CN111852665B - 多缸天然气发动机凸轮轴配气相位优化设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及天然气发动机领域，公开了一种多缸天然气发动机凸轮轴配气相位优化设计方法，在上游气缸的排气门处于打开状态且相邻的下游气缸的进气门和排气门均处于打开状态时，减小上游气缸的排气提前角，延迟上游气缸排气门开启的时刻，减小下游气缸的排气迟后角，提前上游气缸进气门关闭的时刻，从而减小回火风险角度，在上游气缸排气门刚刚打开的极短时间内，上游气缸排出的废气温度不高，在回火风险角度不大于5°时可以避免发生回火问题。

Description

多缸天然气发动机凸轮轴配气相位优化设计方法
技术领域
本发明涉及天然气发动机领域，尤其涉及一种多缸天然气发动机凸轮轴配气相位优化设计方法。
背景技术
发动机配气相位设计是为了避免发动机工作过程中发生回火，天然气发动机是以普通柴油机为基础进行设计的，因此目前的天然气发动机多采用与普通柴油机相同的配气相位。但由于天然气的燃烧方式与柴油的燃烧方式不同，普通的柴油机凸轮轴的相位设计不能满足天然气发动机的使用。具体地，目前的天然气柴油机存在以下配气问题：
天然气发动机使用预混合燃烧，可燃混合气在进气通道内等待进入气缸，在进气门与排气门均处于打开状态时，不可避免的会使排气管内的废气通过气缸通道进入进气通道内，在进入进气通道内的燃气温度较高时，进气通道内的天然气将被点燃，造成发动机回火，以致损坏进气系统。
为此现有技术通常通过减小进气门和排气门重叠角度的方法，来解决回火问题。但仍然存在进气门和排气门同时打开的时间段，在该时间段内，沿排气气流的流动方向，上游气缸的排气门仍处于打开状态时，上游气缸排出的废气将会通过下游气缸的气缸通道进入进气通道内，以致进气通道内的天然气被点燃，造成发动机回火。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多缸天然气发动机凸轮轴配气相位优化设计方法，能够解决天然气发动机的回火问题。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
多缸天然气发动机凸轮轴配气相位优化设计方法，多缸天然气发动机包括进气管道及设于所述进气管道内的预混装置，所述预混装置用于对空气和天然气进行预混合；所述多缸天然气发动机凸轮轴配气相位优化设计方法包括：
若沿排气气流的流动方向，上游气缸的排气门处于打开状态且相邻的下游气缸的进气门和排气门均处于打开状态，则将上游气缸的排气门开启的时刻至下游气缸的排气门关闭的时刻凸轮轴转过的角度作为回火风险角度；
在回火风险角度大于5°时，减小上游气缸的排气提前角，和/或减小相邻的下游气缸的排气迟后角，使回火风险角度不大于5°。
本发明提供的多缸天然气发动机凸轮轴配气相位优化设计方法，在上游气缸的排气门处于打开状态且相邻的下游气缸的进气门和排气门均处于打开状态时，减小上游气缸的排气提前角，延迟打开上游气缸排气门的时刻，减小下游气缸的排气迟后角，提前关闭上游气缸进气门的时刻，从而减小回火风险角度，在上游气缸排气门刚刚打开的极短时间内，上游气缸排出的废气温度不高，通过试验发现在回火风险角度不大于5°时，基本可以避免发生回火问题。
作为上述多缸天然气发动机凸轮轴配气相位优化设计方法的一种优选技术方案，所述回火风险角度为零。在回火风险角度为零时，上游气缸的排气门打开的同时，下游气缸的排气门关闭，从根本上避免了上游气缸的排气门处于打开状态且相邻的下游气缸的进气门和排气门均处于打开状态这一情况的发生。
作为上述多缸天然气发动机凸轮轴配气相位优化设计方法的一种优选技术方案，所述回火风险角度小于3°。
作为上述多缸天然气发动机凸轮轴配气相位优化设计方法的一种优选技术方案，每个气缸的进气门打开时刻至排气门关闭的时刻凸轮轴转过的角度为60°。
作为上述多缸天然气发动机凸轮轴配气相位优化设计方法的一种优选技术方案，所述回火风险角度小于零。在回火风险角度小于零时，上游气缸的排气门打开之前，关闭下游气缸的排气门，从根本上避免了上游气缸的排气门处于打开状态且相邻的下游气缸的进气门和排气门均处于打开状态这一情况的发生。
作为上述多缸天然气发动机凸轮轴配气相位优化设计方法的一种优选技术方案，通过调节上游气缸对应的凸轮相对于凸轮轴的位置以减小上游气缸的排气提前角，以解决因上游气缸对应的凸轮安装误差导致回火风险角度大于5°的问题。
