基于環(huán)形電極的稀燃天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒系統(tǒng)及控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于環(huán)形電極的稀燃天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒系統(tǒng)及控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]全球氣候變暖，能源短缺，使天然氣作為一種儲(chǔ)量豐富、高效清潔的燃料受到越來(lái)越廣泛的關(guān)注。而隨著排放法規(guī)的日益嚴(yán)格，天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)高效清潔燃燒技術(shù)的開(kāi)發(fā)成為了當(dāng)今世界天然氣應(yīng)用技術(shù)的焦點(diǎn)之一。
[0003]目前，稀燃被認(rèn)為是降低天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)排放的有效措施，然而，由于天然氣燃燒火焰?zhèn)鞑ニ俣冗h(yuǎn)低于柴油機(jī)，特別是過(guò)量空氣系數(shù)大于1.8時(shí)，天然氣的層流火焰?zhèn)鞑ニ俣葮O為緩慢，極易導(dǎo)致燃燒不穩(wěn)定。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的就是為了解決上述問(wèn)題，提供一種基于環(huán)形電極的稀燃天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒系統(tǒng)及控制方法，采用外加電極電場(chǎng)的方式，利用電場(chǎng)產(chǎn)生的熱效應(yīng)、電化學(xué)效應(yīng)和離子風(fēng)效應(yīng)，拓展了天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的稀燃極限，提高了火焰?zhèn)鞑ニ俾?，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的效率并降低排放，提高了稀燃天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒穩(wěn)定性。
[0005]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0006]基于環(huán)形電極的稀燃天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒系統(tǒng)，包括天然氣供給噴射系統(tǒng)；
[0007]所述天然氣供給噴射系統(tǒng)為發(fā)動(dòng)機(jī)提供不同過(guò)量空氣系數(shù)、混合均勻的天然氣和空氣混合氣；智能點(diǎn)火裝置按照電子控制單元ECU指令點(diǎn)燃?xì)飧變?nèi)的混合氣；
[0008]空氣經(jīng)過(guò)氣體循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)入天然氣供給噴射系統(tǒng)中的天然氣和空氣混合器中與天然氣混合；
[0009]氣缸套上設(shè)有環(huán)形電極，所述環(huán)形電極與燃燒室壁面形成電場(chǎng)；電場(chǎng)電源在電子控制單元ECU的控制下為環(huán)形電極施加合適的電壓，環(huán)形電極與燃燒室壁面形成交流電場(chǎng)，提高火焰的傳播速率。
[0010]所述天然氣供給噴射系統(tǒng)包括天然氣罐，所述天然氣罐通過(guò)天然氣管道連接緩沖罐，所述緩沖罐的輸出管道上依次設(shè)有天然氣減壓穩(wěn)壓器、天然氣噴射模塊；所述天然氣噴射模塊通過(guò)天然氣管道與所述天然氣和空氣混合器連接；
[0011]所述天然氣噴射模塊在電子控制單元ECU的控制下噴射天然氣；
[0012]所述天然氣和空氣混合器通過(guò)進(jìn)氣管連接氣缸的進(jìn)氣道，所述氣缸的進(jìn)氣管上設(shè)有節(jié)氣門；
[0013]所述節(jié)氣門在電子控制單元ECU的控制下控制進(jìn)入氣缸的混合氣量。
[0014]所述智能點(diǎn)火裝置包括智能點(diǎn)火模塊，所述智能點(diǎn)火模塊的輸入端連接電子控制單元ECU的輸出端，所述智能點(diǎn)火模塊的輸出端連接火花塞；智能點(diǎn)火模塊在電子控制單元ECU的控制下為火花塞提供點(diǎn)火信號(hào)，以點(diǎn)燃混合氣體。
[0015]所述氣體循環(huán)系統(tǒng)包括增壓器，所述增壓器壓氣機(jī)的輸出端通過(guò)進(jìn)氣管連接中冷器;
[0016]所述中冷器的輸出端通過(guò)進(jìn)氣管連接天然氣和空氣混合器；
[0017]氣缸的排氣道通過(guò)排氣管連接增壓器中渦輪機(jī)的進(jìn)氣口 ；
