CN110953059A - 一种具有夹气喷嘴的预燃系统、内燃机及预燃控制方法 - Google Patents

一种具有夹气喷嘴的预燃系统、内燃机及预燃控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有夹气喷嘴的预燃系统，包括预燃室、夹气喷嘴机构、点火机构和控制机构，通过设置夹气喷嘴机构，能够实现燃料和空气的混合，将其混合气喷入预燃室，从而解决废气排出以及燃料和空气的供给问题；无需在预燃室增加预燃室进气道及相关结构，大大简化了预燃室结构；本发明提供了一种具有夹气喷嘴的预燃控制系统，通过设置控制机构能够实现夹气喷嘴机构中燃料混合量、压缩空气混合量、混合气喷射时刻和喷射持续期的控制，能够消除预燃室内残余废气，从而提高点火和燃烧的稳定性和精确控制，实现从怠速到最大转速和低负荷到全负荷的高效率，高性能和低排放的燃烧过程的内燃机工作。

Description

一种具有夹气喷嘴的预燃系统、内燃机及预燃控制方法
技术领域
本发明属于发动机技术领域，特别是涉及具有夹气喷嘴的预燃系统、内燃机及预燃控制方法。
背景技术
现有带预燃室的内燃机发动机结构布置方式有三种，第一种在预燃室只布置火花塞；第二种，在预燃室布置火花塞和喷油器；第三种，在预燃室布置火花塞、喷油泵和预燃室进气道。第一种结构如图1所示，由于只在预燃室布置火花塞，在一次燃烧完成后，预燃室内的废气无法完全排出，燃料（燃油/燃气）和空气不易进入预燃室，难以达成稀薄燃烧，甚至存在燃烧困难的风险，因此只适合应用于很窄的内燃机工况范围。第二种结构如图2所示，由于只在预燃室布置火花塞和喷油器，虽然在第一次燃烧后解决了预燃室燃料供应的问题，废气依然不能完全排出，并且空气同样不易进入预燃室，同样难以达成稀薄燃烧，在怠速和冷启动状态下存在燃烧困难，特别是不适用于使用3元催化后处理装置的当量比燃烧的内燃机。第三种结构如图3所示，由于在预燃室布置了喷油器、喷油泵和预燃室进气道，因此解决了第一次燃烧后预燃室的废气排出以及燃料和空气的供给问题，并且可以达成稀薄燃烧，并适用于使用3元催化后处理装置的当量比带有废气再循环的稀释燃烧的内燃机。但是在预燃室增加了预燃室进气道，预燃室进气道还需要单独控制的零部件，会导致结构过大和系统复杂度过高，不仅成本大为增加而且所需的气缸盖空间过大限制了其可用性。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供具有夹气喷嘴的预燃系统、内燃机及预燃控制方法，能够提升燃烧效率，无需在预燃室增加预燃室进气道及相关结构，大大简化预燃室结构。
本发明的一种具有夹气喷嘴的预燃系统，包括预燃室主体，所述预燃室主体内设有预燃室，还包括：
夹气喷嘴机构，所述夹气喷嘴机构设于所述预燃室的上方，所述夹气喷嘴机构包括燃料喷嘴组件、进气组件和混合气喷嘴，燃料和空气分别经过所述燃料喷嘴组件和进气组件进入所述夹气喷嘴机构内混合形成混合气，所述混合气喷嘴用于将所述混合气喷入所述预燃室；
点火机构，所述点火机构设于所述预燃室的上方，且位于所述夹气喷嘴机构的一侧，用于点燃所述混合气；
控制机构，所述燃料喷嘴组件和所述进气组件分别与所述控制机构通讯连接。
以上技术方案优选的，所述燃料喷嘴组件包括燃料喷嘴和电磁阀，所述燃料喷嘴用于喷出所述燃料，所述电磁阀用于控制所述燃料喷嘴的启闭，所述电磁阀与所述控制机构通讯连接。
以上技术方案优选的，所述夹气喷嘴机构还包括混合腔，所述混合腔设于所述混合气喷嘴的上方，且位于所述燃料喷嘴组件和进气组件的下方。
以上技术方案优选的，所述进气组件包括进气通道，所述进气通道的一端与所述混合腔连接，所述进气通道的另一端通过气体管路与空气压缩机连接，所述气体管路上设有稳压阀，所述空气压缩机和稳压阀均与所述控制机构通讯连接。
以上技术方案优选的，所述点火机构为火花塞。
以上技术方案优选的，所述夹气喷嘴机构与所述点火机构呈角度安装，夹角为150°-180°。
以上技术方案优选的，所述预燃室的下方设有隔离板，所述隔离板上均设有多个小孔。
