CN105298671A - 发动机微柴油引燃天然气当量空燃比燃烧系统及控制方法 - Google Patents

发动机微柴油引燃天然气当量空燃比燃烧系统及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种发动机微柴油引燃天然气当量空燃比燃烧系统及控制方法，包括一个控制器、柴油喷射装置和天然气喷射装置，天然气喷射装置与发动机的进气管相连，天然气喷射装置喷出的天然气与进气管进来的空气在发动机气缸外预混合；柴油喷射装置；与发动机的气缸内部连通；在发动机的排气管上安装有排气净化装置和检测排气成分的传感器，控制器利用预先标定的脉谱图和所述传感器的反馈来控制柴油喷射装置和天然气喷射装置的喷射量及喷射时间。

Description

发动机微柴油引燃天然气当量空燃比燃烧系统及控制方法
技术领域
本发明涉及重型天然气发动机欧Ⅵ排放技术领域，更特别地涉及重型欧Ⅵ排放发动机微柴油引燃天然气当量空燃比燃烧系统及控制方法。
背景技术
汽车保用量的增加极大方面了人民生活，并促进了经济的发展。但由此带来了环境污染和能源紧张的问题。为了控制大气污染各国制动了严格的排放标准，其中欧Ⅵ排放标准是迄今为止最为严格的发动机排放法规。由于柴油机中含有大量高分子烃类，同时柴油机采用扩散燃烧技术，为了防止大量的碳烟生成柴油无法采用当量空燃比燃烧技术，因此柴油机为了满足欧Ⅵ排放法规必须采用负责而昂贵的排气后处理系统。
后处理系统中三效催化后处理器只有在当量空燃比附近使用时才能使排气中的CO、HC、NOx同时转换为无害的CO2、H2O和N2，而三效催化后处理器是使发动机排放满足欧Ⅵ排放法规最为有效且经济的后处理方式。天然气发动机采用与汽油机相同的预混燃烧技术，使天然气发动可以采用当量空燃比燃烧技术和三效催化后处理器相配合的方式实现天然气发动机的快速燃烧。但是由于天然气层流火焰的传播速度慢，使当量空燃比燃烧技术在小缸径的天然气发动机上较容易实现，而缸径较大的重型发动机在使用当量空燃比燃烧技术时由于燃烧速度慢导致的排气过高、爆震等问题，限制了当量空燃比燃烧技术及三效催化后处理器排放控制技术在重型天然气发动机上的使用。
发明内容
有鉴于此，本发明公开了重型欧Ⅵ排放发动机微柴油引燃天然气当量空燃比燃烧系统及控制方法，采用该方法后可以在重型天然气发动机上采用潍柴油引燃当量空燃比混合气快速燃烧技术，及三效催化后处理器排放控制技术，使重型天然气的排放达到EuroⅥ排放。
本发明采用的技术方案如下：
微柴油引燃天然气当量空燃比燃烧系统，包括一个控制器、柴油喷射装置和天然气喷射装置，所述的天然气喷射装置与发动机的进气管相连，天然气喷射装置喷出的天然气与进气管进来的空气在发动机气缸外预混合；所述的柴油喷射装置与发动机的气缸内部连通；在发动机的排气管上安装有排气净化装置和检测排气成分的传感器，所述的控制器控制柴油喷射装置和天然气喷射装置的喷射时间、喷射时刻、喷射量及喷射脉宽。
进一步的，所述的控制器利用预先标定的脉谱图和排气氧传感器的反馈来控制天然气喷射量，进而在发动机的气缸内形成当量空燃比附近的混合气，在活塞压缩上止点附近利用多孔喷油器喷射微量柴油，柴油喷射量小于总能量1％；柴油着火后在气缸内形成多个点火源，使气缸内的当量混合气迅速燃烧，燃烧后的排气经颗粒捕集器、三效催化后处理器及氨捕集器处理后，使排气的颗粒、HC、CO、NOx及氨排放低于欧Ⅵ排放标准的限制。
进一步的，所述的传感器包括与控制器相连的排气氧传感器和排气温度传感器。
进一步的，所述的柴油喷射装置包括一个柴油罐，所述的柴油罐与柴油泵相连，柴油泵通过一个高压柴油轨与位于发动机气缸内的柴油喷射器相连，在高压柴油轨安装有压力传感器，所述的压力传感器与控制器相连。
进一步的，所述的天然气喷射装置包括天然气罐，天然气罐的出口依次串联天然气滤清器、天然气调压稳压阀、天然气流量计和天然气喷射模块相连；所述的天然气流量计和天然气喷射模块与控制器相连，且所述的天然气喷射模块还与天然气喷射阀相连。
