CN108331658A - 基于预燃室加浓改善天然气发动机频响的供气***及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于预燃室加浓改善天然气发动机频响的供气***及方法，包括预燃室、主燃烧室、预燃室独立进气喷射装置和***控制器，所述预燃室通过下部连接通道与主燃烧室相通，所述预燃室上方设有火花塞和独立进气喷射装置的安装通道，所述独立进气喷射装置通过安装通道将喷嘴设置于预燃室内，所述***控制器通过控制预燃室独立进气喷射装置的开启和关闭，使其向预燃室内喷射预燃室独立进气以加浓预燃室内混合气浓度，并改变主燃烧室内混合气浓度。

Description

基于预燃室加浓改善天然气发动机频响的供气***及方法
技术领域
本发明涉及天然气发动机频响改善领域，具体涉及基于预燃室独立进气装置改善预燃室式大缸径天然气发动机频响的供气***及方法。
背景技术
石油资源紧缺和生态环境污染问题成为了制约现阶段内燃机工业向前发展的两大障碍，寻找高效清洁的替代能源并将其成功用于工程机械和车辆工程，已经成为了亟待世界各国研究和解决的技术难题。在众多替代能源中，天然气因热值高、燃烧排放清洁以及世界储量丰富等特点而得到广泛关注。其中，船用和工程机械用大缸径天然气发动机，因其燃烧室缸径大，缸内火焰传播距离长，且天然气燃烧时火焰传播速度慢，所以易在燃烧室内远端发生爆震，研究发现通过在缸内组织稀薄燃烧可以降低爆震发生的可能性，并可有效提高燃烧热效率，降低缸内燃烧温度，减少氮氧化物排放。但是稀混合气的火焰传播速度低，燃烧速度慢，大缸径天然气发动机在缸内组织稀薄燃烧时易发生火焰淬熄或循环失火现象，导致发动机循环波动大，工作稳定性较差，未燃HC和CO排放高。利用高能点火***可以提高稀混合气的点火可靠性并加快缸内燃烧速度，有利于实现燃烧室内稳定的稀薄燃烧。混合气的过量空气系数是研究可燃混合气成分的指标，是燃烧单位质量燃料实际提供的空气质量与理论上所需空气质量之比，可用来表征混合气浓度，混合气过量空气系数大于1时为稀混合气，小于1则为浓混合气。对于大缸径天然气发动机，采用预燃室点火***可以获得高能的点火能量，进而在主燃烧室内实现稳定的稀薄燃烧。一般预燃室容积为主燃烧室容积的1％-3％，利用预燃室独立进气在预燃室内组织较浓混合气，在主燃烧室中组织稀混合气，利用普通火花塞点燃预燃室内混合气，预燃室内的压力和温度快速升高，进而在预燃室和主燃烧室间形成压差，在该压差作用下，预燃室内燃烧生成的高能物质通过预燃室和主燃烧室之间的连接通道进入主燃烧室，在主燃烧室内的稀混合气中形成分布式多点点火，可靠点燃主燃烧室内稀混合气，缩短主燃烧室内火焰传播距离，加快主燃烧室内燃烧速度，缩短燃烧持续期。
针对预燃室式大缸径天然气发动机，多采用机械混合器或进气道多点喷射方式实现天然气和空气预混，利用节气门控制进入主燃烧室的混合气量，不同节气门开度下通过主进气道进入气缸的混合气量不同。在发动机实际工作运行中受机械混合器响应速度和进气充量系数限制，当发动机突加负荷时，进入气缸的混合气量不能随之及时增加，导致发动机功率输出不满足负荷需求，发动机运转稳定性下降。理想情况下，当突加负荷时，为满足负载需求，此时应使节气门开度增大，进气量及时增加，且为适应较大功率输出需求，使发动机平稳过渡到较大负荷，还应同时适当加浓进入燃烧室的混合气浓度，增大发动机输出功率。但是在实际使用中突加负荷时，加大节气门开度后，进气量难以及时跟上，且对于采用机械混合器进气预混方式的发动机来说，混合气浓度变化难以精确控制，综上原因，天然气发动机在突加负荷时，混合气的进气量和浓度不能及时响应负载需求，导致过渡工况下发动机转速出现波动，发动机运转稳定性下降。而对于匹配了废气涡轮增压器的天然气发动机，增压器对进气进行增压的能量来源是上一工作循环的排气，当突加负荷时，发动机排气能量不足，使得增压器的增压能力较低，此时增压器不仅不能对发动机进气进行有效增压，还会给进气带来阻力，导致进气量不能满足需求，发动机运转稳定性变差。
