CN104533639A - 基于可切换式喷油器的双燃料发动机燃烧系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于可切换式喷油器的双燃料发动机燃烧系统及方法，包括：电控共轨柴油供给装置、预混天然气供给装置和可切换式喷油器分别与电控系统ECU连接；所述可切换式喷油器安装在双燃料发动机上，所述可切换式喷油器还与电控共轨柴油供给装置连接；本发明有益效果：通过电控系统控制混合气的流量及浓度、柴油供给压力及两套喷嘴给自的喷射定时，实现喷射器对双燃料发动机整个替代率范围的全覆盖，提高双燃烧发动机的柴油喷射雾化质量，优化双燃料发动机的整体性能。

Description

基于可切换式喷油器的双燃料发动机燃烧系统及方法

技术领域

本发明属于双燃料发动机的技术领域，特别涉及一种基于可切换式喷油器的双燃料发动机燃烧系统及方法。

背景技术

近年来，随着排放法规的日益严格和能源的过度消耗，天然气作为一种代用燃料由于在排放和储量方面的优势越来越受到重视。与点燃式天然气发动机相比，柴油引燃天然气发动机可以在不牺牲排放的基础上提高燃烧速度，保证动力性，是天然气发动机的重要应用方向。

双燃料发动机的技术方案是：在压缩冲程后期，预先喷入少量柴油作为引燃源，引燃柴油喷束着火后，在燃烧室内不同位置形成多个火核，点燃气缸内的预混天然气和空气混合气，使天然气和空气混合气可以在尽量短的时间内完成燃烧放热过程。

这种天然气发动机的关键技术在于对引燃柴油量控制。根据发动机运行工况的不同，柴油的替代率差别较大，在某些特定的情况下，发动机甚至需要以纯柴油的模式运行。因此柴油量在不同工况下差别较大，特别是纯柴油模式和替代率较高的工况，需要喷油器可以适应较宽广的流量范围，在整个运行范围内可以到达较好的喷射效果，目前没有任何一款喷油器可以覆盖整个运行范围，导致天然气的替代率受喷油器限制不能过低，因此目前双燃料发动机性能优化具有局限性。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种基于可切换式喷油器的双燃料发动机燃烧系统及方法，该系统及方法根据发动机的运转工况，通过控制天然气喷射模块和电子节气门，提供适量的一定浓度的天然气和空气混合气，并同时控制可切换式柴油喷嘴在两套喷孔之间的切换及柴油喷射时刻，实现发动机快速低排放高效燃烧的目的。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种基于可切换式喷油器的双燃料发动机燃烧系统，包括：电控共轨柴油供给装置、预混天然气供给装置、可切换式喷油器以及电控系统ECU；

所述电控共轨柴油供给装置、预混天然气供给装置和可切换式喷油器分别与电控系统ECU连接；所述可切换式喷油器安装在双燃料发动机上，所述可切换式喷油器还与电控共轨柴油供给装置连接；

电控系统ECU控制预混天然气供给装置提供设定浓度的天然气和空气混合气，并对供给柴油的压力进行调节，控制可切换式喷油器喷嘴的切换以及柴油的喷射时刻。

所述电控共轨柴油供给装置包括：柴油罐、柴油滤清器、带压力调节装置的柴油泵以及柴油轨；所述柴油罐与柴油滤清器相连，柴油滤清器与带压力调节装置的柴油泵的输入端相连，带压力调节装置的柴油泵的输出端一路与柴油罐相连，另一路与柴油轨相连，所述柴油轨和带压力调节装置的柴油泵均与可切换式喷射器相连。

所述柴油滤清器与柴油泵之间安装有柴油油耗仪。

所述柴油轨的一端安装有柴油轨压传感器，所述柴油轨压传感器与电控系统ECU连接。

所述预混天然气供给装置包括：天然气罐、天然气缓冲罐、天然气减压稳压模块、天然气喷射模块、天然气和空气混合器以及增压器依次串联连接，所述增压器依次连接中冷器和电子节气门后与双燃料发动机的进气管道连接，所述电子节气门与电控系统ECU连接，双燃料发动机的排气管道直接与增压器连接。