进一步的，所述的排气净化装置包括颗粒捕集器、三效催化后处理器和氨捕集器；排气进入排气净化装置的次序是排气首先进入颗粒捕集器，然后进入三效催化后处理器，最后进入氨捕集器。燃烧后的排气经颗粒捕集器、三效催化后处理器及氨捕集器处理后，使排气的颗粒、HC、CO、NOx及氨排放低于欧Ⅵ排放标准的限制。
进一步的，所述的进气管一端与发动机的气缸连通，另一端与一个增压器相连，且在进气管上还安装有空气流量计、中冷器、电子节气门、进气压力传感器和进气温度传感器；所述的空气流量计、电子节气门、进气压力传感器和进气温度传感器均与控制器相连。
本发明中天然气采用缸外喷射预混合的方式，在缸内形成均质空气/天然气混合气，柴油采用电控共轨缸内高压直喷的方式，柴油喷射量小于总能量1％，仅起引燃作用。
用于该重型欧Ⅵ排放发动机微柴油引燃天然气当量空燃比燃烧系统的控制方法，如下：
电控器利用进气流量传感器所测量的空气流量及预设的柴油和天然气的喷射比例，计算天然气和柴油的喷射量，并利用排气氧含量对喷射量进行修正，在发动机气缸内形成当量空燃比附近的天然气/空气混合气，然后控制器根据预先设定的喷射时刻，在压缩上止点附近的适当时刻喷射引燃柴油，实现天然气/空气混合气的在当量空燃比附近快速燃烧，实现重型天然气发动机的快速燃烧及排气净化装置中可以使用三效催化后处理器。
为保证颗粒捕集器、三效催化后处理器及氨捕集器催化效率，特别是在发动机冷起动时，控制器根据排气温度传感器的反馈的排气温度，调整引燃柴油的喷射时刻，保证排气净化装置高效工作。
发动机燃用低甲烷数天然气、大负荷工作时为防止爆震，控制器根据爆震传感器反馈的数值适当推迟引燃柴油的喷射时刻，爆震发动机的可靠性。
本发明的有益效果如下：
本发明在重型天然气发动机上采用潍柴油引燃当量空燃比混合气快速燃烧技术，及三效催化后处理器排放控制技术，使重型天然气的排放达到EuroⅥ排放。
附图说明
通过对结合附图所示出的实施方式进行详细说明，本发明的上述以及其他特征将更加明显，其中：
图1示出了根据本发明的一个实施方式的重型欧Ⅵ排放发动机微柴油引燃天然气当量空燃比燃烧系统工作示意图。
图2示出了根据本发明的一个实施方式用于实现该重型欧Ⅵ排放发动机微柴油引燃天然气当量空燃比燃烧系统排放控制的逻辑流程图。
图中：101柴油罐，102柴油滤清器，103柴油回油管，104柴油泵，105柴油进油管，106天然气罐，107天然气管路，108天然气滤清器，109NOx传感器，110氨捕集器，111天然气调压稳压阀,112三效催化后处理器，113颗粒捕集器，114天然气流量计，115排气氧传感器，116排气温度传感器，117排气管，118增压器，119空气流量计，120天然气喷射模块，121中冷器，122电子节气门，123进气压力传感器，124进气温度传感器，125天然气喷射阀，126进气管，127爆震传感器，128发动机，129控制器，130高压柴油轨，131柴油轨压力传感器，132柴油喷射器。
具体实施方式
在本发明中，将参考附图通过实施方式对本发明提供的重型欧Ⅵ排放发动机微柴油引燃天然气当量空燃比燃烧系统及控制方法进行详细的描述。
如图1所示，该重型欧Ⅵ排放发动机微柴油引燃天然气当量空燃比燃烧系统包括：包括一个控制器129、柴油喷射装置和天然气喷射装置，所述的天然气喷射装置与发动机128的进气管相连，天然气喷射装置喷出的天然气与进气管126进来的空气在发动机气缸外预混合；所述的柴油喷射装置与发动机128的气缸内部连通；在发动机的排气管117上安装有排气净化装置和检测排气成分的传感器，控制器129利用预先标定的脉谱图和传感器的反馈来控制控制柴油喷射装置和天然气喷射装置的喷射量及配设时间。
进一步的，所述的控制器利用预先标定的脉谱图和排气氧传感器的反馈来控制天然气喷射量，进而在发动机的气缸内形成当量空燃比附近的混合气，在活塞压缩上止点附近利用多孔喷油器喷射微量柴油，柴油喷射量小于总能量1％；柴油着火后在气缸内形成多个点火源，使气缸内的当量混合气迅速燃烧，燃烧后的排气经颗粒捕集器、三效催化后处理器及氨捕集器110处理后，使排气的颗粒、HC、CO、NOx及氨排放低于欧Ⅵ排放标准的限制。
进一步的，传感器包括与控制器相连的排气氧传感器115、排气温度传感器116和NOx传感器109。
