CN110318910A - 一种天然气发动机燃烧系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种天然气发动机燃烧系统及控制方法，包括发动机、储气罐，所述发动机包括气缸盖、气缸、活塞，气缸盖、气缸以及活塞之间形成浴盆型燃烧室，气缸盖里设置进气道、排气道、火花塞、高压燃气喷射阀，进气道里安装进气阀，排气道里安装排气阀，储气罐通过气体加压装置连接第一气轨，储气罐通过调压器连接第二气轨，第一气轨连接高压燃气喷射阀，第二气轨连接喷气阀组，喷气阀组的出气通道的出口位于进气道里。本发明在稀燃燃烧方式时，通过控制喷气阀组的喷射级数、喷射定时和喷射脉宽以及高压燃气喷射阀喷射定时和喷射脉宽，能够实现缸内可燃混合气浓度分层，提高点火的稳定性，扩展稀燃天然气发动机的潜力。

Description

一种天然气发动机燃烧系统及控制方法

技术领域

本发明涉及的是一种发动机系统及控制方法，具体地说是天然气发动机及其控制方法。

背景技术

天然气是一种清洁、高效的优质能源，天然气发动机可以达到较高的热效率和较低的NOX排放。目前天然气发动机燃气供给方式可分为缸外进气和缸内进气两类，缸外进气方式包括总管进气和歧管进气。由于总管进气式天然气发动机的天然气与空气是在总管内混合形成一定配比的可燃混合气，再进入各个气缸进行燃烧做功，使得进气总管始终存在混合气，一旦出现火源，存在发生爆炸的危险；同时，由于总管进气会出现各缸进气不均匀性，使得此类发动机无法精确控制各缸的空燃比。歧管进气式天然气发动机通常在进气歧管根部或者气缸盖的进气道上安装燃气喷射阀，天然气能够定时定量地喷入与各个气缸相连接的进气歧管或进气道内，可以实现空燃比的单缸控制。

稀薄燃烧技术是提高发动机动力性、经济性和排放性能的有效措施，采用稀薄燃烧方式，通过加大空气量，有效降低排气温度并减少爆震的危险，并通过增压技术等方式可以有效的提高发动机的效率。但是，传统的稀薄燃烧方式存在以下问题：对于总管进气式或歧管进气式天然气发动机，天然气和空气的混合气进入气缸，在气缸内进一步混合后仍然存在非均匀混合气，存在混合气过稀的情况，这会影响火花塞点火的稳定性。为了提高点火的稳定性，通常采用分层燃烧的方式，通过将气缸内混合气浓度由浓到稀自然分层，使得火花塞周围聚集浓混合气，燃烧室其它大部分区域形成稀薄混合气，保证发动机在任何工况下点火的稳定性，着火后引燃燃烧室内稀薄混合气。这种分层燃烧方式往往要求在燃烧室整个范围内形成大范围且高分层度的混合气，使得在发动机转速较低或负荷较大的情况下，浓区混合气得不到充足的氧气，造成燃烧不完全，CO排放量增加，而且火花塞附近混合气过浓会出现失火的现象。此外，稀薄混合气的浓度低于混合气的平均浓度，会引起未燃HC的排放量增加。

发明内容

本发明的目的在于提供可以实现发动机在不同负荷工况时燃气流量和空燃比灵活并精确控制的一种天然气发动机燃烧系统及控制方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明一种天然气发动机燃烧系统，其特征是：包括发动机、储气罐，所述发动机包括气缸盖、气缸、活塞，气缸盖、气缸以及活塞之间形成浴盆型燃烧室，气缸盖里设置进气道、排气道、火花塞、高压燃气喷射阀，进气道里安装进气阀，排气道里安装排气阀，储气罐通过气体加压装置连接第一气轨，储气罐通过调压器连接第二气轨，第一气轨连接高压燃气喷射阀，第二气轨连接喷气阀组，喷气阀组的出气通道的出口位于进气道里。

本发明一种天然气发动机燃烧系统还可以包括：

1、喷气阀组包括至少两个喷气阀，喷气阀均安装在阀块上，且共用一个出气通道。

2、高压燃气喷射阀倾斜安装在气缸盖上，火花塞安装在气缸盖中央。

本发明的优势在于：本发明能够根据发动机不同负荷工况灵活调节燃气流量供给，可以实现空燃比的单缸精确控制，有利于提高发动机热效率，降低排放。特别地在稀燃燃烧方式时，通过控制喷气阀组的喷射级数、喷射定时和喷射脉宽以及高压燃气喷射阀喷射定时和喷射脉宽，能够实现缸内可燃混合气浓度分层，提高点火的稳定性，扩展稀燃天然气发动机的潜力，提高天然气发动机动力性、经济性和排放性能。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的喷气阀组装置正视剖面图；

