CN110821662A - 一种基于重整气的双燃料压燃式二冲程发动机及燃烧控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于重整气的双燃料压燃式二冲程发动机及燃烧控制方法，属于内燃机燃烧领域。在缸盖上设置缸盖第一主燃料喷嘴和/或在气缸套上气缸套第一主燃料喷嘴，在缸盖上设置缸盖第二主燃料喷嘴，在气缸套上设置气缸套重整气喷嘴。在缸盖和气缸套上同时装有主燃料喷嘴的状态下，低负荷时，使用缸盖主燃料喷嘴供给燃料，提高热效率；中负荷时，气缸套主燃料喷嘴供给燃料，降低NOx的生成；高负荷时，主燃料的气缸套喷嘴和缸盖喷嘴都供给燃料，控制爆震。实现所有工况范围内的高效清洁燃烧。

Description

一种基于重整气的双燃料压燃式二冲程发动机及燃烧控制 方法
技术领域
本发明涉及一种基于重整气的双燃料压燃式二冲程发动机及燃烧控制方法，属于内燃机燃烧领域。
背景技术
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。
发明内容
本发明公开了一种基于重整气的双燃料压燃式二冲程发动机及燃烧控制方法。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，调整喷射策略等措施，实现压燃式二冲程发动机所有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压燃式二冲程发动机，包括扫气口、排气道和燃烧室，在缸盖上设置缸盖第一主燃料喷嘴和/或在气缸套上设置气缸套第一主燃料喷嘴，在缸盖上设置缸盖第二燃料喷嘴，在气缸套上设置气缸套重整气喷嘴。发动机着火方式是以缸内直喷第二燃料喷嘴的射流触发缸内燃料燃烧。
进一步地，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和/或活塞顶部选择绝热材料。
进一步地，缸盖燃料喷嘴采用高扰动喷嘴。
进一步地，缸盖主燃料喷嘴设置在侧面，每种燃料喷嘴个数设置有至少2个；气缸套主燃料喷嘴的设置位置根据燃料密度确定，密度大于空气时设置在气缸套上部，密度小于空气时设置在气缸套中部，其个数设置有至少2个，在气缸内形成相对均质混合气；气缸套重整气喷嘴至少设置1个。
进一步地，缸盖燃料喷嘴采用多次喷射。
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，第二燃料为易压燃的烃类、醚类及其混合物；当第一燃料为柴油、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压燃式二冲程发动机的燃烧控制方法，所述发动机在气缸套和缸盖上同时装有易雾化的第一燃料喷嘴，在缸盖上装有缸盖第二燃料喷嘴，在气缸套上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，采用缸盖第二燃料射流点火的预混合压燃方式；或者在所有工况采用预混合-扩散协同燃烧方式；或者依据工况大小进行如下控制：
低负荷时，使用缸盖第一燃料喷嘴，缸盖第二燃料喷嘴和气缸套重整气喷嘴供给燃料；
中负荷时，使用气缸套第一燃料喷嘴，缸盖第二燃料喷嘴和气缸套重整气喷嘴供给燃料；
高负荷时，使用气缸套第一燃料喷嘴，缸盖第一燃料喷嘴，缸盖第二燃料喷嘴和气缸套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。
本发明的有益效果是：这种基于重整气的双燃料压燃式二冲程发动机，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。在气缸套和缸盖上同时装有易雾化的第一燃料喷嘴，在缸盖上装有缸盖第二燃料喷嘴，在气缸套上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，采用缸盖第二燃料射流点火的预混合压燃方式；或者在所有工况采用预混合-扩散协同燃烧方式；或者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。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为本发明基于重整气的双燃料压燃式二冲程发动机结构图。
图中：1、扫气口，2、排气道，3、燃烧室，4、气缸套重整气喷嘴，5、气缸套第一燃料喷嘴，6、缸盖第一燃料喷嘴，7、缸盖第二燃料喷嘴。
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，任何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。
为能进一步了解本发明的发明内容，结合附图对本发明详细说明如下：
实施例1，如图1所示，该发动机包括扫气口1、排气道2和燃烧室3，在缸盖上设置缸盖第一主燃料喷嘴6和/或在气缸套上设置气缸套第一主燃料喷嘴5，在缸盖上设置缸盖第二燃料喷嘴7，在气缸套上设置气缸套重整气喷嘴4。发动机着火方式是以缸内直喷第二燃料喷嘴7的射流触发缸内燃料燃烧。
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和/或活塞选择绝热材料，减少缸内传热损失，提高发动机热效率；缸盖燃料喷嘴采用高扰动喷嘴，强化燃油喷雾雾化质量；缸盖燃料采用多次喷射，形成分层混合气或相对均质预混合气；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，和/或直接电解制得或加注纯氢。第二燃料为易压燃的烃类、醚类及其混合物；当第一燃料为柴油、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压燃式二冲程发动机的燃烧控制方法，所述发动机在进气道和缸盖上同时装有易雾化的第一燃料喷嘴，在缸盖上装有缸盖第二燃料喷嘴7，在气缸套上装有重整气喷嘴的状态下，依据工况大小进行如下控制：
