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CN114622982B - 基于压差驱动的内燃机缸内气体自循环系统装置 - Google Patents

基于压差驱动的内燃机缸内气体自循环系统装置 Download PDF

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CN114622982B CN202210275809.XA CN202210275809A CN114622982B CN 114622982 B CN114622982 B CN 114622982B CN 202210275809 A CN202210275809 A CN 202210275809A CN 114622982 B CN114622982 B CN 114622982B
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Abstract

本发明公开了一种基于压差驱动的内燃机缸内气体自循环系统装置，整体装置由自循环进、排气系统以及储气系统组成。缸体上的进气控制阀、稳压罐、以及缸体上的排气控制阀等顺序连接组成内燃机缸体气体自循环子系统，两个相邻的子系统通过进气管连通。进排气管路的位置可在气缸中活塞上、下止点间任意一处，气体自循环进排气阀可共用同一阀门；也可采用不同阀门，气体自循环进排气管路双层布置气缸同侧。参与燃烧的气体自身携带的动能会显著提升缸内涡流比，促进油气混合并加快了燃烧速率。本发明通过不同气缸间的自循环流通，改善了缸内涡流提升受限于扫气效率的问题，在不需额外耗功的基础上，能够提高发动机功率，同时降低燃油的消耗。

Description

基于压差驱动的内燃机缸内气体自循环系统装置
技术领域
本发明属于内燃机结构技术，具体涉及一种利用缸内气体自循环实现内燃机高效燃烧的装置。
背景技术
船用低速机是远洋船舶的核心设备，以其大缸径、低转速、长冲程、高增压的特点，成为远洋运输领域的主要动力源。进入21世纪以来，面对船舶运输贸易逐年上升所带来的能源短缺及“双碳”目标的严峻挑战，发展船用低速机高效燃烧技术，实现热效率提升、油耗降低已经成为远洋运输的关键。以一艘一万箱级别的集装箱船为例，油耗每升高1g/kW·h意味着每年需要多花费150万元人民币的燃油费用，所以降低油耗对船用发动机经济性的提升非常重要。发动机缸内涡流可明显改善缸内油气混合效果，加快燃烧速率，对于提升热效率、降低油耗具有显著的作用。基于船用低速机燃烧空间较大的特点，其缸内涡流存在较大提升潜力，而直流扫气的形式使缸内涡流的显著提升受限于扫气效率。针对该问题，本发明开发一种通过缸内气体自循环(CGR)实现高涡流条件下高效燃烧的装置，在不需额外耗功的基础上，能够明显提高发动机功率，同时降低燃油的消耗。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于压差驱动的内燃机缸内气体自循环系统装置，可以实现高效燃烧、大幅度改善气缸内油气混合与燃烧性能。
基于压差驱动的内燃机缸内气体自循环系统装置包括：内燃机缸体、气缸、CGR进气阀门、CGR排气阀门、CGR进气控制阀、CGR排气控制阀、CGR稳压罐、排气集管、涡轮机、压气机、扫气集管、电热塞、压力传感器、以及出气阀等。CGR(Cylinder Gas Recirculation)中文释义---缸内气体自循环。
装置中部件组成的技术方案是：气体自循环整体装置由CGR通路和CGR储气系统两部分构成。内燃机缸体上的CGR进气阀门、CGR进气控制阀、CGR稳压罐、CGR排气控制阀、以及内燃机缸体上的CGR排气阀门顺序连接组成内燃机缸体气体自循环子系统。其中CGR进气控制阀与CGR稳压罐相通作为CGR通路中的进气通路；CGR稳压罐与CGR排气控制阀相通作为CGR通路中的排气通路，两个相邻的内燃机缸体气体自循环子系统通过内燃机CGR进气管连通。四缸结构的内燃机由四个气体自循环子系统两两连接组成；六缸结构的内燃机由六个气体自循环子系统两两连接组成，以此类推。稳压罐设有电热塞、压力传感器、以及出气阀，构成CGR储气系统。内燃机缸体燃烧产生的废气通过排气集管接入涡轮机最终排入大气；新鲜空气首先进入压气机，经冷凝器降温后进入扫气集管然后送至内燃机气缸。
