CN103790718A

CN103790718A - 一种船用双燃料/气体发动机燃气多点多级喷射系统

Info

Publication number: CN103790718A
Application number: CN201410013051.8A
Authority: CN
Inventors: 杨立平; 石兴超; 宋恩哲; 姚崇; 孟亚刚; 靖海国
Original assignee: Harbin Engineering University
Current assignee: Harbin Engineering University
Priority date: 2014-01-13
Filing date: 2014-01-13
Publication date: 2014-05-14
Anticipated expiration: 2034-01-13
Also published as: CN103790718B

Abstract

本发明涉及燃料喷射装置及控制领域，具体涉及一种船用双燃料/气体发动机燃气多点多级喷射系统。本发明包括气缸、进气阀、进气歧管、排气阀、排气歧管、集气器、喷气阀组、气体稳压腔、气轨管、气体燃料压力传感器、气体燃料温度传感器、调压装置、开关电磁阀、滤清器、气体燃料储存装置、控制系统、λ传感器。本发明不仅能够利用现有喷气阀解决双燃料和气体发动机的开发、改造与匹配问题，而且，能够同时满足发动机在高负荷高转速下的大流量和低负荷下小流量的燃气供应需求，提高双燃料/气体发动机的燃气喷射控制精度，改善各缸燃料分配均匀性，从而提高发动机的动力性、经济性和排放特性。

Description

一种船用双燃料/气体发动机燃气多点多级喷射系统

技术领域

本发明涉及燃料喷射装置及控制领域，具体涉及一种船用双燃料/气体发动机燃气多点多级喷射系统。

背景技术

随着传统化石能源的日益枯竭，一种高质量的替代燃料—天然气渐渐被世界各国所重视。双燃料/气体多点喷射式发动机是替代能源的一种技术应用形式，目前依然存在许多有待解决的技术问题，其一，由于现有船舶的柴油机型号多且功率范围广，对现有柴油发动机进行双燃料改造时无法应用市场现有单一喷气阀对每种型号的发动机进行匹配；其二，双燃料/气体多点喷射式发动机在高负荷高转速工况下要求供气系统能够在很短的喷射脉宽限制内，将大量的燃气喷入进气歧管内，这要求喷气阀具有很高的单位流量，但是流量较大的喷气阀对应的启喷燃料量较大，对于发动机的低负荷工况的平稳控制影响较大；其三，喷气阀的线性工作区域无法覆盖发动机所有工况，造成控制精确度不高，影响双燃料/气体发动机的动力性能和排放性能。

公开号CN1904335专利涉及一种液化气或压缩天然气汽车燃气多点顺序喷射系统，相对于单点喷射具有控制精度高、经济性好和排放更低的特点；公开号CN1465851的专利涉及一种气口顺序喷射、稀燃、全电控柴油/天然气双燃料发动机，该专利通过稀燃、电控和多点喷射技术在单点喷射和机械限油装置的基础上改善双燃料发动机的动力性、经济性和排放性；公开号CN101985906A的专利涉及一种天然气单燃料发动机的燃料喷射机构，该机构通过安装在靠近发动机进气门的燃气喷嘴，使喷气效率提高，有助于混合气的充分混合，提高燃烧效率。

上述专利相对于单点喷射都具有控制精度高，经济性更好和排放更低的优点，但是对每个气缸采用单独喷气阀进行供气时，无法同时兼顾发动机在高速大负荷工况与低速小负荷工况的燃气喷射流量和精度需求，使发动机经济性和排放性变差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种提高发动机的动力性、经济性和排放特性的船用双燃料/气体发动机燃气多点多级喷射系统。

本发明的目的是这样实现的：

本发明包括气缸、进气阀、进气歧管、排气阀、排气歧管、集气器、喷气阀组、气体稳压腔、气轨管、气体燃料压力传感器、气体燃料温度传感器、调压装置、开关电磁阀、滤清器、气体燃料储存装置、控制系统、λ传感器，固定于发动机上的气轨管与气体稳压腔连接，安装在集气器上的喷气阀组装配于气体稳压腔，集气器安装在进气歧管上，进气歧管上安装有进气阀，进气歧管与气缸连接；气体燃料储存装置通过燃料供给管路与滤清器相连接，滤清器与调压装置相连接，滤清器与调压装置之间的燃料供给管路上布置开关电磁阀，调压装置通过管路与气轨管连接；控制系统分别与喷气阀组、开关电磁阀、气体压力传感器、燃料温度传感器和λ传感器相连接；气体压力传感器安装在气轨管上，燃料温度传感器安装在气轨管与调压装置之间的管路上，λ传感器安装在排气歧管上，排气歧管与气缸连接，排气歧管上安装有排气阀。