在低负荷条件下，在排气阀关闭后的压缩过程初期，使用气缸套重整气喷嘴4供给燃料，在压缩过程后期，使用缸盖第一燃料喷嘴6进行多次喷射，形成含氢分层混合气，在上止点附近通过第二燃料的射流引燃富含重整气的分层混合气，实现分层燃烧，减少HC和CO的排放。
在中等负荷条件下，在排气阀关闭后的压缩过程初期，使用气缸套重整气喷嘴4和气缸套第一燃料喷嘴5供给燃料，在缸内形成相对均质的含重整气稀薄混合气，并采用可变压缩比和引入EGR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，通过第二燃料的射流触发燃烧室3内接近临界状态的混合气，实现对着火相位的直接控制，完成稳定的预混合压燃，降低NOx排放。
在高负荷条件下，在排气阀关闭后的压缩过程初期，使用气缸套重整气喷嘴4和气缸套第一燃料喷嘴5供给燃料，在缸内形成相对均质的预混合气，采用可变压缩比和引入EGR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，缸盖第二燃料喷嘴7通过射流直接控制燃烧室3内的混合气的着火相位，在压缩上止点附近辅助缸盖第二燃料喷嘴7供给燃料，同时使用缸盖第一燃料喷嘴6供给燃料，实现预混合-扩散协同燃烧，抑制爆震，完成稳定高效清洁燃烧。
冷启动时，采用可变气门技术提高压缩比。
本实施例采用主燃料为二甲醚和甲醇，在一台二冲程发动机上进行研究，相比于原机，热效率提高10％，氮氧化物降低70％，颗粒物排放降低95％。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不同的是减少了气缸套第一燃料喷嘴5，通过改变缸盖第一燃料喷嘴6喷射时刻和喷射次数等策略，与重整气混合燃烧，实现高效清洁的分工况燃烧。
实施例3，与实施例1不同的是，减少了缸盖第一燃料喷嘴6，通过气缸套第一燃料喷嘴5喷射第一燃料，与重整气混合燃烧，实现高效清洁燃烧。
实施例4，与实施例1-3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，采用缸盖第二燃料射流点火的预混合压燃方式进行高效清洁燃烧。
实施例5，与实施例1-4不同的是在所有工况下都采用预混合-扩散协同燃烧方式。
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压燃式二冲程发动机，包括扫气口(1)、排气道(2)和燃烧室(3)，其特征在于，在缸盖上设置缸盖第一主燃料喷嘴(6)和/或在气缸套上设置气缸套第一主燃料喷嘴(5)，在缸盖上设置缸盖第二燃料喷嘴(7)，在气缸套上设置气缸套重整气喷嘴(4)，发动机着火方式是以缸内直喷第二燃料喷嘴(7)的射流触发缸内燃料燃烧。
2.根据权利要求1所述的一种基于重整气的双燃料压燃式二冲程发动机，其特征在于：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和/或活塞顶部选择绝热材料。
3.根据权利要求1所述的一种基于重整气的双燃料压燃式二冲程发动机，其特征在于：缸盖燃料喷嘴采用高扰动喷嘴。
4.根据权利要求1所述的一种基于重整气的双燃料压燃式二冲程发动机，其特征在于：缸盖主燃料喷嘴设置在侧面，每种燃料喷嘴个数设置有至少2个；气缸套主燃料喷嘴的设置位置根据燃料密度确定，密度大于空气时设置在气缸套上部，密度小于空气时设置在气缸套中部，其个数设置有至少2个，在气缸内形成相对均质混合气；气缸套重整气喷嘴至少设置1个。
5.根据权利要求1所述的一种基于重整气的双燃料压燃式二冲程发动机，其特征在于：缸盖燃料喷嘴采用多次喷射。
6.根据权利要求1所述的一种基于重整气的双燃料压燃式二冲程发动机，其特征在于：采用可变气门技术和/或采用废气再循环技术。
7.根据权利要求1所述的一种基于重整气的双燃料压燃式二冲程发动机，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。
8.根据权利要求1所述的一种基于重整气的双燃料压燃式二冲程发动机，其特征在于：第二燃料为易压燃的烃类、醚类及其混合物；当第一燃料为柴油、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。
9.一种基于重整气的双燃料压燃式二冲程发动机的燃烧控制方法，其特征在于：所述发动机在气缸套和缸盖上同时装有易雾化的第一燃料喷嘴，在缸盖上装有缸盖第二燃料喷嘴，在气缸套上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，采用缸盖第二燃料射流点火的预混合压燃方式；或者在所有工况采用预混合-扩散协同燃烧方式；或者依据工况大小进行如下控制：
低负荷时，使用缸盖第一燃料喷嘴(6)，缸盖第二燃料喷嘴(7)和气缸套重整气喷嘴(4)供给燃料；
中负荷时，使用气缸套第一燃料喷嘴(5)，缸盖第二燃料喷嘴(7)和气缸套重整气喷嘴(4)供给燃料；
高负荷时，使用气缸套第一燃料喷嘴(5)，缸盖第一燃料喷嘴(6)，缸盖第二燃料喷嘴(7)和气缸套重整气喷嘴(4)供给燃料。
10.根据权利要求9所述的一种基于重整气的双燃料压燃式二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。
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