CN111412075B - 一种缸内直喷甲醇发动机及甲醇发动机燃烧***的工作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种缸内直喷甲醇发动机及甲醇发动机燃烧***的工作方法，该甲醇发动机包括气缸体、安装于气缸体之上的气缸盖以及安装于气缸内的活塞，该发动机还具有进气管，进气管上安装有控制发动机进气空气量的节气门体等；气缸盖上设有进气门和排气门，位于气缸盖的中心还有安装有火花塞，在气缸盖上还装有缸内直喷喷油器，活塞顶面上有凹坑形成燃烧室，喷油器的形成的主喷射朝向活塞顶凹坑燃烧室。该发动机的工作方法包括：采用了高压缩比，并且采用了控制喷油提前角和喷油次数的控制策略来抑制发动机的爆震燃烧，还采用不同阶段组织不同气缸内空气流动的策略。本发明进一步提高现有技术中甲醇发动机的热效率，改善发动机的燃料经济性。

Description

一种缸内直喷甲醇发动机及甲醇发动机燃烧***的工作方法
技术领域
本发明属于甲醇发动机领域，特别是涉及一种缸内直喷甲醇发动机及甲醇发动机燃烧***的工作方法。
背景技术
随着发动机的燃料的多元化，采用清洁能源甲醇逐渐成为新的趋势，由于甲醇燃料的十六烷值低，着火性能不好的特性决定了甲醇发动机点燃式的燃烧方式，目前的甲醇发动机大多采用进气管循序多点电喷、点燃式燃烧方式工作。
为了提高发动机的燃烧效率，提高压缩比是基本措施之一，压缩比越高热效率越高，但压缩比的提高容易导致发动机出现爆震燃烧(又称敲缸)，这是不允许的。火花点燃式发动机爆震燃烧的机理是，在由火花塞点火形成的正常的火焰传播到达之前，燃烧室内末端温度高处的混合气自燃而产生的非正常燃烧，称为爆震燃烧，爆震燃烧对发动机性能和寿命造成危害，所以发动机是不允许在爆震下工作，压缩比越高，出现爆震的可能性越大。所以提高压缩比时需要采取措施抑制发动机的爆震燃烧的发生。
此外，发动机燃料燃烧产生的热量，总体来说大概三分之一用来做功，三分之一以排气热量的形式排掉了，剩下的三分之一被发动机的冷却液吸收了。若能减少通过活塞顶面传热所损失到的热量，对于也可以进一步提高发动机的热效率。
甲醇的低热值只有汽油的热值0.46倍，同等功率下甲醇发动机需要喷射更多的甲醇燃料，甲醇蒸发潜热是汽油的3.8倍。目前甲醇发动机普遍采用进气管多点循序喷射的方式，喷射压力3-5bar，大量的甲醇在喷入发动机的进气歧管后，容易在发动机的进气歧管聚集，容易产生混合气形成不良、发动机各缸燃料分配不均、进气管燃料液流等问题，这些问题在发动机起动后的暖车过程中尤为突出。最近公开的技术“一种甲醇发动机进气管多点循序高压喷射***(申请号：CN 201910631650.9)”公开了一种采用采用进气管循序高压喷射甲醇的技术方案，该技术中采用喷射压力为20-200bar的高压喷射甲醇，以改善甲醇的喷雾效果，采用该技术方案可以较好地解决燃料/空气混合气不良和混合气各缸分配不均的问题。既然采用了高压喷射，若将进气管高压喷射从进气歧管喷射发展成为缸内高压直接喷射，则甲醇喷射的喷油压力、喷射提前角、喷射次数这些参数的配置更加灵活，有利于通过这些参数的优化，并结合组织合理的缸内空气运动，来进一步通过较大幅度地提高发动机的压缩比来提高发动机的热效率，同时还可以通过减少缸内的传热损失来提高发动机的热效率。
