CN114233463A - 一种缸内直喷甲醇燃料的内燃机燃烧系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种缸内直喷甲醇燃料的内燃机燃烧系统，包括燃烧室，燃烧室由主燃烧室和预燃室构成，每个预燃室分别嵌入主燃烧室顶部；主燃烧室顶部嵌置甲醇喷射器Ⅱ，每个甲醇喷射器Ⅱ均设置不同方向和不同水平高度的喷孔，实现向主燃烧室内喷射较高压力的甲醇喷雾；每个预燃室均装有火花塞和甲醇喷射器Ⅰ，每个预燃室均设置不同方向和不同高度水平高度的通孔，预燃室和主燃烧室通过通孔相连通，通过通孔向主燃烧室内喷射射流火焰，通过射流火焰引燃甲醇喷雾，实现甲醇喷雾燃烧。本发明通过预燃室内点火燃烧产生的射流火焰引燃主燃烧室内的甲醇喷雾，实现主燃烧室内甲醇喷雾燃烧，使得发动机燃烧由甲醇的扩散火焰控制。

Description

一种缸内直喷甲醇燃料的内燃机燃烧系统

技术领域

本发明涉及内燃机领域，更具体的说，是涉及一种缸内直喷甲醇燃料的内燃机燃烧系统。

背景技术

甲醇因为原料来源广泛，如煤炭、天然气和生物质均可制得，为工业化应用提供可能；另外甲醇是一种高含氧燃料，其燃烧速度快，着火界限宽，燃烧后无碳烟产生，因此是一种具有广阔发展前景的碳中性燃料。在车载和船用内燃机领域，甲醇燃料正变得越来越重要。而甲醇在内燃机上的应用主要是以点燃式着火，并且以湍流火焰传播控制燃烧速率为主。以传统柴油机为代表性的直喷燃料压燃发动机，因为实现的是迪塞尔循环，相比点燃式发动机的奥拓循环具有动力性强、经济性好和适应工况广等优点。然而因为甲醇的蒸发困难同时具有高辛烷值的特点，因此很难应用在燃料直喷-压燃的燃烧系统中。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有内燃机对甲醇燃料应用技术中的不足，提出一种缸内直喷甲醇燃料的内燃机燃烧系统，采用强射流点火的方式，加快直喷甲醇燃料着火和燃烧，以实现直喷甲醇燃料的发动机实现迪塞尔循环。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

本发明缸内直喷甲醇燃料的内燃机燃烧系统，包括气缸盖和活塞顶表面之间的燃烧室，所述燃烧室由主燃烧室和预燃室构成，每个预燃室均嵌入主燃烧室顶部；所述主燃烧室顶部嵌置有甲醇喷射器Ⅱ，每个所述甲醇喷射器Ⅱ均设置有不同方向和不同水平高度的喷孔，实现向主燃烧室内喷射较高压力的甲醇喷雾；每个所述预燃室均装有火花塞和甲醇喷射器Ⅰ，每个所述预燃室均设置有不同方向和不同高度水平高度的通孔，所述预燃室和主燃烧室通过通孔相连通，通过通孔向主燃烧室内喷射射流火焰，通过射流火焰引燃甲醇喷雾，实现甲醇喷雾燃烧。

所有所述预燃室均匀分布于以气缸中心轴为中心的同一个圆周上，所有所述甲醇喷射器Ⅱ均匀分布于以气缸中心轴为中心的同一个圆周上，且每个预燃室附近均对应一个甲醇喷射器Ⅱ，对应形成射流火焰和甲醇喷雾的发展方向。

所述喷孔沿其所在的甲醇喷射器Ⅱ的周向设置，且轴向高度不同；所述通孔沿其所在的预燃室的周向设置，且轴向高度不同；所述预燃室的射流火焰和甲醇喷射器Ⅱ的甲醇喷雾互相交错。

