CN112780464B - 一种阶梯式喷孔结构喷油器的双燃料发动机 - Google Patents

一种阶梯式喷孔结构喷油器的双燃料发动机 Download PDF

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Abstract

本发明的目的在于提供一种阶梯式喷孔结构喷油器的双燃料发动机及其燃烧组织方法，气缸盖里设置喷油器，喷油器位于气缸盖的中部，进气歧管里设置低压天然气喷射阀，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喷油器轴线夹角为60°，下喷孔的中心轴线与喷油器轴线夹角为30°。本发明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。实现了柴油在发动机气缸三维空间内全范围、多层次和多角度喷射，改善燃烧室内天然气的着火点分布，降低了THC和CO排放。

Description

一种阶梯式喷孔结构喷油器的双燃料发动机
本发明涉及的是一种发动机，具体地说是双燃料发动机及其燃烧方法。
背景技术
随着能源匮乏与排放法规的日益严格，内燃机行业领域都面临着巨大的挑战，寻求一种新型的替代能源已经逐渐成为研究热点，天然气以其储量丰富、燃烧高效、清洁友好的优势成为极具潜力的内燃机新型燃料。
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。双燃料发动机可以大幅度地降低碳烟的排放，并且极大的缓解了石油能源的短缺问题，提高了燃料的经济性，在满足了排放法规的要求同时，也保证了发动机功率的最大化。双燃料发动机一般由柴油机改装而来，在保留了柴油机的全部装置与功能的同时，只新增了燃气供给系统、油气切换系统以及油气控制系统，因此改装较为方便，极大的降低了双燃料发动机成本费用，有利于在实际的船舶内燃机领域内应用。
在双燃料发动机中，喷油器将燃油喷射进燃烧室内与天然气进行混合，并引燃天然气着火燃烧，因此双燃料发动机的燃烧过程很大程度上会受到燃油喷射特性的影响。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能实现柴油与天然气耦合分层，从而达到在不同工况下的双燃料发动机高效率燃烧，降低由于缸内浓度梯度分布不合理所导致部分天然气未被引燃，有效避免THC、CO排放过高等问题的一种阶梯式喷孔结构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：
本发明一种阶梯式喷孔结构喷油器的双燃料发动机，其特征是：包括气缸盖、气缸壁、活塞，气缸盖位于气缸壁上方，活塞位于气缸壁里，气缸盖、气缸壁、活塞之间形成燃烧室，气缸盖里设置喷油器，喷油器位于气缸盖的中部，进气歧管里设置低压天然气喷射阀，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喷油器轴线夹角为60°，下喷孔的中心轴线与喷油器轴线夹角为30°。
本发明一种阶梯式喷孔结构喷油器的双燃料发动机还可以包括：
1、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。
2、所述燃烧室为ω型燃烧室，上喷孔喷射燃油的射流方向到达ω型燃烧室内的高台边缘区域，下喷孔喷射燃油的射流方向到达ω型燃烧室底部半圆弧中心区域，四个上喷孔直径相等，四个下喷孔直径相等，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。
本发明一种阶梯式喷孔结构喷油器的双燃料发动机燃烧组织方法，其特征是：在低负荷下，通过带有阶梯式喷孔结构的喷油器喷射柴油，喷射正时为压缩上止点前10°CA～30°CA，此时低压天然气喷射阀不进行工作，双燃料发动机运行在纯柴油模式；在中负荷下，喷油器与低压天然气喷射阀协同工作，在进气冲程排气阀关闭后开始喷射，喷射正时为气门开启最大升程前后10°CA范围内，柴油通过带有阶梯式喷孔的喷油器进入缸内与天然气共同形成浓度梯度分布状态；在高负荷下，低压天然气喷射阀喷射正时在排气阀关闭后的0°CA～ 30°CA范围内，柴油通过带有阶梯式喷孔的喷油器喷入缸内增加天然气的着火点分布，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，实现缸内的浓度梯度分布。
