專利名稱：稀燃天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)鈬娚浞椒?br> 技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的燃?xì)獾膰娚浞椒?，更具體地說(shuō)，它涉及一 種稀燃天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)鈬娚浞椒ā?
背景技術(shù)：
能源的匱乏和全球環(huán)境的惡化已成為世界關(guān)注的焦點(diǎn)。隨著科技的進(jìn)步和 社會(huì)的發(fā)展，世界汽車保有量逐年增加，并占用了大量有限的石油儲(chǔ)備資源，
同時(shí)加大了對(duì)大氣的污染程度。"節(jié)能減排"是我國(guó)的基本國(guó)策；是貫徹落實(shí)科 學(xué)發(fā)展觀，構(gòu)建社會(huì)主義和諧社會(huì)的重大舉措。為此，國(guó)務(wù)院于2007年11月 22日頒發(fā)了《國(guó)家環(huán)境保護(hù)"十一五"規(guī)劃》，其中明確指出"大力開發(fā)和使 用節(jié)能型和清潔燃料汽車，'降低機(jī)動(dòng)車污染物排放::。、 、,，、 ，
烷值高等優(yōu)點(diǎn)，而得到了高度重視。為了充分提高天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率及改 善排放，人們就天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)稀薄燃燒技術(shù)進(jìn)行了深入地研究。過(guò)量的空氣可 以提高燃燒終了混合氣的絕熱指數(shù)，有利于提高膨脹功；并且空氣充足也使得 燃燒效率提高；稀燃可以降低缸內(nèi)的熱負(fù)荷，允許采用更高的壓縮比來(lái)提高熱 效率。但是必須妥善解決火焰?zhèn)鞑ニ俣嚷娜秉c(diǎn)，才能使稀燃技術(shù)得到充分的 發(fā)展。
重型天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)多是在柴油機(jī)的基礎(chǔ)上開發(fā)的，由于天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的燃 料供給方式和著火方式與柴油機(jī)有著本質(zhì)的不同。天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)多為進(jìn)氣道噴 射火花點(diǎn)燃，而天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)著火穩(wěn)定性差及火焰?zhèn)鞑ニ俣嚷?，決定了必須優(yōu) 化缸內(nèi)混合氣濃度場(chǎng)分布，來(lái)改善點(diǎn)燃式稀燃天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒過(guò)程。
目前進(jìn)氣道噴射火花點(diǎn)燃式天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的供氣方法多為單次噴射。研究 結(jié)果表明，采用單次噴射的噴氣方法使得點(diǎn)火時(shí)刻缸內(nèi)混合氣呈現(xiàn)上稀下濃的 分布，這不利于混合氣的可靠點(diǎn)火和穩(wěn)定燃燒，也不利于提高稀燃極限。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是克服了現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，提供了 一種稀 燃天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)鈬娚浞椒āＶ荚谕ㄟ^(guò)采用燃?xì)鈨纱螄娚涞膰姎夥椒?，?yōu)化 缸內(nèi)混合氣濃度場(chǎng)的分布，改善發(fā)動(dòng)機(jī)的著火穩(wěn)定性，從而提高進(jìn)氣道噴射點(diǎn) 燃式稀燃天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒熱效率。
為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明是采用如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的將天然氣發(fā)動(dòng) 機(jī)每一個(gè)工作循環(huán)所需要的天然氣量分成兩份，按比例、按速度、按時(shí)間分第 一與第二兩次由進(jìn)氣道向缸內(nèi)進(jìn)行噴射1) 在氣缸中形成大范圍均質(zhì)混合氣體的第一次噴射的天然氣量與第二次噴
