CN106968810A - 一种缸内增压预混的双燃料发动机及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了种缸内增压预混的双燃料发动机，包括预混压气缸、第一动力缸、第二动力缸、曲轴和控制系统；所述预混压气缸上设有压气缸进气阀、第一压气缸排气阀和第二压气缸排气阀；所述预混压气缸内设有第一燃料喷射器；所述第一动力缸上设有第一动力缸进气阀、第一动力缸排气阀和第一喷射器；所述第一动力缸进气阀通过管道与第一压气缸排气阀连接；所述第二动力缸上设有第二动力缸进气阀、第二动力缸排气阀和第二喷射器；所述第二动力缸进气阀通过管道与第二压气缸排气阀连接；所述控制系统包括电子控制单元ECU。本发明可以在预混压气缸内同时进行增压和混合，延长了混合时间，使得燃料能够充分混合，保证向动力缸内输入均质混合气。

Description

一种缸内增压预混的双燃料发动机及其控制方法
技术领域
本发明涉及燃烧机械领域，特别涉及一种缸内增压预混的双燃料发动机及其控制方法。
背景技术
发动机至今仍然是热效率最高、单位体积和单位重量功率最大的原动机，应用广泛，全世界保有量已超过十几亿台。同时，发动机也是环境大气污染，特别是城市氮氧化物和可吸入颗粒物的主要污染源。车用发动机多为高转速发动机，柴油，汽油等碳氢化合物燃料，在燃烧室内燃烧时，油气混合时间短燃烧室内容易存在过浓混合气区域，燃料在发动机中不能充分燃烧，且燃料中存在硫等微量杂质导致尾气中包含除了二氧化碳和水蒸气外，还有CO、NOx、HC和PM等污染物。近年来代用燃料在发动机中的应用表明，以天然气为燃料的发动机可有效降低发动机内部分污染物的排放。但现有的天然气发动机多采用进气道喷射的方式，存在空气进气量不足，油气混合不均匀功率低等问题。
发明内容
针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种缸内增压预混的双燃料发动机及其控制方法，延长了混合时间，保证向动力缸内输入均质混合气，可解决涡轮增压器动力响应迟滞诟病，提高发动机的动力性，并降低排放性。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种缸内增压预混的双燃料发动机，包括预混压气缸、第一动力缸、第二动力缸、曲轴和控制系统；所述预混压气缸的活塞杆与曲轴的第二主轴颈连接，所述第一动力缸与曲轴的第一主轴颈连接，所述第二动力缸与曲轴的第三主轴颈连接；所述预混压气缸上设有压气缸进气阀、第一压气缸排气阀和第二压气缸排气阀；所述预混压气缸内设有第一燃料喷射器；所述第一动力缸上设有第一动力缸进气阀、第一动力缸排气阀和第一喷射器；所述第一动力缸进气阀通过管道与第一压气缸排气阀连接；所述第二动力缸上设有第二动力缸进气阀、第二动力缸排气阀和第二喷射器；所述第二动力缸进气阀通过管道与第二压气缸排气阀连接；所述控制系统包括电子控制单元ECU，所述电子控制单元ECU与压气缸进气阀、第一压气缸排气阀、第二压气缸排气阀、第一动力缸排气阀、第一动力缸进气阀、第二动力缸进气阀和第二动力缸排气阀连接。
进一步，所述第二主轴颈与第一主轴颈相差相位180度，所述第一主轴颈与第三主轴颈相差相位360度。
进一步，所述预混压气缸与第一动力缸或者第二动力缸的体积比范围在1.5:1～2：1之间。
进一步，所述第一燃料喷射器喷射燃料为天然气、甲烷、乙烷、丙烷、丁烷或氢气；所述第一喷射器和第二喷射器为柴油、生物柴油或者两者的混合物。
一种缸内增压预混的双燃料发动机控制方法，包括如下步骤：
S01：设预混压气缸的活塞杆在上止点时，曲轴的转角为0°；当曲轴的转角为0°时，控制系统控制进气阀开启；当曲轴转角达到180°时，预混压气缸的活塞杆在下止点，同时第一动力缸活塞杆在上止点，控制系统控制第一压气缸排气阀与第一动力缸进气阀开启；在曲轴转角达到预混压气缸的活塞杆下止点之后α角度，压气缸进气阀闭合；第一燃料喷射器在压力缸进气阀关闭后喷射燃料；