所述预燃室内的着火方式通过甲醇喷射器Ⅰ实现甲醇预喷射，并通过火花塞点火，通过预燃室的通孔形成射流火焰，制造主燃烧室内局部的高温环境和一定浓度的燃烧中间产物，以此作为点火源引燃甲醇喷雾，实现甲醇喷雾燃烧。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

(1)本发明可以通过高能射流火焰点火，实现甲醇燃料的直喷燃烧，使得缸内燃烧由燃料喷射和空气混合的速率控制，即在甲醇燃料发动机上实现迪塞尔循环。此前已有可以实现甲醇喷雾燃烧装置，其实现方式主要有两种：1是通过一定比例的高活性燃料(以柴油为代表)掺混甲醇燃料来实现直喷压燃；2是采用柴油喷雾或者火花辅助点火引燃甲醇喷雾；但是这两种方式，第一种由于二者互溶性差，存在燃料分层影响发动机性能的问题。第二种中使用火花辅助点火的方式，存在火花点火能量不足、点火稳定性差的问题，且火花塞长期在喷雾火焰中工作，其寿命缩短，使得发动机成本高；而使用柴油喷雾引燃需要两套喷油系统，增加了成本。与本发明的核心方法存在显著差异，本发明在车载甲醇燃料发动机应用领域未见相关报道。

(2)本发明这种通过火花塞点燃预燃室内当量比可控的预混气体，产生的射流火焰具有点火能量高、范围大的特点。一方面可以减少火花塞的寿命损耗，另一方面可以显著提高点火稳定性。

(3)本发明的预燃室和甲醇喷射器II的布置位置和通孔/喷孔的方向设置是考虑缸内大尺度涡流运动方向，目的是在预燃室射流火焰和甲醇喷雾火焰产生时刻可以对缸内流动起到显著加速作用，进而加快燃烧速率，增大发动机定容燃烧的比例，进而提高发动机动力性和经济性。预燃室的射流火焰和甲醇喷射器Ⅱ的甲醇喷雾互相交错，提高接甲醇喷雾和射流火焰的触范围面积，提高点火能量，增强点火稳定性。

附图说明

图1是本发明缸内直喷甲醇燃料的内燃机燃烧系统示意图，其中，

(a)主视图，(b)俯视图；

图2是本发明中预燃室和甲醇喷射器I的结构和相对位置示意图，其中，

(a)主视图，(b)俯视图；

图3是本发明中实现燃烧的火焰扩展情况示意图。

附图标记：1-气缸盖，2-活塞顶表面，3-预燃室，4-喷射器II，5-预燃室通孔，6-火花塞，7-喷射器I，8-主燃烧室，9-缸内大尺度涡流方向，10-喷射器II喷孔，11-喷甲醇喷雾，12-预燃室射流火焰。

具体实施方式

为进一步阐述本发明的功能，下面对本发明作详细说明，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

如图1至3所示，本发明缸内直喷甲醇燃料的内燃机燃烧系统，主要包括气缸盖1和活塞顶表面2之间的燃烧室，所述燃烧室由主燃烧室8和若干个预燃室3构成。

所述主燃烧室8是内燃机燃烧的主要发生区域，其顶部嵌置若干个甲醇喷射器Ⅱ4，每个所述甲醇喷射器Ⅱ4均设置有若干不同方向和不同水平高度的喷孔10，可以实现向主燃烧室8内喷射较高压力(一般为400–550bar)的甲醇喷雾11，也就是实现甲醇喷射器Ⅱ4将甲醇燃料以较高压力喷射进入主燃烧室8，并实现一定距离的喷雾贯穿，其目的是实现甲醇燃料高速运动卷吸空气，快速破碎、蒸发、混合。

