[发明专利]基于预燃室加浓改善天然气发动机频响的供气系统及方法

说明书

本发明公开了一种基于预燃室加浓改善天然气发动机频响的供气系统及方法，包括预燃室、主燃烧室、预燃室独立进气喷射装置和系统控制器，所述预燃室通过下部连接通道与主燃烧室相通，所述预燃室上方设有火花塞和独立进气喷射装置的安装通道，所述独立进气喷射装置通过安装通道将喷嘴设置于预燃室内，所述系统控制器通过控制预燃室独立进气喷射装置的开启和关闭，使其向预燃室内喷射预燃室独立进气以加浓预燃室内混合气浓度，并改变主燃烧室内混合气浓度。

技术领域

本发明涉及天然气发动机频响改善领域，具体涉及基于预燃室独立进气装置改善预燃室式大缸径天然气发动机频响的供气系统及方法。

背景技术

石油资源紧缺和生态环境污染问题成为了制约现阶段内燃机工业向前发展的两大障碍，寻找高效清洁的替代能源并将其成功用于工程机械和车辆工程，已经成为了亟待世界各国研究和解决的技术难题。在众多替代能源中，天然气因热值高、燃烧排放清洁以及世界储量丰富等特点而得到广泛关注。其中，船用和工程机械用大缸径天然气发动机，因其燃烧室缸径大，缸内火焰传播距离长，且天然气燃烧时火焰传播速度慢，所以易在燃烧室内远端发生爆震，研究发现通过在缸内组织稀薄燃烧可以降低爆震发生的可能性，并可有效提高燃烧热效率，降低缸内燃烧温度，减少氮氧化物排放。但是稀混合气的火焰传播速度低，燃烧速度慢，大缸径天然气发动机在缸内组织稀薄燃烧时易发生火焰淬熄或循环失火现象，导致发动机循环波动大，工作稳定性较差，未燃HC和CO排放高。利用高能点火系统可以提高稀混合气的点火可靠性并加快缸内燃烧速度，有利于实现燃烧室内稳定的稀薄燃烧。混合气的过量空气系数是研究可燃混合气成分的指标，是燃烧单位质量燃料实际提供的空气质量与理论上所需空气质量之比，可用来表征混合气浓度，混合气过量空气系数大于1时为稀混合气，小于1则为浓混合气。对于大缸径天然气发动机，采用预燃室点火系统可以获得高能的点火能量，进而在主燃烧室内实现稳定的稀薄燃烧。一般预燃室容积为主燃烧室容积的1％-3％，利用预燃室独立进气在预燃室内组织较浓混合气，在主燃烧室中组织稀混合气，利用普通火花塞点燃预燃室内混合气，预燃室内的压力和温度快速升高，进而在预燃室和主燃烧室间形成压差，在该压差作用下，预燃室内燃烧生成的高能物质通过预燃室和主燃烧室之间的连接通道进入主燃烧室，在主燃烧室内的稀混合气中形成分布式多点点火，可靠点燃主燃烧室内稀混合气，缩短主燃烧室内火焰传播距离，加快主燃烧室内燃烧速度，缩短燃烧持续期。

针对预燃室式大缸径天然气发动机，多采用机械混合器或进气道多点喷射方式实现天然气和空气预混，利用节气门控制进入主燃烧室的混合气量，不同节气门开度下通过主进气道进入气缸的混合气量不同。在发动机实际工作运行中受机械混合器响应速度和进气充量系数限制，当发动机突加负荷时，进入气缸的混合气量不能随之及时增加，导致发动机功率输出不满足负荷需求，发动机运转稳定性下降。理想情况下，当突加负荷时，为满足负载需求，此时应使节气门开度增大，进气量及时增加，且为适应较大功率输出需求，使发动机平稳过渡到较大负荷，还应同时适当加浓进入燃烧室的混合气浓度，增大发动机输出功率。但是在实际使用中突加负荷时，加大节气门开度后，进气量难以及时跟上，且对于采用机械混合器进气预混方式的发动机来说，混合气浓度变化难以精确控制，综上原因，天然气发动机在突加负荷时，混合气的进气量和浓度不能及时响应负载需求，导致过渡工况下发动机转速出现波动，发动机运转稳定性下降。而对于匹配了废气涡轮增压器的天然气发动机，增压器对进气进行增压的能量来源是上一工作循环的排气，当突加负荷时，发动机排气能量不足，使得增压器的增压能力较低，此时增压器不仅不能对发动机进气进行有效增压，还会给进气带来阻力，导致进气量不能满足需求，发动机运转稳定性变差。

综上所述，现有预燃室天然气发动机为满足热效率和排放需求，在主燃烧室内组织稀薄燃烧，但是当出现突加负载变工况时，由于主燃烧室进气量和进气浓度不能及时响应负载需求，发动机转速出现明显波动，导致发动机运转稳定性较低。

发明内容