CN101718224A - 一种压燃式甲醇发动机及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种压燃式甲醇发动机及其控制方法，包括发动机主体，EGR系统，甲醇燃料供应系统以及DME催化合成系统，其中，所述甲醇燃料供应系统连接发动机主体并用于向其直接提供甲醇燃料，所述甲醇燃料供应系统还连接DME催化合成系统并用于向其提供甲醇燃料，EGR系统连接DME催化合成系统并用于向其提供EGR气体，DME催化合成系统连接甲醇燃料供应系统以及EGR系统并处理该两个系统提供的甲醇燃料和EGR气体，DME催化合成系统连接发动机主体并向其提供该混合气体。
Description
技术领域
本发明涉及一种新型替代燃料发动机，主要应用于甲醇燃料，可有效提高甲醇燃料发动机热效率，降低不完全燃烧产物排放等，具体涉及一种压燃式甲醇发动机及其控制方法。
背景技术
在石油资源日益枯竭的背景下，各种新型清洁代用燃料的开发成为各国研究重点。就我国国情而言，丰富的煤炭资源和成熟的生产工艺使得甲醇燃料在我国的部分省、市、地区成为替代石油燃料的首选，在许多地区甲醇燃料汽车已经相当普及了。但是，目前在销售和使用的甲醇燃料汽车均为火花塞点燃式发动机，发动机热效率和动力性能都比较有限。由于甲醇燃料十六烷值较低，压燃困难，因而在压燃式发动机上难以应用。
综上所述，现有技术中存在如下技术问题：(1)本领域发展趋势要求清洁能源的产生；(2)现有甲醇燃料十六烷值较低，压燃困难。
发明内容
而有研究表明，在甲醇燃料发动机进气中加入一定量的DME可以有效改善甲醇燃料的压燃性能，并明显提高发动机热效率，降低不完全燃烧产物排放。同时，用氧化铝作为催化剂，在一定温度条件下，甲醇可以合成DME。
本发明即利用甲醇燃料这一性能，解决DME的来源问题。
本发明的目的在于提供一种压燃式甲醇发动机及其控制方法，解决甲醇燃料在压燃式发动机上的应用时存在的十六烷值过低的问题。
本发明公开了一种压燃式甲醇发动机及控制方法，在发动机排气的高温作用下，配合氧化铝作为催化剂合成二甲醚DME，与废气再循环系统EGR气体混合后进入发动机气缸，利用DME高十六烷值的特点，作为甲醇燃料压燃时的着火促进剂。具体包括发动机主体、废气涡轮增压系统、EGR系统、甲醇燃料供应系统、DME催化合成系统、进气加热系统等。其基本特征在于：发动机几何压缩比设计为13-16，发动燃料为液态甲醇燃料；利用发动机废气能量驱动涡轮增压器，对进气进行增压，以提高发动机充气效率，提高发动机动力性能；发动机启动时，通过进气加热系统对发动机进气进行加热，以改善发动机冷启动性能；当发动机转速、机油温度、冷却水温度达到一定值时，DME催化合成系统开始工作，在催化剂作用下，利用高温EGR气体的热量，将部分甲醇合成DME，并与EGR气体混合，形成一定浓度的均质混合气体，经中冷器冷却后由进气歧管进入发动机缸内，参与燃烧；通过对EGR率的调整，发动机在一定负荷下实现HCCI燃烧。
具体技术方案如下：
一种压燃式甲醇发动机，包括发动机主体，EGR系统，甲醇燃料供应系统以及DME催化合成系统，其中，所述甲醇燃料供应系统连接发动机主体并用于向其直接提供甲醇燃料，所述甲醇燃料供应系统还连接DME催化合成系统并用于向其提供甲醇燃料，EGR系统连接DME催化合成系统并用于向其提供EGR气体，DME催化合成系统连接甲醇燃料供应系统以及EGR系统并处理该两个系统提供的甲醇燃料和EGR气体，DME催化合成系统连接发动机主体并向其提供该混合气体。
