CN102705068A - 任意燃料压燃式内燃机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种任意燃料压燃式内燃机,通过用于调整进气压力的可调涡轮增压装置;用于对进气进行加热的进气加热装置;用于改变配气正时从而改变有效压缩比的可变气门正时机构;用于燃料供给的液态燃料箱、气瓶、燃料量及燃料特性检测装置、加压/减压装置、管路及燃料缸内直喷系统;可根据燃料性质及内燃机工况、爆震信号对各装置、机构、系统进行精确调整控制的装置对任意在用、在研往复活塞式内燃机燃料实现缸内直喷压缩着火燃烧。其优点在于:对任意燃料实现可用提高了燃料地域多元化背景下的整机燃料适应性,采用缸内直喷压燃的工作方式可提高内燃机理论循环热效率以获得良好的经济性。
Description
技术领域
本发明涉及一种任意燃料压燃式内燃机,该任意燃料压燃式内燃机可将任意在用、在研的往复活塞式内燃机燃料以压缩着火的方式燃烧。
背景技术
目前,已有可燃烧多种燃料的所谓多燃料内燃机。例如专利200780036011.3中伊藤泰志等提出一种多燃料内燃机,其在燃料点火性能好时采用压缩自燃扩散燃烧模式,在燃料点火性能差但抗爆性好时设定预混合火花点火火焰传播模式,在燃料点火性能和抗爆性能都差时设定火花辅助压缩自燃扩散燃烧模式。在专利201110165098.2中隆武强等提出一种内燃机多燃料预混合系统,该系统的油气混合阶段分为一次预混合阶段和二次预混阶段,采用火花塞点燃二次混合气并利用此高温高压激发一次混合气的方式实现着火。
但是,上述专利提出的多燃料燃烧方式均在一定条件下采用火花塞点火方式燃烧,而采用该燃烧方式的内燃机循环变动较大,并且存在点火零件可靠性问题。
因此,本发明提出一种任意燃料压燃式内燃机,可实现对任意在用、在研的往复活塞式内燃机燃料的压缩着火燃烧,旨在提高燃料地域多元化背景下的整机燃料适应性,缸内直喷压燃的工作方式可保证较高的理论循环热效率、降低燃料消耗率、减少部分负荷时由节气门带来的泵气损失。
发明内容
本发明的目的是提供一种可对任意在用、在研的往复活塞式内燃机燃料实现压缩着火燃烧的压燃式内燃机,在当前石化燃料面临枯竭,代用燃料各地域多元化的趋势下,该内燃机具有较强的燃料适应性,可使用各种已经在使用或正在研究的燃料,包括各种液态燃料及液态燃料混合物、气态燃料及气态燃料混合物。并且,本发明所述的内燃机以压缩燃烧方式工作,允许较高的燃烧压力和压缩比,因此可以降低发动机循环变动,提高理论循环热效率,无节气门可减小内燃机泵气损失。所述任意燃料包括柴油、汽油、甲醇、乙醇、生物柴油、FT油、二甲醚等液态燃料及其混合物和压缩天然气、液化石油气、氢气等气态燃料及其混合物。
为了实现本发明的目的,实现对任意在用、在研的往复活塞式内燃机燃料的压缩着火燃烧,并保证内燃机的动力性能,那么该压燃式内燃机包括:用于调整进气压力的可调涡轮增压装置;用于对进气进行加热的进气加热装置;用于改变配气正时从而改变有效压缩比的可变气门正时机构;用于燃料供给的液态燃料箱、气瓶、燃料量及燃料特性检测装置、加压/减压装置、管路及燃料缸内直喷系统;可根据燃料性质及内燃机工况、爆震信号对各装置、机构、系统进行精确调整控制的装置;以及机体、缸盖、曲轴箱等组成的内燃机本体等。
其中,可调涡轮增压装置的作用是:按燃料特性及最高燃烧压力要求提供燃料燃烧所需的空气。需要强调的是如下作用:当可燃混合气热值较低时,在一定的功率输出要求下所需燃料量将增大,由于燃料浓度过大时,采用压缩燃烧方式会使爆震倾向增大,所以,在上述情况下,可调涡轮增压装置可增加增压压比从而增加进气量以保证缸内混合气浓度避开爆震边界,从而使发动机稳定运转并且保持正常的功率输出。可调涡轮增压装置的流量范围覆盖上述情况描述的不同燃料所需的流量范围。
