CN106032779A - 一种均质压燃发动机燃料在线改质系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种均质压燃发动机燃料在线改质系统及方法，包括改质室、液压驱动系统以及电子控制系统，在发动机气缸上加装改质室，改质室通过气门与发动机气缸连通，在发动机的一个工作循环中包括改质室气门开启阶段、改质室气门持续开启阶段、改质室气门关闭阶段以及改质阶段，根据发动机上止点信号等来完成燃料在线改质，从而实现对均质压燃发动机燃烧控制的改善，燃烧工况范围的拓展以及进一步降低排放。

Description

一种均质压燃发动机燃料在线改质系统及方法
技术领域
本发明涉及均质压燃发动机，特别涉及一种均质压燃发动机燃料在线改质系统及方法。
背景技术
内燃机作为目前能量利用率最高的动力装置，在可预见的未来仍是一种应用广泛的原动机，为了实现内燃机的节能与减排，科研工作者做了大量研究。传统的燃烧方式已经在节能与排放方面几乎达到了极限，为了突破这种极限，均质压燃(HCCI)应运而生。均质压燃是预混合燃烧和低温燃烧相结合的新型燃烧方式，在进气过程中形成均匀的混合气，在压缩行程活塞到达上止点附近时，随着能量的增大，均质混合气自燃着火，具有热效率高、无颗粒排放、NOx排放低等优点。但均质压燃(HCCI)研究的难点主要在于：1)传统的发动机可以通过火花点火和喷油时刻来控制着火时刻，而均质压燃(HCCI)的着火时刻通过时间、温度和混合物组分进行控制，这些因素又受到化学动力学因素的影响，因此燃烧控制(HCCI燃烧着火时刻和燃烧速率的控制)比较困难；2)燃烧工况范围狭窄。
针对均质压燃研究面临的这些问题，研究人员已经通过进气加热、内部/外部EGR、燃料改质等方法来改善。其中，燃料改质无疑是实现HCCI燃烧的一种行之有效的方式，但目前大多限于被动的通过利用缸内压力变化来控制改质相位。改质(重整)过程是通过在一定的温度和压力下或催化剂的作用下，燃料进行化学反应或者改变燃料分子的结构和支链，从而生成新的物质。燃料改质后能够生成可燃性极好的H2、CO等气体，改质气和主燃料混合后进入燃烧室燃烧，从而改善HCCI燃烧过程。但是这些改善的技术方案依然存在无法实时在线进行燃料改质的问题，且催化剂的使用也提高了改质的成本和复杂度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种均质压燃发动机燃料在线改质系统及方法。
为达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种均质压燃发动机燃料在线改质系统，包括改质室、液压驱动系统以及电子控制系统，所述改质室包括复位弹簧、改质室气门、改质室壳体以及改质室喷油器，改质室壳体设置于所述发动机的气缸外壁上，改质室喷油器设置于改质室壳体上，改质室气门的一端位于改质室壳体与所述气缸的燃烧室之间的连通位置处，另一端伸出至改质室壳体外，复位弹簧设置于改质室气门伸出至改质室壳体外的一端的外侧，复位弹簧的一端通过气门弹簧座与改质室气门相连，复位弹簧的另一端与改质室壳体相连，改质室壳体通过改质室气门与所述燃烧室相连通，液压驱动系统包括用于驱动改质室气门开闭的电液气门驱动机构，电子控制系统分别与所述电液气门驱动机构以及改质室喷油器相连。
所述电液气门驱动机构包括设置于所述改质室外的液压缸以及用于控制所述液压缸的电磁换向阀，所述液压缸与所述改质室气门相连，所述电磁换向阀与所述电子控制系统相连。
所述电子控制系统包括上止点位置传感器、控制单元以及驱动电路，上止点位置传感器以及驱动电路分别与控制单元相连，所述电液气门驱动机构以及改质室喷油器与驱动电路相连。
所述电子控制系统还包括与所述控制单元相连的转速传感器以及油门踏板位置传感器。
所述改质室的容积根据化学动力学软件的仿真计算结果确定。
上述均质压燃发动机燃料在线改质系统的燃料在线改质方法，包括以下步骤：