所述天然气减压稳压模块与天然气喷射模块之间安装有天然气流量计。

所述双燃料发动机的进气管道上设有进气压力温度传感器，排气管道上设有排气氧传感器；所述进气压力温度传感器和排气氧传感器分别与电控系统ECU连接。

所述可切换式喷油器包括大流量柴油喷嘴和小流量柴油喷嘴两套柴油喷嘴，所述两套喷嘴以同心圆的形式布置，所述两套喷嘴分别与各自的喷射执行器连接，用于控制两套喷嘴的开启与关闭；

柴油供油油道在可切换式喷油器内分成两条通路，分别给大流量柴油喷嘴和小流量柴油喷嘴供油；两套喷嘴通过各自的回油通道后在可切换式喷油器的回油口交汇，从同一个回油口回油。

所述可切换式喷油器的小流量柴油喷嘴针阀安装在小流量柴油喷嘴针阀体的内部，小流量柴油喷嘴针阀体安装于大流量喷嘴针阀体中，小流量柴油喷嘴的针阀体同时作为大流量柴油喷嘴的针阀；小流量柴油喷嘴的孔径小于大流量柴油喷嘴，小流量柴油喷嘴的喷孔数小于大流量柴油喷嘴的喷孔数。

一种基于可切换式喷油器的双燃料发动机燃烧系统的控制方法，包括：

根据双燃料发动机的工况，电控系统通过控制带压力调节装置的柴油泵调节供给双燃料发动机引燃柴油的压力，电控系统通过控制天然气喷射模块、电子节气门以及大流量柴油喷嘴、小流量柴油喷嘴的喷射定时来调节供给双燃料发动机预混天然气的过量空气系数、混合气的量及柴油的喷射状况；

在大扭矩、怠速、纯柴油或低负荷运行工况下，所需柴油量较大，采用小流量柴油喷嘴预喷射少量柴油，防止小流量喷嘴阻塞，然后采用大流量柴油喷嘴供给燃烧所需的大部分柴油；

在中等负荷工况下，所需柴油量较小，采用小流量柴油喷嘴单独运行供给燃烧所需的柴油。

本发明的有益效果是：

本发明根据发动机的运转工况，通过电控系统控制混合气的流量及浓度、柴油喷射压力及可切换式喷油器两套喷嘴各自的喷射定时，实现可切换式喷油器对双燃料发动机整个替代率范围的全覆盖，提高双燃烧发动机的柴油喷射雾化质量，优化双燃料发动机的整体性能。

本发明采用可切换式喷油器，利用喷射器中两套执行机构分别对两套同心安装的喷嘴进行控制，在不同工况下针对不同的工况和替代率，应用不同的喷嘴及不同的喷射参数(喷射压力、喷射时刻)，实现了发动机全功率喷射性能的优化。

附图说明

图1本发明可切换式喷嘴的双燃料发动机燃烧系统结构示意图；

图2为本发明可切换式喷油器喷嘴的示意图；

图3为发明可切换式喷嘴的双燃料发动机柴油燃烧系统的控制策略逻辑流程图；

其中，101.柴油罐，102.柴油轨压传感器，103.柴油轨，104.电控系统，105.转速传感器，106.双燃料发动机，107.可切换式喷油器，108.电子节气门，109.增压器，110.排气氧传感器，111.中冷器，112.进气温度压力传感器，113.天然气和空气混合器，114.天然气喷射模块，115.天然气流量计，116.天然气减压稳压模块，117.天然气缓冲罐，118.天然气罐，119.带压力调节装置的柴油泵，120.柴油油耗仪，121.柴油滤清器；

