专利名称：大型气体燃料发动机燃烧系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种大型气体燃料发动机燃烧系统，属于以天然气、煤层气、沼气、生 物质(如木屑、秸秆等)气化燃气、垃圾填埋气等为燃料的大型陆上电站发动机领域。
背景技术：
气体燃料发动机具有燃料经济性好、有害排放低的优点。另外，气体燃料发动机的 推广应用有利于降低对石油能源的依赖程度。所以发展绿色节能的气体燃料发动机对于我 国的节能减排和保障能源安全意义重大。但是气体燃料(如天然气、煤层气、沼气、生物质气化燃气、垃圾填埋气等)具有 燃烧速率较慢、热值低等特点，在内燃机上应用时会遇到热效率低、排温高、功率下降(与 同型号柴油机或汽油机相比)等问题，尤其在大型船用主机和大型陆上电站发动机上应用 时，由于大型机尺寸大、转速低的特点，上述问题会更加严重。另外，由于在大型机缸内火焰 传播距离远，如果不采用相应的措施缩短火焰传播时间，则很容易发生远端混合气自燃而 引发爆震燃烧(以下简称爆燃)。为了抑制爆燃并提高燃烧效率，大型气体燃料发动机通常 采用过量空气系数Φ3> 1的稀燃燃烧。但是在稀燃条件下，气体燃料燃烧速率低的问题会 更加严重，造成热功转换效率进一步降低。而如果混合气过稀，就有可能发生火焰淬熄甚至 部分工作循环不发火的严重问题，其直接后果是燃料消耗率大大增加，碳氢化合物(HC)排 放急剧增加。因此，有效提高气体燃料的稀燃燃烧速率是实现大型气体燃料发动机高效清 洁燃烧的关键。
发明内容
本发明的目的通过新型燃烧系统，以“分区控制，湍流激扰”方式提高气体燃料大 型发动机的点火可靠性、提高稀燃燃烧速率、扩展稀燃极限，改善主机的燃料经济性并降低 有害排放。本发明采用的技术方案是一种大型气体燃料发动机燃烧系统主要包括一个激扰 源区和一个主燃区，在激扰源区与主燃区之间设有排气侧分区通道和进气侧分区通道；在 所述激扰源区中设有高压气体燃料喷射装置和火花塞，在进气道中设有一个进气滚流控制装置。所述排气侧分区通道和进气侧分区通道为非对称分布，排气侧分区通道与气缸中 心线的夹角α大于在进气侧分区通道与气缸中心线的夹角β。所述高压气体燃料喷射装置在进气冲程中期开始喷射燃料，高压气体燃料流经激 扰源区、排气侧分区通道和进气侧分区通道，在主燃区内形成主燃区内排气侧燃料射流和 主燃区内进气侧燃料射流，与缸内滚流相互作用形成均勻的稀混合气。所述激扰源区的激扰源区顶面的形状为球面。所述燃烧系统在点火前再次向激扰源区喷射形成区内稍浓混合气的气体燃料。采用上述技术方案的指导思想是以“激扰源区”和“主燃区”以及连通二者的“分区通道”为核心的新型系统结构保证缸内主燃区宏观滚流运动与燃料喷射方向的紧密配合 并实现在点火时刻激扰源区内形成高湍流度稍浓混合气。整个燃烧系统的工作原理是在进气冲程中期开始喷射燃料，高压气体燃料流经 激扰源区和分区通道在缸内形成燃料射流，此时缸内已经形成较强的进气滚流辅助燃料射 流向缸内扩散，最终形成均勻的稀混合气。由于高压气体燃料的温度较低，当这部分气体流 经激扰源区时，具有扫气降温作用。进气阀在下止点前关闭，采用米勒循环，提高膨胀比，以 提高主机的效率，同时进气阀提前关闭产生的预膨胀对激扰源区内的气体产生抽吸作用。 在压缩冲程，缸内压力升高，稀混合气被压缩，通过分区通道被压入激扰源区。在点火前再 次向激扰区喷射气体燃料形成区内的稍浓混合气，在点火时刻火花塞放电，点燃稍浓混合 气，形成“湍流激扰源”， 激发湍流火焰高速冲入主燃区，在提高主燃烧室内稀混合气的燃烧 速率的同时，大大增加了激扰火焰的扩散面，有效缩短火焰传播时间，在提高主机热效率的 同时，还有效避免船用主机缸内大尺度空间火焰传播时间过长所造成的爆燃问题，实现气 体燃料的高效清洁燃烧。