔；

13—第二喷孔。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明实施例提供一种内燃机点火装置，参考图1，该点火装置包括射流室9和点火机构2；射流室9的内部设有点火机构2，射流室9的一端插入主燃烧室4且通过射流喷孔与主燃烧室4连通，射流喷孔包括第一喷孔12和第二喷孔13，第一喷孔12的孔径大于第二喷孔13的孔径，第一喷孔12用于在点火后向主燃烧室4内喷射火焰射流6，第二喷孔13用于在点火后向主燃烧室4内喷射自由基射流7。

本实施例提供的一种内燃机点火装置，采用射流点火，且设置射流室9，将点火燃料通过射流室9后喷入主燃烧室4内部，射流室9可对点火燃料起到均匀分布的作用，有利于点火燃料均匀的喷入主燃烧室4中。点火燃料在射流室9内均匀分布，然后通过点火机构2点燃射流室9内的点火燃料，点燃后的点火燃料通过射流室9一端的射流喷孔喷入主燃烧室4内，进而在主燃烧室4内形成稳定燃烧。

在射流室9的一端设置射流喷孔，可对喷出点火燃料的部位进行限定控制。且该内燃机点火装置提出可设置不同孔径大小的射流喷孔，以对喷入主燃烧室4的点火燃料的具体形式进行控制，以对主燃烧室4内的燃烧过程进行调节控制。

该内燃机点火装置提出在射流室9一端设置较大孔径的第一喷孔12，该喷孔孔径应满足射流室9内点火后的点火燃料以燃烧状态即保持火焰状进入主燃烧室4中，形成火焰射流6。另外设置较小孔径的第二喷孔13，该喷孔孔径较小，使得射流室9内点火燃烧的点火燃料在经过该第二喷孔13时火焰淬熄，以高温介质的形态进入主燃烧室4内，即形成自由基射流7。

射流点火可以通过射流火焰和活性自由基快速稳定的点燃燃烧室内的稀薄混合气，其点火能量相比传统火花塞可提高数个数量级，是一种可有效稳定的实现高过量空气系数稀薄燃烧的新型点火技术。射流点火系统将传统火花塞和喷油器集成为一体，形成微小体积的射流室9。喷油器可向射流室9中喷射燃料，形成均质、化学计量比混合气，火花塞点燃射流室9中混合气，产生火焰射流6和自由基射流7，进而点燃主燃烧室4中的稀混合气。

通过第一喷孔12和第二喷孔13的设置，通过该点火装置可在主燃烧室4中形成多火焰面和发散分布的众多活性小岛8即高温自由基，该活性小岛8形成自燃着火源，从而在多火焰面的传播、压缩、热辐射以及活性自由基的促进作用下，使得主燃烧室4内的稀混合气分布式分阶段放热，实现快速稳定而不爆震的燃烧；还可有利于控制主燃烧室4内的燃烧温度不至于过高，有利于实现氮氧化物的近零排放，提高热效率。

在上述实施例的基础上，进一步地，射流室9的另一端外部连接有空腔腔体11，空腔腔体11的一端与直喷喷嘴1相连通，直喷喷嘴1用于向空腔腔体11中喷入点火燃料，空腔腔体11在另一端设有汽化喷孔3且通过汽化喷孔3与射流室9连通。

空腔腔体11是中空的腔体，设置在射流室9的另一端。空腔腔体11的另一端可与射流室9另一端的进口相接。在空腔腔体11另一端的腔体上开设有汽化喷孔3，空腔腔体11的内部通过汽化喷孔3与射流室9相连通。

设置空腔腔体11和汽化喷孔3，使得直喷喷嘴1喷出的点火燃料需要经过汽化喷孔3喷入射流室9中。汽化喷孔3可对喷入射流室9的点火燃料的分布以及颗粒大小进行限定控制，使得点火燃料以较均匀的分布方位以及较小的颗粒大小喷入射流室9中。

从而空腔腔体11可对点火燃料，尤其是液体燃料起到类似汽化的作用过程，使得液体燃料以近似雾状的形式均匀喷入射流室9中。有利于液体燃料在射流室9中均匀的分布和点燃，进而有利于在主燃烧室4内形成均匀分布的着火源，降低了与主燃烧室4内混合气的混合难度。且液体燃料通过空腔腔体11均匀喷射，相比直接喷射入射流室9内，还可减少碳烟的产生，有利于提高燃烧效率。