以结构相对简单的单缸二冲程发动机来说明本发明以及CGR的原理。众所周知，内燃机内(曲轴导致)活塞的位移及缸内工质燃烧使气缸内的压力发生变化，并且这种压力随曲轴转角而呈现周期性的变化。本发明的原理是(如图1所示)，通过一个稳压罐B(稳压罐压力值处于气缸A内高压与低压气体之间)，通过CGR进气阀门D和排气阀门C的开启与关闭，实现气缸内高压气体与稳压罐气体之间的流动和稳压罐气体与气缸内低压气体之间的流动。这样可以大幅度提升气缸内的涡流比，实现内燃机高效清洁燃烧。气缸内气体自循环主要依赖于气缸内进气与排气两个阶段过程。气体自循环整体装置中所述的进气与排气均是对稳压罐而言。
在CGR排气阶段：在排气门E关闭后气缸内压力仍然较低，由于稳压罐B的压力高于此时气缸A内的压力，CGR进气阀门D关闭，通过CGR排气阀门C开启可以实现稳压罐内气体向气缸内进行流动。由于缸内气体压力与稳压罐压力之比等于或小于临界值(0.528)，所以稳压罐内气体将会以当地声速沿气缸壁面进入气缸。自循环气体在气缸壁面的导向作用下进入气缸，有效的增大了缸内涡流比。由于气体流速较高，较小的CGR进气量即可实现缸内气体角动量的大幅度提升。
排气阀门处的管道可以设计成变截面喷管(专业上称为拉瓦尔喷管或渐缩渐扩型喷管)如图2，用以实现稳压罐内的气体以超声速沿气缸壁面进入气缸，进一步提升气缸内的涡流比。或者将排气阀门处的管道设计成等截面管道结构，此时稳压罐内的气体以当地声速沿气缸壁面进入气缸。
在CGR进气阶段：如图3所示，在气缸A压缩接近末期阶段，缸内压力相对较高，且高于稳压罐B的压力，CGR排气阀门C关闭。通过CGR进气阀门D开启，缸内气体向稳压罐内进行流动，当稳压罐内气体在进气阶段流出的气体质量与排气阶段流入(稳压罐)质量保持恒定时，CGR进气阀门D关闭。由此，缸内气体自循环系统通过进气及排气两个阶段实现了缸内气体之间(包括稳压罐)的气体循环。
此外，缸内气体自循环系统进气阶段，进入稳压罐的气体除了接近压缩末期缸内高压气体以外，还可利用发动机燃烧做功阶段缸内高温高压气体。根据排气时刻的不同，缸内气体自循环的排气具备两个技术方案：
技术方案一、内燃机压缩阶段缸内气体向稳压罐排气。
技术方案二、内燃机燃烧膨胀阶段缸内气体向稳压罐排气。由于燃烧膨胀阶段气体温度较高，在缸内自循环进气阶段，稳压罐内高温气体一方面能提升缸内涡流比；另一方面在不影响扫气效率的前提下能大幅度提升缸内温度，满足HCCI、PCCI等新型燃烧模式的需求。传统方法通常采用进气加热提高缸内工质温度，但是会大幅度降低扫气效率。
本发明的特点以及产生的有益效果在于：1)压缩阶段/燃烧膨胀阶段的缸内高温高压气体通过CGR进气通路进入自循环稳压罐，后经过CGR排气通路进入气缸，在气缸壁面的引导下，其自身携带的动能会显著提升缸内涡流比，促进油气混合并加快了燃烧速率。2)对于多缸内燃机，各缸可共用同一稳压罐，实现不同气缸间气体的自循环。3)不需要对内燃机缸体结构进行大幅度的改动；通过不同气缸内气体的自循环，显著增大了缸内涡流，促进了油气混合，改善了燃烧效果。
附图说明
图1内燃机缸内气体自循环系统排气阶段示意。
图2排气阀门处管道局部放大图。
图3缸内气体自循环系统进气阶段示意。
图4四缸内燃机缸内气体自循环系统装置结构系统图。
图5四缸内燃机压缩阶段排气缸内气体自循环工作过程示意图。
图6四缸内燃机燃烧阶段排气缸内气体自循环工作过程示意图。
图7内燃机缸内气体自循环进排气管路单层布置的结构及安装位置示意图。
图8进排气共用同一阀门，气体自循环进排气管路单层布置，数量为1个的示意图。
