天然气发动机燃烧系统及燃烧方法、天然气发动的制造方法
【专利摘要】本发明涉及内燃机【技术领域】，公开了一种天然气发动机燃烧系统及燃烧方法、天然气发动机，为在使用EGR废气冷却再循环技术的天然气发动机的基础上，将其一部分气缸的进气口与天然气供给设备连接，使过量的天然气进入到这一部分气缸中，燃烧生成含H2和CO的改质混合气体；同时这一部分气缸的排气口与集气腔连接，将上述改质混合气体全部引入到集气腔中，与集气腔中的气体混合后进入各个气缸中参与燃烧。由于经一部分气缸改质后的气体含有大量的氢气，氢气使混合气体的燃烧速度加快，在EGR率较高的情况下提高了气缸内气体的可燃极限，降低NOx和燃烧温度的同时抑制爆震，提高了发动机动力性和经济性，解决了天然气发动机热负荷高的难题。
【专利说明】天然气发动机燃烧系统及燃烧方法、天然气发动机
【技术领域】
[0001]本发明涉及内燃机【技术领域】，特别涉及一种天然气发动机燃烧系统及燃烧方法、天然气发动机。
【背景技术】
[0002]天然气是全球储量最大的清洁能源，用在汽车发动机上，采用火花点燃模式已得到广泛应用。近年来，随着水力压裂技术和水平钻井技术的发展与成熟，可开采的天然气储量迅速增长，将对我国的能源发展格局产生重要影响。采用天然气发动机可降低颗粒物排放近80%，二氧化碳排放降低15-30%。
[0003]而对于火花点火、微波点火或压燃式天然气发动机而言,传统的稀燃模式气缸内的混合气体在燃烧时释放大量的热量，使气缸内的气体温度升高，压强增大，混合气体在高温高压且氧气含量较浓的情况下反应生成有害的氮氧化物(N0X)，其排气标准无法满足未来排放法规的要求，同时气缸内气体在高温高压状态下容易发生爆震，抑制了发动机的性能。因此近阶段技术路线朝向废气再循环(EGR)的理论空燃比均质火花点火燃烧模式发展，EGR技术即:将排放的部分废气经冷却后再循环进入气缸，与气缸内的气体混合，使气缸内的温度降低；再循环的废气同时降低了缸内混合气体的氧气浓度，缸内气体在较低氧气浓度下燃烧时的发热量也会有所降低，由此大幅降低NOx气体的产生，抑制低速大负荷时的爆震和超级爆震的产生，由于缸内气压相对较变低，在小负荷时明显降低气缸进排气所消耗的功，降低了泵气损失。
[0004]但现有使用EGR技术的天然气发动机存在以下技术瓶颈:1)由于天然气具有一定稀燃极限，导致进入气缸的再循环废气质量与进入气缸的总气体质量之比不能太高，即限制了 EGR率，所以气缸仍有可能发生爆震和产生一定量的氮氧化物；2)EGR系统使气缸内气体的温度、压力以及氧气浓度都降低，会导致天然气的燃烧不充分，生成的一氧化碳(CO)和碳氢化物(HC)会增加，造成排放污染。
【发明内容】
[0005](一)要解决的技术问题
[0006]本发明要解决的技术问题是现有天然气发动机热负荷大，热效率低以及NOx排放闻。
[0007](二)技术方案
[0008]为了解决上述技术问题，本发明提供了一种天然气发动机燃烧方法，将使用该方法的天然气发动机的气缸分为第一缸组和第二缸组，其包括以下步骤:
[0009]S1、向第一缸组内通入空气以及过量的天然气并点燃或压燃，过量的天然气在燃烧的过程中消耗气缸内的氧气并放出热量，剩余天然气在高温低氧条件下被改质，生成包含H2与CO的改质混合气体；
[0010]S2、改质混合气体引入集气腔内，在集气腔中与空气、天然气以及经冷却再循环的废气混合；
[0011]S3、集气腔内的混合气体通入第二缸组并点燃，燃烧后产生的废气中的一部分经废气排放总管排出，另一部分经EGR冷却器进行冷却后进入集气腔，并与集气腔中的改质混合气体、空气以及天然气混合，混合后进入到第一缸组和第二缸组参与燃烧，以此循环多次。
