CN113107722B - 改善大功率气体机混合气形成质量的进气机构及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及改善大功率气体机混合气形成质量的进气机构及控制方法，引流喷射环槽包括，空气进气管，提供空气的流动通道；燃气进气管，出口端周向包围在空气进气管的出口端，燃气进气管的出口端具有圆环形凸起的空腔结构；进气通道，进气口同时与空气进气管、燃气进气管的出口端相接。通过燃气引射提高燃气和空气的流动能量，提高混合质量；此外，通过优化燃气喷射持续期进一步利用空气的扰动能量，改善混合气的形成质量，进而提高混合气的燃烧及排放性能。

Description

改善大功率气体机混合气形成质量的进气机构及控制方法

技术领域

本发明属于气体机技术领域，具体涉及改善大功率气体机混合气形成质量的进气机构及控制方法。

背景技术

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

天然气是一种来源广泛、清洁高效的优质能源，除了常规天然气之外，煤层气、垃圾填埋气、页岩气及可燃冰等都储存了大量的天然气。甲烷是天然气的主要成分，其碳氢原子比为1：4，是碳氢比最小的烃类化合物，产生同样热量的情况下，甲烷所产生的CO₂比汽油少25％，有利于减少“温室气体”排放。燃用CNG或LNG的车用气体机目前在运输行业已得到大量应用，低速大功率气体机在发电、天然气管道压缩机及其它固定机械动力等领域得到广泛应用。混合气形成过程决定了缸内燃烧性能，如何提高混合气的形成质量成为气体机性能改进的重要方向。

天然气发动机可以通过混合器、进气道喷射及缸内直喷三种方式形成可燃混合气。其中混合器方式具有结构简单及成本低的优点，但由于该方式在进气道内形成可燃混合气，可能诱发进气管“放炮”问题，不利于气体机的安全使用。缸内直喷方式由于采用的控制系统结构复杂，目前主要在车用发动机中得到部分应用，在大功率气体发动机上应用尚有较大难度。进气道喷射方式分为单点喷射和多点喷射两种，其中多点顺序喷射方式能够实现精确的空燃比控制，且通过避开气门重叠期喷射，有效解决混合器方式存在的上述缺点，该方式目前在车用气体发动机中得到了大量的应用，但在大功率发动机上应用尚不普及。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供改善大功率气体机混合气形成质量的进气机构及控制方法。通过燃气引射提高燃气和空气的流动能量，提高混合质量；此外，通过优化燃气喷射持续期进一步利用空气的扰动能量，改善混合气的形成质量，进而提高混合气的燃烧及排放性能。

为了解决以上技术问题，本发明的技术方案为：

第一方面，一种引流喷射环槽，包括，

空气进气管，提供空气的流动通道；

燃气进气管，出口端周向包围在空气进气管的出口端，燃气进气管的出口端具有圆环形凸起的空腔结构；

进气通道，进气口同时与空气进气管、燃气进气管的出口端相接。

空气进气管和燃气进气管中的气体进入到出气管中，燃气进气管中的气体在圆环形凸起的空腔结构的作用下，气体成环形旋转运动。并且由于燃气进气管包围空气进气管的结构，所以燃气进气管中的燃气成环形包围空气的形式喷出，并且由于环形旋转的运动，所以，燃气喷出时与空气成一定的夹角。

燃气沿周向环槽斜向前方喷出，高速喷射的燃气对进气流产生引流作用，增加进气量；圆环状的高速燃气与高速空气交汇，增加了燃气与空气的接触面，且可以充分利用燃气和空气的冲击能量，改善混合气的形成质量；高速喷射的燃气在进气通道内形成一定的负压区，进一步增加进气量。

在本发明的一些实施方式中，圆环形凸起空腔与进气通道形成圆环形燃气进口。燃气呈圆环形包围空气的形式，并与空气呈一定夹角相遇，提高与空气的混合效果，避免发生放炮的现象。

在本发明的一些实施方式中，空气进气管的出口端具有缩口结构。高速喷射的燃气在锥形结构处流速增加，产生一定的负压，对空气产生引流效果，可以增加进气量。空气流经锥形结构的进气道时，由于流通面积减小，空气流速也会进一步升高，流动能量增加，具有较高冲击能量的高速燃气与空气交汇，可以进一步提高混合气的均匀性。

