CN110905652B - 一种缸内多次高压直喷天然气的发动机及其分层快速燃烧方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的在于提供一种缸内多次高压直喷天然气的发动机及其分层快速燃烧方法，包括气缸盖、气缸壁、活塞、进气道、进气阀、排气道、排气阀、高压天然气喷气阀、高压天然气供气管路、火花塞，气缸盖、气缸壁和火花塞形成燃烧室，所述燃烧室为半球形，气缸盖里设置进气道、排气道、高压天然气喷气阀、高压天然气供气管路和火花塞，高压天然气供气管路连接高压天然气喷气阀，进气道里设置进气阀，排气道里设置排气阀，高压天然气喷气阀位于进气道与火花塞之间。本发明可以实现在不同负荷下的不同梯度的分层燃烧，保证了天然气发动机着火的稳定性，且有效的提高了发动机的经济性与动力性，同时降低了排放。

Description

一种缸内多次高压直喷天然气的发动机及其分层快速燃烧 方法
技术领域
本发明涉及的是一种发动机及其控制方法，具体地说是天然气发动机及其燃烧控制方法。
背景技术
自上世纪30年代初第一台天然气发动机诞生至今，先后经历了3次大发展：首次大发展出现在第二次世界大战后，石油燃料十分匾乏，大都应用于战争中，为了解决燃料应用问题，此时人们想到了天然气燃料，因此固定式内燃机上大量使用天然气燃料，并且一部分车用内燃机也是用天然气，天然气已经得到各国的高度重视。
与传统缸外预混合方式相比，燃气缸内直喷优势在于：能显著减小或消除气体燃料所导致的充量效率损失；避免扫气时的燃料损失；有利于抑制爆震，可以采用较高压缩比；能通过燃料喷射正时、空燃比和点火提前角等参数的协同优化匹配，强化燃烧过程控制。
目前，国内外已经开展了缸内直喷天然气发动的燃烧特性的研究，如公开号为CN201306206Y的专利申请了缸内直喷天然气二气门发动机稀薄分层燃烧室结构，其在活塞顶部设置凹坑，与喷射时间及活塞运动相配合，是火花塞附近的天然气浓度较大，在稀薄燃烧时形成不均匀的混合气，此专利虽然改善在中低工况的天然气分层燃烧的情况，但是无法应用于高负荷工况；专利 CN101749136A申请了电控燃气缸内直喷发动机，其供气方式采用缸内高压直喷，采用了单次喷射，无法兼顾发动机全工况高效率和低排放要求；专利CN109339943A申请了带有滚流燃烧室的天然气缸内直喷双燃料发动机的燃烧系统，其采用缸内高压直喷天然气技术和微喷柴油引燃技术，针对发动机不同的运行工况，实现双燃料发动机缸内燃料高效清洁地燃烧；而这些专利均未提出缸内高压直喷天然气发动机在不同运行工况下燃烧优化以及燃气喷射、点火和燃烧室结构优化匹配方法。
发明内容
本发明的目的在于提供由浓混合气引燃稀混合气着火形式的一种缸内多次高压直喷天然气的发动机及其分层快速燃烧方法。
本发明的目的是这样实现的：
本发明一种缸内多次高压直喷天然气的发动机，其特征是：包括气缸盖、气缸壁、活塞、进气道、进气阀、排气道、排气阀、高压天然气喷气阀、高压天然气供气管路、火花塞，气缸盖、气缸壁和火花塞形成燃烧室，所述燃烧室为半球形，气缸盖里设置进气道、排气道、高压天然气喷气阀、高压天然气供气管路和火花塞，高压天然气供气管路连接高压天然气喷气阀，进气道里设置进气阀，排气道里设置排气阀，高压天然气喷气阀位于进气道与火花塞之间。
本发明一种缸内多次高压直喷天然气的发动机还可以包括：
1、火花塞中轴线与气缸的中轴线重合，高压天然气喷气阀的中轴线与火花塞的中轴线位于同一平面且夹角在30°到60°范围内，其安装位置能够保证当活塞位于上止点时高压天然气喷气阀的喷嘴轴线经过半球形燃烧室内表面的形心，利用火花塞点燃缸内混合气时，缩短火焰传播距离。
2、高压天然气喷气阀的喷嘴具有非轴对称多孔结构，喷嘴部分区域布置燃气喷孔，此区域位于高压天然气喷嘴的锥面上且其外法线向量与气缸盖底面外法线向量夹角为锐角。
本发明一种缸内多次高压直喷天然气的发动机分层快速燃烧方法，其特征是：采用上述的缸内多次高压直喷天然气的发动机：
(1)当天然气发动机处于低负荷工况时，高压天然气喷气阀进行单次喷射，喷射的时刻在上止点和点火前，从而在火花塞附近由近及远、由浓到稀的大浓度梯度的混合气浓度分布；