[0012]进一步地，步骤SI中，控制第一缸组内气体燃烧前的燃空当量比为1.0-3.0。
[0013]进一步地，步骤S2中，所述改质混合气体经冷却后进入集气腔。
[0014]进一步地，步骤S3中，控制第二缸组内气体燃烧前的燃空当量比为1.0。
[0015]一种用于上述任一项天然气发动机燃烧方法的燃烧系统，其包括:
[0016]天然气供给设备，用于提供天然气燃料；
[0017]集气腔，所述集气腔设有集气腔进气口和集气腔排气口，所述集气腔进气口与所述天然气供给设备连接；
[0018]节气门，用于通入空气，其上设有节气门排气口，所述节气门排气口与所述集气腔进气口连接；
[0019]第一缸组，由天然气发动机的一个或多个气缸组成，所述第一缸组各个气缸进气口与所述集气腔排气口连接；所述第一缸组各个气缸进气口还与所述天然气供给设备连接；
[0020]二位三通阀，其上设有阀进气口、阀第一排气口及阀第二排气口，所述阀进气口与所述第一缸组各个气缸排气口连接，所述阀第一排气口与所述集气腔进气口连接；所述阀第二排气口通向发动机的废气排放总管；
[0021]第二缸组，由天然气发动机除第一缸组外的其余气缸组成，所述第二缸组各个气缸进气口与所述集气腔排气口连接；所述第二缸组各个气缸排气口通向发动机的废气排放总管；所述第二缸组各个气缸排气口还与所述集气腔进气口连接；以及
[0022]EGR冷却器，设置在所述第一缸组各个气缸排气口和所述第二缸组各个气缸排气口与所述集气腔进气口连接的废气歧管管路上，用于降低通过该废气歧管管路内气体的温度。
[0023]进一步地，所述集气腔进气口的进气管路上设有混合腔，使进入到集气腔的气体先通过该混合腔，所述混合腔上设有:空气进气口，与所述节气门排气口连接；天然气进气口，与所述天然气供给设备连接；改质气进气口，与所述第一缸组各个气缸排气口连接；冷却气进气口，与EGR冷却器所在管路连接；混合腔排气口，与集气腔进气口连接。
[0024]进一步地，所述集气腔进气口与所述天然气供给设备的连接管路上设有第一流量控制阀，用于控制该管路内通过气体的流量；
[0025]所述第一缸组各个气缸进气口与所述天然气供给设备的连接管路上设置有第二流量控制阀，用于控制该管路内通过气体的流量。
[0026]所述第二缸组各个气缸排气口与所述集气腔进气口的连接管路上设置有第三流量控制阀，用于控制该管路内通过气体的流量；
[0027]通过调节所述第一流量控制阀、第二流量控制阀、第三流量控制阀以及所述节气门，以控制第一缸组及第二缸组内气体的燃空当量比。
[0028]进一步地，所述第一缸组各个气缸排气口与所述集气腔进气口的连接管路上设置有第一冷却器，用于降低通过该管路内气体的温度。
[0029]一种天然气发动机，包括上述任一项所述的天然气发动机燃烧系统。
[0030]进一步地，所述天然气发动机为火花点火天然气发动机、微波点火天然气发动机或压燃式天然气发动机。
[0031](三)有益效果
[0032]上述技术方案所提供的一种天然气发动机燃烧系统及燃烧方法、天然气发动机，具有以下技术效果:
[0033]1、由于经第一缸组改质后的气体含有大量的氢气，氢气使混合气体的燃烧速度加快，在EGR率较高的情况下提高了气缸内气体的可燃极限，降低NOx和燃烧温度的同时抑制爆震，提高了发动机动力性和经济性，解决了天然气发动机热负荷高的难题。
[0034]2、同在低温、低压以及低氧气浓度的条件下，缸内混合气体中的氢气加快了混合气体的燃烧速度，拓展了混合气体的稀燃极限，使混合气体燃烧更加充分，减少了一氧化碳和碳氢化物的产生，提高了发动机的热效率。
