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CN112832904A - 一种小型多种燃料三角转子发动机及工作方式 - Google Patents

一种小型多种燃料三角转子发动机及工作方式 Download PDF

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CN112832904A
CN112832904A CN202110308019.2A CN202110308019A CN112832904A CN 112832904 A CN112832904 A CN 112832904A CN 202110308019 A CN202110308019 A CN 202110308019A CN 112832904 A CN112832904 A CN 112832904A
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China
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fuel
oil
pressure
injector
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CN202110308019.2A
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曾科
卞晓林
宁乐
杨选忠
杨晋军
段启蒙
黄佐华
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Nanjing Gaichi Power Technology Co ltd
Shaanxi Hongling Power Co ltd
Xian Jiaotong University
Original Assignee
Nanjing Gaichi Power Technology Co ltd
Shaanxi Hongling Power Co ltd
Xian Jiaotong University
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Abstract

本发明公开了一种小型多种燃料三角转子发动机，属于三角转子发动机技术领域，三角转子发动机包括发动机缸体、三角转子、偏心轴，发动机缸体设置有排气口、进气口、与排气口连接的排气管以及与进气口连接的进气管，发动机缸体上设置有预燃室，预燃室通过连接通道与三角转子发动机的主工作腔连通；预燃室上设置有副喷油器和火花塞，副喷油器的喷口指向连接通道；火花塞点燃预燃室内的混合气。本发明解决了小型柴油转子发动机不能可靠着火燃烧的问题，使发动机具有较好的燃料经济性和动力性，同时在排气管使用三元催化反应器或者氧化催化反应器，解决转子发动机排放问题，使其能适合多种发动机燃料。

Description

一种小型多种燃料三角转子发动机及工作方式
技术领域
本发明属于三角转子发动机技术领域，具体涉及一种小型多种燃料三角转子发动机。
背景技术
三角转子发动机(又称汪克尔发动机)，具有体积小、重量轻、零部件数量少、模块化程度高、可靠性和维护性高的特点，在军事和航空领域得到了广泛应用。但其缺点也明显，其狭长型燃烧室结构不紧凑，导致火焰传播距离长和传热损失大，其三角转子顶角处和侧面之间容易密封不好，导致有效压缩比难以提高，不能实现柴油的压燃着火燃烧方式。
