CN112780463A - 一种采用双气体喷管和阶梯喷孔喷油器的双燃料发动机及其燃烧组织方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种采用双气体喷管和阶梯喷孔喷油器的双燃料发动机及其燃烧组织方法，包括气缸盖、气缸壁、活塞，活塞位于气缸壁里，气缸盖位于气缸壁上方，气缸盖、气缸壁、活塞之间构成燃烧室，气缸盖里设置长进气道、短进气道和喷油器，长进气道里设置长弯曲喷管，长弯曲喷管的端部设置长进气道低压天然气喷气阀，短进气道里设置短弯曲喷管，短弯曲喷管的端部设置短进气道低压天然气喷气阀，喷油器位于气缸壁中部。本发明通过独立控制双喷管低压天然气喷射阀的喷射正时、喷射顺序与喷射量，来实现天然气进入气缸内形成一定的浓度梯度混合气分层。通过柴油和天然气在燃烧室内形成耦合分层，实现在不同工况下的双燃料发动机高效率燃烧。

Description

一种采用双气体喷管和阶梯喷孔喷油器的双燃料发动机及其 燃烧组织方法

技术领域

本发明涉及的是一种发动机及其控制方法，具体地说是双燃料发动机及燃烧方法。

背景技术

环境污染与能源消费结构不合理已经成为制约船舶行业发展的瓶颈问题。传统船舶发动机主要以柴油机为动力，其技术水准仍远落后于西方发达国家，在船舶运营中需消耗大量的柴油，并且总排放量已经达到汽车排放量的50％，成为造成大气污染的主要来源之一。因此对于船舶发动机的研究不能再局限于传统，使用清洁替代能源是船舶领域发展的必经之路。天然气以其储量丰富、清洁友好的特点开始逐渐受到研究学者的关注，成为船舶发动机的新型燃料。

天然气/柴油双燃料发动机是天然气新型燃料在内燃机上的典型应用。目前，双燃料发动机的天然气供给方式主要有缸外供气于缸内直喷两种。缸外供气方式通过在进气歧管处安装有天然气喷射阀，在气道内进行多点喷射，可以实现控制各缸的燃气喷射量。缸内直喷方式通过在压缩冲程活塞运行至上止点之前进行高压喷射，避免了缸外进气方式所导致的充气效率降低问题，实现了精准的燃气喷射量的控制。

为了进一步改善双燃料发动机的燃烧性能，有必要对缸内柴油与天然气耦合分层进行深入研究。公开号CN104088742A的专利涉及一种柴油机阶梯式喷孔喷油嘴，通过设置在靠近喷嘴压力室的细孔长度大于靠近喷孔出口的粗孔长度，有利于增大喷雾锥角与贯穿距离，改善了燃油的雾化质量，但是燃料在燃烧室底部区域内的分布情况并不理想，容易造成燃料残留问题。公开号CN105179132A的专利涉及一种双燃料发动机孔式喷油器针阀体，通过在喷油器针阀体的头部设置均匀分布的周向喷孔与轴向喷孔，改善了柴油的雾化，增加了天然气着火点的分布，但是未考虑到天然气在燃烧室内的分布情况，燃油喷雾与天然气未形成合理的浓度梯度分布，容易造成远离柴油喷雾的外围空间内稀混合气失火问题。

发明内容

本发明的目的在于提供实现耦合分层快速燃烧、提高燃料燃烧效率的一种采用双气体喷管和阶梯喷孔喷油器的双燃料发动机及其燃烧组织方法。

本发明的目的是这样实现的：

一种采用双气体喷管和阶梯喷孔喷油器的双燃料发动机，其特征是：包括气缸盖、气缸壁、活塞、主进气道，活塞位于气缸壁里，气缸盖位于气缸壁上方，气缸盖、气缸壁、活塞之间构成燃烧室，气缸盖里设置长进气道、短进气道和喷油器，长进气道里设置长弯曲喷管，长弯曲喷管的端部设置长进气道低压天然气喷气阀，短进气道里设置短弯曲喷管，短弯曲喷管的端部设置短进气道低压天然气喷气阀，主进气道末端连接长进气道与短进气道，主进气道采用弯曲壁面结构，长进气道与短进气道均采用直进气道，喷油器位于气缸壁中部。