S02：当曲轴转角达到360°时，预混压气缸的活塞杆在上止点，同时第一动力缸活塞杆在下止点，第一压气缸排气阀和第一动力缸进气阀关闭，压气缸进气阀开启。
S03：当曲轴转角达到540°时，预混压气缸的活塞杆在下止点，同时第一动力缸和第二动力缸活塞杆都在上止点，第一个喷射器喷射燃料，第二压力缸排气阀与第二动力缸进气阀开启；在曲轴转角达到预混压气缸的活塞杆下止点之后α角度，压气缸进气阀闭合；第一燃料喷射器在压力缸进气阀关闭后喷射燃料；
S04：当曲轴转角达到720°时，预混压气缸的活塞杆在上止点，第二个压气缸排气阀和第二动力缸进气阀闭合；压气缸进气阀开启；在曲轴转角达到第一动力缸活塞下止点之前β角度，第一动力缸排气阀开启；
S05：当曲轴转角为900°时，第一动力缸排气阀闭合；第一压气缸排气阀和第一动力缸进气阀开启；第二喷射器喷射燃料；在曲轴转角达到预混压气缸的活塞杆下止点之后α角度，压气缸进气阀闭合；第一燃料喷射器在压力缸进气阀关闭后喷射燃料；
S06：当曲轴转角为1080°时，第一压气缸排气阀和第一动力缸进气阀闭合；压气缸进气阀开启；在曲轴转角达到第二动力缸活塞下止点之前β角度，第二动力缸排气阀16开启；
S07：当曲轴转角为1260°时，第二动力缸排气阀闭合；第二压气缸排气阀和第二动力缸进气阀开启；在曲轴转角达到预混压气缸的活塞杆下止点之后α角度，压气缸进气阀闭合；第一燃料喷射器在压力缸进气阀关闭后喷射燃料。
进一步，所述α在20°-50°之间。
进一步，所述β在30°-50°之间。
本发明的有益效果在于：
1.本发明所述的缸内增压预混的双燃料发动机及其控制方法，可以在预混压气缸内同时进行增压和混合，延长了混合时间，使得燃料能够充分混合，保证向动力缸内输入均质混合气。
2.本发明所述的缸内增压预混的双燃料发动机及其控制方法，实现了一种新型机械增压的方式，该型发动机中可解决涡轮增压器动力响应迟滞诟病，提高发动机的动力性，并降低排放性。
3.本发明所述的缸内增压预混的双燃料发动机及其控制方法，通过控制预混压气缸进排气阀门配气相位，实现增压可控的效果。
4.本发明所述的缸内增压预混的双燃料发动机及其控制方法，由于各个燃料喷射器独立工作，可实现第一燃料喷射器被引燃燃料喷射量与第一或第二喷射器引燃燃料喷射量比例可调的效果。
5.本发明所述的缸内增压预混的双燃料发动机及其控制方法，使得该发动机的当量压缩比达到或高于传统双燃料发动机的压缩比，可有效提高发动机的热效率。
附图说明
图1为本发明所述缸内增压预混的双燃料发动机的示意图。
图2为本发明所述预混压气缸第一冲程工作图。
图3为本发明所述预混压气缸第二冲程工作图。
图4为本发明所述预混压气缸第三冲程工作图。
图5为本发明所述预混压气缸第四冲程工作图。
图中：
1-曲轴；2-压气缸进气阀；3-第一燃料喷射器；4-第一压气缸排气阀；5-第二压气缸排气阀；6-预混压气缸；7-第一动力缸；8-第二动力缸；9-第一动力缸进气阀；10-第二动力缸进气阀；11-第一喷射器；12-第二喷射器；13-第一动力缸排气阀；14-第二动力缸排气阀。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
如图1所示，一种缸内增压预混的双燃料发动机，包括预混压气缸6、第一动力缸7、第二动力缸8、曲轴1和控制系统；所述预混压气缸6的活塞杆与曲轴1的第二主轴颈连接，所述第一动力缸7与曲轴1的第一主轴颈连接，所述第二动力缸8与曲轴1的第三主轴颈连接；为了使做功效率最高，所述第二主轴颈与第一主轴颈相差相位180度，所述第一主轴颈与第三主轴颈相差相位360度。所述预混压气缸6上设有压气缸进气阀2、第一压气缸排气阀4和第二压气缸排气阀5；所述预混压气缸6内设有第一燃料喷射器3；所述第一动力缸7上设有第一动力缸进气阀9、第一动力缸排气阀13和第一喷射器11；所述第一动力缸进气阀9通过管道与第一压气缸排气阀4连接；所述第二动力缸8上设有第二动力缸进气阀10、第二动力缸排气阀14和第二喷射器12；所述第二动力缸进气阀10通过管道与第二压气缸排气阀5连接；所述控制系统包括电子控制单元ECU，所述电子控制单元ECU与压气缸进气阀2、第一压气缸排气阀4、第二压气缸排气阀5、第一动力缸排气阀13、第一动力缸进气阀9、第二动力缸进气阀10和第二动力缸排气阀14连接。