1)改质室气门开启阶段：在压缩上止点前某时刻，电子控制系统通过电液气门驱动机构使改质室气门开启，改质室中的改质气体喷入所述燃烧室，引发所述气缸内混合气体燃烧，并生成燃后气体；
2)改质室气门持续开启阶段：改质室气门开启后，电子控制系统通过电液气门驱动机构保持改质室气门持续开启，所述气缸内的燃后气体在改质室内压力开始低于所述气缸内压力后进入改质室；
3)改质室气门关闭阶段：在压缩上止点后某时刻，电子控制系统通过电液气门驱动机构使改质室气门关闭，从而将进入改质室内的燃后气体截留；
4)改质阶段：改质室气门关闭后，改质室壳体与改质室气门共同形成封闭的腔体，电子控制系统控制改质室喷油器向改质室内喷入改质燃料，改质燃料与所述腔体内的燃后气体发生改质反应，形成用于发动机下一个工作循环的改质气体；
5)在发动机下一工作循环重复步骤1)～步骤4)。
所述改质室气门开启以及关闭的具体时刻由发动机的具体工况决定。
本发明的有益效果体现在：
现有大多燃料改质技术局限于被动的通过利用缸内压力变化来控制改质相位，本发明提出通过在发动机上加装改质室，从而形成一套独立可控的燃料在线改质系统，可实现改质相位的实时精确控制，通过此燃料在线改质系统可有效克服均质压燃燃烧控制困难、运行范围狭窄的瓶颈，进而改善均质压燃发动机的燃烧与排放状况。同时，本发明提出了使用电液气门驱动机构作为改质室气门驱动机构，为燃料在线改质系统快速准确响应提供了可靠保证。
附图说明
图1为燃料在线改质系统原理框图；
图2为燃料在线改质系统结构示意图；
图3为燃料在线改质系统模型流程框图；
图4为CHEMKIN数值模拟燃料在线改质系统模型框图；
图中：1为液压动力系统，2为电磁换向阀，3为液压缸，4为气门弹簧座，5为复位弹簧，6为改质室气门，7为发动机气缸，8为改质室壳体，9为改质室喷油器；A、B、C为电磁换向阀的三个位的标注。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作详细说明。
要生成适量改质气并在要求的时刻喷入气缸，就需要相应的改质系统来完成。本发明提出通过在发动机上加装在线可控燃料改质系统，进行HCCI的燃烧控制。
参见图1以及图2，本发明所设计的在线可控燃料改质系统主要由改质室、液压驱动系统和电子控制系统三部分组成，其中改质室的设计是本发明的重点之一。电子控制系统控制液压驱动系统和改质室改质燃料喷射机构的工作，各部分组成、作用具体介绍如下。
(1)改质室：改质室主要包括改质室气门6、改质室壳体8、复位弹簧5、改质燃料喷射机构及相应密封润滑结构，是容纳高温高压气体，并与改质燃料发生改质反应的场所；改质燃料喷射机构为设置于改质室壳体8上的改质室喷油器9，其喷嘴指向改质室壳体8内，改质室壳体8设置于发动机气缸7上，并通过改质室气门6与发动机气缸7的燃烧室相连通，改质室气门6为T字型，截面积较大的一端设有密封锥面，位于改质室壳体8与发动机气缸7的燃烧室之间的连通位置处，所述改质室气门6与复位弹簧5为内外嵌套关系，复位弹簧5的一端固定在改质室壳体8上，改质室气门6另一端位于改质室壳体8外，该端具有气门弹簧座4，复位弹簧5的另一端与气门弹簧座4相连。
(2)液压驱动系统：液压驱动系统主要包括电磁换向阀2、液压缸3以及液压动力系统1，液压动力系统1包括油箱、滤清器、液压泵，改质室气门6与液压缸3相连，液压缸3通过电磁换向阀2与液压动力系统1相连。液压驱动系统的作用是：使液压缸3可以在电子控制系统的控制下，实现驱动改质室气门6的开闭。
(3)电子控制系统：电子控制系统由各个传感器(发动机转速传感器、油门踏板位置传感器以及上止点位置传感器)、接口电路、控制单元及驱动电路组成。
上止点位置传感器的作用是采集发动机上止点的位置信息，并将其作为基准信号，保证控制单元(ECU)对配气正时进行准确控制。上止点位置传感器安装在凸轮轴上，凸轮轴每旋转一圈，上止点位置传感器就会产生一个脉冲信号。发动机完成一次工作循环，飞轮旋转两圈，凸轮轴则旋转一圈。