其中,进气加热装置的作用是:当燃料特性检测装置检测到使用的燃料自燃系数较低即燃料不易被压燃时,为使缸内温度达到喷入燃料的着火燃烧条件,将进气加热提高进气温度。而进气温度的提高会导致进气量一定程度的减小,此时需要增压装置的调整满足进气量要求。
其中,可变气门正时机构的主要作用是:改变进气门关闭正时从而改变有效压缩比。进气门关闭时,实际压缩过程才开始,如进气门晚关,则实际压缩比减小。当燃料自燃系数较低时,实现大的压缩比保证燃料正常着火燃烧;当燃料自燃系数较高时,使发动机工作在不发生爆震前提下的最大压缩比下,以提高理论循环热效率。并且,在不同工况下,根据不同运行条件调整气门正时以提高进气充量,从而提高充量系数,使内燃机的功率和扭矩进一步提高。可变气门正时机构是在设计几何压缩比的基础上通过进气门晚关减小有效压缩比,故所述内燃机设计几何压缩比不小于任意在用、在研内燃机燃料在缸内着火燃烧所需的最大压缩比,即εS≥εmax。
为实现燃烧始点的控制,本发明采用燃料缸内直喷系统,即在合适的时刻喷入燃料,使燃料在合适的时刻着火,避免进气道燃料喷射情况下在发动机压缩过程中过早着火或爆燃的问题。同时压燃方式与火花塞点燃方式相比,可以减小循环变动。本发明所述内燃机的燃料缸内直喷系统包括液态燃料缸内直喷系统和气态燃料缸内直喷系统。当爆震检测装置检测到爆震发生时,电子控制单元(ECU)将发出指令减小燃料喷射提前角避免爆震继续发生。液态燃料喷射系统的燃料供给来自液态燃料箱,气态燃料喷射系统的燃料供给来自气瓶。
为提高燃烧热效率,本发明所述内燃机在部分负荷时采用预混稀薄燃烧方式,采用该燃烧方式可以提高燃料燃烧放热速度、降低碳烟和NOx等有害污染物的生成;而在大负荷时,如何保证功率输出是需要考虑的主要问题,此时采用较浓的混合气进行燃烧,混合气浓度限值在爆震浓度以下。
本发明所述的任意燃料除单一液态燃料外还包括任意液态燃料的混合燃料,可将不发生化学反应的两种及两种以上的液态燃料加入液态燃料箱,ECU根据检测到的燃料自燃系数调整上述可调涡轮增压装置、进气加热装置、可变气门正时机构等的工作状态,实现对加入燃料箱的不同液态燃料的混合燃料进行压缩着火燃烧。
本发明所述的任意燃料除单一气态燃料外还包括任意气态燃料的混合燃料,可将不发生化学反应的两种及两种以上的气态燃料加入气瓶,ECU根据检测到的燃料自燃系数调整上述可调涡轮增压装置、进气加热装置、可变气门正时机构等的工作状态,实现对加入气瓶的不同气态燃料的混合燃料进行压缩着火燃烧。
本发明所述的任意燃料包括同时使用液态/气态燃料进行压缩着火燃烧,一般情况下气态燃料的自燃特性较差,将气态燃料直接压缩着火燃烧比较困难,当液态燃料和气态燃料储存量均满足使用要求时,这时系统采用少量液态燃料喷入缸内首先着火、然后引燃气态燃料的燃烧模式,实现对喷入气缸的液态燃料和气态燃料的混合燃料进行压缩着火燃烧。
采用多种燃料燃烧需使用特定的排气后处理装置达到排放标准,排气后处理装置的匹配方案不在本专利的讨论范围之内。
附图说明
图1为本发明的任意燃料压燃式内燃机原理图。
图2是内燃机启动及燃烧模式选择流程图。
图3是该任意燃料内燃机的燃料选择策略。
图中:
1:电子控制单元(ECU)
2:可调涡轮增压装置-压气机
3:可调涡轮增压装置-废气涡轮
4:进气加热装置
5:爆震检测装置
6:空气滤清器
7:压力传感器
8:温度传感器
F1:液态燃料喷射器
F2:气态燃料喷射器
F3:液态燃料储量检测装置
F4:气态燃料储量检测装置
F5:液态燃料箱
F6:气瓶
F7:液态燃料通断电磁阀