[0018]所述增壓器中渦輪機(jī)的出氣口設(shè)有排氣氧傳感器，所述排氣氧傳感器連接電子控制單元E⑶的輸入端。
[0019]所述節(jié)氣門之后、氣缸進(jìn)氣道之前的進(jìn)氣管內(nèi)設(shè)有進(jìn)氣溫度、壓力傳感器，所述進(jìn)氣溫度、壓力傳感器連接電子控制單元ECU的輸入端。
[0020]所述氣缸內(nèi)設(shè)有轉(zhuǎn)速傳感器，所述轉(zhuǎn)速傳感器連接電子控制單元ECU的輸入端。
[0021]所述電場(chǎng)電源為交流電源，交流電源控制模塊在電子控制單元ECU的控制下控制交流電源輸出電壓、頻率能變的交流電。
[0022]所述環(huán)形電極為平板型，安裝于高于活塞上止點(diǎn)處的氣缸套上，外環(huán)直徑小于氣缸套內(nèi)徑，避免與氣缸套內(nèi)壁接觸，內(nèi)環(huán)直徑根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)確定，環(huán)形電極底部在發(fā)動(dòng)機(jī)整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中與活塞始終無(wú)接觸。環(huán)形電極要保證環(huán)形面積不過(guò)于大，以免影響發(fā)動(dòng)機(jī)氣流運(yùn)動(dòng)，環(huán)形電極的厚度應(yīng)在保證可靠性和使用需要的前提下盡量薄。
[0023]所述環(huán)形電極設(shè)有兩處突出的固定位置，兩處突出的固定位置經(jīng)絕緣套包裹后穿過(guò)氣缸套固定于發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體；所述環(huán)形電極的兩處固定位置同時(shí)也是電壓的施加位置，通過(guò)導(dǎo)線與電場(chǎng)電源相連。
[0024]基于環(huán)形電極的稀燃天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒系統(tǒng)的控制方法，包括以下步驟:
[0025]步驟S301，利用試驗(yàn)方法標(biāo)定不同工況下合適的電壓大小及頻率，制定詳細(xì)的MAP 圖；
[0026]步驟S302，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中工況發(fā)生變化；
[0027]步驟S303，電子控制單元ECU根據(jù)轉(zhuǎn)速傳感器的反饋值調(diào)整節(jié)氣門的開(kāi)度，使轉(zhuǎn)速穩(wěn)定；
[0028]步驟S304，電子控制單元ECU根據(jù)預(yù)先標(biāo)定好的MAP圖控制天然氣噴射模塊的天然氣噴射量，并根據(jù)排氣氧傳感器的反饋值進(jìn)行調(diào)整；
[0029]步驟S305，電子控制單元E⑶根據(jù)進(jìn)氣溫度、壓力傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器以及排氣氧傳感器反饋出過(guò)量空氣系數(shù)；根據(jù)預(yù)先標(biāo)定好的MAP圖通過(guò)交流電源控制模塊精確控制電場(chǎng)電源的電壓和頻率大小。
[0030]適當(dāng)?shù)耐饧与妶?chǎng)可以提高火焰的傳播速率，而外加電場(chǎng)過(guò)弱會(huì)降低本措施的有效性，外加電場(chǎng)過(guò)強(qiáng)會(huì)使燃燒不穩(wěn)定，甚至導(dǎo)致火焰熄滅，并且電場(chǎng)電壓和頻率的適用范圍隨運(yùn)行工況的改變而改變，因此所施加的交流電壓和頻率應(yīng)在一定范圍內(nèi)靈活調(diào)節(jié)，發(fā)動(dòng)機(jī)的工況變化時(shí)，根據(jù)預(yù)先標(biāo)定好的MAP圖，電子控制單元E⑶通過(guò)控制交流電源控制模塊控制電場(chǎng)電源的電壓和頻率大小，基本規(guī)律是隨著過(guò)量空氣系數(shù)的增大，所加電壓值增大，電壓頻率增大，低速低負(fù)荷工況要比高速高負(fù)荷工況應(yīng)用更高的電壓及更高的頻率。
[0031]本發(fā)明的有益效果:
[0032]通過(guò)環(huán)形電極與燃燒室壁面形成電場(chǎng)，采用外加電極電場(chǎng)的方式，利用電場(chǎng)產(chǎn)生的熱效應(yīng)、電化學(xué)效應(yīng)和離子風(fēng)效應(yīng)，拓展天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的稀燃極限，提高了火焰?zhèn)鞑ニ俾剩岣吡税l(fā)動(dòng)機(jī)的效率并降低了排放，提高了稀燃天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒穩(wěn)定性。
【附圖說(shuō)明】
