CN115045750A - 燃烧系统和发动机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃烧系统，包括：机体；活塞，设置于机体内，活塞的底部及机体之间限定主燃烧室；主燃烧部，设置于机体上，适用于向主燃烧室喷射燃料；以及预燃烧部，设置于机体上，预燃烧部内限定预燃烧室，预燃烧部包括：第一喷射器，设置于预燃烧部的顶部，适用于沿预燃烧室的轴向方向喷射燃料；至少一个第二喷射器，设置于预燃烧部的侧壁上，适用于沿预燃烧室的径向方向喷射燃料，以使由第二喷射器及第一喷射器喷出的燃料均匀混合；火花塞，适用于点燃预燃烧室内的燃料；以及多个射流孔，设置于预燃烧部位于主燃烧室内的一端，适用于将预燃烧室内预燃烧的燃料以射流火焰的形态喷射到主燃烧室，以引燃主燃烧室内的燃料所形成的燃料束，并使得主燃烧室内的燃料束以扩散燃烧的方式进行燃烧；其中，燃烧系统适用于甲醇燃料、氢气、天然气、氨气和碳中性燃料。

Description

燃烧系统和发动机

技术领域

本发明涉及内燃机领域，特别涉及一种基于活性热射流引燃的甲醇喷雾稀扩散的燃烧系统和发动机。

背景技术

目前，节能减排成为优化经济结构、推动绿色循环低碳发展的突破口。作为交通运输领域的主要移动动力源，内燃机是不可再生化石燃料的消耗主力和CO2排放的重要来源。减少内燃机对化石能源的消耗和全生命周期CO2排放，是保护环境、降低石油对外依存度、保障能源安全和实现可持续发展的重要手段。

作为一种典型的替代燃料，甲醇生产原料丰富，煤炭、天然气、生物质以及CO2等均可制备甲醇。针对富煤少油缺气的化石资源现状，煤制甲醇是实现煤炭资源高效清洁利用、减少石油消耗和保障能源安全的重要方向。另一方面，利用生物质及其废弃物制备甲醇可大幅降低甲醇全生命周期碳排放，通过CO2捕集制备甲醇则可以完全实现碳中性循环，是解决能源短缺和环境约束的重要战略发展方向。

甲醇应用在内燃机上时，其高汽化潜热、高辛烷值、宽着火极限和较快的火焰传播速度等特点均有利于改善发动机热效率和排放，是一种可实现内燃机高效清洁和碳中性运行的可再生低碳燃料。

现阶段甲醇燃料在内燃机上的应用方式主要以点燃预混合气或双燃料燃烧为主，预混合点燃式燃烧效率较低，小负荷燃烧稳定性差，早燃和爆震限制热效率提升，而且存在预混燃烧未燃甲醇和非常规排放等现象。双燃料方式由于仍需要燃用柴油，降低碳排放效果差，且采用两套燃油系统使得发动机结构复杂。此外，由于这些燃料活性较低，不易着火燃烧，因此采用压缩自燃的方式会出现小负荷工况燃烧稳定性差甚至“失火”和大负荷工况工作过于粗暴的缺陷，同时发动机压缩比过高，运行稳定性和可靠性差。

发明内容

为解决现有技术中的上述和其他方面的至少部分技术问题，根据本发明一个方面的实施例，提供一种燃烧系统和发动机，通过把预燃烧室内预燃烧的燃料以射流火焰的形态喷射到主燃烧室，引燃主燃烧室内的燃料，使得主燃烧室内的燃料束以扩散燃烧的方式进行燃烧，可实现燃烧放热规律的有效调控，有利于进一步提高热效率。

根据本发明一个方面的实施例，提供一种燃烧系统，包括：

机体；

活塞，设置于所述机体内，所述活塞的底部及机体之间限定主燃烧室；

主燃烧部，设置于所述机体上，适用于向所述主燃烧室喷射燃料；以及

预燃烧部，设置于所述机体上，所述预燃烧部内限定预燃烧室，所述预燃烧部包括：

第一喷射器，设置于所述预燃烧部的顶部，适用于沿所述预燃烧室的轴向方向喷射燃料；

至少一个第二喷射器，设置于所述预燃烧部的侧壁上，适用于沿所述预燃烧室的径向方向喷射燃料，以使由所述第二喷射器及第一喷射器喷出的燃料均匀混合；

火花塞，适用于点燃所述预燃烧室内的燃料；以及

多个射流孔，设置于所述预燃烧部位于所述主燃烧室内的一端，适用于将所述预燃烧室内预燃烧的燃料以射流火焰的形态喷射到所述主燃烧室，以引燃所述主燃烧室内的燃料所形成的燃料束，并使得所述主燃烧室内的燃料束以扩散燃烧的方式进行燃烧；