所述DME催化合成系统包括一DME催化合成器，甲醇燃料供应系统通过其低压甲醇喷射器向该DME催化合成器内喷入甲醇燃料，EGR系统通过其EGR阀的打开向该DME催化合成器提供EGR气体；DME催化合成器通过EGR管路连接EGR系统的EGR中冷器并向其提供混合气体，该EGR中冷器通过EGR管路连接之发动机的进气歧管，该进气歧管与发动机本体上的进气道连接。
甲醇燃料供应系统包括甲醇燃料罐，高压甲醇泵，高压稳压腔，高压甲醇喷射器以及低压甲醇泵，其中，甲醇燃料罐与高压甲醇泵通过低压管路连接，与甲醇燃料罐相连接的一低压甲醇泵用于将甲醇燃料罐内的甲醇燃料加压输送到该高压甲醇泵，高压甲醇泵与高压稳压腔、高压甲醇喷射器通过高压管路连接。
所述高压甲醇泵用于将甲醇燃料压力提供到喷射压力，所述高压甲醇泵连接高压稳压腔并向其提供甲醇燃料，所述高压稳压腔连接高压甲醇喷射器，所述高压甲醇喷射器连接发动机本体并向其喷射甲醇燃料。
所述甲醇燃料罐与低压甲醇喷射器通过低压管路连接，该低压管路上设有一电磁阀，该电磁阀通过电控单元ECU控制开关，并通过该开关控制甲醇燃料是否由低压甲醇喷射器喷入DME催化合成器。
所述EGR阀设置在EGR系统的一EGR管路上，该EGR管路一端连接发动机本体的排气歧管，另一端连接所述DME催化合成器，所述EGR阀由ECU电控单元进行控制开合。
进一步地，还包括废气涡轮增压系统，其包括一涡轮增压器，该涡轮增压器的压气机设置在发动机的进气管上，该涡轮增压器的涡轮端设置在发动机的排气管上，该涡轮端在发动机尾气推动下进行高速旋转，带到所述压气机，对发动机进气进行增压。
进一步地，还包括进气加热系统，其包括一进气加热器，该进气加热器设置在发动机的进气管上，发动机进气歧管与空气滤清器通过该进气管连接。
上述压燃式甲醇发动机的控制方法，在发动机冷启动阶段，其控制步骤为：
(1)电控单元ECU控制电磁阀和EGR阀完全关闭；
(2)高压甲醇喷射器在预设的时间内将甲醇燃料喷入发动机本体上的燃烧室内；
(3)进气加热器对发动机进气进行加热。
上述压燃式甲醇发动机的控制方法，当发动机转速、机油温度、冷却水温度达到预设值时，其控制步骤为：
(1)电控单元ECU控制进气加热器停止对发动机进气进行加热；
(2)电控单元ECU控制电磁阀完全开启；
(3)电控单元ECU控制EGR阀开启到设定开度；
(4)低压甲醇喷射器将甲醇燃料喷入DME催化合成器中；
(5)EGR气体的高温将甲醇燃料加热至250～300℃；
(6)甲醇燃料在氧化铝催化剂的作用下合成DME，所述DME与EGR气体混合后形成稀薄的均质混合气体；
(7)所述混合气体经过EGR中冷器冷却；
(8)所述混合气体经过进气歧管进入发动机本体的燃烧室内参与燃烧。
与目前现有技术相比，本发明将甲醇燃料应用在压燃式发动机上，不仅可以有效提高甲醇燃料发动机热效率，同时能显著降低各种不完全燃烧产物，如HC、CO等的排放量。
附图说明
图1为本发明整体视图
图中：
DME催化合成器1、低压甲醇喷射器2、电磁阀3、高压甲醇泵4、高压稳压腔5、甲醇燃料罐6、低压甲醇泵7、EGR中冷器8、ECU电控单元9、空气滤清器10、涡轮增压器11、进气加热器12、发动机本体13、尾气后处理装置14、进气歧管15、排气歧管16、高压甲醇喷射器17、EGR阀18。
具体实施方式
下面根据附图对本发明进行详细描述，其为本发明多种实施方式中的一种优选实施例。
