CN114320672A - 进气装置及燃烧系统 - Google Patents

Abstract

提供一种进气装置，包括：机体；活塞，安装在所述机体内；缸盖，安装在所述机体的开口位置，所述缸盖、机体和活塞限定第一燃烧室；进气部，包括：第二燃烧室，形成于所述缸盖内，并与所述第一燃烧室连通；以及预混罐，所述预混罐的进气端和空气源及燃气源分别连通，所述预混罐的排气端和所述第二燃烧室连通；其中，空气和燃气在所述预混罐内混合，并将混合气输出至所述第二燃烧室内。还一种燃烧系统，包括：进气装置；天然气储罐；以及压缩空气储罐；其中，所述天然气储罐和压缩空气储罐的输出端分别和预混罐导通。

Description

进气装置及燃烧系统

技术领域

本发明涉及内燃机技术领域，尤其涉及一种进气装置及燃烧系统。

背景技术

目前，针对预燃室式天然气发动机，预燃室多采用喷油器或进气孔直喷天然气，天然气与预燃室内上一循环剩余的空气混合，经点火后引燃主燃室内的天然气。

但预燃室相较于主燃室体积更小，结构也较为复杂，因此，容易造成预燃室当量比分布不均的问题，继而导致局部存在贫燃不易引燃区域，这样就增大了预燃室失火概率。与此同时，由于燃料的当量比波动较大，因此预燃室的燃烧也并不稳定。

进一步的，在每个循环后，预燃室内容易残留高温废气，可能出现预燃室烧蚀和下一循环易失火的问题，进而降低燃烧系统的可靠性。

发明内容

针对于现有的技术问题，本发明提供一种进气装置及燃烧系统，用于至少部分解决以上技术问题。

本公开的一方面提供一种进气装置，包括：机体；活塞，安装在所述机体内；缸盖，安装在所述机体的开口位置，所述缸盖、机体和活塞限定第一燃烧室；进气部，包括：第二燃烧室，形成于所述缸盖内，并与所述第一燃烧室连通；以及预混罐，所述预混罐的进气端和所述空气源及燃气源分别连通，所述预混罐的排气端和所述第二燃烧室连通；其中，空气和燃气在所述预混罐内混合，并将混合气输出至所述第二燃烧室内。

根据本公开的实施例，进气装置还包括形成于所述缸盖内的进气道，所述进气道和所述燃气源连通。

根据本公开的实施例，进气装置还包括设置在所述预混罐和所述第二燃烧室之间的气体输送管路上的喷气阀。

根据本公开的实施例，所述预混罐内形成有预混腔，所述预混腔内设置有辅热组件。

根据本公开的实施例，所述进气部，包括：壳体，所述壳体内形成有所述第二燃烧室；火花塞，设置在所述壳体上，所述火花塞的放电端位于所述第二燃烧室内；导气道，形成于所述壳体上，所述导气道的第一端和所述第二燃烧室连通，所述导气道的第二端和所述预混罐连通；以及射流孔，形成于所述壳体位于所述第一燃烧室内的端部。

根据本公开的实施例，所述射流孔，包括：收缩段，面对所述第二燃烧室设置；扩张段，面对所述第一燃烧室设置；以及喉管，设置在所述收缩段和所述扩张段之间；其中，所述收缩段、扩张段和喉管的径向的截面积满足下式1，以提升所述射流孔的出射速度；

式1中，A_any表征所述扩张段的截面积；A_C表征所述喉管的截面积；Ma_any表征所述射流孔的出射速度；k为空气的绝热指数。

根据本公开的实施例，进气装置还包括监测部，包括：第一监测组件，设置在所述预混罐内，用以监测所述预混罐内的压力和/或温度；以及第二监测组件，设置在所述第二燃烧室内，用以监测所述第二燃烧室内的压力和/或温度。

根据本公开的实施例，进气装置还包括控制部，包括：电磁阀，设置在所述预混罐和所述空气源之间的空气输送管路上，用以实现空气输送管路的导通或断开；以及控制单元，分别和所述第一监测组件、第二监测组件及电磁阀电连接，用以采集所述第一监测组件和第二监测组件输出的信号，并控制电磁阀的导通或断开。

