CN103437929B - 一种可精确控制柴油机喷油温度的燃油系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于内燃机技术领域，具体来说是一种可精确控制柴油机喷油温度的燃油系统及控制方法。该燃油系统将高压燃油分为两路，对其中一路燃油轨道进行加热，然后通过对流换热装置将两路燃油混合。混合比例通过连接着温度传感器的单片机所控制的流量控制执行机构进行调节，既可迅速使燃油加热到几百摄氏度的高温，又可在整个燃油供给及喷射的动态过程中及时调节燃油温度，达到精确喷射某一温度燃油的目的。本燃油系统能有效改善燃用重质柴油的大功率柴油机的喷雾效果，可用于船舶、工程机械所使用的大型柴油机上。

Description

一种可精确控制柴油机喷油温度的燃油系统及控制方法

技术领域

本发明属于内燃机技术领域，涉及到柴油机的燃油供给系统，具体来说是一种可精确控制柴油机喷油温度的燃油系统及控制方法。

背景技术

柴油机因其良好的动力性及经济性已被广泛应用于各行各业，然而随着全球性的能源紧缺和人居环境的恶化，柴油机的高性能、低能耗、低排放等特性已成为人们瞩目的话题；小型乘用车领域采用柴油机作动力的比例不高，但在工程机械及船舶行业，柴油机尤其是大功率重型柴油机有很高的保有量，其节能减排的潜力巨大。为节约成本，很多大功率柴油机其主要燃料是粘度相对较高的重质柴油，在普通的燃油供给方式下雾化不良，燃烧恶劣，排放较高，所以提供一种降低重柴油粘度的燃油喷射方式很有必要。

适当提高燃油喷射温度可使燃油粘度和表面张力减小，使雾化效果更理想，进而优化缸内燃烧过程以及排放水平；SuHanPark等人在“Macroscopicspraycharacteristicsandbreakupperformanceofdimethylether(DME)fuelathighfueltemperaturesandambientconditions”Fuel89(2010)3001-3011，一文中采用蒸汽加热的方式在油泵和喷油器之间的高压油管上进行了加热处理，试验表明二甲醚在的雾化效果在高温条件下得到了一定程度的提高，综合国内外的一些有关燃油温度的研究结果，可以认为适当提高燃油喷射温度是降低高粘度燃油粘度的一种重要方式。

目前涉及到提高柴油机燃油喷射温度的方式的专利有很多，比如CN101592101A（柴油车辆燃油系统自动控温加热装置）、CN102720610A(一种柴油发动机燃油供给系统)等；通过对相关专利的研究，可以大致将其总结归为出以下几个特点：其一，大部分专利所述的加热装置主要用于改善柴油机冷启动问题，提高的温度有限并且无法控制其温度；其二，一部分专利燃油喷射温度控制的常用方法是使用电热丝加热燃油并通过反馈调节控制加热时间，这种方式虽然可以在一定程度上可以迅速加热高温燃油，但对流动着的高温燃油的实时温度控制精度不够；为克服以上技术的不足，本发明提供了一种新的换热布置策略，即将高压燃油分两路，对其中一路燃油轨道进行加热，通过对流换热装置将两路燃油混合，混合比例通过连接着温度传感器的单片机所控制的流量控制执行机构进行调节；此方法能实现高温燃油实时温度调控，既可迅速加热燃油到几百摄氏度的高温，又可在整个燃油供给及喷射的动态过程中及时调节燃油温度，达到精确喷射某一设定温度燃油的目的。

发明内容

具体发明内容如下：

1.一种可精确控制柴油机燃油喷射温度的燃油系统，其特征在于：所述燃油系统包括滤清器、输油泵、高压油泵、共轨、燃油加热装置、对流换热装置、喷油器、高温油箱、常温油箱和冷却风扇；输油泵一端与常温油箱相连，另一端连接滤清器，燃油经滤清器净化后进入高压油泵，高压油泵为共轨提供高压燃油，共轨多余的燃油通过由共轨泄压阀控制的泄压油道流入常温油箱；共轨输出两条油路，一条为高温油路，另一条为常温油路；高温油路上设有燃油加热装置，两条油路连接对流换热装置，对流换热装置有两个输出口，其中一条为混流换热室输出口，连接喷油器；另一输出口为常开电磁阀输出口，由常开电磁阀控制其开闭并通过回油管接入高温油箱，喷油器也通过回油管与高温油箱相连，高温油箱侧壁上安装有冷却风扇并且置于比常温油箱位置更高的地方，高温油箱与常温油箱之间设有油路，通过阀门控制其开闭。