本实施例公开了一种压燃式甲醇发动机及控制方法，包括发动机主体、废气涡轮增压系统、EGR系统、甲醇燃料供应系统、DME催化合成系统、进气加热系统等。本实施例所述发动主要包括DME催化合成器1、低压甲醇喷射器2、电磁阀3、高压甲醇泵4、高压稳压腔5、甲醇燃料罐6、低压甲醇泵7、EGR中冷器8、ECU电控单元9、空气滤清器10、涡轮增压器11、进气加热器12、发动机本体13、尾气后处理装置14、进气歧管15、排气歧管16、高压甲醇喷射器17、EGR阀18等。
本实施例所述发动机主要特征在于，甲醇燃料罐6与高压甲醇泵4通过低压管路连接；高压甲醇泵4与高压稳压腔5、高压甲醇喷射器17通过高压管路连接。低压甲醇泵7将甲醇燃料加压输送到高压甲醇泵4，高压甲醇泵4将甲醇燃料压力提供到喷射压力后，经高压稳压腔5、高压甲醇喷射器17喷射到发动机内参与燃烧；
本实施例所述发动机主要特征在于，排气歧管16与DME催化合成器1通过EGR管路连接，并在EGR管路上装有EGR阀18，当EGR阀1在ECU电控单元9的控制下开启时，发动机一部分尾气经过EGR管路进入DME催化合成器1；
本实施例所述发动机主要特征在于，甲醇燃料罐6与低压甲醇喷射器2由低压管路连接，并在管路上装有电磁阀3；DME催化合成器1与EGR中冷器8、进气歧管15通过EGR管路连接；进气歧管15与发动机本体13上的进气道连接。当电磁阀3在ECU电控单元9的控制下开启时，甲醇燃料由低压甲醇喷射器2喷入DME催化合成器1，在DME催化合成器1内合成DME，并与EGR气体混合。混合气体经过EGR中冷器8冷却后，经过进气歧管15进入发动机本体13的燃烧室内参与燃烧；
本实施例所述发动机主要特征在于，进气歧管15与空气滤清器10通过进气管连接，并在进气管上装有进气加热器12和涡轮增压器11的压气机；排气歧管16与发动机本体13上的排气道连接；排气歧管16与尾气后处理装置14通过排气管连接，并在排气管上装有涡轮增压器11的涡轮端；涡轮增压器11的涡轮端在发动机尾气推动下进行高速旋转，带到涡轮增压器11的压气机，对发动机进气进行增压，以提高发动机充气效率；
本实施例所述发动机主要特征在于，低压甲醇喷射器2、电磁阀3、EGR阀18、进气加热器12、高压甲醇喷射器17由ECU电控单元9控制；
在发动机冷启动阶段，在ECU电控单元9控制下：电磁阀3和EGR阀18完全关闭；高压甲醇喷射器17在预先设定的时间内将甲醇燃料喷入发动机本体13上的燃烧室内；进气加热器12对发动机进气进行加热，以解决甲醇燃料压燃式发动机冷启动困难的问题；
当发动机转速、机油温度、冷却水温度达到一定值时，在ECU电控单元9控制下：进气加热器12停止对发动机进气进行加热；电磁阀3完全开启；EGR阀18开启到设定开度；低压甲醇喷射器2将甲醇燃料喷入DME催化合成器1中，利用EGR气体的高温将甲醇燃料加热至250～300℃，并在氧化铝催化剂的作用下合成DME；所合成的DME在与EGR气体混合后形成稀薄的均质混合气体，混合气体经过EGR中冷器8冷却后，经过进气歧管15进入发动机本体13的燃烧室内参与燃烧；由于DME是一种高十六烷值的燃料，可以作为甲醇燃料压燃时的着火促进剂，以解决甲醇燃料压燃困难的问题。
上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种改进，或未经改进直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种压燃式甲醇发动机，其特征在于，包括发动机主体，EGR系统，甲醇燃料供应系统以及DME催化合成系统，其中，所述甲醇燃料供应系统连接发动机主体并用于向其直接提供甲醇燃料，所述甲醇燃料供应系统还连接DME催化合成系统并用于向其提供甲醇燃料，EGR系统连接DME催化合成系统并用于向其提供EGR气体，DME催化合成系统连接甲醇燃料供应系统以及EGR系统并处理该两个系统提供的甲醇燃料和EGR气体，DME催化合成系统连接发动机主体并向其提供该混合气体。
