CN113417733B - 一种燃料空气分离主动控制式点火室系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种燃料空气分离主动控制式点火室系统，涉及内燃机燃烧技术领域，包括设于点火室顶部的供气支路和供燃料支路；点火室设于气缸盖或点火室适配器单体上，气缸盖或点火室适配器单体上设有火花塞、空气通道和燃料通道，火花塞设于点火室上方，空气通道和燃料通道与点火室连通，供气支路与空气通道连通，供燃料支路与燃料通道相连通；预燃用空气由空气压力泵直接供应，或从发动机本体增压器的下游开设旁路供应，在排气冲程后期或进气冲程前期利用增压器下游和缸内的压差实现点火室换气。经空气压力蓄积室稳压后经过单向安全阀供给空气喷嘴端，实现点火室内的主动扫气，并可以实时控制点火室内混合气组成，以提高燃烧稳定性和可控性。

Description

一种燃料空气分离主动控制式点火室系统

技术领域

本发明涉及内燃机燃烧技术领域，特别是涉及一种燃料空气分离主动控制式点火室系统。

背景技术

随着节能减排的法规政策要求逐渐加强，车船动力、发电用内燃机将更多的采用稀薄预混燃烧技术，通过点火室形成的火焰射流或热的燃烧产物射流引燃主燃室的稀薄预混合气，可以提高稀薄预混燃烧的可控性和稳定性。其次，高增压内燃机中采用点火室结构，可以有效提高燃烧速率，对避免爆震、提高燃烧定容度具有明显效果。大多点火室为被动扫气，即主燃室的进气气流通过点火室主体下端的小孔进入，以实现点火室换气。然而随着大比例废气再循环技术的利用，以及点火室主体结构的复杂化，导致被动扫气的效率低下，点火室内的废气比例过高从而影响燃烧稳定性。

内燃机稀薄预混燃烧模式在不同负荷工况下采用不同的空气燃料比例，主燃室预混合气的可燃性差别较大。为保证过渡工况下稳定的燃烧特性，需要对点火室内的燃料空气比例进行精确控制。而现有的气缸外燃料空气混合后再导入点火室的方式不能满足上述精确性和实时性的要求。

发明内容

为解决以上技术问题，本发明提供一种燃料空气分离主动控制式点火室系统，实现点火室内的主动扫气，并可以根据负荷、主燃室内燃料空气比例等信息实时控制点火室内混合气组成，以提高燃烧稳定性和可控性。另外通过结构优化改善点火室扫气效率和混合气形成效率。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种燃料空气分离主动控制式点火室系统，包括设置于点火室顶部的供气支路和供燃料支路；所述点火室设置于气缸盖或点火室适配器单体上，所述气缸盖或所述点火室适配器单体上设置有火花塞、空气通道和燃料通道，且所述火花塞设置于所述点火室上方，所述空气通道和所述燃料通道均与所述点火室相连通，所述供气支路与所述空气通道相连通，所述供燃料支路与所述燃料通道相连通；所述点火室与主燃室相连通可选的，所述供气支路包括压力蓄积室和空气喷嘴，所述空气喷嘴设置于所述空气通道内；

所述空气喷嘴的喷射口下方设置有导气孔，

其中，所述导气孔靠近所述点火室的一端为渐缩结构，并沿点火室壁面切线方向由所述空气喷嘴的喷射口延伸至所述点火室；

或，所述导气孔为等直径弯管通道，面向点火室中心轴线方向；

或，所述导气孔为等直径弯管通道并朝向斜下方设置，导气孔轴线和燃料喷孔轴线在点火室内部靠近火花塞的位置相交。

可选的，所述压力蓄积室和所述空气喷嘴之间设置有单向安全阀。

可选的，所述压力蓄积室与空气压力泵或发动机本体增压器相连通。

可选的，所述空气喷嘴通过螺栓固定于所述空气通道内。

可选的，所述供燃料支路包括由管路依次连通的燃料箱、燃料低压泵和燃料喷嘴；所述燃料喷嘴设置于所述燃料通道内。

可选的，所述燃油喷嘴倾斜设置，所述燃油喷嘴的喷射口朝向所述供气支路一侧；所述燃油喷嘴的喷射口为单孔或多孔或交叉喷孔或外开式环状喷嘴。

可选的，所述燃料喷嘴通过螺栓固定于所述燃料通道内。

可选的，对点火室内的空气量、燃料量以及喷射时间、点火时间分别进行精确控制；首先喷入部分空气以扫除点火室内废气，其次喷入燃料和剩余空气在点火室内进行快速混合；点火室内燃料空气比例根据运行工况进行调整，以保证燃烧稳定性和避免爆震；点火时刻由主燃室目标燃烧相位、主燃室混合气组成、点火室内混合气组成、火焰射流特性决定。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明中的燃料空气分离主动控制式点火室系统主要结构包括设置于点火室顶部的供气支路和供燃料支路；预燃用空气由空气压力泵直接供应，或从发动机本体增压器的下游开设旁路供应，在排气冲程后期或进气冲程前期利用增压器下游和缸内的压差实现点火室换气。经空气压力蓄积室稳压后经过单向安全阀供给空气喷嘴端，实现点火室内的主动扫气，并可以根据负荷、主燃室内燃料空气比例等信息实时控制点火室内混合气组成，以提高燃烧稳定性和可控性。

