基于臭氧助燃的大功率稀燃天然气发动机燃烧系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于臭氧助燃的大功率预燃室稀燃天然气发动机的燃烧系统及方法，该系统包括天然气管道、缓冲罐、文丘里混合器、增压器、中冷器、臭氧发生器和预燃室进气单向阀，天然气与空气在文丘里混合器里混合后输送至增压器，经增压器的压气机增压后，进入中冷器，中冷器将天然气与空气的混合气体冷却后一路输送至主燃室，另一路输送至臭氧发生器，臭氧发生器产生天然气/空气/臭氧混合气，通过混合气喷射模块喷射至预燃室，由ECU控制预燃室点火系统点预燃室内的燃天然气/空气/臭氧混合气，燃烧后的废气通过排气总管输送至增压器的涡轮机，经增压器的涡轮机做功后排出发动机，提升大功率稀燃天然气发动机的燃烧、排放性能，拓宽稀燃极限。

【技术实现步骤摘要】
基于臭氧助燃的大功率稀燃天然气发动机燃烧系统及方法
本专利技术涉及发动机领域，具体涉及一种基于臭氧助燃的大功率预燃室稀燃天然气发动机的燃烧系统及方法。
技术介绍
研究表明，稀薄燃烧技术可以提高天然气发动机的热效率，目前在低速大功率气体燃料发动机中得到广泛应用。天然气的物化特性决定了其燃烧过程存在点火能量高及火焰传播速度慢等问题，在稀薄燃烧条件下上述问题会更加严重。甲烷存在点火能量高及火焰传播速度慢等问题的根本原因在于甲烷燃料分子结构只有C-H键。一般有机化合物分子结构中C-H键能为415.2kJ/mol，而C-C键能为347.3kJ/mol，由于C-H键能比较大，键断裂需要的能量多，导致需要更高的点火能量，由此也导致火焰传播速度慢。如果向甲烷/空气稀混合气中掺入具有强氧化能力的活性成分，促使甲烷分子C-H键脱氢，形成中间体自由基，通过部分燃料的改质，降低反应物的活化能，进而改善甲烷的点火及燃烧性能。这种方式可以在不改变发动机本体结构的前提下，实现天然气发动机稀薄燃烧性能的改进。臭氧在甲烷燃烧时产生的活性物质改变了燃料的反应途径，降低了化学反应的活化能，且通过臭氧改进燃烧过程的效率高于提升系统温度以提高反应速率的方案。因此，如何向预燃室发动机中掺加臭氧，提升大功率稀燃天然气发动机的燃烧、排放性能，拓宽稀燃极限，仍是待解决的技术问题。
技术实现思路
为了克服上述现有技术的不足，本专利技术提供了一种基于臭氧助燃的大功率预燃室稀燃天然气发动机的燃烧系统及方法，通过在预燃室发动机中掺加臭氧，可以进一步提升大功率稀燃天然气发动机的燃烧、排放性能，拓宽稀燃极限。本专利技术所采用的技术方案是：一种基于臭氧助燃的大功率稀燃天然气发动机燃烧系统，该系统包括天然气供给系统、混合气供给系统、预燃室点火系统和ECU，所述天然气供给系统包括用于输送天然气的天然气管道和与天然气管道连接的缓冲罐，所述混合气供给系统包括文丘里混合器、增压器、中冷器、臭氧发生器和预燃室进气单向阀，所述文丘里混合器的燃气进气口通过管道与缓冲罐连接，文丘里混合器的空气进气口通过管道与发动机进气口连接，天然气与空气在文丘里混合器里混合后输送至增压器，经增压器的压气机增压后，进入中冷器，中冷器将天然气与空气的混合气体冷却后一路通过进气总管输送至主燃室，另一路通过管道输送至臭氧发生器，臭氧发生器产生天然气/空气/臭氧混合气，通过混合气喷射模块喷射至预燃室，由ECU控制预燃室点火系统点燃预燃室内的天然气/空气/臭氧混合气，燃烧后的废气通过排气总管输送至增压器的涡轮机，经增压器的涡轮机做功后排出发动机。作为上述技术方案的一种改进，所述天然气管道上设置有管道开启阀门，所述管道开启阀门与ECU的输出端连接，由ECU给的启动信号控制管道开启阀门打开；所述缓冲罐上设置有泄压阀。