发明的设计要点有三个1)采用单套燃料喷射系统，喷射器位于激扰源区内。两次喷射燃料。第一次喷射为 主喷，喷射时间开始于进气冲程中期；第二次喷射为少量喷射，喷射时间是点火时刻之前。2)以进气道和进气滚流调节装置形成缸内逆时针方向强滚流。强滚流的作用有 三a)提高缸内湍流度，提高燃烧速率；b)促进燃料的扩散，提高混合气均勻度。3)分区通道布置为非对称形式。在进气阀侧分区通道与气缸中心线夹角β较小， 而在排气阀侧的分区通道与气缸中心线夹角α较大。这样的设计出发点有三a)当燃料从 激扰源区向主燃区运动时，分区通道所产生的缸内射流与滚流相互配合，实现混合气的均 勻分布；b)在压缩冲程当缸内气体被挤入激扰源区时，由于通道方向的偏移，挤流在激扰 源区形成逆时针方向的有序运动，促进第二次喷射燃料时激扰源区内均勻混合气的形成； c)着火后，湍流激扰火焰在主燃区内滚流的带动下沿逆时针方向偏移，扩大火焰面积，加快 燃烧ο本发明的有益效果是这种大型气体燃料发动机燃烧系统主要包括和一个激扰 源区和一个主燃区，在激扰源区与主燃区之间设有分区通道；在激扰源区中设有火花塞和 高压气体燃料喷射装置，在进气道中设有一个进气滚流控制装置。采用该技术方案可以有 效提高气体燃料的稀燃燃烧速率，在提高燃烧效率的同时也大大提高的发动机的有效热效 率，实现节能和降低温室气体排放。同时，由于系统组织的是稀燃燃烧，其NOx排放显著降 低；而且由于新系统避免了稀燃所面临的部分燃烧和失火等问题，其HC排放也大大降低。 从而实现了大型气体燃料发动机的绿色节能。
图1是一种气体燃料大型发动机的燃烧系统结构示意图。图2是压缩冲程主燃区内的气体运动情况。图3是第二次燃料喷射在激扰源区内与气体运动的配合。图4是燃烧过程中在主燃区内滚流作用下激扰火焰射流驱动火焰快速发展。图5是气体燃料大型发动机的“分区控制、湍流激扰”方式控制稀燃过程。
图中1、进气滚流控制装置，2、进气道，3、进气阀，4、激扰源区，4a、高压气体燃料喷射装置，4b、火花塞，4c、激扰源区内燃料喷射，4d、排气侧分区通道，4e、进气侧分区通道， 4f、激扰源区内滚流，4g、激扰源区顶面，5、排气道，6、排气阀，7、主燃区内排气侧燃料射流， 7a、主燃区内排气侧激扰火焰射流，8、主燃区内进气侧燃料射流，8a、主燃区内进气侧激扰 火焰射流，9、主燃区，10、缸内滚流，11、活塞，12、气缸套。
具体实施例方式图5示出了气体燃料大型发动机的“分区控制、湍流激扰”方式控制稀燃过程。下 面结合图5对进气冲程、压缩冲程、燃烧及做功过程作进一步说明。1)进气冲程，为图1所示。在进气冲程中期高压气体燃料喷射装置4a开始主喷射，高压气体燃料流经激扰 源区4、排气侧分区通道4d和进气侧分区通道4e在缸内形成主燃区内排气侧燃料射流7和 主燃区内进气侧燃料射流8，燃料射流在逆时针方向的缸内滚流10作用下向缸内扩散，在 主燃区9形成均勻的稀混合气。由于高压气体燃料的温度较低，当这部分气体流经激扰源 区4时，具有扫气降温作用，从而降低该区域受热表面的温度，减小热应力，提高发动机的 可靠性；另外受热表面温度的降低还有助于降低表面点火发生的可能性。2)压缩冲程，为图2和图3所示。在压缩冲程，缸内压力升高，稀混合气被压缩，通过排气侧分区通道4d和进气侧 分区通道4e被压入激扰源区4。在挤入过程中，进气侧分区通道4e所产生的挤流以接近垂 直方向入射，排气侧分区通道4d所产生的挤流以接近水平方向入射，在两组挤流射流的共 同作用下，在激扰源区4形成逆时针方向的激扰源区内滚流4f。