综上所述，现有预燃室天然气发动机为满足热效率和排放需求，在主燃烧室内组织稀薄燃烧，但是当出现突加负载变工况时，由于主燃烧室进气量和进气浓度不能及时响应负载需求，发动机转速出现明显波动，导致发动机运转稳定性较低。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种基于预燃室加浓改善天然气发动机频响的供气***及方法，本发明可以在稳定工况下，在主燃烧室内组织稀薄燃烧，降低发动机热负荷、提高发动机热效率、降低排放；可在负荷突加的过渡工况下，通过加浓主燃烧室内混合气浓度，提高主燃烧室内混合气燃烧速度，增加混合气燃烧后释放的能量，进而快速增加发动机功率输出，降低发动机转速波动，提高发动机运转稳定性。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种基于预燃室加浓改善天然气发动机频响的供气***，包括预燃室、主燃烧室、预燃室独立进气喷射装置和***控制器，所述预燃室通过下部连接通道与主燃烧室相通，所述预燃室上方设有火花塞和独立进气喷射装置安装通道，所述独立进气喷射装置通过安装通道将喷嘴设置于预燃室内，所述***控制器通过控制预燃室独立进气喷射装置的开启和关闭，使其向预燃室内喷射预燃室独立进气以加浓预燃室内混合气浓度，并改变主燃烧室内混合气浓度。
进一步的，所述预燃室独立进气喷射装置喷射的气体压力和过量空气系数根据发动机使用情况进行标定，针对固定发动机，预燃室独立进气的气体压力和气体过量空气系数为定值。
进一步的，所述预燃室独立进气的气体过量空气系数与主燃烧室内混合气的过量空气系数相配合，以保证预燃室内形成的混合气燃烧速度较快，所述预燃室独立进气的气体压力保证加浓气体进入预燃室后尽可能多的扫除预燃室内上一循环的残余废气。
进一步的，所述***控器通过采集转速传感器信号和节气门位置传感器信号判断发动机运行状态，所述***控制器通过压力传感器实时监测发动机主进气道内压力，所述***控制器实时监测参与缸内燃烧的混合气过量空气系数。
进一步的，所述***控制器根据对发动机运行状态的判断，结合主进气道内压力、预燃室独立进气的气体压力以及参与缸内燃烧的混合气和预燃室独立进气的过量空气系数，确定预燃室独立进气喷射装置的开启时刻和喷射脉宽。
进一步的，所述***控制器根据转速传感器和曲轴或凸轮轴相位传感器的检测信号控制预燃室独立进气喷射装置在设定的曲轴转角下开启一定脉宽。
一种基于预燃室加浓改善天然气发动机频响的方法，包括：
根据发动机使用情况标定预燃室独立进气喷射装置喷射的气体压力和气体过量空气系数，针对固定发动机，预燃室独立进气的气体压力和气体过量空气系数为定值；
检测发动机的节气门开度、实时转速、主进气道内压力和参与缸内燃烧的混合气过量空气系数；
根据发动机的实时转速、目标转速、节气门开度、预燃室独立进气的气体压力、预燃室独立进气的过量空气系数、参与缸内燃烧的混合气过量空气系数和主进气道内压力的MAP图确定预燃室独立进气喷射装置的开启时刻和喷射脉宽；