现有中国专利“一种甲醇直喷发动机燃烧***及其喷醇策略”(申请公布号CN101915153 A)公开了一种缸内直喷甲醇发动机的燃烧***结构和喷醇策略，以解决点火不稳定、甲醇无法完全燃烧的问题。该方案的特定结构是该气缸盖上开设高低错落的进气门区域和排气门区域，在该气缸盖、缸体和活塞之间形成与进气门贯通的挤气区、与排气门贯通的燃烧室，在进气行程通过组织滚流、在压缩行程通过挤气区行程强挤流，来改善燃料和空气的混合，火花塞布置在进气门与排气门中间的燃烧室侧壁上，甲醇喷油器朝向进气门与活塞顶面夹角为30°～60°布置，在中小负荷时通过在压缩行程20～50CABTDC(喷射提前角为压缩上止点前20～50曲轴转角，角度数值越大喷射越早)开始喷入甲醇，来实现分层燃烧；该方案的问题是在中小负荷时喷醇太晚，在正常点火之前(点火提前角为20～40CABTDC)无法形成良好的燃料空气混合气，导致点火燃烧不稳定，而且该方案适合上述特定的结构。
目前市场销售的甲醇发动机，基本都是在乘用车汽油机或者商用车柴油机平台上开发而来的，采用两气门或者四气门，火花塞基本都是安装在原来缸盖上气门中心的位置。
发明内容
本发明的目的是要通过采用高压缩比和减少活塞传热的方式来提供一种高效的缸内直喷甲醇发动机及甲醇发动机燃烧***的工作方法，以进一步提高现有技术中甲醇发动机热效率，并通过直喷方式同时解决采用进气管喷射方式的甲醇发动机工作过程中存在的混合气形成不良和各缸分配不均等问题，同时该方法中通过组织合理的空气运动、采用多次喷射等方法解决喷油湿壁问题，使本方法提出的高效甲醇发动机切实可行。
本发明采用如下技术方案来实现的：
一种缸内直喷甲醇发动机，包括气缸体、安装于气缸体之上的气缸盖以及安装于气缸体内的活塞；其中，该发动机还具有进气管，进气管上安装有控制发动机进气空气量的节气门体；气缸盖上安装有进气门和排气门，位于气缸盖的中心还安装有火花塞，在所述气缸盖上安装有喷油器，活塞的顶面上开设有凹坑，与气缸体一起形成燃烧室，喷油器形成的主喷射朝向活塞顶面上的凹坑处燃烧室；
当发动机处在进气行程、活塞向下运动气缸中部，喷油器采用主喷射喷入甲醇燃料，或者发动机处在压缩行程、活塞向上运动到气缸中部，喷油器采用后喷射喷入甲醇燃料，喷入的甲醇与气缸体中的进气行程中进入的空气混合形成燃料/空气混合气，当活塞向上运动到压缩行程末期时，由火花塞点火点燃燃料/空气混合气，使燃料燃烧，气缸体内气体膨胀做功，实现发动机的工作过程。
本发明进一步的改进在于，活塞选用钢制活塞或者镶有钢制活塞顶的活塞。
一种甲醇发动机燃烧***的工作方法，该工作方法基于上述一种缸内直喷甲醇发动机，包括：
该发动机采用的压缩比为13～17；
该发动机采用控制喷油提前角和主喷射与后喷射的控制策略，且主喷射的喷油提前角范围为300～180CABTDC，这样造成气缸上部的高温区燃料量少，处于稀混合气状态，抑制了发动机的爆震燃烧；
该发动机的采用不同阶段组织不同气缸内空气流动的策略，在进气行程中组织进气涡流和在压缩行程组织压缩挤流的气缸内空气流动，或者在进气行程中组织进气纵涡流/滚流和在压缩行程组织压缩挤流的气缸内空气流动；
该发动机的甲醇喷射压力范围为20～500bar。
本发明进一步的改进在于，该发动机的甲醇喷射压力范围为60～200bar。
本发明进一步的改进在于，后喷射的喷射提前角为150～60CABTDC，后喷射的燃料量不超过总燃料量的30％，且后喷射燃料量越多，喷射越早。
本发明进一步的改进在于，在主喷射的喷油量大和喷射时间长的情况下，为减少燃料喷到壁面的情况，将1次进行的主喷射分成2～3次进行，且每次喷射的间隔为1～2毫秒。
本发明至少具有如下有益的技术效果：