本发明一种采用双气体喷管和阶梯喷孔喷油器的双燃料发动机还可以包括：

1、所述喷油器为带有阶梯式喷孔结构的喷油器，包括上喷孔和下喷孔，上喷孔位于上阶梯平面，下喷孔位于下阶梯平面，上喷孔的中心轴线与气缸中心轴线夹角为60°，下喷孔的中心轴线与气缸中心轴线夹角为30°。

2、上喷孔包括四个，呈圆周均匀分布，下喷孔包括四个，呈圆周均匀分布，上喷孔与下喷孔之间在两个平面上呈交错布置。

3、所述燃烧室为ω型燃烧室，上喷孔喷射燃油的射流方向与ω型燃烧室高台边缘处重合，下喷孔喷射燃油的射流方向与底部半球中心处重合，四个上喷孔直径相等，四个下喷孔直径相等，上喷孔直径大于下喷孔，在相同喷射脉宽下，上喷孔14燃油喷射流量为下阶梯平面内的下喷孔15燃油喷射流量的2倍。

本发明一种采用双气体喷管和阶梯喷孔喷油器的双燃料发动机燃烧组织方法，其特征是：

在低负荷工况下，长进气道低压天然气喷射阀在进气门开启后50～70°CA进行喷射，短进气道低压天然气喷射阀在进气门开启后80～100°CA进行喷射，长进气道天然气的喷射相位早于短进气道的喷射相位，形成间隔喷射，促使缸内首先形成较为均匀的混合气分布，同时在短进气道进行喷气后促进缸内混合气形成上浓下稀的大浓度梯度分层；带有阶梯式喷孔结构的喷油器在上止点前10～30°CA向缸内进行单次喷射，使柴油与天然气在燃烧室内形成耦合分层；

在中负荷工况下，长进气道低压天然气喷射阀在进气门开启后35～50°CA进行喷射，短进气道低压天然气喷射阀在进气门开启后45～65°CA进行喷射，喷射相位差为15°CA，形成顺序喷射，促使缸内混合气有充足的时间形成均匀分布，从而在短进气道进行喷气后促进缸内混合气形成小浓度梯度分层，同时在活塞运动至上止点前15～25°CA通过所述带有阶梯式喷孔结构的喷油器向缸内喷入柴油，实现燃油在气缸三维空间内的多层次、多尺度和多角度喷射；

在高负荷工况下，长进气道低压天然气喷射阀与短进气道低压天然气喷射阀在进气门开启后10～25°CA进行同时喷射，促进缸内混合气形成均匀分布，同时在活塞运动至上止点前5～15°CA通过所述带有阶梯式喷孔结构的喷油器向缸内喷入柴油引燃混合气，实现天然气的相对均质燃烧。

本发明的优势在于：本发明根据发动机不同的运行工况，通过独立控制双喷管低压天然气喷射阀的喷射正时、喷射顺序与喷射量，来实现天然气进入气缸内形成一定的浓度梯度混合气分层。以及控制所述带有阶梯式喷孔结构喷油器的开启正时来实现柴油在气缸三维空间内的多层次、多尺度和多角度喷射。通过高反应活性柴油和低反应活性天然气在燃烧室内形成耦合分层，实现在不同工况下的双燃料发动机高效率燃烧。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的剖面图；

