用于甲醇发动机的点火系统及车辆的制作方法

本发明涉及甲醇发动机领域，特别是涉及一种用于甲醇发动机的点火系统及车辆。

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，清洁能源发动机大多采用点燃式燃烧方式，点燃式的重要特征是火花塞，直接在燃烧室内点燃混合气。

火花塞的点火能量，直接影响甲醇发动机的燃烧过程，对发动机的动力性、经济性、排放和燃烧噪声有着重要影响。

目前市场销售的商用车清洁能源发动机，基本都是在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喷油器的位置。

技术实现要素：

本发明的一个目的是要提供一种用于甲醇发动机的点火系统及车辆，以解决现有技术中甲醇发动机经济性差、热效率低且排放后处理要求高等问题。

一方面，本发明提供了一种用于甲醇发动机的点火系统，包括：

主燃烧室，其内设置有进气门，所述进气门与主喷油嘴相连通，用于向所述主燃烧室内喷射具有第一预设浓度的稀混合气；

预燃烧室，通过预燃烧室喷嘴与所述主燃烧室相连通，所述预燃烧室内设置有火花塞电极和预喷油嘴喷口；

其中，所述主燃烧室的稀混合气通过所述预燃烧室喷嘴进入所述预燃烧室，与所述预喷油嘴喷出的燃料混合形成具有第二预设浓度的浓混合气，所述浓混合气被所述火花塞电极点燃后产生的火焰穿过所述预燃烧室喷嘴引燃所述主燃烧室内的所述稀混合气。

可选地，所述预燃烧室设置于所述主燃烧室远离活塞的一端。

可选地，所述预喷油嘴喷口配置成在部分所述稀混合气在所述活塞朝向所述预燃烧室所在方向运动时被所述活塞压入所述预燃烧室后喷射甲醇，与所述预燃烧室内的稀混合气混合形成所述浓混合气。

可选地，所述预燃烧室的容积为所述主燃烧室容积的1％-5％。

可选地，所述预燃烧室喷嘴配置成向外凸出至所述主燃烧室内，所述预燃烧室喷嘴上设置有至少一个用于将所述主燃烧室和所述预燃烧室相连通的通孔。

可选地，所述通孔的直径为0.2～0.3mm；

所述通孔的数量为2-4个。

可选地，所述预喷油嘴的喷油量为所述主喷油嘴的喷油量的3％-8％。

可选地，具有所述第一预设浓度的稀混合气的过量空气系数大于等于1.6。

可选地，具有所述第二预设浓度的浓混合气的过量空气系数为0.8-1.1。

另一方面，本发明提供了一种车辆，所述车辆的发动机包括上述点火系统。

本发明的用于甲醇发动机的点火系统，包括主燃烧室和预燃烧室。主燃烧室其内设置有进气门，所述进气门与主喷油嘴相连通，用于向所述主燃烧室内喷射具有第一预设浓度的稀混合气。预燃烧室通过预燃烧室喷嘴与所述主燃烧室相连通，所述预燃烧室内设置有火花塞电极和预喷油嘴喷口。火花塞布置在甲醇预燃烧室内，由于浓混合气浓度较高，对火花塞的最小点火能量要求降低，通过点燃预燃烧室的浓甲醇混合气，燃烧的浓混合甲醇火焰喷射到主燃烧室，燃烧主燃烧室的甲醇稀薄混合气，引燃能量大幅度提高。进一步地，由于主燃烧室的点火能量大幅度提高，不断提高主燃烧室的甲醇混合气的燃烧稳定，同时大幅度提高甲醇和空气的过量空气系数，实现超稀薄燃烧，降低燃烧温度，降低发动机的热负荷，降低发动机的nox的排放和提升发动机的热效率。

根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。

附图说明

后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：

图1是根据本发明一个实施例的用于甲醇发动机的点火系统的示意性结构图；

图2是图1所示点火系统的预燃烧室的示意性结构图；

图3是火花塞最小点火能量与过量空气系数之间的关系图；

图4是甲醇发动机燃烧特性的示意图。

具体实施方式

下面参照图1至图4来描述本发明实施例的点火系统，本发明实施例的描述中指示的方位或位置关系的词语为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

图1是根据本发明一个实施例的用于甲醇发动机的点火系统的示意性结构图。图2是图1所示点火系统的预燃烧室的示意性结构图。如图1和图2所示，用于甲醇发动机的点火系统包括主燃烧室1和预燃烧室2。预燃烧室2主要负责点火阶段的燃烧能量组织，其内的气体一般是当量或者加浓甲醇混合气。主燃烧室1负责燃烧阶段，其内是稀薄甲醇混合气。

主燃烧室1内设置有进气门11和排气门12，进气门11与主喷油嘴13相连通，用于向主燃烧室1内喷射具有第一预设浓度的稀混合气。主喷油嘴13布置在进气管或缸盖进气道，负责主燃烧的甲醇供给。预燃烧室2通过预燃烧室喷嘴23与主燃烧室1相连通。预燃烧室2内设置有火花塞电极22和预喷油嘴喷口21。预喷油嘴201负责点火阶段的甲醇油量的喷射和雾化。火花塞电极22用于点燃预燃烧室2内的甲醇混合气。主燃烧室1的稀混合气通过预燃烧室喷嘴23进入预燃烧室2，与预喷油嘴201喷出的燃料混合形成具有第二预设浓度的浓混合气，浓混合气被火花塞电极22点燃后产生的火焰穿过预燃烧室喷嘴23引燃主燃烧室1内的稀混合气。