201.大流量喷嘴针阀体，202.大流量喷嘴，203.小流量喷嘴，204.小流量喷嘴针阀体，205.小流量喷嘴针阀。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1所示，双燃料发动机燃烧系统，包括：通过电控系统ECU104分别控制的电控共轨柴油供给装置及预混天然气供给装置，电控系统104根据双燃料发动机106的工况通过控制带压力调节装置的柴油泵119调节供给双燃料发动机106一定压力的引燃柴油，电控系统104根据双燃料发动机106的工况通过控制天然气喷射模块114和电子节气门108来调节供给双燃料发动机106一定过量空气系数的预混天然气。

电控共轨柴油供给装置，包括：柴油罐101，柴油滤清器121，带压力调节装置的柴油泵119，柴油轨103以及可切换式喷油器107；柴油罐101与柴油滤清器121相连，柴油滤清器121与带压力调节装置的柴油泵119的输入端相连，柴油泵119的低压回油管路与柴油罐101相连，高压供油管路与柴油轨103相连，柴油轨103通过高压油管与可切换式喷油器107相连，柴油轨103通过低压管路同柴油泵119相连，可切换式喷射器107的低压回油管路同柴油泵119相连。柴油滤清器121与柴油泵119之间还安装有柴油油耗仪120。

预混天然气供给装置，包括天然气罐118，天然气缓冲罐117，天然气减压稳压模块116，天然气流量计115，天然气喷射模块114，天然气和空气混合器113；天然气罐118与天然气缓冲罐117相连，天然气缓冲罐117与天然气减压稳压模块116相连，天然气减压稳压模块116与天然气喷射模块114相连，天然气喷射模块114与天然气和空气混合器113相连；天然气减压稳压模块116与天然气喷射模块114之间还安装有天然气流量计115。

可切换式喷油器107安装于双燃料发动机106的缸盖上，双燃料发动机106的进气端的管道上设置有中冷器111，双燃料发动机106的进气道与排气道之间设置有增压器109；双燃料发动机106的进气管道上还设有进气压力温度传感器112，排气管道上设有排气氧传感器110。

双燃料发动机106的一侧还安装有转速传感器105，柴油轨103的一端安装有柴油轨压传感器102。

电控系统104与带压力调节装置的柴油泵119、柴油轨压传感器102、天然气喷射模块114、进气温度压力传感器112、电子节气门108、可切换式喷油器107、转速传感器105以及排气氧传感器110分别相连。

如图1所示，根据本发明的实施方式，双燃料发动机的燃料供给系统包括电控共轨柴油供给装置和预混天然气供给装置。预混天然气供给装置，压缩天然气从天然气罐118中流出后，经缓冲罐117及减压稳压阀116中减压稳压后，安装在天然气管路中的天然气流量计116测量天然气流量，然后进入天然气喷射模块114，电控系统ECU104根据空气流量发动机转速等对天然气流量进行计算修正，并通过天然气喷射模块114调节天然气供给量后供给天然气和空气混合气，与从进气管路进入的新鲜空气进行混合，所形成的天然气和空气混合器经增压器109增压并经中冷器111中冷后，经电子节气门108进入气缸。

电控共轨柴油供给装置，发动机在不同工况下运转时，柴油经柴油罐101，在柴油滤清器121中过滤后，经柴油泵119加压后进入柴油轨103，电控系统ECU根据转速传感器105，进气压力温度传感112及排气氧传感器110等反馈的参数结合柴油轨压传感器102反馈的轨压信号通过带压力调节装置的柴油泵119调节柴油轨103的供给压力及可切换式喷油器107两个执行器的电磁阀信号，控制可切换式喷油器两个喷嘴的喷射时刻。