现有技术中的重油转子发动机只能采用点燃的方式，即由火花塞或者电热塞点燃方式。美国专利US6125813(PRECHAMBER COMBUSTION FOR A ROTARY DIESEL ENGINE)或者PCT国际专利WO 98/57037提出了一种采用预燃室的点燃式的方案，在该方案中在发动机压缩上止点附近压缩行程一侧布置了预燃室，在预燃室内布置有电热塞、喷油器，且为了易于点火而在预燃室内壁涂覆催化剂(如铂)，预燃室具有较好的隔热性能，便于保温和点燃混合气，预燃室的容积占最小工作容积的25％～40％，连接预燃室和主燃室的通道容积占预燃室容积的20％～32％。上述方案可以解决柴油的着火问题，但是由于燃油是通过在预燃室内的喷油器提供，所以连接预燃室和主燃室的通道整个容积较大，存在燃烧初期节流损失大的问题，导致发动机的热效率降低；此外由于预燃室及其通道存在于压缩上止点前，当发动机刚进入压缩行程，其三角活塞的顶角处的密封条刚掠过预燃室通道，与预燃室导通后，会突然增加压缩行程的压力，其结果是一方面增加了刚进入压缩行程的工作室的压缩负功，另一方面导致预燃室中大量的高压混合气无法与进入做功行程的工作室中的燃气一起充分膨胀做功，从而导致发动机热效率的进一步降低。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明采取了如下技术方案：
一种小型多种燃料三角转子发动机，三角转子发动机包括发动机缸体、三角转子、偏心轴，所述发动机缸体设置有排气口、进气口、与所述排气口连接的排气管以及与进气口连接的进气管，所述发动机缸体上设置有预燃室，所述预燃室通过连接通道与所述三角转子发动机的主工作腔连通；所述预燃室上设置有副喷油器和火花塞，所述副喷油器的喷口指向所述连接通道,所述火花塞用于点燃所述预燃室内的混合气。
进一步地，所述预燃室的容积与连接通道的容积之和为发动机单缸排量的0.5％～3％。
进一步地，所述预燃室上还设置有电热塞，所述电热塞用于对所述预燃室内的混合气进行加热。
进一步地，所述预燃室位于所述发动机缸体的上止点后，且所述连接通道的中心线与所述发动机缸体的中心线夹角为10～20°；所述预燃室内副喷油器的喷射提前角为120～30°CA。
进一步地，在所述发动机缸体的进气口与所述连接通道之间，所述发动机缸体上安装有主喷油器，所述主喷油器在三角转子发动机的进气行程和压缩行程早期进行喷射燃油。
进一步地，所述主喷油器在所述发动机缸体上的安装角度范围为上止点前130～40°，所述主喷油器的喷射提前角为压缩上止点前330～120°CA。
进一步地，还包括高压发生装置，所述高压发生装置为所述主喷油器和所述副喷油器供油；所述高压发生装置包括高压供油共轨管和柱塞式高压油泵，所述高压供油共轨管上安装有油压传感器，所述高压供油共轨管上具有进油口和两个分别与主喷油器、副喷油器连通的出油口，所述进油口与所述柱塞式高压油泵连接，所述柱塞式高压油泵用于将燃油箱中的燃油泵入至所述高压供油共轨管中，所述柱塞式高压油泵上设有用于调节到达所述高压供油共轨管中燃油压力大小的燃油压力调节阀。
进一步地，所述排气管上装有氧化催化反应器或三效催化反应器。
进一步地，所述进气管设置有节气门体，所述节气门体用于对所述三角转子发动机的进气量进行控制。
本发明还提供了上述所述的小型多种燃料三角转子发动机的工作方式，当发动机处在怠速、小负荷工况或者三角转子发动机工作的总体过量空气系数λ大于λ2，发动机处在稀混合气工作状态时，副喷油器喷油，主喷油器停止喷油；
当发动机处在中负荷工况或者三角转子发动机工作的总体过量空气系数λ为λ1～λ2，发动机处在中等浓度混合气工作状态时，副喷油器和主喷油器均进行喷油；
当发动机处在大负荷工况或者发动机工作的总体过量空气系数λ小于λ1，发动机处在稀浓合气工作状态时，主喷油器进行喷油，副喷油器喷油或者停止喷油；当副喷油器停止喷油时，三角转子发动机处在预燃室积碳清除工作状态。
有益效果：
本发明提供的小型多种燃料三角转子发动机，解决了小型柴油转子发动机不能可靠着火燃烧的问题，其能够保持较高的热效率，使发动机具有较好的燃料经济性和动力性；同时利用转子发动机排温高的特点在排气管使用三元催化反应器或者氧化催化反应器，解决转子发动机排放问题，特别是在烧重油(航空煤油和柴油)时高排放的问题，使其能适合多种发动机燃料，如汽油、航空煤油、柴油等。
