CN106014727B - 一种单喷嘴内燃机气液两相燃料喷射系统及方法 - Google Patents

一种单喷嘴内燃机气液两相燃料喷射系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种单喷嘴内燃机气液两相燃料喷射系统及方法，属于内燃机气体与液体燃料在缸内的喷射与两相燃料复合喷射领域。该系统在保留原发动机全部本体的基础上增加了一套气液两相燃料复合喷射系统和一套电子控制单元。该装置主要包括：气体燃料单向阀、气体燃料流量与压力传感器、气体燃料线性电磁阀、液体燃料单向阀、液体燃料流量与压力传感器、液体燃料线性电磁阀、喷嘴、液体燃料泵、三通等。电控单元通过调整气体和液体燃料线性电磁阀能够使气体和液体燃料按任意质量比通过一个喷嘴被喷入气缸，从而大幅减少了气液燃料喷射系统独立安装所需要的空间，并通过液体与气体燃料的喷射解决了气体燃料高压喷射时喷嘴所面临的散热及润滑问题。

Description

一种单喷嘴内燃机气液两相燃料喷射系统及方法
技术领域
缸内直喷是改善内燃机响应特性与性能的有效方法，缸内直喷的燃料可以包括气体和液体燃料两大类，本发明提供一种单喷嘴内燃机气液两相燃料喷射系统及方法，具体内容涉及气体与液体燃料在缸内的喷射与两相燃料复合喷射。
背景技术
与气道喷射方式相比，将燃料直接在内燃机缸内喷射能够有效提高内燃机的响应速度，提高充气效率，并可以通过燃料分层来进一步提高内燃机的热效率且减少有害排放，进而使直喷内燃机的动力性、经济性和排放性均能够优于气道喷射内燃机。
内燃机目前使用的燃料按照其状态可以分为气体燃料和液体燃料两大类。液体燃料的特点是能量密度较高，但在形成可燃混合气时需要在一定的温度下消耗一定的时间来完成蒸发，这使得液体燃料直喷内燃机的分层组织较为困难，且未来得及蒸发便参与燃烧的液体燃料还会导致颗粒物等排放的增加。相比之下，气体燃料的能量密度较低，但在形成可燃混合气时无需经历蒸发过程，因而气体燃料的扩散速度较高，单一气体燃料内燃机的缸内混合气组织较为容易，燃烧时所产生的颗粒物排放也较少，但气体燃料直喷内燃机的问题在于其动力性往往较差。目前，在气道喷射条件下同时燃烧气体、液体燃料的内燃机已经有所研究，这些研究结果表明通过适当调整气体和液体燃料的使用比例能够使气道喷射内燃机的性能得到进一步改善。
但目前针对缸内直喷条件下使内燃机能够同时燃烧气体和液体两种不同相燃料的技术还现有报道。主要的原因在于气体的润滑性较差且散热能力较低，而内燃机缸内的温度和压力却很高，所以在长时间高压直喷气体燃料时，单一气体燃料喷嘴很容易因磨损或过热而被破坏。此外，目前的内燃机燃烧室中缸盖结构极为紧凑，即便同时使用气体和液体两套独立喷嘴来实现气、液两相燃料在缸内的复合燃烧，缸盖上狭小的空间也会是该方案的实际布置较为困难。
发明内容
针对目前气液两相燃料在缸内同时燃烧时喷射系统面临的润滑、散热及布置困难等问题，为使内燃机能够通过采用气、液两相燃料复合直喷与燃烧来进一步实现节能、减排，本发明提供一种单喷嘴内燃机气液两相燃料喷射系统及方法。
本发明采用了如下技术方案：一种单喷嘴内燃机气液两相燃料喷射系统及方法，在保留原有发动机本体13及与发动机本体13相连接的缸盖12的基础上，加装了一个电子控制单元1和一套气液两相燃料复合喷射系统；
所述气液两相燃料复合喷射系统，其特征在于，包括：气体燃料储存罐5、气体燃料线性电磁阀4、气体燃料流量与压力传感器3、气体燃料单向阀2。所述气体燃料储存罐5、气体燃料线性电磁阀4、气体燃料流量与压力传感器3及气体燃料单向阀2之间通过高压气体管路相连接；