以上技术方案优选的，所述小孔为4-6个，所述小孔的孔径为1.5-2mm。
本发明的一种具有夹气喷嘴的内燃机，包括前述的预燃系统、主燃烧室、进气道和排气道，所述预燃系统设于所述主燃烧室的上方，位于所述进气道和排气道之间。
本发明的一种具有夹气喷嘴的预燃控制方法，包括以下步骤：
控制机构控制燃料喷嘴组件将燃料喷入混合腔，控制机构控制进气组件将压缩空气通入混合腔；
所述燃料与所述压缩空气在所述混合腔混合后经混合气喷嘴喷入预燃室；
点火机构点燃所述预燃室内的所述混合气，形成火焰；
所述火焰通过所述预燃室与主燃烧室之间的小孔，在主燃烧室形成多个燃烧点，多点点燃所述主燃烧室内的燃料和空气，所述预燃室内储存有废气；
所述混合气喷嘴喷出的混合气将所述预燃室内的废气挤入所述主燃烧室内，所述控制机构通过控制所述燃料喷嘴组件的所述燃料的喷入量和所述进气组件的所述压缩空气的气压来调节所述混合气的成分。
本发明具有的优点和积极效果是：本发明提供了一种具有夹气喷嘴的预燃系统，包括预燃室、夹气喷嘴机构、点火机构和控制机构，通过设置夹气喷嘴机构，能够实现燃料和空气的混合，将其混合气喷入预燃室，从而解决废气排出以及燃料和空气的供给问题；无需在预燃室增加预燃室进气道及相关结构，大大简化了预燃室结构；本发明提供了一种具有夹气喷嘴的预燃控制系统，通过设置控制机构能够实现夹气喷嘴机构中燃料混合量、压缩空气混合量、混合气喷射时刻和喷射持续期的控制，能够消除预燃室内残余废气，从而提高点火和燃烧的稳定性和精确控制，实现从怠速到最大转速和低负荷到全负荷的高效率，高性能和低排放的燃烧过程的内燃机工作。
附图说明
图1是现有技术中预燃室布置方式结构一；
图2是现有技术中预燃室布置方式结构二；
图3是现有技术中预燃室布置方式结构三；
图4是本发明一实施例所提供的内燃机的结构示意图；
图5是本发明一实施例所提供的夹气喷嘴机构的结构示意图。
其中：1、预燃室；2、进气道；3、排气道；4、主燃烧室；5、火花塞；6、喷油泵；7、预燃室进气道；8、夹气喷嘴机构；9、燃料喷嘴组件；10、混合气喷嘴；11、混合腔；12、进气通道；13、隔离板；14、活塞。
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。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为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，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
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，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
现有的具有预燃室的内燃机包括预燃室1,、进气道2、排气道3、主燃烧室4和火花塞5，现有技术中为了解决第一次燃烧后预燃室的废气排出以及燃料和空气的供给问题，如图3所示，在预燃室布置了喷油泵6、预燃室进气道7以及火花塞5，可以达成稀薄燃烧，并适用于使用3元催化后处理装置的当量比带有废气再循环的稀释燃烧的内燃机。但是在预燃室增加了预燃室进气道，预燃室进气道还需要单独控制的零部件，会导致结构过大和系统复杂度过高，不仅成本大为增加而且所需的气缸盖空间过大限制了其可用性。为此本实施例一方面提供一种具有夹气喷嘴的预燃系统，如图4和5所示，包括预燃室主体、夹气喷嘴机构、点火机构和控制机构，其中预燃室主体内设有预燃室1；夹气喷嘴机构设于预燃室1的上方，夹气喷嘴机构8包括燃料喷嘴组件9、进气组件和混合气喷嘴10，燃料和空气分别经过燃料喷嘴组件9和进气组件进入夹气喷嘴机构8内混合形成混合气，混合气喷嘴10用于将混合气喷入预燃室1；本实施例中燃料是指燃油或燃气；点火机构设于预燃室1的上方，且位于夹气喷嘴机构8的一侧，用于点燃混合气；燃料喷嘴组件9和进气组件分别与控制机构通讯连接。本申请中控制机构为ECU（Electronic Control Unit）电子控制单元，为汽车专用微机控制器。