本发明公开提供的小型多种燃料三角转子发动机工作方式，能够对预燃室火花塞上的积碳进行冲击清理和高温氧化处理，以保证发动机的输出功率能够满足要求。
附图说明
图1为具有3个主工作腔的三角转子发动机(其中主工作腔之一处在压缩行程末期)；
图2为具有3个主工作腔的三角转子发动机(其中主工作腔之一处在吸气过程开始；另一个主工作腔处在膨胀行程末期，即将开始排气，此时预燃室还与该主工作腔相通)；
其中，1、发动机缸体；2、尾气后处理器；3、排气管；4、排气口；5、节气门体；6、进气管；7、进气口；8、活塞；9、预燃室；10、连接通道；11、上壳体；12、电热塞；13、副喷油器；14、火花塞；15、主喷油器；16、主工作腔；17、安装通道；18、副喷油器供油管；19、高压供油共轨管；20、主喷油器供油管；21、柱塞式高压油泵；22、高压油泵柱塞；23、高压油泵挺柱；24、高压油泵进油管；25、燃油滤清器；26、低压油泵；27、高压油泵回油管；28、供油油管；29、燃油箱；30、发动机曲轴；31、油压传感器；32、燃油压力调节阀；33、油泵驱动凸轮。
具体实施方式
实施例1
一种小型多种燃料三角转子发动机，其中，三角转子发动机包括发动机缸体1、三角转子、偏心轴，发动机缸体1设置有排气口4、进气口7、与排气口4连接的排气管3以及与进气口7连接的进气管6，发动机缸体1上还设置有预燃室9，预燃室9通过连接通道10与三角转子发动机的主工作腔16连通；预燃室9上设置有副喷油器13和火花塞14，副喷油器13的喷口指向连接通道10，副喷油器13喷出的燃油一部分留在预燃室9内，另一部分通过连接通道10进入主工作腔16；火花塞14用于点燃预燃室9内的混合气。
在本实施例中，三角转子与发动机缸体1之间形成3个空腔，即3个主工作腔16。
在另一实施例中，预燃室9上还设置有电热塞12，电热塞12用于对预燃室9内的混合气进行加热，有助于解决发动机冷机起动和发动机暖机运行。
预燃室9的容积与连接通道10的容积之和为发动机单缸排量的0.5％～2％，最小容积为1.5立方厘米。
预燃室9位于发动机缸体1的上止点后，且连接通道10的中心线与发动机缸体1的中心线夹角为10～20°(缸体几何角度)；预燃室9内副喷油器13的喷射提前角为压缩上止点前120～30°CA(曲轴转角，曲轴转角与缸体几何角度的关系是3倍关系)。
在发动机缸体1的进气口7与连接通道10之间，发动机缸体1上设置有安装通道17，安装通道17安装有主喷油器15，主喷油器15在三角转子发动机的进气行程和压缩行程早期进行喷射燃油。
主喷油器15在发动机缸体1上的安装角度范围为上止点前130～40°(缸体几何角度)，主喷油器15的喷射提前角为压缩上止点前330～120°CA(曲轴转角)。
在本实施例中，预燃室9的预燃室腔由上壳体11构成；偏心轴与发动机曲轴30连接。
本实施例提供的小型多种燃料三角转子发动机还包括高压发生装置，高压发生装置为主喷油器15和副喷油器13供油；高压发生装置包括高压供油共轨管19和柱塞式高压油泵21，高压供油共轨管19上安装有油压传感器31，高压供油共轨管19上具有进油口和两个分别与主喷油器15、副喷油器13连通的出油口，进油口与柱塞式高压油泵21连接，柱塞式高压油泵21用于将燃油箱29中的燃油泵入至高压供油共轨管19中，柱塞式高压油泵21上设有用于调节到达高压供油共轨管19中燃油压力大小的燃油压力调节阀32。
在本实施例中，柱塞式高压油泵21包括高压油泵柱塞22、高压油泵挺柱23和油泵驱动凸轮33。
在本实施例中，高压供油共轨管19上具有进油口和出油口，出油口通过副喷油器油管18、主喷油器油管20分别与主喷油器15和副喷油器13连通。三角转子发动机运行带动高压油泵产生的高压燃油通过副喷油器油管18、主喷油器油管20分别输送到主喷油器15和副喷油器13。柱塞式高压油泵21与燃油箱29内的燃油通过供油油管28连通，供油油管28上设置有低压油泵26和燃油滤清器25；柱塞式高压油泵21与燃油箱29通过高压油泵回油管27连通；燃油滤清器25与柱塞式高压油泵21通过高压油泵进油管24连通。