其中，所述燃烧系统适用于甲醇燃料、氢气、天然气、氨气和碳中性燃料。

在本发明的一些实施例中，其中，所述预燃烧部设置于所述机体的顶部中心。

在本发明的一些实施例中，其中，所述主燃烧部的第一轴线的方向与所述预燃烧部的第二轴线的方向成夹角α，所述夹角α包括锐角。

在本发明的一些实施例中，其中，所述主燃烧部包括第三喷射器，所述第三喷射器位于所述主燃烧室内的一端沿周向设置有多个喷孔，用以向所述主燃烧室内喷射燃料。

在本发明的一些实施例中，其中，所述第三喷射器的靠近所述预燃烧部的喷孔的喷射方向与所述预燃烧部的靠近所述主燃烧部的所述射流孔的喷射方向成夹角β，所述夹角β包括钝角。

在本发明的一些实施例中，其中，所述预燃烧室的内部空间包括在喷射方向上依次设置的第一圆柱部分和与所述第一圆柱部分连通的第二圆柱部分，其中所述第一圆柱部分的内径大于所述第二圆柱部分的内径。

在本发明的一些实施例中，其中，所述预燃烧室的内部空间包括在喷射方向上依次设置的倒圆台部分和与所述倒圆台部分的直径较小的一端连通的第三圆柱部分。

在本发明的一些实施例中，燃烧系统还包括：

进气道，形成于所述机体顶部侧面；以及

排气道，形成于与所述进气道对称的所述机体顶部的另一侧面上。

在本发明的一些实施例中，其中，所述进气道内设有可开关所述进气道的进气门；所述排气道内设有可开关所述排气道的排气门。

根据本发明一个方面的实施例，提供一种发动机，包括：

如上述任一实施例的燃烧系统，

控制单元，和第一喷射器、第二喷射器、第三喷射器电连接，适用于控制主燃烧室和预燃烧室内的燃料喷射速度；

监测单元，适用于监测所述发动机的负荷。

根据本发明上述实施例的燃烧系统和发动机，通过设置预燃烧室可以使预燃室内的燃料浓度分层可控，有利于形成活性热射流并喷射射流火焰，射流火焰引燃主燃烧室内的稀释扩散的燃料燃烧可解决燃料的早燃和活塞的爆震，提高燃烧系统的热效率。

附图说明

图1示意性示出了根据本发明实施例的燃烧系统在一个方向上的剖视图；

图2示意性示出了根据本发明实施例的燃烧系统在另一方向上的剖视图；

图3示意性示出了根据本发明实施例的预燃烧部的剖视图；

图4示意性示出了根据本发明另一实施例的燃烧系统的在一个方向上的剖视图；

图5示意性示出了根据本发明另一实施例的燃烧系统的在另一方向上的剖视图；

图6示意性示出了根据本发明另一实施例的预燃烧部的剖视图；以及

图7示意性示出了根据本发明实施例的燃烧系统的燃料喷射效果的仰视图。

附图标记说明

1-火花塞；

2-第一喷射器；

3-预燃烧室；

4-射流孔；

5-第二喷射器；

6-喷孔；

7-主燃烧室；

8-活塞；

9-机体；

10-第三喷射器；

11-进气道；

12-排气门；

13-排气道；

14-进气门。

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。

但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本发明实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本发明。在此使用的术语“包括”表明了特征、步骤、操作的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征。

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。

图1示意性示出了根据本发明实施例的燃烧系统在一个方向上的剖视图；图3示意性示出了根据本发明实施例的预燃烧部的剖视图。

根据本发明一个方面的实施例，提供一种燃烧系统，如图1、图3所示，包括：机体9；活塞8，设置于所述机体9内，所述活塞8的底部及机体9之间限定主燃烧室7；主燃烧部，设置于所述机体9上，适用于向所述主燃烧室7喷射燃料；以及预燃烧部，设置于所述机体9上，所述预燃烧部内限定预燃烧室3，所述预燃烧部包括：第一喷射器2，设置于所述预燃烧部的顶部，适用于沿所述预燃烧室3的轴向方向喷射燃料；至少一个第二喷射器5，设置于所述预燃烧部的侧壁上，适用于沿所述预燃烧室3的径向方向喷射燃料，以使由所述第二喷射器5及第一喷射器2喷出的燃料均匀混合；火花塞1，适用于点燃所述预燃烧室3内的燃料；以及多个射流孔4，设置于所述预燃烧部位于所述主燃烧室7内的一端，适用于将所述预燃烧室3内预燃烧的燃料以射流火焰的形态喷射到所述主燃烧室7，以引燃所述主燃烧室7内的燃料所形成的燃料束，并使得所述主燃烧室7内的燃料束以扩散燃烧的方式进行燃烧；其中，所述燃烧系统适用于甲醇燃料、氢气、天然气、氨气和碳中性燃料。