图9内燃机缸内气体自循环进排气管路双层布置的结构及安装位置示意图。
图10进排气使用不同阀门，气体自循环进排气管路双层布置气缸同侧，数量为2个的示意图，上部是排气阀门；下部是进气阀门。
具体实施方式
以下结合附图并通过具体实施例对本发明的系统组成以及结构装置作进一步的说明。所述实施例是叙述性的，目的在于清楚地解释本发明的构思，并不构成对本发明技术特征的限定。
基于压差驱动的内燃机缸内气体自循环系统装置(如图4)，其系统组成以及结构是：气体自循环整体装置由CGR通路2和CGR储气系统5两部分构成。内燃机缸体3上的CGR进气阀门2-2、CGR进气控制阀2-4、CGR稳压罐5-4、CGR排气控制阀2-3、以及内燃机缸体上的CGR排气阀门2-1顺序连接组成内燃机缸体气体自循环子系统。其中CGR进气控制阀与CGR稳压罐相通作为CGR通路中的进气通路；CGR稳压罐与CGR排气控制阀相通作为CGR通路中的排气通路，两个相邻的内燃机缸体气体自循环子系统通过内燃机CGR进气管连通。稳压罐设有电热塞5-1、压力传感器5-2、以及出气阀5-3构成CGR储气系统5。内燃机缸体燃烧产生的废气通过排气集管1接入涡轮机4-1最终排入大气；新鲜空气首先进入压气机4-2，经冷凝器4-3降温后进入扫气集管4-4，扫气集管出口接至内燃机缸体中的扫气口3-1，由此将新鲜空气送至内燃机气缸。
四缸结构的内燃机由四个气体自循环子系统两两连接组成；六缸结构的内燃机由六个气体自循环子系统两两连接组成，以此类推。
以下作为本发明的重要技术特征：
CGR的进气从内燃机缸体内的压缩阶段引出；或者从内燃机缸体内的燃烧阶段引出。根据CGR进气时刻不同，可以划分为压缩阶段进气缸内自循环与燃烧阶段进气缸内自循环两种进气通路(详细说明附后)。
CGR排气阀门处的管道设计成拉瓦尔喷管结构，这样管道出口(与阀门进口衔接处)流体的速度就可达到超声速(空气的临界压力比小于0.528)，即CGR稳压罐内的气体以超声速沿气缸壁面进入气缸。也可以将排气阀门处的管道设计成等截面管道结构，此时要维持气缸内气体的压力与稳压罐内压力的比值等于0.528，CGR稳压罐内的气体就能以当地声速沿气缸壁面进入气缸。
CGR进、排气阀的位置选择在内燃机气缸中活塞上止点与下止点之间，缸体气体自循环共用同一阀门和管路实现CGR进、排气循环。或者采用CGR进气阀门及管路和CGR排气阀门及管路，分别实现CGR进气和排气循环。
CGR进、排气管路角度在40°至60°的范围内选取，如图3中F-F剖面图α的角度(或者是图8、图10中的α)，再循环气体在气缸壁面的导向作用下进入气缸，有效的增大了缸内涡流比。
作为对本发明技术特征的完善：
CGR稳压罐内部及外部喷涂绝热材料，防止罐体向环境进行壁面传热。
电热塞用于对CGR稳压罐内气体加热，对罐内的气体温度进行调整。电热塞主要是对稳压罐进行温度补偿，配合压力传感器调整自循环稳压罐内压力，协同进排气阀门精确控制自循环时刻与质量。
CGR稳压罐内的气体通过出气阀排出，用于调节CGR稳压罐内的压力。
排气集管出口接至涡轮机的进口，涡轮机与压气机同轴连接，压气机出口接至冷凝器，冷凝器与扫气集管相接，扫气集管出口接至内燃机中的扫气口，涡轮机的后端废气排入大气。来自扫气集管的新鲜空气从气缸下部扫气口进入。
自循环气体根据CGR进气时刻不同，分为两种进气通路：压缩阶段进入气缸和燃烧阶段进入气缸。均以四缸结构内燃机为例。
压缩阶段进气(气缸点火顺序为1-3-4-2)工作过程(如图5)：
1缸燃烧时，2缸处于燃烧末期，3缸处于压缩末期，4缸处于压缩前期。此时气体由3缸通过CGR进气通路引出，随后进入CGR稳压罐，为后续自循环提供进气来源。罐内气体通过CGR排气通路经由排气管路直接进入4缸，以增大4缸的涡流比，参与后续油气混合及燃烧过程。
3缸燃烧时，1缸处于燃烧末期，2缸处于压缩前期，4缸处于压缩末期。此时气体由4缸通过CGR进气通路引出，随后进入CGR稳压罐，为后续自循环提供进气来源。罐内气体通过CGR排气通路经由排气管路直接进入2缸，参与后续油气混合及燃烧过程。