检测发动机转速和曲轴或凸轮轴相位，判断发动机实际运转中曲轴转角值；
驱动预燃室独立进气喷射装置在预设曲轴转角值下开启一定脉宽。
进一步的，所述预燃室独立进气喷射装置的开启时刻和喷射脉宽应使进入预燃室的气体尽可能多的扫除预燃室内上一循环的残余废气，并在扫除残余废气的同时，加浓预燃室内混合气浓度。
进一步的，所述预燃室独立进气喷射装置的开启时刻和喷射脉宽在加浓预燃室内混合气浓度时，应使预燃室内混合气浓度分布在保证可靠点火的同时，确保该浓度下混合气的火焰传播速度较快，以实现预燃室内混合气的快速燃烧。
进一步的，所述预燃室独立进气喷射装置的开启时刻和喷射脉宽，在发动机处于突加负荷的过渡工况时，加浓气体的喷射量和喷射时刻在加浓预燃室内混合气浓度的同时，应保证在预燃室和主燃烧室压差作用下经连接通道进入主燃烧室的加浓气体量能有效加浓主燃烧室内稀混合气，增加主燃烧室内天然气量，从而提高主燃烧室内燃烧速度，增大主燃烧室内混合气燃烧后释放的能量。
在预燃室式天然气发动机的运行过程中，***控制器实时监测发动机工作运转状态，判断发动机实时转速和负荷情况，并及时调整预燃室独立进气喷射策略，降低转速波动，确保发动机平稳运转。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)基于预燃室加浓提高主燃烧室内稀混合气的点火可靠性和燃烧速度，可在预燃室式大缸径天然气发动机内组织稳定的稀薄燃烧，提高发动机热效率，降低排放；
2)在预燃室式大缸径天然气发动机处于突加负荷的过渡工况时，通过预燃室加浓对主燃烧室内稀混合气进行加浓，增加主燃烧室内天然气量，加快主燃烧室内燃烧速度，提高主燃烧室内混合气燃烧后释放的能量，进而快速增加发动机功率输出，降低因突加负荷引起的转速波动，提高发动机工作稳定性。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1为本发明基于预燃室加浓改善天然气发动机频响的供气***；
其中，1、火花塞；2、预燃室独立进气喷射装置；3、预燃室；4、连接通道；5、主燃烧室；6、***控制器；7、转速传感器；8、曲轴或凸轮轴相位传感器；9、节气门位置传感器；10、主进气道压力传感器；11、过量空气系数传感器。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施例对本发明做进一步的说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”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，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。
本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。
正如背景技术所介绍的，现有技术中预燃室天然气发动机为满足热效率和排放需求，在主燃烧室内组织稀薄燃烧，但是当出现突加负载变工况时，由于主燃烧室进气量和进气浓度不能及时响应负载需求，发动机转速出现明显波动，导致发动机运转稳定性较低。为了解决上述技术问题，本申请提供了一种针对大缸径天然气发动机，基于预燃室加浓改善天然气发动机频响的控制***和方法，可在稳定工况下，在主燃烧室内组织稀薄燃烧，降低发动机热负荷、提高发动机热效率、降低排放；在负荷突加的过渡工况下，通过加浓主燃烧室内混合气浓度，加快主燃烧室内燃烧速度，增加混合气燃烧后释放的能量，进而快速增加发动机功率输出，降低发动机转速波动，提高发动机运转稳定性。
