一种采用高压天然气喷射阀的双燃料发动机燃烧组织方法与流程

本发明属于内燃机燃烧方法领域，具体涉及一种采用高压天然气喷射阀的双燃料发动机燃烧组织方法。

背景技术：

相比于其他类型发动机，双燃料发动机在使用经济性、热效率、燃烧噪声、nox及pm排放等方面具有明显的优势；但同时还存在总燃料消耗率较高，发动机低负荷下容易失火，大负荷下容易发生爆震，天然气替代率提高受限，以及hc和co排放较高等问题。

在优化燃烧系统方面，专利cn102996223a通过主副喷嘴喷射不同辛烷值的燃料来实现均质预混压燃，保证了较高的热效率；专利cn106870186a对双燃料发动机可能采取的燃料喷射方式进行概述，通过不同燃料喷射方式的组合来实现不同的燃烧方式。

对柴油/天然气双燃料发动机的研究表明：柴油/天然气双燃料发动机在大负荷工况时其动力性良好，达到柴油机的动力水平，pm和nox排放下降，但可靠性下降；在小负荷工况时，hc排放增加，发动机经济性低。柴油/天然气双燃料发动机在不同负荷区域表现出来的燃烧性能和排放各有特点，而且发动机的经济性、动力性、可靠性和排放是相互矛盾的，若采用一种燃烧策略是不可能全部解决工作区域所面临的问题。

技术实现要素：

本发明针对上述双燃料发动机在不同工况下动力性、经济性、排放性相对较差的问题，提供了一种采用高压天然气喷射阀的双燃料发动机燃烧组织方法。

本发明的目的是这样实现的：

一种采用高压天然气喷射阀的双燃料发动机燃烧组织方法，有四种工作模式：

模式1.当双燃料发动机起动、怠速和负荷低于15％时，发动机处于燃油工作模式，高压天然气喷射阀和副喷油器不工作，从进气门关闭到活塞行至上止点前10-30°ca，只使用主喷油器向缸内进行单次喷射；

模式2.当双燃料发动机处于15-50％中低负荷时，发动机在燃气模式运行，从进气门关闭到活塞行至上止点前30°ca，高压天然气喷射阀向燃烧室进行两次不等量天然气喷射，同时在活塞行至上止点前15-25°ca，只使用副喷油器进行微量单次喷射，喷油量占100％负荷下整个循环燃料量的比例为1-5％；

模式3.当双燃料发动机处于50-75％中高负荷时，发动机在燃气模式运行，从进气门关闭到活塞行至上止点前60°ca高压天然气喷射阀向燃烧室进行两次等量天然气喷射，同时在活塞行至上止点前10-20°ca，只使用副喷油器进行微量单次喷射，喷油量占100％负荷下整个循环燃料量的比例为1-5％；

模式4.当双燃料发动机大于75％负荷即高负荷时，发动机在燃气模式运行，从进气门关闭到活塞行至上止点前90°ca高压天然气喷射阀向燃烧室进行单次天然气喷射，同时在活塞行至上止点前5-15°ca只使用副喷油器进行微量单次喷射，喷油量占100％负荷下整个循环燃料量的比例为1-5％。

高压天然气喷射阀在活塞行至上止点前向缸内进行高压喷射，喷射的压力为300bar。

高压天然气喷射阀的喷射提前角随着负荷增大而增大，喷油器的喷射提前角随着负荷增大而减小

本发明的有益效果在于：根据双燃料发动机所处的工况不同，通过调节高压天然气喷射阀的喷射正时、喷射次数与喷射量，控制缸内混合气浓度梯度分布，实现了分层燃烧与均质燃烧；通过调节主副喷油器的喷射正时控制燃烧始点，从而使双燃料发动机在各个工况下的燃料浓度分布处于最佳状态，有利于双燃料发动机的稳定、高效率、低排放燃烧。

附图说明

图1为本发明的结构及工作原理图。

图2为双燃料发动机在起动、怠速和负荷低于15％时柴油喷射示意图。

图3为双燃料发动机在15-50％负荷下的混合气分布图以及对应的二次不等量喷射规律曲线。

图4为双燃料发动机在50％—75％负荷下的混合气分布图以及对应的二次等量喷射规律曲线。

图5为双燃料发动机在大于75％负荷下的混合气分布图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述：

实施例1

一种采用高压天然气喷射阀的双燃料发动机燃烧组织方法，有四种工作模式：

模式1.当双燃料发动机起动、怠速和负荷低于15％时，发动机处于燃油工作模式，高压天然气喷射阀和副喷油器不工作，从进气门关闭到活塞行至上止点前10-30°ca，只使用主喷油器向缸内进行单次喷射，因为天然气在低负荷时因稀薄燃烧易发生失火等问题；