所述气液两相燃料复合喷射系统，其特征在于，包括：液体燃料储存罐9、液体燃料泵11、液体燃料线性电磁阀8、液体燃料流量与压力传感器7及液体燃料单向阀6。所述液体燃料储存罐9、液体燃料泵11、液体燃料线性电磁阀8、液体燃料流量与压力传感器7及液体燃料单向阀6之间通过液体高压管路相连接；
所述气液两相燃料复合喷射系统，其特征在于，包括：三通14及喷嘴10.三通14与喷嘴10之间通过高压管路相连接。三通14通过高压管路还分别与气体燃料单向阀2及液体燃料单向阀6相连接。喷嘴10直接安装在缸盖12上；
所述电子控制单元1与气体燃料线性电磁阀4相连接，通过发出气体燃料线性电磁阀控制信号a控制气体燃料线性电磁阀4的开度；
所述电子控制单元1与气体燃料流量与压力传感器3相连接，获得气体燃料流量与压力信号b；
所述电子控制单元1与液体燃料泵11相连接，通过发出液体燃料泵控制信号c调整液体燃料泵11的输出压力；
所述电子控制单元1与液体燃料线性电磁阀8相连接，通过发出液体燃料线性电磁阀控制信号d控制液体燃料线性电磁阀8的开度；
所述电子控制单元1与液体燃料流量与压力传感器7相连接，获得液体燃料流量与压力信号e；
所述电子控制单元1与喷嘴10相连接，通过发出喷嘴控制信号f控制喷嘴10的开启和关闭。
一种单喷嘴内燃机气液两相燃料喷射系统的控制方法，该方法包括以下步骤：
电子控制单元1首先根据气体燃料流量与压力传感器3发出的气体燃料流量与压力信号b判断气体燃料管路压力，并通过与液体燃料流量与压力传感器7通讯获得液体燃料流量与压力信号e判断液体燃料压力，电子控制单元1通过通过发出液体燃料泵控制信号c控制液体燃料泵11的运行状态，通过对液体燃料泵11的控制，使液体燃料压力与气体燃料压力相等；
电子控制单元1通过分别发出气体燃料线性电磁阀控制信号a和液体燃料线性电磁阀控制信号d控制气体燃料线性电磁阀4和液体燃料线性电磁阀8的开度，通过对气体燃料线性电磁阀4和液体燃料线性电磁阀8开度的调整使气体燃料质量占总燃料质量的分数K能够在0至1之间任意调整；
K＝mgas/(mgas+mliquid)
电子控制单元1通过发出喷嘴控制信号f控制喷嘴10的开启和关闭，从而实现对气、液两种燃料喷射时刻和脉宽的控制。
本发明的有益效果是：在现有技术条件下，实现气体和液体两种燃料在缸内同时喷射需要安装两套独立的喷射系统，这不但为发动机的小型化设计带来了阻碍，也会使缸盖面积增加进而使传热损失增加。受润滑及散热的影响，气体燃料喷射系统在高压条件下往往寿命会受到影响。针对上述问题，本发明提供一种单喷嘴内燃机气液两相燃料喷射系统及方法，通过一个三通将喷嘴前的气体燃料和液体燃料相连接，使得气体燃料和液体燃料能够通过同一个喷嘴被直喷进入缸内，从而减少了喷射系统所占的体积，进而为发动机的紧凑设计提供了保证。通过气体燃料和液体燃料的混合喷射，利用液体燃料传热及润滑性好的特点为喷嘴提供润滑和散热，从而延长了喷射高压气体时喷嘴的寿命。通过电子控制单元分别调整气体及液体燃料线性电磁阀的开度，还能够实时对混合燃料中气体和液体燃料所占的比例进行控制，从而为发动机在不同工况下使用灵活的燃料控制策略提供了基础。
附图说明
图1本发明的结构和工作原理图
图中：1、电子控制单元；2、气体燃料单向阀；3、气体燃料流量与压力传感器；4、气体燃料线性电磁阀；5、气体燃料储存罐；6、液体燃料单向阀；7、液体燃料流量与压力传感器；8、液体燃料线性电磁阀；9、液体燃料储存罐；10、喷嘴；11、液体燃料泵；12、缸盖；13、发动机；14、三通