一种基于预燃室加浓改善天然气发动机频响的供气***，具体如下：
如图1所示，基于预燃室加浓改善天然气发动机频响的供气***主要包括预燃室3、主燃烧室5、预燃室独立进气喷射装置2和***控制器6，所述预燃室3通过下部连接通道4与主燃烧室5相通，所述预燃室3上方设有火花塞1和独立进气喷射装置2的安装通道，所述独立进气喷射装置2通过安装通道将喷嘴设置于预燃室3内，对预燃室3进行扫气和加浓，火花塞1安装后使火花塞间隙探入预燃室3，在点火时刻点燃预燃室3内混合气，所述***控制器6控制预燃室独立进气喷射装置2的开启和关闭，使其向预燃室3内喷射预燃室独立进气以加浓预燃室内混合气浓度，并改变主燃烧室内混合气浓度。
天然气和空气预混后形成的稀混合气在进气过程经进气道进入主燃烧室5，独立进气喷射装置2向预燃室3内喷射纯燃气或者天然气和空气的浓混合气，扫除预燃室3内上一循环的残余废气，并加浓预燃室3内混合气浓度。压缩冲程中，主燃烧室5内的稀混合气经预燃室3和主燃烧室5之间的连接通道4进入预燃室3，并与预燃室3内的浓混合气混合，使预燃室内混合气浓度分布保证可靠点火，并确保该浓度下混合气的火焰传播速度较快，预燃室3内混合气燃烧后释放的能量通过连接通道4进入主燃烧室5，点燃主燃烧室5内的稀混合气，实现主燃烧室5内稳定的稀薄燃烧。
具体实施中，预燃室独立进气喷射装置2喷射的气体压力和过量空气系数根据发动机使用情况进行标定，针对固定发动机，预燃室独立进气的气体压力和气体过量空气系数为定值。在发动机运行过程中，***控制器6通过采集转速传感器信号7和节气门位置传感器信号9确定发动机实时运行状态，***控制器6利用压力传感器10采集发动机主进气道内的进气压力，***控制器6利用过量空气系数传感器11采集参与缸内燃烧的混合气过量空气系数。***控制器6根据发动机实时转速、目标转速、节气门开度、预燃室独立进气的气体压力、预燃室独立进气的过量空气系数、参与缸内燃烧的混合气过量空气系数和主进气道内压力的MAP图确定预燃室独立进气喷射装置2的开启时刻和喷射脉宽，之后通过转速传感器7信号和曲轴或凸轮轴相位传感器8信号判断发动机实际运转中曲轴转角值，驱动预燃室独立进气喷射装置2在预设曲轴转角下开启一定脉宽。
***控制器6通过调节预燃室独立进气喷射装置2的开启时刻调整独立进气进入预燃室3的时刻，进而调整独立进气进入预燃室3后在预燃室3和主燃烧室5压差作用下经连接通道4进入主燃烧室5的气体量和进入时刻。***控制器6通过调节预燃室独立进气喷射装置2的开启脉宽调整独立进气的进气量，调节进入预燃室3的气体总量，进而调整经连接通道4进入主燃烧室5的气体总量，改变其对于主燃烧室5内稀混合气的加浓程度。
本发明在供气***硬件基础上提出了基于预燃室加浓改善天然气发动机频响的方法，***控制器6实时监测发动机运行状态，通过对预燃室独立进气喷射装置2开启时刻和喷射脉宽的双尺度调控，及时调整预燃室独立进气喷射装置的喷射策略，实现对进入预燃室3的纯燃气量或天然气和空气的浓混合气量以及进入时刻的精确控制，使发动机在处于突加负荷的过渡工况时，加浓气体的喷射量和喷射时刻在加浓预燃室3内混合气浓度的同时，可保证在预燃室3和主燃烧室5压差作用下经连接通道4进入主燃烧室5的加浓气体量能有效加浓主燃烧室5内稀混合气，一方面主燃烧室5内混合气浓度增大使燃烧速率加快；另一方面主燃烧室5内天然气量增加后，提高了主燃烧室5内混合气燃烧后释放的能量。综上，本方法可在突加负荷的过渡工况下，快速提高发动机输出功率以响应负荷需求，供气***响应速度快，加浓气体直接进入燃烧室而不受进气充量系数影响，对于主燃烧室5内混合气加浓效果显著，从而使发动机转速在突加负荷工况下不出现明显波动，瞬时转速波动率较低，发动机快速平稳过渡到大负荷工况。
