CN101571069B - 内燃机双燃料燃烧系统 - Google Patents
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Abstract
一种内燃机双燃料燃烧系统，其属于内燃机构造和燃烧领域。这种燃烧系统包括主燃烧室和点火室，配有各自的燃料喷射系统，适于压燃的柴油喷向主燃烧室，适于点燃的汽油喷向点火室。采用低压缩比，使主燃烧室里形成的预混合气不能压缩自燃，然后通过火花塞点燃点火室内的混合气来引燃主燃烧室内的混合气，从而有效地控制燃烧的着火点。采用废气再循环技术控制燃烧速率，降低NOx排放，避免爆震。采用高膨胀比以保证高的热效率，从而实现了着火点和燃烧速率可控的高效清洁燃烧。在一台186单缸柴油机上的试验表明，NOx排放下降90％，碳烟排放降低92％。
Description
技术领域
本发明涉及一种内燃机双燃料燃烧系统，其属于内燃机构造和燃烧领域。
背景技术
众所周知，传统柴油机燃烧属于非均质混合的扩散燃烧，这种燃烧方式可以获得良好的经济性，但是NOx和碳烟排放严重。为了改善柴油机燃烧，降低其有害排放，以满足日趋严格的排放法规，现代柴油采用高达200MPa的喷油压力，并必须安装复杂的尾气后处理设备，造成柴油机的成本急剧增加。另一方面，在柴油机上采用均质预混合燃烧方式的研究，已经证实可以将NOx和碳烟降低90％以上，因此可以极大地降低后处理的成本。但是柴油均质预混合燃烧方式，其着火点和燃烧速率难以控制，目前只能在中低负荷下实现，一直未能实用。
发明内容
为了解决柴油均质预混合燃烧着火点控制困难的问题，本发明提供一种内燃机双燃料燃烧系统，这种燃烧系统包括主燃烧室和点火室，配有各自独立的燃料喷射系统。适于压燃的柴油喷向主燃烧室，适于点燃的汽油喷向点火室。该燃烧系统采用柴油早期喷射的方式形成预混合气，降低有效压缩比以确保柴油在压缩过程不能自燃(对于采用增压系统的柴油机，可以对进气进行强制冷却，保证较低的进气温度)。另一方面，通过向设置在缸盖上的点火室内喷射少量汽油形成汽油混合气，火花塞点燃后，火焰冲出点火室，引燃主燃烧室内的柴油预混合气，从而有效地控制燃烧的着火点，并通过EGR技术把部分废气引入缸内，控制燃烧速率，降低NOx排放，避免爆震。采用高膨胀比以保证高的热效率，从而实现了着火点和燃烧速率可控的柴油预混合燃烧。当然，启动或怠速运转时，主喷油嘴可以停止喷射，只喷射汽油燃烧运行。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种内燃机双燃料燃烧系统主要包括一个由主燃烧室和一个与主燃烧室相连通的点火室，在主燃烧室中安装一个主喷油嘴，在点火室中安装一个副喷油嘴和一个火花塞，主喷油嘴喷射适于压燃的燃料，副喷油嘴喷射适于点燃的燃料。发动机采用低压缩比高膨胀比循环方式，足够的低压缩比使得主燃烧室的混合气不被压燃着火，而是由火花塞先点燃点火室内混合气，再引燃主燃烧室的混合气。进气方式采用自然吸气或增压进气，采用自然吸气时，有效压缩比小于13，膨胀比则大于13；在采用增压进气时，有效压缩比小于10，膨胀比则大于10，用中冷器把增压后的空气强制冷却到摄氏50度以下。在进气行程或压缩行程，用主喷油嘴向主燃烧室喷射适于压燃的燃料与空气混合，用副喷油嘴向点火室喷射适于点燃的燃料，形成可点燃的混合气，火花塞点燃点火室内的混合气，燃烧火焰从通道高速进入主燃烧室，引燃主燃烧室内的混合气。在启动或怠速运转时，所述主喷油嘴停止喷射，只有副喷油嘴喷射燃料燃烧运行。
所述点火室的出口至少为一个，出口采用圆形或部分环形结构。
所述主燃烧室内也可以喷入生物柴油、二甲醚等适于压燃的燃料；所述点火室可以喷入压缩天然气、液化石油气等易于点燃的燃料。
内燃机工作时，以低压缩比高膨胀比的循环方式工作。内燃机的有效压缩比小于可以使柴油混合气自燃着火的最小压缩比，以确保缸内的柴油混合气不能自燃着火；对于增压柴油机，采用增压空气冷却系统将增压后的空气进行强制冷却，降低进气道内气体的温度。在进气行程或压缩行程向主燃烧室内喷射柴油；而副喷油嘴向点火室内喷射少量汽油，使火花塞附近混合气的当量比为1左右，并利用火花塞点燃点火室内的混合气；点火室内的混合气着火燃烧后，点火室内气体压力急剧增加，燃烧火焰将从通道高速冲进主燃室，引燃主燃室内的柴油均质混合气，从而控制柴油混合气燃烧的着火点。为了保证汽油不会喷出点火室外，油束不对准点火室出口。通过EGR阀门、EGR冷却器及相关管路，可以将部分发动机尾气重新引入气缸内，以控制柴油预混合燃烧速率。在怠速运转和启动时，主喷油嘴可以停止喷射，只喷射汽油燃烧运行。因为燃烧速率快，内燃机具有较高的热效率。