[0033]圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的示意圖；
[0034]圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的外加電場(chǎng)布置結(jié)構(gòu)圖；
[0035]圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的控制方法邏輯流程圖；
[0036]其中101.天然氣罐，102.緩沖罐，103.天然氣減壓穩(wěn)壓器，104.天然氣噴射模塊，105.天然氣和空氣混合器，106.節(jié)氣門，107.進(jìn)氣溫度、壓力傳感器，108.智能點(diǎn)火模塊，109.火花塞，110.環(huán)形電極，111.轉(zhuǎn)速傳感器，112.排氣氧傳感器，113.增壓器，114.交流電源控制模塊，115.交流電源，116.中冷器，117.電子控制單元E⑶，201.發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體，202.氣缸套，203.絕緣套。
【具體實(shí)施方式】
[0037]下面結(jié)合附圖與實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
[0038]如圖1所示，基于環(huán)形電極的稀燃天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒系統(tǒng)，包括天然氣供給噴射系統(tǒng)；
[0039]天然氣供給噴射系統(tǒng)為發(fā)動(dòng)機(jī)提供不同過(guò)量空氣系數(shù)、混合均勻的天然氣和空氣混合氣；智能點(diǎn)火裝置按照電子控制單元ECU 117指令點(diǎn)燃?xì)飧變?nèi)的混合氣；空氣經(jīng)過(guò)氣體循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)入天然氣供給噴射系統(tǒng)中的天然氣和空氣混合器105中與天然氣混合；氣缸套202上設(shè)有環(huán)形電極110，環(huán)形電極110與燃燒室壁面形成電場(chǎng)；電場(chǎng)電源在電子控制單元ECU 117的控制下為環(huán)形電極110施加合適的電壓，環(huán)形電極110與燃燒室壁面形成交流電場(chǎng)，提高火焰的傳播速率。
[0040]天然氣供給噴射系統(tǒng)包括天然氣罐101，天然氣罐101通過(guò)輸氣管道連接緩沖罐102，緩沖罐102的輸出管道上依次設(shè)有天然氣減壓穩(wěn)壓器103、天然氣噴射模塊104 ;天然氣噴射模塊104通過(guò)天然氣管道與天然氣和空氣混合器105連接；
[0041]天然氣噴射模塊104在電子控制單元ECU117的控制下噴射天然氣；
[0042]天然氣和空氣混合器105通過(guò)進(jìn)氣管連接氣缸的進(jìn)氣道，氣缸的進(jìn)氣管上設(shè)有節(jié)氣門106 ;節(jié)氣門106在電子控制單元E⑶117的控制下控制進(jìn)入氣缸的混合氣量。
[0043]智能點(diǎn)火裝置包括智能點(diǎn)火模塊108，智能點(diǎn)火模塊108的輸入端連接電子控制單元ECU117的輸出端，智能點(diǎn)火模塊108的輸出端連接火花塞109 ;智能點(diǎn)火模塊108在電子控制單元ECU117的控制下為火花塞109提供點(diǎn)火信號(hào)，以點(diǎn)燃混合氣體。
[0044]氣體循環(huán)系統(tǒng)包括增壓器113，增壓器113壓氣機(jī)C的輸出端通過(guò)進(jìn)氣管連接中冷器 116 ；
[0045]中冷器116的輸出端通過(guò)進(jìn)氣管連接天然氣和空氣混合器105 ；
[0046]氣缸的出氣口通過(guò)進(jìn)氣管連接增壓器113中渦輪機(jī)T的進(jìn)氣口 ；
[0047]增壓器113中渦輪機(jī)T的出氣口設(shè)有排氣氧傳感器112，排氣氧傳感器112連接電子控制單元E⑶117的輸入端。
[0048]節(jié)氣門106之后、氣缸進(jìn)氣道之前的進(jìn)氣管內(nèi)設(shè)有進(jìn)氣溫度、壓力傳感器107，進(jìn)氣溫度、壓力傳感器107連接電子控制單元E⑶117的輸入端。
[0049]氣缸內(nèi)設(shè)有轉(zhuǎn)速傳感器111，轉(zhuǎn)速傳感器111連接電子控制單元E⑶117的輸入端。
[0050]電場(chǎng)電源為交流電源115，交流電源控制模塊114在電子控制單元ECU117的控制下控制交流電源115輸出電壓、頻率能變的交流電。
[0051]環(huán)形電極110為平板型，安裝于高于活塞上止點(diǎn)處的氣缸套202上，外環(huán)直徑小于氣缸套202內(nèi)徑，避免與氣缸套202內(nèi)壁接觸，環(huán)形電極110底部在發(fā)動(dòng)機(jī)整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中與活