CN102278216A

CN102278216A - 多模式多燃料燃烧系统

Info

Publication number: CN102278216A
Application number: CN2011101382692A
Authority: CN
Inventors: 吕兴才; 黄震; 吉丽斌; 马骏骏; 侯玉春
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2011-05-26
Filing date: 2011-05-26
Publication date: 2011-12-14

Abstract

一种内燃机技术领域的多模式多燃料燃烧系统，包括：柴油油箱、柴油滤清器、柴油高压共轨喷射系统、第一辅助燃料油箱、第一共轨气口喷射系统、第二辅助燃料油箱、第二共轨气口喷射系统、冷却废气再循环装置和电子控制单元。本发明可以避免火花点火燃烧模式在低温冷起动阶段的着火与燃烧不稳定、燃烧效率差、碳氢和一氧化碳排放高的问题；可以实现各种模式的顺利切换；只要对现有发动机进行简单的技术改造而实现全负荷范围内高效超低排放。

Description

多模式多燃料燃烧系统

技术领域

本发明涉及的是一种内燃机技术领域的系统，具体是一种多模式多燃料燃烧系统。

背景技术

传统的柴油机采用上止点附近缸内直喷、高压缩比、自燃着火的工作方式，具有热效率高、一氧化碳和碳氢排放低、氮氧化物和碳烟微粒较高且不能同时大幅度降低的特点。传统的汽油机采用气口喷射均质充量、低压缩比、火花点燃、大部分工况工作在当量比条件下，结合三元催化可以得到很低的排放水平，但是热效率不高。另一方面，由于国际上的能源短缺，全球各国都在开展内燃机代用燃料的开发与研究，甲醇、乙醇、丁醇、天然气、液化石油气、二甲醚等得到广泛的研究和初步应用。从目前来看，内燃机高效清洁的燃烧理论和清洁代用燃料是内燃机领域的两个重大研究课题。

在新型燃烧理论方面，最近国际上出现了一种新型高效燃烧模式-均质充量压缩着火燃烧，他具有热效率高(与柴油机相当)、氮氧化物排放很低且几乎没有碳烟的特点，而且具有多种燃料适应性。然而，均质充量压缩着火燃烧由于是化学反应动力学主导，没有直接的着火与燃烧控制手段，因此存在着火与燃烧不可控、转速和负荷运行范围小、大负荷下压力升高率较高且易于发生爆震、起动和工况过渡难于控制、一氧化碳和碳氢排放较高等问题。此外，汽油燃料和柴油实现均质充量压缩着火燃烧方式还存在许多困难——柴油由于沸点较高，均匀混合气制备不易，且容易爆震；汽油由于不易压燃，需要采用可变气门正时、可变压缩比、进气加热等装置，系统结构复杂、成本增加。

在代用燃料方面，早在70年代第一次石油危机之后，各国就开始了代用燃料的开发和应用。乙醇、甲醇被广泛用作汽油的替代燃料得到了大量的推广，最近丁醇作为一种新的汽油替代燃料也进行了尝试。在柴油替代燃料方面，二甲醚、生物柴油等开始进入实用领域。然而，汽油替代燃料的使用并没有大幅度提高发动机的热效率，柴油替代燃料的使用也没有能够同时大幅度降低氮氧化物和碳烟排放。因此针对汽油和柴油的替代燃料也必须采用新型燃烧模式才能同时得到高效低排放的燃烧效果。尽管均质充量压缩着火燃烧可以使用多种燃料，但是不同燃料(汽油、柴油、各种代用燃料)具有不同的理化特性，实现均质充量压缩着火燃烧的策略和控制手段也不同，其运行范围、性能与排放特性也存在显著差别。而且，从目前来看，汽油和柴油仍然是车用发动机的主要燃料，各种替代燃料仅仅是有益的补充。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种多模式多燃料燃烧系统，可以避免火花点火燃烧模式在低温冷起动阶段的着火与燃烧不稳定、燃烧效率差、碳氢和一氧化碳排放高的问题；可以实现各种模式的顺利切换；只要对现有发动机进行简单的技术改造而实现全负荷范围内高效超低排放。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：柴油油箱、柴油滤清器、柴油高压共轨喷射系统、第一辅助燃料油箱、第一共轨气口喷射系统、第二辅助燃料油箱、第二共轨气口喷射系统、冷却废气再循环装置和电子控制单元，其中：柴油滤清器两端分别连接柴油油箱和柴油高压共轨喷射系统，冷却废气再循环装置分别与发动机的排气管、空气混合冷却器以及进气管相连通，冷却废气再循环装置的控制端与电子控制单元的输出端连接，第一共轨气口喷射系统分别与第一辅助燃料油箱和发动机相连接，第二共轨气口喷射系统分别与第二辅助燃料油箱和发动机相连接，第一共轨气口喷射系统和第二共轨气口喷射系统的控制端均与电子控制单元的输出端相连接并接收控制指令。