如图2所示，可切换式喷油器107喷嘴的示意图包括大流量喷嘴针阀体201，大流量喷嘴202，小流量喷嘴203，小流量喷嘴针阀体204，小流量喷嘴针阀205。

大流量喷嘴201和小流量喷嘴203为同心圆式布置，两喷嘴由喷油器中的中总油道分支后分别供给柴油，两喷嘴的喷油时刻由喷油器内两个不同的电磁阀执行器对大流量喷嘴针阀和小流量喷嘴针阀205的开启和关闭进行控制，两喷嘴的回油通过各自的回油管路，汇入喷油器的总回油路，再回到喷油泵。

可切换式喷射器喷嘴的安装方式为，小流量针阀205安装在小流量针阀体204的内部，同时小流量针阀体204安装于大流量喷嘴针阀体201中，需要特别注意的是，由于各个部件为嵌套式安装，部件204是小流量喷嘴的针阀同时又是大流量喷嘴的针阀体。为适应小替代率微量柴油引燃的需要，小流量喷嘴的孔径小于大流量喷嘴，小流量喷嘴喷孔数小于大流量喷嘴喷孔数。

本发明提供了用于实现基于可切换式喷油器的双燃料发动机柴油喷射系统的控制策略。下面将参考图3来进行详细描述。

首先在步骤S301，电控系统104根据预设柴油轨压、柴油喷射定时及预设天然气喷射参数及电子节气门开度对发动机燃料供给系统进行控制。

步骤S302，根据所测量的油耗率、气耗率、各项排放值(CO排放、HC排放及NOx排放)等参数对发动机的动力性、经济性、排放性及燃料替代率进行综合分析，综合分析的评价标准为动力性强、燃料消耗率低，排放性能满足相应的国家标准，即满足排放法规的基础上尽量提高动力性并优化燃料消耗率。

步骤S303，根据测试分析结果对柴油轨压、大流量柴油喷嘴、小流量柴油喷嘴喷射定时及过量空气系数进行优化,优化的过程为通过对天然气、柴油轨压及可切换式喷射器两套喷嘴喷射定时的调节，达到理想的发动机综合性能，即动力性、经济性、排放性的综合指标达到最优，并使替代率尽量高，比如在替代率的优化过程中，可由两个喷嘴联合运行切换为小喷嘴运行，并相应调节其喷射定时，以在保证引燃能量的前提下，减少柴油的喷射量，实现替代率的提高，电控系统根据优化参数对发动机燃料供给系统进行调节。

需要注意的是，在怠速，低负荷及大扭矩工况，还有纯柴油运行工况，需要柴油量较大，主要靠大流量喷嘴供给燃烧所需的柴油，大流量喷嘴喷射前小流量喷嘴预喷射少量柴油，既可以降低排放，又防止小流量喷嘴阻塞；在中等负荷工况，中等负荷一般为30％-75％全负荷，此时所需柴油量较小，可采用小流量喷嘴单独运行的模式。这样可以保证喷射雾化质量和柴油引燃的稳定性和可靠性，继而拓宽替代率范围。

步骤S304，根据油耗仪、燃气流量计等仪器和各传感器的测量结果对发动机的动力性、经济性和排放性及替代率进行综合性能评价，如性能满足使用需求，进行下一工况点的参数优化，如不满足要求，则对本工况点进行进一步的优化。

接着，在步骤S305对发动机所有典型工况点进行逐个标定。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种基于可切换式喷油器的双燃料发动机燃烧系统，其特征是，包括：电控共轨柴油供给装置、预混天然气供给装置、可切换式喷油器以及电控系统ECU；

所述电控共轨柴油供给装置、预混天然气供给装置和可切换式喷油器分别与电控系统ECU连接；所述可切换式喷油器安装在双燃料发动机上，所述可切换式喷油器还与电控共轨柴油供给装置连接；