一种基于预燃室加浓改善天然气发动机频响的方法，包括：
根据发动机使用情况标定预燃室独立进气喷射装置喷射的气体压力和气体过量空气系数，针对固定发动机，预燃室独立进气的气体压力和气体过量空气系数为定值；
检测发动机的节气门开度、实时转速、主进气道内压力和参与缸内燃烧的混合气过量空气系数；
根据发动机的实时转速、目标转速、节气门开度、预燃室独立进气的气体压力、预燃室独立进气的过量空气系数、参与缸内燃烧的混合气过量空气系数和主进气道内压力的MAP图确定预燃室独立进气的开启时刻和喷射脉宽；
检测发动机转速和曲轴或凸轮轴相位，判断发动机工作运行中曲轴转角值；
驱动预燃室独立进气喷射装置在预设曲轴转角值下开启一定脉宽。
所述预燃室独立进气喷射装置2的开启时刻和喷射脉宽应使进入预燃室3的气体尽可能多的扫除预燃室3内上一循环的残余废气，并在扫除残余废气的同时，加浓预燃室3内混合气浓度。
所述预燃室独立进气喷射装置2的开启时刻和喷射脉宽在加浓预燃室3内混合气浓度时，应使预燃室3内混合气浓度分布保证可靠点火，并确保该浓度下混合气的火焰传播速度较快，以实现预燃室3内混合气的快速燃烧。
所述预燃室独立进气喷射装置2的开启时刻和喷射脉宽，在发动机处于突加负荷的过渡工况时，加浓气体的喷射量和喷射时刻在加浓预燃室3内混合气浓度的同时，应保证在预燃室3和主燃烧室5压差作用下经连接通道4进入主燃烧室5的加浓气体量能有效加浓主燃烧室5内稀混合气，增加主燃烧室5内天然气量，从而提高主燃烧室5内燃烧速度，增大主燃烧室5内混合气燃烧后释放的能量。
在具体实施中，当发动机从小负荷突加载到大负荷时，***控制器6通过实时转速传感器7信号和节气门位置传感器9信号判断发动机实时运转状态，再根据发动机实时转速、目标转速、节气门开度、预燃室独立进气的气体压力、预燃室独立进气的过量空气系数、参与缸内燃烧的混合气过量空气系数和主进气道内压力的MAP图确定预燃室独立进气喷射装置2的开启时刻和喷射脉宽。预燃室独立进气喷射装置2开启后，预燃室独立进气进入预燃室3内，扫除预燃室3内残余废气，使部分预燃室独立进气携带预燃室3内残余废气经连接通道4进入主燃烧室5，此后进入预燃室3的加浓气体在预燃室3和主燃烧室5压差作用下，部分留存在预燃室3内，使点火时预燃室3内混合气浓度分布满足快速燃烧要求，部分经连接通道进入主燃烧室5，加浓主燃烧室5内的稀混合气。加浓气体直接进入燃烧室而不受进气充量系数影响，对于主燃烧室5内稀混合气的加浓效果显著，从而使发动机在突加负荷工况下输出功率快速增加，瞬时转速波动率较低，发动机快速平稳过渡到大负荷工况。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种基于预燃室加浓改善天然气发动机频响的供气***，其特征在于：包括预燃室、主燃烧室、预燃室独立进气喷射装置和***控制器，所述预燃室通过下部连接通道与主燃烧室相通，所述预燃室上方设有火花塞和独立进气喷射装置的安装通道，所述独立进气喷射装置通过安装通道将喷嘴设置于预燃室内，所述***控制器通过控制预燃室独立进气喷射装置的开启和关闭，使其向预燃室内喷射预燃室独立进气以加浓预燃室内混合气浓度，并改变主燃烧室内混合气浓度。