F8:气态燃料通断电磁阀
F9:液态燃料特性检测装置
F10:气态燃料特性检测装置
V1:进气门组
V2:排气门组
V3:可变气门正时机构-进气凸轮组
V4:可变气门正时机构-排气凸轮组
P1:液态燃料泵
P2:气态燃料减压阀
εmax:任意在用、在研内燃机燃料压缩着火所需最大压缩比
mL:液态燃料储量
mG:气态燃料储量
mWL′:液态燃料作为引燃物时所需储量
mWG′:有液态引燃物引燃时气态燃料所需储量
mWL:液态燃料作为主燃物时所需储量
mWG:气态燃料作为主燃物时所需储量
RC:燃料自燃系数
Pe:目标功率
n:目标转速
P:进气压力
T:进气温度
ε:有效压缩比
θinj:燃料喷射提前角
θdur:燃料喷射持续期
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明:
图1中表示的是任意燃料压燃式内燃机的单缸机原理图及组成,具体实施方式中所述内容不只限于单缸机,还包括多缸机。
图2是内燃机启动及燃烧模式选择流程图。本发明的燃烧模式有三种:液态燃料引燃气态燃料燃烧模式、液态燃料燃烧模式、气态燃料燃烧模式。系统随时会对燃烧模式进行记录,启动时优先选择停机前使用的燃烧模式。在这里,我们基于这样的前提:停机时,燃料供给系统有一定量的燃料,燃料量足以满足启动的要求。启动后,系统需对工作燃料重新选择,燃料选择的原则为:系统检测到液态燃料和气态燃料储存量均满足使用要求时优先采用液态燃料引燃气态燃料的燃烧模式;系统检测到只有液态燃料储存量满足使用要求时采用液态燃料燃烧模式;系统检测到只有气态燃料储存量满足使用要求时采用气态燃料燃烧模式。具体实施过程为:通过液态燃料储量检测装置F3、气态燃料储量检测装置F4分别检测液态燃料储存量mL和气态燃料储存量mG,得到燃料储存量之后,需判断检测到的液态燃料储量mL和检测到的气态燃料储量mG是否满足mL≥mWL′且mG≥mWG′,若满足,则使用液态燃料引燃气态燃料的燃烧模式工作;若不满足,需继续判断液态燃料储量mL是否满足mL≥mWL,若满足,则使用液态燃料燃烧模式工作;若不满足,需继续判断气态燃料储量mG是否满足m(mG≥mWG,若满足,则使用气态燃料燃烧模式工作,若都不满足,则燃料储存量不足,系统报警。
图3是对某种燃烧模式下保证压缩着火同时避免爆震策略的说明,对于任意燃料达到压缩着火条件均需要相应的温度和压力环境,而决定燃料压缩着火时刻温度和压力的边界主要为以下三个:进气压力、进气温度和有效压缩比。若能对这三个条件准确控制,则可保证任意燃料的压缩着火。具体实施过程为:燃料性质检测装置F9/F10将检测到的燃料自燃系数RC(液态燃料引燃气态燃料燃烧模式时为气态燃料自燃系数)信号输送至电子控制单元1(ECU),之后ECU根据油门和转速信号得到目标功率Pe,ECU根据这些信息在已存储的经过标定的MAP图上确定所需进气压力P、进气温度T、有效压缩比ε、燃料喷射提前角θinj和燃料喷射持续期θdur等。
得到所需进气压力后,可通过调整可变截面涡轮3的喷嘴环面积改变涡轮工作状态从而调整压气机2出口压力,当压力传感器7得测的压力值达到要求时,涡轮增压装置的工作状态便确定下来,进气压力调整完成。
得到所需进气温度后,可通过调整进气加热装置3的加热功率改变进气温度,当温度传感器8反馈得到的温度值达到要求时,进气加热装置的工作状态便确定下来,进气温度调整完成。
可通过可变气门正时机构调整进气门关闭正时改变实际压缩冲程实现对有效压缩比的调节。
燃料喷射提前角和燃料喷射持续期的调节可通过对燃料供给系统动作的精确控制来实现。
