CN109441626B - 一种采用主副喷油器和歧管多次喷射的双燃料发动机燃烧组织方法 - Google Patents

一种采用主副喷油器和歧管多次喷射的双燃料发动机燃烧组织方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于内燃机燃烧技术领域，具体涉及一种采用主副喷油器和歧管多次喷射的双燃料发动机及其燃烧组织方法。双燃料发动机包括活塞，气缸套，气缸盖，主、副喷油器，歧管低压燃气喷射装置等；主喷油器安装在气缸盖中心，改变其喷油脉宽可控制低负荷时柴油喷射比例；副喷油器倾斜安装在气缸盖上，在中高负荷时微喷柴油，在上止点附近柴油自燃后引燃天然气；歧管低压燃气喷射阀安装在每缸进气歧管上，中高负荷时，控制低压喷气阀的喷射次数和正时，使缸内形成合理的混合气浓度分布。本发明通过柴油引燃保证不同工况下点火稳定性，不同工况下采用不同的油气喷射策略，使缸内实现油气合理分布以达到良好的燃烧效果，从而提升发动机的经济性和排放性。

Description

一种采用主副喷油器和歧管多次喷射的双燃料发动机燃烧组 织方法
技术领域
本发明属于内燃机燃烧技术领域，具体涉及一种采用主副喷油器和歧管多次喷射的双燃料发动机及其燃烧组织方法。
背景技术
柴油/天然气双燃料发动机可以运行两种燃料模式，经济性高，改装费用一般比直接使用气体燃料发动机的成本低。同时，双燃料最大的优点在于可同时降低NOx和PM排放，在传统的柴油机中这是很难实现的。相关试验表明，双燃料发动机NOx排放低于柴油机水平，在中低负荷可减少50％左右，同时双燃料发动机的颗粒物排放可比柴油机降低近70％，效果比较显著。
另一方面，双燃料发动机热效率虽然高于火花点燃式发动机，但低于柴油机。与火花点火式发动机相比，柴油自燃易于实现多点着火，混合气燃烧较为迅速，天然气允许在较大压缩比条件下工作，可提高发动机的热效率。但是，由于气道喷射天然气，发动机充气效率降低，因此双燃料发动机的热效率在总体上低于柴油机水平，而在大负荷时基本与柴油机相当。双燃料发动机的天然气替代率会影响缸内燃烧状况，尤其在中低负荷时，较高的天然气替代率将导致燃烧恶化，甚至出现发动机失火、循环变动加剧等现象。同时和火花塞点燃式天然气发动机相比，由于柴油作为着火源在燃烧室内分布范围广泛，因此天然气着火能量增加，提高了天然气的着火稳定性和燃烧速率进而提高了发动机的动力性和热效率。
在改进双燃料发动机喷油方式方面，有的专利通过设置预设值来调节喷油量如CN105020073A，该专利在控制***中通过预设喷油量和喷油正时，实现不同负荷下降低排放、改善燃烧的目的；有的专利对双燃料发动机可能采取的燃料喷射方式进行概述如CN106870186A，该专利通过不同燃料喷射方式的组合来实现不同的燃烧方式。在改善燃烧***方面，有的专利通过主副喷嘴喷射不同辛烷值的燃料来实现均质预混压燃如CN102996223A，该专利提供了一种柴油机预混合燃烧***，可保证较高的热效率；有的专利对包含可切换式喷油器的燃烧***进行了研究如CN204402678U，该专利所涉及的燃烧***包括多套燃料供给装置，通过可切换式喷油器和相应的控制***改变工作模式，以实现不同工况下燃烧模式的切换。而这些专利均未考虑何种工况下使用哪种燃烧模式、如何在主燃室内组织混合气形成和高效低排放燃烧，以及未提出如何改善气体模式下发动机稳定点火等问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种有较好动力性、经济性和排放性的采用主副喷油器和歧管多次喷射的双燃料发动机。
