CN113006928B - 具有预燃室的发动机及其工作方式 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了具有预燃室的发动机及其工作方式，涉及发动机技术领域，其中，具有预燃室的发动机包括：机体，机体上具有预燃室，预燃室与机体的主燃烧室通过连接通道连通，预燃室设有副喷油器、第一火花塞和电热塞，主燃烧室设有主喷油器和第二火花塞，第一火花塞和电热塞用于点燃预燃室内的油气混合物，副喷油器用于给预燃室内喷油，主喷油器用于给主燃烧室内喷油，第二火花塞用于点燃主燃烧室内的油气混合物。该具有预燃室的发动机通过在气缸盖上设置有预燃室、主喷油器、副喷油器、第一火花塞和第二火花塞，能够实现发动机机内混合气浓度为任意浓度时都能点燃，且灵活实现不同混合气浓度下工作模式的切换，满足发动机在各种工况运行的需要。

Description

具有预燃室的发动机及其工作方式
技术领域
本发明涉及发动机技术领域，更具体的说是涉及具有预燃室的发动机及其工作方式。
背景技术
由于二冲程发动机与四冲程发动机相比具有体积小、重量轻、零部件数量少、模块化程度高、可靠性和维护性高的特点，同时二冲程发动机也具有较大的功重比，因此，二冲程发动机在功重比要求高的领域得到了广泛应用，如在军事和航空领域，但是，由于在航空和军事领域中发动机优先所用的燃料为重油(航空煤油和柴油)，二冲程重油发动机只能采用点燃的方式，即由火花塞或者电热塞点燃，否则功重比难以满足要求，并且采用燃料缸内直接喷射的方式来避免燃料扫气损失。但采用缸内直喷方式和火花点火燃烧方式时，由于燃料喷射后雾化的时间短、与空气混合的时间也短，导致混合气形成不良而不能稳定可靠的着火燃烧，特别对于柴油，由于其粘度大，采用中低压喷射(喷射压力小于80MPa)时，由于雾化不良在稀混合气状态下，容易导致火花塞点火时火焰传播困难，浓混合气状态下又存在容易冒烟的问题。
对于四冲程重油发动机，点燃式四冲程发动机相比压燃式四冲程发动机(柴油机)，具有体积小、重量轻的特点。在对功重比要求高的军事和航空领域，若采用压燃式的柴油机，由于其功重比较水平低(目前功重比的水平的约为1，即每公斤1kW)而制约了其发展。同时，压燃四冲程重油发动机存在容易出现爆震燃烧的问题，以及在稀混合气状态下点燃着火困难，而浓混合气燃烧又会严重的冒烟和燃烧不完全的问题。
可见，由于二冲程发动机和四冲程发动机在使用重油时，均存在如下缺陷：在稀混合气状态下点燃着火困难，而浓混合气燃烧又会严重的冒烟和燃烧不完全。此外，二冲程重油发动机同时存在在扫气过程采用新鲜燃油空气混合气进行扫气导致的新鲜燃油空气混合气扫气损失使发动机的油耗高的问题。
因此，如何提供一种能够提能够解决稀混合气状态下点火困难和浓混合气下冒烟和燃烧不完全的发动机是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出具有预燃室的发动机，所述具有预燃室的发动机适用于甲醇、汽油、煤油或柴油的燃烧，同时能够解决燃烧重油的二冲程发动机和四冲程发动机在油气混合浓度低时点火困难，油气混合浓度高时容易冒烟的问题。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
具有预燃室的发动机，包括：机体，所述机体上具有预燃室，所述预燃室与机体的主燃烧室通过连接通道连通，所述预燃室内设有副喷油器和第一火花塞，所述主燃烧室设有主喷油器和第二火花塞，所述第一火花塞和电热塞用于所述点燃预燃室内的油气混合物，所述副喷油器用于给所述预燃室内喷油，所述主喷油器用于给所述主燃烧室内喷油，所述第二火花塞用于点所述燃主燃烧室内的油气混合物。
进一步地，所述预燃室设置在所述发动机的气缸盖上。
进一步地，还包括电热塞，所述电热塞设于所述预燃室内。
进一步地，所述副喷油器的喷口指向所述连接通道。
进一步地，每个所述预燃室和与其连接的所述连接通道的容积之和为发动机单缸排量的0.5％～3％。