图3为本发明的喷气阀组装置仰视图；

图4为本发明的喷气阀组每级喷气阀喷射流量特性曲线示意图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1-4，本发明一种带有多点多级与缸内直喷双燃气喷射的天然气发动机燃烧系统，包括储气罐1、滤清器2、调压器3、气体加压装置4、气轨5、喷气阀组6、气缸盖7、气缸8、进气道9、进气阀10、排气道11、排气阀12、火花塞13、高压燃气喷射阀14、浴盆形燃烧室15、控制系统16等。发动机包括两套燃气供给系统，即多点多级低压燃气喷射系统和缸内高压燃气喷射系统。多点多级低压燃气喷射系统由储气罐1、滤清器2、调压器3、气轨5、喷气阀组6构成。喷气阀组6具有多个喷气阀，多个喷气阀安装在同一个阀块上且共用一个出气通道，喷气阀组6出气通道的出口安装在每个气缸的进气歧管上，实现对每个气缸的独立供气，天然气依次通过储气罐1、滤清器2、调压器3、气轨5和喷气阀组6供给到各个气缸内，实现多点多级低压燃气供给。缸内高压燃气喷射系统是由储气罐1、过滤器2、气体加压装置4、气轨5和高压燃气喷射阀14等构成，高压燃气喷射阀14倾斜安装在气缸盖上，用于在进气门关闭后接近点火时刻向缸内高压喷射天然气。火花塞13安装在气缸盖中央，有利于点火能量向四周均匀传播。活塞顶面设有一浴盆形燃烧室15，天然气和空气在浴盆形燃烧室15内容易混合成较均匀的可燃混合气。喷气阀组6、进气阀10、排气阀12、火花塞13、高压燃气喷射阀14和各种传感器分别与控制系统16连接，电子控制方式实现发动机空燃比和点火定时、喷气定时的精确控制。

如图2、3所示，为本发明的喷气阀组装置结构示意图，喷气阀组6具有多个喷气阀，多个喷气阀安装在同一个阀块上且共用一个出气通道，喷气阀组6出气通道的出口安装在每个气缸的进气歧管上，喷气阀组6内多个喷气阀分别与控制系统16相连，可以依照控制系统16指令定时定量向各缸进气歧管喷射天然气。如图4所示，为本发明喷气阀组每级喷气阀喷射流量特性曲线示意图。每级喷气阀的结构参数和流量特性可以相同也可以不同。最小流量喷气阀独立工作时可以满足发动机最小流量燃气供给与喷射控制精度要求，多级喷气阀同时工作满足发动机全负荷工作时的最大流量燃气供给与喷射控制要求。在发动机进气冲程时，可以控制喷气阀组8分级工作，首先控制单级喷气阀工作，再控制多级喷气阀同时工作，或者控制喷气阀组逐级工作，可以首先控制单级喷气阀工作，再控制其它单级喷气阀逐级工作，形成不同的燃气喷射规律，实现不同燃烧策略的燃气量精确控制，通过电子控制方式实现燃气多级喷射。多级喷气阀可以在单位时间内喷射更多的燃气量，可以在较短的时间达到设定当量比混合气，有利于混合气快速均匀混合，此外，燃气高效喷射缩短了喷气脉宽，通过调整喷气脉宽和配气相位，可以将喷气持续期避开气阀重叠角，从而避免燃气在气阀重叠角开启期间随空气直接被扫出，提高发动机经济性。