所述的柴油高压共轨喷射系统由柴油高压油泵、柴油高压共轨管和安装在发动机上的电控柴油喷油器组成，其中：柴油高压油泵两端分别连接柴油滤清器和柴油高压共轨管，电控喷油器与柴油高压共轨管相连接并安装在发动机汽缸盖上，电控喷油器的控制端连接电子控制单元。

所述的第一共轨气口喷射系统由电动汽油泵、低压油轨和安装在发动机上的低压电控喷油器组成，其中：电动汽油泵两端分别连接第一辅助燃料油箱和低压共轨管，低压电控喷油器与低压共轨管相连接并安装在发动机进气管上，低压电控喷油器的控制端连接电子控制单元。

所述的第二共轨气口喷射系统包括电动中压油泵、中压共轨管、和安装在发动机上的中压电控喷油器组成，其中：电动中压油泵两端分别连接第二辅助燃料油箱和中压共轨管，中压电控喷油器与中压共轨管相连接并安装在发动机进气管上，中压电控喷油器的控制端连接电子控制单元。

所述的冷却废气再循环装置由电控废气再循环阀门和废气/新鲜空气混合冷却器组成，其中：电控废气再循环阀门左右两端分别连接排气管和废气/新鲜空气混合冷却器，废气/新鲜空气混合冷却器分别连接冷却水入口、进气管和电控废气再循环阀门。电控废气再循环阀门的控制端连接电子控制单元。

所述的电子控制单元的输入端分别接收进气管温度压力信号、曲轴转角信号和上止点信号、发动机冷却水温信号、气缸压力信号、低压油轨压力信号、中压共轨压力信号、柴油高压共轨压力信号，电子控制单元的输出端分别与废气再循环控制阀、低压共轨喷油器、中压电控喷油器以及电控柴油喷油器连接。

所述的第一辅助燃料油箱内充有汽油、甲醇、乙醇或丁醇作为辅助燃料。

所述的第二辅助燃料油箱内充有正庚烷或二甲醚作为辅助燃料。

本发明的优点是：(1)在起动和暖机阶段采用单一柴油高压直喷压燃燃烧方式，可以避免火花点火燃烧模式在低温冷起动阶段的着火与燃烧不稳定、燃烧效率差、碳氢和一氧化碳排放高的问题；(2)在小负荷阶段采用单一燃料(低沸点高十六烷值燃料)的均质充量压缩着火燃烧，可以提高发动机的热效率，实现无烟和低氮氧化物排放；(3)在中等负荷下采用高辛烷值燃料/低沸点高十六烷值燃料的双燃料均质充量压缩着火燃烧，显著拓展纯均质充量压缩着火燃烧的运行负荷范围；(4)在大负荷下，采用高压共轨缸内直喷结合双燃料气口喷射的混合气制备方式，通过电控系统控制直喷柴油的喷射量和喷射时刻、高辛烷值燃料和低沸点高十六烷值燃料的喷射量，实现均质充量压缩着火燃烧加柴油直喷压燃的组合燃烧方式，不仅可以在大负荷下充分利用了均质充量压缩着火燃烧的优点，同时拓展了运行范围，大幅度降低了各种排放，显著提高了热效率；(5)在全负荷下采用高压共轨柴油直喷伴随气口喷射高辛烷值燃料的方式，实现柴油引燃的准均质压燃燃烧方式，结合可控的冷却废气再循环，不仅可以实现高热热效率、低碳烟、低氮氧化物排放，同时保证了发动机的高功率密度；(6)系统只需要通过电子控制单元控制柴油的喷射时刻、喷射量以及其他两种燃料的喷射量，就可以实现各种模式的顺利切换；(7)发动机不仅可以同时使用汽油、柴油、代用燃料，也可以使用一种或者两种燃料的组合；(8)本发明不仅可以在新开发发动机产品上使用，也可以对现有发动机进行简单的技术改造而实现全负荷范围内高效超低排放。