气体稳压腔是一个中空的长方体结构，在稳压腔体的顶面布置一段连接管路至稳压腔体内部，连接管路与气轨管通过软管相连接，且在连接管路头部具有波纹结构，增加连接处的密封性；在稳压腔体底面有对应喷气阀数量的喷气阀座；

集气器安装于进气歧管上方，并有一段混合管路连接进入进气歧管内部，混合管路的外端面封死，在侧壁的四周开有小通孔与管路内部相连通，且带有小通孔的部分管路轴线与进气歧管轴线重合；

喷气阀组由不同级数的多个喷气阀组成，喷气阀数量对应喷射级数，喷气阀的进气端通过喷气阀座与稳压腔体相连通，并由压板和螺栓压紧固定，同时由橡胶密封圈对接触面进行密封；喷射端通过孔与集气器腔相连接，喷气阀组数量对应气缸数。

喷气阀组由控制系统控制，随负荷工况的升高，逐级调整喷气阀的喷射脉宽。

喷气阀组包括第一级喷气阀、第二级喷气阀和第三级喷气阀，三级喷气阀的进气端通过喷气阀座与稳压腔体相连通，并通过螺纹孔由压板和螺栓压紧固定，同时由橡胶密封圈对接触面进行密封；喷射端通过孔与集气器腔相连接，喷气阀组数量对应气缸数。

本发明的有益效果在于：

该船用双燃料/气体发动机燃气多点多级喷射系统不仅能够利用现有喷气阀解决双燃料和气体发动机的开发、改造与匹配问题，而且，能够同时满足发动机在高负荷高转速下的大流量和低负荷下小流量的燃气供应需求，提高双燃料/气体发动机的燃气喷射控制精度，改善各缸燃料分配均匀性，从而提高发动机的动力性、经济性和排放特性。

附图说明

图1为船用双燃料/气体发动机燃气多点多级喷射系统结构示意图；

图2a为气体稳压腔结构正剖图；

图2b为气体稳压腔的仰视图；

图3为气体稳压腔与喷气阀连接图；

图4为集气器结构剖面图；

图5a相同参数次级喷气阀情况下船用双燃料/气体发动机燃气多点多级喷射系统燃料喷射量变化规律图；

图5b不同参数次级喷气阀情况下船用双燃料/气体发动机燃气多点多级喷射系统燃料喷射量变化规律图。

具体实施方式

下面结合附图1-5b对本发明做进一步描述。

一种船用双燃料/气体发动机燃气多点多级喷射系统，主要包括气体燃料储存与供给系统、燃气多点多级喷射总成和控制系统16。

气体燃料储存与供给系统主要由气体燃料储存装置15、燃料供给管路、滤清器14、调压装置12和开关电磁阀13组成；

燃气多点多级喷射总成由气轨管9、气体稳压腔8、集气器6和喷气阀组7构成，所述气轨管9固定于发动机上并与气体稳压腔8连接，喷气阀组7装配于气体稳压腔8，并安装在集气器6上，集气器6安装在进气歧管3上。

控制系统16与燃气多点多级喷射总成的各个喷气阀组7和气体燃料储存与供给系统的开关电磁阀13相连接，并通过气体压力传感器10、燃料温度传感器11和λ传感器17等自动识别发动机运行工况，对各个喷气阀进行独立和分级控制。

气体燃料储存装置15通过燃料供给管路与滤清器14相连接，滤清器14与调压装置12相连接，并在燃料供给管路上布置开关电磁阀13，所述调压装置12通过管路与气轨管9连接。

气轨管9和供给管路上安装有气体燃料压力10和温度感器11。

气体稳压腔8是一个中空的长方体结构，在稳压腔体18的顶面20布置一段连接管路至稳压腔体18内部，该连接管路19与气轨管9通过软管相连接，且在管路头部具有波纹结构，增加连接处的密封性；在稳压腔体底面23有对应喷气阀数量的喷气阀座21。