根据本发明实施例的燃烧系统，燃料可通过第一喷射器2和第二喷射器5在预燃烧室内实现可控浓度分层，之后被点燃传播至射流孔4后形成射流火焰或热活性射流混合物，来提高点火能量、加速火焰传播以引燃第三点火器喷向主燃烧室内的燃料，可以显著改善燃烧稳定性，同时避免了主燃室中稀释预混合气面临的稀燃极限和爆震等导致的热效率低和不完全燃烧有害排放高等缺陷。此外，主燃烧室内直喷燃料形成混合气以稀扩散燃烧为主，可有效降低NOx和碳烟排放，改善燃烧放热规律调控手段。

在本发明的一些实施例中，燃烧系统通过使用甲醇燃料来提供化学能，甲醇燃料是利用工业甲醇或燃料甲醇加变性醇添加剂与现有国标汽柴油(或组分油)按一定体积(或重量比)经严格科学工艺调配制成的一种新型清洁然料。甲醇燃料可替代汽柴油，用于各种机动车、锅灶炉使用。生产甲醇的原料主要是煤、天然气、煤层气、焦炉气等，特别是利用高硫劣质煤和焦炉气生产甲醇，既可提高资源综合利用又可减少环境污染。发展煤制甲醇燃料、补充和部分替代石油燃料，可以缓解能源紧张，提高资源综合利用。

图7示意性示出了根据本发明实施例的燃烧系统的燃料喷射效果的仰视图。

在本发明的一些实施例中，其中，如图7所示，所述预燃烧部设置于所述机体9的顶部中心。根据图1所示，所述主燃烧部的第一轴线y的方向与所述预燃烧部的第二轴线x的方向成夹角α，所述夹角α包括锐角。所述主燃烧部包括第三喷射器10，所述第三喷射器10位于所述主燃烧室7内的一端沿周向设置有多个喷孔6，用以向所述主燃烧室7内喷射燃料。所述第三喷射器10的靠近所述预燃烧部的喷孔6的喷射方向y’与所述预燃烧部的靠近所述主燃烧部的所述射流孔4的喷射方向x’成夹角β，所述夹角β包括钝角，例如120-160度，优选地，包括120度、130度、140度、150度、或者160度。主燃烧部与预燃烧部成锐角可以使射流火焰与燃料朝相近的方向喷射，第三喷射器10喷射的燃料与射流孔4喷射的射流火焰成钝角交汇能增大射流火焰与燃料的接触面积，可以更方便的点燃燃料，通过调整预燃烧室3的第一喷射器2和第二喷射器5和主燃烧室的第三喷射器的喷射燃料比例，可以实现主燃烧室内燃烧过程和放热规律的有效调控，更好的实现了内燃机使用过程中的碳中和。

在本发明的一些实施例中，α角度在30°到80°之间，例如包括30度、40度、50度、60度、或者80度，通过调整主燃烧部和预燃烧部之间的角度α以确定射流孔3和喷孔6喷射角度β，可以更好的实现活性射流火焰对主燃烧室内甲醇喷雾稀扩散的引燃。

在本发明的一些实施例中，在主燃烧部的第三喷射器10的喷射过程，喷雾通过撞击活塞8，形成缸内涡团带动气流运动，可以促进燃料与空气的混合。

在本发明的一些实施例中，第三喷射器10为高压喷射器，喷孔6设置为6个，在第三喷射器10的低端沿圆周方向均匀分布，通过喷孔6的高压喷射，可使燃料喷雾有一定的贯穿距离，在主燃烧室内直喷甲醇形成混合气以稀扩散燃烧为主。

在本发明的一些实施例中，火花塞1有4种类型，分别是普通火花塞、单铂金火花塞、铱金火花塞和双铱金火花塞。火花塞通过把高压导线送来的脉冲高压电放电，击穿火花塞两电极间空气，产生电火花以此引燃主燃烧室7内的混合气体。火花塞与点火系统和供油系统配合使发动机做功。