每个预燃室3均嵌入主燃烧室8顶部，所述预燃室3为燃烧室内容积相对较小的一部分，其容积与主燃烧室8的容积比例应参考相关设计标准。每个所述预燃室3均装有甲醇喷射器Ⅰ7，能够在预燃室3内主动引入甲醇燃料，同时每个所述预燃室3均还安装有火花塞6，所述火花塞6为点燃式内燃机常用的点火装置，其安装位置应充分考虑预燃室的形状结构和甲醇喷射器Ⅰ7的相对位置。每个所述预燃室3均设置有若干不同方向和不同高度水平高度的通孔5，所述通孔5的结构参数应参考相关设计标准。所述预燃室3和主燃烧室8通过通孔5相连通，通过通孔5向主燃烧室8内喷射射流火焰12，通过射流火焰12引燃甲醇喷雾11，实现甲醇喷雾11燃烧。

具体地，所述预燃室3内的着火方式通过甲醇喷射器Ⅰ7实现甲醇预喷射，并通过火花塞6点火，通过预燃室3的通孔形成射流火焰12，制造主燃烧室8内局部的高温(火焰温度一般为1400–2400K)环境和一定浓度的燃烧中间产物，以此作为点火源引燃甲醇喷雾11，实现甲醇喷雾11燃烧。

具体地，所有所述预燃室3均匀分布于以气缸中心轴为中心的同一个圆周上，所有所述甲醇喷射器Ⅱ4均匀分布于以气缸中心轴为中心的同一个圆周上，且每个预燃室3附近均对应一个甲醇喷射器Ⅱ4，对应形成射流火焰12和甲醇喷雾11的发展方向，有利于缸内涡流加速，实现更快的火焰扩展，进而实现快速燃烧，提高燃烧性能。

具体地，为了避免火焰之间和喷雾之间的过度干涉，带来的一系列燃烧问题。所述喷孔10可沿其所在的甲醇喷射器Ⅱ4的周向设置，且轴向高度不同，如喷孔10之间相对水平高度有2～3mm的落差，保证几束甲醇喷雾11之间有20～30度的夹角。所述通孔5可沿其所在的预燃室3的周向设置，且轴向高度不同，如通孔5之间相对水平高度有3～5mm的落差，保证几股射流火焰12之间有20～30度的夹角。通过预燃室3的通孔5和甲醇喷射器II4的喷孔10之间的相对位置，可以实现喷雾和火焰的分层重叠。所述预燃室3的射流火焰12和甲醇喷射器Ⅱ4的甲醇喷雾11互相交错，提高接甲醇喷雾11和射流火焰12的触范围面积，提高点火能量，增强点火稳定性。

所有预燃室3和所有甲醇喷射器II4的布置位置充分考虑缸内大尺度涡流运动方向9。所述大尺度涡流是指进气和活塞运动带来的缸内的宏观的气流运动，预燃室3的通孔5方向和甲醇喷射器II4的喷孔10方向分别满足喷射的射流火焰12或者高压液体燃料能促进涡流流动，以便实现更快速的甲醇燃料和空气混合、火焰扩展。

本发明缸内直喷甲醇燃料的内燃机燃烧系统，采用可以使直喷甲醇燃料快速着火燃烧并且加快火焰扩展速度的着火方式，通过预燃室3内火花塞6在预混的甲醇/空气混合气氛围中点火，火焰过预燃室3的通孔5产生射流火焰12引燃缸内直喷的甲醇喷雾11。本发明具体是通过主动式预燃室点火产生的射流火焰来引燃直喷甲醇燃料，特别是对直喷的甲醇喷雾11和射流火焰12之间的合理空间布置，并通过对预燃室3内的燃料喷射控制、点火时刻和主燃烧室8内的甲醇燃料主喷喷射始点和脉宽的控制实现燃烧控制的系统。

