CN110821641A - 一种具有高能点火燃料的点火室式发动机及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种具有高能点火燃料的点火室式发动机及其控制方法，属于发动机领域。它包括燃烧室、进气系统、排气系统、燃料供给系统、高能点火燃料供给系统、燃料喷嘴、点火室和电控系统。通过设置具有点火室高能点火燃料喷嘴和点火装置的点火室，高能点火燃料供给系统通过点火室高能点火燃料喷嘴向点火室中供给高能点火燃料，点火装置点燃所述高能点火燃料，充分利用了高能点火燃料特性和点火室射流的作用，极大地增强了点火能量和点火稳定性，实现高效清洁燃烧。

Description

一种具有高能点火燃料的点火室式发动机及其控制方法
技术领域
本发明涉及发动机技术领域，具体而言，尤其涉及一种具有高能点火燃料的点火室式发动机及其控制方法。
背景技术
发动机节能减排已成为全球性问题。由于氢气具有点火能量小、火焰传播速度快、熄火间隙小、着火界限宽等优点，发动机掺氢燃烧技术可提高发动机的稀燃极限，缩短着火延迟和燃烧持续期，促进主燃料完全燃烧，提高热效率。利用发动机尾气热量制备重整气(主要成分是氢气和碳氧化物)，解决了氢气生产、存储等问题的同时，提高了发动机的性能。上述氢气和重整气等用于增强点火能量和点火稳定性的燃料统称为高能点火燃料。
目前，高能点火燃料发动机大多采用进气道喷射高能点火燃料，火花塞点燃的方式，这种方式限制了发动机点火效果的进一步提升，进而限制了发动机性能的进一步改善。因此，有必要提供一种新型的结构用以解决上述现有技术中存在的不足。
发明内容
根据上述的高能点火燃料发动机点火效果及发动机性能有待进一步提高的技术问题，本发明提出一种具有高能点火燃料的点火室式发动机及其控制方法。本发明在气缸盖上设置点火室，在点火室上设置点火室高能点火燃料喷嘴和点火装置，点火室高能点火燃料喷嘴向点火室供给高能点火燃料，点火装置点燃点火室内的高能点火燃料，充分利用了高能点火燃料特性和点火室射流的作用，以及利用燃料的按需供给、各喷嘴的不同设置和不同喷射情况，从而实现：增强点火能量和点火稳定性。
本发明采用的技术方案是：一种具有高能点火燃料的点火室式发动机，包括燃烧室、进气系统、排气系统、电控系统、燃料供给系统、高能点火燃料供给系统，以及设置在气缸盖上的至少一个点火室。燃料供给模块通过燃料喷嘴向燃烧室中供给燃料，燃料喷嘴包括设置在进气系统上、和/或气缸套上、和/或气缸盖上的至少一个低压燃料喷嘴，或设置在气缸盖上的至少一个高压燃料喷嘴。低压燃料喷嘴仅供给气体燃料和/或易雾化液体燃料。高压燃料喷嘴供给气体燃料和/或易雾化液态燃料，和/或不易雾化液态燃料。点火室上设置有与燃烧室相连的至少一个通道，高能点火燃料供给系统通过设置在点火室上的点火室高能点火燃料喷嘴向点火室供给高能点火燃料，通过设置在点火室上的点火装置点燃高能点火燃料。
进一步地，在排气系统上还设置重整气制备装置。燃料供给系统和高能点火燃料供给系统分别与重整气制备装置相连通，燃料供给模块通过管道向重整气制备装置供给重整燃料，重整燃料在重整气制备装置中反应生成重整气后经管道进入高能点火燃料供给系统。
进一步地，当设置多个低压燃料喷嘴或多个高压燃料喷嘴时，根据预设工况，确定每个燃料喷嘴的工作状态，确定为非工作状态的燃料喷嘴不喷射燃料，确定为工作状态的燃料喷嘴同时或不同时喷射相同或不同的燃料。
进一步地，设置在点火室上与燃烧室相连通的通道的横截面为圆形，或入口为圆形出口为面积较小的窄缝形、椭圆形或圆角矩形。通道纵截面采用直筒型、渐缩型、渐扩型或渐缩渐扩型或上述形状互相组合。
进一步地，燃烧室和/或点火室采用绝热材料和/或喷有绝热涂层。
进一步地，还增设EGR系统和/或可变气门系统和/或可变几何压缩比系统。
进一步地，点火装置为火花塞或等离子电嘴。
进一步地，电控系统判断发动机处于中高工况运行且发动机负荷增加时，EGR系统增加EGR率。电控系统判断发动机处于中高工况运行且发动机负荷降低时，EGR系统降低EGR率。
较现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)通过设置具有点火室高能点火燃料喷嘴和点火装置的点火室，向点火室中供给高能点火燃料，充分利用了高能点火燃料特性和点火室射流的作用，极大地增强了点火能量和点火稳定性，实现高效清洁燃烧。
2)对于采用重整气作为高能点火燃料时，还可以利用发动机排气热量来获取重整气，提高发动机能量利用率。