燃料喷嘴为斜向下设置，利用点火室下端圆弧型结构和局部高温，增强燃料气化和滚流，保证火花塞周围可燃气体分布。空气导气孔为等直径弯管通道，面向点火室中心轴线方向斜向上面向火花塞方向，以改善点火室上部及火花塞附近的废气残留，提升换气效率。导气孔靠近所述点火室的一端为渐缩结构，并沿点火室壁面切线方向由所述空气喷嘴的喷射口延伸至所述点火室，通过增强进气速度和涡流速度以改善点火室内的换气效率。导气孔为等直径弯管通道并朝向斜下方设置，导气孔轴线和燃料喷孔轴线在点火室内部空间相交，通过优化空气喷入正时和燃料喷入正时，促进空气流束和燃料流束在点火室内交叉碰撞，促进燃料蒸发和混合。

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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明燃料空气分离主动控制式点火室系统的一种结构示意图，采用渐缩式导气孔和沿点火室壁面切向进气方式。

图2为本发明燃料空气分离主动控制式点火室系统的剖视结构示意图。

图3为本发明燃料空气分离主动控制式点火室系统的另一种结构示意图，采用等直径圆柱形导气孔和正对点火室中心轴线进气方式。

图4为本发明燃料空气分离主动控制式点火室系统的剖视结构示意图。

图5为本发明燃料空气分离主动控制式点火室系统的另一种结构示意图，采用直径圆柱形导气孔轴线和燃料喷孔轴线在点火室内部空间相交结构。

图6为本发明燃料空气分离主动控制式点火室系统可能采用的燃料喷嘴喷孔构型；

图6(1)为单孔(或独立多孔)燃油喷嘴；

图6(2)为多孔外部交叉喷孔燃油喷嘴；

图6(3)为多孔内部交叉喷孔燃油喷嘴；

图6(4)为外开式环状燃油喷嘴。

附图标记说明：1、空气压力泵或发动机本体增压器；2、压力蓄积室；3、单向安全阀；4、空气喷嘴；5、火花塞；6、气缸盖或点火室适配器单体；7、燃料箱；8、燃料低压泵；9、燃料喷嘴；10、点火室主体。

图7为本发明中燃料空气分离主动控制式点火室系统在内燃机中应用时的点火室换气、燃料喷射、点火过程的时序图，以及对应控制参数的影响因子。

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。

如图2所示，本实施例提供一种燃料空气分离主动控制式点火室系统，包括设置于点火室顶部的供气支路和供燃料支路；所述点火室设置于气缸盖或点火室适配器单体6上，所述气缸盖或所述点火室适配器单体上设置有火花塞5、空气通道和燃料通道，且所述火花塞5设置于所述点火室上方，所述空气通道和所述燃料通道均与所述点火室相连通，所述供气支路与所述空气通道相连通，所述供燃料支路与所述燃料通道相连通。

所述供气支路包括压力蓄积室2和空气喷嘴4，所述空气喷嘴4设置于所述空气通道内。所述压力蓄积室2和所述空气喷嘴4之间设置有单向安全阀3。所述压力蓄积室2与空气压力泵或发动机本体增压器1相连通。如图2所示，所述空气喷嘴4的喷射口下方设置有导气孔，所述导气孔沿切线方向由所述空气喷嘴4的喷射口延伸至所述点火室，且所述导气孔靠近所述点火室的一端为渐缩结构，通过增强进气速度和涡流速度以改善点火室内的换气效率。如图4所示，所述空气导气孔为等直径弯管通道，面向所述点火室10中心轴线方向斜向上面向火花塞5方向，以改善点火室上部及火花塞附近的废气残留，提升换气效率。如图5所示，所述导气孔为等直径弯管通道并朝向斜下方设置，导气孔轴线和燃料喷孔9轴线在点火室内部空间相交，通过优化空气喷入正时和燃料喷入正时，促进空气流束和燃料流束在所述点火室10内交叉碰撞，促进燃料蒸发和混合。所述空气喷嘴4通过螺栓固定于所述空气通道内。

所述供燃料支路包括由管路依次连通的燃料箱7、燃料低压泵8和燃料喷嘴9；所述燃料喷嘴9设置于所述燃料通道内。所述燃油喷嘴倾斜设置，所述燃油喷嘴的喷射口朝向所述供气支路一侧。可以采用交叉喷孔燃油喷嘴，或者外开式环状燃油喷嘴，以促进狭小点火室内的多燃料束碰撞与混合。所述燃料喷嘴9通过螺栓固定于所述燃料通道内。利用点火室下端圆弧型结构和局部高温，增强燃料气化和滚流，保证火花塞5周围可燃气体分布。通过结构优化改善点火室扫气效率和混合气形成效率。

