带双针阀喷油器复合式供气双燃料发动机系统及燃烧方法技术方案

本发明专利技术公开了带双针阀喷油器复合式供气双燃料发动机系统及燃烧方法属于双燃料发动机燃烧方法领域。系统包括进气道、进气门、排气道、排气门、歧管低压喷射天然气喷射阀、高压缸内直喷天然气喷射阀、双针阀喷油器和ω形燃烧室等。发动机运行在低负荷和中等负荷时，控制高压缸内直喷天然气喷射阀向缸内进行单次或多次燃气喷射；发动机运行在高负荷时，采用缸外进气与缸内直喷复合供气方式，在不同发动机运行工况下采用不同的燃油和燃气喷射控制策略。通过控制歧管低压喷射天然气喷射阀和高压缸内直喷天然气喷射阀天然气喷射量、喷射次数和喷气时刻，实现全工况范围发动机高效低排放燃烧，能够改善缸内燃烧，拓宽发动机负荷范围，有效减少NOx排放。

【技术实现步骤摘要】
带双针阀喷油器复合式供气双燃料发动机系统及燃烧方法
本专利技术属于双燃料发动机燃烧方法领域，具体涉及带双针阀喷油器复合式供气双燃料发动机系统及燃烧方法。
技术介绍
随着化石能源的短缺和排放法规的日益严格，天然气以其燃烧高效、清洁环保、抗爆性好等特点发展成为极具潜力的柴油替代燃料。相比点燃式天然气发动机，柴油引燃天然气双燃料发动机具有更好的动力性，同时排放性可以达到国际排放法规的要求。双燃料发动机由柴油机改装而来，研究双燃料发动机的燃烧模型，离不开传统发动机燃烧模型的基础。掺烧天然气后，放热规律发生变化，因此双燃料发动机的燃烧模型又有别与传统燃烧模型。从空间上，传统的压燃式发动机燃烧模型可分为零维模型、准维模型和多维模型。零维模型和准维模型都是基于热力学原理分析燃烧过程，零维模型把整个气缸视为均匀场，不考虑参数随空间位置的变化。准维模型则对空间作分区处理，各区之间参数互不相同，能在一定程度预测燃烧过程的主要性能参数和排放。这两类模型方法简便，计算成本低，目前在工程上应用较多。多维模型通过求解质量守恒、动量守恒、能量守恒及状态方程等基本偏微分方程，得出气相速度、温度、压力及组分浓度的瞬态空间分布等信息。但是求解偏微分方程将使得数值计算复杂，计算成本较高。随着数值模拟技术和计算机技术的发展，将多维模型与化学动力学模型耦合已经成为建立燃烧模型的重要手段。严兆大等人建立了双燃料发动机燃烧过程的热力学-化学反应动力学数学模型，模型采用14种化学组分32个基元反应来模拟均匀的空气/甲烷混合气缸内燃烧过程，对引燃油的燃烧提出了引燃油定容燃烧模型和热释放模型，将两种模型耦合建立了柴油天然气双燃料发动机燃烧过程化学反应动力学数学模型，该模型可给出缸内各种成分的温度、压力、浓度和放热率的变化，并能反映引燃油当量比、喷油定时、进气温度对燃烧过程的影响。赵骆伟建立了基于化学动力学的双燃料发动机燃烧模型，包括引燃油喷雾模型、滞燃期模型、排放模型、湍流燃烧火焰传播分析模型和包含38种组分，113个基元反应的甲烷简化动力学模型，燃烧模型可以较好地用于预测双燃料发动机燃烧放热规律、排放特性和缸内压力变动情况。宋金瓯等人利用KIVI-3V软件研究了涡流比对柴油引燃天然气发动机燃烧速率的影响。Pirouzpanah等人建立了引燃油喷雾模型、天然气火焰传播的多区模型和HC、CO、NO和碳烟的排放模型。Mousavi等人利用KIVI软件建立了柴油引燃天然气双燃料动力学模型，用于模拟燃料喷雾雾化，燃烧和污染物排放过程。JieLiu等人利用KIVA-3V模拟双燃料发动机缸内燃烧，研究了发动机转速对双燃料发动机燃烧过程的影响和对缸内温度、污染物空间分布的影响。基于化学动力学的双燃料燃烧机理模型在预测燃烧过程和排放物具有较大优势，逐渐成为研究热点。