3)对于设置EGR系统时，在中高负荷下，负荷增加，增加EGR率；负荷降低，降低EGR率。通过控制EGR率，防止发动机爆震。对于设置可变气门系统、可变几何压缩比系统等，通过调节气门运行情况、几何压缩比等进一步改善发动机性能。通过以上措施，实现发动机全工况范围内高效清洁燃烧。
基于上述理由，本发明可在二冲程或四冲程发动机领域广泛推广。
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做以简单地介绍，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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明采用高压燃料喷嘴的点火室式发动机的示意图。
图2是本发明采用低压燃料喷嘴的点火室式发动机的示意图。
图中：1、燃烧室；2、进气系统；3、排气系统；4、重整气制备装置；5T、燃料供给系统；5L1、第一低压燃料喷嘴；5L2、第二低压燃料喷嘴；5H、高压燃料喷嘴；6T、高能点火燃料供给系统；6J、点火室高能点火燃料喷嘴；7、点火室；8、点火装置；9、EGR系统。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
如图1是一种采用高压燃料喷嘴的点火室式发动机的示意图，图2是一种采用低压燃料喷嘴的点火室式发动机的示意图。它包括燃烧室1、进气系统2、排气系统3、电控系统、燃料供给系统5T、高能点火燃料供给系统6T，以及设置在气缸盖上的至少一个点火室7。燃料供给模块5T通过燃料喷嘴向燃烧室1中供给燃料，所述燃料为烃类、醇类、醚类和/或上述燃料的混合燃料等。燃料喷嘴包括设置在气缸盖上的至少一个高压燃料喷嘴5H，如图1；或者包括设置在进气系统上、和/或气缸套上、和/或气缸盖上的至少一个低压燃料喷嘴，如图2。低压燃料喷嘴仅供给气体燃料和/或易雾化液体燃料。高压燃料喷嘴5H供给气体燃料和/或易雾化液态燃料，和/或不易雾化液态燃料如重油等。如对于四冲程发动机，可在进气系统上设置第一低压燃料喷嘴5L1。如对于二冲程发动机，可以在气缸套上设置第二低压燃料喷嘴5L2。如对于二冲程发动机或四冲程发动机，均可以在气缸盖上设置低压燃料喷嘴或高压燃料喷嘴5H。又如，对于小缸径发动机，气缸盖上可设置一个高压燃料喷嘴5H；对于大缸径发动机，气缸盖上可设置两个或两个以上的高压燃料喷嘴5H。此外，当设置多个燃料喷嘴时，根据预设工况，确定每个燃料喷嘴的工作状态，确定为非工作状态的燃料喷嘴不喷射燃料，确定为工作状态的燃料喷嘴同时或不同时喷射相同或不同的燃料，如喷射甲醇+天然气、二甲醚+甲醇等。
点火室7上设置有与燃烧室1相连的至少一个通道，高能点火燃料供给系统6T通过设置在点火室7上的点火室高能点火燃料喷嘴6J向点火室7供给高能点火燃料，通过设置在点火室7上的点火装置8点燃高能点火燃料。通过设置具有点火室高能点火燃料喷嘴6J和点火装置8的点火室7，充分利用了高能点火燃料特性和点火室射流的作用，极大地增强了点火能量和点火稳定性，实现高效清洁燃烧。所述点火装置8为火花塞或等离子电嘴。
设置在点火室7上与燃烧室1相连通的通道的横截面为圆形，或入口为圆形出口为面积较小的窄缝形、椭圆形或圆角矩形。通道纵截面采用直筒型、渐缩型、渐扩型或渐缩渐扩型或上述形状互相组合。
燃烧室和/或点火室采用绝热材料和/或喷有绝热涂层。点火室7喷有绝热涂层或采用陶瓷材料，减少点火室传热损失，提高点火稳定性。燃烧室1也可采用绝热技术，如气缸盖底部、气阀底部、活塞顶面、火力岸以及活塞环接触不到的缸套上部等部位喷有绝热涂层，又如活塞顶部选择陶瓷材料等方法，减少缸内工质的传热损失，进一步改善发动机性能。
在排气系统3上还可以设置重整气制备装置4。燃料供给系统5T和高能点火燃料供给系统6T分别与重整气制备装置4相连通，燃料供给模块5T通过管道向重整气制备装置4供给重整燃料，如甲醇、天然气、二甲醚等。重整燃料在重整气制备装置4中反应生成重整气后经管道进入高能点火燃料供给系统6T。通过设置重整气制备装置4，可以利用发动机排气热量来获取重整气，提高发动机能量利用率，并且解决了氢气等高能点火燃料的来源和存储等问题。需要说明的是，当设置重整气制备装置4时，燃料供给模块5T需要至少提供一种重整燃料。如对于单一燃料发动机，重整燃料既需要在重整气制备装置4中反应生成重整气后经管道进入重整气供给系统6T，重整燃料还通过燃料喷嘴进入燃烧室1中进行燃烧做功。又如对于多燃料发动机，重整燃料可以不参与燃烧，燃料供给模块5T提供另一种或多种燃料通过燃料喷嘴进入燃烧室1中进行燃烧做功。或者对于多燃料发动机，重整燃料可以参与燃烧，并且燃料供给模块5T还提供另一种或多种燃料通过燃料喷嘴进入燃烧室1中进行燃烧做功。