进一步地，所述机体的进气口处安装有进气管，进气管上设置有用于控制空气进气量的节气门体，通过所述节气门体的设置能够实现预燃室和主燃烧室过量空气系数λ的调节。
进一步地，所述机体的排气口处安装有排气管，排气管上设置有尾气后处理器。
本发明还提供了一种具有预燃室的发动机的工作方式，该具有预燃室的发动机的工作方式使用上述所述的具有预燃室的发动机，具体包括以下内容：
当发动机处在怠速、小负荷工况或者发动机工作的总体过量空气系数λ大于λ2，发动机处在稀混合气工作状态时，预燃室内的副喷油器工作，主喷油器停止喷油；
当发动机处在中等负荷工况或者发动机工作的总体过量空气系数λ为λ1～λ2，发动机处在中等浓度的混合气状态时，副喷油器工作和主喷油器均进行喷油；
当发动机处在大负荷工况或者发动机工作的总体过量空气系数λ小于λ1，发动机处在浓混合气工作状态时，主喷油器进行喷油，预燃室内的副喷油器喷油或者停止喷油。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了具有预燃室的发动机及其工作方式，该发动机通过在气缸盖上设置有一个预燃室、主喷油器、副喷油器、第一火花塞和第二火花塞，通过预燃室的设置，当发动机在燃烧稀混合气(柴油和空气的混合气)时，第一火花塞和第二火花塞不能将柴油和空气混合浓度较低的混合气点燃，进而通过副喷油器向预燃室内喷射柴油改变其预燃室内的油气混合浓度以达到第一火花塞的点燃条件实现点燃，从而在预燃室内形成的火焰由连接通道进入主燃烧室将主燃烧室内的低浓度的混合气引燃；同时，由于柴油和空气混合浓度较高的混合气在预燃室内燃烧时，由于预燃室的空间狭小，在预燃室内的第一火花塞上容易积碳，积碳严重后会影响点火的可靠性，此时通过停止副喷油器的喷油工作，预燃室内的混合气无法局部加浓，但第一火花塞和第二火花塞依然点火，同时通过节气门体对进入主燃烧室内的空气节流，使得主燃烧室内的混合气达到较浓的状态，此时第二火花塞对主燃烧室的混合气进行点燃，点燃所产生的高温火焰通过连接通道进入预燃室，进而对预燃室第一火花塞上的积碳进行冲击清理和高温氧化处理；此外，当柴油和空气混合浓度较高时，第一火花塞和第二火花塞均可以实现点燃；可见，本申请能够实现第一火花塞单独点燃发动机内的混合气，也能由第二火花塞单独点燃发动机内的混合气，同时也可以由第一火花塞和第二火花塞共同点燃发动机内的混合气，主喷油器和副喷油器可单独喷油也可以共同喷油，通过主喷油器、副喷油器和节气门体的设置，能够实现发动机机内混合气浓度为任意浓度时都能点燃，且灵活实现不同混合气浓度下工作模式的切换，满足发动机在各种工况运行的需要。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的实施例1中具有预燃室的二冲程重油发动机与供油系统连接的整体结构示意图；
图2为本发明提供的实施例1中气缸盖的结构示意图；
图3为本发明提供的实施例2中具有预燃室的四冲程重油发动机与供油系统连接的结构示意图。
其中，1为发动机缸体；2为活塞；3为气缸盖；4为曲轴；5为连杆；6为扫气道；7为进气管；8为节气门体；9为排气管；10为尾气后处理器；11为主燃烧室；12为预燃室；13为连接通道；14为主喷油器；15为第一火花塞；16为副喷油器；17为第二火花塞；18为电热塞；19为高压供油共轨管；20为柱塞式高压油泵；21为压力传感器；22为燃油箱；23为供油管；24为低压油泵；25为燃油滤清器；26为回油管；27为高压油泵柱塞；28为高压油泵挺柱；29为油泵驱动凸轮；30为燃油压力调节阀；31为排气门。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
