天然气发动机燃烧方法及使用该方法的增压天然气发动机

摘要

本发明提供了一种天然气发动机燃烧方法及使用该方法的增压天然气发动机，燃用天然气或者其它以甲烷为主要成分的气体燃料。所述发动机包括缸体、缸盖、活塞、曲柄连杆机构，进气系统、排气系统、燃气系统、点火系统、发动机控制器等。所述进气系统和排气系统上设有废气涡轮增压器，所述废气涡轮增压器由涡轮机和压缩机组成。所述燃气系统包括燃气喷射器，所述燃气喷射器安装在气缸盖上或者进气歧管上，燃气通过所述燃气喷射器喷入进气道。本发明所提供的增压天然气发动机，能够用较低的制造成本大幅度提高天然气发动机的动力性能和热效率。

说明书

技术领域

本发明涉及发动机技术领域，具体为一种天然气发动机燃烧方法及使用该方法的增压天然气发动机。

背景技术

汽车和发动机工业的发展导致了石油消耗的大幅度增加和越来越严重的排气污染，从而制约经济发展，危害环境和人体健康。理论和实践表明由于天然气辛烷值高因而抗爆性能好；分子碳氢比低因而燃烧后CO2排放低；燃烧特性好，因此发动机燃用天然气可以节约石油液体燃料，降低其尾气有害排放物和二氧化碳，改善城市PM2.5和降低对环境温室效应的贡献，有利于节能环保的

目前汽车燃用天然气的一种方法是汽油-天然气双燃料技术。该技术可以使汽车发动机具备同时燃用汽油和天然气的能力，即汽车上载有汽油和天然气两个燃料供应系统，汽车用同一个发动机可以选择性地燃用汽油或者天然气。在这种情况下，发动机进气为自然吸气，天然气从进气道（管）进入气缸，由于天然气占据进气空气的体积，使得发动机充气效率大幅度降低，导致发动机输出扭矩和功率下降15%~20%。另外，汽油-天然气双燃料发动机是按汽油特性设计的，发动机的设计参数如压缩比和配气定时等不能最佳地体现天然气的燃料特性，天然气抗爆性好的优势不能充分发挥，导致发动机燃用天然气时更优的热效率（燃料耗率）潜力不能发挥。还有，汽油-天然气双燃料汽车同时具有2套燃料系统，使得该种汽车结构复杂、成本增加。

为解决从进气道（或者进气歧管）供应天然气导致发动机充气效率降低的缺点，有人也提出了用较高的压力（10～20MPa）将天然气直接喷入发动机气缸的技术概念。但是，这些概念在应用中将面临以下几个问题：一是在发动机高速大负荷时，在缸内难以形成均匀混合气，导致发动机动力性能（特别是最大功率）下降；二是随着天然气储气瓶的压力降低，为了保证天然气的供应量，天然气喷射的始喷时间和喷射持续期将随之调整，导致在同一工况下发动机在点火时的缸内压力和温度不一样，发动机工作不可靠并存在问题；三是要求天然气储气罐储气压力远高于目前通用的20MPa，大大增加储气罐的制造成本和安全隐患。

同时，为了降低天然气的燃料耗率，人们也采用稀薄燃烧，即发动机吸入多于化学当量的过量空气，这个技术在目前的发电用发动机和中、重型中、低速柴油机（发动机转速<3000 rpm）上有较多的应用。但是，在高速汽车用发动机上采用稀薄燃烧会导致发动机动力性能进一步降低；另外，为了满足更加严格的汽车尾气排放法规，必须采用特殊的氮氧化合物后处理装置，导致汽车结构更加复杂，制造和运行成本增加。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明提供了一种天然气发动机，解决高速发动机（通常用作汽车动力）燃用天然气或者其它以甲烷为主要成分的气体燃料（例如：煤层气、页岩气和碳氢水合物气体等）时动力性能（扭矩和功率）和热效率低的技术问题。采用本发明的技术可以用较低的成本大幅度提高上述发动机的动力性能和热效率，使得其动力性能显著超过该发动机燃用汽油或者柴油时的动力性能水平，更加有效地利用天然气和其他甲烷气体资源。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种天然气发动机燃烧方法，包括以下步骤：