[0035]3、采用三效催化剂进行排气后处理，将排出废气中本身含量就较少的碳氢化物、一氧化碳以及氮氧化物进行催化转化，使排放出的尾气达到欧6排放标准。
[0036]4、本发明的天然气发动机的燃烧系统基于普通天然气发动机的基础上做了简单的管路改动，其生产成本和使用成本远低于同排放标准的柴油机。
【专利附图】
【附图说明】
[0037]图1是本发明一种天然气发动机燃烧系统的结构示意图。
[0038]其中，1、天然气供给设备；2、集气腔；21、集气腔进气口 ；22、集气腔排气口 ；3、节气门；31、节气门排气口 ；4、第一缸组；41、第一缸组各个气缸进气口 ；42、第一缸组各个气缸排气口 ；5、二位三通阀；51、阀进气口 ；52、阀第一排气口 ；53、阀第二排气口 ；6、第二缸组；61、第二缸组各个气缸进气口 ；62、第二缸组各个气缸排气口 ；7、EGR冷却器；8、废气排气总管；9、混合腔；91、空气进气口 ；92、天然气进气口 ；93、改质气进气口 ；94、冷却气进气口 ；95、混合腔排气口 ；10、第一冷却器；11、尾气催化转化装置；a、第一流量控制阀；b、第二流量控制阀；c第三流量控制阀。
【具体实施方式】
[0039]下面结合附图和实施例，对本发明的【具体实施方式】作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
[0040]如图1，本发明的一种天然气发动机燃烧方法的燃烧系统，其包括:
[0041 ] 天然气供给设备I，用于提供天然气燃料；
[0042]集气腔2，所述集气腔设有集气腔进气口 21和集气腔排气口 22，所述集气腔进气口 21与所述天然气供给设备I连接；
[0043]节气门3，用于通入空气，其上设有节气门排气口 31，所述节气门排气口 31与所述集气腔进气口 21连接；
[0044]第一缸组4，由天然气发动机的一个或多个气缸组成，所述第一缸组4各个气缸进气口 41与所述集气腔排气口 22连接；所述第一缸组中的各个气缸进气口 41还与所述天然气供给设备I连接；所述第一缸组各个气缸排气口 42与所述集气腔进气口 21连接；
[0045]二位三通阀5，其上设有阀进气口 51、阀第一排气口 52及阀第二排气口 53，所述阀进气口 51与所述第一缸组各个气缸排气口 42连接，所述阀第一排气口 52与所述集气腔进气口 21连接；所述阀第二排气口 53通向发动机的废气排放总管8 ;当发动机处于冷启动工况时，发动机气缸的温度并不高，在此情况下，选通第二排气口，不影响发动机的预热及升至最佳温度的过程；当发动机处于中小负荷工况和高负荷工况时，选通第一排气口，可有效抑制爆震和氮氧化物的产生，同时可有效提高燃料的燃烧效率，提高其经济性能。
[0046]第二缸组6，由天然气发动机除第一缸组外的其余气缸组成，所述第二缸组6各个气缸进气口 61与所述集气腔排气口 22连接；所述第二缸组6各个气缸排气口 62通向发动机的废气排放总管8 ;所述第二缸组各个气缸排气口 62还与所述集气腔进气口 21连接；以及
[0047]EGR冷却器7，设置在所述第一缸组各个气缸排气口 42和所述第二缸组各个气缸排气口 62与所述集气腔进气口 21连接的废气歧管管路上，用于降低通过该废气歧管管路内气体的温度。
[0048]较佳的，所述集气腔进气口 21的进气管路上设有混合腔，所述混合腔上设有:空气进气口 91，与所述节气门排气口 31连接；天然气进气口 92，与所述天然气供给设备连接
I;改质气进气口 93，与所述第一缸组各个气缸排气口 42连接；冷却气进气口 94，与EGR冷却器所在管路连接；混合腔排气口 94，与集气腔进气口 21连接。各路参与燃烧的气体先进入混合腔9中混合后进入集气腔2，使参与燃烧的气体混合更加均匀。