在点火前高压气体燃料喷 射装置4a再次向激扰区4喷射气体燃料时促进激扰源区4内均勻混合气的形成，高质量的 混合气是保证可靠点火的前提。图2为压缩冲程主燃区内的气体运动，图3是激扰源区内 第二次喷射燃料与气体运动的配合方式。3)燃烧及做功过程，为图4所示。在点火前气体燃料形成激扰源区4内的高湍流度稍浓混合气，在点火时刻火花塞 放电，点燃稍浓混合气，形成“湍流激扰源”，激发湍流火焰高速冲入主燃区9，形成主燃区内 排气侧激扰火焰射流7a、主燃区内进气侧激扰火焰射流8a，由于此时主燃区9内仍有逆时 针方向缸内滚流10存在，在缸内滚流10的作用下，主燃区内排气侧激扰火焰射流7a、主燃 区内进气侧激扰火焰射流8a按逆时针方向偏转，向主燃区9的远端快速扩展，由于火源为 多个火焰喷注表面，其总面积远远大于传统火花塞4b放电所形成的单个火焰核心，所以混 合气的燃烧时间可大大缩短。另外由于“湍流激扰”作用造成主燃区9内湍流度大大增加， 湍流燃烧速率大幅提高，从而进一步提高了整体燃烧速率，缩短了火焰传播时间，有效提高 发动机的热效率和燃烧效率，大幅减少HC排放；同时，还有效避免缸内大尺度空间火焰传 播时间过长所造成的爆燃问题，实现气体燃料的高效清洁燃烧。
权利要求
一种大型气体燃料发动机燃烧系统，其特征是它主要包括一个激扰源区(4)和一个主燃区(9)，在激扰源区(4)与主燃区(9)之间设有排气侧分区通道(4d)和进气侧分区通道(4e)；在所述激扰源区(4)中设有高压气体燃料喷射装置(4a)和火花塞(4b)，在进气道(2)中设有一个进气滚流控制装置(1)。
2.据权利要求1所述的大型气体燃料发动机燃烧系统，其特征是所述排气侧分区通 道(4d)和进气侧分区通道(4e)为非对称分布，排气侧分区通道(4d)与气缸中心线的夹角 a大于在进气侧分区通道(4e)与气缸中心线的夹角3。
3.据权利要求1所述的大型气体燃料发动机燃烧系统，其特征是所述高压气体燃料 喷射装置(4a)在进气冲程中期开始喷射燃料，高压气体燃料流经激扰源区(4)、排气侧分 区通道(4d)和进气侧分区通道(4e)，在主燃区(9)内形成主燃区内排气侧燃料射流(7)和 主燃区内进气侧燃料射流(8)，与缸内滚流(10)相互作用形成均勻的稀混合气。
4.据权利要求1所述的大型气体燃料发动机燃烧系统，其特征是所述激扰源区(4) 的激扰源区顶面(4g)的形状为球面。
5.据权利要求1所述的大型气体燃料发动机燃烧系统，其特征是所述燃烧系统在点 火前再次向激扰源区(4)喷射形成区内稍浓混合气的气体燃料。
全文摘要
一种大型气体燃料发动机燃烧系统，属于气体燃料的大型陆上电站发动机领域。针对大型发动机的特点，新燃烧系统以分区控制、湍流激扰方式实现稀混合气快速燃烧，实现气体燃料大型发动机的高效清洁燃烧。该系统的核心部件包括进气滚流控制装置、主燃区、分区通道、激扰源区、高压气体燃料喷射装置和火花塞等。系统以一套燃料供给系统实现激扰源区的高湍流度稍浓燃烧和主燃区的稀燃，并在进气冲程完成高温区域扫气降温的任务，从而进一步提高大型气体燃料发动机的功率、扩展稀燃极限、提高有效热效率、改善燃料经济性并提高可靠性。该燃烧系统适用于陆上电站用气体燃料发动机和大型船用气体燃料主机，是绿色节能的大型气体燃料发动机的核心技术。
文档编号F02B43/00GK101858245SQ20101016154
公开日2010年10月13日 申请日期2010年4月28日 优先权日2010年4月28日
发明者冯立岩 申请人:大连理工大学