本公开的另一方面还提供一种燃烧系统，包括：进气装置；天然气储罐；以及压缩空气储罐；其中，所述天然气储罐和压缩空气储罐的输出端分别和预混罐导通。

根据本公开的实施例，燃烧系统还包括在连接所述天然气储罐和预混罐及连接所述压缩空气储罐和预混罐的气体输送管路上的单向阀。

本公开提供了一种进气装置，在第二燃烧室的进气端设置预混罐，一方面，空气和燃气在预混罐内进行预混，以使得通入第二燃烧室内的混合气体为已经依据所需的当量比进行预混，可较为有效的减少第二燃烧室内的贫燃不易引燃区域；另一方面，由于预混罐和第二燃烧室连通，因此，也相应增加了空气和燃气进行混合的空间，有利于空气和燃气进行更为充分的混合。并且当一个燃烧循环结束后，预混罐内的混合气体还可通入第二燃烧室内，以实现对第二燃烧器的扫气处理。

本公开还提供一种燃烧系统，以天然气储罐和压缩空气储罐作为进气装置的气源配合进气装置，以使得燃烧系统兼具上述进气装置的优点，有利于天然气在燃烧系统内较为稳定均匀的燃烧。

附图说明

图1是根据本公开的一种示意性实施例的进气装置的模块连接示意图；

图2是图1所示示意性实施例的缸盖部分的局部示意图；

图3是图1所示示意性实施例的预混罐部分的原理图；

图4是图1所示示意性实施例的进气部部分的径向剖视图；

图5是图1所示示意性实施例的射流孔部分的局部放大图；

图6是图1所示示意性实施例的监测部及控制部的模块连接示意图；以及

图7是根据本公开的一种示意性实施例的燃烧系统的模块连接示意图。

附图标记

1、预混罐；

2、缸盖；

21、进气道；

22、进气门；

3、机体；

4、活塞；

5、进气部；

51、壳体；

52、火花塞；

53、导气道；

54、第二燃烧室；

55、射流孔；

551、收缩段；

552、喉管；

553、扩张段；

6、第一燃烧室；

7、控制部；

8、监测部；

81、第一监测组件；

811、第一温度传感器；

812、第一压力传感器；

82、第二监测组件；

821、第二温度传感器；

822、第二压力传感器；

9、管路组件；

91、天然气储罐；

92、喷气阀；

93、单向阀；

94、电磁阀；

95、滤清器；以及

96、压缩空气储罐。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。

在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。

在使用类似于“A、B和C等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释例如，“具有A、B和C中至少一个的系统”应包括但不限于单独具有A、单独具有B、单独具有C、具有A和B、具有A和C、具有B和C、和/或具有A、B、C的系统等。在使用类似于“A、B或C等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释例如，“具有A、B或C中至少一个的系统”应包括但不限于单独具有A、单独具有B、单独具有C、具有A和B、具有A和C、具有B和C、和/或具有A、B、C的系统等。

图1是根据本公开的一种示意性实施例的进气装置的模块连接示意图；图2是图1所示示意性实施例的缸盖部分的局部示意图；图3是图1所示示意性实施例的预混罐部分的原理图；图4是图1所示示意性实施例的进气部部分的径向剖视图；图5是图1所示示意性实施例的射流孔部分的局部放大图。

本公开提供一种进气装置，如图1至图6所示，包括机体3、安装在机体3内的活塞4以及安装在机体3的开口位置的缸盖2，缸盖2内设置有进气部5，进气部5内形成第二燃烧室54，以及和预混罐1。其中，缸盖2、机体3和活塞4限定第一燃烧室6；第二燃烧室54和第一燃烧室6连通，预混罐1的进气端分别和空气源及燃气源连通，并通过预混罐1的排气端和第二燃烧室54连通。

在一种示意性的实施例中，燃气源包括但不限于天然气。

详细地，燃气源和空气源应具备一定的压力，其中，关于压力的条件应满足燃气和空气可在压力差下被导入第二燃烧室54中。

根据本公开的实施例，如图2所示，进气装置还包括形成于缸盖2的进气道21，进气道21和燃气源连通。

在一种示意性的实施例中，燃气源通过气体输送管路和进气道21导通，并且在气体输送管道和进气道21的连接位置安装有喷气阀92，用以将燃气向进气道21内进行喷射。

进一步的，进气道21内安装有进气门22，喷气阀92设置在进气道21位于进气门22的上游位置。

根据本公开的实施例，如图1所示，进气装置还包括设置在预混罐1和第二燃烧室54之间的气体输送管路上的气体喷气阀92。上述实施方式中，喷气阀92用以将由预混罐1内导出的混合气体喷射至第二燃烧室54内，更有利于混合气体在第二燃烧室54内扩散。

