系统及燃烧方法
技术领域
背景技术
[0002]
能源短缺和环境污染问题仍然是人们关注的热
门话题。柴油机因热效率高、输出
扭矩大而广泛应用在重型车和
船舶上。随着船舶保有量的增大，对柴油等化石能源的需求也日益增加。此外，柴油机排放的氮
氧化物和颗粒物对环境和人体健康具有巨大的危害，开发清洁高效的柴油机替代能源成为国内外研究学者的首要任务。
[0003]
天然气的主要成分是甲烷，由于天然气燃烧清洁、高效，而且价格低廉，与空气混合容易、燃烧完全，排放污染低等特点，成为最具有潜
力的柴油替代燃料。柴油/天然气双燃料发动机可以达到与同
排量柴油机相当的动力性能，并且可以获得更好的排放性能。
[0004] 目前，大部分柴油/天然气双燃料发动机是在柴油机
基础上改装而来，双燃料发动机结构上一般保留原有柴油机的喷油器，在
气缸盖上加装一个小流量柴油喷油器，用于在气
体模式下向缸内供给少量柴油。这存在两个问题：一是需要在气缸盖上布置两个安装孔，气缸盖面积一定，增加了气缸盖的损耗；二是在气体模式发生故障或启动、
怠速工况时，需要切换为柴油模式，由于柴油和天然气的供给方式不同，当两种模式发生切换时，会引起发动机
波动，同时两个喷油器也要进行切换，会产生切换延时，影响发动机工作
稳定性。
[0005] 此外，传统的柴油/天然气双燃料发动机运行在柴油模式时，发动机柴油供给系统在压缩冲程接近
上止点时将柴油喷入气缸，柴油与空气在气缸内部混合。发动机燃烧过程取决于油气的混合速率和扩散燃烧控制，化学反应速率远高于油气混合及扩散速率，柴
油雾化
质量差，混合气容易形成局部过浓区，导致发动机排放性能恶劣。同时，单一的柴油供给方式也无法灵活适应发动机负荷的变化。传统的柴油/天然气双燃料发动机运行在气体模式时，也存在由于发动机负荷工况的变动而带来的发动机热效率低，HC排放高以及
爆震问题。
发明内容
[0006] 本发明的目的在于提供一种带有双针阀喷油器和气体高压直喷的双燃料发动机燃烧系统。
[0007] 本发明的目的在于提供一种带有双针阀喷油器和气体高压直喷的双燃料发动机燃烧方法。
[0008] 燃烧系统包括进气道1、进气门2、排气道3、排气门4、主供油系统5、副供油系统6、双针阀喷油器7、缸内直喷喷气阀8、ω形
燃烧室9、双针阀喷油器大流量主喷油器10、双针阀喷油器小流量副喷油器11、双针阀喷油器大针阀12和双针阀喷油器小针阀13，ω形燃烧室9位于燃烧系统中心部位，ω形燃烧室9正上方安装有双针阀喷油器7，双针阀喷油器7与主供油系统5和副供油系统6相连，双针阀喷油器7左右两侧为进气门2和排气门4，进气门2与进气道1相连，进气道1将ω形燃烧室9与外界大气相连通，进气门2闭合时，进气道1阻塞，进气门2开放时，进气道1与外界大气导通，排气门4与排气道3相连，排气门4闭合时，排气道3阻塞，排气门4开放时，排气道3将ω形燃烧室9与外界大气导通，进气道1、进气门2与排气道3、排气门4对称分布，排气道3处安装有缸内直喷喷气阀8，双针阀喷油器7包括双针阀喷油器大流量主喷油器10、双针阀喷油器小流量副喷油器11、双针阀喷油器大针阀12和双针阀喷油器小针阀13，双针阀喷油器大流量主喷油器10、双针阀喷油器大针阀12所构成的大流量喷油器与双针阀喷油器小流量副喷油器11、双针阀喷油器小针阀13所构成的小流量喷油器并列安装。
[0009] 双针阀喷油器大流量主喷油器10与双针阀喷油器小流量副喷油器11的喷孔孔径和喷孔数量不同，双针阀喷油器大流量主喷油器10
喷嘴部分具有8-12个喷孔，喷孔孔径为0.25mm-0.5mm；双针阀喷油器小流量副喷油器11喷嘴部分具有4-6个喷孔，喷孔孔径为
0.1mm-0.4mm，相同喷射脉宽情况下双针阀喷油器小流量副喷油器11燃气喷射流量为主喷油器燃气喷射流量的5％，