参见图1和2，本实施例中具有预燃室的发动机为一种具有预燃室的二冲程重油发动机，包括机体，机体包括发动机缸体1、活塞2、气缸盖3、曲轴4和连杆5，且发动机缸体1、活塞2、气缸盖3、曲轴4和连杆5之间的连接关系与现有技术中的二冲程发动机的连接关系相同，发动机缸体1上具有扫气道6、进气口和排气口，扫气道6和进气口连通，进气口处安装有进气管7，进气管7上设置有用于控制空气进气量的节气门体8，排气口处安装有排气管9，排气管9上设置有尾气后处理器10，气缸盖3与活塞2之间构成主燃烧室11，预燃室12设置在发动机的气缸盖3上，预燃室12与机体的主燃烧室11通过连接通道13连通，其中，每个预燃室12和与其连接的连接通道13的容积之和为发动机单缸排量的0.5％～3％，最小容积之和为2cm3，气缸盖3上设有主喷油器14、第一火花塞15、副喷油器16、第二火花塞17和电热塞18，第一火花塞15和/或电热塞18用于点燃预燃室12内的油气混合物，副喷油器16用于给预燃室12内喷油，主喷油器14用于给主燃烧室11内喷油，第二火花塞17用于点燃主燃烧室11内的油气混合物，通过节气门体8的设置实现对进气空气流量控制，从而能够实现预燃室12和主燃烧室11中过量空气系数λ的调节。预燃室12设有副喷油器16、第一火花塞15和电热塞18，主燃烧室11设有主喷油器14和第二火花塞17，第一火花塞15和电热塞18用于点燃预燃室12内的油气混合物，副喷油器16用于给预燃室12内喷油，主喷油器14用于给主燃烧室11内喷油，第二火花塞17用于点燃主燃烧室11内的油气混合物。
在上述实施例中，副喷油器16的喷口指向连接通道13，副喷油器16喷出的燃油一部分留在预燃室12内，另一部分通过通道进入主燃烧室11,主喷油器14的喷射提前角为压缩上止点前150°～60°，即曲轴4转角在压缩上止点前150°～60°，副喷油器16的喷射提前角为压缩上止点前200°～30°，即曲轴4转角在压缩上止点前200°～30°。
具体地，该具有预燃室的二冲程重油发动机中的主喷油器14和副喷油器16均与供油系统连接，供油系统包括高压供油共轨管19、柱塞式高压油泵20和邮箱，具体地，高压供油共轨管19上安装有压力传感器21，高压供油共轨管19上具有进油口和两个出油口，两个出油口分别与主喷油器14和副喷油器16连通，进油口与柱塞式高压油泵20连接，柱塞式高压油泵20用于将燃油箱22中的燃油泵入至高压供油共轨管19中，具体地，柱塞式高压油泵20与燃油箱22内的燃油通过供油管23连通，供油管23上设置有低压油泵24和燃油滤清器25；柱塞式高压油泵20与燃油箱22通过回油管26连通，柱塞式高压油泵20具有高压油泵柱塞27、高压油泵挺柱28和油泵驱动凸轮29，高压油泵柱塞27、高压油泵挺柱28和油泵驱动凸轮29之间的连接关系与现有技术中的柱塞式高压油泵20中各部件之间的连接关系相同，具体连接关系在此不做赘述，柱塞式高压油泵20上设有用于调节到达高压供油共轨管19中燃油压力大小的燃油压力调节阀30。其中，该具有预燃室的二冲程重油发动机的燃油喷射压力为5-80MPa，根据所用燃料和发动机工况的不同，发动机对不同燃料的喷射压力不同，低粘度的燃料如汽油对喷射压力的要求为5-30MPa，高粘度的燃料如柴油对喷射压力的要求为20～80MPa，发动机的小负荷时可以具有较低的燃料喷射压力，而大负荷时则要求喷射压力高。
上述具有预燃室的二冲程重油发动机的负荷调节是通过对发动机的供油量和进气量的协同调节来实现，其中进气量的调节是为了保证全工况范围内的过量空气系数λ在合理的范围内。根据发动机的符合需求来调节发动机的供油量，在此基础上通过节气门体8调节发动机的进气空气量，使发动机工作的过量空气系数λ处在0.8～2.5的范围，其中对于汽油和航空煤油λ的合理值为0.8～1.5，对于柴油λ的合理值为1.0～2.5，对于粘度低的汽油和航空煤油，其工作的混合气较浓，不易产生碳烟。对于柴油若混合气太浓(λ<1.0)则易产生碳烟排放，对于λ的取值，当发动机负荷较低时，λ取值大一些，混合气较稀，燃烧效率较高，当负荷较大时，λ取值大一些，混合气较浓，发动机燃烧更稳定，保证发动机的功率输出。
