CN212928023U - 点燃式发动机及发动机燃烧控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种点燃式发动机及发动机燃烧控制系统。该点燃式发动机包括气缸和缸盖，气缸内设有燃烧室，缸盖上设有与燃烧室相连的火花塞，还包括重整反应机构和连接管道；重整反应机构设置在缸盖内，用于使含氢原子的燃料发生重整反应，生成重整气；连接管道，连通重整反应机构和燃烧室；气缸上设有与连接管道相连的射流口，射流口设置在火花塞外围。该点燃式发动机基于重整气形成喷射火花塞的气体射流，使得火花塞附近保持较高的氢气浓度，利用气体射流点燃后形成的扩散火焰继续引燃高稀释比率的可燃混合气，保障高稀释比率下的稳定燃烧。

Description

点燃式发动机及发动机燃烧控制系统

技术领域

本实用新型涉及内燃机燃烧技术领域，尤其涉及一种点燃式发动机及发动机燃烧控制系统。

背景技术

在点燃式发动机领域，稀薄燃烧被普遍认为是改善发动机热效率和排放的有效手段，且在一定范围内随稀释比率增大，发动机热效率逐渐升高。但对于传统点燃式发动机而言，由于汽油燃料本身存在固有的稀燃极限，无法实现更高稀释比率的稳定燃烧过程，继续增大稀释比率会导致燃烧不稳定性增大，发动机热效率反而会有所下降。因此，如何进一步提高点燃式发动机在高稀释比率情况下的燃烧稳定性是当前点燃式发动机亟待解决的问题。

实用新型内容

本实用新型实施例提供一种点燃式发动机及发动机燃烧控制系统，以解决点燃式发动机在高稀释比率情况下无法稳定点燃的问题。

本实用新型提供一种点燃式发动机，包括气缸和与所述气缸相连的缸盖，所述气缸内设有燃烧室，所述缸盖上设有与所述燃烧室相连的火花塞，还包括重整反应机构和连接管道；所述重整反应机构设置在所述缸盖内，用于使含氢原子的燃料发生重整反应，生成重整气；所述连接管道，连通所述重整反应机构和所述燃烧室；所述气缸上设有与所述连接管道相连的射流口，所述射流口设置在所述火花塞外围。

优选地，所述重整反应机构包括重整反应腔、燃料供应组件和预热器件；所述燃料供应组件与所述重整反应腔相连，用于给所述重整反应腔提供含氢原子的燃料；所述预热器件与所述重整反应腔相连，用于提高所述重整反应腔的腔内温度；所述重整反应腔，与所述燃烧室通过所述连接管道相连。

优选地，所述重整反应腔为环形反应腔，所述环形反应腔套设在所述火花塞外围。

优选地，所述重整反应腔内壁上设有催化剂涂层。

优选地，所述燃料供应组件包括燃料喷射器和燃料供应器，所述燃料喷射器连通所述燃料供应器和所述重整反应腔，用于将所述燃料供应器内的所述含氢原子的燃料喷射到所述重整反应腔。

优选地，所述预热器件为预热塞，所述预热塞装配在所述重整反应腔内。

优选地，所述射流口的数量为多个，多个所述射流口呈伞状排布在所述火花塞外围。

优选地，多个所述射流口轴向非对称设置。

优选地，所述连接管道的内径为0.7mm-1.5mm。

本实用新型还提供一种发动机燃烧控制系统，包括燃烧控制器和上述点燃式发动机；所述燃烧控制器与所述气缸、所述火花塞和所述重整反应机构相连，所述燃烧控制器控制所述气缸、所述火花塞和所述重整反应机构工作。

本实用新型实施例提供点燃式发动机及发动机燃烧控制系统，可以在发动机运行过程中，重整反应机构生成以氢气为主要组分的重整气，基于重整气形成喷射火花塞的气体射流，使得火花塞附近保持较高的氢气浓度，避免氢气与新鲜进气过度混合而降低重整气的引燃效果。在火花塞跳火后，先引燃气体射流，利用重整气具备最小点火能量极低和火焰传播速度快的特性，使得气体射流形成的扩散火焰继续引燃高稀释比率的可燃混合气，保障高稀释比率下的稳定燃烧。可理解地，气体射流着火后，不仅可为燃烧室内高稀释比率的可燃混合气提供充足的点火能量，还可以降低高稀释比率的可燃混合气的爆震倾向，提高燃烧室内燃烧定容度。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对本实用新型实施例的描述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实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型一实施例中点燃式发动机的一剖面图；

