CN110821653A - 一种基于重整气的双燃料点火室式四冲程发动机及燃烧控制方法 - Google Patents

一种基于重整气的双燃料点火室式四冲程发动机及燃烧控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于重整气的双燃料点火室式四冲程发动机及燃烧控制方法，属于内燃机燃烧领域。在缸盖上设置和/或在进气道上设置第一燃料喷嘴，在缸盖上设置和/或在进气道上设置第二燃料喷嘴；在缸盖上设置点火室，点火室内设置重整气喷嘴和火花塞；或在进气道上设置和/或在缸盖上设置重整气喷嘴。点火室与燃烧室有通道相连，火花塞点燃点火室内混合气后，以火焰射流形式触发发动机着火。在缸盖上和进气道上同时装有主燃料喷嘴的状态下，低负荷时，使用缸内直喷主燃料喷嘴供给燃料，提高热效率；中负荷时，进气道主燃料喷嘴供给燃料，降低NOx的生成；高负荷时，进气道主燃料喷嘴和缸内直喷主燃料喷嘴都供给燃料，控制爆震。实现全工况范围内的高效清洁燃烧，优化能源结构。

Description

一种基于重整气的双燃料点火室式四冲程发动机及燃烧控制 方法
技术领域
本发明涉及内燃机燃烧技术领域，具体而言，尤其涉及一种基于重整气的双燃料点火室式四冲程发动机及燃烧控制方法。
背景技术
为了降低排放，目前努力提高发动机缸内混合气的稀薄程度，火花塞点火效果不佳，尤其是随着缸径的增大，火花塞的点火效果更差。存在冷启动困难，低负荷条件下HC和CO排放高的问题。
发动机上掺氢的应用可以改善发动机的性能和排放，主要是其燃烧火焰传播速度快，促使燃料的充分燃烧，提高热效率，降低未燃产物，且点火温度低，能够改善发动机的冷启动。但是氢气的生产成本和存储是目前应用于发动机的一个难点。
能源和环境问题日益突出，预混合压燃的低温燃烧可以提高发动机的热效率，并降低NOx排放。但预混合压燃的着火正时受环境条件和发动机工况影响，难以可靠控制。另外，其工况范围小，冷启动和低负荷会产生过多的HC和CO，高负荷又会产生爆震。
单一燃料的发动机难以满足能源多元化的需求，而且单一燃料的燃烧特性具有局限性，限制了发动机的性能提升。
因此有必要提供一种新型的发动机结构用以解决上述问题。
发明内容
本发明公开了一种基于重整气的双燃料点火室式四冲程发动机及燃烧控制方法。主要利用发动机废气余热对易重整制氢的燃料进行在线催化重整，通过设置点火室并合理利用重整气，设置两种主燃料进气道喷嘴和缸内直喷喷嘴，调整喷射策略等措施，实现点火室式四冲程发动机全工况范围内的高效清洁燃烧，优化能源结构。
本发明采用的技术方案是：一种基于重整气的双燃料点火室式四冲程发动机，包括进气道、排气道和燃烧室，在缸盖上设置缸内直喷第一燃料喷嘴和/或在所述进气道上设置进气道第一燃料喷嘴，在缸盖上设置缸内直喷第二燃料喷嘴和/或在所述进气道上设置进气道第二燃料喷嘴；在缸盖上设置点火室，所述点火室内设置点火室重整气喷嘴及火花塞，所述点火室与所述燃烧室有通道相连；或在缸盖上设置缸内直喷重整气喷嘴和/或在所述进气道上设置进气道重整气喷嘴。
进一步地，所述点火室结构根据缸盖布置情况设计，所述点火室容积不大于余隙容积的5％；所述点火室与所述燃烧室的通道数至少1个，通道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、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，所述点火室位于缸盖中心，两种缸内直喷主燃料喷嘴设置在侧面，所述点火室和两种所述缸内直喷主燃料喷嘴的个数至少为1个；或两种缸内直喷主燃料喷嘴位于缸盖中心，所述点火室设置在侧面，所述点火室和两种所述缸内直喷主燃料喷嘴的个数至少为1个；重整气喷嘴的个数至少为1个。
进一步地，点火室、气缸盖底部、气阀底部、活塞顶面和火力岸以及活塞环接触不到的缸套上部喷有绝热涂层，或点火室、活塞顶部选择绝热材料，和/或在点火室上设置电加热装置。
进一步地，采用可变气门技术和/或采用废气再循环技术。