本实施例中的三角转子发动机具体布置方案如下：
本实施例中的三角转子发动机的基本结构是在三角活塞8顶面和发动机缸体1之间特殊型线形成的主工作腔16的基础上，设置有一预燃室9和两个燃料喷射器。其中预燃室9布置在压缩上止点附近偏后的位置，用来解决主工作腔16中的燃料/空气混合气的引燃着火问题，并在预燃室9中布置了一燃料喷射器，即本实施例中的副喷油器13，在主工作腔16内布置了主燃料喷射器，即本实施例中的主喷油器15。其中，副喷油器13用来加浓预燃室9内的燃料/空气混合气，使预燃室9内的浓混合气被可靠点燃而先燃烧，并形成火焰经过通道喷入主工作腔16。
在三角转子的转动过程中，当进气口7与其中的一个主工作腔16连通后，伴随着该主工作腔16的容积不断增加，该主工作腔16处在吸气行程。
在本实施例中，主喷油器15安装在发动机缸体1的进气口7后、压缩上止点前130～30°位置(对应曲轴390～90度曲轴转角位置)，主喷油器15的喷射提前角为压缩上止点前330～120°CA，主喷油器15可以在吸气行程和压缩行程早期向主工作腔16内喷射燃油，主喷油器15喷射发生得越早，主工作腔16中的燃料/空气混合气越均匀。
当活塞8的顶角扫过预燃室9与主工作腔16的连接通道10后，其中预燃室9以及与预燃室9相通的主工作腔16就处在压缩行程，这时副喷油器13开始喷射喷燃油，所喷射的燃油一部分留在预燃室9内，另一部分可以通过连接通道10进入该主工作腔16内，位于该主工作腔16内的空气在活塞8压缩作用下，在预燃室9的连接通道10内形成高速气流冲向预燃室9，更有利于预燃室9内形成良好的燃料/空气混合气，由于预燃室9副喷油器13的喷油作用，预燃室9内形成较主工作腔16更浓的燃料/空气混合气，更有利于预燃室9的混合气点火燃烧。
在本实施例中，预燃室9容积与连接通道10的容积之和为发动机单缸排量的0.5％～3％，最小容积为1.5立方厘米。其中，连接通道10的中心线在发动机缸体1上的位置角度为上止点后10～20°(对应的曲轴位置为上止点后30～60°CA)。
由于本实施例中的预燃室9及连接通道10与主工作腔16的占比很小，所以节流损失很小。同时，由于预燃室9的位置偏后，在整个膨胀行程中预燃室9一直与主工作腔16相通，并没有因预燃室9不参与整个膨胀过程而导致做功损失，且预燃室9一直参与膨胀过程直至膨胀过程后期(如图2所示)，此时预燃室9内的压力较低(如图2所示)，所包含的废气量较少，这样在压缩行程后期新鲜充量空气进入，导致预燃室9内的废气含量占比较低，有利于预燃室9内的混合气的点火燃烧。
在本实施例中，副喷油器13的喷射提前角合理值为压缩上止点前90～40°CA(曲轴转角)，喷油太早，容易引起预燃室9内早燃，进而导致整个燃烧室早燃；喷油推迟，容易导致预燃室9内混合气形成质量不良，不能可靠点火燃烧。
在本实施例中，预燃室9内分别装有喷油器、火花塞14和电热塞12，火花塞14和电热塞12既可以安装在喷油器的两侧，三者也可以呈空间分布。其中，电热塞12在预燃室9内温度较低时，如发动机的冷起动和暖车工况，可以对预燃室9内的混合气进行加热，以提高预燃室9内的混合气的温度，有利于提高混合气形成质量和火花塞14点燃混合气，从而改善发动机的冷起动和暖机性能，并减少火花塞14的积碳；火花塞14用来点燃预燃室9内的混合气，火花塞14的点火提前角为上止点前10～35°CA(曲轴转角)。
当发动机的有效压缩比较高时，电热塞12也可以充当点火源，此时通过控制预燃室9内副喷油器13的喷射提前角来控制着火时刻，从而控制整个燃烧室内混合气的燃烧；此时火花塞14可以作为第二点火源起到提高点火可靠性的作用。
在本实施例中，在柱塞式高压油泵21上设置有电控燃油压力调节阀32，在高压供油共轨管19上安装有油压传感器31，发动机的燃油喷射压力为5-80MPa。根据所用燃料和发动机工况的不同，发动机对燃料喷射的压力不同，低粘度的燃料如汽油对喷射压力的要求较低，燃油喷射压力为5-30MPa；高粘度的燃料如柴油对喷射压力的要求高，燃油喷射压力为20～80MPa(注：发动机在小负荷时要求燃料的喷射压力较低，而大负荷时则要求的燃料喷射压力高)。