进一步地，汽化喷孔3的孔径优选为0.3-0.6mm。有利于对液体燃料形成较好的雾化效果。

在上述实施例的基础上，进一步地，第二喷孔13位于射流室9的一端端面的中间部位，第一喷孔12位于第二喷孔13的外围，且第一喷孔12的射流方向向外倾斜。即第一喷孔12靠近射流室9端部的边缘部位，第二喷孔13靠近射流室9端面的中心部位。有利于均匀的向主燃烧室4喷入火焰射流6和自由基射流7。且火焰射流6分布在自由基射流7的外围，还可有利于维持自由基射流7的温度，有利于形成稳定的燃烧。

第二喷孔13在射流室9一端端面的中间部位可沿周向呈一圈分布，也可呈阵列分布，也可为其他任何规则或不规则的分布，以能适应射流室9端面大小为目的，不做限定。

第一喷孔12的射流方向向外倾斜即第一喷孔12的射流方向不是竖直向下的，是呈一定的倾斜角度的，朝向射流室的外围倾斜。可使得第一喷孔12的射流在主燃烧室4中更加均匀的分布。

进一步地，可设置射流室9一端的端部呈凸面状，此时第一喷孔12可设在射流室9一端端面的边缘部位，可使得第一喷孔12的射流方向向外倾斜。也可设置射流室9一端的端部呈锥台状，即截面逐渐减小，此时第一喷孔12可设在锥台状的侧壁上，可使得第一喷孔12的射流方向向外倾斜。

进一步地，参考图2，第一喷孔12沿射流室9的一端的周向均匀分布；或者，参考图3，第一喷孔12两两为一组，多组沿射流室9的一端的周向均匀分布，且任一组中的两个第一喷孔12的射流方向相交。第一喷孔12的该两种分布方式，均可使得射流在主燃烧室4中均匀分布，有利于提高燃烧效率。

在上述实施例的基础上，进一步地，第一喷孔12的孔径为1.5-2.5mm；第二喷孔13的孔径为0.5-1.0mm。该尺寸大小的第一喷孔12和第二喷孔13可有效形成相应的火焰射流6和自由基射流7。

在上述实施例的基础上，进一步地，射流室9的容积与主燃烧室4的容积之比小于等于3％。既可有利于点火燃料快速的在射流室9均匀分布，且可保证喷射进入主燃烧室4中的速度，有利于主燃烧室4内的顺利点火和稳定燃烧。

在上述实施例的基础上，进一步地，汽化喷孔3关于点火机构对称分布；点火燃料包括气体燃料或液体燃料。点火机构2可安装于射流室9顶部中央。火花塞的电极可插入射流室9中。经过汽化喷孔3进入射流室9的点火燃料可均匀分布在点火机构的周围，有利于均匀的点火。

进一步地，点火机构2还可采用预热塞、电晕、微波等点火方式，具体可为火花塞、电热塞、激光点火器、电晕点火器或者微波点火器，还可为其他能够实现点火的结构，不做限定。

在上述实施例的基础上，进一步地，本实施例提供一种内燃机燃烧系统，该内燃机燃烧系统包括上述任一实施例所述的内燃机点火装置，还包括与主燃烧室4相连通的进气喷嘴10，其中，进气喷嘴10用于向主燃烧室4内喷入燃烧燃料，主燃烧室4活动连接有活塞5。

在上述实施例的基础上，进一步地，本实施例提供一种基于上述任一实施例所述内燃机点火装置的内燃机燃烧方法，该内燃机燃烧方法包括：向主燃烧室4内通入燃烧燃料，在主燃烧室4中形成稀薄混合气；将点火燃料以气态或雾态的形式喷入射流室9；在射流室9中进行点火；通过控制射流室9上射流喷孔的孔径，使得从射流室9向主燃烧室4喷射火焰射流6和自由基射流7两种射流。

点火燃料可为气体燃料，此时点火燃料以气态形式喷入射流室9内；点火燃料还可为液体燃料，此时点火燃料以雾态形式喷入射流室9内。向主燃烧室4喷射两种射流可在主燃烧室4内实现分布式分阶段的燃烧，实现快速稳定而不爆震的燃烧，还有利于控制燃烧温度，降低氮氧化物的产生。