[0049]较佳的，在所述第一缸组各个气缸进气口 41与所述天然气供给设备I的连接管路上设置有第一流量控制阀a，用于控制该管路内通过气体的流量。
[0050]在所述集气腔2的集气腔进气口 21与所述天然气供给设备I的连接管路上设有第二流量控制阀b，用于控制该管路内通过气体的流量；
[0051]在所述第二缸组各个气缸排气口 62与所述集气腔进气口 21的连接管路上设置有第三流量控制阀C，用于控制该管路内通过气体的流量。
[0052]较佳的，在所述第一缸组各个气缸排气口 42与所述集气腔进气口 21的连接管路上设置有第一冷却器10，用于降低通过该管路内气体的温度，由此进一步降低了混合腔和集气腔中混合气体的温度，进而进一步降低进入各气缸内的气体温度，更加有效的抑制了氮氧化物的产生。
[0053]较佳的，在所述排出的废气排放总管8上设置尾气催化转化装置11，采用三效催化剂进行废气处理，将废气中本身含量就较少的碳氢化物、一氧化碳以及氮氧化物进行催化转化，使排放出的尾气达到欧6排放标准。
[0054]本发明的一种基于上述天然气发动机燃烧系统的燃烧方法，包括以下步骤:
[0055]S1、向第一缸组内通入空气以及过量的天然气并点燃或压燃，过量的天然气在燃烧的过程中消耗气缸内的氧气并放出热量，剩余天然气在高温低氧条件下被改质，生成包含H2与CO的改质混合气体。较佳的，第一缸组各个气缸为压燃式气缸，可使其中的过量天然气被充分改质。
[0056]具体为:天然气供给设备I通过天然气进气口 92向混合腔9中通入天然气，节气门3通过节气门排气口 31与混合腔9上的空气进气口 91的连接管路向混合腔9中通入空气，天然气和空气在混合腔9中混合并通过混合腔排气口 95与集气腔进气口 21的连接管路通入集气腔2中，集气腔2再通过集气腔排气口 22与第一缸组各个气缸进气口 41的连接管路将其中的气体通入第一缸组4中。与此同时，在需要产生改质气体时，打开第一流量控制阀a，天然气供给设备I通过与第一缸组各个气缸进气口 41的连接管路向第一缸组各个气缸中通入天然气，由此达到向第一缸组4中通入过量的天然气的目的，若不需要产生改质气体，可关闭第一流量控制阀a。压燃第一缸组4内的气体，过量的天然气在燃烧的过程中消耗气缸内的氧气并放出热量，剩余天然气在高温低氧条件下被改质，生成包含H2与CO的改质混合气体；
[0057]S2、改质混合气体引入集气腔2内，在集气腔中与空气、天然气以及经冷却再循环的废气混合；
[0058]具体为:在需要产生改质气时，通过第一缸组各个气缸排气口 42与二位三通阀5的阀进气口 51的连接管路，将上述含H2与CO的改质混合气体通入二位三通阀5，控制二位三通阀5，使其中的改质混合气体通过阀第一排气口 52排出，再通过阀第一排气口 52与混合腔改质气进气口 93的连接管路，将改质气体通入混合腔9，与混合腔9中的气体混合后，通过混合腔排气口 95与集气腔进气口 21的连接管路，将混合腔9中的含改质气体的混合气通入集气腔2中；在不需要改质气体时，将上述二位三通阀的阀进气口 51与阀第二排气口 53连通，将气体通向废气排气总管8和EGR冷却器所在管路；
[0059]S3、集气腔2内的混合气体通入第二缸组并点燃，燃烧后产生的废气中的一部分经废气排气管8排出，另一部分经EGR冷却器7进行冷却后进入集气腔2，并与集气腔中的改质混合气体、空气以及天然气混合，混合后进入到第一缸组4和第二缸组6参与燃烧，以此循环多次。