本实施例提供的小型多种燃料三角转子发动机在进气管6还装有节气门体5，节气门体5对进气量进行调节控制；发动机的负荷调节是通过对发动机的供油量和进气量的调节来实现，其中，进气量的调节是为了保证全工况范围内过量空气系数λ在合理的范围内。
根据发动机的负荷需求来调节发动机的供油量，在此基础上通过节气门体5来调节发动机的进气量，使发动机工作的过量空气系数λ处在0.8～2.5的范围。其中，对于汽油和航空煤油使发动机工作的过量空气系数λ为0.8～1.5，柴油使发动机工作的过量空气系数λ为1.0～2.5。对于粘度低的汽油和航空煤油，其工作的混合气较浓，不易产生碳烟；而对于柴油若混合气太浓(λ<1.0)则易产生碳烟排放。对于λ的取值，当发动机负荷较低时，λ取值大一些，混合气较稀，燃烧效率较高；当负荷较大时，λ取值大一些，混合气较浓，发动机燃烧更稳定，保证发动机的功率输出，λ的合理取值范围可以根据发动机性能的目标要求，通过发动机匹配标定试验具体确定。
在另一实施例中，小型多种燃料三角转子发动机的排气管3上设置有尾气后处理器2，尾气后处理器2为氧化催化反应器或者三效催化反应器中的一种作为后处理装置。
由于三角转子发动机具有排温很高(一般大于650℃)的特点，在发动机安装后处理装置能及时有效大幅度降低发动机的有害排放。其中，小型三角转子发动机喷射压力并不是很高(最高80MPa)，在使用柴油做燃料时，尤其在大功率工况燃烧的混合气较浓(λ<1.3)，会产生较严重的碳烟颗粒排放，在使用了所述的后处理装置后，能在λ为1.0～2.5条件下大幅度降低发动机的碳氢、碳烟颗粒排放，尤其在混合气很浓工况下工作时的碳烟颗粒排放。
实施例2
本实施例为实施例1的小型多种燃料三角转子发动机的工作方式。
本实施例中，三角转子发动机采用适应多种燃料的电控主副喷油器13高压喷射技术、电控点火技术。同一台发动机在使用不同燃料时，可以通过燃料选择开关，选择电控系统中适合不同燃料的控制程序来控制发动机的工作过程。其中，主喷油器15和副喷油器13可以在每一发动机的工作循环中均进行燃油喷射，或者只由主喷油器15喷射，或者只由副喷油器13进行喷射。
当发动机处在怠速、小负荷工况或者发动机工作的总体过量空气系数λ大于λ2时(混合气稀)，只有副喷油器13喷油，主喷油器15停止喷油；此时三角转子发动机在进气节气门的作用下进气量小，喷油量小，发动机气缸内的残余废气量比例高，此时在预燃室9内进行喷油能够保证预燃室9内的混合气足够浓，能够保证预燃室9内可靠着火和燃料的燃烧；若发动机工况的总体过量空气系数大，为了保证发动机的稳定点火，只能在在预燃室9内喷射，能够保证预燃室9内混合气浓度适合稳定着火燃烧。
当发动机处在中负荷工况或者发动机工作的总体过量空气系数λ为λ1～λ2(混合气介于浓和稀之间的中等混合气浓度)，只有预燃室9内的副喷油器13和主喷油器15均进行喷油；此时通过副喷油器13在预燃室9内的喷射，保证预燃室9内的混合气较浓，以便稳定着火燃烧，同时主喷油器15喷油保证主燃室内的混合气有一定的浓度，使火焰能传播和燃烧，保证发动机的输出功率满足要求。
当发动机处在大负荷工况或者发动机工作的总体过量空气系数λ小于λ1(混合气浓)，主喷油器15进行喷油，预燃室9内的副喷油器13喷油或者停止喷油。当副喷油器13停止喷油时，有利于对预燃室9内的积碳进行清除，发动机处在预燃室9积碳清除工作状态。当发动机处在大负荷运行时，为了满足大功率输出要求，此时发动机工作的混合比整体上较浓，即便预燃室9副喷油器13不喷油，但从主燃室压入预燃室9的混合气也能被火花塞14可靠点燃着火燃烧，所以此时，副喷油器13可以不喷油，由于主燃室内的混合气形成质量已经很好，且整个燃烧室内的温度很高，对消除预燃室9内的积碳有好处，预燃室9内的积碳清除对火花塞14可靠点火有利。
在本实施例中，λ1优选值为1.3，λ2优选值为2.2。