在上述实施例的基础上，进一步地，在将点火燃料以气态或雾态的形式喷入射流室9之后、在射流室9中进行点火之前还包括：对主燃烧室4内部的稀薄混合气进行压缩。可推动活塞5压缩主燃烧室4内的稀薄混合气，在活塞5压缩作用下，主燃烧室4内的稀薄混合气从射流室9底部射流喷孔高速挤入射流室9，形成强湍流，并与射流室9中喷射的点火燃料快速形成均质当量比可燃混合气。有利于顺利点火和稳定燃烧。

在上述实施例的基础上，进一步地，稀薄混合气的过量空气系数大于等于1.5。该内燃机燃烧方法适用于该过量空气系数的稀薄混合气的点火燃烧，有利于提高热效率，降低排放。

在上述实施例的基础上，进一步地，本实施例针对高过量空气系数的稀薄燃烧，需要从燃烧理论出发，提出一种燃烧更快速稳定的点火燃烧组织方法及实现装置，以期获得更高的热效率和更低的排放。

本实施例所涉及的燃烧组织方法及其装置包括发动机、进气喷嘴10、集火花塞、直喷喷嘴1和空腔腔体11于一体的气相射流点火器(DGI)、射流室9、射流喷孔特殊直径设计、主燃烧室4等。发动机采用高压缩比(CR>15)，主燃烧室4采用稀燃混合气(过量空气系数λ>1.5)，加上发动机固有的废气再循环(EGR)，射流室9中喷射的燃料率先在空腔腔体11中汽化，然后以气相或雾态形式喷入射流室9，射流室9底部设计大孔径(1.5-2.5mm)和小孔径(0.5-1.0mm)两组喷孔，同时产生火焰射流6和自由基射流7，从而在主燃烧室4中形成多火焰面和散布活性小岛8，实现主燃烧室4中部稀混合气整体自燃而边缘稀混合气被湍流预混火焰消耗的混合燃烧过程，获得高效率的同时无烟近零NO_x排放。

进气喷嘴10在进气道中喷射燃料形成稀薄混合气(过量空气系数λ>1.5)，并通过进气冲程进入主燃烧室4。发动机气缸顶部中央设置微小体积的射流室9(<燃烧室容积的3％)，在射流室9底部设置不同直径大小的两组喷孔(每组孔数为4-8个)，每组喷孔均沿周向均匀分布，其中外圈孔直径设置为1.5-2.5mm，内圈孔直径设置为0.5-1.0mm。

射流室9顶部安装火花塞，火花塞的电极周围均布小孔(孔数为3-6个)，小孔之间与空腔腔体11相连，同时空腔腔体11与直喷喷嘴1相连通。在发动机进气行程中，直喷喷嘴1将气态或液态燃料喷射至空腔腔体11中，液态燃料在空腔腔体11中汽化成气相或以喷射的气态燃料从火花塞电极周围均布的小孔喷出至射流室9中。

在活塞5压缩作用下，主燃烧室4内的稀薄混合气从射流室9底部喷孔高速挤入射流室9，形成强湍流，并与射流室9中喷射的气相燃料快速形成均质当量比可燃混合气。到压缩上止点附近时火花塞进行点火，射流室9内混合气着火燃烧形成两种不同射流从喷孔射出，其中外圈直径较大的孔组产生火焰射流6，内圈直径较小的孔组使火焰淬熄，产生自由基射流7，因此在主燃烧室4中形成了多火焰面和发散分布的众多活性小岛8(自燃着火源)，在多火焰面的传播、压缩、热辐射以及活性自由基的促进作用下，主燃烧室4内的稀混合气快速稳定燃烧且分布式分阶段放热，实现快速稳定而不爆震的燃烧。同时，在此基础上引入废气再循环(EGR)，形成稀薄混合气稀释燃烧条件，有利于控制缸内燃烧温度小于1800K，实现了NO_x近零排放，热效率45％的效果。

本实施例的目的在于提供一种可以实现高过量空气系数稀薄混合气快速稳定燃烧的组织方法及其实现装置。本实施例所涉及的燃烧组织方法及其装置可以同时产生火焰射流6和活性射流，促使主燃烧室4中产生分布式分阶段放热，达到快速而无爆震的燃烧，从而进一步提高热效率，降低排放。