目前，柴油引燃天然气双燃料发动机的天然气供给方式主要采用缸外供气和缸内直喷两种。缸外供气方式，即在进气歧管安装天然气喷气阀，通过电控单元ECU控制天然气喷气阀进行多点顺序喷射，这种燃气供给方式可以控制各个气缸的燃气喷射量，但是采用进气道喷射天然气会降低充气效率，降低发动机的输出功率。在扫气过程中，会将一部分未燃混合气排出，影响发动机的燃料经济性。并且在发动机低负荷时，存在热效率低和HC排放高等问题。缸内直喷天然气供给方式是在压缩冲程活塞运动到接近上止点附近时将天然气以一定的压力直接喷人气缸内，这种供气方式避免了缸外供气引起的充气效率低和燃气损失，同时可以实现更精确的燃气喷射量。但是缸内直喷天然气与空气的混合程度较低，使得缸内混合气浓度不均匀，影响缸内燃烧过程。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种实现发动机气体模式与柴油模式快速灵活切换、改善燃料动力性、经济性和排放性带双针阀喷油器复合式供气双燃料发动机系统及燃烧方法。本专利技术的目的通过如下技术方案来实现：带双针阀喷油器复合式供气双燃料发动机系统包括，进气道、进气门、排气道、排气门、歧管低压喷射天然气喷射阀、高压缸内直喷天然气喷射阀、双针阀喷油器和ω形燃烧室。所述歧管低压喷射天然气喷射阀安装在进气歧管上，歧管低压喷射天然气喷射阀中心轴线与气缸中心轴线垂直，能加快进气过程，有利于形成进气涡流。所述高压缸内直喷天然气喷射阀倾斜布置在气缸盖上，高压缸内直喷天然气喷射阀燃气喷射精度较高，向缸内高压喷射天然气。所述双针阀喷油器布置在气缸盖上，双针阀喷油器是由两个流量不同的独立电控喷油器组合成一体结构，每个电控喷油器具有独立的针阀、弹簧、电磁阀、供油通道和多孔喷嘴，即阀体内两个独立的电磁阀控制两个针阀独立开启和关闭。进一步地，双针阀喷油器具有两个独立的进油道，一个进油道向小流量喷油器提供轻质柴油，另一个向大流量喷油器提供重油。轻质柴油杂质少，保证小流量喷油器的喷射精度。进一步地，双针阀喷油器具有两个多孔喷嘴，大流量喷油器喷嘴部分具有8-12个喷孔；小流量喷油器喷嘴部分具有4-6个喷孔。相同喷射脉宽情况下小流量喷油器燃油喷射流量为大流量喷油器燃油喷射流量的1％左右，实现气体模式下引燃柴油的小流量精确控制。带双针阀喷油器复合式供气双燃料发动机燃烧方法，如下：发动机在起动和怠速工况运行时采用纯柴油模式，在发动机运行在低负荷和中等负荷时，可以切换至气体模式，在发动机进气冲程阶段，空气经进气道进入缸内。在进气门关闭至压缩上止点前范围内，控制高压缸内直喷天然气喷射阀向缸内进行单次或多次喷射适量天然气，具体喷射量、喷射时刻和喷射脉宽由发动机实际工况反馈给电控单元控制调节，使得在喷油器周围形成较浓的混合气。天然气与空气首先在气缸内形成混合气。在压缩冲程接近上止点前，控制双针阀喷油器向缸内喷入少量柴油引燃缸内预混合气，实现天然气预混微量柴油引燃燃烧。发动机运行在高负荷时，在发动机进气冲程阶段，控制歧管低压喷射天然气喷射阀向进气歧管喷射适量的天然气，天然气与空气混合在缸内形成较均匀的混合气。在进气门关闭至压缩上止点前，控制高压缸内直喷天然气喷射阀向缸内进行两阶段燃气喷射，第一阶段燃气喷射在进气门关闭至压缩前半段，第二阶段燃气喷射在接近压缩上止点时，两段燃气喷射时间间隔大于10℃A。所述第一阶段燃气喷射次数为单次或多次，通过控制每次的燃气喷射时刻以及高压缸内直喷天然气喷射阀与歧管低压喷射天然气喷射阀燃气喷射量配比，可以在缸内形成弱浓度分层的混合气。所述第二阶段燃气喷射次数为单次，使得在喷油器周围形成较浓的混合气，在引燃油喷射时刻，双针阀喷油器喷射的少量柴油经压燃后引燃周围较浓的混合气，利用自燃的柴油点燃缸内浓度分层的混合气。