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CN112196676A - 一种微喷引燃双燃料发动机主柴油和天然气耦合多次喷射的燃烧系统 - Google Patents

一种微喷引燃双燃料发动机主柴油和天然气耦合多次喷射的燃烧系统 Download PDF

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CN112196676A CN202011038072.7A CN202011038072A CN112196676A CN 112196676 A CN112196676 A CN 112196676A CN 202011038072 A CN202011038072 A CN 202011038072A CN 112196676 A CN112196676 A CN 112196676A
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张博
王成
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Beijing Xiahui Qingneng Technology Co ltd
Beijing CATARC Sclence and Technology Center Co Ltd
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Abstract

本发明提供了一种微喷引燃双燃料发动机主柴油和天然气耦合多次喷射的燃烧系统。所述的微喷引燃双燃料发动机燃烧系统主要由主喷油器、副喷油器、高压天然气喷射阀、进气管、进气阀、排气管、排气阀、气缸盖、燃烧室、气缸壁、活塞等组成。其中，主喷油器、副喷油器和高压燃气喷射阀均采用缸内直喷方式，燃烧室采用开式燃烧室；发动机在燃油模式工作时利用多次喷射策略实现发动机高效率和低排放；燃气模式下微喷柴油采用单次喷射方式，利用柴油作为点火源；采用缸内直喷方式向缸内喷射天然气，通过燃气多次喷射方式实现缸内混合气浓度梯度控制；利用主燃油和天然气耦合多次喷射方法实现燃油模式和燃气模式下发动机全工况范围的高效低排放运行。