[0010] 缸内直喷喷气阀8中
心轴线与气缸中心轴线夹
角为40°-50°；缸内直喷喷气阀8与双针阀喷油器7之间具有一定距离，ω形燃烧室9中央圆锥面夹角为150°-165°，中央圆锥面顶面为圆弧形，在压缩上止点附近，缸内直喷喷气阀8喷出的天然气在ω形燃烧室9中央圆锥面的导流作用下向两侧分布，缸内直喷喷气阀8与ω形燃烧室9一同控制缸内混合气形成，
[0011] 双燃料发动机采用主供油系统5向主喷油器供给燃油、副供油系统6向副喷油器供给燃油，且主供油系统5与副供油系统6均为高压共轨系统，主供油系统5与副供油系统6既供给重油也供给轻柴油，副供油系统6只供给轻柴油，在起动、怠速、低负荷和全负荷工况，发动机运行在柴油模式，双针阀喷油器7的主喷油器与副喷油器同时向缸内喷射柴油，主喷油器采用多次喷射方式，副喷油器采用单次喷射方式。
[0012] 一种带有双针阀喷油器7和气体高压直喷的双燃料发动机燃烧方法，通过主喷油器与副喷油器喷射正时、喷射量和喷油规律的优化控制，在中高负荷时，双燃料发动机可切换至气体模式，主喷油器停止工作、副喷油器运行，且副喷油器采用单次喷射方式，控制缸内直喷喷气阀8向缸内多次喷射天然气，根据发动机的不同负荷调整天然气喷射量、喷射次数、喷射时刻和喷射脉宽，控制副喷油器适时的喷射少量轻质柴油引燃缸内混合气；
[0013] (1)当发动机处于低负荷和中等负荷工况时，控制缸内直喷喷气阀8向缸内进行两阶段多次燃气喷射：
[0014] 第一阶段，在进气门2关闭至压缩上止点前40℃A范围内，缸内直喷喷气阀8向缸内喷射一次天然气，喷射量大约为总燃气喷射量的80-85％；
[0015] 第二阶段，在引燃油喷射时刻前5-10℃A，缸内直喷喷气阀8向缸内喷射一次天然气，喷射量大约为总燃气喷射量的15-20％，两阶段燃气喷射时间间隔大于10℃A。
[0016] (2)当发动机处于高负荷工况时，控制缸内直喷喷气阀8向缸内进行三阶段多次燃气喷射：
[0017] 第一阶段，在压缩冲程接近
下止点时，缸内直喷喷气阀8向缸内喷射一次天然气，喷射量大约为总燃气喷射量的60-70％；
[0018] 第二阶段，在引燃油喷射时刻前5-10℃A，缸内直喷喷气阀8向缸内喷射一次天然气，喷射量大约为总燃气喷射量的15-20％；
[0019] 第三阶段，在压缩上止点后，并且在引燃油喷射结束后，缸内直喷喷气阀8向缸内喷射一次天然气，喷射量大约为总燃气喷射量的15-20％。
[0020] 当发动机气体模式故障或者天然气储量不足时，发动机由气体模式切换为柴油模式，控制双针阀喷油器7副喷油器继续工作，在
活塞运动至接近压缩上止点时，控制双针阀喷油器7主喷油器工作，向缸内喷射主燃油，发动机进入柴油模式。
[0021] 在起动、怠速、低负荷和全负荷工况时，发动机采用柴油模式，根据发动机不同负荷工况，控制双针阀喷油器7主喷油器向缸内进行多次燃油喷射，通过调整燃油喷射时刻和每次喷油比例适应发动机不同工况，同时拓宽发动机负荷范围，发动机在柴油模式下，双针阀喷油器7在柴油喷射时刻同时喷射主燃油和引燃柴油，双针阀喷油器小针阀13首先开启，向缸内喷射少量柴油，经过短暂的延时，双针阀喷油器大针阀12开启，向缸内喷射主燃油。
[0022] 本发明的有益效果在于：
[0023] 本发明的优势在于发动机在双模式下根据不同的负荷工况，灵活采用不同燃料喷射策略，提高实际工况的适应性；能够实现发动机气体模式和柴油模式快速灵活切换；同时在气体模式下，通过调节缸内直喷喷气阀天然气喷射量和喷射正时等参数，实现缸内混合气浓度梯度分布，实现分层燃烧，提高发动机整体性能。
附图说明
[0024] 图1是本发明的一种带有双针阀喷油器和气体高压直喷的双燃料发动机燃烧系统示意图。
[0025] 图2是本发明一种
