基于环形电极的稀燃天然气发动机燃烧系统及控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及发动机领域，尤其涉及一种基于环形电极的稀燃天然气发动机燃烧系统及控制方法。
【背景技术】
[0002]全球气候变暖，能源短缺，使天然气作为一种储量丰富、高效清洁的燃料受到越来越广泛的关注。而随着排放法规的日益严格，天然气发动机高效清洁燃烧技术的开发成为了当今世界天然气应用技术的焦点之一。
[0003]目前，稀燃被认为是降低天然气发动机排放的有效措施，然而，由于天然气燃烧火焰传播速度远低于柴油机，特别是过量空气系数大于1.8时，天然气的层流火焰传播速度极为缓慢，极易导致燃烧不稳定。
【发明内容】
[0004]本发明的目的就是为了解决上述问题，提供一种基于环形电极的稀燃天然气发动机燃烧系统及控制方法，采用外加电极电场的方式，利用电场产生的热效应、电化学效应和离子风效应，拓展了天然气发动机的稀燃极限，提高了火焰传播速率，提高了发动机的效率并降低排放，提高了稀燃天然气发动机的燃烧稳定性。
[0005]为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案:
[0006]基于环形电极的稀燃天然气发动机燃烧系统，包括天然气供给喷射系统；
[0007]所述天然气供给喷射系统为发动机提供不同过量空气系数、混合均匀的天然气和空气混合气；智能点火装置按照电子控制单元ECU指令点燃气缸内的混合气；
[0008]空气经过气体循环系统进入天然气供给喷射系统中的天然气和空气混合器中与天然气混合；
[0009]气缸套上设有环形电极，所述环形电极与燃烧室壁面形成电场；电场电源在电子控制单元ECU的控制下为环形电极施加合适的电压，环形电极与燃烧室壁面形成交流电场，提高火焰的传播速率。
[0010]所述天然气供给喷射系统包括天然气罐，所述天然气罐通过天然气管道连接缓冲罐，所述缓冲罐的输出管道上依次设有天然气减压稳压器、天然气喷射模块；所述天然气喷射模块通过天然气管道与所述天然气和空气混合器连接；
[0011]所述天然气喷射模块在电子控制单元ECU的控制下喷射天然气；
[0012]所述天然气和空气混合器通过进气管连接气缸的进气道，所述气缸的进气管上设有节气门；
[0013]所述节气门在电子控制单元ECU的控制下控制进入气缸的混合气量。
[0014]所述智能点火装置包括智能点火模块，所述智能点火模块的输入端连接电子控制单元ECU的输出端，所述智能点火模块的输出端连接火花塞；智能点火模块在电子控制单元ECU的控制下为火花塞提供点火信号，以点燃混合气体。
[0015]所述气体循环系统包括增压器，所述增压器压气机的输出端通过进气管连接中冷器;
[0016]所述中冷器的输出端通过进气管连接天然气和空气混合器；
[0017]气缸的排气道通过排气管连接增压器中涡轮机的进气口 ；
[0018]所述增压器中涡轮机的出气口设有排气氧传感器，所述排气氧传感器连接电子控制单元E⑶的输入端。
[0019]所述节气门之后、气缸进气道之前的进气管内设有进气温度、压力传感器，所述进气温度、压力传感器连接电子控制单元ECU的输入端。
[0020]所述气缸内设有转速传感器，所述转速传感器连接电子控制单元ECU的输入端。
[0021]所述电场电源为交流电源，交流电源控制模块在电子控制单元ECU的控制下控制交流电源输出电压、频率能变的交流电。
[0022]所述环形电极为平板型，安装于高于活塞上止点处的气缸套上，外环直径小于气缸套内径，避免与气缸套内壁接触，内环直径根据发动机结构参数确定，环形电极底部在发动机整个运行过程中与活塞始终无接触。环形电极要保证环形面积不过于大，以免影响发动机气流运动，环形电极的厚度应在保证可靠性和使用需要的前提下尽量薄。
[0023]所述环形电极设有两处突出的固定位置，两处突出的固定位置经绝缘套包裹后穿过气缸套固定于发动机机体；所述环形电极的两处固定位置同时也是电压的施加位置，通过导线与电场电源相连。
[0024]基于环形电极的稀燃天然气发动机燃烧系统的控制方法，包括以下步骤:
[0025]步骤S301，利用试验方法标定不同工况下合适的电压大小及频率，制定详细的MAP 图；
[0026]步骤S302，发动机运转过程中工况发生变化；
[0027]步骤S303，电子控制单元ECU根据转速传感器的反馈值调整节气门的开度，使转速稳定；
[0028]步骤S304，电子控制单元ECU根据预先标定好的MAP图控制天然气喷射模块的天然气喷射量，并根据排气氧传感器的反馈值进行调整；