图2是本实用新型一实施例中点燃式发动机的一俯视图。

图中：10、气缸；11、燃烧室；12、活塞；13、射流口；14、进气门；15、排气门；20、火花塞；30、重整反应机构；31、重整反应腔；32、燃料供应组件；33、预热器件；40、连接管道。

具体实施方式

为了使本实用新型所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“径向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

本实用新型提供一种点燃式发动机，如图1和图2所示，该点燃式发动机包括气缸10和与气缸10相连的缸盖(如图未示出)，气缸10内设有燃烧室11，缸盖上设有与燃烧室11相连的火花塞20，还包括重整反应机构30和连接管道40；重整反应机构30设置在缸盖内，用于使含氢原子的燃料发生重整反应，生成重整气；连接管道40，用于连通重整反应机构30和燃烧室11；气缸10上设有与连接管道40相连的射流口13，射流口13设置在火花塞20外围，用于向火花塞20喷射重整气形成的气体射流。

其中，重整反应机构30是用于发生重整反应的机构，含氢原子的燃料是用于发生重整反应的燃料。该含氢原子的燃料可以为含氢化合物，具体为含氢原子的液态化合物，可以有针对性地选择诸如甲醇、乙醇、水甚至是汽油燃料等。

本示例中，重整反应机构30用于使含氢原子的燃料发生重整反应，生成以氢气为主要组分的重整气。以含氢原子的燃料为乙醇为例，乙醇在合适的反应条件下，如650℃以上、有催化剂存在时，发生如下重整反应：

C₂H₅OH+3H₂O→2CO₂+6H₂

C₂H₅OH→CH₄+CO+H₂

C₂H₅OH+H₂O→CH₃COCH₃+CO₂+4H₂

重整反应机构30经过上述重整反应，生成以氢气为主要组分的重整气，即该重整气是包含氢气的混合气体，由于氢气层流火焰传播速度约为汽油/空气混合气的5倍，最小点火能量也仅为汽油/空气混合气的8％，使得重整气具备最小点火能量极低和火焰传播速度快的特性，可使得着火的重整气引燃气缸10内高稀释比率的可燃混合气，保障高稀释比率下可燃混合气的稳定燃烧。

本示例中，重整反应机构30通过连接管道40与气缸10的燃烧室11相连，可以将重整反应生成的重整气输入到气缸10的燃烧室11内，引燃燃烧室11内的高稀释比率的可燃混合气。由于连接管道40连通重整反应机构30和气缸10的燃烧室11，在重整反应机构30发生重整反应时，迅速生成以氢气为主要组分的重整气，使得重整反应机构30内气体体积随之迅速膨胀，使得重整反应机构30内的腔内气压迅速升高，高于燃烧室11的室内气压，生成的重整气可通过连接管道40输入燃烧室11，从而引燃气缸10内高稀释比率的可燃混合气，保障高稀释比率下可燃混合气的稳定燃烧。

可以理解地，每一气缸10均配置一个设置在缸盖上的重整反应机构30，每个重整反应机构30能独立产生重整气，可避免现有技术中将多个气缸10中的一个作为重整反应的专用气缸，而导致所有气缸10的缸内燃烧做功不同，影响NVH性能及其循环稳定性的问题。而且，重整反应机构30以含氢原子的燃料作为原料，而不是利用发动机工作过程中排放的废气作为原料，可避免因原料不足而影响燃烧稳定性的问题。

一般来说，气缸10内设有燃烧室11和活塞12，燃烧室11设置在活塞12行程的上方，与燃烧室11相对应设置；而且，气缸10还设有用于连通燃烧室11的进气门14和排气门15，进气门14用于将新鲜空气输入燃烧室11，排气门15用于将废气排出燃烧室11。

本示例中，气缸10上设有与连接管道40相连的射流口13，射流口13设置在燃烧室11的侧壁并位于火花塞20外围；在重整反应机构30与燃烧室11之间的压差较大(即重整反应机构30的腔内压力远大于燃烧室11的室内压力)，且连接管道40的内径较小时，从连接管道40输入的重整气会形成气体射流，气体射流可向处于中心位置的火花塞20喷射，在火花塞20跳火时，会迅速引燃由重整气形成的气体射流，再利用重整气具备最小点火能量极低和火焰传播速度快的特性，使得气体射流形成的扩散火焰继续引燃高稀释比率的可燃混合气，保障高稀释比率下的稳定燃烧，具有降低火焰传播距离，改善燃烧定容度的优点。由于射流口13位于火花塞20外围，从射流口13喷射出的气体射流喷向火花塞20，使得气体射流发生在火花塞20附近区域，无需制备较大量的重整气即可满足稳定点燃的需求。