[0060]具体为:通过集气腔排气口 22与第二缸组进气管61的连接管路将集气腔2中的气体通入到第二缸组6中并点燃。同时集气腔2中的气体也会通过集气腔排气口 22与第一缸组各个气缸进气口 41的连接管路，将集气腔2中的气体通入到第一缸组4的各个气缸中。
[0061]第二缸组6内的气体燃烧后，产生的废气通过第二缸组各个气缸排气口 62排出，其中的一部分通过第二缸组各个气缸排气口 62与混合腔的冷却气进气口 94的连接管路并通过该管路上的EGR冷却器7冷却后再循环，进入混合腔9，混合腔9再将气体通入集气腔，进而使进入到各气缸内的气体温度降低，由此抑制因高温高压条件下氮氧化物的产生，其余部分经废气排气总管7排出。
[0062]较佳的，通过调节所述第一流量控制阀a、第二流量控制阀b、第三流量控制阀c以及所述节气门3，以控制第一缸组4及第二缸组6内燃烧前的气体燃空当量比，根据发动机的实际负荷，控制第一缸组内燃烧前气体燃烧前的燃空当量比为1.0-3.0，使第一缸组内生成的改质混合气体中H2的含量在一个较佳的范围；控制第二缸组各个气缸6内燃烧前气体的燃空当量比为1.0，采用理论空燃比燃烧模式，使气体恰好燃烧充分，将排放中的一氧化碳和碳氢化物等不完全燃烧所产生的有害气体降到最低，同时也提高了发动机的热效率。
[0063]本发明还提供了一种天然气发动机，其包括上述技术方案所提供的天然气发动机燃烧系统。
[0064]较佳的，所述天然气发动机为火花点火天然气发动机、微波点火天然气发动机或压燃式天然气发动机。由于火花塞点燃是将火花塞附近的气体点燃，然后燃烧再传递至整个气缸，但在燃烧传递的过程中会使缸内气体的温度和压强增大，远离火花塞的气体在高温高压条件下容易发生自燃，由此产生爆震。由于本实施例中通入气缸的混合气体中含有大量的H2，使得混合气体气体的燃烧速度加快，在火花塞点火后，燃烧迅速传递至整个气缸，避免了因燃烧速度慢而产生的爆震，同时由于H2存在，拓展了混合气体的可燃极限，可弓丨入相对较多的经EGR冷却系统冷却的废气，使各气缸的温度相对降得更低，由此在更加有效的抑制氮氧化物产生的同时进一步抑制爆震的产生。
[0065]对于采用微波点火的天然气发动机，其特点是对气缸内的气体进行整体瞬时点火，可有效的抑制爆震，但由于天然气的稀燃极限限制了 EGR率的提高，其气缸内气体燃烧时仍会产生大量的氮氧化物，过低的温度和较低的氧气浓度也会使天然气的燃烧不充分，造成排放污染和燃料的浪费。采用本天然气发动机燃烧系统及燃烧方法可有效解决这一问题。
[0066]而对于压燃式天然气发动机而言，其缸内气体的燃烧是通过对气缸内气体压缩，使压缩气体的温度升高，进而使气体燃烧。同样，由于天然气的可燃极限，该压燃式天然气发动机的EGR率也被限制得较低，容易发生爆震和产生有害的氮氧化物，该发动机的热负荷高，动力性能受限，热效率降低，燃料的利用率低。使用本天然气发动机燃烧系统可很好地解决该问题。
[0067]以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本【技术领域】的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。
【权利要求】
1.一种天然气发动机燃烧方法，其特征在于，将使用该方法的天然气发动机的气缸分为第一缸组和第二缸组，其包括以下步骤: 51、向第一缸组内通入空气以及过量的天然气并点燃或压燃，过量的天然气在燃烧的过程中消耗气缸内的氧气并放出热量，剩余天然气在高温低氧条件下被改质，生成包含H2与CO的改质混合气体； 52、改质混合气体引入集气腔内，在集气腔中与空气、天然气以及经冷却再循环的废气混合； 53、集气腔内的混合气体通入第二缸组并点燃，燃烧后产生的废气中的一部分经废气排放总管排出，另一部分经EGR冷却器进行冷却后进入集气腔，并与集气腔中的改质混合气体、空气以及天然气混合，混合后进入到第一缸组和第二缸组参与燃烧，以此循环多次。