射的天然氣量之比例為4.7: 1，速度之比例為1: 2,時(shí)間是在進(jìn)氣上止點(diǎn)前 30度曲軸轉(zhuǎn)角至進(jìn)氣上止點(diǎn)后30度曲軸轉(zhuǎn)角之間開始噴射。
2) 在氣缸中實(shí)現(xiàn)混合氣濃度局部分層的第二次噴射的天然氣量與第一次噴 射的天然氣量之比例為1: 4.7,速度之比例為2: 1,時(shí)間是在進(jìn)氣上止點(diǎn)后 100度至160度曲軸轉(zhuǎn)角之間開始噴射。
與現(xiàn)有技術(shù)相比本發(fā)明的有益效果是
對(duì)原機(jī)在1450r/min， 100°/。load工況點(diǎn)的工作過(guò)程進(jìn)行了模擬分析。 通過(guò)數(shù)值模擬研究表明，對(duì)于稀燃電控多點(diǎn)噴射天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)而言，燃?xì)?噴射時(shí)刻對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)獾娜紵芭欧判阅芫休^為明顯的影響。這主要是由于 噴氣時(shí)刻決定了點(diǎn)火時(shí)刻缸內(nèi)的混合氣濃度場(chǎng)分布。分析結(jié)果表明，采取原來(lái) 的單次噴射的噴氣方法使得點(diǎn)火時(shí)刻缸內(nèi)混合氣呈現(xiàn)上稀下濃的分布，這不利 于混合氣的可靠點(diǎn)火和穩(wěn)定燃燒，也不利于提高稀燃極限。局部分層，即以大 范圍內(nèi)的均質(zhì)混合氣為基礎(chǔ)，對(duì)火花塞周圍混合氣實(shí)施小范圍的局部加濃這種 混合氣分布情況既可以保證穩(wěn)定點(diǎn)火，又可以提高稀燃極限。
用數(shù)值模擬軟件STAR-CD，、模擬了發(fā)動(dòng)機(jī)釆;"5噴射方il釭內(nèi)混合氣形i 和燃燒過(guò)程。
兩次噴射的具體方案是在原^U上，將每循環(huán)所需的天然氣量分作兩部分， 比例為4， 7: 1,分別在不同時(shí)間，采用不同的速度噴射。 一部分是在進(jìn)氣上止 點(diǎn)前30度曲軸轉(zhuǎn)角至進(jìn)氣上止點(diǎn)后30度曲軸轉(zhuǎn)角之間開始噴射，噴射持續(xù)期 為94度曲軸轉(zhuǎn)角；另一部分是在進(jìn)氣上止點(diǎn)后IOO度至160度曲軸轉(zhuǎn)角之間開 始噴射，噴射持續(xù)期為19度曲軸轉(zhuǎn)角。
根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)不同運(yùn)轉(zhuǎn)工況確定第 一次噴射與第二次噴射的具體噴射時(shí)間。
由于第二次噴射時(shí)，進(jìn)氣門開度較小，因此以首次噴射兩倍的速度進(jìn)行噴 射，以使天然氣隨氣流快速進(jìn)入氣缸。第一次噴氣的目的在于在氣缸中形成大 范圍的均質(zhì)混合氣。第二次噴氣則要求在火花塞周圍形成易于點(diǎn)火并形成初期 燃燒火焰團(tuán)的局部濃混合氣?？刂频诙螄娚涞娜?xì)饬?，可以調(diào)節(jié)火花塞附近的 可燃混合氣的濃度。
模擬的工況點(diǎn)為1450r/min、 100%負(fù)荷，在壓縮上止點(diǎn)前12度曲軸轉(zhuǎn)角開
始點(diǎn)火。下面為描述方便，將采用原機(jī)噴氣方法的工況稱為原機(jī)，將采用兩次 噴射方法的工況稱為兩次噴射。
圖1為采用不同噴氣方法時(shí)，缸內(nèi)曱烷質(zhì)量濃度場(chǎng)(沿氣缸中軸線的切面) 隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律。
由圖l-a-l與圖l-a-2可以看出，原^L的缸內(nèi)呈現(xiàn)明顯的分層現(xiàn)象，而兩次噴射除了頂部小部分外，整個(gè)氣缸內(nèi)的混合氣濃度分布較均勻。這是由于在