实施例的缸内直喷喷气阀燃气喷射示意图。
[0026] 图3是本发明一种实施例的发动机处于柴油模式下双针阀喷油器燃油喷射示意图。
[0027] 图4是双针阀喷油器喷嘴部分结构示意图。
具体实施方式
[0028] 下面将结合附图对本发明的具体实施方式进行详细描述。
[0029] 一种带有双针阀喷油器和气体高压直喷的双燃料发动机燃烧系统及燃烧方法，燃烧系统包括进气道1、进气门2、排气道3、排气门4、主供油系统5、副供油系统6、双针阀喷油器7、缸内直喷喷气阀8和ω形燃烧室9等。发动机处于起动、怠速、低负荷和高负荷工况时，采用柴油模式，双针阀喷油器7的主副喷油器同时向缸内喷射柴油，主喷油器采用多次喷射方式，副喷油器采用单次喷射方式；在中等负荷或中高负荷时，切换至气体模式，主喷油器停止工作，副喷油器采用单次喷射方式，控制缸内直喷喷气阀8向缸内多次喷射天然气。本发明能够在双模式下根据发动机的不同负荷，灵活采用不同燃料喷射策略，改善发动机燃烧性能，满足排放法规要求。
[0030] 燃烧系统包括进气道1、进气门2、排气道3、排气门4、主供油系统5、副供油系统6、双针阀喷油器7、缸内直喷喷气阀8和ω形燃烧室9等。双燃料发动机采用主副供油系统6分别向主副喷油器供给燃油，且主副供油系统6均为高压共轨系统。主供油系统5既可以供给重油也可以供给轻柴油，而副供油系统6只能供给轻柴油。在起动、怠速、低负荷和全负荷工况，发动机运行在柴油模式，双针阀喷油器7的主副喷油器同时向缸内喷射柴油，主喷油器采用多次喷射方式，副喷油器采用单次喷射方式，通过主副喷油器喷射正时、喷射量和喷油规律的优化控制，使柴油模式下发动机能够满足TierⅡ排放法规要求；在中高负荷时，双燃料发动机可切换至气体模式，主喷油器停止工作、副喷油器运行，且副喷油器采用单次喷射方式，控制缸内直喷喷气阀8向缸内多次喷射天然气，根据发动机的不同负荷调整天然气喷射量、喷射次数、喷射时刻和喷射脉宽，实现缸内混合气形成。控制副喷油器适时的喷射少量轻质柴油引燃缸内混合气，使双燃料发动机在气体模式运行时能够满足TierⅢ排放法规要求。
[0031] 双针阀喷油器7主副喷油器的喷孔孔径和喷孔数量不同。主喷油器喷嘴部分具有8-12个喷孔，喷孔孔径为0.25mm-0.5mm；副喷油器喷嘴部分具有4-6个喷孔，喷孔孔径为
0.1mm-0.4mm。相同喷射脉宽情况下副喷油器燃气喷射流量为主喷油器燃气喷射流量的5％左右。
[0032] 缸内直喷喷气阀8中心轴线与气缸中心轴线夹角为40°-50°；缸内直喷喷气阀8与双针阀喷油器7之间具有一定距离，避免在压缩冲程接近上止点进行燃气喷射时，在双针阀喷油器7附近形成过浓燃气，影响发动机燃烧和排放性。
[0033] ω形燃烧室9中央圆锥面夹角为150°-165°，中央圆锥面顶面为圆弧形，使得在压缩上止点附近，缸内直喷喷气阀8喷出的天然气在ω形燃烧室9中央圆锥面的导流作用下向两侧分布，缸内直喷喷气阀8与ω形燃烧室9一同控制缸内混合气形成。
[0034] 如图1所示，本发明提出的一种带有双针阀喷油器和气体高压直喷的双燃料发动机燃烧系统包括进气道1、进气门2、排气道3、排气门4、主供油系统5、副供油系统6、双针阀喷油器7、缸内直喷喷气阀8和ω形燃烧室9等。双针阀喷油器7布置在气缸盖上，双针阀喷油器7是由主喷油器和副喷油器组合成一体结构。双针阀喷油器7主喷油器用于在发动机柴油模式下喷射主燃油，双针阀喷油器7副喷油器用于在发动机气体模式下向气缸内喷射少量柴油引燃缸内可燃混合气。通过控制双针阀喷油器7内部主副喷油器切换工作，实现发动机气体模式和柴油模式切换。缸内直喷喷气阀8倾斜布置在气缸盖上，活塞顶面设有ω形燃烧室9，缸内直喷喷气阀8与ω形燃烧室9一同控制缸内混合气形成。
