大缸径气体发动机的湍流射流点火系统、供气系统及方法与流程

1.本发明涉及大缸径气体发动机技术领域，尤其涉及一种大缸径气体发动机的湍流射流点火系统、供气系统及方法。


背景技术：

2.本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
3.气缸直径大于180mm的大缸径气体发动机采用天然气作为燃料，应用领域包括内河船舶动力、石油钻井动力和气体发电机组等，是具有广阔应用潜力的机型。为了提高发动机的燃烧热效率，降低氮氧化物排放，提出了在缸内组织稀薄燃烧这一技术路线。然而，天然气火焰传播速度慢，稀薄燃烧特性差，大缸径气体发动机燃烧室内火焰传播距离长等问题使发动机在稀薄燃烧工况下的动力性和经济性变差。基于此，湍流射流点火系统应运而生，包含预燃室的湍流射流点火系统在主燃烧室内形成多点分布式着火，有效缩短了主燃烧室内火焰传播距离，同时高速射流从预燃室进入主燃烧室，增强了主燃烧室内气流扰动，从而加快了火焰传播速度，因此，针对大缸径气体发动机组织稀薄燃烧面临的难题，湍流射流点火系统是有效解决方案。
4.湍流射流点火系统组织稀薄燃烧的关键是将预燃室内燃烧产生的热能最大限度地转化为射流的动能和内能，使高温高速的湍流射流在主燃烧室内形成多个分布式点火源，从而快速点燃稀混合气，由此可知，影响射流能量的关键因素是在预燃室内开展的燃烧过程。然而，经过膨胀和排气冲程后，预燃室内充满了燃烧残余废气，并且因为受到结构限制，气门重叠期内难以通过主燃烧室的进、排气过程对预燃室组织有效的扫气，导致点火时预燃室内残余废气浓度过高，对燃烧过程产生消极影响，削弱了湍流射流点火能力。对于未采用额外燃料供应的被动式预燃室，预燃室内混合气与主燃烧室内混合气的当量比相同，此时为了保证发动机稳定运行，混合气当量比要求必须大于0.63，难以实现稳定稀薄燃烧。此外，预燃室连接通道在主燃烧室内的不当布置也会影响湍流射流在主燃烧室内的点火过程，比如，湍流射流在主燃烧室内的不均匀空间分布以及较小射流贯穿距，会降低射流的点火能力，导致引燃效果较差；又如射流喷射出口过于靠近主燃烧室侧壁或活塞顶面，在射流喷射过程中可能会发生射流撞壁现象，导致较高的射流壁面传热损失，降低射流的点火能量。


技术实现要素：

5.为了解决上述问题，本发明提出了一种大缸径气体发动机的湍流射流点火系统、供气系统及方法，湍流射流点火系统可以在主燃烧室内形成空间多点均匀分布式点火源，能够实现大缸径气体发动机稀薄燃烧，解决预燃室内燃烧残余废气浓度高，发动机点火和燃烧稳定性差的问题。
6.在一些实施方式中，采用如下技术方案：
7.一种大缸径气体发动机的湍流射流点火系统，包括：
8.预燃室，所述预燃室通过多个流体通路分别与主烧燃室连通；
9.预燃室气体喷射阀，通过气体输送管路和单向阀与预燃室连接，用于定时定量地向预燃室内喷射辅助气体；
10.火花塞，设置在所述预燃室上，所述火花塞的点火电极探入预燃室内；
11.至少一个流体通路设置在所述预燃室的底部中心处，所述流体通路的中心轴线平行于所述预燃室的中心轴线。
12.作为进一步地方案，设置在所述预燃室的底部中心处的流体通路为圆柱形台阶孔，所述圆柱形台阶孔的半径由预燃室向主燃烧室方向依次递增。
13.作为进一步地方案，其余流体通路设置在预燃室的周向，所述流体通路为圆柱形直通孔，所述圆柱形直通孔中心轴线的水平分量沿预燃室的径向。
14.作为进一步地方案，所述圆柱形直通孔的直径d与圆柱形直通孔的长度l的取值关系满足：l＝2d。