進(jìn)氣上止點(diǎn)后24度曲軸轉(zhuǎn)角開始首次噴射，進(jìn)入氣缸內(nèi)的天然氣位于氣缸的中 部，與前期和后期進(jìn)入氣缸內(nèi)的空氣充分混合，因此首次噴射進(jìn)入氣缸的氣體 沒(méi)有出現(xiàn)濃度分層。而兩次噴射的天然氣只要能保證可靠點(diǎn)火且其燃燒能量足 以使其他部分的稀混合氣穩(wěn)定燃燒即可，因此噴入的天然氣量較少，只在氣缸 上部形成了微弱的分層現(xiàn)象。參閱圖1-b-l與圖l-b-2為點(diǎn)火時(shí)刻的缸內(nèi)混合 氣濃度場(chǎng)，原機(jī)噴氣規(guī)律使得缸內(nèi)混合氣呈現(xiàn)上稀下濃的分布，這不利于混合 氣的可靠點(diǎn)火和穩(wěn)定燃燒，也不利于提高稀燃極限；而兩次噴射實(shí)現(xiàn)了在火花 塞周圍或其上風(fēng)區(qū)集聚濃混合氣、在燃燒室的其它大部分區(qū)域分布稀混合氣的 混合氣分布情況，有利于提高天然氣的著火穩(wěn)定性，因此在燃燒初期火焰迅速 形成并開始傳播，缸內(nèi)混合氣迅速燃燒。參閱圖1-c-1與圖l-c-2，在壓縮上止 點(diǎn)后8度曲軸轉(zhuǎn)角，兩次噴射的火焰?zhèn)鞑ニ俣让黠@快于原機(jī)。此外由于首次噴 射在缸內(nèi)形成了大范圍的均質(zhì)混合氣，急燃期內(nèi)火焰?zhèn)鞑パ杆?，燃燒穩(wěn)定性也 好，不會(huì)出現(xiàn)失火、部分燃燒和后燃現(xiàn)象，所以相對(duì)應(yīng)的熱效率也較高。 研究結(jié)果表明與現(xiàn)有技術(shù)相比本發(fā)明的有益效果是
1.兩次噴射方法改善了點(diǎn)火時(shí)刻缸內(nèi)的混合氣濃度分布，由原來(lái)的上稀下 濃變成了火花塞處濃而其他區(qū)域較均勻的濃度分布，有利于改善著火穩(wěn)定性。
參閱圖2，圖2中的曲線所表示的是分別采用原機(jī)噴氣規(guī)律和兩次噴射方 法時(shí)缸內(nèi)燃燒壓力、平均燃燒溫度、放熱率、瞬時(shí)累積放熱百分比的模擬計(jì)算 結(jié)果對(duì)比。
從圖2-a與圖2-b中的曲線可以看出雖然兩種噴氣M^律缸內(nèi)燃燒壓力、 平均溫度隨曲軸轉(zhuǎn)角變化趨勢(shì)相同，但在急燃期內(nèi)，采用兩次噴射的缸內(nèi)壓力、 溫度明顯有所升高。這是由于第二次噴氣在火花塞周圍形成了易于點(diǎn)火并形成 初期燃燒火焰團(tuán)的局部濃混合氣，燃燒初期火焰迅速形成并開始傳播，缸內(nèi)混 合氣迅速燃燒，導(dǎo)致缸內(nèi)壓力、溫度急劇升高。此外由于第一次噴射時(shí)間晚于 原機(jī)，在缸內(nèi)形成了大范圍的均質(zhì)混合氣，急燃期內(nèi)火焰?zhèn)鞑パ杆?，燃燒穩(wěn)定 性也好，不會(huì)出現(xiàn)失火、部分燃燒和后燃現(xiàn)象，所以相對(duì)應(yīng)的熱效率也較高。
圖2-c中的放熱率曲線也驗(yàn)證了上述變化趨勢(shì)。從上止點(diǎn)開始的30度曲軸 轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)，兩次噴射的放熱率始終高于原機(jī)。兩次噴射的放熱率曲線相對(duì)于 原機(jī)有前移升高的趨勢(shì)原機(jī)放熱率峰值為U0. 7焦耳每曲軸轉(zhuǎn)角，對(duì)應(yīng)的曲 軸轉(zhuǎn)角為壓縮上止點(diǎn)后25度曲軸轉(zhuǎn)角；而兩次噴射的放熱率峰值為128. 8焦耳 每曲軸轉(zhuǎn)角，對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角為24度曲軸轉(zhuǎn)角。
圖2-d中的曲線為瞬時(shí)累積放熱百分比隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化曲線。曲線的瞬 時(shí)累積;^丈熱百分比始于5%，終于95°/。。從圖中可以看出，兩次噴射的滯燃期和 急燃期明顯縮短兩次噴射的滯燃期約為17. 5度曲軸轉(zhuǎn)角，急燃期約為41.5度曲軸轉(zhuǎn)角；而原機(jī)的滯燃期約為20度曲軸轉(zhuǎn)角，急燃期約為43度曲軸轉(zhuǎn)角。
研究結(jié)果表明與現(xiàn)有技術(shù)相比本發(fā)明的有益效果是
2.兩次噴射方法改善了點(diǎn)火時(shí)刻缸內(nèi)的混合氣濃度分布，改善了發(fā)動(dòng)機(jī)著 火穩(wěn)定性，優(yōu)化了燃燒過(guò)程，提高了燃燒熱效率，使稀燃天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì) 性得到改善。


下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明
