技术领域

本发明涉及一种内燃机多燃料预混合燃烧系统 ， 其属于内燃机燃烧领域。 背景技术

众所周知， 一方面内燃机燃料的多元化进展在加快， 另一方面， 为了满足 日趋严格的排放法规和对经济性说的要求， 柴油机和汽油机的技术越来越复杂， 成本不断提升， 尤其是电动车和混合动力车技术的快速发展， 对内燃机形成了 严峻的挑战。

发明内容

书

为了解决内燃机对不同种燃料的适应性问题， 提高内燃机的性能， 并降低 成本， 增强内燃机的竞争力， 本发明提供一种内燃机多燃料预混合燃烧系统 ， 这种燃烧系统应采用低压缩比， 对增压内燃机还要进行增压空气强化冷却、 或 通过进气管路喷水、 或气缸内喷水， 使在进气行程或压缩行程喷入的适于压燃 的混合燃料、 或适于压燃燃料和适于点燃燃料的混合燃料、 或宽馏分燃料所形 成的缸内一次预混合气不能压縮自燃，然后在 压缩上止点附近喷入部分适宜点 燃的燃料、 或和主喷油嘴喷射同样的燃料， 并采用喷雾导向或点火室的方式将 之点燃， 进而引燃缸内的一次预混合气。 从而有效地控制混合燃料预混合燃烧 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，或者向进气管路、 或者燃烧室内喷水， 控制预混合燃烧的速率， 实现着火相位和燃烧速率可控的 混合燃料或宽馏分燃料的预混合燃烧， 并保持高效率。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是： 一种内燃机多燃料预混合燃 烧系统， 它包括一个由燃烧室、 一个主喷油嘴、 一个火花塞和一个副喷嘴， 所 述主喷油嘴安装在燃烧室或进气管道内， 主喷油嘴在进气行程或压縮行程向燃 烧室或进气管道内喷射适于压燃的两种或两种 以上燃料的混合燃料、或喷射适 于压燃和适于点燃燃料的混合燃料、 或喷射宽馏分燃料形成一次预混合气。 通 过燃料设计、 让这种混合燃料或宽馏分燃料比柴油具有更好 的雾化性能、 更易 蒸发， 降低压缩终点温度。 进气方式采用自然吸气或增压进气， 采用自然吸气 时， 有效压縮比小于或等于 14， 在采用增压进气时， 有效压縮比小于或等于 11， 用增压空气冷却器把增压后的空气进行强制冷 却， 或采用进气加湿， 或喷 水降低压缩温度， 使燃烧室内的一次预混合气不能依靠压縮温度 自燃着火； 副 喷嘴在压缩上止点前后，喷射适于点燃的燃料 、或和主喷油嘴喷射同样的燃料， 在火花塞电极周围形成适宜点燃的二次混合气 ， 用火花塞点燃二次混合气， 这 些二次混合气燃烧产生的高温高压，激发燃烧 室内的一次预混合气在燃烧室的 所有空间内， 发生多点同时着火的预混合压缩着火燃烧。