作为上述多缸天然气发动机凸轮轴配气相位优化设计方法的一种优选技术方案，更换上游气缸对应的凸轮，以减小上游气缸的排气提前角，以解决因上游气缸对应的凸轮加工误差导致回火风险角度大于5°的问题。
作为上述多缸天然气发动机凸轮轴配气相位优化设计方法的一种优选技术方案，通过调节下游气缸对应的凸轮相对于凸轮轴的位置以减小下游气缸的排气迟后角，以解决因下游气缸对应的凸轮安装误差导致回火风险角度大于5°的问题。
作为上述多缸天然气发动机凸轮轴配气相位优化设计方法的一种优选技术方案，更换下游气缸对应的凸轮，以减小下游气缸的排气迟后角，以解决因下游气缸对应的凸轮加工误差导致回火风险角度大于5°的问题。
作为上述多缸天然气发动机凸轮轴配气相位优化设计方法的一种优选技术方案，所述多缸天然气发动机为六缸天然气发动机。
本发明的有益效果：本发明提供的多缸天然气发动机凸轮轴配气相位优化设计方法，在上游气缸的排气门处于打开状态且相邻的下游气缸的进气门和排气门均处于打开状态时，减小上游气缸的排气提前角，延迟上游气缸排气门开启的时刻，减小下游气缸的排气迟后角，提前上游气缸进气门关闭的时刻，从而减小回火风险角度，在上游气缸排气门刚刚打开的极短时间内，上游气缸排出的废气温度不高，通过试验发现在回火风险角度不大于5°时，基本可以避免发生回火问题。
本发明还提供了一种多缸天然气发动机，采用上述的多缸天然气发动机凸轮轴配气相位优化设计方法设计凸轮轴的配气相位，以减小回火风险角度，从而避免上游气缸的排气门处于打开状态且相邻的下游气缸的进气门和排气门均处于打开状态时发生回火问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对本发明实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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的前提下，还可以根据本发明实施例的内容和这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的六缸发动机各个气缸的工作顺序图；
图2是本发明实施例提供的多缸天然气发动机凸轮轴配气相位优化设计方法的主要流程图；
图3是本发明实施例提供的相邻两个气缸之间回火风险角度示意图；
图4是本发明实施例提供的多缸天然气发动机凸轮轴配气相位优化设计方法的详细流程图。
具体实施方式
为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部。
如图1所示，本实施例提供了一种多缸天然气发动机凸轮轴配气相位优化设计方法，以对多缸天然气发动机的凸轮轴进行配气相位优化设计。本实施例以六缸天然气发动机为例，包括依次分布的1缸、2缸、3缸、4缸、5缸和6缸，各缸排气的流动方向如图1中箭头所示方向，具体地，1缸的排气汇流到2缸的排气中，2缸的排气汇流到3缸的排气中，6缸的排气汇流到5缸的排气中，5缸的排气汇流都4缸的排气中，3缸的排气和4缸的排气汇流后排出，图中1中所示的四个区域为易发生回火的高风险区域。
图2是本实施例提供的多缸天然气发动机凸轮轴配气相位优化设计方法的流程图，如图2所示，本实施例提供的多缸天然气发动机凸轮轴配气相位优化设计方法包括：若沿排气气流的流动方向，上游气缸的排气门处于打开状态且相邻的下游气缸的进气门和排气门均处于打开状态，则将上游气缸的排气门开启的时刻至下游气缸的排气门关闭的时刻凸轮轴转过的角度作为回火风险角度；在回火风险角度大于5°时，减小上游气缸的排气提前角，和/或减小相邻的下游气缸的排气迟后角，使回火风险角度不大于5°。
如图3所示，本实施例以1缸和2缸为例，图3中所示的A为排气提前角，B为排气迟后角，C为进气提前角，D为回火风险角度，则D大于5°时，则极易发生回火问题，需要减小1缸的排气提前角，即延迟1缸排气门开启的时刻，减小2缸的排气迟后角，即提前2缸排气门关闭的时刻，从而减小回火风险角度，以避免发生回火问题。
本实施例通过减小上游气缸的排气提前角，以延迟上游气缸排气门开启的时刻，减小下游气缸的排气迟后角，以提前上游气缸进气门关闭的时刻，从而减小回火风险角度，而在上游气缸排气门刚刚打开的极短时间内，上游气缸排出的废气温度不高，通过试验发现在回火风险角度不大于5°时，基本可以避免发生回火问题。
优选地，回火风险角度为零，即上游气缸的排气门打开的同时，下游气缸的排气门关闭，从根本上避免了上游气缸的排气门处于打开状态且相邻的下游气缸的进气门和排气门均处于打开状态这一情况的发生。于其他实施例中，还可以将回火风险角度小于零，即在上游气缸的排气门打开之前，关闭下游气缸的排气门。