进一步的，在燃气源和预混罐1，以及燃气源和进气道21之间的气体输送管路上也分别设置有喷气阀92，有利于燃气在预混罐1及进气道21内扩散。

根据本公开的实施例，如图3所示，预混罐1内形成有预混腔，预混腔内设置有辅热组件。以使得对预混腔进行辅热，有利于加快燃气和/或空气在预混罐1的扩散，以形成较为均匀的混合气体。

在一种示意性的实施例中，辅热组件包括加热丝，加热丝沿预混腔的内壁盘绕设置。应当理解，本公开的实施例不限于此。

例如，辅热组件还可采用内部循环有高温介质的盘管等装置。其中，高温介质可采用燃烧过程中所产生的尾气，通过盘管对于尾气进行余热回收实现辅热。

在一种示意性的实施例中，预混腔的容积可设置成500至1000毫升。应当理解，本公开的实施例不限于此。

例如，预混罐1的容积可依据实际的燃烧需求进行设计，也可采用小于500毫升或大于1000毫升的其他容器。

进一步的，预混罐1应采用压力容器，基于压力容器的承压极限可相应增加或降低压力容器的容积。

根据本公开的实施例，如图4所示，进气部5包括壳体51，设置在壳体51上的火花塞52、导气道53及射流孔55。其中，壳体51内形成第二燃烧室54，火花塞52的放电端设置在第二燃烧室54内，导气道53和第二燃烧室54及预混罐1分别连通，射流孔55形成于壳体51位于第一燃烧室6内的端部，并将第一燃烧室6和第二燃烧室54连通。

在一种示意性的实施例中，如图4所示，导气道53内设置有单向阀93，以使得混合气体可由导气道53内进入第二燃烧室54，并限制第二燃烧室54内的气体由导气道53导出。

根据本公开的实施例，如图5所示，射流孔55包括：收缩段551、扩张段553和喉管552，其中，收缩段551面向第二燃烧室54设置，扩张段553面向第一燃烧室6设置，喉管552设置在收缩段551和扩张段553之间。

其中，所述收缩段551、扩张段553和喉管552的径向的截面积满足下式1，以提升射流孔55的出射速度；

式1中，A_any表征扩张段553的截面积；Ac表征喉管552的截面积；Ma_any表征射流孔55的出射速度；k为空气的绝热指数。

在一种示意性的实施例中，如图5所示，为满足射流孔55的出射速度的相关要求，在射流孔55满足式1的基础上，还需对射流孔55入口和出口的压力比进行设置，需满足下式2：

式2中，P_inlet表征射流孔55的入口压力；Pe表征射流孔55的出口压力；Ma表征射流孔55的出射速度；k为空气的绝热指数。

在一种示意性的实施例中，为满足射流孔55的出射速度不小于1马赫，基于上式1和式2对上述参数进行如下设计。

在空气的绝热指数为1.4的状态下，为使得射流孔55出口压力不低于0.1Mpa，则射流孔55的入口压力需不小于0.189Mpa。在上述压力条件下，以收缩段551的长度L1为3毫米，喉管552的长度L2为3毫米，扩张段553的长度L3为4毫米，收缩段551的直径D_inlet为5毫米，喉管552的直径Dc为3毫米作为预设条件。

其中，以2马赫作为射流孔55的出射速度，则相应的扩张段553的直径D_outlet为3.9毫米。应当理解，本公开的实施例不限于此。

例如，在上述预设条件下，以1马赫作为射流孔55的出射速度，则相应的扩张段553的直径D_outlet为3毫米；以3马赫作为射流孔55的出射速度，则相应的扩张段553的直径D_outlet为6.15毫米；以4马赫作为射流孔55的出射速度，则相应的扩张段553的直径D_outlet为9.82毫米。