本发明涉及的发动机还可以增设EGR系统9和/或可变气门系统和/或可变几何压缩比系统。
本发明的发动机采用以下控制方法：
对于增设EGR系统9，电控系统根据发动机工况的变化控制EGR系统9。例如电控系统判断发动机处于中高工况且发动机负荷增加时，EGR系统9增加EGR量。电控系统判断发动机处于中高工况且发动机负荷降低时，EGR系统9减少EGR量。通过控制EGR率，防止发动机爆震。
对于增设可变气门系统，电控系统根据发动机工况的变化控制可变气门系统。例如改变进气门关闭正时，调节有效压缩比；改变进排气重叠期等方式，实现内部EGR，改变缸内热的残余废气量；调节排气门开启正时，获取最佳动力输出等，在全工况范围内优化发动机换气性能，提高发动机的动力性、经济性和排放性。
对于增设可变几何压缩比系统时，电控系统根据发动机工况的变化控制可变几何压缩比系统。例如电控系统判断发动机负荷增加时，可变几何压缩比系统降低发动机几何压缩比；电控系统判断发动机负荷降低时，可变几何压缩比系统增加发动机几何压缩比。防止发动机爆震的同时，提高发动机热效率，解决发动机启动困难等问题。
过以上措施，实现发动机全工况范围内高效清洁燃烧。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种具有高能点火燃料的点火室式发动机，包括燃烧室(1)、进气系统(2)、排气系统(3)和电控系统，其特征是：还包括燃料供给系统(5T)、高能点火燃料供给系统(6T)，以及设置在气缸盖上的至少一个点火室(7)；
所述燃料供给模块(5T)通过燃料喷嘴向所述燃烧室(1)中供给燃料，所述燃料喷嘴包括设置在进气系统上、和/或气缸套上、和/或气缸盖上的至少一个低压燃料喷嘴，或设置在气缸盖上的至少一个高压燃料喷嘴(5H)；所述低压燃料喷嘴仅供给气体燃料和/或易雾化液体燃料；所述高压燃料喷嘴(5H)供给气体燃料和/或易雾化液态燃料，和/或不易雾化液态燃料；
所述点火室(7)上设置有与所述燃烧室(1)相连的至少一个通道，所述高能点火燃料供给系统(6T)通过设置在所述点火室(7)上的点火室高能点火燃料喷嘴(6J)向所述点火室(7)供给高能点火燃料，通过设置在所述点火室(7)上的点火装置(8)点燃所述高能点火燃料。
2.根据权利要求1所述的具有高能点火燃料的点火室式发动机，其特征是：在所述排气系统(3)上还设置重整气制备装置(4)；所述燃料供给系统(5T)和所述高能点火燃料供给系统(6T)分别与所述重整气制备装置(4)相连通，所述燃料供给模块(5T)通过管道向所述重整气制备装置(4)供给重整燃料，所述重整燃料在所述重整气制备装置(4)中反应生成重整气后经管道进入高能点火燃料供给系统(6T)。
3.根据权利要求1所述的具有高能点火燃料的点火室式发动机，其特征是：当设置多个所述低压燃料喷嘴或多个所述高压燃料喷嘴(5H)时，根据预设工况，确定每个燃料喷嘴的工作状态，确定为非工作状态的燃料喷嘴不喷射燃料，确定为工作状态的燃料喷嘴同时或不同时喷射相同或不同的燃料。
4.根据权利要求1所述的具有高能点火燃料的点火室式发动机，其特征是：设置在所述点火室(7)上与所述燃烧室(1)相连通的通道的横截面为圆形，或入口为圆形出口为面积较小的窄缝形、椭圆形或圆角矩形；通道纵截面采用直筒型、渐缩型、渐扩型或渐缩渐扩型或上述形状互相组合。
5.根据权利要求1所述的具有高能点火燃料的点火室式发动机，其特征是：所述燃烧室(1)和/或所述点火室(7)采用绝热材料和/或喷有绝热涂层。
6.根据权利要求1所述的具有高能点火燃料的点火室式发动机，其特征是：还增设EGR系统(9)和/或可变气门系统和/或可变几何压缩比系统。
7.根据权利要求1所述的具有高能点火燃料的点火室式发动机，其特征是：所述点火装置(8)为火花塞或等离子电嘴。
8.一种如权利要求1-7任意一项权利要求所述的具有高能点火燃料的点火室式发动机的控制方法，其特征是：所述电控系统判断发动机处于中高工况运行且发动机负荷增加时，所述EGR系统(9)增加EGR率；所述电控系统判断发动机处于中高工况运行且发动机负荷降低时，所述EGR系统(9)降低EGR率。
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