Description

一种微喷引燃双燃料发动机主柴油和天然气耦合多次喷射的 燃烧系统
技术领域
本发明属于内燃机装置与燃烧领域，具体涉及一种微喷引燃双燃料发动机主柴油和天然气耦合多次喷射的燃烧系统。
背景技术
相比传统柴油发动机，双燃料发动机可实现多种燃烧模式，能够实现模式之间的灵活切换，其效率和传统柴油机相当，且能够同时大幅降低PM和NOx排放，是实现交通领域能源结构优化调整和节能减排的重要技术途径。但在双燃料发动机应用中也还存在一些技术问题，如：在低负荷失火、高爆震、以及HC和CO排放过高等都需要解决。
燃烧是实现发动机高效率和低排放的核心和关键，通过组织合理的燃烧方法，调整双燃料发动机在燃烧过程中的燃烧策略，可以在提高双燃料发动机的动力性同时也可以降低污染物排放。
结合天然气/柴油两种燃料的优势，在低负荷时使用柴油作为燃料，中高负荷时用微量柴油引燃天然气，并且合理组织两种燃料的喷射量、喷射次数、喷射正时，可以进一步优化燃烧组织方法，解决双燃料发动机经济性、动力性和排放的问题。。
发明内容
面对日益严苛的燃油消耗和排放法规限制，针对双燃料发动机低负荷低转速时失火、高转速高负荷时爆震、以及HC和CO排放过高等问题，本发明提供一种微喷引燃双燃料发动机主柴油和天然气耦合多次喷射的燃烧系统。
本发明采用了如下技术方案：
一种微喷引燃双燃料发动机主柴油和天然气耦合多次喷射的燃烧系统，所涉及的双燃料发动机燃烧系统主要包括主喷油器(1)、副喷油器(2)、高压天然气喷射阀(3)、进气管(4)、进气阀(5)、排气管(6)、排气阀(7)、缸内（8）燃烧室（9）、气缸壁（10）、活塞（11）等组成。其特征是:主喷油器（1）、副喷油器(2)和高压天然气喷射阀(3)均安装在发动机缸盖上，同时实现燃油和天然气的缸内高压直喷，主喷油器（1）竖直安装在缸盖上，靠近位于活塞头部偏斜ω燃烧室中心的凸起部分，副喷油器(2)倾斜布置且中心线与主喷油器（1）的中心线空间交叉，副喷油器(2)安装孔的入口位于进气道一侧，高压天然气喷射阀(3)倾斜安装在缸盖上且与气缸中心线之间的夹角大于副喷油器(2)与气缸中心线之间夹角，高压天然气喷射阀(3)靠近进气道安装，能够促进高压燃气射流与高速进气射流与滚流运动的交互作用，所述的一种微喷引燃双燃料发动机主柴油和天然气耦合多次喷射的燃烧方法，其特征是：利用主燃油和天然气耦合多次喷射，发动机可实现燃油模式和燃气模式下高效率和低排放，特别是在过度工况下，主柴油和天然气进行耦合多次喷射满足排放法规要求。
主喷油器(1)通过高压油管与燃油系统的共轨管相连接，通过柴油高压多次喷射改善燃油与空气的混合，从而实现发动机高效率和低PM排放。
匹配副喷油器的流量远小于主喷油的流量，其最大流量为柴油模式下全负荷柴油流量的5%以下。在柴油模式下，特别是在起动和怠速等低负荷工况下只有副喷油器(2)工作，而主喷油器停止工作，确保小油量的精确控制。
高压天然气喷射阀(3)具有单孔结构，确保燃气流量，同时使高压燃气射流具有较大的贯穿距，促进燃气射流与高压天然气喷射阀(3)出口远端空气的混合。
主柴油和天然气均采用缸内直喷的工作方式，且均采用高压多次喷射方式，喷射次数根据负荷变化而灵活控制。
本发明的有益效果是：依据发动机的不同运行工况，采取不同的燃烧组织方法。通过调节高压燃气喷射阀的喷射正时、喷射次数、喷射量，控制缸内天然气与空气混合气的浓度梯度，实现高效燃烧；通过调节主副喷油器的喷射正时、喷射次数以及多次喷射的喷射比例，使得双燃料发动机在不同工况时缸内燃油分布都能处于较为合理的状态，从而实现发动机的稳定、高效率、低排放燃烧。
附图说明
图1为微喷引燃双燃料发动机燃烧系统结构图。图中：1—主喷油器、2—副喷油器、3—高压天然气喷射阀、4—进气管、5—进气阀、6—排气管、7—排气阀、8—气缸盖、9—燃烧室、10—气缸壁、11—活塞。
图2为低负荷下的混合气浓度分布图。
图3为中低负荷下的混合气浓度分布图。
图4为低中负荷下的天然气喷射策略。
图5为中等负荷下的混合气浓度分布图。
图6为中等负荷下的天然气喷射策略。
图7为中高负荷下的混合气浓度分布图。
图8为中高负荷下的天然气喷射策略。
图9为全负荷工况下负荷下混合气浓度分布图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
图1为给出了微喷引燃双燃料发动机燃烧系统结构图。本发明涉及的双燃料发动机燃烧系统主要由主喷油器（1）、副喷油器（2）、高压天然气喷射阀（3）、进气管（4）、进气阀（5）、排气管（6）、排气阀（7）、气缸盖（8）、燃烧室（9）、气缸壁（10）、活塞（11）等组成。主喷油器（1）通过高压油管和高压共轨管以及油泵等供油系统设备相连接，主喷油器（1）竖直安装在缸盖上，靠近位于活塞头部偏斜ω燃烧室中心的凸起部分，主要负责柴油模式下燃油的供给，通过高压共轨多次喷射技术实现发动机在柴油模式下高效率和低排放；副喷油器(2)通过高压油管与高压共轨燃油供给系统连接，副喷油器(2)安装孔的入口位于进气道一侧，副喷油器(2)倾斜布置且中心线与主喷油器（1）的中心线空间交叉，通过优化不同负荷下的喷油压力实现小油量的精确控制，该发明采用单次喷射微喷引燃技术，通过控制副喷油器(2)的喷油正时来控制双燃料发动机的燃烧始点；高压天然气喷射阀(3)与高压燃气管路、高压泵和燃气储存装置相连接，高压天然气喷射阀(3)倾斜安装在缸盖上且与气缸中心线之间的夹角大于副喷油器(2)与气缸中心线之间夹角，高压天然气喷射阀(3)靠近进气道安装，能够促进高压燃气射流与高速进气射流与滚流运动的交互作用，并通过控制天然气喷射的次数、流量和正时实现缸内混合气不同程度的分层。图1给出的双燃料发动机为四冲程发动机，每循环分别包含进气行程、压缩行程、燃烧行程及排气行程。
图2-图9给出了基于图1中微喷引燃双燃料发动机燃烧系统结构的燃烧组织方法。图2给出的是在发动机低负荷工况下缸内混合气浓度分布图，在低负荷工况下，发动机缸内压力和温度较低，为了确保天然气的可靠着火和快速燃烧，本专利采用高压燃气单次喷射策略，在靠近副喷油器（2）出口附近形成局部弄混合气；图3给出了中低负荷下缸内混合气浓度分布，图4给出了中低负荷下燃气喷射策略图，随着负荷的增加，缸内的压力和温度增加，如果缸内混合气局部过浓则会导致NOx和PM排放的同时增加，因此本专利采用高压燃气二次喷射策略，且第一次喷射量小于第二次主喷射的量，在缸内形成自副喷油器（2）出口向外逐渐变稀的混合气浓度分层，确保发动机高效率以及PM和NOx的同时降低；图5给出了中高负荷下缸内混合气浓度分布，图6给出了中高负荷下的天然气喷射策略，随着负荷进一步增加缸内混合气浓度分布梯度需进一步降低，本专利采用了两次燃气喷射策略，增加第一次天然气喷射脉宽，减少第二次天然气喷射脉宽，但第二次喷射脉宽的宽度仍大于第一次喷射脉宽的宽度；图7给出了高负荷下缸内混合气浓度分布，图8给出了高负荷下天然气喷射策略，随着负荷的增加，天然气总需求量增加，喷气脉宽增加，两次喷射之间的间隔缩短，本专利采用二次等量喷射策略，进一步促进天然气与空气的混合，改善燃烧过程；图9给出了全负荷工况下缸内混合气浓度分布图，在全负荷下天然气脉宽已经达到最大，本专利采用天然气单次喷射控制策略，并且为了增加天然气与空气的混合时间，在进气门刚刚关闭后即开始喷射天然气，从而实现混合气浓度的小梯度分布。