在一种示意性的实施例中，射流孔55沿壳体51位于第一燃烧室6内的端部的周向方向间隔设置，数量设置为6至8个。基于射流孔55的数量和参数设计，可较为有效的提升火焰的传播速度，以增强第一燃烧室6内的湍流度。并且在超音速速度超过1马赫的射流孔55的设计，可在射流孔55下方产生局部的高温区域，以增强燃料的引燃能力。

根据本公开的实施例，如图6所示，进气装置还包括监测部8，监测部8包括设置在预混罐1的第一监测组件81及设置在第二燃烧室54内的第二监测组件82。其中，第一监测组件81用以监测预混罐1内的压力和/或温度；第二监测组件82用以监测第二燃烧室54内的压力和/或温度。

在一种示意性的实施例中，第一监测组件81包括第一温度传感器811和第一压力传感器812；第二监测组件82包括第二温度传感器821和第二压力传感器822。通过第一监测组件81和第二监测组件82可实时监测预混罐1和第二燃烧室54内的压力和/或温度。由于燃气源和空气源的输出压强可知，且预混罐1的容积固定。因此，可根据相应参数设置与预混腔相适应的混合气体的当量比。

详细地，以上述预设的混合气体的当量比燃料系数/余油系数为依据对混合气体中的燃气和/或空气的进气量进行调整，以实现对预混腔内的混合气体的当量比的精确控制。应当理解，本公开的实施例不限于此。

例如，上述当量比还可通过其他采集设备所采集的其他间接参数计算得出。

根据本公开的实施例，如图6所示，进气装置还包括控制部7，控制部7包括设置在预混罐1和空气源之间的空气输送管路上的电磁阀94以及控制单元。其中，控制单元分别和第一监测组件81、第二监测组件82及电磁阀94电连接，用以采集第一监测组件81和第二监测组件82输出的信号，并通过电磁阀94控制空气输送管路的导通或断开。

在一种示意性的实施例中，依据上述监测组件采集的温度和/或压力信息，可对预混罐1内的燃气及空气进行调节。燃气源和预混罐1处于常通状态，空气源和预混罐1通过电磁阀94实现导通或关闭，依据道尔顿分压法配置预混罐1内的混合气体的当量比。

图7是根据本公开的一种示意性实施例的燃烧系统的模块连接示意图。

本公开还提供一种燃烧系统，包括进气装置、天然气储罐91以及压缩空气储罐96。其中，天然气储罐91和压缩空气储罐96分别和预混滚的输出端导通。

在一种示意性的实施例中，燃烧系统包括管路组件9。

在一种示意性的实施例中，在压缩空气储罐96和预混罐1之间安装有滤清器

在一种示意性的实施例中，预混罐1内维持在2.5-3bar的压力环境条件，压缩空气管可提供3bar的稳定压缩空气压力；当预混罐1内的压力低于2.5bar时，控制单元控制电磁阀94开启，同时根据第一温度传感器811和第一压力传感器812的实时反馈信号计算出进入预混罐1的压缩空气量，然后按照预设的预混气当量比，控制安装在预混罐1上的喷气阀92喷入相应喷射量的天然气。

在一种示意性的实施例中，活塞4向上运动压缩机体3内的混合器，以使得第二燃烧室54内的气体温度和压力不断升高，第二温度传感器821和第二压力传感器822实时监测第二燃烧室54的温度和压力，预混罐1上的喷气阀92喷乳第二燃烧室54的天然气喷射量不小于理想气体状态的气体的物质的量由理想气体状态公式计算得出，以使得第二燃烧室54内实现扫气。

根据本公开的实施例，燃烧系统还包括在连接天然气储罐91和预混罐1之间的空气输送管路，以及连接压缩空气储罐96和预混罐1之间的空气输送管路上分别设置的单向阀93。

在一种示意性的实施例中，活塞4首先从上止点下行，低当量比天然气混合气(0.4-0.9)通过进气道21进入第一燃烧室6；当活塞4越过下止点时，进气门22关闭，在缸内压缩阶段，连接第二燃烧室54的导气道53的预混罐1向第二燃烧室54喷射高当量比(1-1.2)的混合气，火花塞52点燃混合气，进而引燃第二燃烧室54其他部位均匀的混合气；第二燃烧室54产生高于第一燃烧室6的压力，在压力差的作用下，第二燃烧室54的射流火焰进入第一燃烧室6，在第一燃烧室6中心位置形成具有较高活性燃料的热氛围，形成分散式点火，引燃第一燃烧室6较低活性或稀燃状况下的燃料。