a.气体燃料线性电磁阀控制信号；b.气体燃料流量与压力信号；c.液体燃料泵控制信号；d.液体燃料线性电磁阀控制信号；e.液体燃料流量与压力信号；f.喷嘴控制信号
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
如图1所示，一种单喷嘴内燃机气液两相燃料喷射系统，在保留原有发动机本体13及与发动机本体13相连接的缸盖12的基础上，加装了一个电子控制单元1和一套气液两相燃料复合喷射系统；
所述气液两相燃料复合喷射系统，其特征在于，包括：气体燃料储存罐5、气体燃料线性电磁阀4、气体燃料流量与压力传感器3、气体燃料单向阀2。所述气体燃料储存罐5、气体燃料线性电磁阀4、气体燃料流量与压力传感器3及气体燃料单向阀2之间通过高压气体管路相连接；
所述气液两相燃料复合喷射系统，其特征在于，包括：液体燃料储存罐9、液体燃料泵11、液体燃料线性电磁阀8、液体燃料流量与压力传感器7及液体燃料单向阀6。所述液体燃料储存罐9、液体燃料泵11、液体燃料线性电磁阀8、液体燃料流量与压力传感器7及液体燃料单向阀6之间通过液体高压管路相连接；
所述气液两相燃料复合喷射系统，其特征在于，包括：三通14及喷嘴10.三通14与喷嘴10之间通过高压管路相连接。三通14通过高压管路还分别与气体燃料单向阀2及液体燃料单向阀6相连接。喷嘴10直接安装在缸盖12上；
所述电子控制单元1与气体燃料线性电磁阀4相连接，通过发出气体燃料线性电磁阀控制信号a控制气体燃料线性电磁阀4的开度；
所述电子控制单元1与气体燃料流量与压力传感器3相连接，获得气体燃料流量与压力信号b；
所述电子控制单元1与液体燃料泵11相连接，通过发出液体燃料泵控制信号c调整液体燃料泵11的输出压力；
所述电子控制单元1与液体燃料线性电磁阀8相连接，通过发出液体燃料线性电磁阀控制信号d控制液体燃料线性电磁阀8的开度；
所述电子控制单元1与液体燃料流量与压力传感器7相连接，获得液体燃料流量与压力信号e；
所述电子控制单元1与喷嘴10相连接，通过发出喷嘴控制信号f控制喷嘴10的开启和关闭。
一种单喷嘴内燃机气液两相燃料喷射系统的控制方法，该方法包括以下步骤：
电子控制单元1首先根据气体燃料流量与压力传感器3发出的气体燃料流量与压力信号b判断气体燃料管路压力，并通过与液体燃料流量与压力传感器7通讯获得液体燃料流量与压力信号e判断液体燃料压力，电子控制单元1通过通过发出液体燃料泵控制信号c控制液体燃料泵11的运行状态，通过对液体燃料泵11的控制，使液体燃料压力与气体燃料压力相等；
电子控制单元1通过分别发出气体燃料线性电磁阀控制信号a和液体燃料线性电磁阀控制信号d控制气体燃料线性电磁阀4和液体燃料线性电磁阀8的开度，通过对气体燃料线性电磁阀4和液体燃料线性电磁阀8开度的调整使气体燃料质量占总燃料质量的分数K能够在0至1之间任意调整；
K＝mgas/(mgas+mliquid)
电子控制单元1通过发出喷嘴控制信号f控制喷嘴10的开启和关闭，从而实现对气、液两种燃料喷射时刻和脉宽的控制。
本实施例对各种工况进行了如下实验：
实验所用发动机为直列四缸1.6升多点电控喷射汽油机，按照图1所示改造成加装单喷嘴内燃机气液两相燃料喷射系统的内燃机。实验中液体燃料选择使用中国石化生产的92#汽油，气体燃料选择为纯度为99.995％的氢气。
(1)K＝0.5条件下的实验
电子控制单元1首先根据气体燃料流量与压力传感器3发出的气体燃料流量与压力信号b检测到气体管路压力为205bar，并通过与液体燃料流量与压力传感器7通讯获得液体燃料流量与压力信号e判断液体燃料压力为180bar，电子控制单元1通过发出液体燃料泵控制信号c控制液体燃料泵11增压，通过对液体燃料泵11的控制，使液体燃料压力与气体燃料压力相等且均为205bar；