上述具有预燃室的二冲程重油发动机中的尾气后处理器10为氧化催化反应器或者三效催化反应器的后处理装置，由于发动机具有较高的排温，在发动机安装后处理装置能及时有效大幅度降低发动机的有害物质排放；此外，发动机喷射压力并不是很高(最高80MPa)，在使用柴油做燃料时，尤其是在大功率工况燃烧的混合气较浓(λ<1.3)，会产生较严重的碳烟颗粒排放，在使用了的后处理装置后，能在λ为1.0～2.5条件下大幅度降低发动机的碳氢、碳烟颗粒排放，尤其在混合气很浓工况下工作时的碳烟颗粒排放，λ的合理取值范围可以根据发动机性能的目标要求，通过发动机匹配标定试验具体确定。
本发明还提供了上述所述的具有预燃室的二冲程重油发动机的工作方式，其工作方式是：主喷油器14和副喷油器16可以在每一发动机的工作循环中同时进行燃油喷射，也能够由主喷油器14或副喷油器16单独进行喷射。
具体包括以下内容：
当发动机处在怠速、小负荷工况(小于满载工况的30％)或者发动机工作的总体过量空气系数λ大于λ2时(混合气稀)，λ2优选为2.2，预燃室12内的副喷油器16工作，主喷油器14停止喷油；此时发动机在进气节气门体8的作用下进气空气量小，喷油量小，发动机气缸内的残余废气量比例高，即气缸内的混合气浓度处于稀浓度的状态时，不足以第一火花塞15和第二火花塞17直接点燃混合气的条件时，此时在预燃室12内进行喷油能保证预燃室12内的混合气足够浓，保证预燃室12内可靠着火和燃料的燃烧，若发动机工况的总体过量空气系数大，为了保证发动机的稳定点火，只能在预燃室12内喷射，保证预燃室12内混合气浓度适合稳定着火燃烧，第一火花塞15将预燃室12内的混合气点燃，进而依靠预燃室12燃烧产生的火焰由连接通道13进入主燃烧室11将主燃烧室11内处于稀浓度的混合气引燃。
当发动机处在中等负荷工况(大于等于满载工况的30％，且小于等于满载工况的70％)或者发动机工作的总体过量空气系数λ为λ1～λ2，λ1优选为1.3，即λ为1.3～2.2时，副喷油器16工作和主喷油器14均进行喷油；此时通过副喷油器16在预燃室12内的喷射，保证预燃室12内的混合气较浓，以便稳定着火燃烧，同时主喷油器14喷油保证主燃烧室11内的混合气有一定的浓度，使火焰能传播和燃烧，保证发动机的输出功率满足要求。
当发动机处在大负荷工况(大于满载工况的70％)或者发动机工作的总体过量空气系数λ小于λ1时(混合气浓)，λ1优选为1.3，当主喷油器14进行喷油，若预燃室12内的副喷油器16停止喷油，此时混合气的混合比整体较浓，即便副喷油器16不喷油，但从主燃烧室11通过连接通道13压入预燃室12的混合气也能被第一火花塞15点燃，或被第二火花塞17点燃，或者由第一火花塞15和第二火花塞17共同点燃；当主喷油器14和副喷油器16均进行喷油，由于，此时混合气的混合浓度较高，点燃可以由第一火花塞15或第二火花塞17单独点燃，也能够由第一火花塞15和第二火花塞17共同点燃，当副喷油器16停止喷油时便于对预燃室12燃烧时产生的积碳进行清理。因此，当发动机处在大负荷工况或者发动机工作的总体过量空气系数λ小于1.3时混合气浓，无论副喷油器16喷油或不喷油，均能实现混合气的点燃，同时，由于预燃室12的空间狭小，且总是工作在浓混合气的环境中，在预燃室12内的火花塞上容易积碳，积碳严重后会影响第一火花塞15点火的可靠性，此时可以通过调节节气门体8对进入主燃烧室11的空气进行节流，主喷油器14喷油，副喷油器16停止喷油，使得发动机主燃烧室11内的混合气控制在较浓的状态，以便第二火花塞17能够顺利点燃混合气，主燃烧室11内点燃所产生的高温火焰通过连接通道13进入预燃室12，进而对预燃室12第一火花塞15上的积碳进行冲击清理和高温氧化处理，以便第一火花塞15恢复到能够正常的点燃工作，即便其无法恢复正常工作，但还可以通过第二火花塞17对主燃烧室11内较浓的混合气进行点燃。除此之外，当第二火花塞17无法正常工作时，只要第一火花塞15能够正常工作，就可以通过改变预燃室12内混合气的浓度来实现预燃室12的点燃，进而引燃主燃烧室11，使整个发动机能够正常工作。通过第一火花塞15和第二火花塞17的设置，能够降低发动机的故障率，为发动机的点燃过程提供保障。
也就是说，