(2)当天然气发动机处于中负荷工况时，高压天然气喷气阀进行两次等量的天然气喷射，两次喷射的时刻分别为压缩阶段前期和压缩阶段中后期，从而在缸内实现中等梯度浓度分层。
(3)当天然气发动机处于高负荷工况时，高压天然气喷气阀进行二次不等量的天然气喷射，两次喷射的时刻分别为压缩阶段前期和压缩阶段中后期，且第一次喷气量大于第二次喷射，第一次喷射在压缩阶段前期且喷射量比例较大，使得天然气与气缸内的空气更充分地混合，第二次喷射使得火花塞周围形成局部浓混合气。
本发明一种缸内多次高压直喷天然气的发动机分层快速燃烧方法还可以包括：
1、当活塞运行至上止点前10°CA～30°CA时，火花塞开始点火，避免由于压缩阶段点火导致的缸内气体对活塞做负功，使燃烧的主燃期位于上止点之后。
本发明的优势在于：本发明通过对天然气发动机燃烧室结构、缸内高压直喷喷气阀安装的位置和角度、缸内高压直喷喷气阀的喷气规律的合理的匹配设计，改善了不同的负荷工况下的点火时刻缸内混合气浓度场的分布，当发动机处于中低负荷工况时，在点火时刻火花塞附近形成明显的混合气浓度梯度分布，且越靠近火花塞区域的混合气越弄，距离火花塞越远的区域混合气的浓度越稀，从而有效的保证了天然气发动机的稳定点火，提高了火焰传播速度和发动机工作的稳定性，当发动机处于高负荷时在点火时刻燃烧室内混合气的浓度梯度比较小，避免了混合气在燃烧室内局部过浓导致的碳氢排放增加，足发动机高效率和低排放要求。
附图说明
图1为本发明天然气发动机的结构示意图；
图2为高压天然气喷气阀喷射的喷嘴处布置喷孔的区域示意图；
图3为高压天然气喷气阀的喷嘴上布置的喷孔喷气方向示意图；
图4a为发动机处于低负荷工况时天然气的喷射示意图，图4b为发动机处于低负荷工况时的喷气规律曲线示意图，图4c为发动机处于中负荷工况时天然气的喷射示意图，图4d发动机处于中负荷工况时的喷气规律曲线示意图，图 4e发动机处于高负荷工况时天然气的喷射示意图，图4f发动机处于高负荷工况时的喷气规律曲线示意图。
具体实施方式
下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：
结合图1-4f，本发明一种缸内多次高压直喷天然气的发动机，包括：进气道1、气缸盖2、进气阀3、高压天然气喷气阀4、高压天然气供气管路5、火花塞6、排气阀7、排气道8和燃烧室9等，所采用的高压缸内直喷天然气发动机气缸盖里分别设置有火花塞6、高压天然气喷气阀4、高压天然气供气管路5，且火花塞6中轴线与气缸盖2的中轴线重合，高压天然气喷气阀4位于进气道1与火花塞6之间，高压天然气喷气阀4喷嘴具有非轴对称的多孔结构，在高压天然气喷气阀4的喷嘴锥面上且外法线方向与气缸盖2地面外法线方向夹角α<90°的区域分布有多个喷孔，且高压天然气喷气阀4的中轴线与火花塞6的中轴线位于同一平面且夹角在30°到60°范围内，其安装位置能够保证当活塞运行至上止点时高压天然气喷气阀4轴线正对半球形燃烧室9内表面的形心，使天然气射流相对均匀地分布在燃烧室9内，其中高压天然气喷气阀4利用火花塞6点燃缸内混合气，缩短火焰传播距离。高压直喷喷气系统的喷射压力为300bar左右。
如图2所示，为高压天然气喷气阀4喷嘴上的喷孔分布示意图，高压天然气喷气阀4倾斜的安装在气缸盖2上，其喷嘴的锥面上部分区域布置多个燃气喷孔，此区域位于高压天然气4喷嘴的锥面上且其外法线向量与气缸盖2底面外法线向量夹角为锐角α，即位于高压天然气阀4的喷嘴锥面上且同时满足α<90°的区域上布置有多个喷孔，喷孔的直径范围为0.15～0.25mm，且越靠近气缸盖2底面位置的喷孔直径越小且喷孔数量越多。
如图3所示，为高压天然气喷气阀4的喷嘴上布置的喷孔喷气方向示意图，高压直喷喷气系统的喷射压力为300bar左右，高压天然气从高压天然气供气管路5注入到高压天然气喷气阀4，再经由高压天然气喷气阀4喷嘴上的喷孔喷射到燃烧室9，天然气射流方向与燃气喷孔的轴线方向一致，可以使在以火花塞6为中心的不同方向上的混合气相对均匀地分布。
如图4a-4f 所示，为缸内高压天然气喷气阀4在不同的喷射规律作用下，在气缸内形成的不同尺度分层混合气及喷气规律曲线示意图。具体的控制策略如下：