模式2.当双燃料发动机处于15-50％中低负荷时，发动机在燃气模式运行，从进气门关闭到活塞行至上止点前30°ca，高压天然气喷射阀向燃烧室进行两次不等量天然气喷射，同时在活塞行至上止点前15-25°ca，只使用副喷油器进行微量单次喷射，喷油量占100％负荷下整个循环燃料量的比例为1-5％，第一次喷射的气体在缸内形成较均匀的稀混合气，第二次喷射的气体集中分布在燃烧室上层，形成上浓下稀的天然气浓度分布，使缸内混合气浓度呈由上到下逐渐变稀的大浓度梯度分布，实现天然气的大浓度梯度分层燃烧。；

模式3.当双燃料发动机处于50-75％中高负荷时，发动机在燃气模式运行，从进气门关闭到活塞行至上止点前60°ca高压天然气喷射阀向燃烧室进行两次等量天然气喷射，同时在活塞行至上止点前10-20°ca，只使用副喷油器进行微量单次喷射，喷油量占100％负荷下整个循环燃料量的比例为1-5％，第一次喷射的气体在缸内形成较均匀的稀混合气，第二次喷射的气体集中分布在燃烧室上层，使缸内混合气浓度呈由上到下逐渐变稀的中等浓度梯度分布，实现天然气的中等浓度梯度的分层燃烧；

模式4.当双燃料发动机大于75％负荷即高负荷时，发动机在燃气模式运行，从进气门关闭到活塞行至上止点前90°ca高压天然气喷射阀向燃烧室进行单次天然气喷射，同时在活塞行至上止点前5-15°ca只使用副喷油器进行微量单次喷射，喷油量占100％负荷下整个循环燃料量的比例为1-5％，使缸内混合气有足够的时间形成稀混合气弱分层分布，实现天然气的相对均质燃烧，减少nox与颗粒的排放。

高压天然气喷射阀在活塞行至上止点前向缸内进行高压喷射，喷射的压力为300bar。

高压天然气喷射阀的喷射提前角随着负荷增大而增大，喷油器的喷射提前角随着负荷增大而减小。

双燃料发动机燃烧系统主要由活塞(1)、气缸壁(2)、气缸盖(3)、高压天然气喷射阀(4)、副喷油器(5)、主喷油器(6)、进气管(7)、进气阀(8)、燃烧室(9)等组成；高压天然气喷射阀(4)倾斜的安装在气缸盖(3)内，阀为单孔结构；主喷油器(6)安装在气缸盖(3)内的喷油器安装孔内，为多孔结构，喷孔数目为6-8个；副喷油器安装在气缸盖内的喷油器安装孔内，副喷油器喷孔数目为3-4个。

实施案例2

本发明属于内燃机燃烧方法领域，具体涉及到一种采用主副喷油器和天然气缸内高压多次喷射的双燃料发动机燃烧组织方法及其燃烧系统构成。

相比于其他类型发动机，双燃料发动机在使用经济性、热效率、燃烧噪声、nox及pm排放等方面具有明显的优势；但同时还存在总燃料消耗率较高，发动机低负荷下容易失火，大负荷下容易发生爆震，天然气替代率提高受限，以及hc和co排放较高等问题。

在优化燃烧系统方面，专利cn102996223a通过主副喷嘴喷射不同辛烷值的燃料来实现均质预混压燃，保证了较高的热效率；专利cn106870186a对双燃料发动机可能采取的燃料喷射方式进行概述，通过不同燃料喷射方式的组合来实现不同的燃烧方式。

对柴油/天然气双燃料发动机的研究表明：柴油/天然气双燃料发动机在大负荷工况时其动力性良好，达到柴油机的动力水平，pm和nox排放下降，但可靠性下降；在小负荷工况时，hc排放增加，发动机经济性低。柴油/天然气双燃料发动机在不同负荷区域表现出来的燃烧性能和排放各有特点，而且发动机的经济性、动力性、可靠性和排放是相互矛盾的，若采用一种燃烧策略是不可能全部解决工作区域所面临的问题。