15.作为进一步地方案，所述单向阀出口与所述预燃室相通，所述单向阀的气体喷射方向平行于所述预燃室纵向轴线方向，或与所述预燃室纵向轴线方向成设定夹角，或与所述预燃室周向方向相切。
16.在另一些实施方式中，采用如下技术方案：
17.一种大缸径气体发动机的供气系统，包括：控制器和上述的大缸径气体发动机的湍流射流点火系统；
18.所述主燃烧室上分别设置进气通道和排气通道，所述进气通道通过所述预燃室气体喷射阀与气体输送管路连接；所述进气通道与燃气进气通路连接；所述进气通道还通过中冷器与增压器连接；所述排气通道通过排气旁通阀与所述增压器连接；
19.所述控制器用于控制预燃室气体喷射阀、排气旁通阀和燃气进气通路。
20.作为进一步地方案，所述燃气进气通路包括：燃气输送管路，所述燃气输送管路上依次连接燃气流量计、燃气输送管路电磁阀、减压器和燃气喷射电磁阀；所述燃气喷射电磁阀与所述进气通道连接；所述控制器与燃气输送管路电磁阀、减压器和燃气喷射电磁阀分别连接。
21.作为进一步地方案，所述增压器依次连接空气流量计和空气滤清器，空气经过滤清器和空气流量计进入所述增压器。
22.在另一些实施方式中，采用如下技术方案：
23.一种大缸径气体发动机的供气方法，包括：
24.控制燃气进气通路关闭，控制空气以设定的压力进入主燃烧室和预燃室进行扫气；
25.控制燃气进气通路开启，控制燃气和空气分别以设定的压力进入主燃烧室的进气通道，形成设定浓度的混合气；控制所述混合气分别进入主燃烧室和预燃室；
26.降低燃气喷射压力，关闭预燃室气体喷射阀，以使得所述进气通道内混合气的燃气浓度降低并仅进入主燃烧室，完成设定的燃气喷射量和空气进气量。
27.作为进一步地方案，通过控制燃气喷射压力，以控制进气通道内混合气的燃气浓度。
28.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
29.(1)本发明湍流射流点火系统可以在主燃烧室内形成空间多点均匀分布式点火源，显著增加点火能量、缩短火焰传播距离，有助于组织稀薄燃烧。
30.预燃室喷出的湍流射流在主燃烧室内形成伞状点火源分布，高温高速的湍流射流覆盖主燃烧室内大部分空间，有效缩短火焰传播距离。
31.(2)本发明供气系统结构简单，预燃室与主燃烧室共用一套供气管路，针对不同应用环境，供气管路的结构不需要进行大规模改造，仅需要根据发动机工况和运行需求调节供气系统的控制策略。
32.本发明供气系统既可以对预燃室进行有效的扫气和辅助燃料喷射，又满足主燃烧室的供气需求，在预燃室和主燃烧室之间形成精准的分层燃烧。
33.(3)本发明有效的扫气和加浓过程改善了预燃室内混合气质量，预燃室内较浓混合气可以被普通火花塞成功点燃并快速燃烧，使湍流射流点火系统的点火能力得到了大幅度提升。同时可以在主燃烧室内组织稀薄燃烧，湍流射流的高能点火能够可靠引燃稀混合气，加快燃烧速度，从而有效减少未燃hc和氮氧化物等污染物排放。
34.(4)本发明系统及方法适用性较强，应用工况范围广。辅以发动机上丰富的、精确的传感器信号采集，基于控制map图，该发明可成功应用在多种领域的大缸径气体发动机上，满足固定工况或变工况等运行需求。
35.本发明的其他特征和附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本方面的实践了解到。
附图说明
36.图1为本发明实施例中的大缸径气体发动机的湍流射流点火系统结构示意图；
37.图2(a)、(b)分别为本发明实施例中的预燃室的流体通路的示意图，分别为预燃室的正视图和仰视图；
38.图3(a)-(c)分别为本发明实施例中的预燃室和单向阀的正视图和俯视图；