进一步地，重整气是利用发动机废气余热能量和/或电加热装置对碳水化合物、醇类、醚类或烃类进行改质，和/或直接电解制得或加注纯氢。进一步地，当主燃料为柴油、醚类、或含有柴油的混合燃料、或含有醚类的混合燃料时，其燃料喷嘴只能选择缸盖燃料喷嘴，压缩比设置为主燃料不能被直接压燃的临界压缩比，进行预混合压燃。
一种基于重整气的双燃料点火室式四冲程发动机的燃烧控制方法，所述发动机在缸盖和进气道上同时装有易雾化的主燃料喷嘴、或在缸盖上和/或在进气道上加装有重整气喷嘴的状态下，压缩比设置为主燃料不能被直接压燃的临界压缩比，采用点火室火焰射流点火的预混合压燃方式。或者，依据工况大小进行如下控制：
低负荷时，使用缸内直喷主燃料喷嘴和重整气喷嘴供给燃料；
中负荷时，使用进气道主燃料喷嘴和重整气喷嘴供给燃料；
高负荷时，使用进气道主燃料喷嘴，缸内直喷主燃料喷嘴和重整气喷嘴供给燃料。
冷启动时，采用可变气门技术提高压缩比和/或通过电加热装置预热点火室，向点火室内喷射主燃料进行点火，或采用预存的重整气或经过电加热改质后的重整气喷入点火室内进行点火。
点火室重整气喷嘴可以多次喷射，早期喷射时，喷射于点火室内的重整气压力大于燃烧室内压力，重整气通过点火室的通道进入气缸，后期喷射的重整气留在点火室内；点火室内的燃料由两部分组成，一部分是由燃烧室经过通道压入点火室的燃料，另外一部分是有点火室重整气喷嘴喷射的燃料。
本发明的有益效果是：这种基于重整气的双燃料点火室式四冲程发动机可以利用发动机废气余热对易重整制氢的燃料进行在线催化重整，既有效的进行了发动机的热管理，又解决了储氢的难点。点火室的火焰射流能够控制预混合压燃燃烧着火相位，其与重整气的结合，能够进一步提升点火性能，快速燃烧。发动机在缸盖和进气道上同时装有易雾化的主燃料喷嘴的状态下，不同的工况时进行分工况的喷射策略，实现不同的燃烧模式，也可以设置临界压缩比，采用点火室火焰射流点火的预混合压燃方式。从而实现所有工况范围内的高效清洁燃烧，优化能源结构。
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表示基于重整气的双燃料点火室式四冲程发动机结构图。
图中：1、进气道，2、排气道，3、燃烧室，4、进气道第一燃料喷嘴，5、进气道第二燃料喷嘴，6、缸内直喷第一燃料喷嘴，7、缸内直喷第二燃料喷嘴，8、点火室，9、点火室重整气喷嘴，10、火花塞，11、进气道重整气喷嘴，12、缸内直喷重整气喷嘴。
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。
实施例1：
如图1所示，该发动机包括进气道1、排气道2和燃烧室3，在缸盖上设置缸内直喷第一燃料喷嘴6和/或在所述进气道1上设置进气道第一燃料喷嘴4，在缸盖上设置缸内直喷第二燃料喷嘴7和/或在所述进气道1上设置进气道第二燃料喷嘴5；在缸盖上设置点火室8，所述点火室8内设置点火室重整气喷嘴9及火花塞10，所述点火室8与所述燃烧室3有通道相连；或在缸盖上设置缸内直喷重整气喷嘴12和/或在所述进气道1上设置进气道重整气喷嘴11。
所述点火室8结构根据缸盖布置情况设计，所述点火室8容积不大于余隙容积的5％；所述点火室8与所述燃烧室3的通道数至少1个，通道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、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。
所述点火室8位于缸盖中心，两种缸内直喷主燃料喷嘴设置在侧面，所述点火室8和两种所述缸内直喷主燃料喷嘴的个数至少为1个；或两种缸内直喷主燃料喷嘴位于缸盖中心，所述点火室8设置在侧面，所述点火室8和两种所述缸内直喷主燃料喷嘴的个数至少为1个；重整气喷嘴的个数至少为1个。
点火室8、气缸盖底部、气阀底部、活塞顶面和火力岸以及活塞环接触不到的缸套上部喷有绝热涂层，或点火室8、活塞顶部选择绝热材料，从而减少传热损失，进一步提高发动机的热效率，和/或在点火室8上设置电加热装置，在冷启动时实现稳定点火，也可以在超出常规燃烧极限的条件下实现点火，加快点火室8内的燃烧速率，提高火焰喷射能量。