2.如权利要求1所述的压燃式甲醇发动机，其特征在于，所述DME催化合成系统包括一DME催化合成器，甲醇燃料供应系统通过其低压甲醇喷射器向该DME催化合成器内喷入甲醇燃料，EGR系统通过其EGR阀的打开向该DME催化合成器提供EGR气体；DME催化合成器通过EGR管路连接EGR系统的EGR中冷器并向其提供混合气体，该EGR中冷器通过EGR管路连接之发动机的进气歧管，该进气歧管与发动机本体上的进气道连接。
3.如权利要求1或2所述的压燃式甲醇发动机，其特征在于，甲醇燃料供应系统包括甲醇燃料罐，高压甲醇泵，高压稳压腔，高压甲醇喷射器以及低压甲醇泵，其中，甲醇燃料罐与高压甲醇泵通过低压管路连接，与甲醇燃料罐相连接的一低压甲醇泵用于将甲醇燃料罐内的甲醇燃料加压输送到该高压甲醇泵，高压甲醇泵与高压稳压腔、高压甲醇喷射器通过高压管路连接。
4.如权利要求3所述的压燃式甲醇发动机，其特征在于，所述高压甲醇泵用于将甲醇燃料压力提供到喷射压力，所述高压甲醇泵连接高压稳压腔并向其提供甲醇燃料，所述高压稳压腔连接高压甲醇喷射器，所述高压甲醇喷射器连接发动机本体并向其喷射甲醇燃料。
5.如权利要求3所述的压燃式甲醇发动机，其特征在于，所述甲醇燃料罐与低压甲醇喷射器通过低压管路连接，该低压管路上设有一电磁阀，该电磁阀通过电控单元ECU控制开关，并通过该开关控制甲醇燃料是否由低压甲醇喷射器喷入DME催化合成器。
6.如权利要求2，4或5所述的压燃式甲醇发动机，其特征在于，所述EGR阀设置在EGR系统的一EGR管路上，该EGR管路一端连接发动机本体的排气歧管，另一端连接所述DME催化合成器，所述EGR阀由ECU电控单元进行控制开合。
7.如权利要求1，2，4，5中任一项所述的压燃式甲醇发动机，其特征在于，进一步地，还包括废气涡轮增压系统，其包括一涡轮增压器，该涡轮增压器的压气机设置在发动机的进气管上，该涡轮增压器的涡轮端设置在发动机的排气管上，该涡轮端在发动机尾气推动下进行高速旋转，带到所述压气机，对发动机进气进行增压。
8.如权利要求1，2，4，5中任一项所述的压燃式甲醇发动机，其特征在于，进一步地，还包括进气加热系统，其包括一进气加热器，该进气加热器设置在发动机的进气管上，发动机进气歧管与空气滤清器通过该进气管连接。
9.如权利要求8所述压燃式甲醇发动机的控制方法，其特征在于，在发动机冷启动阶段，其控制步骤为：
(1)电控单元ECU控制电磁阀和EGR阀完全关闭；
(2)高压甲醇喷射器在预设的时间内将甲醇燃料喷入发动机本体上的燃烧室内；
(3)进气加热器对发动机进气进行加热。
10.如权利要求8所述压燃式甲醇发动机的控制方法，其特征在于，当发动机转速、机油温度、冷却水温度达到预设值时，其控制步骤为：
(1)电控单元ECU控制进气加热器停止对发动机进气进行加热；
(2)电控单元ECU控制电磁阀完全开启；
(3)电控单元ECU控制EGR阀开启到设定开度；
(4)低压甲醇喷射器将甲醇燃料喷入DME催化合成器中；
(5)EGR气体的高温将甲醇燃料加热至250～300℃；
(6)甲醇燃料在氧化铝催化剂的作用下合成DME，所述DME与EGR气体混合后形成稀薄的均质混合气体；
(7)所述混合气体经过EGR中冷器冷却；
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