本发明提供的一种缸内直喷甲醇发动机，当发动机处在进气行程、活塞向下运动到气缸中部时喷油器采用主喷射喷入燃料，这样造成气缸上部的高温区燃料量少，处于稀混合气状态，抑制了爆震的发生，或者发动机处在压缩行程、活塞向上运动到气缸中部喷油器后喷射喷入甲醇燃料，所喷入的甲醇与气缸中的进气行程中进入的空气混合形成燃料/空气混合气，当活塞向上运动到压缩行程末期时，由火花塞点火点燃燃料/空气混合气，使燃料燃烧，缸内气体膨胀做功，实现发动机的工作过程。而采用进气管喷射的甲醇发动机气缸内混合气浓度更均匀，混合气浓度与周围一致的高温区更容易引起爆震，一般无法将压缩比提高到13以上，而本方案则可以将压缩比提高到13～17，从而提高了发动机的热效率。优选的，发动机基本结构中所述的活塞优先选用钢制活塞或者镶有钢制活塞顶的活塞，这一点也是高效甲醇发动机的技术措施之一。高效甲醇发动机采用钢制活塞或者镶有钢制活塞顶的活塞的好处有两点，一是与甲醇接触的钢制活塞顶面对于甲醇的耐热腐蚀性可以比铝活塞更好，二是钢制的活塞顶面可以减少活塞在做功行程中的传热损失，有利于进一步提高发动机的热效率，若结合其他如增压技术或者可变气门定时技术，这一点体现得会更明显，同时钢制材料也能使活塞承受更高的爆发压力。
采用本发明提供的甲醇发动机燃烧***的工作方法后，可以高压缩比的情况下有效地避免发动机的爆震，且形成了良好的空气/燃料混合气，燃料燃烧快速充分，同时由于发动机的压缩比高，所以发动机可以获得高的燃烧效率；由于采用了多次喷射的方式，可以有效的缩短喷束的贯穿距离，减少喷束造成的湿壁现象。
此外，本发明的直喷技术方案较现有进气管喷射技术方案可以有效的解决混合气形成不良和各缸燃料量分配不均的问题。
附图说明
图1和图2是根据本发明提出的高效甲醇发动机的一个实施例图；图1是当活塞处在接近进气上止点(330CABTDC)时的示意性结构图，其中包括此时进行甲醇喷射形成的主喷射)；
图2是实施例中分别是2气门缸盖和4气门缸盖上进气门、排气门、火花塞和喷油器的布置示意图，其中图2中(a)为2气门缸盖的情况，图2中(b)为4气门缸盖的情况。
图3是实施例中当活塞处在进气行程中270CABTDC位置时的示意性结构图。
图4是实施例中当活塞处在进气行程中210CABTDC位置时的示意性结构图。
图5是实施例中当活塞处在进气行程中150CABTDC位置时的示意性结构图。
附图标记说明：
1为排气门，2为进气门，3为火花塞，4为喷油器，5为进气管，6为节气门体，7为活塞，8为凹坑，9为高温区，10为主喷射，11为气缸体，12为气缸盖，13为进气涡流，14为进气纵涡流，15为后喷射。
具体实施方式
以下结合附图对本发明做出进一步的说明。
如图1和图2所示，本发明提供的一种缸内直喷甲醇发动机，包括气缸体11、安装于气缸体11之上的气缸盖12以及安装于气缸体11内的活塞7，所述发动机还具有进气管5，进气管5上安装有控制发动机进气空气量的节气门体6；所述气缸盖12上安装有进气门2和排气门1，位于气缸盖12的中心还安装有火花塞3，在所述气缸盖12上还安装有喷油器4，所述活塞7顶面上设有凹坑8，与气缸盖12、一起形成燃烧室，所述喷油器4的产生的主喷射10朝向活塞7顶面上的凹坑8处燃烧室。
当发动机处在进气行程、活塞7向下运动到气缸中部时喷油器采用主喷射10喷入燃料，或者发动机处在压缩行程、活塞7向上运动到气缸中部，喷油器4采用后喷射15喷入甲醇燃料，所喷入的甲醇与气缸体11中的空气混合形成燃料/空气混合气，当活塞7向上运动到压缩行程末期时，由火花塞3点火点燃燃料/空气混合气，使燃料燃烧，气缸体11内气体膨胀做功，实现发动机的工作过程。
