[发明专利]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

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；