所述主喷油嘴、 火花塞和副喷嘴安装于燃烧室内。

在缸盖上设置一点火室， 所述主喷油嘴安装于燃烧室内， 火花塞和副喷嘴 安装于点火室之内， 所述燃烧室与点火室之间由至少一条连接通道 联通。

所述燃烧室内安装喷水器。

所述内燃机的进气管道内安装喷水器。

所述火花塞和副喷嘴安装于燃烧室内时，进气 管道内安装主喷油嘴和喷水 器。

所述火花塞和副喷嘴安装于点火室内时，进气 管道内安装主喷油嘴和喷水 器。

所述火花塞和副喷嘴安装于点火室内时， 进气管道内安装主喷油嘴， 喷水 器安装于燃烧室内。

所述火花塞、 副喷嘴和喷水器安装于燃烧室内时， 进气管道内安装主喷油 嘴。

所述内燃机采用废气再循环技术。

所述内燃机在用作汽车动力时， 怠速工况主喷油嘴和副喷嘴都停止燃料喷 射。

上述技术方案的指导思想是： 由于预混合压燃着火燃烧方式， 很难控制着 火点， 采用降低压縮比和进气温度的方法， 降低压缩终点的缸内温度， 使缸内 一次预混合气不能仅依靠压缩温度而自燃，通 过副喷嘴喷射适量易于点燃的燃 料、 或和主喷油嘴喷射同样的燃料， 形成二次混合气， 由点火装置将二次混合 气点燃， 其燃烧火焰激发燃烧室内的一次预混合气发生 预混合压燃着火燃烧。 为保证副喷嘴所喷射的适宜点燃的燃料、或和 主喷油嘴喷射同样的燃料能够稳 定着火， 采用喷雾导向或点火室的点火方式。 而采用高膨胀比， 有利于提高内 燃机的效率， 降低油耗； 采用废气再循环技术和喷水技术， 将部分废气和水引 入气缸， 降低燃烧温度， 从而可以控制混合燃料预混合压縮着火燃烧的 速率。

本发明的有益效果是： 这种内燃机多燃料预混合燃烧系统， 采用低压縮比 和高膨胀比， 对增压内燃机还要进行增压空气强化冷却， 使缸内的一次预混合 气不能压縮自燃， 然后通过副喷嘴喷射适宜点燃的燃料、 或和主喷油嘴喷射同 样的燃料， 形成二次混合气， 用火花塞点燃二次混合气， 激发缸内的一次预混 合气发生预混合压燃着火燃烧， 从而有效地控制了预混合燃烧的着火点； 通过 废气再循环技术和缸内加水技术， 控制预混合燃烧的速率。 从而实现了全工况 范围内着火点和燃烧速率可控的混合燃料预混 合燃烧， 可以获得超低的 NOx和 碳烟排放， 并保持高效率。 这种内燃机可以适应多种燃料， 尾气后处理系统也 较为简单。 向缸内喷入柴油和汽油、 乙醇等易挥发而不易自燃的燃料所组成的 混合燃料， 既可以更多地降低缸内温度， 又可以降低燃料的自燃性， 从而保证 有效压缩比不必设置太低， 有利于提高发动机的热效率。 此外， 由于通过点燃 二次混合气， 引燃一次混合气， 因此可以有效解决预混合压燃燃烧的冷启动问 题。 在一台 135单缸柴油机上的试验表明， NOx排放下降 96%， 碳烟排放降低 92%, 热效率提高 3%。 特别是， 这种多燃料燃烧系统可以使用柴油和汽油的混 合燃料， 将来炼油时可以不必把柴油和汽油分开， 减少炼油成本。 当然， 这种 多燃料燃烧系统， 也可以在缸内喷射适于点燃的单一液体燃料， 形成一次预混 合气， 再通过喷射气体燃料形成二次混合气， 通过点燃二次混合气引燃一次混 合气， 从而获得更好的性能。

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是一种采用喷雾导向点火的内燃机多燃料预� �合燃烧系统示意图。 图 2是一种采用点火室导向点火的内燃机多燃料� �混合燃烧系统示意图。 图 3是在点火室点火基础上把喷水器安装在燃烧� �内的示意图。

图 4是在喷雾导向点火基础上把喷水器安装在燃� �室内的示意图。

图 5是在点火室点火基础上把喷水器安装在进气� �道内的示意图。

图 6是在喷雾导向点火基础上把喷水器安装在进� �管道内的示意图。

图 7是在点火室点火基础上把喷水器和主喷油嘴� �装到进气管道内的示意 图。

图 8是在喷雾导向点火基础上把主喷油嘴和喷水� �安装在进气管道内的示 意图。

图 9是在点火室点火基础上把喷水器安装在燃烧� �内， 把主喷油嘴安装到 进气管道内的示意图。

图 10是在喷雾导向点火基础上把喷水器安装在燃� ��室内， 把主喷油嘴安 装到进气管道内的示意图。

图中： 1、 燃烧室， 2、 主喷油嘴， 3、 火花塞， 4、 副喷嘴， 5、 点火室， 6、 连接通道， 7、 喷水器， 8、 进气管。

具体实施方式

图 1示出了一种内燃机的主喷油嘴 2、 火花塞 3和副喷嘴 4安装于燃烧室

1内。

图 2示出了一种内燃机的主喷油嘴 2安装于燃烧室 1内， 火花塞 3和副喷 嘴 4安装于点火室 5内，燃烧室 1与点火室 5之间由至少一条连接通道 6联通。

图 3示出了一种内燃机的主喷油嘴 2安装于燃烧室 1内， 火花塞 3和副喷 嘴 4安装于点火室 5内，燃烧室 1与点火室 5之间由至少一条连接通道 6联通， 在燃烧室 1内还安装有喷水器 7。 图 4示出了一种内燃机的主喷油嘴 2、 火花塞 3和副喷嘴 4安装于燃烧室 1内， 在燃烧室 1内还安装有喷水器 7。