2.对流换热装置由ECU和流量控制执行机构组成，其作用是将冷热两路燃油混合并且将混合燃油的温度信息传至ECU，ECU可以接收温度传感器的信息，根据设定程序发出信号触发流量控制执行机构进行流量控制，通过调节两路燃油的混合比例以达到控制混合燃油温度的目的；所述流量控制执行机构主要由壳体、节流联通轴、搅拌叶轮、温度计、常开电磁阀、联轴器、步进电机、温度传感器组成，壳体的进油端开有高温油路入口和常温油路入口，节流联通轴的上端和下端分别固定在壳体的上壁内端和下壁内端，其中节流联通轴与高温油路和常温油路的入口相交处开有两个中心轴线互相垂直的两个节流孔，通过节流联通轴转动可以控制冷热两路燃油的混合比例，节流联通轴上端通过联轴器与固定在壳体的上壁外端上的步进电机连接，步进电机接受ECU信号之后控制联通轴转动角度，节流联通轴右侧为混流换热室，节流联通轴右端安装有一搅拌叶轮用于冷热两路燃油充分混合，壳体出油端开有混流换热室输出口与混流换热室相通，常开电磁阀设置在混流换热室的末端底部，由ECU控制，其作用是控制回油管的开闭，回油管与高温油箱形成回路；温度计和温度传感器通过壳体上壁所开细孔伸入混流换热室并且与壳体上壁呈过盈配合以固定并与ECU连接。

3.本发明将高压共轨输出油管分为两路，其中一路为常温油管，另一路为高温油管，此油管安装有燃油加热装置，燃油流经此加热装置温度可迅速升高，两路燃油流入对流换热装置混合，通过实验测试，使用电热丝可迅速将燃油加热至400℃以上，常温燃油通常温度为5—25℃；采用对流换热方式可以将两路燃油的混合比例调节至使混合燃油温度达到5—400℃中任意温度。

4.燃油加热装置在不同条件下使用的热源不同；当本发明作为喷雾实验台架时，为保证加热的稳定性，可以采用电热丝进行加热；在实际柴油机的运行中，可以采用柴油机排放的废气进行加热（具体加热交换方式可以参考本发明作者另一已授权专利：粘度控制式船用发动机重油多级加热系统及加热方法）。

5.本发明ECU可发出两组信号并且分别控制两个执行机构，一组信号传给步进电机，步进电机接受ECU信号之后可以控制联通轴转动角度从而分别调整两个节流孔与高温油路入口和常温油路入口的重叠程度以调节冷热两路油的混合比例；另一组是控制常开电磁阀输出口的闭合。

6.流量控制执行机构具体控制方法如下：在ECU程序中设定一个预期喷油温度，当温度传感器检测的温度值高于设定值时，ECU做出判断并迅速对步进电机发出信号，步进电机控制节流联通轴转动一个小角度，使高温燃油流量减小，常温燃油流量增大，直到混流换热室达到设定值，ECU输出的信号中止，步进电机停止转动；当对流换热室温度低于设定值时，ECU预定程序作出相反的判断并使步进电机控制节流联通轴反向转动一个小角度，直到混合燃油达到设定的温度时信号中止；通过这种控制方式，可以调节两路燃油的混合比例，在燃油流动的动态平衡中使混合燃油处于设定温度值。

7.温度未达设定值时，喷油器不喷油，而上述6中流量控制必须在燃油处于流动状态时才能实现，为解决此问题，本发明在对流换热室末端安装一个常开电磁阀连接回油管并通往高温油箱，常开电磁阀能够控制电磁阀输出口的开闭，当混合燃油处于非设定温度时，ECU不产生触发信号，常开电磁阀是开启的，此时两路燃油在混流换热室中混合并经过回油管返回高温油箱，整个燃油系统形成回路，流量控制执行机构朝着使温度达到设定值的那个比例转动，直到混流换热室中温度达到设定值，ECU产生触发信号使常开电磁阀闭合，回路不通，此时可以喷油器开启时的喷射温度即为设定值。

8.对流换热装置中安置有温度计，其作用是检测对流换热室中混合燃油的实时温度，方便使用者了解混合燃油调节状态。

9.对流换热控制装置通过对流换热室输出口流往喷油器，喷油器回油和由常开电磁阀控制流通的混流换热室高温燃油通过回油管路一并进入高温油箱，为使高温燃油尽快散热，在其侧面安装有冷却风扇，冷却后的燃油通过阀门流入常温油箱从而形成循环，为方便燃油在油箱之间的流动，高温油箱置于比常温油箱要更高的地方。