本实施例所提供的点燃式发动机中，可以在发动机运行过程中，重整反应机构30生成以氢气为主要组分的重整气，基于重整气形成喷射火花塞20的气体射流，使得火花塞20附近保持较高的氢气浓度，避免氢气与新鲜进气过度混合而降低重整气的引燃效果。在火花塞20跳火后，先引燃气体射流，利用氢气为主要组分的重整气具备最小点火能量极低和火焰传播速度快的特性，使得气体射流形成的扩散火焰继续引燃高稀释比率的可燃混合气，保障高稀释比率下的稳定燃烧。可理解地，气体射流着火后，不仅可为燃烧室11内高稀释比率的可燃混合气提供充足的点火能量，还可以降低高稀释比率的可燃混合气的爆震倾向，提高燃烧室11内燃烧定容度。

在一实施例中，重整反应机构30包括重整反应腔31、燃料供应组件32和预热器件33；燃料供应组件32与重整反应腔31相连，用于给重整反应腔31提供含氢原子的燃料；预热器件33与重整反应腔31相连，用于提高重整反应腔31的腔内温度；重整反应腔31，与燃烧室11通过连接管道40相连，用于使含氢原子的燃料在其内部发生重整反应，生成重整气。

其中，重整反应腔31是发生重整反应的腔体。燃料供应组件32是用于向重整反应腔31提供含氢原子的燃料的组件。预热器件33是用于对重整反应腔31进行加热，以提供重整反应所需温度的器件。

本示例所提供的点燃式发动机的工作过程具体包括如下过程：

(1)发动机运行过程中，活塞12上行，压缩气缸10的缸内工质，使缸内工质通过连接管道40进入重整反应腔31，此时，重整反应腔31的腔内压力逐渐升高至等同于燃烧室11的室内压力。此处的缸内工质是指气缸10内的汽油和空气混合气。

(2)采用预热器件33开始预热，加热重整反应腔31中的缸内工质，提高重整反应腔31的腔内温度，使得腔内温度瞬间提升，以提供重整反应所需的温度。例如，若乙醇为含氢原子的燃料时，可控制其腔内温度在650℃以上。

(3)当活塞12运行至点火前的某一时刻，控制燃料供应组件32向重整反应腔31提供含氢原子的燃料，该含氢原子的燃料具体为含氢液态燃料，以使重整反应生成的重整气中包含氢气。一般来说，点火时刻在-60°CA ATDC～20°CA ATDC之间。

(4)在重整反应腔31的腔内温度较高时，含氢液态燃料迅速气化，并发生重整反应，生成重整气。可以理解地，当重整反应腔31内设有重整反应所需的催化剂时，可进一步提高重整反应效率。

(5)重整反应腔31内发生重整反应，使得重整反应腔31的腔内压力迅速升高，远高于燃烧室11的室内压力，两者的压差较大，通过连通重整反应腔31和燃烧室11的连接管道40，使重整气形成气体射流，该气体射流通过射流口13喷射到火花塞20附近区域。

(6)控制火花塞20跳火，引燃火花塞20附近的气体射流，气体射流形成的扩散火焰继续引燃高稀释比率的可燃混合气，保障高稀释比率下的稳定燃烧。由于射流口13位于火花塞20外围，从射流口13喷射出的气体射流喷向火花塞20，使得气体射流喷射在火花塞20附近区域，无需制备较大量的重整气即可满足稳定点燃的需求。

在一实施例中，重整反应腔31为环形反应腔，环形反应腔套设在火花塞20外围。

本示例中，设置在缸盖内的重整反应腔31为环形反应腔，该环形反应腔套设在火花塞20外围，使得重整反应腔31与火花塞20装配后的整体体积较小，有助于节省装配空间。

在一实施例中，重整反应腔31内壁上设有催化剂涂层(图中未示出)。

本示例中，该催化剂涂层是涂覆用于进行重整反应的催化剂的涂层。一般来说，适宜的催化剂能够有效降低重整反应过程所需的最低反应温度，改善重整气的生成条件，增大重整气生成量。根据不同重整燃料类型，优选适宜成分及配方的催化剂，主要成分可包括但不限于铂(Pt)、铑(Rh)、钯(Pd)、钌(Ru)、铱(Ir)等及其任意组合的配方方案。