圖1-a-l是原有天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮上止點(diǎn)前90度曲軸轉(zhuǎn)角時(shí)的甲烷質(zhì)量濃 度場(chǎng)的分布圖l-a-2是采用兩次噴射方法的天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮上止點(diǎn)前90度曲軸轉(zhuǎn)角 時(shí)的曱烷質(zhì)量濃度場(chǎng)的分布圖l-b-l是原有天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮上止點(diǎn)前12度曲軸轉(zhuǎn)角時(shí)的甲烷質(zhì)量濃 度場(chǎng)(點(diǎn)火時(shí)刻)的分布圖1-b-2是采用兩次噴射方法的天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮上止點(diǎn)前12度曲軸轉(zhuǎn)角 時(shí)的曱烷質(zhì)量濃度場(chǎng)(點(diǎn)火時(shí)刻)的分布圖l-c-l是原有天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮上止點(diǎn)后8度曲軸轉(zhuǎn)角時(shí)的曱烷質(zhì)量濃 度場(chǎng)的分布圖l-c-2是采用兩次噴射方法的天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮上止點(diǎn)后8度曲軸轉(zhuǎn)角 時(shí)的曱烷質(zhì)量濃度場(chǎng)的分布圖2-a 內(nèi)燃燒壓力的對(duì)比曲線；
圖2-b是； 內(nèi)平均燃燒溫度的對(duì)比曲線；
圖2-c 內(nèi)放熱率的對(duì)比曲線；
圖2-d
內(nèi)瞬時(shí)累積放熱百分比的對(duì)比曲線。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)的描述
天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火時(shí)刻缸內(nèi)混合氣濃度場(chǎng)分布情況直接決定了著火過(guò)程， 著火過(guò)程又直接決定了放熱率的變化，進(jìn)而決定了熱效率。研究表明燃?xì)鈬姎?方法直接決定了缸內(nèi)混合氣濃度場(chǎng)的分布規(guī)律。
目前進(jìn)氣道噴射火花點(diǎn)燃式天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)多為單次噴射。研究結(jié)果表明采 用單次噴射的噴氣方法使得點(diǎn)火時(shí)刻缸內(nèi)混合氣呈現(xiàn)上稀下濃的分布，這不利 于混合氣的可靠點(diǎn)火和穩(wěn)定燃燒，也不利于提高稀燃極限。方法使得點(diǎn)火時(shí)刻缸內(nèi)混合氣呈現(xiàn)上稀下濃分布的問(wèn)題，提高進(jìn)氣道噴射火花 點(diǎn)燃式稀燃天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒熱效率，起到了 "節(jié)能減排"的效果。
兩次噴射方法的技術(shù)方案為
將每一個(gè)循環(huán)所需要的天然氣量分作兩部分，按照相應(yīng)的比例，分別在不 同時(shí)間，以不同的速度進(jìn)行噴射。
1. 第 一次噴射的結(jié)果是在氣缸中形成大范圍的均質(zhì)混合氣體。
2. 第二次噴射的結(jié)果是在氣缸中實(shí)現(xiàn)混合氣濃度局部分層。
在大范圍內(nèi)的均質(zhì)混合氣的基礎(chǔ)上，對(duì)火花塞周圍混合氣實(shí)施小范圍的局 P加濃，即第二次噴氣則要求在火花塞周圍形成易于點(diǎn)火并形成初期燃燒火焰 團(tuán)的局部濃混合氣，通過(guò)控制燃?xì)饬?，可以調(diào)節(jié)火花塞附近的可燃混合氣的濃 度。這種混合氣分布情況既可以保證穩(wěn)定點(diǎn)火，又可以提高稀燃極限。 實(shí)施例
通過(guò)對(duì)中國(guó)第 一汽車集團(tuán)公司的CA6SE1-21N天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)研究， 對(duì)原機(jī)1450r/min， 100%load工況點(diǎn)的工作過(guò)程進(jìn)行了才莫擬分析。分析結(jié)果表 明，釆取原來(lái)單次噴射的噴氣方法使得點(diǎn)火時(shí)刻缸內(nèi)混合氣呈現(xiàn)上稀下濃的分 布，這不利于混合氣的可靠點(diǎn)火和穩(wěn)定燃燒，也不利于提高稀燃極限。