附图说明

图1本发明的结构示意图。

图2燃烧模式控制原理和流程图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本实施例包括：柴油油箱1、柴油滤清器2、柴油高压共轨喷射系统3、第一辅助燃料油箱4、第一共轨气口喷射系统5、第二辅助燃料油箱6、第二共轨气口喷射系统7、冷却废气再循环装置8和电子控制单元9，其中：柴油滤清器2两端分别连接柴油油箱1和柴油高压共轨喷射系统3，冷却废气再循环装置8分别与发动机的排气管、空气混合冷却器以及进气管相连通，冷却废气再循环装置8的控制端与电子控制单元9的输出端连接，第一共轨气口喷射系统5分别与第一辅助燃料油箱4和发动机相连接，第二共轨气口喷射系统7分别与第二辅助燃料油箱6和发动机相连接，第一共轨气口喷射系统5和第二共轨气口喷射系统7的控制端均与电子控制单元9的输出端相连接并接收控制指令。

所述的柴油高压共轨喷射系统3由柴油高压油泵10、柴油高压共轨管11和安装在发动机上的电控柴油喷油器12组成，其中：柴油高压油泵10两端分别连接柴油滤清器2和柴油高压共轨管11，电控喷油器12与柴油高压共轨管11相连接并安装在发动机汽缸盖上，电控喷油器12的控制端连接电子控制单元9。

所述的第一共轨气口喷射系统5由电动汽油泵13、低压油轨14和安装在发动机上的低压电控喷油器15组成，其中：电动汽油泵13两端分别连接第一辅助燃料油箱4和低压共轨管14，低压电控喷油器15与低压共轨管14相连接并安装在发动机进气管上，低压电控喷油器15的控制端连接电子控制单元9。

所述的第二共轨气口喷射系统7包括电动中压油泵16、中压共轨管17、和安装在发动机上的中压电控喷油器18组成，其中：电动中压油泵16两端分别连接第二辅助燃料油箱6和中压共轨管17，中压电控喷油器18与中压共轨管17相连接并安装在发动机进气管上，中压电控喷油器18的控制端连接电子控制单元9。

所述的冷却废气再循环装置8由电控废气再循环阀门19和废气/新鲜空气混合冷却器20组成，其中：电控废气再循环阀门19左右两端分别连接排气管和废气/新鲜空气混合冷却器20，废气/新鲜空气混合冷却器20分别连接冷却水入口、进气管和电控废气再循环阀门19。电控废气再循环阀门19的控制端连接电子控制单元9。

如图2所示，所述的电子控制单元9的输入端分别接收进气管温度压力信号、曲轴转角信号和上止点信号、发动机冷却水温信号、气缸压力信号、低压油轨14压力信号、中压共轨压力信号、柴油高压共轨压力信号，电子控制单元9的输出端分别与废气再循环控制阀、低压共轨喷油器14、中压电控喷油器18以及电控柴油喷油器12连接。

所述的第一辅助燃料油箱4内充有汽油、甲醇、乙醇或丁醇作为辅助燃料。

所述的第二辅助燃料油箱6内充有正庚烷或二甲醚作为辅助燃料。

本装置通过以下方式进行工作：当发动机处于起动、暖机或者怠速工况，此时发动机运行单一的柴油直喷压缩自燃燃烧模式，中压电控喷油器和低压电控喷油器不喷射燃料，废气再循环阀门保持关闭状态，电控柴油喷油器根据电子控制单元中的点火控制曲线图精确控制柴油喷射时刻和喷射量；发动机在小负荷范围内运行时，低压电控喷油器不喷射燃料，电控柴油喷油器也停止喷油，中压电控喷油器开始喷射燃料，发动机运行单一燃料的均质充量压缩着火燃烧，此时低沸点高十六烷值燃料的喷射量根据电子控制单元中的点火控制曲线图读出，通过控制中压电控喷油器的开启脉宽来控制喷射量；在发动机运行单一燃料均质充量压缩着火燃烧模式时，根据气缸压力判别发动机是否发生爆震燃烧，如果接近爆震，则低压电控喷油器开始喷射燃料，此时发动机运行双燃料均质充量压缩着火燃烧，这样可以大幅度拓展纯均质充量压缩着火燃烧的运行范围，而中压电控喷油器和低压电控喷油器的开启脉宽直接从电子控制单元中读取；当发动机运行在大负荷下，检测双燃料均质充量压缩着火燃烧是否发生爆震燃烧，如果发动机接近爆震，则开始减少中压喷油器的燃料喷射量，电控柴油喷嘴开始喷射燃料，该工况下发动机运行均质充量压缩着火燃烧+柴油直喷压燃的复合燃烧模式，由于缸内出现了燃料的浓度分层和温度分层，不仅可以大幅度拓展均质充量压缩着火运行范围，同时可以显著提高发动机的热效率；当发动机运行在全负荷下，停止中压电控喷油器的喷射，增加低压电控喷油器的喷射量，根据电子控制单元精确控制柴油电控喷油器的喷射时刻和喷射量，同时逐步打开电控废气再循环阀门，此时发动机运行在柴油引燃混合气(或其他高辛烷值燃料)的模式，结合冷却的废气再循环，发动机不仅可以得到高的功率输出、高的热效率，同时可以得到很低的碳烟和氮氧化物排放。

