[發明專利]大型氣體燃料發動機燃燒系統

無效

• 申請號: 201010161547.1
• 申請日: 2010-04-28
• 公開（公告）號: CN101858245A
• 公開（公告）日: 2010-10-13
• 發明（設計）人: 馮立巖
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: F02B23/10
• 分類號: F02B23/10;F02B31/04;F02B43/00
• 代理公司: 大連星海專利事務所 21208
• 代理人: 花向陽

技術領域

本發明涉及一種大型氣體燃料發動機燃燒系統，屬于以天然氣、煤層氣、沼氣、生物質(如木屑、秸稈等)氣化燃氣、垃圾填埋氣等為燃料的大型陸上電站發動機領域。

背景技術

氣體燃料發動機具有燃料經濟性好、有害排放低的優點。另外，氣體燃料發動機的推廣應用有利于降低對石油能源的依賴程度。所以發展綠色節能的氣體燃料發動機對于我國的節能減排和保障能源安全意義重大。

但是氣體燃料(如天然氣、煤層氣、沼氣、生物質氣化燃氣、垃圾填埋氣等)具有燃燒速率較慢、熱值低等特點，在內燃機上應用時會遇到熱效率低、排溫高、功率下降(與同型號柴油機或汽油機相比)等問題，尤其在大型船用主機和大型陸上電站發動機上應用時，由于大型機尺寸大、轉速低的特點，上述問題會更加嚴重。另外，由于在大型機缸內火焰傳播距離遠，如果不采用相應的措施縮短火焰傳播時間，則很容易發生遠端混合氣自燃而引發爆震燃燒(以下簡稱爆燃)。為了抑制爆燃并提高燃燒效率，大型氣體燃料發動機通常采用過量空氣系數φ_a＞1的稀燃燃燒。但是在稀燃條件下，氣體燃料燃燒速率低的問題會更加嚴重，造成熱功轉換效率進一步降低。而如果混合氣過稀，就有可能發生火焰淬熄甚至部分工作循環不發火的嚴重問題，其直接后果是燃料消耗率大大增加，碳氫化合物(HC)排放急劇增加。因此，有效提高氣體燃料的稀燃燃燒速率是實現大型氣體燃料發動機高效清潔燃燒的關鍵。

發明內容

本發明的目的通過新型燃燒系統，以“分區控制，湍流激擾”方式提高氣體燃料大型發動機的點火可靠性、提高稀燃燃燒速率、擴展稀燃極限，改善主機的燃料經濟性并降低有害排放。

本發明采用的技術方案是：一種大型氣體燃料發動機燃燒系統主要包括一個激擾源區和一個主燃區，在激擾源區與主燃區之間設有排氣側分區通道和進氣側分區通道；在所述激擾源區中設有高壓氣體燃料噴射裝置和火花塞，在進氣道中設有一個進氣滾流控制裝置。

所述排氣側分區通道和進氣側分區通道為非對稱分布，排氣側分區通道與氣缸中心線的夾角α大于在進氣側分區通道與氣缸中心線的夾角β。

所述高壓氣體燃料噴射裝置在進氣沖程中期開始噴射燃料，高壓氣體燃料流經激擾源區、排氣側分區通道和進氣側分區通道，在主燃區內形成主燃區內排氣側燃料射流和主燃區內進氣側燃料射流，與缸內滾流相互作用形成均勻的稀混合氣。

所述激擾源區的激擾源區頂面的形狀為球面。

所述燃燒系統在點火前再次向激擾源區噴射形成區內稍濃混合氣的氣體燃料。

采用上述技術方案的指導思想是：以“激擾源區”和“主燃區”以及連通二者的“分區通道”為核心的新型系統結構保證缸內主燃區宏觀滾流運動與燃料噴射方向的緊密配合并實現在點火時刻激擾源區內形成高湍流度稍濃混合氣。

整個燃燒系統的工作原理是：在進氣沖程中期開始噴射燃料，高壓氣體燃料流經激擾源區和分區通道在缸內形成燃料射流，此時缸內已經形成較強的進氣滾流輔助燃料射流向缸內擴散，最終形成均勻的稀混合氣。由于高壓氣體燃料的溫度較低，當這部分氣體流經激擾源區時，具有掃氣降溫作用。進氣閥在下止點前關閉，采用米勒循環，提高膨脹比，以提高主機的效率，同時進氣閥提前關閉產生的預膨脹對激擾源區內的氣體產生抽吸作用。在壓縮沖程，缸內壓力升高，稀混合氣被壓縮，通過分區通道被壓入激擾源區。在點火前再次向激擾區噴射氣體燃料形成區內的稍濃混合氣，在點火時刻火花塞放電，點燃稍濃混合氣，形成“湍流激擾源”，激發湍流火焰高速沖入主燃區，在提高主燃燒室內稀混合氣的燃燒速率的同時，大大增加了激擾火焰的擴散面，有效縮短火焰傳播時間，在提高主機熱效率的同時，還有效避免船用主機缸內大尺度空間火焰傳播時間過長所造成的爆燃問題，實現氣體燃料的高效清潔燃燒。

發明的設計要點有三個：

1)采用單套燃料噴射系統，噴射器位于激擾源區內。兩次噴射燃料。第一次噴射為主噴，噴射時間開始于進氣沖程中期；第二次噴射為少量噴射，噴射時間是點火時刻之前。

2)以進氣道和進氣滾流調節裝置形成缸內逆時針方向強滾流。強滾流的作用有三：a)提高缸內湍流度，提高燃燒速率；b)促進燃料的擴散，提高混合氣均勻度。