由于使用情况与标定情况不一致等原因,可能导致在实际使用过程中内燃机发生爆震等。针对这一状况,我们在所述内燃机内部安装有爆震检测装置5,爆震检测装置可将爆震信号传递给ECU,ECU根据爆震信号在MAP图中重新读取所需进气压力P、进气温度T、有效压缩比ε、燃料喷射提前角θinj和燃料喷射持续期θdur等,重复完成上述动作。直至爆震现象消失,内燃机进入正常工作状态。
下面对该任意燃料内燃机在大负荷时保证功率输出的策略进行说明,当所用燃料混合气热值较低时,单位质量混合气燃烧放热量较小,当热效率变化不大时,该单位质量混合气做功量相应减少。此时为保证功率输出,可通过提高混合气浓度的办法提高混合气热值,但浓度的提高会带来爆震趋势的增强和排放问题,所以在本发明中采用混合气浓度基本不变的前提下增加混合气质量的办法,即当某一燃料的混合气热值较低时,按功率输出要求计算出需增加的燃料喷射量后,通过可调涡轮增压装置增加进气量,混合气浓度的增加以爆震边界为限制条件,从而保证混合气浓度在较小范围内变化,直至功率输出满足使用要求。关于理论循环热效率的提高,采用在不发生爆震的前提下适当提高有效压缩比和燃料喷射定时的办法。
本发明的优点在于:可以实现不同燃料燃烧模式的自动切换,不需要人工干预,对任意在用、在研的往复活塞式内燃机燃料均实现可用,同时保证良好的功率输出,提高了燃料地域多元化背景下的整机燃料适应性。与火花点火燃烧内燃机相比,采用压缩燃烧的方式可减小内燃机循环变动,减小爆震发生的趋势,无节气门可减小内燃机泵气损失,同时,缸内直喷压缩燃烧的理论循环热效率较高,可获得良好的经济性。
Claims (5)
1.一种任意燃料压燃式内燃机,其特征在于可将任意在用、在研内燃机燃料以压缩着火的方式燃烧,所述内燃机组成包括:用于调整进气压力的可调涡轮增压装置;用于对进气进行加热的进气加热装置;用于改变配气正时从而改变有效压缩比的可变气门正时机构;用于燃料供给的液态燃料箱、气瓶、燃料量及燃料特性检测装置、加压/减压装置、管路及燃料缸内直喷系统;可根据燃料性质及内燃机工况、爆震信号对各装置、机构、系统进行精确调整控制的装置;以及机体、缸盖、曲轴箱等组成的内燃机本体等。
2.如权利要求1所述的任意燃料,包括柴油、汽油、甲醇、乙醇、生物柴油、FT油、二甲醚等液态燃料及其混合物和压缩天然气、液化石油气、氢气等气态燃料及其混合物。并且可同时使用液态/气态燃料进行压缩着火燃烧。
3.如权利要求1所述的任意燃料压燃式内燃机,其特征在于,所有燃料采用缸内直喷系统以实现对燃料燃烧始点的控制。
4.如权利要求1所述的任意燃料压燃式内燃机,其特征在于实现整机性能的控制策略为:①燃料选择策略:系统检测到液态燃料和气态燃料储存量均满足使用要求时优先采用液态燃料引燃气态燃料的燃烧模式;系统检测到只有液态燃料储存量满足使用要求时采用液态燃料燃烧模式;系统检测到只有气态燃料储存量满足使用要求时采用气态燃料燃烧模式。②保证压缩着火策略:通过进气压力、进气温度和有效压缩比的协调控制,实现燃烧边界的调整,保证不同自燃性能的燃料均能压缩着火。③避免爆震策略:通过爆震传感器反馈控制调整进气压力、有效压缩比及燃料喷射定时,避免爆震④保证功率输出和效率策略:部分负荷时采用预混稀薄燃烧方式;大负荷时,使用可调涡轮增压装置增加进气量以保证缸内混合气浓度小于爆震边界时燃料质量增加从而保证功率输出,同时调整有效压缩比及燃料喷射定时以提高理论循环热效率。
5.如权利要求1所述的任意燃料压燃式内燃机,其特征在于,所述内燃机几何压缩比不小于任意在用、在研内燃机燃料在缸内燃烧做功所需最大压缩比,即εS≥εmax。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20121003 |