39.图4为本发明实施例中的大缸径气体发动机的供气系统结构示意图；
40.其中，0.发动机缸盖，1.预燃室，2.主燃烧室，3.火花塞，4.单向阀5.气体输送管路6.预燃室气体喷射阀，7.燃气输送管路电磁阀，8.燃气流量计，9.减压器，10.燃气喷射电磁阀，11.滤清器，12.空气流量计，13.涡轮增压器，14.排气旁通阀，15.中冷器，16.进气通道，17.进气门，18.排气门，19.排气通道，20.控制器。
具体实施方式
41.应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本技术提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本技术所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
42.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技术的示例性实施方式。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。
43.实施例一
44.在一个或多个实施方式中，公开了一种大缸径气体发动机的湍流射流点火系统，如图1所示，包括：
45.预燃室1，所述预燃室1通过多个流体通路分别与主燃烧室2连通；
46.预燃室气体喷射阀6，通过气体输送管路5和单向阀4与预燃室1连接，用于定时定量地向预燃室1内喷射辅助气体；
47.火花塞3，设置在所述预燃室1上，所述火花塞3的点火电极探入预燃室1内，用于点燃预燃室1内可燃混合气。
48.至少一个流体通路设置在所述预燃室1的底部中心处，所述流体通路的中心轴线平行于所述预燃室1的中心轴线。
49.具体地，预燃室1用于产生湍流射流，经过设置在其下部的多个流体通路与主燃烧室2相通；预燃室1设置于发动机缸盖0上，沿主燃烧室2中心轴线位于主燃烧室2顶部，使流体通路出口探入主燃烧室2，缸盖上加工有用于冷却预燃室1的水道。
50.预燃室1上的流体通路为圆柱形通孔，流体通路的数目优选为5、6、7、8、9个，如图2(a)-(b)所示5个流体通路的布置，一个圆柱形台阶孔设置在预燃室1的底部中心处，该圆柱形台阶孔的中心轴线平行于预燃室1的中心轴线，圆柱台阶孔的半径大小向主燃烧室2方向依次递增，台阶孔的台阶数优选为1或2个；除去该圆柱形台阶孔以外的其余4个流体通路均匀地设置在预燃室1的周向，是具有相同几何结构尺寸的圆柱形直通孔，并且圆柱形直通孔的中心轴线的水平分量沿预燃室1的径向，周向布置的圆柱形直通孔的直径d与圆柱形直通孔的长度l的取值关系优选为l＝2d。
51.本实施例中，预燃室1内可燃混合气燃烧产生的高温气体经过布置在预燃室1下部的多个流体通路在主燃烧室2内形成伞状分布式点火源。大部分燃烧高温气体经周向均匀设置的圆柱形直通孔喷出，在主燃烧室2内形成蓬型伞状的火焰面，缩短了点火源至主燃烧室2侧壁面的距离；另有一部分燃烧高温气体经设置在预燃室1底部中心处的圆柱形台阶孔喷出，喷射形成的湍流射流近似于上述蓬型伞状火焰面的伞柄，用于点燃伞状火焰面下方的未燃气体，又因为预燃室1底部与活塞顶面之间的垂直距离较小，为了避免湍流射流在喷射过程中撞击到活塞顶面，因此将预燃室1底部的流体通路设计成半径逐渐增大的台阶型圆柱通孔，使射流喷出时在通路内充分膨胀以缩短射流贯穿距，从而减少因湍流射流撞壁所引起的壁面传热损失，最大限度利用湍流射流所携带的点火能量。