所述发动机气缸内进入的空气量的控制由安装于发动机进气管上的节气门体调节其节气门开度来实现。
所述发动机气缸内的燃料/空气混合比(空燃比)通过控制所述喷油器喷入的燃料数量来实现。
本发明提供的一种甲醇发动机燃烧***的工作方法，包括：
所述发动机的采用了高压缩比，其优选值为13～17。
为了实现发动机的高效率，所述发动机的采用了高压缩比，其优选值为13～17，已经比目前现有的发动机压缩比9～12高出很多。
所述高效发动机采用了控制喷油提前角和主喷射+后喷射的控制策略，来抑制发动机的爆震燃烧。
主喷射优选的喷油提前角范围为300～180CABTDC。
在压缩行程末期，气缸盖12的表面靠近排气门1与气缸体11壁面的区域是高温区9，它此时在整个燃烧室的空间内温度最高，是整个燃烧室内的高温末端，当这里的混合气浓度较高时(Lambda＝0.9～1.1)最容易发生爆震。为了抑制爆震，要将此尽量降低高温区9的混合气浓度。为此采取了控制喷油提前角和喷油次数的控制策略。
首先控制喷油提前角。
如图1所示，发动机进气行程开始时，活塞7处在上止点附近，随着活塞7向下运动，若喷油器4开始第1次喷射燃料，喷射燃料越早，主喷射10越容易喷射到活塞7顶面凹坑8的表面，与该表面发生碰撞后反弹到气缸盖12的表面和排气门1的表面上，或者靠近气缸盖12的表面和排气门1的表面的区域，由于此区域是气缸内温度最高的高温区9，加之此处远离进气门，此处的空气运动强度弱于其它附近区域，因此此区域的燃料量多于其他附近的区域，此高温区域燃料量越多，越容易在压缩行程后期形成爆震燃烧。进气行程中适当地推迟喷油，避免所喷射的燃料通过活塞顶面反弹到排气门侧的气缸盖表面，造成气缸上部特别是高温区9的燃料量少，处于稀混合气状态，可以抑制发动机的爆震燃烧；在适当推迟燃料喷射，避免燃喷束反弹到高温区9的前提下，还是要尽早进行喷射，这样混合气在气缸内停留的时间越长，形成的混合气越均匀，混合气形成质量越高，越有利于混合气的稳定燃烧。
当活塞向下运动到气缸中部时(如图3所示)，若此时喷油器开始喷射，喷油器的油束行程更长，此时主喷射10的中后段喷到活塞表面，对比图1中的情况，燃油更不易反弹到高温区9，燃油进入活塞顶面的凹坑8，喷束中的燃料部分通过活塞表面反弹到空气中，部分集结在凹坑8的表面上，集结在活塞表面的部分会在活塞炽热表面的加热作用下进一步挥发，有利于形成良好的燃料/空气混合气。
当活塞运动到气缸的下端附近时(如图4所示)，若此时喷油器开始喷射，喷油器的油束行程很长，油束后端侧面的***触及到气缸体11内壁面，燃料部分挥发，部分集结在缸体内壁面造成湿壁现象，湿壁现象会在缸体内壁面的部分稀释缸套表面的油膜，造成润滑不良和更多的磨损，同时集结在缸体内壁面的部分过多时还会出现液态甲醇通过活塞与缸体内壁之间的缝隙流入发动机油底壳的现象，这种情况在发动机温度较低的暖机工况出现的可能性更大，湿壁现象是应该尽量要避免的。
喷油控制策略中还包括后喷射15。
上述主喷射10产生在进气行程或者压缩行程早期，由于本工作模式主要采用均质混合气燃烧的方式，有主喷射就满足要求了。