图 5示出了一种内燃机的主喷油嘴 2安装于燃烧室 1内， 火花塞 3和副喷 嘴 4安装于点火室 5内，燃烧室 1与点火室 5之间由至少一条连接通道 6联通， 在进气管道 8内还安装有喷水器 7。

图 6示出了一种内燃机的主喷油嘴 2、 火花塞 3和副喷嘴 4安装于燃烧室 1内， 在进气管道 8内还安装有喷水器 7。

图 7示出了一种内燃机的火花塞 3和副喷嘴 4安装于点火室 5内，燃烧室 1与点火室 5之间由至少一条连接通道 6联通， 在进气管道 8内安装有主喷油 嘴 2和喷水器 7。

图 8示出了一种内燃机的火花塞 3和副喷嘴 4安装于燃烧室 1内，在进气 管道 8内安装有主喷油嘴 2和喷水器 7。

图 9示出了一种内燃机的火花塞 3、 副喷嘴 4安装于点火室 5内， 喷水器 7安装于燃烧室 1内， 在进气管道 8内安装有主喷油嘴 2。

图 10示出了一种内燃机的喷水器 7、火花塞 3和副喷嘴 4安装于燃烧室 1 内， 在进气管道 8内安装有主喷油嘴 2。

在图 1所示的内燃机多燃料预混合燃烧系统采用喷� �导向点火： 设计燃烧 室容积使内燃机的几何压缩比为 12，设计进气门关闭时刻使内燃机的有效压缩 比为 9，进气充量为涡轮增压后经过强制冷却的空� �，主喷油嘴 2采用雾化好、 贯穿距短的伞喷油嘴， 在进气过程中向燃烧室 1喷射柴油、 汽油和乙醇的混合 物， 其中三者的体积比分别占 60%、 20%、 20%, 在缸内形成均质的一次预混合 气； 由于缸内压缩初始温度低， 有效压缩比低， 一次预混合气不能依靠压缩高 温自燃着火。 在压縮上止点前 10°曲轴转角， 副喷嘴 4向燃烧室喷射适量的由 20%质量的氢气和 80%质量的压缩天然气组成的混合燃料，在火花 塞 3和副喷嘴 4附近形成二次混合气， 然后在压縮上止点前 5°曲轴转角驱动火花塞 3点燃二 次混合气， 火花塞 3附近的二次混合气着火燃烧后压力和温度升� �， 激发燃烧 室 1内其余部分的一次预混合气发生预混合压燃� �火燃烧， 从而控制燃烧室 1 内的三种燃料预混合压燃着火燃烧的燃烧始点 ， 其燃烧速率可以通过在进气充 量中引入部分冷却过的废气来进行控制， 从而实现柴油汽油乙醇均质混合气在 较低的温度下快速平稳地燃烧。 试验结果表明， NOx排放降低 90%， 碳烟排放 降低 92%， 内燃机的热效率提高 1. 5%。