在K＝0.5的条件下，电子控制单元1通过分别发出气体燃料线性电磁阀控制信号a和液体燃料线性电磁阀控制信号d控制气体燃料线性电磁阀4和液体燃料线性电磁阀8的开度分别为50％和50％，并通过发出喷嘴控制信号f控制喷嘴10常开，此时，氢气质量流量为10g/min，汽油质量流量为10g/min，满足了K＝0.5时所需要的氢气与汽油质量流量条件。
(2)K＝0.25条件下的实验
电子控制单元1首先根据气体燃料流量与压力传感器3发出的气体燃料流量与压力信号b检测到气体管路压力为205bar，并通过与液体燃料流量与压力传感器7通讯获得液体燃料流量与压力信号e判断液体燃料压力为180bar，电子控制单元1通过发出液体燃料泵控制信号c控制液体燃料泵11增压，通过对液体燃料泵11的控制，使液体燃料压力与气体燃料压力相等且均为205bar；
在K＝0.25的条件下，电子控制单元1通过分别发出气体燃料线性电磁阀控制信号a和液体燃料线性电磁阀控制信号d控制气体燃料线性电磁阀4和液体燃料线性电磁阀8的开度分别为75％和25％，并通过发出喷嘴控制信号f控制喷嘴10常开，此时，氢气质量流量为15g/min，汽油质量流量为5g/min，满足了K＝0.25时所需要的氢气与汽油质量流量条件。
(3)K＝0.75条件下的实验
电子控制单元1首先根据气体燃料流量与压力传感器3发出的气体燃料流量与压力信号b检测到气体管路压力为205bar，并通过与液体燃料流量与压力传感器7通讯获得液体燃料流量与压力信号e判断液体燃料压力为180bar，电子控制单元1通过发出液体燃料泵控制信号c控制液体燃料泵11增压，通过对液体燃料泵11的控制，使液体燃料压力与气体燃料压力相等且均为205bar；
在K＝0.25的条件下，电子控制单元1通过分别发出气体燃料线性电磁阀控制信号a和液体燃料线性电磁阀控制信号d控制气体燃料线性电磁阀4和液体燃料线性电磁阀8的开度分别为25％和75％，并通过发出喷嘴控制信号f控制喷嘴10常开，此时，氢气质量流量为5g/min，汽油质量流量为15g/min，满足了K＝0.75时所需要的氢气与汽油质量流量条件。
(4)K＝0条件下的实验
电子控制单元1首先根据气体燃料流量与压力传感器3发出的气体燃料流量与压力信号b检测到气体管路压力为205bar，并通过与液体燃料流量与压力传感器7通讯获得液体燃料流量与压力信号e判断液体燃料压力为180bar，电子控制单元1通过发出液体燃料泵控制信号c控制液体燃料泵11增压，通过对液体燃料泵11的控制，使液体燃料压力与气体燃料压力相等且均为205bar；
在K＝0的条件下，电子控制单元1通过分别发出气体燃料线性电磁阀控制信号a和液体燃料线性电磁阀控制信号d控制气体燃料线性电磁阀4和液体燃料线性电磁阀8的开度分别为100％和0％，并通过发出喷嘴控制信号f控制喷嘴10常开，此时，氢气质量流量为20g/min，汽油质量流量为0g/min，满足了K＝0时所需要的氢气与汽油质量流量条件。
(5)K＝1.0条件下的实验
电子控制单元1首先根据气体燃料流量与压力传感器3发出的气体燃料流量与压力信号b检测到气体管路压力为205bar，并通过与液体燃料流量与压力传感器7通讯获得液体燃料流量与压力信号e判断液体燃料压力为180bar，电子控制单元1通过发出液体燃料泵控制信号c控制液体燃料泵11增压，通过对液体燃料泵11的控制，使液体燃料压力与气体燃料压力相等且均为205bar；