采用可变气门技术，实现可变压缩比。
采用废气再循环技术，控制缸内燃料燃烧速度。
重整气是利用发动机废气余热能量和/或电加热装置对碳水化合物、醇类、醚类或烃类进行改质，这里面制取重整气的原料可以是甲醇、乙醇、天然气、二甲醚等；和/或直接电解制得或加注纯氢，电解制得纯氢的原料可以为水、甲醇等。
当主燃料为柴油、醚类、或含有柴油的混合燃料、或含有醚类的混合燃料时，其燃料喷嘴只能选择缸盖燃料喷嘴，压缩比设置为主燃料不能被直接压燃的临界压缩比，进行预混合压燃。
所述发动机在缸盖和进气道上同时装有易雾化的主燃料喷嘴、在缸盖上和在进气道上加装有重整气喷嘴的状态下，压缩比设置为主燃料不能被直接压燃的临界压缩比，采用点火室火焰射流点火的预混合压燃方式。或者，依据工况大小进行如下控制：
低负荷时，使用缸内直喷主燃料喷嘴和重整气喷嘴供给燃料，在缸内形成分层混合气，实现快速充分燃烧，减少HC和CO的排放。
中负荷时，使用进气道主燃料喷嘴和重整气喷嘴供给燃料，在缸内形成相对均质的稀薄混合气，实现快速燃烧，降低NOx排放。
高负荷时，使用进气道主燃料喷嘴，缸内直喷主燃料喷嘴和重整气喷嘴供给燃料，在缸内形成相对均质的预混合气，在压缩上止点附近再辅助缸内直喷主燃料喷嘴5供给燃料，抑制爆震，完成稳定高效清洁燃烧。
优选的，冷启动时，在没有重整气的条件下，通过点火室重整气喷嘴9向点火室8内喷射主燃料，采用可变气门技术提高压缩比，使得点火室内的混合气更易点火，和/或通过点火室8上的电加热装置预热点火室8，向点火室8内喷射主燃料进行点火；或采用预存的重整气喷入点火室8内进行点火，或经过电加热装置为重整气原料提供能量进行改质，改质后得到的重整气再喷入点火室内8进行点火。
优选的，点火室重整气喷嘴9可以多次喷射，早期喷射时，喷射于点火室内的重整气压力大于燃烧室内压力，重整气通过点火室的通道进入气缸；后期喷射的重整气留在点火室8内，氢气的燃烧极限的当量比为0.1～7.4，但是为了保证点火室8内的重整气混合气稳定点火燃烧，当量比为0.3～3。
点火室8内的燃料由两部分组成，一部分是由燃烧室经过通道压入点火室的燃料，另外一部分是有点火室重整气喷嘴9喷射的燃料。
优选的，重整气喷嘴可以设置在进气道1上，为了避免回火，其具体位置应靠近进气阀，或在喷嘴上衔接管路导入到进气阀处，在排气门关闭之后，进气门关闭之前，快速完成喷射，利用喷射完成之后的进气空气将进气道内的重整气全部带入缸内；也可以在缸盖上设置重整气喷嘴，直接缸内喷射。
本实施例中以采用主燃料为甲醇和天然气为例，在一台四冲程发动机上进行研究，相比于原机，热效率提高15％，氮氧化物降低60％，颗粒物排放降低95％，碳氢排放降低50％，一氧化碳排放降低45％。本发明其他实施例亦可以达到高效清洁燃烧的效果。
实施例2：与实施例1不同的是减少了进气道第一燃料喷嘴4，通过缸内直喷第一燃料喷嘴6，缸内直喷第二燃料喷嘴7和进气道第二燃料喷嘴5喷射主燃料，与重整气混合燃烧，实现高效清洁燃烧。
实施例3：与实施例1不同的是减少了缸内直喷第一燃料喷嘴6，通过进气道第一燃料喷嘴4，进气道第二主燃料喷嘴5和缸内直喷第二燃料喷嘴7喷射主燃料，与重整气混合燃烧，实现高效清洁燃烧。
实施例4：与实施例1不同的是减少了进气道第一燃料喷嘴4和缸内直喷第二燃料喷嘴7，通过进气道第二燃料喷嘴5和缸内直喷第一燃料喷嘴6喷射主燃料，与重整气混合燃烧，实现高效清洁燃烧。
实施例5：与实施例1不同的是，在进气道和/或缸盖上不设置重整气喷嘴，只通过点火室重整气喷嘴9进行重整气燃料供给，实现高效清洁燃烧。
实施例6：与实施例1-5不同的是，通过采用可变气门技术，废气再循环技术，设置临界压缩比，使得混合气处在不能被直接压燃而又接近被压燃的临界状态，采用点火室火焰射流点火的预混合压燃方式进行高效清洁燃烧。
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 (10)