在图 4、 6所示的内燃机多燃料预混合燃烧系统采用喷� �导向点火： 设计 燃烧室容积使内燃的几何压缩比为 12，设计进气门关闭时刻使内燃机的有效压 缩比为 9， 进气充量为涡轮增压后经过强制冷却的空气， 主喷油嘴 2采用雾化 好、 贯穿距短的伞喷油嘴， 在进气过程中向燃烧室 1喷射柴油、 汽油和乙醇的 混合物， 其中三者的体积比分别占 60%、 20%、 20%, 在缸内形成均质的一次预 混合气； 由于缸内压缩初始温度低， 有效压縮比低， 一次预混合气不能依靠压 缩高温自燃着火。 在压缩上止点前 10°曲轴转角， 副喷嘴 4向燃烧室喷射适量 的由 20%质量的氢气和 80%质量的压缩天然气组成的混合燃料， 在火花塞 3和 副喷嘴 4附近形成二次混合气，然后在压缩上止点前 5°曲轴转角驱动火花塞 3 点燃二次混合气， 火花塞 3附近的二次混合气着火燃烧后压力和温度升� �， 激 发燃烧室 1内其余部分的一次预混合气发生预混合压燃� �火燃烧， 从而控制燃 烧室 1内的三种燃料预混合压燃着火燃烧的燃烧始� �； 预混合燃烧的速率在中 低负荷下由进气充量中的再循环废气 (EGR)比例来控制， 在较高负荷下除了引 入大量 EGR外， 还驱动喷水器 7向燃烧室 1或进气道 8喷射水雾， 这些水雾与 在进气充量中的 EGR共同控制预混合燃烧的速率， 使预混合压缩着火燃烧的运 行工况可以达到满负荷， 燃烧平稳， 燃烧噪声低， 不至于损坏发动机。 试验结 果表明， NOx排放降低 90%， 碳烟排放降低 92%， 内燃机的热效率提高 1. 5%， 发动机最高平均有效压力可达到 2. 5MPa。

在图 2所示的内燃机多燃料预混合燃烧系统采用点� �室点火： 设计燃烧室 容积使内燃机的几何压缩比为 13，设计进气门关闭时刻使内燃机的有效压缩� �� 为 10， 进气充量为涡轮增压后经过强制冷却的空气， 主喷油嘴 2采用雾化好、 贯穿距可设定的高扰动喷油嘴， 在进气过程中向燃烧室 1喷射柴油、 汽油和乙 醇的混合物， 其中三者的体积比分别占 50%、 40%、 10%, 在缸内形成均质的一 次预混合气； 由于缸内压縮初始温度低， 有效压縮比低， 一次预混合气不能依 靠压缩高温自燃着火。 在压縮上止点前 70°曲轴转角， 副喷嘴 4向点火室 5内 喷射适量压缩天然气，由于压縮过程中燃烧室 1内的压力比点火室 5的压力高， 压缩上止点前燃烧室 1内的气体向点火室 5流动， 所以绝大部分天然气被封在 点火室 5内， 使点火室 5内形成适宜点燃的天然气混合气； 在压缩上止点前 5 ⁰ 曲轴转角驱动火花塞 3点燃点火室 5内的混合气， 点火室 5内的工质着火燃 烧后压力和温度升高， 火焰经连接通道 6喷入燃烧室 1， 激发燃烧室 1内的一 次预混合气发生预混合燃烧，从而控制燃烧室 1内的三种燃料预混合气的燃烧 始点， 实现着火点可控的柴油、 汽油和乙醇的预混合压燃着火燃烧， 其燃烧速 率可以通过在进气充量中引入部分冷却过的废 气来进行控制， 从而实现柴油汽 油乙醇均质混合气在较低的温度下快速平稳地 燃烧。 试验结果表明， NOx排放 降低 95%， 碳烟排放降低 95%， 内燃机的热效率提高 2. 3%。

在图 3、 5所示的内燃机多燃料预混合燃烧系统采用点� �室点火： 设计燃 烧室容积使内燃的几何压缩比为 13，设计进气门关闭时刻使内燃机的有效压缩 比为 10，进气充量为涡轮增压后经过强制冷却的空� ��，主喷油嘴 2采用雾化好、 贯穿距短的伞喷油嘴， 在进气过程中向燃烧室 1喷射柴油、 汽油和乙醇的混合 物， 其中三者的体积比分别占 30%、 50%、 20%, 在缸内形成均质的一次预混合 气； 由于缸内压缩初始温度低， 有效压缩比低， 一次预混合气不能依靠压縮高 温自燃着火。 在压缩上止点前 70°曲轴转角， 副喷嘴 4向点火室 5内喷射适量 压縮天然气， 由于压縮过程中燃烧室 1内的压力比点火室 5的压力高， 压缩上 止点前燃烧室 1内的气体向点火室 5流动，所以绝大部分天然气被封在点火室 5内， 使点火室 5内形成适宜点燃的天然气混合气； 在压缩上止点前 5°曲轴转 角驱动火花塞 3点燃点火室 5内的混合气， 点火室 5内的工质着火燃烧后压力 和温度升高， 火焰经连接通道 6喷入燃烧室 1， 激发燃烧室 1内的一次预混合 气发生预混合燃烧， 从而控制燃烧室 1内的三种燃料预混合气的燃烧始点， 实 现着火点可控的柴油、 汽油和乙醇的预混合压燃着火燃烧； 预混合燃烧的速率 在中低负荷下由进气充量中的再循环废气 (EGR)比例来控制， 在较高负荷下除 了引入大量 EGR外， 还驱动喷水器 7向燃烧室 1或进气道 8喷射水雾， 这些水 雾与在进气充量中的 EGR共同控制预混合燃烧的速率，使预混合压缩 着火燃烧 的运行工况可以达到满负荷， 燃烧平稳， 燃烧噪声低， 不至于损坏发动机。 试 验结果表明， NOx排放降低 96%，碳烟排放降低 95%，内燃机的热效率提高 2. 8%， 发动机最高平均有效压力可达到 2. 4MPa。