作为上述技术方案的一种改进，所述臭氧发生器连接有交流电源，所述交流电源连接有电源控制模块，所述电源控制模块与ECU的输出端连接，通过电源控制模块控制臭氧发生器的工作电压和电流。作为上述技术方案的一种改进，所述预燃室点火系统包括智能点火控制模块和火花塞，所述智能点火控制模块的输入端与电子控制单元ECU的输出端连接，智能点火控制模块的输出端连接火花塞，所述智能点火控制模块在电子控制单元ECU的控制下为火花塞提供点火信号，火花塞产生火花，点燃预燃室内的天然气/空气/臭氧混合气。作为上述技术方案的一种改进，在预燃室进气管道上设置有预燃室进气单向阀，所述预燃室进气单向阀和混合气喷射模块分别与ECU的输出端连接，当ECU控制混合气喷射模块定时喷射，定时喷射过程中预燃室进气道内压力上升，当预燃室进气道内压力高于预燃室进气单向阀的开启压力时，预燃室进气单向阀开启，即预燃室室内进气开始；当ECU控制混合气喷射模块喷射结束时，预燃室进气道内压力下降，当预燃室进气道内压力低于预燃室进气单向阀的开启压力时，预燃室进气单向阀关闭，进气过程结束。作为上述技术方案的一种改进，所述进气总管上设有节气门，在节气门之后、发动机进气管道之前的进气总管上安装有温度传感器和压力传感器，用于测量进气的温度和压力，所述节气门、温度传感器和压力传感器分别与ECU的输入端连接。作为上述技术方案的一种改进，在曲轴箱飞轮处装有转速传感器，用于测量发动机的转速，所述转速传感器的输出端与ECU的输入端连接。作为上述技术方案的一种改进，在增压器的涡轮机的出气口安装有用于测量排气管中氧气浓度的氧气传感器，氧气传感器的输出端与ECU的输入端连接。如上所述的基于臭氧助燃的大功率稀燃天然气发动机燃烧系统的工作方法，该方法包括以下步骤：发动机工作时，压力传感器采集进气压力数据，并将压力数据反馈给ECU；ECU将接收到的压力数据与设定值相比较；若进气压力低于设定值，发动机小负荷运转，增压器工作在低效区，ECU通过控制电源控制模块来控制臭氧发生器不工作；若进气压力高于设定值，发动机大负荷运转，增压器工作在高效区，ECU通过控制电源控制模块来控制臭氧发生器工作，并根据进气压力的具体数值通过电源控制模块控制与进气压力相应的臭氧发生器的工作电流，进而控制进入预燃室的臭氧浓度。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：(1)本专利技术通过部分燃料的改质，降低发动机缸内燃烧反应的活化能，进而改善甲烷的点火及燃烧性能，提升火焰传播速度，在不改变发动机本体结构的前提下，实现天然气发动机燃烧、排放、稀薄燃烧性能的改进；在预燃室发动机中掺加臭氧，可以进一步提升大功率稀燃天然气发动机的燃烧、排放性能，拓宽稀燃极限；(2)本专利技术适用于其他各种气体机，通过掺加臭氧进行燃料改质后的混合气，改变燃烧反应途径，从而缩短滞燃期，提升了火焰传播速率，提高气体机的工作效率，一般情况下发动机负荷越大，则提供更高的臭氧浓度，当发动机负荷很小时，臭氧发生器可以不工作以达到一定的经济效应的目的。附图说明构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。图1是基于臭氧助燃的大功率预燃室稀燃天然气发动机燃烧系统结构图；图2是基于臭氧助燃的大功率预燃室稀燃天然气发动机燃烧系统的工作方法流程图；其中，1、天然气管道，2、管道开启阀门，3、缓冲罐，4、泄压阀，5、电子控制单元ECU，6、中冷器，7、交流电源，8、臭氧发生器，9、节气门，10、天然气/空气/臭氧混合气喷射模块，11、转速传感器，12、温度和压力传感器，13、预燃室进气单向阀，14、预燃室，15、预燃室点火系统，16、主燃室，17、文丘里混合器，18、电源控制模块，19、增压器，20、氧气传感器。具体实施方式下面结合附图与实施例对本专利技术作进一步说明。应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属