本实施例中的点火系统，火花塞电极22布置在甲醇预燃烧室2内，由于预燃烧室2内的甲醇混合气浓度较高，对火花塞202的最小点火能量要求降低，通过点燃预燃烧室2的浓甲醇混合气，燃烧的火焰喷射到主燃烧室1，引燃主燃烧室1的甲醇稀薄混合气，引燃能量大幅度提高。

进一步地，由于主燃烧室1的点火能量大幅度提高，不断提高主燃烧室1的甲醇混合气的燃烧稳定性；同时，随着甲醇和空气的过量空气系数的大幅度提高，以实现超稀薄燃烧，降低燃烧温度和发动机的热负荷和提升发动机的热效率。

进一步地，本实施例的点火系统中，火花塞电极22布置在甲醇预燃烧室2内，点火阶段的温度相对主燃烧室1燃烧温度低很多，不受到主燃烧高温的气体的冲刷，可以有效提高火花塞202的寿命，降低烧蚀的可能性。

进一步地，由于主燃烧室1中甲醇混合气的过量空气系数较高，可以有效降低发动机的nox的排放，降低尾气后处理装置的要求，减少成本。

在一个进一步地实施例中，预燃烧室2设置于主燃烧室1远离活塞3的一端。预燃烧室喷嘴23配置成向外凸出至主燃烧室1内，预燃烧室喷嘴23上设置有至少一个用于将主燃烧室1和预燃烧室2相连通的通孔231。参考图2，预燃烧室2设置在发动机缸盖4上，其中，预燃烧室喷嘴23凸出缸盖4底平面16mm、36mm、50mm，也可以为16-50mm中的任意数值。预喷油嘴喷口21配置成在部分稀混合气在活塞3朝向预燃烧室2所在方向运动时被活塞3压入预燃烧室2后喷射甲醇，与预燃烧室2内的稀混合气混合形成浓混合气。通孔231的直径可以为0.2mm或0.3mm，还可以是0.2～0.3mm之间的任意数值，通孔231的数量为2个、3个或4个，均匀分布在预燃烧室喷嘴23上，可以有效避免火焰传播距离不一样而引起的燃烧不稳定的现象，同时延长燃烧持续期。

上述实施例中的点火系统的工作原理为：

在发动机的进气行程，主喷油嘴13喷射甲醇，稀薄甲醇混合气通过进气门11进入主燃烧室1；发动机的压缩行程，主燃烧室1的稀薄混合气被压入预燃烧室2内；发动机的点火燃烧行程：甲醇预燃喷嘴喷射少量的甲醇，使稀薄混合气变为浓甲醇混合气，火花塞点燃预燃室的浓混合气，火焰从预燃烧室喷嘴23喷出，作为点火源使主燃烧室1内的稀薄甲醇混合气燃烧。

预燃烧室2容积会影响发动机性能，预燃烧室2容积小，初期燃烧就会受到限制，nox排放就会降低，爆震受到抑制，如果容积太小，预燃点火能量不足，就会对发动机的热效率产生影响。所以在保持足够的预燃点火能量的前提下可以减小预燃烧室2容积。预燃烧室2的容积可以为主燃烧室1容积的1％、3％和5％，还可以是1％-5％中的任意数值。

随着技术的发展，在节省成本的前提下，重型车上的甲醇发动机缸径逐渐增大，稀燃程度也逐步提高，此时，在原甲醇发动机上火花塞的点火能力不能满足需求，需要更换成本更高的火花塞，以使火花塞的最小点火能力成倍增加。而在本发明一个进一步地实施例中，不需要更换点火能力增加的火花塞，使用原有的火花塞即可。图3是火花塞最小点火能量与过量空气系数之间的关系图。如图3所示，横坐标代表过量空气系数，纵坐标代表火花塞的最小点火能量。图3中的3条曲线从左往右分别代表甲烷、乙烷、丙烷(甲烷分子式ch4,甲醇分子式ch3oh,两者的点火能量和空气系数的趋势相同)，由曲线可知，甲醇燃料在过量空气系数为0.8左右时，点火能量最小。为了使发动机能够点燃，燃烧室的混合气浓度不能太稀，否则火花塞点不着，优选地，具有第二预设浓度的浓混合气的过量空气系数为0.8-1.1。为了保证浓混合气的过量空气系在0.8-1.1的范围内，预喷油嘴201的喷油量应该为主喷油嘴13的喷油量的3％-8％。

预燃烧室2中的浓混合气对火花塞的最小点火能量要求降低，通过点燃预燃室的浓甲醇混合气，燃烧的浓混合甲醇火焰喷射到主燃烧室1，引燃主燃烧室1的甲醇稀薄混合气，引燃能量大幅度提高。由于甲醇预燃室点火能量的提高，对主燃烧室1内甲醇混合气的混合情况、气流组织(湍动能)要求降低。

图4是甲醇发动机燃烧特性的示意图。如图4所示，横坐标代表过量空气系数，甲醇燃料在过量空气系数大于等于1.6时，其热效率较高且nox排放量较低，远离爆震区域。因此，优选地，具有第一预设浓度的稀混合气的过量空气系数大于等于1.6。本实施例中，由于稀混合气的浓度均匀，可避免出现失火现象或者爆震现象，以实现甲醇燃料发动机的超稀薄燃烧，降低发动机零部件的热负荷、燃烧稳定，提高发动机的可靠性。

另一方面，本发明还提供了一种车辆，车辆的甲醇发动机上设置有如上述实施中所述的点火系统，以提高甲醇发动机的热效率，降低nox排放量。

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多个示例性实施例，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。