在本发明的一些实施例中，活塞8包括：重力铸造活塞、挤压铸造活塞和锻造活塞。活塞8的顶部可以采用平顶或凹顶，这样可以使燃烧室结构紧凑，活塞8的顶部还安装有活塞环，可以防止高温高压气体窜入曲轴箱，防止机油窜入燃烧室。活塞顶部吸收的大部分热量也通过活塞传递到气缸，然后通过冷却介质传递走。

在本发明的一些实施例中，活塞8的材质包括：铝合金、铸铁、钢。活塞的工作瞬时温度可以达到2500以上，工作压力在3～9MPa。

在本发明的一些实施例中，其中，所述预燃烧室3的内部空间包括在喷射方向上依次设置的第一圆柱部分和与所述第一圆柱部分连通的第二圆柱部分，其中所述第一圆柱部分的内径大于所述第二圆柱部分的内径。第一喷射器3和第二喷射器5喷射的燃料在第一圆柱部分被点燃之后在第二圆柱部分被集中，之后通过射流孔4形成射流火焰喷射向主燃烧室7引燃主燃烧室内的燃料。通过设置第二燃烧部可以更好的将预燃烧室3内的火焰导流到射流孔4中。

图4示意性示出了根据本发明另一实施例的燃烧系统的在一个方向上的剖视图；图5示意性示出了根据本发明另一实施例的燃烧系统的在另一方向上的剖视图；图6示意性示出了根据本发明另一实施例的预燃烧部的剖视图；。

在本发明的一些实施例中，其中，如图4、图5、图6所示，所述预燃烧室3的内部空间包括在喷射方向上依次设置的倒圆台部分和与所述倒圆台部分的直径较小的一端连通的第三圆柱部分。倒圆台形的预燃烧室可以更方便的使第一喷射器3和第二喷射器5的燃料充分交汇混合，提高预燃烧室内的燃料浓度，方便火花塞1点燃预燃烧室内的燃料。

图2示意性示出了根据本发明实施例的燃烧系统在另一方向上的剖视图。

在本发明的一些实施例中，燃烧系统如图2所示，还包括：进气道11，形成于所述机体9顶部侧面；以及排气道13，形成于与所述进气道11对称的所述机体9顶部的另一侧面上。所述进气道11内设有可开关所述进气道11的进气门14；所述排气道13内设有可开关所述排气道13的排气门12。通过调节进气门14与排气门12的开合来控制进气道11的进气和排气道13的排气。

在本发明的一些实施例中，燃烧系统的工作流程是：当活塞8从上止点开始下行，同时进气门14处于打开状态，排气门12则处于闭合状态，空气从进气道11进入主燃烧室7以及预燃烧室3；当活塞8越过下止点时，进气门14开始关闭，活塞向上运动压缩缸内的空气，使得主燃烧室7内温度和压力持续升高，此时预燃烧部中的第一喷射器2和第二喷射器5喷射少量甲醇燃料于预燃烧室3内，喷射的甲醇与预燃烧室3内空气混合形成预混气体；然后通过火花塞1点燃预混甲醇燃料，甲醇燃烧放热使温度和压力急剧增加，导致预燃室3和主燃烧室7开始存在压力差且逐渐增大，被点燃的甲醇预混火焰在预燃室3内传播，且由于压力差的原因，甲醇预混火焰通过射流孔4形成多条射流火焰来提高点火能量、加速火焰传播以引燃主燃烧室7内的甲醇喷雾。所述预燃烧室3活性热射流进入主燃烧室7，与此同时，第三喷射器10也将大量甲醇燃料喷入主燃烧室7，射流产生的湍流增加了火焰的传播速度，因此将热气体分布在主燃烧室7的广泛区域，在射流经过的整个燃烧室产生分散点火；主燃烧室7喷雾末端的可燃甲醇混合气被点燃后，形成扩散燃烧火焰，甲醇燃烧释放出热量，推动活塞8向下运动，输出机械功；活塞运动到接近下止点时，排气门12开启，活塞向上运动排除缸内的废气，完成整个工作过程。

根据本发明一个方面的实施例，提供一种发动机，包括：如上述任一实施例的燃烧系统，控制单元，和第一喷射器2、第二喷射器5、第三喷射器10电连接，适用于控制主燃烧室7和预燃烧室3内的燃料喷射速度；监测单元，适用于监测所述发动机的负荷。