当主燃烧室11内的混合气浓度稀时，不能实现第二火花塞17对主燃烧室11内的混合气进行点燃，此时能够通过副喷油器16向预燃室12内喷油，改变预燃室12内混合气的浓度，使混合气的浓度达到第一火花塞15点燃的条件，第一火花塞15将预燃室12内的混合气点燃，进而依靠预燃室12燃烧产生的火焰由连接通道13进入主燃烧室11将主燃烧室11内处于稀浓度的混合气引燃；
当主燃烧室11内的混合气浓度浓时，此时可以通过先由第一火花塞15点燃预燃室12再去引燃主燃烧室11的方式点燃混合气，也可以通过直接由第二火花塞17点燃主燃烧室11的方式点燃混合气，还可以通过，第一火花塞15和第二火花塞17共同点燃的方式点燃混合气。可见，通过主喷油器14、副喷油器16、第一火花塞15、第二火花塞17和节气门体8的设置，能够实现发动机机内为任意浓度的混合气都能点燃，进而使发动机正常工作。
实施例2
参见图3，本实施例中具有预燃室的发动机是一种具有预燃室的四冲程重油发动机，区别在于，二冲程发动机与四冲程发动机的机体自身结构的区别，具体地，具有预燃室的四冲程重油发动机的进气口和排气口均设置在气缸盖3上，且排气口上设置有排气门31，具有预燃室的四冲程重油发动机的发动机缸体1没有扫气道6，此外，主喷油器14的喷射提前角为压缩上止点前330°～90°，即曲轴4转角在压缩上止点前330°～90°，副喷油器16的喷射提前角为压缩上止点前360°～180°，即曲轴4转角在压缩上止点前360°～180°。
关于本实施例公开的具有预燃室的四冲程重油发动机的工作方式与实施例1中的具有预燃室的二冲程重油发动机的工作方式相同，在此不做赘述。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.一种具有预燃室的发动机的工作方法，其特征在于，该工作方法使用的发动机包括：机体，所述机体上具有预燃室，所述预燃室与机体的主燃烧室通过连接通道连通，所述预燃室设有副喷油器、第一火花塞和电热塞，所述主燃烧室设有主喷油器和第二火花塞，所述第一火花塞和电热塞用于点燃所述预燃室内的油气混合物，所述副喷油器用于给所述预燃室内喷油，所述主喷油器用于给所述主燃烧室内喷油，所述第二火花塞用于点燃所述主燃烧室内的油气混合物；
其中，该工作方法具体包括：
当发动机处在怠速、小负荷工况或者发动机处在稀混合气工作状态时，预燃室内的副喷油器工作，主喷油器停止喷油,第一火花塞将预燃室内的混合气点燃，预燃室燃烧产生的火焰由连接通道进入主燃烧室将主燃烧室内处于稀浓度的混合气引燃；
当发动机处在中等负荷工况或者发动机处在中等浓度的混合气状态时，副喷油器工作和主喷油器均进行喷油，通过副喷油器在预燃室内的喷射，保证预燃室内的混合气较浓，以便稳定着火燃烧，主喷油器喷油保证主燃烧室内的混合气有一定的浓度，使火焰能传播和燃烧；
当发动机处在大负荷工况或者发动机处在浓混合气工作状态时，主喷油器进行喷油，预燃室内的副喷油器停止喷油，使得发动机主燃烧室内的混合气控制在较浓的状态，以便第二火花塞能够顺利点燃混合气，主燃烧室内点燃所产生的高温火焰通过连接通道进入预燃室，进而对预燃室第一火花塞上的积碳进行冲击清理和高温氧化处理。
2.根据权利要求1所述的具有预燃室的发动机的工作方法，其特征在于，所述预燃室设置在所述发动机的气缸盖上。
3.根据权利要求1所述的具有预燃室的发动机的工作方法，其特征在于，所述副喷油器的喷口指向所述连接通道。
4.根据权利要求1所述的具有预燃室的发动机的工作方法，其特征在于，每个所述预燃室和与其连接的所述连接通道的容积之和为发动机单缸排量的0.5％～3％。
5.根据权利要求1所述的具有预燃室的发动机的工作方法，其特征在于，所述机体的进气口处安装有进气管，进气管上设置有用于控制空气进气量的节气门体，通过所述节气门体的设置能够实现预燃室和主燃烧室过量空气系数λ的调节。
6.根据权利要求1所述的具有预燃室的发动机的工作方法，其特征在于，所述机体的排气口处安装有排气管，排气管上设置有尾气后处理器。
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