本实施例公开的一种分布式气相射流点火燃烧组织方法及其装置，包括集点火及喷油功能于一体的DGI点火器(内含燃油汽化腔即空腔腔体11)，含不同直径喷孔的射流室9和燃烧室。点火器火花塞电极中央布置，电极周围均布小孔，在发动机进气冲程中，喷嘴首先将燃油喷射至汽化腔中汽化，气态燃料从均布小孔进入射流室9，并与活塞5压缩挤入的气体快速混合形成均质当量比混合气，上止点附近时火花塞放电点燃射流室9内的均质混合气，射流室9内的温度压力升高，通过射流室9底部喷孔形成火焰射流6和自由基射流7，在多火焰面的传播、压缩、热辐射及活性自由基作用下，燃烧室内稀薄混合气多点整体自燃，实现快速稳定而不爆震的预混低温燃烧，从而大幅提高发动机的热效率和降低排放。

燃料在空腔腔体11中汽化，以气相形式喷入射流室9，有利于形成均质预混的可燃混合气，可避免液态燃油直接喷射射流室9造成混合不均匀、积碳等问题。通过在射流室9底部设置不同直径大小的喷孔，形成火焰射流6和自由基射流7两种形式，从而在主燃烧室4内产生多火焰面和散布的活性小岛8(自燃着火源)，在多火焰面的传播、压缩和热辐射和自由基的作用下，主燃烧室4内稀混合气快速稳定燃烧(分布式分阶段放热)，获得高效率和低排放。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种内燃机点火装置，其特征在于，包括射流室和点火机构；所述射流室的内部设有点火机构，所述射流室的一端插入主燃烧室且通过射流喷孔与所述主燃烧室连通，所述射流喷孔包括第一喷孔和第二喷孔，所述第一喷孔的孔径大于所述第二喷孔的孔径，所述第一喷孔用于在点火后向主燃烧室喷射火焰射流，所述第二喷孔用于在点火后向主燃烧室喷射自由基射流。

2.根据权利要求1所述的内燃机点火装置，其特征在于，所述射流室的另一端外部连接有空腔腔体，所述空腔腔体的一端与直喷喷嘴相连通，所述直喷喷嘴用于向所述空腔腔体中喷入点火燃料，所述空腔腔体在另一端设有汽化喷孔且通过所述汽化喷孔与所述射流室连通。

3.根据权利要求1所述的内燃机点火装置，其特征在于，所述第二喷孔位于所述射流室的一端端面的中间部位，所述第一喷孔位于所述第二喷孔的外围，且所述第一喷孔的射流方向向外倾斜。

4.根据权利要求3所述的内燃机点火装置，其特征在于，所述第一喷孔沿所述射流室的一端的周向均匀分布；或者所述第一喷孔两两为一组，多组沿所述射流室的一端的周向均匀分布，且任一组中的两个所述第一喷孔的射流方向相交。

5.根据权利要求1至4任一所述的内燃机点火装置，其特征在于，所述第一喷孔的孔径为1.5-2.5mm；所述第二喷孔的孔径为0.5-1.0mm；所述射流室的容积与所述主燃烧室的容积之比小于等于3％。

6.根据权利要求2所述的内燃机点火装置，其特征在于，所述汽化喷孔关于所述点火机构对称分布；所述点火燃料包括气体燃料或液体燃料。

7.一种内燃机燃烧系统，其特征在于，包括上述权利要求1-6任一所述的内燃机点火装置，还包括与所述主燃烧室相连通的进气喷嘴，其中，所述进气喷嘴用于向所述主燃烧室内喷入燃烧燃料，所述主燃烧室活动连接有活塞。

8.一种基于上述权利要求1-6任一所述内燃机点火装置的内燃机燃烧方法，其特征在于，包括：

向主燃烧室内通入燃烧燃料，在主燃烧室中形成稀薄混合气；

将点火燃料以气态或雾态的形式喷入射流室；

在射流室中进行点火；

通过控制射流室上射流喷孔的孔径，使得从射流室向主燃烧室喷射火焰射流和自由基射流两种射流。

9.根据权利要求8所述的内燃机燃烧方法，其特征在于，在将点火燃料以气态或雾态的形式喷入射流室之后、在射流室中进行点火之前还包括：

对主燃烧室内部的稀薄混合气进行压缩。

10.根据权利要求8所述的内燃机燃烧方法，其特征在于，所述稀薄混合气的过量空气系数大于等于1.5。

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