具体的，燃料喷嘴组件9包括燃料喷嘴和电磁阀，燃料喷嘴用于喷出燃料，电磁阀用于控制燃料喷嘴的启闭，电磁阀与控制机构通讯连接。为了使燃料与空气充分混合，夹气喷嘴机构8还包括混合腔11，混合腔11设于混合气喷嘴10的上方，且位于燃料喷嘴组件9和进气组件的下方。本实施例中燃料喷嘴组件9为现有的燃油喷嘴或气体燃料喷嘴，电磁阀集成到喷嘴内，燃料喷嘴组件9在计量燃料量的同时以一定的压力把燃料输送到充满空气的混合腔11中。
具体的，进气组件包括进气通道12，进气通道12的一端与混合腔11连接，进气通道12的另一端通过气体管路与空气压缩机连接，气体管路上设有稳压阀，空气压缩机和稳压阀均与控制机构通讯连接。控制机构能够通过控制电磁阀的启闭来控制燃料的喷入量，控制机构能够通过控制稳压阀控制进入夹气喷嘴机构8的压缩空气的气压，通过控制燃料的喷入量和压缩空气的气压从而实现对喷出的混合气的成分的控制。其中，燃料的压力和空气的压力分别独立控制：燃料的压力由控制机构控制燃料喷嘴组件实现，空气的压力由控制机构控制气体管路的稳压阀实现。混合气喷嘴10负责最终将一定量的燃料与空气的混合气。
可选地，点火机构为火花塞5或发热棒。
为了便于点火机构点燃混合气，夹气喷嘴机构8与点火机构呈角度安装，夹角为150°-180°。
预燃室1的下方设有隔离板13，用于将预燃室1与主燃烧室4隔离。隔离板13上均设有多个小孔。可选地，小孔为4-6个，小孔的孔径为1.5-2mm。进一步的，所有小孔中中间的小孔是竖直设置的，其余部分小孔是向外倾斜设置的，倾斜的设置扩大了高温点的分布范围，以便通过小孔的高温点可迅速扩展到整个燃烧室。
本实施例一方面提供一种具有夹气喷嘴的内燃机，包括前述的预燃系统、主燃烧室4、进气道2和排气道3，预燃系统设于主燃烧室4的上方，位于进气道2和排气道3之间。本申请不涉及主燃烧室4的具体结构，因此结构图中没有体现主燃烧室4的喷油器等结构。可选地，本实施例中预燃室1的体积仅占活塞14行至上止点时燃烧燃烧室体积的2-3%。
本实施例提供的预燃系统及内燃机适用于带预燃室1的单缸以及多缸四冲程发动机，也适用于带预燃室1的单缸以及多缸二冲程发动机，适用于燃质为重油（煤油、柴油等）、轻油（汽油等）、醇类燃料（甲醇、乙醇等）、气体燃料（天然气、氢气等）的四冲程以及二冲程发动机。
本实施例提供的预燃系统及内燃机结构较简单；燃烧迅速；并适用于使用3元催化后处理装置的当量比为1带有废气再循环的稀释燃烧的内燃机，降低NOx排放，抑制爆震燃烧和提高热效率。其中当量比是指可燃混合气中理论上可完全燃烧的实际含有的燃烧量与空气量之比。
本实施例一方面提供一种具有夹气喷嘴的预燃控制方法，包括以下步骤：
控制机构控制燃料喷嘴组件9将燃料喷入混合腔11，控制机构控制进气组件将压缩空气通入混合腔11；
燃料与压缩空气在混合腔11混合后形成可燃的混合气经混合气喷嘴10喷入预燃室1；
点火机构点燃预燃室1内的混合气，形成火焰；
预燃室1点燃后，预燃室1的火焰通过预燃室1与主燃烧室4之间的小孔后熄灭，在主燃烧室4形成多个高温的燃烧点，多点点燃主燃烧室4内的燃料和空气，使主燃烧室4的燃烧更均匀、更快速、更充分；
燃烧过后，一定量的废气会储存在预燃室1；混合气喷嘴10喷出的新鲜混合气可将预燃室内的废气挤出预燃室，被挤出的废气进入主燃烧室4中，废气后随废气再循环系统排出；通过控制夹气喷嘴机构8的混合气的成分、喷射时刻、喷射压力和持续期来精确的控制预燃烧；控制机构控制燃料喷嘴组件9的燃料的喷入量和进气组件的压缩空气的气压来调节混合气的成分，燃料喷嘴组件9中的电磁阀能够控制喷射时间和持续期；燃料的压力由控制机构控制燃料喷嘴组件实现，压缩空气的气压由控制机构控制进气组件上的稳压阀实现。本申请中燃料喷嘴组件9为现有的燃油喷嘴或气体燃料喷嘴。