2.如权利 要求1所述的天然气发动机燃烧方法，其特征在于， 步骤SI中，控制第一缸组内气体燃烧前的燃空当量比为1.0-3.0。
3.如权利要求1所述的天然气发动机燃烧方法，其特征在于， 步骤S2中，所述改质混合气体经冷却后进入集气腔。
4.如权利要求1所述的天然气发动机燃烧方法，其特征在于， 步骤S3中，控制第二缸组内气体燃烧前的燃空当量比为1.0。
5.一种用于权利要求1-4任一项所述的天然气发动机燃烧方法的燃烧系统，其包括: 天然气供给设备，用于提供天然气燃料； 集气腔，所述集气腔设有集气腔进气口和集气腔排气口，所述集气腔进气口与所述天然气供给设备连接； 节气门，用于通入空气，其上设有节气门排气口，所述节气门排气口与所述集气腔进气口连接； 第一缸组，由天然气发动机的一个或多个气缸组成，所述第一缸组各个气缸进气口与所述集气腔排气口连接；所述第一缸组各个气缸进气口还与所述天然气供给设备连接； 二位三通阀，其上设有阀进气口、阀第一排气口及阀第二排气口，所述阀进气口与所述第一缸组各个气缸排气口连接，所述阀第一排气口与所述集气腔进气口连接；所述阀第二排气口通向发动机的废气排放总管； 第二缸组，由天然气发动机除第一缸组外的其余气缸组成，所述第二缸组各个气缸进气口与所述集气腔排气口连接；所述第二缸组各个气缸排气口通向发动机的废气排放总管；所述第二缸组各个气缸排气口还与所述集气腔进气口连接；以及 EGR冷却器，设置在所述第一缸组各个气缸排气口和所述第二缸组各个气缸排气口与所述集气腔进气口连接的废气歧管管路上，用于降低通过该废气歧管管路内气体的温度。
6.如权利要求5所述的天然气发动机燃烧系统，其特征在于，所述集气腔进气口的进气管路上设有混合腔，使进入到集气腔的气体先通过该混合腔，所述混合腔上设有: 空气进气口，与所述节气门排气口连接； 天然气进气口，与所述天然气供给设备连接； 改质气进气口，与所述第一缸组各个气缸排气口连接； 冷却气进气口，与EGR冷却器所在管路连接； 混合腔排气口，与集气腔进气口连接。
7.如权利要求5所述的天然气发动机燃烧系统，其特征在于， 所述集气腔进气口与所述天然气供给设备的连接管路上设有第一流量控制阀，用于控制该管路内通过气体的流量； 所述第一缸组各个气缸进气口与所述天然气供给设备的连接管路上设置有第二流量控制阀，用于控制该管路内通过气体的流量。 所述第二缸组各个气缸排气口与所述集气腔进气口的连接管路上设置有第三流量控制阀，用于控制该管路内通过气体的流量； 通过调节所述第一流量控制阀、第二流量控制阀、第三流量控制阀以及所述节气门，以控制第一缸组及第二缸组内气体的燃空当量比。
8.如权利要求5所述的天然气发动机的燃烧系统，其特征在于， 所述第一缸组各个气缸排气口与所述集气腔进气口的连接管路上设置有第一冷却器，用于降低通过该管路内气体的温度。
9.一种天然气发动机，其特征在于，包括如权利要求5-9任一项所述的天然气发动机燃烧系统。
10.如权利要求9所述的天然气发动机，其特征在于，所述天然气发动机为火花点火天然气发动机、微波点火天然气发动机或压燃式天然气发动机。
【文档编号】F02B1/00GK103758630SQ201410003099
【公开日】2014年4月30日 申请日期:2014年1月3日 优先权日:2014年1月3日
【发明者】王志, 刘辉, 黄健, 王建昕 申请人:清华大学