图3a为喷油器针阀体头部的主视图，图3b为喷油器针阀体头部的俯视图；

图4为原柴油机剖面图；

图5a为原柴油机喷油器针阀体头部的主视图，图5b为原柴油机喷油器针阀体头部的俯视图。

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1-5b，本发明装置主要包括气缸、气缸盖6、活塞12、主进气道2、长进气道4、短进气道3。气缸、气缸盖6与活塞12构成ω型燃烧室11，位于活塞12顶部中央；气缸盖6中设置有进气道、排气道10、以及带有阶梯式喷孔结构的喷油器8，示意图如图2所示。发动机每缸具有双进气道、双喷管与双低压天然气喷射阀的一体式结构，主进气道2采用弯曲壁面结构，其末端连接长进气道4与短进气道3，长进气道4与短进气道3均采用直进气道。对应的进气管上分别装有两个低压天然气喷射阀1，低压天然气喷射阀1与弯曲喷管9相连接，延长至进气道内，实现不同进气道内的单独供气，示意图如图1所示。所述带有阶梯式喷孔结构的喷油器8具有阶梯式分布的喷孔组14、15成的一体式结构，喷孔直径大小与燃烧室11形状相匹配。喷油器的针阀体头部共设置8个喷孔，并位于上、下两个阶梯平面内呈交错布置。其中上喷孔14的中心轴线与气缸中心轴线夹角为60°，下喷孔15的中心轴线与气缸中心轴线夹角为30°，上下两种不同直径喷孔14、15呈交错布置，喷孔位置分布如图3所示。而传统柴油机的喷油器针阀体头部仅均匀分布有4个喷孔，并且位于同一平面内，喷孔位置如图5所示。所述带有阶梯式喷孔结构的喷油器8其上喷孔喷射燃油的射流方向与ω型燃烧室11高台边缘处重合，下喷孔15喷射燃油的射流方向与底部半球中心处重合，两种喷孔其位于同一阶梯平面内的喷孔直径大小相等，而上喷孔14直径要大与下喷孔15，并且在相同喷射脉宽下，上喷孔14燃油喷射流量为下阶梯平面内的下喷孔15燃油喷射流量的2倍。

本发明采用双气体喷管和阶梯喷孔喷油器的双燃料发动机燃烧具体方法如下：

在双燃料发动机处于低负荷工况下，长进气道4对应的低压天然气喷射阀1在进气门开启后50～70°CA进行喷射，短进气道3对应的低压天然气喷射阀1在进气门开启后80～100°CA进行喷射。长进气道4天然气的喷射相位早于短进气道3的喷射相位，形成间隔喷射。这可以促使缸内首先形成较为均匀的混合气分布，同时在短进气道3进行喷气后可促进缸内混合气形成上浓下稀的大浓度梯度分层。带有阶梯式喷孔结构的喷油器8在上止点前10～30°CA向缸内进行单次喷射，使柴油与天然气在燃烧室11内形成耦合分层，有效提高了发动机在低负荷工况下的稳定性。

在双燃料发动机处于中负荷工况下，长进气道4对应的低压天然气喷射阀1在进气门开启后35～50°CA进行喷射，短进气道3对应的低压天然气喷射阀1在进气门开启后45～65°CA进行喷射，喷射相位差为15°CA，形成顺序喷射。顺序喷射可以促使缸内混合气有充足的时间形成均匀分布，从而在短进气道3进行喷气后促进缸内混合气形成小浓度梯度分层。同时在活塞12运动至上止点前15～25°CA通过所述带有阶梯式喷孔结构的喷油器8向缸内喷入少量柴油，实现燃油在气缸三维空间内的多层次、多尺度和多角度喷射，改善燃油的雾化质量，加快火焰传播速度，从而达到发动机的高效稳定燃烧。

在双燃料发动机处于高负荷工况下，长进气道4与短进气道3分别对应的低压天然气喷射阀1在进气门开启后10～25°CA进行同时喷射，促进缸内混合气形成均匀分布。同时在活塞12运动至上止点前5～15°CA通过所述带有阶梯式喷孔结构的喷油器8向缸内喷入少量柴油引燃混合气，实现天然气的相对均质燃烧。有效提高了发动机的工作效率，保证了在高负荷工况下的排放性能。

综上所述，本发明中发动机根据不同运行工况，独立控制两个低压天然气喷射阀的喷射正时、喷射顺序与喷射量，利用喷气规律的变化实现天然气进入气缸内时间、流动特性的差别，促进缸内形成一定浓度梯度的混合气分层。以及控制所述带有阶梯式喷孔结构喷油器的开启正时来实现柴油在气缸三维空间内的多层次、多尺度和多角度喷射，避免使用传统喷油器导致的远离柴油喷雾外围空间内稀混合气失火问题。通过高反应活性柴油和低反应活性天然气在燃烧室内形成耦合分层，实现在不同工况下的双燃料发动机高效率燃烧。