一种采用主副喷油器和歧管多次喷射的双燃料发动机，包括活塞、气缸套、气缸盖、副喷油器、主喷油器、进气阀、歧管低压燃气喷射装置、进气道、燃烧室；燃烧室由活塞上表面、气缸套周壁以及气缸盖下表面组成；主副喷油器安装在气缸盖内，主喷油器位于气缸盖中心，其轴线与气缸轴线重合，副喷油器安装在气缸盖右侧，轴线与气缸盖下表面所成角度为30-70°；歧管低压燃气喷射阀安装在每缸进气歧管上，进气冲程排气阀关闭至进气阀关闭期间向缸内供气。
所述主喷油器为多孔大流量喷油器，副喷油器为小流量喷油器，两个喷油器相互独立工作，副喷油器的最大流量只有主喷油器的最大流量的1-5％。
所述主喷油器喷孔数目为6-8个，副喷油器的多个喷孔在喷嘴的一侧布置，喷出多个油束。
所述燃烧室采用半球形结构。
本发明的目的还在于提供一种采用主副喷油器和歧管多次喷射的双燃料发动机燃烧组织方法。
一种采用主副喷油器和歧管多次喷射的双燃料发动机燃烧组织方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、判断发动机负荷，选择发动机工作模式；
步骤2、进气过程；
步骤3、燃气压缩过程；
步骤4、燃烧做功过程；
步骤5、排气过程。
所述步骤1具体包括：
一、低负荷即负荷低于15％时，双燃料发动机采用柴油工作模式，喷油器选用主喷油器；
二、中负荷即符合在15％—70％时，双燃料发动机采用天然气工作模式，喷油器选用副喷油器；
三、高负荷即负荷大于70％时，双燃料发动机切换到均质燃气工作模式，此时，歧管低压燃气喷射阀与副喷油器共同工作。
所述步骤2具体包括：
一、低负荷时即负荷低于15％时，主喷油器在压缩冲程末上止点前30℃A范围内向缸内喷射柴油；
二、15-50％负荷时，歧管低压燃气喷射阀采用单次喷射，喷射正时为气门开启最大升程前后10℃A范围内，副喷油器采用两次喷射，第一次喷射正时为压缩上止点前70℃A，第二次喷射正时为压缩上止点前0-30℃A范围内，柴油喷射比例占100％负荷下整个循环燃料量比例的1-5％；
三、50-70％负荷时，歧管低压燃气喷射阀采用两次喷射，第一次喷射正时为排气阀关闭后0-30℃A范围内，第二次喷射正时为进气门开启最大升程后10-30℃A范围内，副喷油器采用两次喷射，第一次喷射正时为压缩上止点前70℃A，第二次喷射正时为压缩上止点前0-30 ℃A范围内，柴油喷射比例占100％负荷下整个循环燃料量比例的1-5％；
四、高负荷负荷大于70％时，歧管低压燃气喷射阀采用单次喷射，喷射正时在排气阀关闭后0-30℃A范围内，副喷油器采用单次喷射，在压缩上止点前5-15℃A范围内，向缸内喷入柴油，喷射柴油比例占100％负荷下整个循环燃料量比例的1-5％。
本发明的有益效果在于：
本发明通过对双燃料发动机燃烧模式和油气喷射策略做出合理的匹配设计，在不同工况下考虑不同的影响因素，使发动机得到较好的综合性能；通过柴油引燃保证不同工况下天然气的点火稳定性，通过低压燃气喷射阀及主副喷油器在不同工况下采用不同的喷射次数以及喷射脉宽，在燃烧室内形成合理尺度的油气浓度梯度分布，从而实现油气快速高效低排放燃烧，加速火焰传播速度，缩短燃烧时间，有利于提高燃烧质量，降低排气温度，可以改善双燃料发动机失火及爆震问题。
附图说明
图1为本发明实施方式中双燃料发动机燃烧***的具体布置图；