本发明的优势在于：本发明通过对双燃料发动机燃烧模式和油气喷射策略做出优化，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。通过所述带有阶梯式喷孔结构的喷油器和燃烧室结构匹配、以及控制低压天然气喷射阀与缸内直喷阶梯喷油器的开启正时可以实现柴油在发动机气缸三维空间内全范围、多层次和多角度喷射，使距离喷油器喷嘴出口位置的远端和近端都分布有高反应活性的柴油，改善燃烧室内天然气的着火点分布，使得燃油喷雾与天然气形成合理的浓度梯度分布，避免使用传统喷油器导致的远离柴油喷雾注外围空间内稀混合气失火问题，提高双燃料发动机的燃料燃烧效率，降低THC和CO排放。
附图说明
图1为原柴油机燃烧系统结构示意图；
图2a为原柴油机喷油器针阀体头部的主视图，图2b为原柴油机喷油器针阀体头部的俯视图；
图3为本发明的双燃料发动机燃烧系统示意图；
图4a为本发明的喷油器针阀体头部的主视图，图4b为本发明的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1-4b，图1为原柴油机燃烧系统示意图，图3为本发明实施方式中双燃料发动机燃烧系统示意图，主要包括活塞1、气缸壁2、气缸盖3、排气阀 4、排气道5、喷油器针阀体6、进气道7、低压天然气喷射阀8、进气阀9、ω型燃烧室10。其中，ω型燃烧室10由活塞1、气缸壁2以及气缸盖3组成；带有阶梯式喷孔结构的喷油器6安装在气缸盖中，该喷油器6设置有多个喷孔并位于两个不同阶梯平面内；低压天然气喷射阀8安装在每缸的进气歧管处，在进气冲程排气阀关闭后到进气阀关闭期间进行供气。
本发明中所提供的一种基于阶梯式喷孔结构喷油器的双燃料发动机燃烧组织方法，所述带有阶梯式喷孔结构喷油器的针阀体头部设置有位于上下两个阶梯平面内的8个喷孔，上喷孔11轴线与喷油器针阀体6轴线夹角为60°，下喷孔12轴线与喷油器针阀体6轴线夹角为30°，喷孔位置如图4所示。而传统柴油机喷油器的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2所示。所述带有阶梯式喷孔结构喷油器6其位于上阶梯面的大喷孔11所喷射的燃油射流方向可到达ω型燃烧室10内的高台边缘区域，位于下阶梯面的小喷孔12所喷射的燃油射流方向可到达ω型燃烧室10底部半圆弧中心区域，并且两种喷孔的直径与其所适应的ω型燃烧室10形状相匹配，互相交错布置，布置示意图如图4所示，而原传统柴油机布置示意图如图2所示。并且所述带有阶梯式喷孔结构的喷油器的上喷孔11的喷射流量要大于下喷孔 12的喷射流量，为2倍的流量关系，使距离喷油器6喷嘴出口位置的远端和近端都分布有高反应活性的柴油。燃烧室10为ω型结构，在柴油喷射时燃油喷雾与天然气可以在燃烧室10内形成耦合分层，增加了天然气的着火点分布。低压天燃气喷射阀8安装在每缸的进气歧管上，在进气过程中能够实现燃气多次喷射，在双燃料发动机不同负荷下可以实现较大尺度的浓度梯度分层。
在双燃料发动机低负荷下，通过所述带有阶梯式喷孔结构的喷油器喷射柴油，喷射正时为压缩上止点前10°CA～30°CA，此时低压天然气喷射阀不进行工作，双燃料发动机运行在纯柴油模式；在中负荷下，喷油器与低压天然气喷射阀协同工作，在进气冲程排气阀关闭后开始喷射，喷射正时为气门开启最大升程前后10°CA范围内，此时喷射的天然气在缸内会形成较大的浓度梯度分层，此时柴油通过带有阶梯式喷孔的喷油器进入缸内与天然气共同形成合理的浓度梯度分布状态；在高负荷下，由于所需燃气较多，并且燃烧时的温度较高，因此低压天然气喷射阀喷射正时在排气阀关闭后的0°CA～30°CA范围内，柴油通过带有阶梯式喷孔的喷油器喷入缸内会增加天然气的着火点分布，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，改善了燃油的雾化质量，实现了缸内合理的浓度梯度分布，从而达到双燃料发动机的高效稳定燃烧，降低了THC和CO排放。
本发明烧组织方法通过带有阶梯式喷孔结构的喷油器和燃烧室结构匹配、以及控制低压天然气喷射阀与缸内直喷阶梯喷油器的开启正时可以实现柴油在发动机气缸三维空间内多层次、多尺度和多角度喷射，使距离喷油器喷嘴出口位置的远端和近端都分布有高反应活性的柴油，改善燃烧室内天然气的着火点分布，使得燃油喷雾与天然气形成合理的浓度梯度分布，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，提高双燃料发动机的燃料燃烧效率，降低THC和CO排放；同时，通过优化带有阶梯喷孔结构喷油器的喷孔直径，增大了上阶梯平面内大喷孔柴油射流的贯穿距离和下阶梯面内小喷孔柴油射流的流速，实现喷油射流与缸内大尺度挤流和滚流的交互作用，改善柴油的雾化质量，促进发动机在纯柴油模式和气体模式下的着火质量。