局部分層，即以大范圍內(nèi)的均質(zhì)混合氣為基礎(chǔ)，對(duì)火花塞周圍混合氣實(shí)施小 范圍的局部加濃這種混合氣分布情況既可以保證穩(wěn)定點(diǎn)火，又可以提高稀燃極 限。
本發(fā)明所提出的兩次噴射方法可以實(shí)現(xiàn)這種局部分層。
利用商用數(shù)值模擬軟件STAR-CD，模擬了發(fā)動(dòng)機(jī)采用兩次噴射方法時(shí)缸內(nèi) 混合氣形成和燃燒過(guò)程。
兩次噴射的具體方案是在原機(jī)上，將每循環(huán)所需的天然氣量分作兩部分， 比例為4.7: 1,分別在不同時(shí)間，采用不同的速度噴射。
第一部分是在進(jìn)氣上止點(diǎn)前30度曲軸轉(zhuǎn)角至進(jìn)氣上止點(diǎn)后30度曲軸轉(zhuǎn)角 之間開始噴射，噴射持續(xù)期為94度曲軸轉(zhuǎn)角。第一次噴氣的目的在于在氣缸中
形成大范圍的均質(zhì)混合氣。
第二部分是在進(jìn)氣上止點(diǎn)后100度至160度曲軸轉(zhuǎn)角之間開始噴射，噴射
持續(xù)期為19度曲軸轉(zhuǎn)角。
根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)不同運(yùn)轉(zhuǎn)工況確定第 一次噴射與第二次噴射的具體噴射時(shí)間。 由于第二次噴射時(shí)，進(jìn)氣門開度較小，因此以首次噴射兩倍的速度進(jìn)行噴
射，使天然氣隨氣流快速進(jìn)入氣缸。第二次噴氣則要求在火花塞周圍形成易于 點(diǎn)火并形成初期燃燒火焰團(tuán)的局部濃混合氣?？刂频诙螄娚涞娜?xì)饬?，可以調(diào) 節(jié)火花塞附近的可燃混合氣的濃度。
權(quán)利要求
1. 一種稀燃天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)鈬娚浞椒?，其特征是將天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)每一個(gè)工作循環(huán)所需要的天然氣量分成兩份，按比例、按速度、按時(shí)間分第一與第二兩次由進(jìn)氣道向缸內(nèi)進(jìn)行噴射1)在氣缸中形成大范圍均質(zhì)混合氣體的第一次噴射的天然氣量與第二次噴射的天然氣量之比例為4.7∶1，速度之比例為1∶2，噴射時(shí)間是在進(jìn)氣上止點(diǎn)前30度曲軸轉(zhuǎn)角至進(jìn)氣上止點(diǎn)后30度曲軸轉(zhuǎn)角之間開始噴射；2)在氣缸中實(shí)現(xiàn)混合氣濃度局部分層的第二次噴射的天然氣量與第一次噴射的天然氣量之比例為1∶4.7，速度之比例為2∶1，時(shí)間是在進(jìn)氣上止點(diǎn)后100度至160度曲軸轉(zhuǎn)角之間開始噴射。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種稀燃天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)鈬娚浞椒āＶ荚诳朔F(xiàn)有技術(shù)采用單次燃?xì)鈬娚浞椒ㄊ裹c(diǎn)火時(shí)刻缸內(nèi)混合氣濃度呈現(xiàn)上稀下濃的問(wèn)題。本發(fā)明將天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)每一個(gè)工作循環(huán)所需要的天然氣量分成兩份，按比例、按速度、按時(shí)間分第一與第二兩次向缸內(nèi)噴射在氣缸中形成大范圍均質(zhì)混合氣體的第一次噴射的天然氣量與第二次噴射的天然氣量之比例為4.7∶1，速度之比例為1∶2，時(shí)間是在進(jìn)氣上止點(diǎn)前30度曲軸轉(zhuǎn)角至進(jìn)氣上止點(diǎn)后30度曲軸轉(zhuǎn)角之間開始噴射；在氣缸中實(shí)現(xiàn)混合氣濃度局部分層的第二次噴射的天然氣量與第一次噴射的天然氣量之比例為1∶4.7，速度之比例為2∶1，時(shí)間是在進(jìn)氣上止點(diǎn)后100度至160度曲軸轉(zhuǎn)角之間開始噴射。
文檔編號(hào)F02M21/02GK101418753SQ20081005146
公開日2009年4月29日 申請(qǐng)日期2008年11月25日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月25日
發(fā)明者劉忠長(zhǎng), 品 呂, 王忠恕, 竇慧莉, 葛思非, 允 許, 韓永強(qiáng) 申請(qǐng)人:中國(guó)第一汽車集團(tuán)公司;吉林大學(xué)