在上游气缸的排气门处于打开状态且相邻的下游气缸的进气门和排气门均处于打开状态时，发生回火问题的原因主要有两个，一个可能是凸轮的加工误差问题，另一个可能是凸轮和凸轮轴之间的安装误差问题。如图4所示，在因为凸轮的加工误差问题引起回火问题时，对安装误差进行校正，具体地，可以通过调节上游气缸对应的凸轮相对于凸轮轴的位置以减小上游气缸的排气提前角，还可以通过调节下游气缸对应的凸轮相对于凸轮轴的位置以减小下游气缸的排气迟后角。
在由于凸轮和凸轮轴之间的安装误差引起回火问题时，可以更换上游气缸对应的凸轮，以减小上游气缸的排气提前角；还可以更换下游气缸对应的凸轮，以减小下游气缸的排气迟后角。至于在不改变凸轮和凸轮轴的相对位置的前提下，如何加工出更小排气提前角的凸轮，以及如何加工出排气迟后角更小的凸轮均为现有技术，在此不再赘叙。
因为一旦确定是由凸轮的加工误差较大引起的回火问题，通常是需要重新设计凸轮的，为了降低成本，尽量避免重新设计凸轮，优先判断是否是因为凸轮和凸轮轴之间的安装误差引起的回火问题，在对安装误差进行校正后，仍然存在回火问题，则基本可以确定是由凸轮的加工误差引起的，此时再重新设计凸轮。
进一步地，每个气缸的进气门和排气门均处于打开状态时，进气门打开的时刻过早，或排气门关闭的时刻过晚，也会引入回火问题。为此，本实施例中，每个气缸的进气门打开的时刻至排气门关闭的时刻凸轮轴转过的角度为60°，以减小进气门打开时，可能倒流回进气管道内的废气温度，使倒流回进气管道中的废气温度低于450°，从而解决进气门打开时刻过早或排气门关闭时刻过晚引起的回火问题。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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”、仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。其中，术语“第一位置”和“第二位置”为两个不同的位置。
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，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

Claims (10)

1.多缸天然气发动机凸轮轴配气相位优化设计方法，用于多缸天然气发动机的凸轮轴配气相位优化设计，多缸天然气发动机包括进气管道及设于所述进气管道内的预混装置，所述预混装置用于对空气和天然气进行预混合；其特征在于，所述多缸天然气发动机凸轮轴配气相位优化设计方法包括：
若沿排气气流的流动方向，上游气缸的排气门处于打开状态且相邻的下游气缸的进气门和排气门均处于打开状态，则将上游气缸的排气门开启的时刻至下游气缸的排气门关闭的时刻凸轮轴转过的角度作为回火风险角度；
在回火风险角度大于5°时，减小上游气缸的排气提前角，和/或减小相邻的下游气缸的排气迟后角，使回火风险角度不大于5°。
2.根据权利要求1所述的多缸天然气发动机凸轮轴配气相位优化设计方法，其特征在于，所述回火风险角度小于3°。
3.根据权利要求2所述的多缸天然气发动机凸轮轴配气相位优化设计方法，其特征在于，所述回火风险角度为零。
4.根据权利要求3所述的多缸天然气发动机凸轮轴配气相位优化设计方法，其特征在于，每个气缸的进气门打开时刻至排气门关闭的时刻凸轮轴转过的角度为60°。
5.根据权利要求2所述的多缸天然气发动机凸轮轴配气相位优化设计方法，其特征在于，所述回火风险角度小于零。
6.根据权利要求1所述的多缸天然气发动机凸轮轴配气相位优化设计方法，其特征在于，通过调节上游气缸对应的凸轮相对于凸轮轴的位置以减小上游气缸的排气提前角。
7.根据权利要求1所述的多缸天然气发动机凸轮轴配气相位优化设计方法，其特征在于，更换上游气缸对应的凸轮，以减小上游气缸的排气提前角。
8.根据权利要求1所述的多缸天然气发动机凸轮轴配气相位优化设计方法，其特征在于，通过调节下游气缸对应的凸轮相对于凸轮轴的位置以减小下游气缸的排气迟后角。
9.根据权利要求1所述的多缸天然气发动机凸轮轴配气相位优化设计方法，其特征在于，更换下游气缸对应的凸轮，以减小下游气缸的排气迟后角。
10.根据权利要求1所述的多缸天然气发动机凸轮轴配气相位优化设计方法，其特征在于，所述多缸天然气发动机为六缸天然气发动机。
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