集气器6安装于进气歧管3上方，并有一段混合管路28连接进入进气歧管3内部，该混合管路28的外端面31封死，在侧壁的四周开有若干数量的小通孔29与管路内部相连通，且带有小通孔29的部分管路轴线与进气歧管3轴线重合。

喷气阀组7由不同级数的多个喷气阀组成，喷气阀数量对应喷射级数。喷气阀的进气端通过喷气阀座21与稳压腔体18相连通，并由压板和螺栓压紧固定，同时由橡胶密封圈对接触面进行密封；喷射端通过孔30与集气器腔27相连接，喷气阀组7数量对应气缸数。

不同级数的多个喷气阀的参数可以相同或不同。

喷气阀组7由控制系统16控制，随工况负荷的升高，逐级调整喷气阀的喷射脉宽。

如图1、2、3、4、5所示，本发明涉及一种船用双燃料/气体发动机燃气多点多级喷射系统。该系统主要由气体燃料储存与供给系统、燃气多点多级喷射总成和控制系统16组成。其主要特征是：所述的燃气多点多级喷射总成由气轨管9、气体稳压腔8、集气器6和喷气阀组7构成，所述气轨管9固定于发动机上并与气体稳压腔8连接，喷气阀组7装配于气体稳压腔8，并安装在集气器6上，集气器6安装于进气歧管3上。控制系统16自动识别发动机运行工况，对各个喷气阀组7内的喷气阀进行独立和分级控制。该发明能够提高船用双燃料/气体发动机的燃气喷射控制精度，改善各缸燃料分配均匀性，从而提高发动机的动力性、经济性和排放特性。

如图1所示，为本发明多级喷射系统结构示意图，图中序号分别代表1气缸、2进气阀、3进气歧管、4排气阀、5排气歧管、6集气器、7喷气阀组、8稳压腔、9气轨管、10气体燃料压力传感器、11气体燃料温度传感器、12调压装置、13开关电磁阀、14滤清器、15气体燃料储存装置、16控制系统、17λ传感器。其中的气体燃料储存与供给系统主要由气体燃料储存装置15、燃料供给管路、滤清器14调压装置12和开关电磁阀13组成，所述的气体燃料储存与供给系统将一定压力的气体燃料供应到所述燃气多点多级喷射总成中；其中燃气多点多级喷射总成由气轨管9、气体稳压腔8、集气器6和多个喷气阀组7构成，该燃气多点多级喷射总成能够将上述气体燃料储存与供给系统提供的燃气以适当的燃料量，在适当的配气定时喷入发动机进气歧管3内；所述控制系统16通过总线与喷气阀组7的各个喷气阀和气体燃料储存与供给系统的开关电磁阀13相连接，并通过传感器检测发动机的转速、负荷、水温、排气温度和气轨压力温度等信号，对各个喷气阀进行独立和分级控制。气体燃料储存装置通过燃料供给管路与调压装置12相连接，并在燃料供给管路上安装路开关电磁阀13，所述调压装置13通过管路与气轨管9相连接，气轨管9经软管连接将气体燃料分布到各个气体稳压腔8，再由气体稳压腔8将气体燃料分配到安装于喷气阀坐21内的喷气阀。气轨管9由支架固定于发动机机体的进气管一侧的上端，尽量减小气轨管9与气体稳压腔之间燃气连接管路的长度，各个进气歧管3的该连接管路长度相同，并采用软管连接，固定于机体表面，防止弯折。

如图2所示，为气体稳压腔结构示意图，图中序号分别代表18稳压腔体、19连接管路、20稳压腔上表面、21喷气阀坐、22固定螺纹孔、23稳压腔底面。气体稳压腔8是一个中空的长方体结构，在气体稳压腔上表面20开通孔，并在顶面开口处焊接一段连接管路19，与稳压腔体18相连通，该管路头部具有波纹结构，增加连接处密封性，如图2a所示；在气体稳压腔的底面23有对应喷气阀数量的喷气阀坐21，该气阀坐的外孔径略大于与喷气阀的外径，内孔径与喷气阀的进气口直径相同；在喷气阀坐21的两侧分别有一个螺纹孔22用于固定压板，如图2b所示。