10.本发明大致有两个重要的用途：其一，布置在柴油机燃油供给试验台架上，可进行各种不同燃油温度工况的影响研究；其二，可以作为船用大型柴油机的燃油系统，在柴油机实际运行工况时提供最适合柴油机燃烧的高温燃油并可以精确控制燃油温度在某一范围之内。

11.本发明提供了一种高温燃油喷射方式，当前可实现加热燃油的柴油机的燃油系统仅仅是使用电热丝稍微提高油温以解决冷启动问题，目前尚未发现本发明所提出的对流换热方式应用于柴油机领域；本燃油系统采用燃油高温处理和高温喷射能克服燃油粘度大、杂质多、品质低下等问题。

12.为验证高温燃油喷射的有效性，本发明基于AVL公司的FIRE计算平台对柴油机燃用高温燃油的各种温度工况进行了数值模拟仿真；结果表明在一定范围内增加燃油喷射温度有利于燃油雾化，缸内索特平均直径会降低30%，混合气质量得到显著提高；燃油的热强化改善了燃烧室喷雾效果及燃烧过程，能明显降低排放；但不同柴油机有不同的“最适宜”的燃油温度；本发明为快速精确供给此“适宜温度”燃油提供了保障；基于上述结果，可以认为本发明所述高温燃油系统能起到优化喷雾效果，改善燃烧过程的作用，发明的理论性得到了一定的证明。

附图说明

图1一种可精确调节柴油机喷油温度的新型燃油系统示意图；

1常温油箱；2高压油泵；3输油泵；4滤清器；5共轨；6常温油路；7高温油路；8燃油加热装置；9对流换热装置；10共轨泄压阀；11流量控制执行机构；12喷油器；13回油管；14高温油箱；15冷却风扇；16阀门；

图2流量控制执行机构示意图；

17高温油路进口；18节流孔；19常温油路进口；20节流联通轴；21搅拌叶轮；22常开电磁阀；23常开电磁阀输出口；24混流换热室；25混流换热室输出口；26温度传感器；27温度计；28联轴器；29步进电机；30电路接口；31壳体。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明进行进一步说明。

常温燃油由输油泵3提供动力经滤清器4输至高压油泵2，在高压油泵2中加压流至共轨5，由共轨5输出的燃油分为两路，其中一路流经常温油路6，另一路流经高温油管7，燃油加热装置8可将流经高温油管7的燃油迅速加热，两路燃油流入对流换热装置9进行混合，共轨5多余的燃油通过共轨泄压阀10控制的油路连接常温油箱1。

两路燃油通过高温油路进口17常温油路进口19进入流量控制执行机构11后，经过节流联通轴20在搅拌叶轮21引导下进入混流换热室24进行混合，电路接口30与ECU相连，温度传感器26检测混合燃油的温度数据通过电路接口传输给ECU，ECU对其值与程序设定值进行大小判断，如果混合燃油温度高于设定值，ECU程序发出信号控制步进电机29使节流联通轴20转动一个小角度，使高温油路7的流量减小，常温油路6流量增大，以达到降低混合燃油温度的目的；在此调节过程进行的同时，因没有达到闭合的控制条件，常开电磁阀22是打开的，混流换热室24中的燃油可以通过常开电磁阀输出口23流入高温油箱，这样就不会造成燃油在混流换热室24中静止而使整个油路变成“死容积”；当温度传感器26传输的温度信号低于设定值时，通过控制步进电机29使其朝反方向转动一小角度，以达到增加高温燃油比例提高油温的目的；经过以上两种控制方式使燃油温度越来越接近设定的燃油喷射温度，当混流换热室24中燃油温度恰好达到设定值时，ECU控制步进电机29停车，停车时节流联通轴20转动的角度即为使燃油达到设定值温度的最佳角度，同时发出另外一组信号让常开电磁阀22闭合，油路封闭，温度计27指示的温度为设定值，燃油从混流换热室输出口25输至喷油器12，由喷油器12喷出燃油的温度即为设定值，在喷射的过程中，当发现温度计27显示温度超出误差容许范围时，可以关闭喷油器12，等待对流换热装置9进行调节直到温度达到设定值。

喷油器回油和调节混合燃油比例过程中的燃油通过回油管13进入高温油箱14，这部分燃油温度比较高，故在高温油箱14侧壁安装有冷却风扇15进行散热，当燃油冷却至常温即可打开阀门16使之流入常温油箱1，为方便燃油流动，高温油箱14置于比常温油箱1要更高的地方，燃油在整个燃油系统中形成循环并且得到重复利用。

Claims (2)