首先，在活塞上行至上止点附近时，在预燃室3内通过甲醇喷射器I7喷入一定量的甲醇燃料，在预燃室3内与空气混合。在经过一定时间的混合后，通过火花塞6点燃预燃室3内的甲醇/空气混合气，燃烧火焰在扩展至预燃室3的通孔5处实现火焰加速，形成射流火焰12。随后甲醇喷射器II4喷射甲醇喷雾11，甲醇喷雾11在射流火焰12的作用下被引燃，实现由甲醇喷雾11扩散燃烧控制的缸内燃烧过程。特别是，甲醇喷射器II4的喷孔10之间存在一定的水平高度差，能够实现甲醇喷雾11在水平方向和竖直方向上都有一定程度的分散，使射流火焰12能够穿插在甲醇喷雾11束之间，有利于更大范围的点火。

此外，本发明缸内直喷甲醇燃料的内燃机燃烧系统具有多维多参数的可控性，具体来说，一是在预燃室3内通过甲醇喷射器I7喷入一定量的甲醇燃料，通过对燃料的喷入时刻、喷入量结合发动机的增压系统的控制，可以实现预燃室3内的当量比和混合程度的控制，进而通过优化后实现更合理的点火控制策略；二是火花塞6的点火时刻和甲醇喷油器II4之间喷射的间隔可控，通过优化后实现合理的甲醇喷射策略；三是预燃室3的通孔5和甲醇喷射器II4的喷孔10的位置和方向设置，实现可以合理范围的点火和火焰扩展。

尽管上面结合附图对本发明的功能及工作过程进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体功能和工作过程，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (4)

1.一种缸内直喷甲醇燃料的内燃机燃烧系统，包括气缸盖(1)和活塞顶表面(2)之间的燃烧室，其特征在于，所述燃烧室由主燃烧室(8)和预燃室(3)构成，每个预燃室(3)均嵌入主燃烧室(8)顶部；所述主燃烧室(8)顶部嵌置有甲醇喷射器Ⅱ(4)，每个所述甲醇喷射器Ⅱ(4)均设置有不同方向和不同水平高度的喷孔(10)，实现向主燃烧室(8)内喷射较高压力的甲醇喷雾(11)；每个所述预燃室(3)均装有火花塞(6)和甲醇喷射器Ⅰ(7)，每个所述预燃室(3)均设置有不同方向和不同高度水平高度的通孔(5)，所述预燃室(3)和主燃烧室(8)通过通孔(5)相连通，通过通孔(5)向主燃烧室(8)内喷射射流火焰(12)，通过射流火焰(12)引燃甲醇喷雾(11)，实现甲醇喷雾(11)燃烧。

2.根据权利要求1所述的缸内直喷甲醇燃料的内燃机燃烧系统，其特征在于，两个所述预燃室(3)分别布置于气缸中心点两侧，两个所述甲醇喷射器Ⅱ(4)分别布置于气缸中心点两侧，且每个预燃室(3)附近均对应一个甲醇喷射器Ⅱ(4)，对应形成射流火焰(12)和甲醇喷雾(11)的发展方向。

3.根据权利要求1所述的缸内直喷甲醇燃料的内燃机燃烧系统，其特征在于，所有所述预燃室(3)均匀分布于以气缸中心轴为中心的同一个圆周上，所有所述甲醇喷射器Ⅱ(4)均匀分布于以气缸中心轴为中心的同一个圆周上，且每个预燃室(3)附近均对应一个甲醇喷射器Ⅱ(4)，对应形成射流火焰(12)和甲醇喷雾(11)的发展方向。

4.根据权利要求1所述的缸内直喷甲醇燃料的内燃机燃烧系统，其特征在于，所述预燃室(3)内的着火方式通过甲醇喷射器Ⅰ(7)实现甲醇预喷射，并通过火花塞(6)点火，通过预燃室(3)的通孔(5)形成射流火焰(12)，制造主燃烧室(8)内局部的高温环境和一定浓度的燃烧中间产物，以此作为点火源引燃甲醇喷雾(11)，实现甲醇喷雾(11)燃烧。

Images