Claims (3)

1.一种阶梯式喷孔结构喷油器的双燃料发动机，其特征是：包括气缸盖、气缸壁、活塞，气缸盖位于气缸壁上方，活塞位于气缸壁里，气缸盖、气缸壁、活塞之间形成燃烧室，气缸盖里设置喷油器，喷油器位于气缸盖的中部，进气歧管里设置低压天然气喷射阀，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喷油器轴线夹角为60°，下喷孔的中心轴线与喷油器轴线夹角为30°；通过带有阶梯式喷孔结构的喷油器和ω型燃烧室结构匹配、以及控制低压天然气喷射阀与缸内直喷阶梯喷油器的开启正时可以实现柴油在发动机气缸三维空间内多层次、多尺度和多角度喷射，使距离喷油器喷嘴出口位置的远端和近端都分布有高反应活性的柴油，通过优化带有阶梯喷孔结构喷油器的喷孔直径，增大上阶梯平面内大喷孔柴油射流的贯穿距离和下阶梯面内小喷孔柴油射流的流速，实现喷油射流与缸内大尺度挤流和滚流的交互作用，改善柴油的雾化质量，促进发动机在纯柴油模式和气体模式下的着火质量；
在低负荷下，通过带有阶梯式喷孔结构的喷油器喷射柴油，喷射正时为压缩上止点前10°CA～30°CA，此时低压天然气喷射阀不进行工作，双燃料发动机运行在纯柴油模式；在中负荷下，喷油器与低压天然气喷射阀协同工作，在进气冲程排气阀关闭后开始喷射，喷射正时为气门开启最大升程前后10°CA范围内，柴油通过带有阶梯式喷孔的喷油器进入缸内与天然气共同形成浓度梯度分布状态；在高负荷下，低压天然气喷射阀喷射正时在排气阀关闭后的0°CA～30°CA范围内，柴油通过带有阶梯式喷孔的喷油器喷入缸内增加天然气的着火点分布，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，实现缸内的浓度梯度分布。
2.根据权利要求1所述的一种阶梯式喷孔结构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。
3.根据权利要求2所述的一种阶梯式喷孔结构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到达ω型燃烧室内的高台边缘区域，下喷孔喷射燃油的射流方向到达ω型燃烧室底部半圆弧中心区域，四个上喷孔直径相等，四个下喷孔直径相等，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。
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