在本发明的一些实施方式中，缩口结构为锥型的结构形式。

在本发明的一些实施方式中，燃气进气管的圆环形凸起的空腔结构的侧壁上设置燃气进口。

在本发明的一些实施方式中，空气进气管、燃气进气管分别相对于出气管倾斜设置。

第二方面，改善大功率气体机混合气形成质量的进气机构，包括燃气供给系统、空气供给系统、控制系统、发动机缸盖，燃气供给系统、空气供给系统分别与发动机缸盖连接，控制系统分别与燃气供给系统、空气供给系统连接，燃气供给系统包括燃气进气管，空气供给系统包括空气进气管，发动机缸盖设置进气通道，空气供给系统连接，燃气供给系统通过引流喷射环槽与发动机缸盖连接。

引流喷射环槽与发动机的缸盖连接，出气管与发动机缸盖连接，引流喷射环槽设置在发动机的靠近进气门的位置。这样设置，可以使燃气喷射时，高压燃气可以快速经燃气通道及环槽到达进气门，加快气体机的燃气供应速度，提高系统的响应性。

在本发明的一些实施方式中，燃气供给系统还包括依次连接的燃气切断电磁阀、调压阀、燃气过滤器、燃气喷射阀，燃气切断电磁阀、调压阀、燃气过滤器、燃气喷射阀之间通过燃气进气管连接，燃气喷射阀设置在靠近发动机缸盖的一端。

在本发明的一些实施方式中，空气供给系统还包括依次连接的空气滤清器、增压器、放气阀、中冷器、电子节气门，空气滤清器、增压器、放气阀、中冷器、电子节气门之间通过空气进气管连接，电子节气门设置在靠近发动机缸盖的一端。

在本发明的一些实施方式中，控制系统还包括传感器，传感器与控制系统信号连接，控制系统与燃气喷射阀、电子节气门、燃气切断电磁阀电连接。

第三方面，利用上述的进气机构进行改善大功率气体机混合气形成质量的控制方法，具体步骤为：

根据传感器的信号判断气体机的运行情况；

确定空气量、燃气量、点火时刻控制参数；

确定进气流速的最高相位区间；

确定燃气喷射的始点和终点；

通过燃气喷射阀控制燃气的喷射。

本发明一个或多个技术方案具有以下有益效果：

(1)本发明提出引流喷射环槽结构，该结构通过气道中周向环绕的斜槽向进气道喷射高压燃气，高压燃气通过引流作用可以增加进气量；其次，由于环槽周向喷射，可以有效增加燃气与空气的接触面；此外，高速燃气与空气交汇，通过充分利用燃气和空气的冲击能量，有效改善混合气的形成质量。

(2)本发明提出的引流喷射环槽结构位置靠近进气门，高压喷射的燃气沿燃气通道快速到达环槽并喷射，燃气量的调节快速，这种布置方案能够满足气体机瞬态工况快速调节燃气量的需求，有利于提高气体机的响应性能，该特点能够突破大功率气体机主要用于发电机组等稳定运行工况的应用限制，使其在钻井应用等对瞬态特性要求高的场合有广阔的应用前景。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为气体机反应途径调控进气机构示意图；

图2为引流喷射环槽结构示意图；

图3为控制系统结构示意图；

图4为混合气形成过程的控制流程图；

其中，1.空气滤清器，2.增压器，3.放气阀，4.中冷器，5.电子节气门，6.发动机进气总管，7.发动机排气管，8.发动机缸盖，9.进气歧管，10.燃气喷射阀，11.燃气管，12.燃气过滤器，13.调压阀，14.燃气切断电磁阀。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

现有的发动机缸盖与空气进气管、燃气进气管之间，是通过混合器、进气道喷射、缸内直喷三种方式，实现空气和燃气的混合。混合器的混合方式，会诱发进气管的“放炮”问题，不利于气体机的安全使用。缸内直喷方式在大功率发动机上应用具有一定的难度，因为缸内直喷的方式，需要复杂的控制系统；进气道喷射方式比较适合车用气体发动机。大功率发动机由于进气量较大，所以如果使用上述的方式，会使整个控制系统变得更为复杂，而且操控起来控制参数也会更为复杂，会影响大功率发动机的输出。

本发明的引流喷射环槽，燃气沿周向环槽斜向前方喷出，高速喷射的燃气对进气流产生引流作用，增加进气量；此外，圆环状的高速燃气与高速空气交汇，增加了燃气与空气的接触面，且可以充分利用燃气和空气的冲击能量，改善混合气的形成质量。环槽的位置靠近进气门，燃气喷射时，高压燃气可以快速经燃气通道及环槽到达进气门，加快气体机的燃气供应速度，提高系统的响应性。

所以引流喷射环槽可以更适用于大功率发动机。

下面结合实施例对本发明进一步说明

实施例1

一种引流喷射环槽，包括，空气进气管，提供空气的流动通道；燃气进气管，出口端周向包围在空气进气管的出口端，燃气进气管的出口端具有圆环形凸起的空腔结构；出气管，进气口同时与空气进气管、燃气进气管的出口端相接。