在一实施例中，燃料供应组件32包括燃料喷射器(图中未示出)和燃料供应器(图中未示出)，燃料喷射器用于连通燃料供应器和重整反应腔31，用于将燃料供应器内的含氢原子的燃料喷射到重整反应腔31。

本示例中，在需要向重整反应腔31提供含氢原子的燃料时，需控制燃料喷射器工作，以将燃料供应器内的含氢原子的燃料喷射到重整反应腔31内，使含氢原子的燃料在重整反应腔31内发生重整反应，生成以氢气为主要组分的重整气。

在一实施例中，预热器件33为预热塞，预热塞装配在重整反应腔31内。

本示例中，预热器件33为预热塞，该预热塞装配在重整反应腔31内，预热塞功率高，具有快速升温和持久保持高温状态的特性，且预热塞具有体积小的优点，可装配在较小空间的重整反应腔31内。采用装配在重整反应腔31内的预热塞，可以快速提升重整反应腔31的腔内温度，以提供重整反应所需的高温条件，保证重整反应的可行性。

在一实施例中，射流口13的数量为多个，多个射流口13呈伞状排布在火花塞20外围。

本示例中，射流口13的数量为多个，使得重整反应腔31可向燃烧室11内的火花塞20附近区域喷射多个气体射流，快速提高燃烧室11内重整气浓度，保障重整气的引燃效果。多个射流口13呈伞状排布在火花塞20外围，使得多个射流口13向火花塞20喷射的气体射流，形成以火花塞20为起点的伞状射流空间布局，保证气体射流均匀分布在燃烧室11内，保障气体射流引燃稳定性。

在一实施例中，射流口13的数量为多个，多个射流口13轴向非对称设置。

本示例中，射流口13的数量为多个，多个射流口13轴向非对称设置是指多个射流口13不以火花塞20轴向对称设置，可以有效避免相对方向喷射的气体射流相互干涉而导致贯穿方向偏移的问题，有助于保障燃烧稳定性。

作为一示例，可设置奇数个射流口13(如五个射流口13)，使得奇数个射流口13非对称设置，即不以火花塞20轴向对称设置，避免存在相对方向的两个气体射流相互干涉而导致贯穿方向偏移的问题，有助于保障燃烧稳定性。

在一实施例中，连接管道40的内径为0.7mm-1.5mm。

本示例中，在重整反应腔31与燃烧室11的压差较大(即重整反应腔31的腔内压力远大于燃烧室11的室内压力)时，且连接管道40的内径较小时，可保障从连接管道40输出到燃烧室11的重整气会形成气体射流。本示例中，连接管道40的内径为0.7mm-1.5mm，使其满足连接管道40的内径较小的条件，保障气体射流的形成。

本实用新型实施例还提供一种发动机燃烧控制系统，包括燃烧控制器(图中未示出)和上述实施例所提供的点燃式发动机；燃烧控制器与气缸10、火花塞20和重整反应机构30相连，控制气缸10、火花塞20和重整反应机构30工作。

其中，燃烧控制器是用于控制点燃式发动机内各个部件工作的控制器。本示例中，燃烧控制器与气缸10、火花塞20和重整反应机构30相连，用于控制气缸10、火花塞20和重整反应机构30工作，具体控制过程如下：

首先，燃烧控制器控制气缸10的活塞12向上运行，压缩缸内工质，以将缸内工质压入重整反应机构30，使得重整反应机构30的腔内气压升高至等同于燃烧室11的室内气压；

接着，燃烧控制器控制重整反应机构30发生重整反应，生成重整气，将重整气通过连接管道40，形成喷射火花塞20的气体射流；

最后，控制火花塞20跳火，引燃火花塞20附近的气体射流，气体射流形成的扩散火焰继续引燃高稀释比率的可燃混合气，保障高稀释比率下的稳定燃烧。

本实施例所提供的发动机燃烧控制系统中，燃烧控制器可以在发动机运行过程中，控制重整反应机构30发生重整生成以氢气为主要组分的重整气，基于重整气形成喷射火花塞20的气体射流，使得火花塞20附近保持较高的氢气浓度，避免氢气与新鲜进气过度混合而降低重整气的引燃效果。再控制火花塞20跳火，先引燃气体射流，利用氢气为主要组分的重整气具备最小点火能量极低和火焰传播速度快的特性，使得气体射流形成的扩散火焰继续引燃高稀释比率的可燃混合气，保障高稀释比率下的稳定燃烧。可理解地，气体射流着火后，不仅可为燃烧室11内高稀释比率的可燃混合气提供充足的点火能量，还可以降低高稀释比率的可燃混合气的爆震倾向，提高燃烧室11内燃烧定容度。