1.一种可精确控制柴油机燃油喷射温度的燃油系统，所述燃油系统包括滤清器、输油泵、高压油泵、共轨、燃油加热装置、对流换热装置、喷油器、高温油箱、常温油箱和冷却风扇；输油泵一端与常温油箱相连，另一端连接滤清器，燃油经滤清器净化后进入高压油泵，高压油泵为共轨提供高压燃油，共轨多余的燃油通过由共轨泄压阀控制的泄压油道流入常温油箱；共轨输出两条油路，一条为高温油路，另一条为常温油路；高温油路上设有燃油加热装置，两条油路连接对流换热装置，对流换热装置有两个输出口，其中一条为混流换热室输出口，连接喷油器；另一输出口为常开电磁阀输出口，由常开电磁阀控制其开闭并通过回油管接入高温油箱，喷油器也通过回油管与高温油箱相连，高温油箱与常温油箱之间设有油路，通过阀门控制其开闭；其特征在于：对流换热装置由ECU和流量控制执行机构组成，所述流量控制执行机构主要由壳体、节流联通轴、搅拌叶轮、温度计、常开电磁阀、联轴器、步进电机、温度传感器组成，壳体的进油端开有高温油路入口和常温油路入口，节流联通轴的上端和下端分别固定在壳体的上壁内端和下壁内端，其中节流联通轴与高温油路和常温油路的入口相交处开有两个中心轴线互相垂直的两个节流孔，节流联通轴上端通过联轴器与固定在壳体的上壁外端上的步进电机连接，步进电机接受ECU信号之后控制联通轴转动角度从而分别调整两个节流孔与高温油路入口和常温油路入口的重叠程度以调节冷热两路油的混合比例，节流联通轴右侧为混流换热室，节流联通轴右端安装有一搅拌叶轮用于冷热两路燃油充分混合，壳体出油端开有混流换热室输出口与混流换热室相通，常开电磁阀设置在混流换热室的末端底部，由ECU控制，其作用是控制回油管的开闭，回油管与高温油箱形成回路；温度计和温度传感器通过壳体上壁所开细孔伸入混流换热室并且与壳体上壁呈过盈配合以固定；所述高温油箱侧壁上安装有冷却风扇并且置于比常温油箱位置更高的地方；所述的步进电机、温度传感器和常开电磁阀分别通过电路接口与ECU相连。

2.如权利要求1所述的一种可精确控制柴油机燃油喷射温度的燃油系统的控制方法，其特征在于包括如下步骤：

（1）常温燃油由输油泵提供动力经滤清器输至高压油泵，在高压油泵中加压流至共轨，由共轨输出的燃油分为两路，其中一路流经常温油管，另一路流经高温油管，燃油加热装置将流经高温油管的燃油迅速加热，两路燃油流入对流换热控制装置进行混合，共轨多余的燃油通过共轨泄压阀控制的油路连接常温油箱；

（2）两路燃油通过高温油路进口和常温油路进口进入流量控制执行机构后，经过节流联通轴在搅拌叶轮引导下进入混流换热室进行混合，电路接口与ECU相连，温度传感器检测混合燃油的温度数据通过电路接口传输给ECU，ECU对其值与程序设定值进行大小判断，如果混合燃油温度高于设定值，ECU程序发出信号控制步进电机使节流联通轴转动，使高温油路的流量减小，常温油路流量增大，以达到降低混合燃油温度的目的；在此调节过程进行的同时，因没有达到闭合的控制条件，常开电磁阀是打开的，混流换热室中的燃油可以通过常开电磁阀输出口流入高温油箱，这样就不会造成燃油在混流换热室中静止而使整个油路变成“死容积”；当温度传感器传输的温度信号低于设定值时，通过控制步进电机使其朝反方向转动，以达到增加高温燃油比例提高油温的目的；经过以上两种控制方式使燃油温度越来越接近设定的燃油喷射温度，当混流换热室中燃油温度恰好达到设定值时，ECU控制步进电机停车，停车时节流联通轴转动的角度即为使燃油达到设定值温度的最佳角度，同时发出另外一组信号让常开电磁阀闭合，油路封闭，温度计指示的温度为设定值，燃油从混流换热室输出口输至喷油器，由喷油器喷出燃油的温度即为设定值，在喷射的过程中，当发现温度计显示温度超出误差容许范围时，可以关闭喷油器，等待对流换热控制装置进行调节直到温度达到设定值；

（3）喷油器回油和调节混合燃油比例过程中的燃油通过回油管进入高温油箱，这部分燃油温度比较高，故在高温油箱侧壁安装有冷却风扇进行散热，当燃油冷却至常温即可打开阀门使之流入常温油箱，为方便燃油流动，高温油箱置于比常温油箱要更高的地方，燃油在整个燃油系统中形成循环并且得到重复利用。