空气进气管的出口端具有缩口结构。

燃气进气管的圆环形凸起的空腔结构的侧壁上设置燃气进口。

空气进气管、燃气进气管分别相对于出气管倾斜设置。

燃气的喷射方向与空气的喷射方向呈一定的夹角，可选的，燃气与空气呈45度、30度、60度夹角。夹角与圆环形凸起的空腔结构、空气进气管、出气管之间的位置有关系。由于空腔结构包围空气进气管，所以燃气环向切入到出气管中，这样与空气会形成一个夹角，如图2所示，空气进气管、燃气进气管的直管部分相对于出气管是倾斜设置的，这是因为发动机与空气进气管、燃气进气管之间是保持一定的夹角的。

燃气沿发动机缸盖内布置的燃气通道到达沿进气道周向布置的引流喷射环槽。在空气进气通道中布置锥形流通结构，通过环槽出口与锥形结构配合，使燃气的喷射方向与空气流动方向间呈一定夹角布置。燃气沿周向环槽斜向前方喷出，高速喷射的燃气在锥形结构处流速增加，产生一定的负压，对空气产生引流效果，可以增加进气量。燃气经引流喷射环槽喷出后呈圆环状分布，高速燃气与空气交汇，有效增加了燃气与空气的接触面积，改善混合效果。空气流经锥形结构的进气道时，由于流通面积减小，空气流速也会进一步升高，流动能量增加，具有较高冲击能量的高速燃气与空气交汇，可以进一步提高混合气的均匀性。

实施例2

改善大功率气体机混合气形成质量的进气机构，包括燃气供给系统、空气供给系统、控制系统、发动机缸盖，燃气供给系统、空气供给系统分别与发动机缸盖连接，控制系统分别与燃气供给系统、空气供给系统连接，燃气供给系统包括燃气进气管，空气供给系统包括空气进气管，发动机缸盖设置进气通道，空气供给系统连接，燃气供给系统通过引流喷射环槽与发动机缸盖连接。

空气供给系统还包括依次连接的空气滤清器、增压器、放气阀、中冷器、电子节气门，空气滤清器、增压器、放气阀、中冷器、电子节气门之间通过空气进气管连接，电子节气门设置在靠近发动机缸盖的一端。

所述空气系统的过滤器，用于对进入的空气进行过滤，向后级部件提供纯净空气。

增压器用于增加进气量，提高气体机的动力性。

放气阀用于控制增压压力，当进气压力过高时，通过放气方式降低增压压力，保证进气压力满足要求。

中冷器用于对增压器后温度升高的空气进行冷却。

电子节气门接收控制系统的信号改变开度，实现进气量的调节。

燃气供给系统还包括依次连接的燃气切断电磁阀、调压阀、燃气过滤器、燃气喷射阀，燃气切断电磁阀、调压阀、燃气过滤器、燃气喷射阀之间通过燃气进气管连接，燃气喷射阀设置在靠近发动机缸盖的一端。

所述燃气切断电磁阀用于接收控制系统的指令，在紧急情况下切断燃气供应，保证整个系统的安全运行。

调压阀主要用于实现燃气压力的调节，向后级部件提供满足压力要求的燃气。

燃气过滤器用于对燃气中的杂质进行过滤，向后级部件提供纯净燃气。

燃气喷射阀用于实现燃气的喷射控制，包括喷射时刻、喷射量等；为了提高混合气的形成质量，燃气喷射阀与缸盖的燃气通道相连，燃气从喷射阀喷射后，经燃气通道到达引流喷射环槽。

控制系统还包括传感器，传感器与控制系统信号连接，控制系统与燃气喷射阀、电子节气门、燃气切断电磁阀电连接。控制器可以接收各传感器的信号确定当前所处的工况，通过分析确定当前工况所需的空气量和燃气量。通过燃气喷射阀向各缸提供所需的燃气量，为了进一步改善混合气的形成过程，优化燃气喷射时间，在进气流速最高的时段进行燃气喷射，进一步利用空气的扰动能量，提升混合气的形成质量。控制器通过控制放气阀及电子节气门向各缸提供所需的空气量；在异常工作状态时，通过切断燃气电磁阀保证气体机的安全。

