[发明专利]基于臭氧助燃的大功率稀燃天然气发动机燃烧系统及方法

说明书

本发明公开了一种基于臭氧助燃的大功率预燃室稀燃天然气发动机的燃烧系统及方法，该系统包括天然气管道、缓冲罐、文丘里混合器、增压器、中冷器、臭氧发生器和预燃室进气单向阀，天然气与空气在文丘里混合器里混合后输送至增压器，经增压器的压气机增压后，进入中冷器，中冷器将天然气与空气的混合气体冷却后一路输送至主燃室，另一路输送至臭氧发生器，臭氧发生器产生天然气/空气/臭氧混合气，通过混合气喷射模块喷射至预燃室，由ECU控制预燃室点火系统点预燃室内的燃天然气/空气/臭氧混合气，燃烧后的废气通过排气总管输送至增压器的涡轮机，经增压器的涡轮机做功后排出发动机，提升大功率稀燃天然气发动机的燃烧、排放性能，拓宽稀燃极限。

技术领域

本发明涉及发动机领域，具体涉及一种基于臭氧助燃的大功率预燃室稀燃天然气发动机的燃烧系统及方法。

背景技术

研究表明，稀薄燃烧技术可以提高天然气发动机的热效率，目前在低速大功率气体燃料发动机中得到广泛应用。天然气的物化特性决定了其燃烧过程存在点火能量高及火焰传播速度慢等问题，在稀薄燃烧条件下上述问题会更加严重。甲烷存在点火能量高及火焰传播速度慢等问题的根本原因在于甲烷燃料分子结构只有C-H键。一般有机化合物分子结构中C-H键能为415.2kJ/mol，而C-C键能为347.3kJ/mol，由于C-H键能比较大，键断裂需要的能量多，导致需要更高的点火能量，由此也导致火焰传播速度慢。如果向甲烷、空气稀混合气中掺入具有强氧化能力的活性成分，促使甲烷分子C-H键脱氢，形成中间体自由基，通过部分燃料的改质，降低反应物的活化能，进而改善甲烷的点火及燃烧性能。这种方式可以在不改变发动机本体结构的前提下，实现天然气发动机稀薄燃烧性能的改进。

臭氧在甲烷燃烧时产生的活性物质改变了燃料的反应途径，降低了化学反应的活化能，且通过臭氧改进燃烧过程的效率高于提升系统温度以提高反应速率的方案。因此，如何向预燃室发动机中掺加臭氧，提升大功率稀燃天然气发动机的燃烧、排放性能，拓宽稀燃极限，仍是待解决的技术问题。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种基于臭氧助燃的大功率预燃室稀燃天然气发动机的燃烧系统及方法，通过在预燃室发动机中掺加臭氧，可以进一步提升大功率稀燃天然气发动机的燃烧、排放性能，拓宽稀燃极限。

本发明所采用的技术方案是：

一种基于臭氧助燃的大功率稀燃天然气发动机燃烧系统，该系统包括天然气供给系统、混合气供给系统、预燃室点火系统和ECU，所述天然气供给系统包括用于输送天然气的天然气管道和与天然气管道连接的缓冲罐，所述混合气供给系统包括文丘里混合器、增压器、中冷器、臭氧发生器和预燃室进气单向阀，所述文丘里混合器的燃气进气口通过管道与缓冲罐连接，文丘里混合器的空气进气口通过管道与发动机进气口连接，天然气与空气在文丘里混合器里混合后输送至增压器，经增压器的压气机增压后，进入中冷器，中冷器将天然气与空气的混合气体冷却后一路通过进气总管输送至主燃室，另一路通过管道输送至臭氧发生器，臭氧发生器产生天然气、空气和臭氧的混合气，通过混合气喷射模块喷射至预燃室，由ECU 控制预燃室点火系统点燃预燃室内的天然气、空气和臭氧的混合气，燃烧后的废气通过排气总管输送至增压器的涡轮机，经增压器的涡轮机做功后排出发动机。

作为上述技术方案的一种改进，所述天然气管道上设置有管道开启阀门，所述管道开启阀门与ECU的输出端连接，由ECU给的启动信号控制管道开启阀门打开；所述缓冲罐上设置有泄压阀。

作为上述技术方案的一种改进，所述臭氧发生器连接有交流电源，所述交流电源连接有电源控制模块，所述电源控制模块与ECU的输出端连接，通过电源控制模块控制臭氧发生器的工作电压和电流。

作为上述技术方案的一种改进，所述预燃室点火系统包括智能点火控制模块和火花塞，所述智能点火控制模块的输入端与电子控制单元ECU的输出端连接，智能点火控制模块的输出端连接火花塞，所述智能点火控制模块在电子控制单元ECU的控制下为火花塞提供点火信号，火花塞产生火花，点燃预燃室内的天然气、空气和臭氧的混合气。