在图 7、 8、 9、 10所示的内燃机多燃料预混合燃烧系统采用向� ��气管内喷 射混合燃料： 设计燃烧室容积使内燃机的几何压縮比为 12， 设计进气门关闭时 刻使内燃机的有效压缩比为 9， 进气充量为涡轮增压后经过强制冷却的空气， 主喷油嘴 2采用雾化好、 贯穿距短的伞喷油嘴， 在进气过程中向进气管道 8喷 射柴油、 汽油和乙醇的混合物， 其中三者的体积比分别占 30%、 50%、 20%, 在 缸内形成均质的一次预混合气； 由于缸内压缩初始温度低， 有效压縮比低， 一 次预混合气不能依靠压缩高温自燃着火。 在压縮上止点前 10°曲轴转角， 副喷 嘴 4向燃烧室 1 (图 8、 10 ) 或点火室 5 (图 7、 9 ) 内喷射适量的压缩天然气， 在火花塞 3附近形成二次混合气，然后在压縮上止点前 5°曲轴转角驱动火花塞 3点燃二次混合气， 火花塞 3附近的二次混合气着火燃烧后压力和温度升� �， 激发燃烧室 1内其余部分的一次预混合气发生预混合压燃� �火燃烧， 从而控制 燃烧室 1内的三种燃料预混合压燃着火燃烧的燃烧始� �， 其燃烧速率可以通过 在进气充量中引入部分冷却过的废气来进行控 制。 喷水器 7向进气道 8 (图 7、 8 )燃烧室 1 (图 9、 10 ) 内喷射水雾， 这些水雾与在进气充量中的 EGR共同控 制预混合燃烧的速率， 从而实现柴油汽油乙醇均质混合气在较低的温 度下快速 平稳地燃烧。 由于混合燃料的喷射时间较早， 因此通过采用进气管道内喷射混 合燃料的方法可以实现与缸内直喷一样的较好 的混合气准备， 同时还可以有效 地降低系统要求， 其中包括喷射压力和系统密封性等。

另外， 以上的燃烧系统不仅可以喷射多燃料， 也可以直接通过主喷油嘴 2 喷射单一的柴油、 或汽油燃料、 或宽馏分燃料。 从上述实施例可见，内燃机工作时，以低压缩 比高膨胀比的循环方式工作。 内燃机的有效压縮比不大于可以使混合燃料的 混合气自燃着火的最小压縮比， 以确保缸内的混合气不能自燃着火； 对于增压内燃机， 采用增压空气冷却系统 将增压后的空气进行强制冷却， 降低进气管路内气体的温度。 在进气行程或压 缩行程向燃烧室内喷射柴油基混合燃料， 形成一次预混合气； 而副喷嘴喷射少 量易点燃的燃料， 利用火花塞点燃后， 火焰激发缸内的一次预混合气发生预混 合燃烧， 从而控制燃烧室内混合气发生预混合燃烧的着 火点。 通过 EGR阀门、 EGR冷却器及相关管路， 可以将部分内燃机尾气重新引入气缸内， 以及在高负 荷下采用喷水器向燃烧室喷射水雾，从而可以 在全负荷范围控制燃烧室混合气 的燃烧速率。 在怠速运转时， 主喷油嘴和副喷嘴喷射燃料燃烧运行。 因为燃烧 速率快， 内燃机具有较高的热效率。