以上对本公开的实施例进行了描述。但是，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本公开的范围。尽管在以上分别描述了各实施例，但是这并不意味着各个实施例中的措施不能有利地结合使用。本公开的范围由所附权利要求及其等同物限定。不脱离本公开的范围，本领域技术人员可以做出多种替代和修改，这些替代和修改都应落在本公开的范围之内。

Claims (10)

1.一种进气装置，包括：

机体(3)；

活塞(4)，安装在所述机体(3)内；

缸盖(2)，安装在所述机体(3)的开口位置，所述缸盖(2)、机体(3)和活塞(4)限定第一燃烧室(6)；

进气部(5)，包括：

第二燃烧室(54)，形成于所述缸盖(2)内，并与所述第一燃烧室(6)连通；以及

预混罐(1)，所述预混罐(1)的进气端和空气源及燃气源分别连通，所述预混罐(1)的排气端和所述第二燃烧室(54)连通；

其中，空气和燃气在所述预混罐(1)内混合，并将混合气输出至所述第二燃烧室(54)内。

2.根据权利要求1所述的进气装置，还包括形成于所述缸盖(2)内的进气道(21)，所述进气道(21)和所述燃气源连通。

3.根据权利要求1所述的进气装置，还包括设置在所述预混罐(1)和所述第二燃烧室(54)之间的气体输送管路上的喷气阀(92)。

4.根据权利要求1所述的进气装置，其中，所述预混罐(1)内形成有预混腔，所述预混腔内设置有辅热组件。

5.根据权利要求1所述的进气装置，其中，所述进气部(5)，包括：

壳体(51)，所述壳体(51)内形成有所述第二燃烧室(54)；

火花塞(52)，设置在所述壳体(51)上，所述火花塞(52)的放电端位于所述第二燃烧室(54)内；

导气道(53)，形成于所述壳体(51)上，所述导气道(53)的第一端和所述第二燃烧室(54)连通，所述导气道(53)的第二端和所述预混罐(1)连通；以及

射流孔(55)，形成于所述壳体(51)位于所述第一燃烧室(6)内的端部。

6.根据权利要求4所述的进气装置，其中，所述射流孔(55)，包括：

收缩段(551)，面对所述第二燃烧室(54)设置；

扩张段(553)，面对所述第一燃烧室(6)设置；以及

喉管(552)，设置在所述收缩段(551)和所述扩张段(553)之间；

其中，所述收缩段(551)、扩张段(553)和喉管(552)的径向的截面积满足下式1，以提升所述射流孔(55)的出射速度；

式1中，A_any表征所述扩张段(553)的截面积；A_C表征所述喉管(552)的截面积；Ma_any表征所述射流孔(55)的出射速度；k为空气的绝热指数。

7.根据权利要求1至6中任一所述的进气装置，还包括监测部(8)，包括：

第一监测组件(81)，设置在所述预混罐(1)内，用以监测所述预混罐(1)内的压力和/或温度；以及

第二监测组件(82)，设置在所述第二燃烧室(54)内，用以监测所述第二燃烧室(54)内的压力和/或温度。

8.根据权利要求7所述的进气装置，还包括控制部(7)，包括：

电磁阀(94)，设置在所述预混罐(1)和所述空气源之间的空气输送管路上，用以实现空气输送管路的导通或断开；以及

控制单元，分别和所述第一监测组件(81)、第二监测组件(82)及电磁阀(94)电连接，用以采集所述第一监测组件(81)和第二监测组件(82)输出的信号，并控制电磁阀(94)的导通或断开。

9.一种燃烧系统，包括：

如权利要求1至8中任一所述的进气装置；

天然气储罐(91)；以及

压缩空气储罐(96)；

其中，所述天然气储罐(91)和压缩空气储罐(96)的输出端分别和预混罐(1)导通。

10.根据权利要求9所述的燃烧系统，还包括在连接所述天然气储罐(91)和预混罐(1)及连接所述压缩空气储罐(96)和预混罐(1)的气体输送管路上的单向阀(93)。

Images