但在发动机设计成压缩比高的情况下，当发动机处于大负荷状态，爆震更容易发生时，为了更好地抑制爆震的发生，可以进行主喷射10之后的后喷射15(如图5所示)，以进一步利用甲醇燃料气化潜热大的特点，进一步降低缸内压缩后期混合气的温度。后喷射发生在压缩行程的中期，此次喷射的燃料量不应超过总燃料量的30％，若喷射太晚，如在压缩行程的后期喷射，则由于燃料挥发的时间太短，不会不利于混合气的形成，同时也会更多地降低气缸中心混合气的温度，不利于压缩后期火花塞点燃混合气。后喷射既有利于降低爆震发生，又有利于对于稀燃发动机在气缸中心形成浓度比偏离气缸中心处更浓的混合气，有利于火花点火的稳定性和加速火焰传播，降低燃烧循坏变动。后喷射优选的曲轴转角为150～60CABTDC，后喷射燃料量越多，喷射越早。
在主喷射的喷油量大和喷射时间长的情况下，为了减少燃料喷到壁面，造成湿壁现象，可将1次进行的主喷射分成连续多次喷射，每次喷射的间隔为1～2毫秒，控制每次喷射的喷束贯穿距离小于喷束碰壁的距离。根据喷雾理论，为了避免碰壁，对于喷射压力为20Mpa、喷孔直径为0.2毫米的情况，喷射1.5毫秒的贯穿距可达100毫米，所以每次喷射时长控制在1～2毫秒就可以避免燃料大量碰壁，压力越高每次喷射时间越短。对于活塞处在气缸中上部时开始喷射的情况(图3)，即使喷射较早导致大量燃料喷到活塞顶上凹坑的情况是允许的，此时尽管燃料会集结在凹坑内，但不会造成缸壁的湿壁的现象，这些燃料会在活塞凹坑顶面的加热作用和压缩空气挤流的卷吸作用下，与空气形成良好的可燃空气混合气，此时不必将主喷射分成多次喷射。
所述高效率甲醇发动机的采用不同阶段组织不同气缸内空气流动的策略。
为了实现发动机的高效率，所述发动机采用了在进气行程中组织进气涡流13和在压缩行程组织压缩挤流的气缸内空气流动。
为了实现发动机的高效率，所述发动机或者采用了在进气行程中组织进气纵涡流14(滚流)和在压缩行程组织压缩挤流的气缸内空气流动。
采用缸内直喷方式取代进气管喷射方式后，由于燃料喷射后蒸发和与空气混合形成良好可燃混合气的时间短，所以必须组织适当形式和较强的空气运动来改善缸内燃料/空气混合气形成质量。
通过将气缸盖上的进气道设计成切向起到或者螺旋气道的方式，来组织进气涡流13，以改善进气过程中燃料与空气的混合。
通过将气缸盖上的进气道设计成切立式进气道的方式，来组织进气纵涡流14，以改善进气过程中燃料与空气的混合。
在活塞7顶上设置凹坑8形状的燃烧室，例如典型的浴盆型燃烧室，在压缩行程中形成压缩挤流、在膨胀行程中形成逆挤流，这样有利于在甲醇燃料喷入气缸后与空气混合形成总体上更加均匀的混合气，便于火焰传播和燃烧。
所述高效率甲醇发动机的甲醇喷射压力范围为20～500bar，优选值为60～200bar。
为了实现良好的燃料喷雾效果，根据发动机不同工况时的喷入的燃料量的不同，采用不同的喷油压力，燃料量越多，喷油压力越高。所述喷油压力范围为20～500bar，优选值为60～200bar。甲醇发动机采用进气管喷射方式时，喷油压力为3～5bar，采用缸内直喷后，喷油压力范围为20～500bar，这样具有良好的喷雾效果。同时为了降低甲醇高压油泵的功耗，在满足甲醇直喷喷雾效果的前提下，优先甲醇喷油压力为60～200bar。
发动机在不同运行工况下的喷油压力、喷油提前角、喷射次数，均通过对发动机进行匹配标定试验优化而确定。
发动机基本结构中所述的活塞优先选用钢制活塞或者镶有钢制活塞顶的活塞，这一点也是高效甲醇发动机的优选技术措施之一。高效甲醇发动机采用钢制活塞或者镶有钢制活塞顶的活塞的好处有两点，一是与甲醇接触的钢制活塞顶面对于甲醇的耐热腐蚀性可以比铝活塞更好，二是钢制的活塞顶面可以减少活塞在做功行程中的传热损失，有利于进一步提高发动机的热效率，若结合其他如增压技术或者可变气门定时技术，这一点体现得会更明显，同时也能使活塞承受更高的爆发压力。
实施例实测效果