[0029]步骤S305，电子控制单元E⑶根据进气温度、压力传感器、转速传感器以及排气氧传感器反馈出过量空气系数；根据预先标定好的MAP图通过交流电源控制模块精确控制电场电源的电压和频率大小。
[0030]适当的外加电场可以提高火焰的传播速率，而外加电场过弱会降低本措施的有效性，外加电场过强会使燃烧不稳定，甚至导致火焰熄灭，并且电场电压和频率的适用范围随运行工况的改变而改变，因此所施加的交流电压和频率应在一定范围内灵活调节，发动机的工况变化时，根据预先标定好的MAP图，电子控制单元E⑶通过控制交流电源控制模块控制电场电源的电压和频率大小，基本规律是随着过量空气系数的增大，所加电压值增大，电压频率增大，低速低负荷工况要比高速高负荷工况应用更高的电压及更高的频率。
[0031]本发明的有益效果:
[0032]通过环形电极与燃烧室壁面形成电场，采用外加电极电场的方式，利用电场产生的热效应、电化学效应和离子风效应，拓展天然气发动机的稀燃极限，提高了火焰传播速率，提高了发动机的效率并降低了排放，提高了稀燃天然气发动机的燃烧稳定性。
【附图说明】
[0033]图1示出了根据本发明的一个实施方式的示意图；
[0034]图2示出了根据本发明的一个实施方式的外加电场布置结构图；
[0035]图3示出了根据本发明的一个实施方式的控制方法逻辑流程图；
[0036]其中101.天然气罐，102.缓冲罐，103.天然气减压稳压器，104.天然气喷射模块，105.天然气和空气混合器，106.节气门，107.进气温度、压力传感器，108.智能点火模块，109.火花塞，110.环形电极，111.转速传感器，112.排气氧传感器，113.增压器，114.交流电源控制模块，115.交流电源，116.中冷器，117.电子控制单元E⑶，201.发动机机体，202.气缸套，203.绝缘套。
【具体实施方式】
[0037]下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
[0038]如图1所示，基于环形电极的稀燃天然气发动机燃烧系统，包括天然气供给喷射系统；
[0039]天然气供给喷射系统为发动机提供不同过量空气系数、混合均匀的天然气和空气混合气；智能点火装置按照电子控制单元ECU 117指令点燃气缸内的混合气；空气经过气体循环系统进入天然气供给喷射系统中的天然气和空气混合器105中与天然气混合；气缸套202上设有环形电极110，环形电极110与燃烧室壁面形成电场；电场电源在电子控制单元ECU 117的控制下为环形电极110施加合适的电压，环形电极110与燃烧室壁面形成交流电场，提高火焰的传播速率。
[0040]天然气供给喷射系统包括天然气罐101，天然气罐101通过输气管道连接缓冲罐102，缓冲罐102的输出管道上依次设有天然气减压稳压器103、天然气喷射模块104 ;天然气喷射模块104通过天然气管道与天然气和空气混合器105连接；
[0041]天然气喷射模块104在电子控制单元ECU117的控制下喷射天然气；
[0042]天然气和空气混合器105通过进气管连接气缸的进气道，气缸的进气管上设有节气门106 ;节气门106在电子控制单元E⑶117的控制下控制进入气缸的混合气量。
[0043]智能点火装置包括智能点火模块108，智能点火模块108的输入端连接电子控制单元ECU117的输出端，智能点火模块108的输出端连接火花塞109 ;智能点火模块108在电子控制单元ECU117的控制下为火花塞109提供点火信号，以点燃混合气体。
[0044]气体循环系统包括增压器113，增压器113压气机C的输出端通过进气管连接中冷器 116 ；
[0045]中冷器116的输出端通过进气管连接天然气和空气混合器105 ；
[0046]气缸的出气口通过进气管连接增压器113中涡轮机T的进气口 ；
[0047]增压器113中涡轮机T的出气口设有排气氧传感器112，排气氧传感器112连接电子控制单元E⑶117的输入端。
[0048]节气门106之后、气缸进气道之前的进气管内设有进气温度、压力传感器107，进气温度、压力传感器107连接电子控制单元E⑶117的输入端。
[0049]气缸内设有转速传感器111，转速传感器111连接电子控制单元E⑶117的输入端。
[0050]电场电源为交流电源115，交流电源控制模块114在电子控制单元ECU117的控制下控制交流电源115输出电压、频率能变的交流电。
[0051]环形电极110为平板型，安装于高于活塞上止点处的气缸套202上，外环直径小于气缸套202内径，避免与气缸套202内壁接触，环形电极110底部在发动机整个运行过程中与活