进一步的，柴油喷射装置包括一个柴油罐101，柴油罐101与柴油泵104相连，柴油泵通过柴油进油管105以及一个高压柴油轨130与位于发动机气缸内的柴油喷射器132相连，在高压柴油轨130安装有柴油轨压力传感器131，所述的柴油轨压力传感器131与控制器129相连。
进一步的，柴油喷射器132通过柴油回油管103与柴油罐101相连，实现了柴油的重复利用。
进一步的，天然气喷射装置包括天然气罐106，天然气罐106的出口的天然气管路107依次串联天然气滤清器108、天然气调压稳压阀111、天然气流量计114、天然气喷射模块120和天然气喷射阀125；所述的天然气流量计114和天然气喷射模块120与控制器129相连。
进一步的，排气净化装置包括颗粒捕集器113、三效催化后处理器112和氨捕集器110；排气进入排气净化装置的次序是排气首先进入颗粒捕集器113，然后进入三效催化后处理器112，最后进入氨捕集器110。燃烧后的排气经颗粒捕集器113、三效催化后处理器112及氨捕集器110处理后，使排气的颗粒、HC、CO、NOx及氨排放低于欧Ⅵ排放标准的限制。
进一步的，进气管一端与发动机的气缸连通，另一端与一个增压器118相连，且在进气管上还安装有空气流量计119、中冷器121、电子节气门122、进气压力传感器123和进气温度传感器124；所述的空气流量计119、电子节气门122、进气压力传感器123和进气温度传感器124均与控制器相连。
本发明中天然气采用缸外喷射预混合的方式，在缸内形成均质空气/天然气混合气，柴油采用电控共轨缸内高压直喷的方式，柴油喷射量小于总能量1％，仅起引燃作用。
天然气的供给过程为天然气罐106中的压缩天然气流过天然气滤清器108过滤掉其中的杂质，经天然气调压稳压阀111调整到一定压力，然后流经天然气流量计114，进入天然气喷射模块120，最后进入天然气喷射阀125，喷入发动机的进气管或进气道中与空气混合形成空气/天然气混合气，其中控制器129通过天然气喷射模块控制天然气喷射阀的喷射脉宽从而控制天然气喷射量。引燃柴油的喷射过程为柴油罐101中的柴油由柴油滤清器102过滤后，经柴油泵104加压后进入高压柴油轨130，然后经柴油进油管105到柴油喷射器132，喷入发动机128的气缸中。
发动机运转时，控制器129通过空气流量计119测量的空气流量及天然气喷射模块120反馈的天然气的喷射压力，柴油轨压力传感器131反馈的柴油喷射压力及控制器脉谱图中预设的天然气和柴油的喷射比例，分别控制天然气喷射阀125和柴油喷射器132的喷射脉宽，使空气量和燃料总量的比例在当量空燃附近，其中柴油喷射量小于总能量1％仅起引燃作用。天然气首先喷射，空气/天然气混合气进入气缸，在压缩上止点附近控制器129控制柴油喷射器132喷射引燃柴油，柴油压缩后再多个点同时着火并引燃混合气，缩短了火焰传播距离，实现重型天然气发动机当量空燃比混合的快速燃烧。由于采用微量柴油引燃技术，燃烧产物中有少量的颗粒，燃烧后的废气先进入颗粒捕集器113处理其中的颗粒，然后进入三效催化后处理器112，由于是在当量空燃比附近燃烧，三效催化后处理器112使排气中的CO、HC、NOx同时转换为无害的CO2、H2O和N2，三效催化后处理器净化CO、HC、NOx会有少量氨生成，废气最后进入氨捕集器处理其中的氨是氨的浓度小于欧Ⅵ排放限值10ppm。
本发明提供了用于重型欧Ⅵ排放发动机微柴油引燃天然气当量空燃比燃烧系统的控制方法。下面将参考图2来进行详细描述。
步骤S1中，控制器利用进气流量传感器所测量的空气流量并读入预设的柴油和天然气的喷射比例；
步骤S2中，控制器根据步骤S1读入的参数计算天然气基本喷射量，由于存在燃料不完全燃烧等问题，控制器利用排气氧传感器反馈的排气氧含量对基本喷射量进行修正，计算出天然气实际喷射量。
步骤S3中，控制器根据天然气的喷射压力和天然气的喷射量计算天然气的喷射脉宽，然后通过天然气喷射模块控制天然气喷射阀开启的喷射时刻和喷射时间，将天然气喷射到进气道内，再进入气缸内形成空气/天然气当量空燃比附近的均质混合气。
步骤S4中，控制器根据S1的参数计算基本柴油喷射量，根据排气氧传感器反馈对基本喷射量进行修正，计算出柴油实际喷射量，并根据柴油轨压计算出柴油的喷射脉宽；另外，控制器根据喷射提前角MAP图，后处理器前排气温度及爆震传感器127的反馈的爆震指数，计算引燃柴油喷射时刻。