图2为主喷油器喷射柴油雾化示意图；
图3为中负荷时缸内油气分布示意图；
图4为高负荷时缸内天然气浓度分布示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述：
如附图1所示，为本发明实施方式中双燃料发动机燃烧***的具体布置图，采用主副喷油器和歧管多次喷射的双燃料发动机燃烧***结构包括：活塞1、气缸套2、气缸盖3、副喷油器4、主喷油器5、进气阀6、歧管低压燃气喷射装置7、进气道8、燃烧室9。燃烧室由活塞上表面、气缸套周壁以及气缸盖下表面组成；主副喷油器安装在气缸盖内，主喷油器位于气缸盖中心，其轴线与气缸轴线重合，副喷油器安装在气缸盖右侧，轴线与气缸盖下表面所成角度为30-70°；低压燃气喷射阀安装在每缸进气歧管上，进气冲程排气阀关闭至进气阀关闭期间向缸内供气。
所述所述的燃烧组织方法适用于四冲程天然气发动机，每循环包含进气冲程、压缩冲程、燃烧做功冲程以及排气冲程。低负荷时即负荷低于15％时，双燃料发动机处于柴油工作模式，天然气在低负荷时因稀薄燃烧易发生失火等问题，所以此时只有主喷油器工作，在压缩冲程末上止点前30℃A范围内向缸内喷射柴油，柴油雾化示意图如图2所示，多孔喷嘴可以使柴油在缸内形成多个浓度区域，且雾化效果也较好，柴油喷射的量较少，燃烧较为缓慢，空气充足，燃烧充分，能实现较好的排放性能。
中负荷时即负荷为15％-70％时，双燃料发动机切换到燃气工作模式，但在不同负荷下又采用不同尺度梯度的天然气浓度分层，15-50％负荷时进气冲程排气阀关闭后，低压燃气喷射阀开始单次喷射，喷射正时为气门开启最大升程前后10℃A范围内，此时喷射的天然气会在缸内形成较大尺度的天然气浓度分层；50-70％负荷时，低压燃气喷射阀采用两次喷射，第一次喷射正时为排气阀关闭后0-30℃A范围内，第二次喷射正时为进气门开启最大升程后10-30 ℃A范围内，第一次喷射的气体在缸内形成较均匀的稀混合气，第二次喷射的气体集中分布在燃烧室上层，形成上浓下稀的天然气浓度分布，副喷油器采用两次喷射，第一次喷射正时为压缩上止点前70℃A，第二次喷射正时为压缩上止点前0-30℃A范围内，柴油喷射比例占 100％负荷下整个循环燃料量比例的1-5％，柴油喷入缸内后形成多个浓度中心，并且与进气冲程喷入的天然气共同形成上浓下稀多中心分布的混合气浓度分布状态如图3所示，同时副喷油器喷射的柴油在缸内形成多个点火中心以实现混合气稳定点火，进而实现油气快速高效低排放燃烧，加快火焰传播速度，缩短后燃期。
高负荷时即负荷大于70％时，双燃料发动机切换到均质燃气工作模式，此时，低压燃气喷射阀与副喷油器共同工作，由于高负荷时所需燃气较多，同时也考虑到高负荷燃烧温度高、升温快，为了达到良好的排放效果，燃气喷射阀采用单次喷射，喷射正时在排气阀关闭后0-30 ℃A范围内，这样缸内会形成较均为的混合气如图4所示，但天然气着火点较高不能自燃，因此需要副喷油器微喷柴油引燃，副喷油器采用单次喷射，在压缩上止点前5-15℃A范围内，向缸内喷入柴油喷射比例占100％负荷下整个循环燃料量比例的1-5％，柴油会形成多个着火点引燃缸内混合气实现均质燃烧，可以有效降低NOx的排放。