在本发明的一些实施例中，发动机控制单元(ECU)是发动机控制系统的核心，它可以根据发动机的不同工况，向发动机提供最佳空燃比的混合气和最佳点火时间，使发动机始终处在最佳工作状态，发动机的性能达到最佳。它和普通的电脑一样，由微处理器(MCU)、存储器(ROM、RAM)、输入/输出接口(I/O)、模数转换器(A/D)以及整形、驱动等大规模集成电路组成。

在本发明的一些实施例中，监测单元可以监测、控制发动机的运行情况，显示发动机运行参数。具有转速、机油油压、水温、油位表、发动机启动开关、紧急制动等。监测单元包括发动机的启动、停机装置，自动检测发动机内部润滑系统、冷却系统的压力、温度和曲轴转速传感器及仪表，超速判别报警系统，低油压和高水温报警系统，使发动机在该仪器的严密监视控制下正常工作。监控单元配置有停机按钮。

至此，已经结合附图对本发明实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各零部件的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

还需要说明的是，在本发明的具体实施例中，除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本发明的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的尺寸、范围条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到“约”的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。

本领域技术人员可以理解，本发明的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合或/或结合，即使这样的组合或结合没有明确记载于本发明中。特别地，在不脱离本发明精神和教导的情况下，本发明的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合。所有这些组合和/或结合均落入本发明的范围。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种燃烧系统，包括：

机体；

活塞，设置于所述机体内，所述活塞的底部及机体之间限定主燃烧室；

主燃烧部，设置于所述机体上，适用于向所述主燃烧室喷射燃料；以及

预燃烧部，设置于所述机体上，所述预燃烧部内限定预燃烧室，所述预燃烧部包括：

第一喷射器，设置于所述预燃烧部的顶部，适用于沿所述预燃烧室的轴向方向喷射燃料；

至少一个第二喷射器，设置于所述预燃烧部的侧壁上，适用于沿所述预燃烧室的径向方向喷射燃料，以使由所述第二喷射器及第一喷射器喷出的燃料均匀混合；

火花塞，适用于点燃所述预燃烧室内的燃料；以及

多个射流孔，设置于所述预燃烧部位于所述主燃烧室内的一端，适用于将所述预燃烧室内预燃烧的燃料以射流火焰的形态喷射到所述主燃烧室，以引燃所述主燃烧室内的燃料所形成的燃料束，并使得所述主燃烧室内的燃料束以扩散燃烧的方式进行燃烧；

其中，所述燃烧系统适用于甲醇燃料、氢气、天然气、氨气和碳中性燃料。

2.根据权利要求1所述的燃烧系统，其中，所述预燃烧部设置于所述机体的顶部中心。

3.根据权利要求1或2所述的燃烧系统，其中，所述主燃烧部的第一轴线的方向与所述预燃烧部的第二轴线的方向成夹角α，所述夹角α包括锐角。

4.根据权利要求3所述的燃烧系统，其中，所述主燃烧部包括第三喷射器，所述第三喷射器位于所述主燃烧室内的一端沿周向设置有多个喷孔，用以向所述主燃烧室内喷射燃料。

5.根据权利要求4所述的燃烧系统，其中，所述第三喷射器10的靠近所述预燃烧部的喷孔的喷射方向与所述预燃烧部的靠近所述主燃烧部的所述射流孔的喷射方向成夹角β，所述夹角β包括钝角。

6.根据权利要求1所述的燃烧系统，其中，所述预燃烧室的内部空间包括在喷射方向上依次设置的第一圆柱部分和与所述第一圆柱部分连通的第二圆柱部分，其中所述第一圆柱部分的内径大于所述第二圆柱部分的内径。

7.根据权利要求1所述的燃烧系统，其中，所述预燃烧室的内部空间包括在喷射方向上依次设置的倒圆台部分和与所述倒圆台部分的直径较小的一端连通的第三圆柱部分。

8.根据权利要求1所述的燃烧系统，还包括：

进气道，形成于所述机体顶部侧面；以及

排气道，形成于与所述进气道对称的所述机体顶部的另一侧面上。

9.根据权利要求8所述的燃烧系统，其中，所述进气道内设有可开关所述进气道的进气门；所述排气道内设有可开关所述排气道的排气门。

10.一种发动机，包括：

如权利要求1至9中任一所述的燃烧系统，

控制单元，和第一喷射器、第二喷射器、第三喷射器电连接，适用于控制主燃烧室和预燃烧室内的燃料喷射速度；

监测单元，适用于监测所述发动机的负荷。

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