52.单向阀4，用于向预燃室1喷射气体同时阻止缸内高温燃烧气体外漏；单向阀4安装在发动机缸盖0上，单向阀4出口与预燃室1相通，参照图3(a)-(c)，单向阀4的气体喷射方向可能平行于预燃室1纵向轴线方向，或与预燃室1纵向轴线方向成一定夹角，或与预燃室1周向方向相切，具体安装角度不仅取决于设计目标，还受限于缸盖上有限的安装空间。
53.预燃室气体喷射阀6，用于定时定脉宽为预燃室1提供辅助气体喷射；气体输送管路5，用于连接单向阀4和预燃室气体喷射阀6的气体流动通路。气体输送管路5的一端开口与单向阀4的入口相连接，另一端开口与预燃室气体喷射阀6的出口相连接，气体输送管路5的流动区域的容积要尽可能的小。
54.本实施例中，单向阀4、气体输送管路5和预燃室气体喷射阀6相连接所组成的燃气喷射系统可以定时定脉宽地向预燃室1喷射气体，用于扫除预燃室1内燃烧残余废气以及增
加混合气中燃料质量组分，喷射气体包括空气、空气和天然气的混合气。
55.实施例二
56.在一个或多个实施方式中，公开了一种大缸径气体发动机的供气系统，结合图4，包括：控制器20和实施例一中所述的大缸径气体发动机的湍流射流点火系统；主燃烧室2上分别设置进气通道16和排气通道19，进气通道16通过预燃室气体喷射阀6与气体输送管路5连接；进气通道16与燃气进气通路连接；进气通道16还通过中冷器15与增压器连接；排气通道19通过排气旁通阀14与所述增压器连接；控制器20用于控制预燃室气体喷射阀6、排气旁通阀14和燃气进气通路。
57.具体地，进气通道16和排气通道19与主燃烧室2相连接，用于组织主燃烧室2的进气和排气，进气门17和排气门18分别设置在进气通道16和排气通道19内，用于控制主燃烧室2的进气和排气过程。
58.燃气进气通路包括：燃气输送管路，燃气输送管路上依次连接燃气输送管路电磁阀7、燃气流量计8、减压器9和燃气喷射电磁阀10；燃气输送管路电磁阀7的入口与燃气输送管路相连接，燃气输送管路电磁阀7用于控制燃气管路的通断，燃气输送管路电磁阀7的出口与燃气流量计8相连接，燃气流量计8用于测量发动机运行过程中消耗的燃气流量，燃气流量计8的出口与减压器9相连接，减压器9用于降低燃气压力并保证压力稳定，减压器9与燃气喷射电磁阀10相连接，燃气喷射电磁阀10安装在进气通道16上，燃气喷射电磁阀10用于向进气通道16内喷射燃气，上述预燃室气体喷射阀6位于燃气喷射电磁阀10下游，预燃室气体喷射阀6的入口与进气通道16相连接。
59.增压器依次连接空气流量计12和空气滤清器11，空气经过滤清器11和空气流量计12进入增压器，增压器的压气机出口与中冷器15的入口相连接，中冷器15的出口与进气道相连接，为发动机提供增压空气。其中，涡轮增压器13的涡轮机经排气旁通阀14与排气道相连接，排气旁通阀14用于控制排气旁通量，以精确地调节增压压力。
60.本实施例中，控制器20与预燃室气体喷射阀6、排气旁通阀14、燃气输送管路电磁阀7、减压器9和燃气喷射电磁阀10分别连接，用于控制操纵湍流射流点火系统和供气系统中的电子器件。
61.本发明实施例的湍流射流点火系统和供气系统可以使大缸径气体发动机稳定运行在高效的稀薄燃烧工况，有利于提升气体发动机的燃烧热效率，降低燃料消耗率。
62.作为进一步的实施方式，公开了一种大缸径气体发动机，其包括了实施例一中的湍流射流点火系统，以及实施例二中的供气系统。
63.实施例三
64.在一个或多个实施方式中，公开了一种大缸径气体发动机的供气方法，该方法包括以下过程：
65.控制燃气进气通路关闭，控制空气以设定的压力进入主燃烧室2和预燃室1进行扫气；
66.控制燃气进气通路开启，控制燃气和空气分别以设定的压力进入主燃烧室2的进气通道16，形成设定浓度的混合气；控制所述混合气分别进入主燃烧室2和预燃室1；