S1、天然气在0.2~0.9 MPa的压力下喷射进入发动机进气道中，与空气混合，并进入发动机气缸内，进一步与空气混合形成均匀的空气-天然气混合气；

S2、过量空气系数为0.85~1.1的混合气，经过压缩比为11.0~13.0的发动机活塞的压缩，在活塞接近上止点时，被火花塞产生的火花点燃并燃烧，混合气经过燃烧和膨胀后推动活塞做功，之后排气排出发动机气缸；

S3、排气经过排气管进入废气涡轮增压器的涡轮机，推动涡轮机转动并带动相连的压气机。然后，排气进入三元催化器反应，最后排气经过消音器排放到大气中。

进一步地，上述天然气，也可以是其它以甲烷为主要成分的气体，包括煤层气、页岩气和碳氢水合物气体等。

进一步地，使用该方法的上述天然气发动机的最高工作转速在4000～8000 转/分钟，发动机的每缸排量（工作容积）小于或者等于0.6升。

本发明提供了使用如上述任一项所述的天然气发动机燃烧方法的天然气发动机， 上述天然气发动机包括缸体、缸盖、活塞、曲柄连杆机构，进气系统、排气系统、燃气系统、点火系统、发动机控制器等， 

上述进气系统和排气系统上设有废气涡轮增压器，上述废气涡轮增压器由涡轮机和压缩机组成，上述涡轮机与排气管相连接，上述压缩机与进气管相连接，上述排气管上还设有氧传感器；

上述燃气系统包括燃气喷射器，上述燃气喷射器安装在气缸盖上或者进气管上，燃气通过上述燃气喷射器喷入进气道。

进一步地，上述进气系统还包括空气滤清器、节气门。

进一步地，上述燃气系统还包括调压阀、气轨。

进一步地，上述排气系统的排气管上还设有与上述涡轮机相连的废气旁通阀。

进一步地，上述排气管上还设有三元催化器和消音器，上述三元催化器的前后排气管上均设有氧传感器，上述氧传感器通过电路与上述发动机控制器相连。

进一步地，气缸盖上设有火花塞，每一气缸安装至少一个火花塞。

本发明还提供了另一种天然气发动机，其设有上述任一项所述的天然气发动机的所有部件外，还包括设于进气管上的中冷器。

与现有技术相比，本发明所提供的一种天然气发动机，能够大大提高天然气发动机的动力性能和热效率。

附图说明

图1为本发明增压天然气发动机的机构示意图。

图2为本发明带中冷器的增压天然气发动机的机构示意图。

图3为有效比油耗对比试验图。

图4为有效扭矩对比试验图。

图5为有效功率对比试验图。

具体实施方式

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式做进一步的说明。

实施例1

天然气发动机（不带中冷器）

请参见图1，一种天然气发动机，

天然气发动机包括缸体、缸盖9、活塞、曲柄连杆机构，进气系统、排气系统、燃气系统、点火系统、发动机控制器15等。 

进气系统和排气系统上设有废气涡轮增压器2，废气涡轮增压器2由涡轮机2b和压缩机2a组成，涡轮机2b与排气管相连接，压缩机2a与进气管5相连接，排气管11上还设有氧传感器14。

燃气系统包括燃气喷射器8，燃气喷射器8安装在缸盖9上或者进气管5上，天然气通过燃气喷射器8喷入进气道。

较佳地，进气系统还包括空气滤清器1、节气门4。进气空气经过压气机2a压缩后进入气缸，节气门4用于调节发动机的进气量从而调节发动机的负荷。

较佳地，燃气系统还包括调压阀6、气轨7。

较佳地，排气系统的排气管11上还设有与涡轮机相连的废气旁通阀12。

较佳地，排气管11上还设有三元催化器13和消音器16，三元催化器的前后排气管上均设有氧传感器14，氧传感器14通过电路与发动机控制器15相连。

较佳地，气缸盖上设有火花塞，每一气缸安装至少一个火花塞。

实施例2

一种天然气发动机（带中冷器）

结合实施例1，请参见图2，本发明提供的另一种天然气发动机，其设有如实施例1所述的天然气发动机的所有部件外，还包括中冷器3，在此种方案中，本发明中冷器3，将进入发动机的天然气进行冷却，这样有助于进一步提高发动机动力性能。