如图3所示，传感器具体可以包括油门踏板信号、节气门开度信号、冷却水温度、进气压力、进气温度、蓄电池电压、曲轴位置信号、凸轮轴位置信号、爆震信号、氧传感器信号。

图4是改进的进气机构混合气形成过程的控制流程图，整个控制过程包括：工况判断、控制参数确认、喷射起止区间判断及燃气喷射控制等工作。控制系统根据油门踏板信号得到当前工况的转矩需求，根据转矩需求确定所需的空气量、燃气量及点火时刻三种控制参数的基本量；根据冷却水温度、进气压力、进气温度、蓄电池电压及氧传感器信号对三种基本量进行修正，得到最终的控制量。控制器根据当前工况信息确定进气流速最高的相位区间，根据曲轴位置及凸轮轴位置确定当前气体机的相位，进气流速最高的相位区间控制燃气喷射阀实现燃气喷射，充分利用空气的冲击能量，进一步改善混合气的形成过程，提高混合气的形成质量。

如图1所示，燃气进气的过程为：从气源流出的燃气首先进入燃气切断电磁阀14，当气体机存在运行异常时，控制系统发出信号控制燃气切断电磁阀切断燃气供应，保证整个系统的安全；燃气进入调压阀13，并通过调压阀13对燃气的压力进行调节，保证供给后级部件的压力符合要求；通过燃气过滤器12对燃气中的杂质进行过滤，保证燃气中无杂质；燃气经燃气管11分流至各缸的燃气喷射阀10，通过控制系统调节燃气的喷射时间及喷射持续时间；燃气喷射阀10经缸盖的燃气通道到达引流喷射环槽，实现燃气的喷射。

如图1所示，空气进气的过程为：通过空气过滤器1对进入的空气进行过滤，经过增压器2加压，通过放气阀3产生所需的增压压力，经过中冷器4降温，通过电子节气门5实现空气量的调节，经过电子节气门后的空气流经发动机进气总管6，通过进气歧管9进入位于发动机缸盖8中的进气道。空气与引流喷射环槽喷射的燃气混合后燃烧做功。

发动机排气管7与增压器2连接，用于增加进气量。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种引流喷射环槽，其特征在于：包括，

空气进气管，提供空气的流动通道；

燃气进气管，出口端周向包围在空气进气管的出口端，燃气进气管的出口端具有圆环形凸起的空腔结构；燃气进气管中的气体在圆环形凸起的空腔结构的作用下，气体成环形旋转运动；

进气通道，进气口同时与空气进气管、燃气进气管的出口端相接。

2.如权利要求1所述的引流喷射环槽，其特征在于：圆环形凸起空腔与进气通道形成圆环形燃气进口。

3.如权利要求1所述的引流喷射环槽，其特征在于：空气进气管的出口端具有缩口结构。

4.如权利要求3所述的引流喷射环槽，其特征在于：缩口结构为锥型的结构形式。

5.如权利要求1所述的引流喷射环槽，其特征在于：燃气进气管的圆环形凸起的空腔结构的侧壁上设置燃气进口。

6.如权利要求1所述的引流喷射环槽，其特征在于：空气进气管、燃气进气管分别相对于出气管倾斜设置。

7.改善大功率气体机混合气形成质量的进气机构，其特征在于：包括燃气供给系统、空气供给系统、控制系统、发动机缸盖，燃气供给系统、空气供给系统分别与发动机缸盖连接，控制系统分别与燃气供给系统、空气供给系统连接，燃气供给系统包括燃气进气管，空气供给系统包括空气进气管，发动机缸盖设置进气通道，燃气供给系统通过权利要求1-6任一所述的引流喷射环槽与发动机缸盖连接；

燃气供给系统还包括依次连接的燃气切断电磁阀、调压阀、燃气过滤器、燃气喷射阀，燃气切断电磁阀、调压阀、燃气过滤器、燃气喷射阀之间通过燃气进气管连接，燃气喷射阀设置在靠近发动机缸盖的一端。

8.如权利要求7所述的改善大功率气体机混合气形成质量的进气机构，其特征在于：空气供给系统还包括依次连接的空气滤清器、增压器、放气阀、中冷器、电子节气门，空气滤清器、增压器、放气阀、中冷器、电子节气门之间通过空气进气管连接，电子节气门设置在靠近发动机缸盖的一端；

或，控制系统还包括传感器，传感器与控制系统信号连接，控制系统与燃气喷射阀、电子节气门、燃气切断电磁阀电连接。

9.利用权利要求7-8任一所述的进气机构进行改善大功率气体机混合气形成质量的控制方法，其特征在于：具体步骤为：

根据传感器的信号判断气体机的运行情况；

确定空气量、燃气量、点火时刻控制参数；

确定进气流速的最高相位区间；

确定燃气喷射的始点和终点；

通过燃气喷射阀控制燃气的喷射。

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