如图3所示，为气体稳压腔与喷气阀连接图，图中序号分别代表24第一级喷气阀、25第二级喷气阀、26第三级喷气阀。所述的气体稳压腔8与喷气阀组7构成整体，压紧安装在集气器6上；所述的喷气阀组7包括第一级喷气阀24、第二级喷气阀25和第三级喷气阀26，喷射级数对应喷气阀数量。喷气阀的进气端通过喷气阀座21与稳压腔体18相连通，并通过螺纹孔22由压板和螺栓压紧固定，同时由橡胶密封圈对接触面进行密封；喷射端通过孔30与集气器腔27相连接，喷气阀组7数量对应气缸数。上述喷气阀的性能参数可以相同或不同，要求具有较宽的燃料喷射量随喷射脉宽变化的线性区域，同时具有较高的线性最大燃料喷射量，相邻喷射级数的喷气阀相继打开。

如图4所示，为集气器结构剖面图，图中序号分别代表27集气器腔、28混合管路、29通孔、30连接孔、31混合管路外端面。所述的集气器6安装于进气歧管3上方，并有一段混合管路28连接进入进气歧管3内部，该混合管路28的外端面31封死，在侧壁的四周开有若干数量的小通孔29与管路内部相连通，且带有小通孔29的部分管路轴线与进气歧管3轴线重合；喷气阀组7通过连接孔30与集气器6的集气器腔27相连通。

如图5所示，为船用双燃料/气体发动机燃气多点多级喷射系统燃料喷射量随负荷变化规律图，图5a为相同参数次级喷气阀情况下船用双燃料/气体发动机燃气多点多级喷射系统燃料喷射量变化规律图；图5b为不同参数次级喷气阀情况下船用双燃料/气体发动机燃气多点多级喷射系统燃料喷射量变化规律图。本发明中采用双燃料发动机工作形势下的三级喷射方式解释工作过程，图中N1、N2、N3、N4分别代表特定负荷工况。第一级喷射过程为第一级喷气阀24为主要控制量的喷射过程；第二级喷射过程为第二级喷气阀25为主要控制量的喷射过程；第三级喷射过程为第三级喷气阀26为主要控制量的喷射过程。

如图1、2、3、4、5所示，在负荷达到N₁点时刻，由控制系统16通过传感器检测到的转速、负荷、水温、油温达到一定值情况时，由控制系统16控制双燃料发动机由纯柴油模式转化到双燃料模式，即柴油泵的齿条位置固定于某一特定位置，使柴油喷射量降低到某一特定引燃油量；打开位于气体燃料储存装置燃料供给管路的开关电磁阀13，使气体燃料通过管路由气体燃料储存装置15经过调压装置12后，以设定的压力进入燃气多点多级喷射总成；通过控制系统16查表赋予第一级喷气阀24特定的喷射脉宽，使燃料切换过程平稳过渡。

如图1、2、3、4、5所示，当负荷在N₁与N₂之间变化时，系统处于第一级喷射过程，控制系统16以第一级喷气阀24的喷射脉宽为主要控制量，根据发动机的负荷工况调整喷射脉宽。

如图1、2、3、4、5所示，在负荷达到N₂点时刻，由控制系统16控制第一级喷气阀24的喷射脉宽由N₂点前一时刻的数值下降到某一特定值，使得第一级喷气阀24下降的燃料喷射量等于第二级喷气阀25的启喷燃料量，同时控制系统16控制第二级喷气阀25为启喷脉宽，使得N₂点前一时刻与N₂点时刻的燃料喷射量基本相同。

如图1、2、3、4、5所示，当负荷在N₂与N₃之间变化时，系统处于第二级喷射过程，控制系统16以第二级喷气阀25的喷射脉宽为主要控制量，此过程中，第一级喷气阀24的喷射脉宽恒定保持在N₂点时刻的值，由第二级喷气阀25的燃料喷射量随负荷发生变化。

如图1、2、3、4、5所示，在负荷达到N₃点时刻，由控制系统16控制第二级喷气阀25的喷射脉宽由N₃点前一时刻的数值下降到某一特定值，使得第二级喷气阀25下降的燃料喷射量等于第三级喷气阀26的启喷燃料量，同时控制系统16控制第三级喷气阀26为启喷脉宽，使得N₃点前一时刻与N₃点时刻的燃料喷射量基本相同。