的普通技术人员通常理解的相同含义。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申请的示例性实施方式。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/或它们本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于臭氧助燃的大功率稀燃天然气发动机燃烧系统，其特征是，包括天然气供给系统、混合气供给系统、预燃室点火系统和ECU，所述天然气供给系统包括用于输送天然气的天然气管道和与天然气管道连接的缓冲罐，所述混合气供给系统包括文丘里混合器、增压器、中冷器、臭氧发生器和预燃室进气单向阀，所述文丘里混合器的燃气进气口通过管道与缓冲罐连接，所述文丘里混合器的空气进气口通过管道与发动机进气口连接，天然气与空气在文丘里混合器里混合后输送至增压器，经增压器的压气机增压后，进入中冷器，中冷器将天然气与空气的混合气体冷却后一路通过进气总管输送至主燃室，另一路通过管道输送至臭氧发生器，臭氧发生器产生天然气/空气/臭氧混合气，通过混合气喷射模块喷射至预燃室，由ECU控制预燃室点火系统点燃预燃室内的天然气/空气/臭氧混合气，燃烧后的废气通过排气总管输送至增压器的涡轮机，经增压器的涡轮机做功后排出发动机。

【技术特征摘要】
1.一种基于臭氧助燃的大功率稀燃天然气发动机燃烧系统，其特征是，包括天然气供给系统、混合气供给系统、预燃室点火系统和ECU，所述天然气供给系统包括用于输送天然气的天然气管道和与天然气管道连接的缓冲罐，所述混合气供给系统包括文丘里混合器、增压器、中冷器、臭氧发生器和预燃室进气单向阀，所述文丘里混合器的燃气进气口通过管道与缓冲罐连接，所述文丘里混合器的空气进气口通过管道与发动机进气口连接，天然气与空气在文丘里混合器里混合后输送至增压器，经增压器的压气机增压后，进入中冷器，中冷器将天然气与空气的混合气体冷却后一路通过进气总管输送至主燃室，另一路通过管道输送至臭氧发生器，臭氧发生器产生天然气/空气/臭氧混合气，通过混合气喷射模块喷射至预燃室，由ECU控制预燃室点火系统点燃预燃室内的天然气/空气/臭氧混合气，燃烧后的废气通过排气总管输送至增压器的涡轮机，经增压器的涡轮机做功后排出发动机。2.根据权利要求1所述的基于臭氧助燃的大功率稀燃天然气发动机燃烧系统，其特征是，所述天然气管道上设置有管道开启阀门，所述管道开启阀门与ECU的输出端连接，由ECU给的启动信号控制管道开启阀门打开；所述缓冲罐上设置有泄压阀。3.根据权利要求1所述的基于臭氧助燃的大功率稀燃天然气发动机燃烧系统，其特征是，所述臭氧发生器连接有交流电源，所述交流电源连接有电源控制模块，所述电源控制模块与ECU的输出端连接，通过电源控制模块控制臭氧发生器的工作电压和电流。4.根据权利要求1所述的基于臭氧助燃的大功率稀燃天然气发动机燃烧系统，其特征是，所述预燃室点火系统包括智能点火控制模块和火花塞，所述智能点火控制模块的输入端与电子控制单元ECU的输出端连接，智能点火控制模块的输出端连接火花塞，所述智能点火控制模块在电子控制单元ECU的控制下为火花塞提供点火信号，火花塞产生火花，点燃预燃室内的天然气/空气/臭氧混合气。5.根据权利要求1所述的基于臭氧助燃的大功率稀燃天...

【专利技术属性】
技术研发人员：纪少波，徐怀民，兰欣，程勇，廉静，赵同军，王豪，李萌，汪凤娟，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东,37