4缸燃烧时，1缸处于压缩前期，2缸处压缩末期，3缸处于燃烧末期。此时气体由2缸通过CGR进气通路引出，随后进入CGR稳压罐，为后续自循环提供进气来源。罐内气体通过CGR排气通路经由排气管路进入1缸，参与后续油气混合及燃烧过程。
2缸燃烧时，1缸处于压缩末期，3缸处于压缩前期，4缸处于燃烧末期。此时气体由1缸通过CGR进气通路引出，随后进入CGR稳压罐，为后续自循环提供进气来源。罐内气体通过CGR排气通路经由排气管路进入3缸，参与后续油气混合及燃烧过程。
燃烧阶段进气(气缸点火顺序为1-3-4-2)工作过程(如图6)。
1缸燃烧时，2缸处于燃烧末期，3缸处于压缩末期，4缸处于压缩前期。此时气体由1缸或2缸通过CGR进气通路引出，随后进入CGR稳压罐，为后续自循环提供进气来源。罐内气体通过CGR排气通路进入4缸，参与后续油气混合及燃烧过程。
3缸燃烧时，1缸处于燃烧末期，2缸处于压缩前期，4缸处于压缩末期。此时气体由3缸或1缸通过CGR进气通路引出，随后进入CGR稳压罐，为后续自循环提供进气来源。罐内气体通过CGR排气通路经进入2缸，参与后续油气混合及燃烧过程。
4缸燃烧时，1缸处于压缩前期，2缸处于压缩末期，3缸处于燃烧末期。此时气体由4缸或3缸通过CGR进气通路引出，随后进入CGR稳压罐，为后续自循环提供进气来源。罐内气体通过CGR排气通路进入1缸，参与后续油气混合及燃烧过程。
2缸燃烧时，1缸处于压缩末期，3缸处于压缩前期，4缸处于燃烧末期。此时气体由2缸或4缸通过CGR进气通路引出，随后进入CGR稳压罐，为后续自循环提供进气来源。罐内气体通过CGR排气通路进入3缸，参与后续油气混合及燃烧过程。
前述CGR进、排气管路位置可选择在内燃机气缸中活塞上止点与下止点之间，可采用进气管路和排气管路分别实现CGR进气阶段及CGR排期阶段，如图9、图10所示。图9中：进气管路位置距离压缩上止点(TDC)50mm；排气管路位置距离压缩上止点(TDC)150mm。
为简化进、排气管路装置结构，也可采用同一套管路，通过同一阀门控制实现进气阶段及CGR排期阶段，如图7、图8所示。进气管路位置距离压缩上止点(TDC)50mm。
实施例1：
本实施例采用低速二冲程船用柴油机，缸径为340mm，转速为142.6r/min(75％负荷)，活塞冲程长度为1600mm。柴油机燃烧废气进入涡轮驱动动力系统。CGR循环气体量占排气门关闭后缸内气体总量的4％，表1与表2列出了再循环气体及缸内工质的关键参数。
表1再循环气体的关键参数
表2再循环过程中的缸内温度及压力
在压缩阶段(进气阀开启区间为340°CA至345.45°CA)CGR气体由CGR进气管路引入CGR进气通路，最后进入储气系统。随后储气系统内自循环气体通过CGR排气通路引入CGR排气阀直接进入气缸(排气阀开启区间为320°CA至326°CA)。流速约为500m/s，自循环气体温度为700K。进、排气阀采用不同阀门，进、排气管路双层布置在气缸同侧，进、排气管路角度α为55°，进气管路位置处于距压缩上止点(TDC)50mm处；排气管路位置处于距压缩上止点(TDC)150mm处(如图9、图10)。
与未采用CGR技术的同款柴油机相比，自循环气体在气缸壁面的导向作用下进入气缸，有效的增大了缸内涡流比，在压缩上止点涡流比由原机的5.2提升至12.1，增加幅度达132％；涡流比的提升大幅度增加了燃油和空气的混合速率及燃烧速率，爆发压力提高了8.01％，燃烧持续期缩短了51.96％。最终，功率提升了4.84％，燃油消耗减少了8.3g/kW·h(对一万箱级别集装箱船而言，每年可节省燃油费用约1200万元人民币)。
实施例2：
本实施例采用天然气/柴油双燃料低压模式低速二冲程船用发动机，缸径为500mm，转速为102r/min(75％负荷)，活塞冲程长度为2050mm。天然气每循环喷射量为22.1g，引燃柴油为0.227g。CGR循环气体量占排气门关闭后缸内气体总量的5％。