步骤S5中，控制器根据计算的喷射提前角和喷射脉宽，适时适量的向气缸喷射柴油，引燃天然气/空气混合气快速燃烧。
步骤S6中，颗粒捕集器处理排气的其中的颗粒，使其满足欧Ⅵ标准，然后进入三效催化后处理器使排气中的CO、HC、NOx同时转换为无害的CO2、H2O和N2，三效催化后处理器净化CO、HC、NOx会有少量氨生成，废气最后进入氨捕集器处理其中的氨是氨的浓度小于欧Ⅵ排放限值10ppm，并定期使催化器再生。
步骤S7中，控制器实时监控排气净化后的NOx含量，实现发动机的清洁燃烧。
为保证颗粒捕集器、三效催化后处理器及氨捕集器催化效率，特别是在发动机冷起动时，控制器根据安装在排气管的排气温度传感器116的反馈的排气温度，调整引燃柴油的喷射时刻，保证排气净化装置高效工作。
发动机燃用低甲烷数天然气、大负荷工作时为防止爆震，控制器根据安装在发动机机体上的爆震传感器127反馈的数值适当推迟引燃柴油的喷射时刻，爆震发动机的可靠性。
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 (9)

1.发动机微柴油引燃天然气当量空燃比燃烧系统，其特征在于：包括一个控制器、柴油喷射装置和天然气喷射装置，所述的天然气喷射装置与发动机的进气管相连，天然气喷射装置喷出的天然气与进气管进来的空气在发动机气缸外预混合；所述的柴油喷射装置与发动机的气缸内部连通；在发动机的排气管上安装有排气净化装置和检测排气成分的传感器，所述的控制器控制柴油喷射装置和天然气喷射装置的喷射时间、喷射时刻、喷射量及喷射脉宽。
2.如权利要求1所述的发动机微柴油引燃天然气当量空燃比燃烧系统，其特征在于：所述的传感器包括与控制器相连的排气氧传感器和排气温度传感器。
3.如权利要求1所述的发动机微柴油引燃天然气当量空燃比燃烧系统，其特征在于：所述的柴油喷射装置包括一个柴油罐，所述的柴油罐与柴油泵相连，柴油泵通过一个高压柴油轨与位于发动机气缸内的柴油喷射器相连，在高压柴油轨安装有压力传感器，所述的压力传感器与控制器相连。
4.如权利要求1所述的发动机微柴油引燃天然气当量空燃比燃烧系统，其特征在于：所述的天然气喷射装置包括天然气罐，天然气罐的出口依次串联天然气滤清器、天然气调压稳压阀、天然气流量计和天然气喷射模块，且天然气流量计和天然气喷射模块与控制器相连，且所述的天然气喷射模块还与天然气喷射阀相连。
5.如权利要求1所述的发动机微柴油引燃天然气当量空燃比燃烧系统，其特征在于：所述的排气净化装置包括依次安装在排气管上的颗粒捕集器、三效催化后处理器和氨捕集器；排气进入排气净化装置的次序是排气首先进入颗粒捕集器，然后进入三效催化后处理器，最后进入氨捕集器。
6.如权利要求1所述的发动机微柴油引燃天然气当量空燃比燃烧系统，其特征在于：所述的进气管一端与发动机的气缸连通，另一端与一个增压器相连，且在进气管上还安装有空气流量计、中冷器、电子节气门、进气压力传感器和进气温度传感器；所述的空气流量计、电子节气门、进气压力传感器和进气温度传感器均与控制器相连。
7.如权利要求1所述的发动机微柴油引燃天然气当量空燃比燃烧系统的控制方法，其特征在于，如下：
步骤1控制器利用进气流量传感器所测量的空气流量及预设的柴油和天然气的喷射比例，计算天然气和柴油的喷射量，并利用排气氧含量对喷射量进行修正，在发动机气缸内形成当量空燃比附近的天然气/空气混合气；
步骤2控制器根据预先设定的喷射时刻，在压缩上止点附近的时刻喷射引燃柴油，实现天然气/空气混合气的在当量空燃比附近快速燃烧，实现重型天然气发动机的快速燃烧。
8.如权利要求7所述的控制方法，器特征在于，在发动机冷起动时，控制器根据排气温度传感器的反馈的排气温度，调整引燃柴油的喷射时刻，保证排气净化装置高效工作。
9.如权利要求7所述的控制方法，其特征在于，当发动机燃用的天燃气为低甲烷数、且大负荷工作时，控制器根据发动机中爆震传感器反馈的数值来推迟引燃柴油的喷射时刻。
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