实施例3

天然气发动机燃烧方法

请参见图1，并结合实施例1和实施例2，本发明提供了一种天然气发动机燃烧方法，包括以下步骤：

S1、天然气在0.2~0.9 MPa的压力下喷射进入发动机进气道中，与空气混合，并进入发动机气缸内，进一步与空气混合形成均匀的空气-天然气混合气。

S2、过量空气系数为0.85~1.1的混合气，经过压缩比为11.0~13.0的发动机活塞的压缩，在活塞接近上止点时，被火花塞产生的火花点燃并燃烧，混合气经过燃烧和膨胀后推动活塞做功，之后排气排出发动机气缸。发动机采用化学当量混合比燃烧，混合气的过量空气系数为0.85～1.1，从而可以采用成熟且成本较低的三元催化器处理发动机排气中的有害成分，以达到排放法规的要求。

S3、排气经过排气管11进入废气涡轮增压器2的涡轮机2b，推动涡轮机2b转动并带动相连的压气机2a。然后，排气进入三元催化器13，最后排气经过消音器排放到大气中。

在某些工况下，部分排气将不通过涡轮机2b，而是通过废气旁通阀12直接进入三元催化器13。在三元催化器13里排气中的有害气体一氧化碳（CO）、氮氧化物（NOx）、碳氢化合物（HC）等经过化学反应转换成了二氧化碳（CO2）和氮气（N2）等无害气体。为了保证三元催化器13在较高的转换效率下工作，混合气要尽可能地在化学当量的混合比下（过量空气系数为1.0）燃烧。安装在排气管上的氧传感器14将检测排气中的氧气含量并反馈给发动机的控制器15，发动机控制器15将据此调整天然气喷气量以保证要求的混合气空燃比。排气最后经过消音器16排出到环境大气中。

较佳地，使用该方法燃用天然气，也可以燃用其它以甲烷为主要成分的气体，包括煤层气、页岩气和碳氢水合物气体等。

较佳地，使用该方法的天然气发动机的最高工作转速在4000～8000 转/分钟，发动机的每缸排量（工作容积）小于或者等于0.6升。

实施例4

对比试验

请参见图2，并结合实施例2和实施例3做对比试验如下，同时申明如下，本实施例中天然气发动机采用实施例2中带中冷器3的天然气发动机，本实施例4中现有技术的1.2L汽油-天然气双燃料发动机为现有市场上能够买到的发动机，性能数据为所有能购买到的现有技术发动机所测得的数据的算术平均值。为方便阐述，以下将汽油-天然气双燃料发动机燃用天然气的情况称为双燃料天然气发动机。

现有技术1.2L双燃料天然气发动机（CNG）和本发明增压天然气发动机（CNG-增压）。

4.1.1有效比油耗对比试验

现有技术1.2L双燃料天然气发动机（CNG）和本发明增压天然气发动机（CNG-增压）有效比油耗对比试验如图3所示。

从图3中可看出，本发明增压天然气发动机有效油耗比更低，可以有效的降低汽车的使用成本，具有极其广阔的市场前景。

    4.1.2有效扭矩对比试验

现有技术1.2L双燃料天然气发动机（CNG）和本发明增压天然气发动机（CNG-增压）有效扭矩对比试验如图4所示。

结合图3，从图4中可看出，本发明增压天然气发动机在有效比油耗比现有技术的双燃料天然气发动机要低的同时，不同转速下的发动机的有效扭矩，均大大高于现有技术的双燃料天然气发动机。因而，本发明提供的增压天然气发动机具有更佳的动力性能。

    4.1.3有效功率对比试验

现有技术1.2L双燃料天然气发动机（CNG）和本发明增压天然气发动机（CNG-增压）有效功率对比试验结果如图5所示。

结合图3和图4，从图5中可看出，本发明增压天然气发动机在有效比油耗比现有技术的双燃料天然气发动机要低的同时，不同转速下的发动机的有效扭矩，有效功率均高于现有技术的双燃料天然气发动机。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。