针对上述双燃料发动机在不同工况下动力性、经济性，排放性相对较差的问题，本发明提供了一种采用主副喷油器和天然气缸内高压多次喷射的双燃料发动机燃烧组织方法。

本发明采用了如下技术方案：

一种采用主副喷油器和天然气缸内高压多次喷射的双燃料发动机燃烧组织方法，所述的双燃料发动机燃烧系统主要由活塞(1)、气缸壁(2)、气缸盖(3)、高压天然气喷射阀(4)、副喷油器(5)、主喷油器(6)、进气管(7)、进气阀(8)、燃烧室(9)等组成。根据发动机工况的不同，通过调节高压天然气喷射阀的喷射正时、喷射次数和喷射量，实现在不同负荷下对缸内混合气浓度梯度的控制；通过调节主副喷油器的喷射正时，实现燃烧始点的控制，从而实现不同工况下双燃料发动机稳定、高效率、低排放燃烧。

上述双燃料发动机燃烧系统的高压天然气喷射阀倾斜的安装在气缸盖内，阀为单孔结构，根据发动机所处工况不同，在活塞行至上止点前直接向缸内进行高压喷射(压力为300bar)，在缸内形成局部浓混合气，提高了发动机的充气效率，改善了燃烧，喷射次数、喷射正时和喷射量根据工况的不同而调节。

上述双燃料发动机燃烧系统的主喷油器安装在气缸盖内的喷油器安装孔内，主喷油器需要进行大流量柴油喷射，因此其结构为多孔结构，喷孔数目为6-8个。当发动机处于起动、怠速和负荷低于15％时，发动机在柴油模式运行，在活塞行至上止点前10-30°ca内主喷油器向缸内喷射柴油。当发动机大于15％负荷时，发动机可切换到燃气模式运行，主喷油器停止喷油。

上述双燃料发动机燃烧系统的副喷油器安装在气缸盖内的喷油器安装孔内，副喷油器需要进行小流量柴油喷射，因此副喷油器喷孔数目为3-4个。当发动机在燃气模式运行时，主喷油器不喷油，副喷油器在活塞行至上止点前开始向缸内喷射柴油，具体喷射正时视工况而定。

发动机在不同运行模式和不同负荷下的具体控制方法如下：

(1)当发动机处于起动、怠速和负荷低于15％时，发动机在燃油模式运行，在上止点前20-30°ca只使用主喷油器向缸内进行单次喷射，副喷油器和高压天然气喷射阀不工作。这是由于天然气在低负荷时因稀薄燃烧易发生失火等问题，所以此时发动机在柴油模式运行。

(2)在双燃料发动机处于15-50％中低负荷时，发动机在燃气模式运行时，从进气门关闭到在上止点前30°ca高压天然气喷射阀向燃烧室进行一次或两次不等量天然气喷射，第一次喷射的气体在缸内形成较均匀的稀混合气，第二次喷射的气体集中分布在燃烧室上层，形成上浓下稀的天然气浓度分布，使缸内混合气浓度呈由上到下逐渐变稀的大浓度梯度分布，实现天然气的大浓度梯度分层燃烧。在上止点前15-25°ca只使用副喷油器进行微量单次喷射，喷油量占100％负荷下整个循环燃料量的比例为1-5％。

(3)在双燃料发动机处于50-75％中高负荷时，发动机在燃气模式运行，从进气门关闭到在上止点前60°ca高压天然气喷射阀向燃烧室进行两次等量天然气喷射，第一次喷射的气体在缸内形成较均匀的稀混合气，第二次喷射的气体集中分布在燃烧室上层，使缸内混合气浓度呈由上到下逐渐变稀的中等浓度梯度分布，实现天然气的中等浓度梯度的分层燃烧。在上止点前10-20°ca只使用副喷油器进行微量单次喷射，喷油量占100％负荷下整个循环燃料量的比例为1-5％。

(4)当双燃料发动机大于75％负荷即高负荷时，发动机在燃气模式运行，为了达到最佳排放效果，从进气门关闭到在上止点前90°ca高压天然气喷射阀向燃烧室进行单次天然气喷射，使缸内混合气有足够的时间形成稀混合气弱分层分布，实现天然气的相对均质燃烧，减少nox与颗粒的排放。在上止点前5-15°ca只使用副喷油器进行微量单次喷射，喷油量占100％负荷下整个循环燃料量的比例为1-5％。