[0035] 本发明提出的一种带有双针阀喷油器和气体高压直喷的双燃料发动机燃烧系统及燃烧方法，燃烧方法如下：
[0036] 发动机运行在气体模式下，当发动机处于中等负荷工况时，控制缸内直喷喷气阀8向缸内进行两阶段多次燃气喷射。第一阶段燃气喷射时刻为进气门2关闭至压缩上止点前范围内，喷射次数为多次；第二阶段燃气喷射时刻为接近引燃柴油喷射时刻，喷射次数为单次。两阶段燃气喷射时间间隔大于10℃A。当发动机处于高负荷工况时，控制缸内直喷喷气阀8向缸内进行三阶段多次燃气喷射。第一阶段燃气喷射时刻为进气门2关闭至压缩上止点前范围内，喷射次数为单次或多次；第二阶段燃气喷射时刻为接近引燃柴油喷射时刻，喷射次数为单次。第三阶段燃气喷射时刻为压缩上止点后，喷射次数为单次或多次。每阶段燃气喷射时间间隔大于10℃A。根据发动机实际工况调整天然气具体喷射量和喷射时刻。当发动机气体模式故障或者天然气储量不足时，发动机由气体模式切换为柴油模式，控制双针阀喷油器7副喷油器继续工作，在活塞运动至接近压缩上止点时，控制双针阀喷油器7主喷油器工作，向缸内喷射主燃油，发动机进入柴油模式。在起动、怠速、低负荷和全负荷工况时，发动机采用柴油模式，根据发动机不同负荷工况，控制双针阀喷油器7主喷油器向缸内进行多次燃油喷射，通过调整燃油喷射时刻和每次喷油比例适应发动机不同工况，同时拓宽发动机负荷范围。
[0037] 作为一种实施例，如图2所示，发动机在气体模式下，双针阀喷油器7小流量喷油器工作，燃油喷射时刻为压缩上止点前10℃A-30℃A。缸内直喷喷气阀8具有单孔喷嘴结构，向缸内直接喷射天然气，具体喷射方法为：
[0038] 当发动机处于低负荷和中等负荷工况时，控制缸内直喷喷气阀8向缸内进行两阶段多次燃气喷射。在进气门2关闭至压缩上止点前40℃A范围内，缸内直喷喷气阀8向缸内喷射一次天然气，喷射量大约为总燃气喷射量的80-85％。在引燃油喷射时刻前5-10℃A，缸内直喷喷气阀8向缸内喷射一次天然气，喷射量大约为总燃气喷射量的15-20％。两阶段燃气喷射时间间隔大于10℃A。
[0039] 当发动机处于高负荷工况时，控制缸内直喷喷气阀8向缸内进行三阶段多次燃气喷射。在压缩冲程接近下止点时，缸内直喷喷气阀8向缸内喷射一次天然气，喷射量大约为总燃气喷射量的60-70％；在引燃油喷射时刻前5-10℃A，缸内直喷喷气阀8向缸内喷射一次天然气，喷射量大约为总燃气喷射量的15-20％；在压缩上止点后，并且在引燃油喷射结束后，缸内直喷喷气阀8向缸内喷射一次天然气，喷射量大约为总燃气喷射量的15-20％。
[0040] 当发动机气体模式故障时，控制双针阀喷油器7小流量喷油器继续工作，在活塞运动到接近压缩上止点时，控制双针阀喷油器7大流量喷油器工作，向缸内喷射主燃油，发动机进入柴油模式。
[0041] 如图3，4所示，发动机在柴油模式下，双针阀喷油器7在柴油喷射时刻同时喷射主燃油和引燃柴油，双针阀喷油器小针阀13首先开启，向缸内喷射少量柴油。经过短暂的延时，双针阀喷油器大针阀12开启，向缸内喷射主燃油。
[0042] 作为一种实施例，燃油喷射方法为：缸内直喷喷气阀8不工作，双针阀喷油器7两个喷油器同时工作，控制大流量喷油器向缸内进行三次燃油喷射：预喷射阶段，燃油喷射时刻为压缩上止点前25-30℃A范围，喷射量为总燃油喷射量的20％，喷射脉宽为0.4-0.6ms，保证足够的燃油与空气混合时间；主喷射阶段：燃油喷射时刻为压缩上止点前3-5℃A范围，喷射量为总燃油喷射量的70％，喷射脉宽为0.8-1ms；后喷射阶段：燃油喷射时刻为压缩上止点后15-20℃A范围，喷射量为总燃油喷射量的10％，喷射脉宽为0.4-0.6ms。
[0043] 上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种
修改或