一台由柴油机改装的缸径为92mm的风冷单缸自然吸气发动机(型号为192F)，排量约0.5升，2气门，螺旋进气道产生进气涡流，火花塞布置在进气门和排气之间，活塞顶的凹坑为浴盆型，压缩比为15。此发动机在工况为节气门全开、转速为2500转/分、Lambda＝1(理论混合比)时，若喷油提前角早于330CABTDC，则会出现爆震燃烧，当喷油提前角晚于300CABTDC后就不会出现爆震燃烧，当喷油提前角为270CABTDC时，发动机的有效热效率可达37％，这对单缸发动机来说是一个很不错的水平。当喷油提前角小于180CABTDC时，发动机的热效率会有所下降。所以优选的喷油提前角为300～180CABTDC。
至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的实施过程，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。

Claims (4)

1.一种甲醇发动机燃烧***的工作方法，其特征在于，该工作方法基于缸内直喷甲醇发动机，包括：
该发动机采用的压缩比为13～17；
该发动机采用控制喷油提前角和主喷射与后喷射的控制策略，且主喷射的喷油提前角范围为300～180CABTDC,这样造成气缸上部的高温区燃料量少，处于稀混合气状态，抑制了发动机的爆震燃烧；
所述甲醇发动机燃烧***的工作方法采用的缸内直喷甲醇发动机，包括气缸体(11)、安装于气缸体(11)之上的气缸盖(12)以及安装于气缸体(11)内的活塞(7)；其中，该发动机还具有进气管(5),进气管(5)上安装有控制发动机进气空气量的节气门体(6)；气缸盖(12)上安装有进气门(2)和排气门(1),位于气缸盖(12)的中心还安装有火花塞(3),在所述气缸盖(12)上安装有喷油器(4),活塞(7)的顶面上开设有凹坑(8),与气缸体(11)一起形成燃烧室，喷油器(4)形成的主喷射(10)朝向活塞(7)顶面上的凹坑(8)处燃烧室；
当发动机处在进气行程、活塞(7)向下运动到气缸中部，喷油器(4)采用主喷射(10)喷入甲醇燃料，或者发动机处在压缩行程、活塞(7)向上运动到气缸中部，喷油器(4)采用后喷射(15)喷入甲醇燃料，喷入的甲醇与气缸体(11)中的进气行程中进入的空气混合形成燃料/空气混合气，当活塞(7)向上运动到压缩行程末期时，由火花塞(3)点火点燃燃料/空气混合气，使燃料燃烧，气缸体(11)内气体膨胀做功，实现发动机的工作过程；
在主喷射的喷油量大和喷射时间长的情况下，为减少燃料喷到壁面的情况，将1次进行的主喷射分成2～3次进行，且每次喷射的间隔为1～2毫秒；
该发动机的甲醇喷射压力范围为20～500bar；
该发动机的采用不同阶段组织不同气缸内空气流动的策略，在进气行程中组织进气涡流和在压缩行程组织压缩挤流的气缸内空气流动，或者在进气行程中组织进气纵涡流/滚流和在压缩行程组织压缩挤流的气缸内空气流动。
2.根据权利要求1所述的一种甲醇发动机燃烧***的工作方法，其特征在于，活塞(7)选用钢制活塞或者镶有钢制活塞顶的活塞。
3.根据权利要求1所述的一种甲醇发动机燃烧***的工作方法，其特征在于，该发动机的甲醇喷射压力范围为60～200bar。
4.根据权利要求1所述的一种甲醇发动机燃烧***的工作方法，其特征在于，后喷射的喷射提前角为150～60CABTDC,后喷射的燃料量不超过总燃料量的30%,且后喷射燃料量越多，喷射越早。
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