Claims (5)

1.一种采用双气体喷管和阶梯喷孔喷油器的双燃料发动机，其特征是：包括气缸盖、气缸壁、活塞、主进气道，活塞位于气缸壁里，气缸盖位于气缸壁上方，气缸盖、气缸壁、活塞之间构成燃烧室，气缸盖里设置长进气道、短进气道和喷油器，长进气道里设置长弯曲喷管，长弯曲喷管的端部设置长进气道低压天然气喷气阀，短进气道里设置短弯曲喷管，短弯曲喷管的端部设置短进气道低压天然气喷气阀，主进气道末端连接长进气道与短进气道，主进气道采用弯曲壁面结构，长进气道与短进气道均采用直进气道，喷油器位于气缸壁中部。

2.根据权利要求1所述的一种采用双气体喷管和阶梯喷孔喷油器的双燃料发动机，其特征是：所述喷油器为带有阶梯式喷孔结构的喷油器，包括上喷孔和下喷孔，上喷孔位于上阶梯平面，下喷孔位于下阶梯平面，上喷孔的中心轴线与气缸中心轴线夹角为60°，下喷孔的中心轴线与气缸中心轴线夹角为30°。

3.根据权利要求2所述的一种采用双气体喷管和阶梯喷孔喷油器的双燃料发动机，其特征是：上喷孔包括四个，呈圆周均匀分布，下喷孔包括四个，呈圆周均匀分布，上喷孔与下喷孔之间在两个平面上呈交错布置。

4.根据权利要求3所述的一种采用双气体喷管和阶梯喷孔喷油器的双燃料发动机，其特征是：所述燃烧室为ω型燃烧室，上喷孔喷射燃油的射流方向与ω型燃烧室高台边缘处重合，下喷孔喷射燃油的射流方向与底部半球中心处重合，四个上喷孔直径相等，四个下喷孔直径相等，上喷孔直径大于下喷孔，在相同喷射脉宽下，上喷孔燃油喷射流量为下阶梯平面内的下喷孔燃油喷射流量的2倍。

5.一种采用双气体喷管和阶梯喷孔喷油器的双燃料发动机燃烧组织方法，其特征是：

在低负荷工况下，长进气道低压天然气喷射阀在进气门开启后50～70°CA进行喷射，短进气道低压天然气喷射阀在进气门开启后80～100°CA进行喷射，长进气道天然气的喷射相位早于短进气道的喷射相位，形成间隔喷射，促使缸内首先形成较为均匀的混合气分布，同时在短进气道进行喷气后促进缸内混合气形成上浓下稀的大浓度梯度分层；带有阶梯式喷孔结构的喷油器在上止点前10～30°CA向缸内进行单次喷射，使柴油与天然气在燃烧室内形成耦合分层；

在中负荷工况下，长进气道低压天然气喷射阀在进气门开启后35～50°CA进行喷射，短进气道低压天然气喷射阀在进气门开启后45～65°CA进行喷射，喷射相位差为15°CA，形成顺序喷射，促使缸内混合气有充足的时间形成均匀分布，从而在短进气道进行喷气后促进缸内混合气形成小浓度梯度分层，同时在活塞运动至上止点前15～25°CA通过所述带有阶梯式喷孔结构的喷油器向缸内喷入柴油，实现燃油在气缸三维空间内的多层次、多尺度和多角度喷射；

在高负荷工况下，长进气道低压天然气喷射阀与短进气道低压天然气喷射阀在进气门开启后10～25°CA进行同时喷射，促进缸内混合气形成均匀分布，同时在活塞运动至上止点前5～15°CA通过所述带有阶梯式喷孔结构的喷油器向缸内喷入柴油引燃混合气，实现天然气的相对均质燃烧。

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