本发明由于各个燃料喷射器独立工作，可实现柴油与天然气燃料喷射量比例可调的效果。所述预混压气缸6与第一动力缸7或者第二动力缸8的体积比范围在1.5:1～2：1之间。所述第一燃料喷射器3喷射燃料为天然气、甲烷、乙烷、丙烷、丁烷或氢气；所述第一喷射器11和第二喷射器12为柴油、生物柴油或者两者的混合物。
为了实现对预混压气缸6内均质混合气增压，当第一动力缸7活塞杆在下止点时，压气缸进气阀2延时关闭。这样可以解决涡轮增压器动力响应迟滞诟病，提高发动机的动力性，并降低排放性。
一种缸内增压预混的双燃料发动机控制方法，包括如下步骤：
S01：如图2所示，设预混压气缸6的活塞杆在上止点时，曲轴1的转角为0°；当曲轴1的转角为0°时，控制系统控制进气阀2开启；如图3所示，当曲轴1转角达到180°时，预混压气缸6的活塞杆在下止点，同时第一动力缸7活塞杆在上止点，控制系统控制第一压气缸排气阀4与第一动力缸进气阀9开启；在曲轴1转角达到预混压气缸6的活塞杆下止点之后α角度，压气缸进气阀2闭合；第一燃料喷射器3在压力缸进气阀2关闭后喷射燃料；
S02：如图4所示，当曲轴1转角达到360°时，预混压气缸6的活塞杆在上止点，同时第一动力缸7活塞杆在下止点，第一压气缸排气阀4和第一动力缸进气阀9关闭，压气缸进气阀2开启。
S03：如图5所示，当曲轴1转角达到540°时，预混压气缸6的活塞杆在下止点，同时第一动力缸7和第二动力缸8活塞杆都在上止点，第一个喷射器11喷射燃料，第二压力缸排气阀5与第二动力缸进气阀10开启；在曲轴1转角达到预混压气缸6的活塞杆下止点之后α角度，压气缸进气阀2闭合；第一燃料喷射器3在压力缸进气阀2关闭后喷射燃料；
S04：当曲轴1转角达到720°时，预混压气缸6的活塞杆在上止点，第二个压气缸排气阀5和第二动力缸进气阀10闭合；压气缸进气阀2开启；在曲轴1转角达到第一动力缸活塞下止点之前β角度，第一动力缸排气阀13开启；
S05：当曲轴1转角为900°时，第一动力缸排气阀13闭合；第一压气缸排气阀4和第一动力缸进气阀9开启；第二喷射器12喷射燃料；在曲轴1转角达到预混压气缸6的活塞杆下止点之后α角度，压气缸进气阀2闭合；第一燃料喷射器3在压力缸进气阀2关闭后喷射燃料；
S06：当曲轴1转角为1080°时，第一压气缸排气阀4和第一动力缸进气阀9闭合；压气缸进气阀2开启；在曲轴1转角达到第二动力缸活塞下止点之前β角度，第二动力缸排气阀16开启；
S07：当曲轴1转角为1260°时，第二动力缸排气阀17闭合；第二压气缸排气阀5和第二动力缸进气阀10开启；在曲轴1转角达到预混压气缸6的活塞杆下止点之后α角度，压气缸进气阀2闭合；第一燃料喷射器3在压力缸进气阀2关闭后喷射燃料。
S01-S07步骤中，所述电子控制单元ECU根据下面表1控制各阀门。
表1
上述方法中，所述α在20°-50°之间最佳。所述β在30°-50°之间最佳。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种缸内增压预混的双燃料发动机，其特征在于，包括预混压气缸(6)、第一动力缸(7)、第二动力缸(8)、曲轴(1)和控制系统；所述预混压气缸(6)的活塞杆与曲轴(1)的第二主轴颈连接，所述第一动力缸(7)与曲轴(1)的第一主轴颈连接，所述第二动力缸(8)与曲轴(1)的第三主轴颈连接；
所述预混压气缸(6)上设有压气缸进气阀(2)、第一压气缸排气阀(4)和第二压气缸排气阀(5)；所述预混压气缸(6)内设有第一燃料喷射器(3)；
所述第一动力缸(7)上设有第一动力缸进气阀(9)、第一动力缸排气阀(13)和第一喷射器(11)；所述第一动力缸进气阀(9)通过管道与第一压气缸排气阀(4)连接；