在燃烧阶段(390°CA至394.5°CA)CGR气体由CGR进气阀引入CGR进气通路系统，最后进入储气系统。随后储气系统内自循环气体通过CGR排气通路引入CGR排气阀直接进入气缸(320°CA至326°CA)，流速约为700m/s,自循环气体温度为1060K。进、排气阀采用不同阀门，进、排气管路双层布置气缸同侧，进排气管路角度α为55°，排气阀门位置处于距压缩上止点(TDC)200mm处，进气阀门位置处于距压缩上止点(TDC)150mm处。
与未采用CGR技术的内燃机相比，自循环气体在气缸壁面的导向作用下进入气缸，有效的增大了缸内涡流比，在压缩上止点涡流比由原机的5.2提升至16；此外压缩上止点的温度由原机的800K提升至950K，在不需要柴油引燃的基础上，能够实现天然气HCCI燃烧模式。

Claims (8)

1.基于压差驱动的内燃机缸内气体自循环系统装置，包括：内燃机缸体、气缸、CGR进气阀门、CGR排气阀门、CGR进气控制阀、CGR排气控制阀、CGR稳压罐、排气集管、涡轮机、压气机、扫气集管、电热塞、压力传感器、以及出气阀，其特征在于：气体自循环整体装置由CGR通路(2)和CGR储气系统(5)两部分构成，内燃机缸体(3)上的CGR进气阀门(2-2)、CGR进气控制阀(2-4)、CGR稳压罐(5-4)、CGR排气控制阀(2-3)、以及内燃机缸体上的CGR排气阀门(2-1)顺序连接组成内燃机缸体气体自循环子系统，其中CGR进气控制阀与CGR稳压罐相通作为CGR通路中的进气通路；CGR稳压罐与CGR排气控制阀相通作为CGR通路中的排气通路，两个相邻的内燃机缸体气体自循环子系统通过内燃机CGR进气管连通，四缸结构的内燃机由四个气体自循环子系统两两连接组成；六缸结构的内燃机由六个气体自循环子系统两两连接组成，以此类推，稳压罐设有电热塞(5-1)、压力传感器(5-2)、以及出气阀(5-3)构成CGR储气系统(5)，内燃机缸体燃烧产生的废气通过排气集管(1)接入涡轮机(4-1)最终排入大气，新鲜空气首先进入压气机(4-2)，经冷凝器(4-3)降温后进入扫气集管(4-4)，扫气集管出口接至内燃机缸体中的扫气口(3-1)，由此将新鲜空气送至内燃机气缸。
2.按照权利要求1所述的基于压差驱动的内燃机缸内气体自循环系统装置，其特征在于：所述CGR的进气从所述内燃机缸体内的压缩阶段引出；或者从所述内燃机缸体内的燃烧阶段引出。
3.按照权利要求1所述的基于压差驱动的内燃机缸内气体自循环系统装置，其特征在于：所述CGR排气阀门处的管道设计成拉瓦尔喷管结构，所述CGR稳压罐内的气体以超声速沿所述气缸壁面进入气缸；或者将排气阀门处的管道设计成等截面管道结构，CGR稳压罐内气体以当地声速沿气缸壁面进入气缸。
4.按照权利要求1所述的基于压差驱动的内燃机缸内气体自循环系统装置，其特征在于：所述CGR进、排气阀的位置选择在所述内燃机气缸中活塞上止点与下止点之间，缸体气体自循环共用同一阀门和管路实现CGR进、排气循环；或者采用CGR进气阀门及管路和CGR排气阀门及管路，分别实现CGR进气和排气循环。
5.按照权利要求1所述的基于压差驱动的内燃机缸内气体自循环系统装置，其特征在于：所述CGR进、排气管路角度在40°至60°的范围内选取。
6.按照权利要求1所述的基于压差驱动的内燃机缸内气体自循环系统装置，其特征在于：所述CGR稳压罐内部及外部喷涂绝热材料，防止罐体向环境进行壁面传热。
7.按照权利要求1所述的基于压差驱动的内燃机缸内气体自循环系统装置，其特征在于：所述的电热塞用于对所述CGR稳压罐内气体加热，对罐内的气体温度进行调整。
8.按照权利要求1所述的基于压差驱动的内燃机缸内气体自循环系统装置，其特征在于：所述CGR稳压罐内的气体通过所述出气阀(5-3)排出，用于调节CGR稳压罐内的压力。
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