注：在本发明中小负荷工况是指“小于等于满载工况的30％”，中负荷工况是指“大于满载工况的30％，小于满载工况的70％”，大负荷工况是指“大于等于满载工况的70％”。
需要说明的是：在本发明提供的技术方案中，电热塞用于对预燃室内的混合气进行加热，有助于解决发动机冷机起动和发动机暖机运行，对于发动机燃烧轻质油如汽油时，其不是必要的技术措施。
同时，用于对尾气进行后处理的尾气后处理器，在发动机燃烧轻质油如汽油时不是发动机正常工作的必要的技术措施，但该技术措施的使用确实能明显改善发动机的尾气排放性能，使其更环保。
以上所述，仅是本发明较佳实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，故凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种小型多种燃料三角转子发动机，三角转子发动机包括发动机缸体、三角转子、偏心轴，所述发动机缸体设置有排气口、进气口、与所述排气口连接的排气管以及与进气口连接的进气管，其特征在于，所述发动机缸体上设置有预燃室，所述预燃室通过连接通道与所述三角转子发动机的主工作腔连通；所述预燃室上设置有副喷油器和火花塞，所述副喷油器的喷口指向所述连接通道，所述火花塞用于点燃所述预燃室内的混合气。
2.根据权利要求1所述的小型多种燃料三角转子发动机，其特征在于，所述预燃室的容积与连接通道的容积之和为发动机单缸排量的0.5％～3％。
3.根据权利要求2所述的小型多种燃料三角转子发动机，其特征在于，所述预燃室上还设置有电热塞，所述电热塞用于对所述预燃室内的混合气进行加热。
4.根据权利要求3所述的小型多种燃料三角转子发动机，其特征在于，所述预燃室位于所述发动机缸体的上止点后，且所述连接通道的中心线与所述发动机缸体的中心线夹角为10～20°；所述预燃室内副喷油器的喷射提前角为压缩上止点前120～30°CA。
5.根据权利要求4所述的小型多种燃料三角转子发动机，其特征在于，在所述发动机缸体的进气口与所述连接通道之间，所述发动机缸体上安装有主喷油器，所述主喷油器在三角转子发动机的进气行程和压缩行程早期进行喷射燃油。
6.根据权利要求5所述的小型多种燃料三角转子发动机，其特征在于，所述主喷油器在所述发动机缸体上的安装角度范围为上止点前130～40°，所述主喷油器的喷射提前角为压缩上止点前330～120°CA。
7.根据权利要求6所述的小型多种燃料三角转子发动机，其特征在于，还包括高压发生装置，所述高压发生装置为所述主喷油器和所述副喷油器供油；所述高压发生装置包括高压供油共轨管和柱塞式高压油泵，所述高压供油共轨管上安装有油压传感器，所述高压供油共轨管上具有进油口和两个分别与主喷油器、副喷油器连通的出油口，所述进油口与所述柱塞式高压油泵连接，所述柱塞式高压油泵用于将燃油箱中的燃油泵入至所述高压供油共轨管中，所述柱塞式高压油泵上设有用于调节到达所述高压供油共轨管中燃油压力大小的燃油压力调节阀。
8.根据权利要求1所述的小型多种燃料三角转子发动机，其特征在于，所述排气管上装有氧化催化反应器或三效催化反应器。
9.根据权利要求8所述的小型多种燃料三角转子发动机，其特征在于，所述进气管设置有节气门体，所述节气门体用于对所述三角转子发动机的进气量进行控制。
10.根据权利要求1至9任一项所述的小型多种燃料三角转子发动机的工作方式，其特征在于，当发动机处在怠速、小负荷工况或者三角转子发动机工作的总体过量空气系数λ大于λ2，发动机处在稀混合气工作状态时，副喷油器喷油，主喷油器停止喷油；
当发动机处在中负荷工况或者三角转子发动机工作的总体过量空气系数λ为λ1～λ2，发动机处在中等浓度的混合气状态时，副喷油器和主喷油器均进行喷油；
当发动机处在大负荷工况或者发动机工作的总体过量空气系数λ小于λ1，发动机处在浓混合气工作状态时，主喷油器进行喷油，副喷油器喷油或者停止喷油；当副喷油器停止喷油时，三角转子发动机处在预燃室积碳清除工作状态。
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