多点多级低压燃气喷射系统和缸内高压燃气喷射系统可以独立工作，低压供气模式下和高压供气模式下均能保证天然气发动机的可靠运行，实现燃气喷射系统的冗余。同时，多点多级低压燃气喷射系统和缸内高压燃气喷射系统可以实现协同供气，当发动机处于进气冲程时，根据发动机的不同负荷，通过控制喷气阀组6内喷气阀逐级或分级工作，调整燃气供给量，可以实现空燃比的精确控制。空气与天然气在进气道9内预混合，在活塞泵吸作用下进入气缸，混合气在气缸8内进一步混合形成较稀薄的均匀可燃混合气。当发动机处于压缩冲程时，控制高压燃气喷射阀14向气缸内喷入一定量的燃气，燃气喷射定时和喷射脉宽由控制系统根据发动机负荷和转速进行控制，燃气喷射结束时刻与火花塞13点火时刻接近，能够实现火花塞13周围存在适宜浓度的可燃混合气，保证点火的稳定性以及实现快速燃烧。在发动机排气阶段，控制喷气阀组6燃气喷射时间避开气阀重叠角，避免燃气在气阀重叠角开启期间随空气扫出。通过优化火花塞13点火定时、高低压燃气喷射定时和喷射脉宽实现发动机高效燃烧，提高发动机动力性、经济性和排放性能。

当发动机处于低负荷时，在进气冲程，控制喷气阀组6内单个喷气阀工作，调整喷射脉宽，使得燃气流量满足当前发动机负荷要求。天然气和空气在进气道9内实现预混合，在活塞下行过程中，混合气在气缸8内进一步混合形成较稀薄的均匀可燃混合气。在发动机压缩冲程，当活塞接近上止点时，控制高压燃气喷射阀14向气缸8内喷入少量的燃气，燃气喷射量能够满足实现稳定点火以及燃烧后的能量可以引燃气缸内的稀薄混合气即可。通过优化火花塞13点火定时、高低压燃气喷射定时和喷射脉宽实现发动机高效燃烧。当发动机由低负荷向高负荷转换时，首先控制喷气阀组6内单个喷气阀工作，再逐次控制多个喷气阀工作，调整每一级喷气阀的喷射定时和喷射脉宽，使得燃气流量满足当前发动机负荷要求。空气与天然气经进气道9进入气缸内形成较稀薄的均匀混合气。当活塞运动到接近压缩上止点时，控制高压燃气喷射阀14向气缸内高压喷入一定量的天然气，燃气喷射量能够满足实现稳定点火以及燃烧后的能量可以引燃气缸内的稀薄混合气即可。火花塞13跳火，点燃周围较浓的可燃混合气，再引燃气缸其他位置的稀薄混合气，实现混合气分层燃烧做功。

Claims (4)

1.一种天然气发动机燃烧系统，其特征是：包括发动机、储气罐，所述发动机包括气缸盖、气缸、活塞，气缸盖、气缸以及活塞之间形成浴盆型燃烧室，气缸盖里设置进气道、排气道、火花塞、高压燃气喷射阀，进气道里安装进气阀，排气道里安装排气阀，储气罐通过气体加压装置连接第一气轨，储气罐通过调压器连接第二气轨，第一气轨连接高压燃气喷射阀，第二气轨连接喷气阀组，喷气阀组的出气通道的出口位于进气道里。

2.根据权利要求1所述的一种天然气发动机燃烧系统，其特征是：喷气阀组包括至少两个喷气阀，喷气阀均安装在阀块上，且共用一个出气通道。

3.根据权利要求1或2所述的一种天然气发动机燃烧系统，其特征是：高压燃气喷射阀倾斜安装在气缸盖上，火花塞安装在气缸盖中央。

4.一种天然气发动机燃烧控制方法，其特征是：当发动机处于低负荷时，在进气冲程，控制喷气阀组内单个喷气阀工作，通过调整喷射脉宽，使燃气流量满足当前发动机负荷要求；天然气和空气在进气道内实现预混合，在活塞下行过程中，混合气在气缸内进一步混合形成稀薄均匀可燃混合气；在发动机压缩冲程，当活塞在上止点之前时，控制高压燃气喷射阀向气缸内喷入燃气，控制燃气喷射量能够满足实现稳定点火以及燃烧后的能量可以引燃气缸内的稀薄混合气；当发动机由低负荷向高负荷转换时，首先控制喷气阀组内单个喷气阀工作，再逐次控制两个或两个以上的喷气阀工作，通过调整每一级喷气阀的喷射定时和喷射脉宽，使得燃气流量满足当前发动机负荷要求；当活塞运动到压缩上止点之前时，控制高压燃气喷射阀向气缸内高压喷入天然气，控制燃气喷射量能够满足实现稳定点火以及燃烧后的能量可以引燃气缸内的稀薄混合气；火花塞跳火，点燃周围相对于其他位置的浓度更为较浓的可燃混合气，再引燃气缸其他位置的稀薄混合气，实现混合气分层燃烧做功。