(1)当天然气发动机处于低负荷工况时，由高压直喷喷气阀向燃烧室内进行单次喷射，喷射的时刻在上止点接近上止点和点火前，可以确保在火花塞附近由近及远、由浓到稀的大浓度梯度的混合气浓度分布，再通过控制火花塞的点火正时，适时点燃燃烧室9内一定浓度的混合气，可以有效的改善点火稳定性和提高发动机热效率。
(2)当天然气发动机处于中负荷工况时，缸内高压直喷喷气阀向燃烧室内进行两次等量的天然气喷射，两次喷射的时刻分别为压缩阶段前期和压缩阶段中后期，有利于在缸内实现中等梯度浓度分层，在保证可靠点火的同时降低发动机排放。
(3)当天然气发动机处于高负荷工况时，高压天然气喷气阀4向气缸内内进行二次不等量的天然气喷射，两次喷射的时刻分别为压缩阶段前期，压缩阶段中后期，且第一次喷气量大于第二次喷射，在缸内形成相对均匀的混合气，第一次喷射在压缩阶段前期且喷射量比例较大，可以保证天然气与气缸内的空气更充分地混合，第二次少量的喷射保证火花塞6附近形成局部浓混合气，从而保证了高负荷工况下发动机的高效率和低排放。
燃烧室形状为半球形，可以更好地与高压天然气喷气阀上的喷孔布置配合，缩短了各方向上的火焰传播距离，加快了火焰的传播速度，同时可以减少挤气面积，有利于可以减少碳氢的排放。
当活塞运行至上止点前10°CA～30°CA时，火花塞开始点火，可以避免由于压缩阶段点火导致的缸内气体对活塞做负功的情况，有利于使燃烧的主燃期位于上止点之后，可以有效地提高发动机的经济性。
通过合理的高压天然气喷射阀安装角度，以及高压天然气喷气阀的喷嘴上喷孔的布置方案以及高压喷气阀的喷气规律的耦合，使得在点火时刻燃烧室内形成在火花塞附近由近及远、由浓到稀的混合气分布，可以提高点火的稳定性和天然气发动机的经济性、以及降低发动机的碳氢的排放。
高压燃气喷气阀通过螺纹的方式安装在气缸盖上。
综上所述,该燃烧方法采用在所述高压缸内直喷天然气发动机通过控制缸内高压天然气喷气阀4的喷气规律、火花塞6的点火正时、高压天然气喷气阀4上燃气喷嘴的布置方案，实现不同负荷下缸内从火花塞向外由浓到稀的多尺度分层，从而满足发动机高效率和低排放要求。

Claims (2)

1.一种缸内多次高压直喷天然气的发动机，其特征是：包括气缸盖、气缸壁、活塞、进气道、进气阀、排气道、排气阀、高压天然气喷气阀、高压天然气供气管路、火花塞，气缸盖、气缸壁和火花塞形成燃烧室，所述燃烧室为半球形，气缸盖里设置进气道、排气道、高压天然气喷气阀、高压天然气供气管路和火花塞，高压天然气供气管路连接高压天然气喷气阀，进气道里设置进气阀，排气道里设置排气阀，高压天然气喷气阀位于进气道与火花塞之间；
火花塞中轴线与气缸的中轴线重合，高压天然气喷气阀的中轴线与火花塞的中轴线位于同一平面且夹角在30°到60°范围内，其安装位置能够保证当活塞位于上止点时高压天然气喷气阀的喷嘴轴线经过半球形燃烧室内表面的形心，利用火花塞点燃缸内混合气时，缩短火焰传播距离；
高压天然气喷气阀的喷嘴具有非轴对称多孔结构，喷嘴部分区域布置燃气喷孔，此区域位于高压天然气喷嘴的锥面上且其外法线向量与气缸盖底面外法线向量夹角为锐角。
2.一种缸内多次高压直喷天然气的发动机分层快速燃烧方法，其特征是：采用权利要求1所述的缸内多次高压直喷天然气的发动机：
(1)当天然气发动机处于低负荷工况时，高压天然气喷气阀进行单次喷射，喷射的时刻在上止点和点火前，从而在火花塞附近由近及远、由浓到稀的大浓度梯度的混合气浓度分布；
(2)当天然气发动机处于中负荷工况时，高压天然气喷气阀进行两次等量的天然气喷射，两次喷射的时刻分别为压缩阶段前期和压缩阶段中后期，从而在缸内实现中等梯度浓度分层；
(3)当天然气发动机处于高负荷工况时，高压天然气喷气阀进行二次不等量的天然气喷射，两次喷射的时刻分别为压缩阶段前期和压缩阶段中后期，且第一次喷气量大于第二次喷射，第一次喷射在压缩阶段前期且喷射量比例较大，使得天然气与气缸内的空气更充分地混合，第二次喷射使得火花塞周围形成局部浓混合气；
当活塞运行至上止点前10°CA～30°CA时，火花塞开始点火，避免由于压缩阶段点火导致的缸内气体对活塞做负功，使燃烧的主燃期位于上止点之后。
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