油门踏板位置传感器和转速传感器用于获取发动机的工况信息，以便电子控制系统根据发动机的不同工况控制改质喷油量和改质室气门开闭相位。
电子控制系统的作用是：控制单元采集传感器发出的信号，发出指令给相应驱动电路，以及由驱动电路控制执行机构(电磁换向阀2、液压缸3和改质室喷油器9)动作。
本发明燃料改质系统工作原理如下：
该系统采用液压缸液压活塞带动改质室气门6动作，控制单元可根据采集到的发动机转速、油门踏板位置参数，通过对应驱动电路向电磁换向阀2发送控制信号，通过电磁换向阀2控制液压油流向，并由液压缸3控制改质室气门6开闭；改质室喷油器9则在改质室气门6关闭后，通过对应的驱动电路接收到控制单元的喷油信号，进行改质燃料喷射。
以发动机一个工作循环为例，该系统具体工作过程，可分为以下五个阶段：
(1)液压驱动系统蓄压阶段：液压泵将液压油加压后，储存在蓄能器中。液压驱动系统中压力值的大小可根据需要进行调节，使压力稳定在所需值；
(2)改质室气门开启阶段：控制单元在压缩上止点前某时刻，向电磁换向阀2发出动作指令，上电磁线圈断电，下电磁线圈通电，使电磁换向阀2处在A位，接通高压液压油与液压缸3活塞上方的回路、同时接通液压缸3活塞下方与低压回油，液压缸3内的活塞向下运动，与活塞相连接的改质室气门6在活塞带动下开启，改质室中的高压气体(即改质气体)喷入燃烧室，引发缸内混合气体燃烧；
(3)改质室气门持续开启阶段：改质室气门6开启后并不立即关闭，而是持续开启一段时间，上、下电磁线圈均断电，电磁换向阀2处在B位，液压缸3活塞上方和下方的油流均被切断，活塞停止运动，保持改质室气门6的持续开启。发动机气缸7内由于混合气体燃烧，温度压力急剧升高，缸内高温高压气体(即燃后气体)进入改质室；
(4)改质室气门关闭阶段：随着膨胀冲程的进行，缸内压力达到极限后开始下降，在上止点后某时刻，控制单元向电磁换向阀2发出指令，上电磁线圈通电、下电磁线圈断电，使电磁换向阀2处在C位，接通高压液压油与液压缸3活塞下方的回路、同时接通液压缸3活塞上方与低压回油，液压缸3内的活塞向上运动，改质室气门6在液压缸3活塞和复位弹簧5的共同作用下关闭，并将高温高压气体截留在改质室内；
(5)改质阶段：改质室气门6关闭后，控制单元向电磁换向阀2发出指令，上、下电磁线圈均断电，使电磁换向阀2处在B位，液压缸3停止运动，改质室气门6持续关闭。改质室壳体8与改质室气门6共同形成封闭的腔体，改质室内存有高温高压气体。控制单元控制改质室喷油器9向改质室内喷入改质燃料，与改质室内的气体发生改质反应，产生活化因子，形成改质气体。
在下一工作循环重复步骤1)～步骤5)，继续进行燃料在线改质的均质压燃过程。
改质室容积对燃料改质系统发挥其效能至关重要，改质室容积过大或者过小都不利于整个改质及其燃烧过程。本发明建立在线改质数值模拟计算模型，以此计算出所对应发动机的最优改质室容积，为改质室设计提供理论保证。这也是本发明的特点之一。燃料在线改质系统模型如图3所示。其对应的通过大型化学动力学软件CHEMKIN进行数值模拟的改质系统模型如图4所示。
改质系统模型模块说明如下，图4中：
ICE1：为系统提供燃后气体所用，因为燃烧主要过程发生阶段改质室气门一直处于开启状态，因此燃烧室的体积应该将改质室的容积包括在内。
NGM1：混合燃后气体和改质燃料的模块，通过调节流量速度可以改变混合气的浓度，优化改质气体组份。
CHR：改质反应过程，属于定容反应器，生成改质气体，输出量包括改质室的温度、压力和物质组份比例等。
ICE2：用来模拟较稀的混合气前期反应阶段(低温反应和活性基积累阶段)，具体为从进气阶段开始到改质室气门开启的过程，为了与后期改质气体加入作对比，混合气浓度设置为减去改质燃料的量。
NGM2：改质气体和ICE2导入的混合气相互混合的阶段，其中混合后的温度可由系统计算得出，而压力的计算是将两者均视为理想气体，利用理想气体状态方程计算得出混合后的压力。