空气量和燃料量根据不同工况进行精确控制，在点火室内进行混合，通过当量比优化实现高点火概率，点火室内燃料空气比例根据运行工况和主燃室混合气组成而调整。具体地，在低负荷、较稀薄主燃室混合气或大比例废气再循环量条件下，采用较浓点火室燃料空气比例，以增强点火室火焰射流能量，保证燃烧稳定性。在高负荷、较浓主燃室混合气条件下，采用较稀薄点火室燃料空气比例，以避免爆震倾向。

预燃用空气由空气压力泵直接供应，或从发动机本体增压器的下游开设旁路供应，在排气冲程后期或进气冲程前期利用增压器下游和缸内的压差实现点火室换气。经空气压力蓄积室2稳压后经过单向安全阀3供给空气喷嘴4端。

点火室内的燃料不做具体限定，可以是和主燃室内燃料相同，也可以是引燃用的特定液态或气态燃料。

在发动机启动后，燃料低压泵8和空气压力泵或发动机本体增压器1下游开设的旁路立即开启，迅速建立燃料喷射压力和空气压力蓄积室2的压力。

在排气冲程后期或进气冲程前期，空气喷嘴4的阀门开启，因空气压力蓄积室2的压力大于主燃室压力，高压空气喷入点火室并将残余废气挤出点火室，实现主动扫气。空气喷嘴4的开启时间根据点火室的目标空气燃料混合比例以及空气压力差而决定。

在进气冲程后期或压缩冲程前期，燃料喷嘴9的阀门开启，燃料被喷入点火室，与之前喷入的空气快速形成可燃混合气。燃料喷嘴9的开启时间根据点火室的目标空气燃料混合比例以及燃料喷射压力而决定。

在压缩冲程后期的预定时刻，火花塞5点火以点燃点火室中的预混合气，其后产生的火焰射流或高温燃烧产物射流通过点火室主体10的下端小孔进入主燃室，引燃主燃室中的稀薄预混合气。火花塞5的点火时刻由主燃室稀薄预混合气的目标燃烧相位、主燃室稀薄预混合气组成，点火室内预混合气组成、火焰射流特性等决定。

通过点火室结构优化和空气燃料分离供给控制，实现主动扫气和点火室混合气当量比优化，实现稀薄预混燃烧和大比例废气再循环条件下的高点火概率和稳定燃烧。

需要说明的是，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (5)

1.一种燃料空气分离主动控制式点火室系统，其特征在于，包括设置于点火室顶部的供气支路和供燃料支路；所述点火室设置于气缸盖或点火室适配器单体上，所述气缸盖或所述点火室适配器单体上设置有火花塞、空气通道和燃料通道，且所述火花塞设置于所述点火室上方，所述空气通道和所述燃料通道均与所述点火室相连通，所述供气支路与所述空气通道相连通，所述供燃料支路与所述燃料通道相连通；所述点火室与主燃室相连通；

所述供气支路包括压力蓄积室和空气喷嘴，所述空气喷嘴设置于所述空气通道内；

所述空气喷嘴的喷射口下方设置有导气孔，

其中，所述导气孔靠近所述点火室的一端为渐缩结构，并沿点火室壁面切线方向由所述空气喷嘴的喷射口延伸至所述点火室；

或，所述导气孔为等直径弯管通道，面向点火室中心轴线方向；

或，所述导气孔为等直径弯管通道并朝向斜下方设置，导气孔轴线和燃料喷孔轴线在点火室内部靠近火花塞的位置相交；

所述供燃料支路包括由管路依次连通的燃料箱、燃料低压泵和燃料喷嘴；所述燃料喷嘴设置于所述燃料通道内；

所述燃料喷嘴倾斜设置，所述燃料喷嘴的喷射口朝向所述供气支路一侧；所述燃料喷嘴的喷射口为单孔或多孔，所述喷射口为多孔时，所述喷射口为交叉喷孔或外开式环状喷嘴；

对点火室内的空气量、燃料量以及喷射时间、点火时间分别进行精确控制；首先喷入部分空气以扫除点火室内废气，其次喷入燃料和剩余空气在点火室内进行快速混合；点火室内燃料空气比例根据运行工况进行调整，以保证燃烧稳定性和避免爆震；点火时刻由主燃室目标燃烧相位、主燃室混合气组成、点火室内混合气组成、火焰射流特性决定。

2.根据权利要求1所述的燃料空气分离主动控制式点火室系统，其特征在于，所述压力蓄积室和所述空气喷嘴之间设置有单向安全阀。

3.根据权利要求1所述的燃料空气分离主动控制式点火室系统，其特征在于，所述压力蓄积室与空气压力泵或发动机本体增压器相连通。

4.根据权利要求1所述的燃料空气分离主动控制式点火室系统，其特征在于，所述空气喷嘴通过螺栓固定于所述空气通道内。

5.根据权利要求1所述的燃料空气分离主动控制式点火室系统，其特征在于，所述燃料喷嘴通过螺栓固定于所述燃料通道内。

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