电控系统ECU控制预混天然气供给装置提供设定浓度的天然气和空气混合气，并对供给柴油的压力进行调节，控制可切换式喷油器喷嘴的切换以及柴油的喷射时刻。

2.如权利要求1所述的一种基于可切换式喷油器的双燃料发动机燃烧系统，其特征是，所述电控共轨柴油供给装置包括：柴油罐、柴油滤清器、带压力调节装置的柴油泵以及柴油轨；所述柴油罐与柴油滤清器相连，柴油滤清器与带压力调节装置的柴油泵的输入端相连，带压力调节装置的柴油泵的输出端一路与柴油罐相连，另一路与柴油轨相连，所述柴油轨和带压力调节装置的柴油泵均与可切换式喷射器相连。

3.如权利要求2所述的一种基于可切换式喷油器的双燃料发动机燃烧系统，其特征是，所述柴油滤清器与柴油泵之间安装有柴油油耗仪。

4.如权利要求2所述的一种基于可切换式喷油器的双燃料发动机燃烧系统，其特征是，所述柴油轨的一端安装有柴油轨压传感器，所述柴油轨压传感器与电控系统ECU连接。

5.如权利要求1所述的一种基于可切换式喷油器的双燃料发动机燃烧系统，其特征是，所述预混天然气供给装置包括：天然气罐、天然气缓冲罐、天然气减压稳压模块、天然气喷射模块、天然气和空气混合器以及增压器依次串联连接，所述增压器依次连接中冷器和电子节气门后与双燃料发动机的进气管道连接，所述电子节气门与电控系统ECU连接，双燃料发动机的排气管道直接与增压器连接。

6.如权利要求5所述的一种基于可切换式喷油器的双燃料发动机燃烧系统，其特征是，所述天然气减压稳压模块与天然气喷射模块之间安装有天然气流量计。

7.如权利要求5所述的一种基于可切换式喷油器的双燃料发动机燃烧系统，其特征是，所述双燃料发动机的进气管道上设有进气压力温度传感器，排气管道上设有排气氧传感器；所述进气压力温度传感器和排气氧传感器分别与电控系统ECU连接。

8.如权利要求1所述的一种基于可切换式喷油器的双燃料发动机燃烧系统，其特征是，所述可切换式喷油器包括大流量柴油喷嘴和小流量柴油喷嘴两套柴油喷嘴，所述两套喷嘴以同心圆的形式布置，所述两套喷嘴分别与各自的喷射执行器连接，用于控制两套喷嘴的开启与关闭；

柴油供油油道在可切换式喷油器内分成两条通路，分别给大流量柴油喷嘴和小流量柴油喷嘴供油；两套喷嘴通过各自的回油通道后在可切换式喷油器的回油口交汇，从同一个回油口回油。

9.如权利要求8所述的一种基于可切换式喷油器的双燃料发动机燃烧系统，其特征是，所述可切换式喷油器的小流量柴油喷嘴针阀安装在小流量柴油喷嘴针阀体的内部，小流量柴油喷嘴针阀体安装于大流量喷嘴针阀体中，小流量柴油喷嘴的针阀体同时作为大流量柴油喷嘴的针阀；小流量柴油喷嘴的孔径小于大流量柴油喷嘴，小流量柴油喷嘴的喷孔数小于大流量柴油喷嘴的喷孔数。

10.一种如权利要求1所述的基于可切换式喷油器的双燃料发动机燃烧系统的控制方法，其特征是，包括：

根据双燃料发动机的工况，电控系统通过控制带压力调节装置的柴油泵调节供给双燃料发动机引燃柴油的压力，电控系统通过控制天然气喷射模块、电子节气门以及大流量柴油喷嘴、小流量柴油喷嘴的喷射定时来调节供给双燃料发动机预混天然气的过量空气系数、混合气的量及柴油的喷射状况；

在大扭矩、怠速、低负荷或纯柴油运行工况下，采用小流量柴油喷嘴预喷射少量柴油，防止小流量喷嘴阻塞，然后采用大流量柴油喷嘴供给燃烧所需的大部分柴油；

在中等负荷工况下，采用小流量柴油喷嘴单独运行供给燃烧所需的柴油。