本发明具有的优点和积极效果是：本发明提供了一种具有夹气喷嘴的预燃系统，包括预燃室、夹气喷嘴机构、点火机构和控制机构，通过设置夹气喷嘴机构，能够实现燃料和空气的混合，将其混合气喷入预燃室，从而解决废气排出以及燃料和空气的供给问题；能够解决预燃室内扫气不足的问题，可将废气完全排出，并且预燃室中的空燃比可控，可将当量比精确控制为1，可提升燃烧效率；无需在预燃室增加预燃室进气道及相关结构，大大简化了预燃室结构；由于本预燃室的存在，可以应用于使用3元催化后处理装置的当量比为1带废气再循环的稀释燃烧的内燃机，降低NOx排放，抑制爆震燃烧和提高热效率；本发明提供了一种具有夹气喷嘴的预燃控制系统，通过设置控制机构能够实现夹气喷嘴机构中燃料混合量、压缩空气混合量、混合气喷射时刻和喷射持续期的控制，能够消除预燃室内残余废气，从而提高点火和燃烧的稳定性和精确控制，实现从怠速到最大转速和低负荷到全负荷的高效率，高性能和低排放的燃烧过程的内燃机工作。
以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (10)

1.一种具有夹气喷嘴的预燃系统，包括预燃室主体，所述预燃室主体内设有预燃室，其特征在于，还包括：
夹气喷嘴机构，所述夹气喷嘴机构设于所述预燃室的上方，所述夹气喷嘴机构包括燃料喷嘴组件、进气组件和混合气喷嘴，燃料和空气分别经过所述燃料喷嘴组件和进气组件进入所述夹气喷嘴机构内混合形成混合气，所述混合气喷嘴用于将所述混合气喷入所述预燃室；
点火机构，所述点火机构设于所述预燃室的上方，且位于所述夹气喷嘴机构的一侧，用于点燃所述混合气；
控制机构，所述燃料喷嘴组件和所述进气组件分别与所述控制机构通讯连接。
2.根据权利要求1所述的具有夹气喷嘴的预燃系统，其特征在于：所述燃料喷嘴组件包括燃料喷嘴和电磁阀，所述燃料喷嘴用于喷出所述燃料，所述电磁阀用于控制所述燃料喷嘴的启闭，所述电磁阀与所述控制机构通讯连接。
3.根据权利要求1所述的具有夹气喷嘴的预燃系统，其特征在于：所述夹气喷嘴机构还包括混合腔，所述混合腔设于所述混合气喷嘴的上方，且位于所述燃料喷嘴组件和进气组件的下方。
4.根据权利要求3所述的具有夹气喷嘴的预燃系统，其特征在于：所述进气组件包括进气通道，所述进气通道的一端与所述混合腔连接，所述进气通道的另一端通过气体管路与空气压缩机连接，所述气体管路上设有稳压阀，所述空气压缩机和稳压阀均与所述控制机构通讯连接。
5.根据权利要求1所述的具有夹气喷嘴的预燃系统，其特征在于：所述点火机构为火花塞。
6.根据权利要求5所述的具有夹气喷嘴的预燃系统，其特征在于：所述夹气喷嘴机构与所述点火机构呈角度安装，夹角为150°-180°。
7.根据权利要求1所述的具有夹气喷嘴的预燃系统，其特征在于：所述预燃室的下方设有隔离板，所述隔离板上均设有多个小孔。
8.根据权利要求7所述的具有夹气喷嘴的预燃系统，其特征在于：所述小孔为4-6个，所述小孔的孔径为1.5-2mm。
9.一种具有夹气喷嘴的内燃机，其特征在于：包括如权利要求1-8任一项所述的预燃系统、主燃烧室、进气道和排气道，所述预燃系统设于所述主燃烧室的上方，位于所述进气道和排气道之间。
10.一种具有夹气喷嘴的预燃控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
控制机构控制燃料喷嘴组件将燃料喷入混合腔，控制机构控制进气组件将压缩空气通入混合腔；
所述燃料与所述压缩空气在所述混合腔混合后经混合气喷嘴喷入预燃室；
点火机构点燃所述预燃室内的所述混合气，形成火焰；
所述火焰通过所述预燃室与主燃烧室之间的小孔，在主燃烧室形成多个燃烧点，多点点燃所述主燃烧室内的燃料和空气，所述预燃室内储存有废气；
所述混合气喷嘴喷出的混合气将所述预燃室内的废气挤入所述主燃烧室内，所述控制机构通过控制所述燃料喷嘴组件的所述燃料的喷入量和所述进气组件的所述压缩空气的气压来调节所述混合气的成分。
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