在一实施例中，重整反应机构30包括重整反应腔31、燃料供应组件32和预热器件33；燃料供应组件32与重整反应腔31相连，用于给重整反应腔31提供含氢原子的燃料；预热器件33与重整反应腔31相连，用于提高重整反应腔31的腔内温度；重整反应腔31，与燃烧室11通过连接管道40相连，用于使含氢原子的燃料发生重整反应，生成重整气；燃烧控制器与燃料供应组件32和预热器件33相连，用于控制燃料供应组件32和预热器件33工作。

本示例中，发动机燃烧控制系统实现燃料控制过程如下：

A、在发动机运行过程，燃烧控制器控制活塞12上行，压缩气缸10的缸内工质，将缸内工质通过连接管道40进入重整反应腔31。

B、燃烧控制器控制预热器件33开始预热，以加热重整反应腔31中的缸内工质，提高重整反应腔31的腔内温度。

C、当燃烧控制器控制活塞12运行至点火前的某一时刻，再控制燃料供应组件32向重整反应腔31提供含氢原子的燃料，以使含氢原子的燃料在腔内温度较高时发生重整反应，生成重整气，利用重整反应腔31与燃烧室11的压差，形成喷射向火花塞20的气体射流。

D、在燃烧室11出现气体射流时，燃烧控制器控制火花塞20跳火，引燃气体射流，气体射流形成的扩散火焰继续引燃高稀释比率的可燃混合气，以实现高稀释比率下的稳定燃烧。

以上所述实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种点燃式发动机，包括气缸和与所述气缸相连的缸盖，所述气缸内设有燃烧室，所述缸盖上设有与所述燃烧室相连的火花塞，其特征在于，还包括重整反应机构和连接管道；所述重整反应机构设置在所述缸盖内，用于使含氢原子的燃料发生重整反应，生成重整气；所述连接管道，连通所述重整反应机构和所述燃烧室；所述气缸上设有与所述连接管道相连的射流口，所述射流口设置在所述火花塞外围。

2.如权利要求1所述的点燃式发动机，其特征在于，所述重整反应机构包括重整反应腔、燃料供应组件和预热器件；所述燃料供应组件与所述重整反应腔相连，用于给所述重整反应腔提供含氢原子的燃料；所述预热器件与所述重整反应腔相连，用于提高所述重整反应腔的腔内温度；所述重整反应腔，与所述燃烧室通过所述连接管道相连。

3.如权利要求2所述的点燃式发动机，其特征在于，所述重整反应腔为环形反应腔，所述环形反应腔套设在所述火花塞外围。

4.如权利要求2所述的点燃式发动机，其特征在于，所述重整反应腔内壁上设有催化剂涂层。

5.如权利要求2所述的点燃式发动机，其特征在于，所述燃料供应组件包括燃料喷射器和燃料供应器，所述燃料喷射器连通所述燃料供应器和所述重整反应腔，用于将所述燃料供应器内的所述含氢原子的燃料喷射到所述重整反应腔。

6.如权利要求2所述的点燃式发动机，其特征在于，所述预热器件为预热塞，所述预热塞装配在所述重整反应腔内。

7.如权利要求1所述的点燃式发动机，其特征在于，所述射流口的数量为多个，多个所述射流口呈伞状排布在所述火花塞外围。

8.如权利要求7所述的点燃式发动机，其特征在于，多个所述射流口轴向非对称设置。

9.如权利要求1所述的点燃式发动机，其特征在于，所述连接管道的内径为0.7mm-1.5mm。

10.一种发动机燃烧控制系统，其特征在于，包括燃烧控制器和权利要求1-9任一项所述的点燃式发动机；所述燃烧控制器与所述气缸、所述火花塞和所述重整反应机构相连，所述燃烧控制器控制所述气缸、所述火花塞和所述重整反应机构工作。

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