变形仍在本发明的保护范围以内。
[0044] 本发明的目的在于克服以上技术不足，提供一种带有双针阀喷油器和气体高压直喷的双燃料发动机燃烧系统及燃烧方法。发动机在气体模式和柴油模式下，根据发动机的不同负荷工况，灵活采用不同燃料喷射策略，改善发动机燃烧过程。当发动机气体模式故障时，通过控制双针阀喷油器7主副喷油器切换工作，实现发动机气体模式与柴油模式快速灵活切换。同时在气体模式下，通过调节缸内直喷喷气阀8天然气喷射量和喷射正时等参数，实现缸内混合气浓度梯度分布，实现分层燃烧，提高发动机整体性能。
[0045] 本发明所述的一种带有双针阀喷油器和气体高压直喷的双燃料发动机燃烧系统包括进气道1、进气门2、排气道3、排气门4、主供油系统5、副供油系统6、双针阀喷油器7、缸内直喷喷气阀8和ω形燃烧室9等。双针阀喷油器7布置在气缸盖上，双针阀喷油器7是由主喷油器和副喷油器组合成一体结构。双针阀喷油器7主喷油器用于在发动机柴油模式下喷射主燃油，双针阀喷油器7副喷油器用于在发动机气体模式下向气缸内喷射少量柴油引燃缸内可燃混合气。通过控制双针阀喷油器7内部主副喷油器切换工作，实现发动机气体模式和柴油模式切换。
[0046] 进一步地，双燃料发动机采用主副供油系统6分别向主副喷油器供给燃油，且主副供油系统6均为高压共轨系统。主供油系统5既可以供给重油也可以供给轻柴油，而副供油系统6只能供给轻柴油。
[0047] 进一步地，双针阀喷油器7主副喷油器的喷孔孔径和喷孔数量不同。主喷油器喷嘴部分具有8-12个喷孔，喷孔孔径为0.25mm-0.5mm；副喷油器喷嘴部分具有4-6个喷孔，喷孔孔径为0.1mm-0.4mm。相同喷射脉宽情况下副喷油器燃气喷射流量为主喷油器燃气喷射流量的5％左右。
[0048] 缸内直喷喷气阀8倾斜布置在气缸盖上，缸内直喷喷气阀8中心轴线与气缸中心轴线夹角为40°-50°；缸内直喷喷气阀8与双针阀喷油器7之间具有一定距离，避免在压缩冲程接近上止点进行燃气喷射时，在双针阀喷油器7附近形成过浓燃气，影响发动机燃烧和排放性。
[0049] 活塞顶面设有一ω形燃烧室9，ω形燃烧室9中央圆锥面夹角为150°-165°，中央圆锥面顶面为圆弧形，使得在压缩上止点附近，缸内直喷喷气阀8喷出的天然气在ω形燃烧室9中央圆锥面的导流作用下向两侧分布，缸内直喷喷气阀8与ω形燃烧室9一同控制缸内混合气形成。
[0050] 本发明所述的一种带有双针阀喷油器和气体高压直喷的双燃料发动机燃烧系统及燃烧方法，燃烧组织方法如下：
[0051] 发动机运行在气体模式下，当发动机处于中等负荷工况时，控制缸内直喷喷气阀8向缸内进行两阶段多次燃气喷射。第一阶段燃气喷射时刻为进气门2关闭至压缩上止点前范围内，喷射次数为多次；第二阶段燃气喷射时刻为接近引燃柴油喷射时刻，喷射次数为单次。两阶段燃气喷射时间间隔大于10℃A。当发动机处于高负荷工况时，控制缸内直喷喷气阀8向缸内进行三阶段多次燃气喷射。第一阶段燃气喷射时刻为进气门2关闭至压缩上止点前范围内，喷射次数为单次或多次；第二阶段燃气喷射时刻为接近引燃柴油喷射时刻，喷射次数为单次。第三阶段燃气喷射时刻为压缩上止点后，喷射次数为单次或多次。每阶段燃气喷射时间间隔大于10℃A。根据发动机实际工况调整天然气具体喷射量和喷射时刻。当发动机气体模式故障或者天然气储量不足时，发动机由气体模式切换为柴油模式，控制双针阀喷油器7副喷油器继续工作，在活塞运动至接近压缩上止点时，控制双针阀喷油器7主喷油器工作，向缸内喷射主燃油，发动机进入柴油模式。在起动、怠速、低负荷和全负荷工况时，发动机采用柴油模式，根据发动机不同负荷工况，控制双针阀喷油器7主喷油器向缸内进行多次燃油喷射，通过调整燃油喷射时刻和每次喷油比例适应发动机不同工况，同时拓宽发动机负荷范围。