1.一种基于重整气的双燃料点火室式四冲程发动机，包括进气道(1)、排气道(2)和燃烧室(3)，其特征在于，在缸盖上设置缸内直喷第一燃料喷嘴(6)和/或在所述进气道(1)上设置进气道第一燃料喷嘴(4)，在缸盖上设置缸内直喷第二燃料喷嘴(7)和/或在所述进气道(1)上设置进气道第二燃料喷嘴(5)；在缸盖上设置点火室(8)，所述点火室(8)内设置点火室重整气喷嘴(9)及火花塞(10)，所述点火室(8)与所述燃烧室(3)有通道相连；或在缸盖上设置缸内直喷重整气喷嘴(12)和/或在所述进气道(1)上设置进气道重整气喷嘴(11)。
2.根据权利要求1所述的一种基于重整气的双燃料点火室式四冲程发动机，其特征在于：所述点火室(8)结构根据缸盖布置情况设计，所述点火室(8)容积不大于余隙容积的5％；所述点火室(8)与所述燃烧室(3)的通道数至少1个，通道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、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。
3.根据权利要求1所述的一种基于重整气的双燃料点火室式四冲程发动机，其特征在于：所述点火室(8)位于缸盖中心，两种缸内直喷主燃料喷嘴设置在侧面，所述点火室(8)和两种所述缸内直喷主燃料喷嘴的个数至少为1个；或两种缸内直喷主燃料喷嘴位于缸盖中心，所述点火室(8)设置在侧面，所述点火室(8)和两种所述缸内直喷主燃料喷嘴的个数至少为1个；重整气喷嘴的个数至少为1个。
4.根据权利要求1所述的一种基于重整气的双燃料点火室式四冲程发动机，其特征在于：点火室(8)、气缸盖底部、气阀底部、活塞顶面和火力岸以及活塞环接触不到的缸套上部喷有绝热涂层，或点火室(8)、活塞顶部选择绝热材料，和/或在点火室(8)上设置电加热装置。
5.根据权利要求1所述的一种基于重整气的双燃料点火室式四冲程发动机，其特征在于：采用可变气门技术和/或采用废气再循环技术。
6.根据权利要求1所述的一种基于重整气的双燃料点火室式四冲程发动机，其特征在于：重整气是利用发动机废气余热能量和/或电加热装置对碳水化合物、醇类、醚类或烃类进行改质，和/或直接电解制得或加注纯氢。
7.根据权利要求1所述的一种基于重整气的双燃料点火室式四冲程发动机，其特征在于：当主燃料为柴油、醚类、或含有柴油的混合燃料、或含有醚类的混合燃料时，其燃料喷嘴只能选择缸盖燃料喷嘴，压缩比设置为主燃料不能被直接压燃的临界压缩比，进行预混合压燃。
8.一种基于重整气的双燃料点火室式四冲程发动机的燃烧控制方法，其特征在于：所述发动机在缸盖和进气道上同时装有易雾化的主燃料喷嘴、或在缸盖上和/或在进气道上加装有重整气喷嘴的状态下，压缩比设置为主燃料不能被直接压燃的临界压缩比，采用点火室火焰射流点火的预混合压燃方式，或者，依据工况大小进行如下控制：
低负荷时，使用缸内直喷主燃料喷嘴和重整气喷嘴供给燃料；
中负荷时，使用进气道主燃料喷嘴和重整气喷嘴供给燃料；
高负荷时，使用进气道主燃料喷嘴，缸内直喷主燃料喷嘴和重整气喷嘴供给燃料。
9.根据权利要求8所述的一种基于重整气的双燃料点火室式四冲程发动机的燃烧控制方法，其特征在于：冷启动时，采用可变气门技术提高压缩比和/或通过电加热装置预热点火室(8)，向点火室(8)内喷射主燃料进行点火，或采用预存的重整气或经过电加热改质后的重整气喷入点火室(8)内进行点火。
10.根据权利要求8所述的一种基于重整气的双燃料点火室式四冲程发动机的燃烧控制方法，其特征在：点火室重整气喷嘴(9)可以多次喷射，早期喷射时，喷射于点火室内的重整气压力大于燃烧室(3)内压力，重整气通过点火室(8)的通道进入气缸，后期喷射的重整气留在点火室(8)内；点火室(8)内的燃料由两部分组成，一部分是由燃烧室(3)经过通道压入点火室(8)的燃料，另外一部分是有点火室重整气喷嘴(9)喷射的燃料。
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