Claims (8)

1.一种微喷引燃双燃料发动机主柴油和天然气耦合多次喷射的燃烧系统，所述的燃烧系统主要包括主喷油器(1)、副喷油器(2)、高压天然气喷射阀(3)、进气管(4)、进气阀(5)、排气管(6)、排气阀(7)、缸内（8）燃烧室（9）、气缸壁（10）、活塞（11）等，其特征是:主喷油器（1）、副喷油器(2)和高压天然气喷射阀(3)均安装在发动机缸盖上，主喷油器（1）竖直安装在缸盖上，靠近位于活塞头部偏斜ω燃烧室中心的凸起部分，副喷油器(2)倾斜布置且中心线与主喷油器（1）的中心线空间交叉，副喷油器(2)安装孔的入口位于进气道一侧，高压天然气喷射阀(3)倾斜安装在缸盖上且与气缸中心线之间的夹角大于副喷油器(2)与气缸中心线之间夹角，高压天然气喷射阀(3)靠近进气道安装。
2.根据权利要求1所述的一种微喷引燃双燃料发动机主柴油和天然气耦合多次喷射的燃烧系统，其特征在于：主喷油器(1) 竖直安装在缸盖上，靠近位于活塞头部偏斜ω燃烧室中心的凸起部分。
3.根据权利要求1所述的微喷引燃双燃料发动机主柴油和天然气耦合多次喷射的燃烧系统，其特征在于：副喷油器(2)倾斜布置且中心线与主喷油器（1）的中心线空间交叉，副喷油器(2)安装孔的入口位于进气道一侧。
4.根据权利要求1所述的微喷引燃双燃料发动机主柴油和天然气耦合多次喷射的燃烧系统，其特征在于：高压天然气喷射阀(3)倾斜安装在缸盖上且与气缸中心线之间的夹角大于副喷油器(2)与气缸中心线之间夹角，高压天然气喷射阀(3)靠近进气道安装。
5.根据权利要求1~4所述的微喷引燃双燃料发动机主柴油和天然气耦合多次喷射的燃烧系统，其特征在于，主喷油器(1)通过高压油管与燃油系统的共轨管相连接。
6.根据权利要求1~4所述的一种微喷引燃双燃料发动机主柴油和天然气耦合多次喷射的燃烧系统，其特征在于，所述的高压天然气喷射阀具有单孔。
7.根据权要求1~4所述的一种微喷引燃双燃料发动机主柴油和天然气耦合多次喷射的燃烧系统，其特征在于，副喷油器(2)的流量远小于主喷油的流量（5%以下），在柴油模式下，特别是在起动和怠速等低负荷工况下只有副喷油器(2)工作，而主喷油器停止工作，确保小油量的精确控制。
8.根据权利要求1~4所述的一种微喷引燃双燃料发动机主柴油和天然气耦合多次喷射的燃烧系统，其特征在于：主柴油和天然气均采用缸内直喷的工作方式，且均采用高压多次喷射方式，喷射次数根据负荷变化而灵活控制，发动机可实现燃油模式和燃气模式下高效率和低排放，特别是在过度工况下，主柴油和天然气进行耦合多次喷射，满足瞬态工况和排放法规要求。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN112879148A (zh) * 2021-01-25 2021-06-01 华中科技大学 一种适用于高功率密度柴油机的非对称燃烧室系统
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CN116085123A (zh) * 2023-02-09 2023-05-09 哈尔滨工程大学 一种基于高低温egr活性重整的柴油、氨双燃料发动机燃烧系统及燃烧方法

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