在K＝1.0的条件下，电子控制单元1通过分别发出气体燃料线性电磁阀控制信号a和液体燃料线性电磁阀控制信号d控制气体燃料线性电磁阀4和液体燃料线性电磁阀8的开度分别为0％和100％，并通过发出喷嘴控制信号f控制喷嘴10常开，此时，氢气质量流量为0g/min，汽油质量流量为20g/min，满足了K＝1.0时所需要的氢气与汽油质量流量条件。
上述实验过程中，喷射系统及喷嘴未见泄露、卡死等异常运行问题。
上述实验结果表明，采用本发明所提供的一种单喷嘴内燃机气液两相燃料喷射系统及方法，通过一个三通将喷嘴前的气体燃料和液体燃料相连接，能够使得气体燃料和液体燃料能够通过同一个喷嘴被直喷进入缸内，从而减少了喷射系统所占的体积，进而为发动机的紧凑设计提供了保证。通过气体燃料和液体燃料的混合喷射，利用液体燃料传热及润滑性好的特点为喷嘴提供润滑和散热，从而延长了喷射高压气体时喷嘴的寿命。通过电子控制单元分别调整气体及液体燃料线性电磁阀的开度，实时了对混合燃料中气体和液体燃料所占的比例进行控制，从而为发动机在不同工况下使用灵活的燃料控制策略提供了基础。

Claims (1)

1.一种单喷嘴内燃机气液两相燃料喷射方法，所应用的系统为在保留原有发动机本体及与发动机本体相连接的缸盖的基础上，加装了一个电子控制单元和一套气液两相燃料复合喷射系统；
所述气液两相燃料复合喷射系统，包括：气体燃料储存罐、气体燃料线性电磁阀、气体燃料流量与压力传感器、气体燃料单向阀；所述气体燃料储存罐、气体燃料线性电磁阀、气体燃料流量与压力传感器及气体燃料单向阀之间通过高压气体管路相连接；
所述气液两相燃料复合喷射系统，还包括：液体燃料储存罐、液体燃料泵、液体燃料线性电磁阀、液体燃料流量与压力传感器及液体燃料单向阀；所述液体燃料储存罐、液体燃料泵、液体燃料线性电磁阀、液体燃料流量与压力传感器及液体燃料单向阀之间通过液体高压管路相连接；三通与喷嘴之间通过高压管路相连接；三通通过高压管路还分别与气体燃料单向阀及液体燃料单向阀相连接；喷嘴直接安装在缸盖上；
所述电子控制单元与气体燃料线性电磁阀相连接，通过发出气体燃料线性电磁阀控制信号a控制气体燃料线性电磁阀的开度；
所述电子控制单元与气体燃料流量与压力传感器相连接，获得气体燃料流量与压力信号b；
所述电子控制单元与液体燃料泵相连接，通过发出液体燃料泵控制信号c调整液体燃料泵的输出压力；
所述电子控制单元与液体燃料线性电磁阀相连接，通过发出液体燃料线性电磁阀控制信号d控制液体燃料线性电磁阀的开度；
所述电子控制单元与液体燃料流量与压力传感器相连接，获得液体燃料流量与压力信号e；
所述电子控制单元与喷嘴相连接，通过发出喷嘴控制信号f控制喷嘴的开启和关闭；
其特征在于，方法包括以下步骤：
电子控制单元首先根据气体燃料流量与压力传感器发出的气体燃料流量与压力信号b判断气体燃料管路压力，并通过与液体燃料流量与压力传感器通讯获得液体燃料流量与压力信号e判断液体燃料压力，电子控制单元通过通过发出液体燃料泵控制信号c控制液体燃料泵的运行状态，通过对液体燃料泵的控制，使液体燃料压力与气体燃料压力相等；
电子控制单元通过分别发出气体燃料线性电磁阀控制信号a和液体燃料线性电磁阀控制信号d控制气体燃料线性电磁阀和液体燃料线性电磁阀的开度，通过对气体燃料线性电磁阀和液体燃料线性电磁阀开度的调整使气体燃料质量占总燃料质量的分数K能够在至之间任意调整；
K＝mgas/(mgas+mliquid)
电子控制单元通过发出喷嘴控制信号f控制喷嘴的开启和关闭，从而实现对气、液两种燃料喷射时刻和脉宽的控制。
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