本发明提供一种采用主副喷油器和歧管多次喷射的双燃料发动机燃烧组织方法，所述的双燃料发动机燃烧***包含活塞、气缸套、气缸盖、主喷油器、副喷油器以及歧管低压燃气喷射装置等。主喷油器安装在气缸盖中心，通过改变喷油脉宽控制低负荷时柴油喷射比例；副喷油器倾斜安装在气缸盖上，在中高负荷时微喷柴油，在上止点附近柴油自燃后引燃天然气；低压燃气喷射阀安装在每缸进气歧管上，中高负荷时，通过控制低压喷气阀的喷射次数和正时，使缸内形成合理的混合气浓度分布。本发明通过柴油引燃保证不同工况下的点火稳定性，通过不同工况下采用不同的油气喷射策略，使缸内实现油气合理分布以达到良好的燃烧效果，从而提升发动机的经济性和排放性。
一种采用主副喷油器和歧管多次喷射的双燃料发动机燃烧组织方法,其结构包括：活塞 1、气缸套2、气缸盖3、副喷油器4、主喷油器5、进气阀6、歧管低压燃气喷射装置7、进气道8、以及燃烧室9。双燃料发动机采用双喷油器结构，即副喷油器4和主喷油器5，所述两个喷油器相互独立工作，副喷油器4的最大流量远小于主喷油器5的最大流量，副喷油器4的最大流量只有主喷油器5的最大流量的1-5％，副喷油器4只工作在双燃料发动机燃气模式，燃油模式下不工作；主喷油器5只是在双燃料发动机的纯柴油模以及燃气模式低负荷下工作；主喷油器安装在气缸盖中心，副喷油器倾斜安装在气缸盖右侧，且副喷油器的多个喷孔在喷嘴的一侧布置，喷出的多个油束；燃烧室具有半球状结构，气体模式下喷油器喷出的多个油束在半球形燃烧室内均匀分布，从而能够缩短火焰传播距离；歧管低压燃气喷射阀安装在每缸的进气歧管上，在气体模式下的整个进气过程中能够实现燃气多次喷射；低负荷 (<15％)时，发动机处于柴油工作模式，此时主要由主喷油器向缸内喷入柴油，此时副喷油器不工作，主喷油器采用单次喷射，喷射正时为压缩上止点前10-30℃A范围内；中等负荷时，发动机可切换至燃气工作模式，副喷油器和低压燃气喷射阀协同工作，15-50％的中低负荷时采用自上而下的较大尺度的天然气浓度梯度分布，歧管低压燃气喷射阀单次喷射，喷射正时为气门开启最大升程前后10℃A范围内；50-70％负荷时采用自上而下的较小尺度天然气浓度梯度分布，歧管低压燃气喷射阀采用两次喷射，第一次喷射正时为进气冲程排气阀关闭后 0-30℃A范围内，第一次喷射的气体在缸内形成较均匀的稀混合气，第二次喷射正时为进气门开启最大升程后10-30℃A范围内，通过控制两次燃料喷射的比例和正时实现缸内天然气的浓度分层；副喷油器可以实现两次喷射，第一次喷射正时为压缩上止点前70℃A，所喷射的柴油只是向缸内提供活化成分而无法单独引燃缸内混合气，第二次喷射正时为压缩上止点前 0-30℃A范围内，第二次喷射起点火作用，两次喷射的柴油控制在发动机运行在柴油模式占 100％负荷下整个循环燃料量的1-5％，柴油喷射可在缸内形成多个点火中心以实现稳定点火，通过对低压燃气喷射阀喷射次数与正时的控制，在缸内实现不同尺度的混合气浓度分布以实现高效低排放燃烧；高负荷(>70％)时，发动机切换到均质燃气工作模式，此时主要通过低压燃气喷射阀向缸内供气，通过控制喷气正时使缸内形成较均匀的混合气，并通过微喷柴油引燃，低压燃气喷射阀采用单次喷射，喷射正时在排气阀关闭后0-30℃A范围内，副喷油器采用单次喷射，喷射正时为压缩上止点前5-15℃A范围内，引燃柴油喷射比例占纯柴油模式 100％负荷下整个循环燃料量比例的1-5％。发动机可以实现燃气模式和燃油模式的灵活切换，并通过采用不同的油气喷射策略，使不同工况下缸内均能实现油气合理分布以达到良好的燃烧效果，从而提升发动机的经济性和排放性。