上述技术方案的指导思想是：柴油均质预混合气自燃着火燃烧方式，很难控制着火点。采用降低压缩比和进气温度的方法，降低压缩终点的缸内温度，使缸内柴油混合气不能依靠压缩高温而自燃，通过向点火室内喷射适量易于挥发的汽油，点燃点火室内的混合气后，高温火焰经通道冲出，引燃主燃烧室内的柴油均质混合气，从而实现着火点可控的柴油均质预混合燃烧。而采用适当高的膨胀比，有利于提高发动机的效率，降低油耗；采用废气再循环技术引入部分废气到缸内，可控制柴油预混合燃烧的速率。
本发明的有益效果是：这种内燃机双燃料燃烧系统，由于采用低压缩比和高膨胀比，对增压柴油机还要进行增压空气强化冷却，使缸内的柴油均质预混合气不能压缩自燃，然后通过在点火室内点燃汽油来引燃主燃烧室内的柴油预混合气，从而有效地控制了柴油预混合燃烧的着火点，并通过废气再循环技术把部分废气重新引入缸内，控制柴油均质预混合燃烧的速率，实现了着火点和燃烧速率可控的柴油均值预混合燃烧，并保持高效率。此外，由于在点火室内直喷汽油或天然气点火，因此可以有效解决发动机的冷启动问题。在一台186单缸柴油机上的试验表明，NOx排放下降90％，碳烟排放降低92％。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1是一种内燃机双燃料燃烧系统示意图。
图中：1、主燃烧室，2、主喷油嘴，3、点火室，4、副喷油嘴，5、火花塞。
具体实施方式
在图1所示的内燃机双燃料燃烧系统实施例中：设计燃烧室容积使发动机的几何压缩比为12，设计进气门关闭时刻使发动机的有效压缩比为9，进气充量为涡轮增压后经过强化冷却的空气，主喷油嘴2采用雾化好，贯穿距短的伞喷油嘴，在进气过程中向主燃烧室1喷射柴油，在缸内形成均质的混合气；由于缸内压缩初始温度低，有效压缩比低，柴油均质混合气不能依靠压缩高温自燃着火。在压缩上止点之前70°曲轴转角，副喷油嘴4向点火室3内喷射适量汽油，由于压缩上止点前主燃烧室1内的气体向点火室3流动，背压高，所喷汽油被封在点火室3内，使点火室3内形成适宜点燃的汽油混合气；并在压缩上止点驱动火花塞5点燃点火室3内的混合气，点火室3内的工质着火燃烧后压力升高，火焰喷入主燃烧室1，引燃主燃烧室1内的柴油均质混合气，从而控制主燃烧室1内的柴油均质混合气的燃烧始点在上止点之后，实现着火点可控的柴油均质预混合燃烧，其燃烧速率可以通过在进气充量中引入部分冷却的废气来进行控制，从而实现柴油均质混合气在较低的温度下快速平稳的燃烧。试验结果表明，NOx排放降低91％，碳烟排放降低91％；由于膨胀比高于压缩比，发动机可以保持传统柴油机的高效率。
另外还有一种情况，主喷油嘴2可以设置在进气道内，利用进气时喷油形成柴油均质混合气，实现着火点可控的柴油均质预混合燃烧。
Claims (2)
1.一种内燃机双燃料燃烧系统，其特征是：它主要包括一个由主燃烧室(1)和一个与主燃烧室(1)相连通的点火室(3)，在主燃烧室(1)中安装一个主喷油嘴(2)，在点火室(3)中安装一个副喷油嘴(4)和一个火花塞(5)，主喷油嘴(2)喷射适于压燃的燃料，副喷油嘴(4)喷射适于点燃的燃料；发动机采用低压缩比高膨胀比循环方式，足够的低压缩比使得主燃烧室(1)的混合气不被压燃着火，而是由火花塞(5)先点燃点火室(3)内混合气，再引燃主燃烧室(1)的混合气；进气方式采用自然吸气或增压进气；采用自然吸气时，有效压缩比小于13，膨胀比则大于13；在采用增压进气时，有效压缩比小于10，膨胀比则大于10，用中冷器把增压后的空气强制冷却到摄氏50度以下，在进气行程或压缩行程，用主喷油嘴(2)向主燃烧室(1)喷射适于压燃的燃料与空气混合；用副喷油嘴(4)向点火室(3)喷射适于点燃的燃料，形成可点燃的混合气，火花塞(5)点燃点火室(3)内的混合气，燃烧火焰从通道高速进入主燃烧室(1)，引燃主燃烧室(1)内的混合气；在启动或怠速运转时，所述主喷油嘴(2)停止喷射，只有副喷油嘴(4)喷射燃料燃烧运行。
2.据权利要求1所述的内燃机双燃料燃烧系统，其特征是：所述点火室(3)的出口至少为一个，出口采用圆形或部分环形结构。
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