本发明的有益效果是：根据双燃料发动机所处的工况不同，通过调节高压天然气喷射阀的喷射正时、喷射次数与喷射量，控制缸内混合气浓度梯度分布，实现了分层燃烧与均质燃烧；通过调节主副喷油器的喷射正时控制燃烧始点，从而使双燃料发动机在各个工况下的燃料浓度分布处于最佳状态，有利于双燃料发动机的稳定、高效率、低排放燃烧。

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图1所示，本发明涉及的双燃料发动机燃烧系统主要由活塞(1)、气缸壁(2)、气缸盖(3)、高压天然气喷射阀(4)、副喷油器(5)、主喷油器(6)、进气管(7)、进气阀(8)、燃烧室(9)等组成。

上述双燃料发动机为四冲程发动机，每循环分别包含进气行程、压缩行程、燃烧行程及排气行程。上述天然气发动机燃烧系统的高压天然气喷射阀倾斜的安装在气缸盖内，阀为单孔结构，在活塞行至上止点前直接向缸内进行高压喷射(压力为300bar)，在缸内形成局部浓混合气，喷射正时、喷射次数和喷射量根据工况的不同而变化。

上述双燃料发动机燃烧系统的主喷油器安装在气缸盖内的喷油器安装孔内，当发动机处于起动、怠速和负荷低于15％时，发动机在柴油模式运行，在活塞行至上止点前10-30°ca内主喷油器向缸内喷射柴油。当发动机大于15％负荷时，发动机可切换到燃气模式运行，主喷油器停止喷油。主喷油器需要进行大流量柴油喷射，因此其结构为多孔结构，喷孔数目为6-8个。

上述双燃料发动机燃烧系统的副喷油器安装在气缸盖内的喷油器安装孔内，当发动机处于起动、怠速和负荷低于15％时，发动机在柴油模式运行，副喷油器不向缸内喷射柴油；当发动机大于15％负荷时，发动机在燃气模式运行，副喷油器在活塞行至上止点前向缸内喷射柴油，喷射正时视具体工况而定。副喷油器需要进行小流量柴油喷射，因此副喷油器喷孔数较少，喷孔数目为3-4个。

发动机在不同运行模式和不同负荷下的具体控制方法如下：

(1)当双燃料发动机处于起动、怠速和负荷低于15％时，发动机在纯柴油模式运行，在上止点前20-30°ca只使用主喷油器向缸内进行单次喷射，副喷油器和高压天然气喷射阀不工作。这是由于天然气在低负荷时因稀薄燃烧易发生失火等问题，所以此时只有主喷油器工作。图2为双燃料发动机处于起动、怠速和负荷低于15％时时柴油喷射示意图。

(2)在双燃料发动机处于15-50％中低负荷时，发动机在燃气模式运行，从进气门关闭到在上止点前30°ca高压天然气喷射阀向燃烧室进行一次或两次不等量天然气喷射，第一次喷射的气体在缸内形成较均匀的稀混合气，第二次喷射的气体集中分布在燃烧室上层，形成上浓下稀的天然气浓度分布，使缸内混合气浓度呈由上到下逐渐变稀的大浓度梯度分布，实现天然气的大浓度梯度分层燃烧。在上止点前15-25°ca只使用副喷油器进行微量单次喷射，喷油量占100％负荷下整个循环燃料量的比例为1-5％。图3为双燃料发动机在20％-50％负荷下的混合气分布图。

(3)在双燃料发动机处于50-75％中高负荷时，发动机处于燃气模型运行，从进气门关闭到在上止点前60°ca高压天然气喷射阀向燃烧室进行两次等量天然气喷射，第一次喷射的气体在缸内形成较均匀的稀混合气，第二次喷射的气体集中分布在燃烧室上层，使缸内混合气浓度呈由上到下逐渐变稀的中等浓度梯度分布，实现天然气的中等浓度梯度的分层燃烧。在上止点前10-20°ca只使用副喷油器进行微量单次喷射，喷油量占100％负荷下整个循环燃料量的比例为1-5％。图4为双燃料发动机在50％—75％负荷下的混合气分布图。

(4)当双燃料发动机大于75％负荷即高负荷时，发动机处于燃气模型运行，为了达到最佳的排放效果，从进气门关闭到在上止点前90°ca高压天然气喷射阀向燃烧室进行单次天然气喷射，使缸内混合气有足够的时间形成稀混合气弱分层分布，实现天然气的相对均质燃烧，减少nox与颗粒的排放。在上止点前5-15°ca只使用副喷油器进行微量单次喷射，喷油量占100％负荷下整个循环燃料量的比例为1-5％。图5为双燃料发动机在大于75％负荷下的混合气分布图。