主喷油器采用大流量多孔喷油器，主喷油器轴线与气缸轴线重合，喷孔数目为6-8个，主喷油器在纯柴油模式的起动、怠速、暖机以及气体模式低负荷下工作，气体模式中高负荷下不工作；气体模式低负荷时燃料喷射量少，为保证点火稳定性，燃料中柴油比例相对较高，采用主喷油器向缸内喷射柴油，此时喷射的柴油同时具有引燃和燃烧做功的双重作用。
副喷油器采用小流量多孔喷油器，其喷孔分布在过中心轴线切面的一侧，副喷油器倾斜安装在气缸盖右侧，轴线与气缸盖下表面所成角度为30-70°，副喷油器在气体模式中高负荷下工作，副喷油器喷射的柴油主要起引燃作用，在柴油模式和气体模式低负荷时停止工作。
燃烧室采用半球形燃烧室，能够缩短火焰传播距离，且较强的挤流能够提高压缩上止点附近的湍流强度，有利于油气混合过程与燃烧。

Claims (1)

1.一种采用主副喷油器和歧管多次喷射的双燃料发动机燃烧组织方法，采用主副喷油器和歧管多次喷射的双燃料发动机，包括活塞、气缸套、气缸盖、副喷油器、主喷油器、进气阀、歧管低压燃气喷射装置、进气道、燃烧室；其特征在于：燃烧室由活塞上表面、气缸套周壁以及气缸盖下表面组成；主副喷油器安装在气缸盖内，主喷油器位于气缸盖中心，其轴线与气缸轴线重合，副喷油器安装在气缸盖右侧，轴线与气缸盖下表面所成角度为30-70°；歧管低压燃气喷射阀安装在每缸进气歧管上，进气冲程排气阀关闭至进气阀关闭期间向缸内供气；
所述主喷油器为多孔大流量喷油器，副喷油器为小流量喷油器，两个喷油器相互独立工作，副喷油器的最大流量只有主喷油器的最大流量的1-5％；
所述主喷油器喷孔数目为6-8个，副喷油器的多个喷孔在喷嘴的一侧布置，喷出多个油束；
所述燃烧室采用半球形结构；
其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、判断发动机负荷，选择发动机工作模式；
步骤2、进气过程；
步骤3、燃气压缩过程；
步骤4、燃烧做功过程；
步骤5、排气过程；
所述步骤1具体包括：
一、低负荷即负荷低于15％时，双燃料发动机采用柴油工作模式，喷油器选用主喷油器；
二、中负荷即符合在15％—70％时，双燃料发动机采用天然气工作模式，喷油器选用副喷油器；
三、高负荷即负荷大于70％时，双燃料发动机切换到均质燃气工作模式，此时，歧管低压燃气喷射阀与副喷油器共同工作；
低负荷时即负荷低于15％时，主喷油器在压缩冲程末上止点前30°CA范围内向缸内喷射柴油；
15-50％负荷时，歧管低压燃气喷射阀采用单次喷射，喷射正时为气门开启最大升程前后10°CA范围内，副喷油器采用两次喷射，第一次喷射正时为压缩上止点前70°CA，第二次喷射正时为压缩上止点前0-30°CA范围内，柴油喷射比例占100％负荷下整个循环燃料量比例的1-5％；
50-70％负荷时，歧管低压燃气喷射阀采用两次喷射，第一次喷射正时为排气阀关闭后0-30°CA范围内，第二次喷射正时为进气门开启最大升程后10-30°CA范围内，副喷油器采用两次喷射，第一次喷射正时为压缩上止点前70°CA，第二次喷射正时为压缩上止点前0-30°CA范围内，柴油喷射比例占100％负荷下整个循环燃料量比例的1-5％；
负荷大于70％时，歧管低压燃气喷射阀采用单次喷射，喷射正时在排气阀关闭后0-30°CA范围内，副喷油器采用单次喷射，在压缩上止点前5-15°CA范围内，向缸内喷入柴油，喷射柴油比例占100％负荷下整个循环燃料量比例的1-5％。
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