如图1、2、3、4、5所示，当负荷在N₃与N₄之间变化时，系统处于第三级喷射过程，控制系统16以第三级喷气阀26的喷射脉宽为主要控制量，此过程中，第二级喷气阀25的喷射脉宽恒定保持在N₃点时刻的值，由第三级喷气阀26的燃料喷射量随负荷发生变化。

由图5中图5a与图5b对比可以发现，相同参数的喷气阀对应的N₂和N₃点负荷工况下，前一级喷气阀燃料的下降量和后一级喷气阀的燃料启喷量分别相同，且在第一级喷射过程、第二级喷射过程与第三级喷射过程之间，各个喷射器的喷射过程完全相同；不同参数的喷气阀对应的N₂和N₃点负荷工况下，前一级喷气阀燃料的下降量和后一级喷气阀的燃料启喷量不一定相同，且在第一级喷射过程、第二级喷射过程与第三级喷射过程之间，各个喷射器的喷射过程部完全相同。

Claims

1.一种船用双燃料/气体发动机燃气多点多级喷射系统，包括气缸（1）、进气阀（2）、进气歧管（3）、排气阀（4）、排气歧管（5）、集气器（6）、喷气阀组（7）、气体稳压腔（8）、气轨管（9）、气体燃料压力传感器（10）、气体燃料温度传感器（11）、调压装置（12）、开关电磁阀（13）、滤清器（14）、气体燃料储存装置（15）、控制系统（16）、λ传感器（17），其特征在于：固定于发动机上的气轨管（9）与气体稳压腔（8）连接，安装在集气器（6）上的喷气阀组（7）装配于气体稳压腔（8），集气器（6）安装在进气歧管（3）上，进气歧管上安装有进气阀（2），进气歧管与气缸（1）连接；气体燃料储存装置（15）通过燃料供给管路与滤清器（14）相连接，滤清器（14）与调压装置（12）相连接，滤清器（14）与调压装置（12）之间的燃料供给管路上布置开关电磁阀（13），调压装置（12）通过管路与气轨管（9）连接；控制系统（16）分别与喷气阀组（7）、开关电磁阀（13）、气体压力传感器（10）、燃料温度传感器（11）和λ传感器（17）相连接；气体压力传感器（10）安装在气轨管（9）上，燃料温度传感器（11）安装在气轨管（9）与调压装置（12）之间的管路上，λ传感器（17）安装在排气歧管上，排气歧管与气缸连接，排气歧管上安装有排气阀（4）。

2.根据权利要求1所述的一种船用双燃料/气体发动机燃气多点多级喷射系统，其特征在于：气体稳压腔（8）是一个中空的长方体结构，在稳压腔体（18）的顶面（20）布置一段连接管路至稳压腔体（18）内部，连接管路（19）与气轨管（9）通过软管相连接，且在连接管路头部具有波纹结构，增加连接处的密封性；在稳压腔体底面（23）有对应喷气阀数量的喷气阀座（21）；

集气器（6）安装于进气歧管（3）上方，并有一段混合管路（28）连接进入进气歧管（3）内部，混合管路（28）的外端面（31）封死，在侧壁的四周开有小通孔（29）与管路内部相连通，且带有小通孔（29）的部分管路轴线与进气歧管（3）轴线重合；

喷气阀组（7）由不同级数的多个喷气阀组成，喷气阀数量对应喷射级数，喷气阀的进气端通过喷气阀座（21）与稳压腔体（18）相连通，并由压板和螺栓压紧固定，同时由橡胶密封圈对接触面进行密封；喷射端通过孔（30）与集气器腔（27）相连接，喷气阀组（7）数量对应气缸数。

3.根据权利要求1或2所述的一种船用双燃料/气体发动机燃气多点多级喷射系统，其特征在于：所述的喷气阀组（7）由控制系统（16）控制，随负荷工况的升高，逐级调整喷气阀的喷射脉宽。

4.根据权利要求3所述的一种船用双燃料/气体发动机燃气多点多级喷射系统，其特征在于：所述的喷气阀组（7）包括第一级喷气阀（24）、第二级喷气阀（25）和第三级喷气阀（26），三级喷气阀的进气端通过喷气阀座（21）与稳压腔体（18）相连通，并通过螺纹孔（22）由压板和螺栓压紧固定，同时由橡胶密封圈对接触面进行密封；喷射端通过孔（30）与集气器腔（27）相连接，喷气阀组（7）数量对应气缸数。