发动机由气体模式转换为柴油模式时，可以首先控制双针阀喷油器继续喷射引燃柴油，在压缩接近上止点时，控制双针阀喷油器喷射主燃油，主燃油和引燃柴油同时喷射，确保两个针阀和喷嘴均受到柴油的冷却作用，所受热应力平衡。本专利技术的有益效果在于：可以根据发动机的实际工况或在气体模式故障时，通过控制双针阀喷油器的两个针阀工作，实现发动机气体模式与柴油模式快速灵活切换；在气体模式下，根据发动机的不同工况，通过控制歧管低压喷射天然气喷射阀和高压缸内直喷天然气喷射阀的天然气喷射量配比和喷射时刻，适应发动机不同的负荷；此外通过在缸内形成浓度分层的混合气，保证点火源周围理论混合气浓度，改善燃料动本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.带双针阀喷油器复合式供气双燃料发动机系统，包括进气道(1)，进气门(2)，排气道(3)，排气门(4)，歧管低压喷射天然气喷射阀(5)，高压缸内直喷天然气喷射阀(6)，双针阀喷油器(7)，ω形燃烧室(8)，大流量喷油器针阀体(9)，小流量喷油器针阀体(10)，其特征在于：歧管低压喷射天然气喷射阀(5)安装在进气歧管上，歧管低压喷射天然气喷射阀(5)中心轴线与气缸中心轴线垂直，高压缸内直喷天然气喷射阀(6)倾斜布置在气缸盖上，高压缸内直喷天然气喷射阀(6)中心轴线与气缸中心轴线夹角为40°‑50°，高压缸内直喷天然气喷射阀(6)和双针阀喷油器(7)之间有间距，高压缸内直喷天然气喷射阀(6)喷射的天然气分布在气缸中心轴线，双针阀喷油器(7)的中心轴线与气缸中心轴线共线。双针阀喷油器(7)具有由两个流量不同的喷油器组合成的一体结构，每个喷油器具有独立的针阀、弹簧、电磁阀、供油通道和多孔喷嘴，ω形燃烧室(8)位于活塞顶面中央位置。

【技术特征摘要】
1.带双针阀喷油器复合式供气双燃料发动机系统，包括进气道(1)，进气门(2)，排气道(3)，排气门(4)，歧管低压喷射天然气喷射阀(5)，高压缸内直喷天然气喷射阀(6)，双针阀喷油器(7)，ω形燃烧室(8)，大流量喷油器针阀体(9)，小流量喷油器针阀体(10)，其特征在于：歧管低压喷射天然气喷射阀(5)安装在进气歧管上，歧管低压喷射天然气喷射阀(5)中心轴线与气缸中心轴线垂直，高压缸内直喷天然气喷射阀(6)倾斜布置在气缸盖上，高压缸内直喷天然气喷射阀(6)中心轴线与气缸中心轴线夹角为40°-50°，高压缸内直喷天然气喷射阀(6)和双针阀喷油器(7)之间有间距，高压缸内直喷天然气喷射阀(6)喷射的天然气分布在气缸中心轴线，双针阀喷油器(7)的中心轴线与气缸中心轴线共线。双针阀喷油器(7)具有由两个流量不同的喷油器组合成的一体结构，每个喷油器具有独立的针阀、弹簧、电磁阀、供油通道和多孔喷嘴，ω形燃烧室(8)位于活塞顶面中央位置。2.根据权利要求1所述的一带双针阀喷油器复合式供气双燃料发动机系统，其特征在于：双针阀喷油器具有两个独立的进油道，一个进油道向小流量喷油器提供轻质柴油，另一个向大流量喷油器提供重油。3.根据权利要求1所述的带双针阀喷油器复合式供气双燃料发动机系统，其特征在于：双针阀喷油器具有两个多孔喷嘴，大流量喷油器喷嘴部分具有8-12个喷孔；小流量喷油器喷嘴部...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨立平，罗岩，宋恩哲，姚崇，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23