所述第二动力缸(8)上设有第二动力缸进气阀(10)、第二动力缸排气阀(14)和第二喷射器(12)；所述第二动力缸进气阀(10)通过管道与第二压气缸排气阀(5)连接；
所述控制系统包括电子控制单元ECU，所述电子控制单元ECU与压气缸进气阀(2)、第一压气缸排气阀(4)、第二压气缸排气阀(5)、第一动力缸排气阀(13)、第一动力缸进气阀(9)、第二动力缸进气阀(10)和第二动力缸排气阀(14)连接。
2.根据权利要求1所述的缸内增压预混的双燃料发动机，其特征在于，所述第二主轴颈与第一主轴颈相差相位180度，所述第一主轴颈与第三主轴颈相差相位360度。
3.根据权利要求1所述的缸内增压预混的双燃料发动机，其特征在于，所述预混压气缸(6)与第一动力缸(7)或者第二动力缸(8)的体积比范围在1.5:1～2：1之间。
4.根据权利要求1所述的缸内增压预混的双燃料发动机，其特征在于，所述第一燃料喷射器(3)喷射燃料为天然气、甲烷、乙烷、丙烷、丁烷或氢气；所述第一喷射器(11)和第二喷射器(12)为柴油、生物柴油或者两者的混合物。
5.一种缸内增压预混的双燃料发动机控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
S01：设预混压气缸(6)的活塞杆在上止点时，曲轴(1)的转角为0°；当曲轴(1)的转角为0°时，控制系统控制进气阀(2)开启；当曲轴(1)转角达到180°时，预混压气缸(6)的活塞杆在下止点，同时第一动力缸(7)活塞杆在上止点，控制系统控制第一压气缸排气阀(4)与第一动力缸进气阀(9)开启；在曲轴(1)转角达到预混压气缸(6)的活塞杆下止点之后α角度，压气缸进气阀(2)闭合；第一燃料喷射器(3)在压力缸进气阀(2)关闭后喷射燃料；
S02：当曲轴(1)转角达到360°时，预混压气缸(6)的活塞杆在上止点，同时第一动力缸(7)活塞杆在下止点，第一压气缸排气阀(4)和第一动力缸进气阀(9)关闭，压气缸进气阀(2)开启。
S03：当曲轴(1)转角达到540°时，预混压气缸(6)的活塞杆在下止点，同时第一动力缸(7)和第二动力缸(8)活塞杆都在上止点，第一个喷射器(11)喷射燃料，第二压力缸排气阀(5)与第二动力缸进气阀(10)开启；在曲轴(1)转角达到预混压气缸(6)的活塞杆下止点之后α角度，压气缸进气阀(2)闭合；第一燃料喷射器(3)在压力缸进气阀(2)关闭后喷射燃料；
S04：当曲轴(1)转角达到720°时，预混压气缸(6)的活塞杆在上止点，第二个压气缸排气阀(5)和第二动力缸进气阀(10)闭合；压气缸进气阀(2)开启；在曲轴(1)转角达到第一动力缸活塞下止点之前β角度，第一动力缸排气阀(13)开启；
S05：当曲轴(1)转角为900°时，第一动力缸排气阀(13)闭合；第一压气缸排气阀(4)和第一动力缸进气阀(9)开启；第二喷射器(12)喷射燃料；在曲轴(1)转角达到预混压气缸(6)的活塞杆下止点之后α角度，压气缸进气阀(2)闭合；第一燃料喷射器(3)在压力缸进气阀(2)关闭后喷射燃料；
S06：当曲轴(1)转角为1080°时，第一压气缸排气阀(4)和第一动力缸进气阀(9)闭合；压气缸进气阀(2)开启；在曲轴(1)转角达到第二动力缸活塞下止点之前β角度，第二动力缸排气阀16开启；
S07：当曲轴(1)转角为1260°时，第二动力缸排气阀(17)闭合；第二压气缸排气阀(5)和第二动力缸进气阀(10)开启；在曲轴(1)转角达到预混压气缸(6)的活塞杆下止点之后α角度，压气缸进气阀(2)闭合；第一燃料喷射器(3)在压力缸进气阀(2)关闭后喷射燃料。
6.根据权利要求5所述的缸内增压预混的双燃料发动机控制方法，其特征在于，所述α在20°-50°之间。
7.根据权利要求5所述的缸内增压预混的双燃料发动机控制方法，其特征在于，所述β在30°-50°之间。
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