67.降低燃气喷射压力，关闭预燃室气体喷射阀6，以使得所述进气通道16内混合气的燃气浓度降低并仅进入主燃烧室2，完成设定的燃气喷射量和空气进气量。
68.具体地方法步骤如下：
69.步骤1：进气冲程中，进气门17按照气门升程曲线开启和关闭。
70.步骤2：在进气冲程初期，控制器20控制燃气喷射电磁阀10关闭，进气通道16内的增压空气经进气门17流入主燃烧室2，对主燃烧室2进行扫气。
71.与此同时，控制器20控制预燃室气体喷射阀6开启，进气通道16内的增压空气经预燃室气体喷射阀6、气体输送管路5和单向阀4流入预燃室1，对预燃室1进行扫气，根据空气的增压压力、发动机转速确定该扫气过程的持续时间。
72.步骤3：空气扫气过程结束后，控制器20控制减压器9的出口压力，控制器20控制燃气喷射电磁阀10开启，燃气经燃气喷射电磁阀10流入进气通道16，在进气通道16内形成空气-燃气浓混合气，该浓混合气经进气门17流入主燃烧室2。
73.与此同时，控制器20控制预燃室气体喷射阀6开启，进气通道16内形成的浓混合气经预燃室气体喷射阀6、气体输送管路5和单向阀4流入预燃室1，有效增加预燃室1内燃气质量组分，称其为预燃室1加浓过程，依据发动机运行工况和发动机转速确定燃气喷射压力加浓过程持续时间。
74.步骤4：加浓过程结束后，控制器20控制预燃室气体喷射阀6关闭，控制器20控制减压器9的出口压力降低，控制器20控制燃气喷射电磁阀10开启，在进气通道16内形成空气-燃气稀混合气，进气通道16内稀混合气经进气门17流入主燃烧室2，控制器20控制燃气喷射电磁阀10完成所设定的目标燃气喷射量。
75.本实施例中，燃气经燃气输送管路电磁阀7、燃气流量计8流入减压器9，经过减压器9，使减压器9出口燃气压力降低至所需压力后提供给燃气喷射电磁阀10，控制器20控制减压器9的出口压力。
76.空气经过空气滤清器11流入空气流量计12，经过涡轮增压器13的压气机压缩为所需进气压力，增压后的空气经过中冷器15流入进气通道16。
77.本实施例中，控制器20通过控制减压器9的出口压力，使燃气经燃气喷射电磁阀10被变压力的喷入进气通道16，以形成不同浓度的空气-燃气混合气。
78.预燃室气体喷射阀6按照控制器20指令定时定脉宽开启，以将进气通道16内气体引入预燃室1中，气体包括空气或空气和天然气的混合气，扫除预燃室1内燃烧残余废气并且增加预燃室1内燃气的质量组分。
79.通过以上实施例，大缸径气体发动机的湍流射流点火系统可以在主燃烧室2内形成多点均匀分布式点火源，显著增加点火能量、缩短火焰传播距离，有助于组织稀薄燃烧。预燃室1喷出的湍流射流在主燃烧室2内传播而不发生撞壁，减小了因湍流射流撞壁而引起的传热损失，最大限度利用射流能量。
80.供气系统结构简单，预燃室1与主燃烧室2共用一套供气管路，针对不同应用环境，不需要对供气管路的结构进行大规模改造，仅需要根据发动机工况和运行需求调节供气系统的控制策略。供气方法既可以对预燃室1进行有效的扫气和辅助燃料喷射，又满足主燃烧室2的供气需求，在预燃室1和主燃烧室2之间形成精准的分层燃烧。
81.可以提升大缸径气体发动机的稀薄燃烧特性，加快燃烧速度，有效减少未燃hc和氮氧化物等污染物排放；适用性较强，应用工况范围广，辅以发动机上丰富的、精确的传感器信号采集，基于控制map图，上述实施例方案可成功应用在多种领域的大缸径气体发动机
上，满足固定工况或变工况等运行需求。
82.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。