Claims

1.一种多模式多燃料燃烧系统，其特征在于，包括：柴油油箱、柴油滤清器、柴油高压共轨喷射系统、第一辅助燃料油箱、第一共轨气口喷射系统、第二辅助燃料油箱、第二共轨气口喷射系统、冷却废气再循环装置和电子控制单元，其中：柴油滤清器两端分别连接柴油油箱和柴油高压共轨喷射系统，冷却废气再循环装置分别与发动机的排气管、空气混合冷却器以及进气管相连通，冷却废气再循环装置的控制端与电子控制单元的输出端连接，第一共轨气口喷射系统分别与第一辅助燃料油箱和发动机相连接，第二共轨气口喷射系统分别与第二辅助燃料油箱和发动机相连接，第一共轨气口喷射系统和第二共轨气口喷射系统的控制端均与电子控制单元的输出端相连接并接收控制指令。

2.根据权利要求1所示的多模式多燃料燃烧系统，其特征是，所述的柴油高压共轨喷射系统由柴油高压油泵、柴油高压共轨管和安装在发动机上的电控柴油喷油器组成，其中：柴油高压油泵两端分别连接柴油滤清器和柴油高压共轨管，电控喷油器与柴油高压共轨管相连接并安装在发动机汽缸盖上，电控喷油器的控制端连接电子控制单元。

3.根据权利要求1所示的多模式多燃料燃烧系统，其特征是，所述的第一共轨气口喷射系统由电动汽油泵、低压油轨和安装在发动机上的低压电控喷油器组成，其中：电动汽油泵两端分别连接第一辅助燃料油箱和低压共轨管，低压电控喷油器与低压共轨管相连接并安装在发动机进气管上，低压电控喷油器的控制端连接电子控制单元。

4.根据权利要求1所示的多模式多燃料燃烧系统，其特征是，所述的第二共轨气口喷射系统包括电动中压油泵、中压共轨管、和安装在发动机上的中压电控喷油器组成，其中：电动中压油泵两端分别连接第二辅助燃料油箱和中压共轨管，中压电控喷油器与中压共轨管相连接并安装在发动机进气管上，中压电控喷油器的控制端连接电子控制单元。

5.根据权利要求1所示的多模式多燃料燃烧系统，其特征是，所述的冷却废气再循环装置由电控废气再循环阀门和废气/新鲜空气混合冷却器组成，其中：电控废气再循环阀门左右两端分别连接排气管和废气/新鲜空气混合冷却器，废气/新鲜空气混合冷却器分别连接冷却水入口、进气管和电控废气再循环阀门。电控废气再循环阀门的控制端连接电子控制单元。

6.根据权利要求1或2或3或4或5所示的多模式多燃料燃烧系统，其特征是，所述的电子控制单元的输入端分别接收进气管温度压力信号、曲轴转角信号和上止点信号、发动机冷却水温信号、气缸压力信号、低压油轨压力信号、中压共轨压力信号、柴油高压共轨压力信号，电子控制单元的输出端分别与废气再循环控制阀、低压共轨喷油器、中压电控喷油器以及电控柴油喷油器连接。

7.根据权利要求1或3所示的多模式多燃料燃烧系统，其特征是，所述的第一辅助燃料油箱内充有汽油、甲醇、乙醇或丁醇作为辅助燃料。

8.根据权利要求1或4所示的多模式多燃料燃烧系统，其特征是，所述的第二辅助燃料油箱内充有正庚烷或二甲醚作为辅助燃料。