2.如权利要求1所述的一种基于预燃室加浓改善天然气发动机频响的供气***，其特征在于，所述预燃室独立进气喷射装置喷射的气体压力和过量空气系数根据发动机使用情况进行标定，针对固定发动机，预燃室独立进气的气体压力和气体过量空气系数为定值。
3.如权利要求2所述的一种基于预燃室加浓改善天然气发动机频响的供气***，其特征在于，所述预燃室独立进气的过量空气系数与主燃烧室内混合气的过量空气系数相配合，以保证预燃室内形成的混合气燃烧速度较快，所述预燃室独立进气的气体压力应保证加浓气体进入预燃室后尽可能多的扫除预燃室内上一循环的残余废气。
4.如权利要求1所述的一种基于预燃室加浓改善天然气发动机频响的供气***，其特征在于，所述***控器通过采集转速传感器信号和节气门位置传感器信号判断发动机运行状态，所述***控制器通过压力传感器实时监测发动机主进气道内压力，所述***控制器实时监测参与缸内燃烧的混合气过量空气系数。
5.如权利要求4所述的一种基于预燃室加浓改善天然气发动机频响的供气***，其特征在于，所述***控制器根据对发动机运行状态的判断，结合主进气道内压力、预燃室独立进气的气体压力以及参与缸内燃烧的混合气和预燃室独立进气的过量空气系数，确定预燃室独立进气喷射装置的开启时刻和喷射脉宽。
6.如权利要求1所述的一种基于预燃室加浓改善天然气发动机频响的供气***，其特征在于，所述***控制器根据转速传感器和曲轴或凸轮轴相位传感器的检测信号控制预燃室独立进气喷射装置在设定的曲轴转角下开启一定脉宽。
7.一种基于预燃室加浓改善天然气发动机频响的方法，包括：
根据发动机使用情况标定预燃室独立进气喷射装置喷射的气体压力和气体过量空气系数，针对固定发动机，预燃室独立进气的气体压力和气体过量空气系数为定值；
检测发动机的节气门开度、实时转速、主进气道内压力和参与缸内燃烧的混合气过量空气系数；
根据发动机的设定转速、目标转速、节气门开度、预燃室独立进气的气体压力、预燃室独立进气的过量空气系数、参与缸内燃烧的混合气过量空气系数和主进气道内压力的MAP图确定预燃室独立进气的开启时刻和喷射脉宽；
检测发动机转速和曲轴或凸轮轴相位，判断发动机实际运转中曲轴转角值；
驱动预燃室独立进气喷射装置在预设曲轴转角值下开启一定脉宽。
8.如权利要求7所述的一种基于预燃室加浓改善天然气发动机频响的方法，其特征在于，所述预燃室独立进气喷射装置的开启时刻和喷射脉宽应使进入预燃室的气体尽可能多的扫除预燃室内上一循环的残余废气，并在扫除残余废气的同时，加浓预燃室内混合气浓度。
9.如权利要求7所述的一种基于预燃室加浓改善天然气发动机频响的方法，其特征在于，所述预燃室独立进气喷射装置的开启时刻和喷射脉宽在加浓预燃室内混合气浓度时，应使预燃室内混合气浓度分布保证可靠点火，并确保该浓度下混合气的火焰传播速度较快，以实现预燃室内混合气的快速燃烧。
10.如权利要求7所述的一种基于预燃室加浓改善天然气发动机频响的方法，其特征在于，所述预燃室独立进气喷射装置的开启时刻和喷射脉宽，在发动机处于突加负荷的过渡工况时，加浓气体的喷射量和喷射时刻在加浓预燃室内混合气浓度的同时，保证在预燃室和主燃烧室压差作用下经连接通道进入主燃烧室的加浓气体量能有效加浓主燃烧室内稀混合气，增加主燃烧室内天然气量，从而提高主燃烧室内燃烧速度，增大主燃烧室内混合气燃烧后释放的能量。
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