ICE3：指改质气体和主缸内混合气混合后直到改质室气门关闭为止这一阶段，主要燃烧都发生在这一阶段，期间改质室气门一直处于开启状态。
ICE4：改质室气门关闭后，由于燃烧室有效容积减小，设置系统参数时应该予以考虑。本阶段从改质室气门关闭直到排气阶段后期为止。
本发明以CT2100Q型柴油机改造而成的均质压燃发动机为试验机，并以正丁醇为改质燃料，使用上述建立的计算模型优化计算得到此柴油机对应的最优改质室体积为4mL，为后续燃料改质系统的建立提供了依据。
本发明提出了使用电液气门驱动机构(主要包括液压缸、电磁换向阀以及复位弹簧等)，这也是本发明特点之一。电液气门驱动机构摒弃了传统的凸轮轴机械驱动装置，能够灵活且独立的完成气门的升程控制，能够完成对发动机任意工况的调节，改善发动机燃烧过程，提升发动机性能。

Claims (7)

1.一种均质压燃发动机燃料在线改质系统，其特征在于：包括改质室、液压驱动系统以及电子控制系统，所述改质室包括复位弹簧(5)、改质室气门(6)、改质室壳体(8)以及改质室喷油器(9)，改质室壳体(8)设置于所述发动机的气缸外壁上，改质室喷油器(9)设置于改质室壳体(8)上，改质室气门(6)的一端位于改质室壳体(8)与所述气缸的燃烧室之间的连通位置处，另一端伸出至改质室壳体(8)外，复位弹簧(5)设置于改质室气门(6)伸出至改质室壳体(8)外的一端的外侧，复位弹簧(5)的一端与改质室气门(6)相连，复位弹簧(5)的另一端与改质室壳体(8)相连，液压驱动系统包括用于驱动改质室气门(6)开闭的电液气门驱动机构，电子控制系统分别与所述电液气门驱动机构以及改质室喷油器(9)相连。
2.根据权利要求1所述一种均质压燃发动机燃料在线改质系统，其特征在于：所述电液气门驱动机构包括设置于所述改质室外的液压缸(3)以及用于控制所述液压缸(3)的电磁换向阀(2)，所述液压缸(3)与所述改质室气门(6)相连，所述电磁换向阀(2)与所述电子控制系统相连。
3.根据权利要求1所述一种均质压燃发动机燃料在线改质系统，其特征在于：所述电子控制系统包括上止点位置传感器、控制单元以及驱动电路，上止点位置传感器以及驱动电路分别与控制单元相连，所述电液气门驱动机构以及改质室喷油器(9)与驱动电路相连。
4.根据权利要求3所述一种均质压燃发动机燃料在线改质系统，其特征在于：所述电子控制系统还包括与所述控制单元相连的转速传感器以及油门踏板位置传感器。
5.根据权利要求1所述一种均质压燃发动机燃料在线改质系统，其特征在于：所述改质室的容积根据化学动力学软件的仿真计算结果确定。
6.一种如权利要求1所述均质压燃发动机燃料在线改质系统的燃料在线改质方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)改质室气门开启阶段：在压缩上止点前某时刻，电子控制系统通过电液气门驱动机构使改质室气门(6)开启，改质室中的改质气体喷入所述燃烧室，引发所述气缸内混合气体燃烧；
2)改质室气门持续开启阶段：改质室气门(6)开启后，电子控制系统通过电液气门驱动机构保持改质室气门(6)持续开启，所述气缸内的燃后气体在改质室内压力开始低于所述气缸内压力后进入改质室；
3)改质室气门关闭阶段：在压缩上止点后某时刻，电子控制系统通过电液气门驱动机构使改质室气门(6)关闭，从而将进入改质室内的燃后气体截留；
4)改质阶段：改质室气门(6)关闭后，改质室壳体(8)与改质室气门(6)共同形成封闭的腔体，电子控制系统控制改质室喷油器(9)向改质室内喷入改质燃料，改质燃料与所述腔体内的燃后气体发生改质反应，形成用于发动机下一个工作循环的改质气体；
5)在发动机下一工作循环重复步骤1)～步骤4)。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述改质室气门(6)开启以及关闭的具体时刻由发动机的具体工况决定。
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