CN107387238B - 一种柴油-天然气双燃料系统及控制方法 - Google Patents

一种柴油-天然气双燃料系统及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于双燃料发动机技术领域，涉及一种柴油‑天然气双燃料系统及控制方法。提出的一种柴油‑天然气双燃料系统具有对应多个气缸设置的喷油泵；对应多个气缸还设置有进气总管；进气总管连通空气管道；空气管道与进气总管之间由前至后分别设置有空滤器、增压器和中冷器；中冷器与进气总管之间还设置有增压空气压力传感器、增压空气温度传感器；双燃料系统还设置有燃气供给管路；燃气供给管路上设置有天然气压力传感器、天然气温度传感器天然气压力传感器、天然气温度传感器位于自力式压差平衡阀之后；燃气供给管路通过自力式压差平衡阀与对应各个气缸设置的多个燃气喷射阀相连通。本发明提高了燃气替代率和热效率，降低了燃料消耗成本和排放。

Description

一种柴油-天然气双燃料系统及控制方法
技术领城
本发明属于双燃料发动机技术领域，涉及一种柴油-天然气双燃料系统及控制方法。
背景技术
自我国加入MARPOL 73/78公约后，海事部门对船舶排放提出了更严格的要求;天然气作为一种清洁能源，在降低成本、减少排放，特别是NOX、SOX和颗粒物的排放方面优势明显；近年来，在国家大力发展节能环保产业，推进低碳经济的政策引导下，治理内河船舶的排放污染成为重中之重，现有内河船舶主要由柴油机动力驱动，燃料经济性差，颗粒物、氮氧等排放量大，环境污染严重，而开发使用船用柴油-天然气双燃料发动机对发展绿色航运，打造低碳船舶意义重大。
现有技术中，专利201520405134.1公布了一种直喷型LNG-柴油双燃料系统，包含LNG供气系统、柴油供油系统、电控系统和双燃料喷射系统。但缸内直喷对柴油机缸头改动大，改造成本高，且不适用于小缸径发动机。该技术对原匹配增压器适用性差，无法满足定替代率下空燃比范围调整以实现排放和热效率的最优匹配；专利201510253853.0公布了一种用于汽车的双燃料发动机的双燃料控制系统，控制系统由原车ECU和燃气ECU组成，控制不便，且成本较高。该技术仅适用于车机，对压力波动气源适用性差，无法满足工业用发动机的使用要求；专利201410620534.4公布了一种稀燃气体双燃料点燃式内燃机系统及控制方法，该技术采用2种气体燃料，利用高燃烧性燃料（如氢气）的点燃引燃诸如天然气、液化石油气等气体，属于点燃式内燃机，在现有柴油机的基础上改造，成本异常高昂。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出一种柴油-天然气双燃料系统及控制方法。
本发明通过以下技术方案完成其发明任务：
一种柴油-天然气双燃料系统，所述的双燃料系统具有对应多个气缸设置的喷油泵；所述喷油泵的电子执行器与ECU电连接；喷油泵的喷油量大小由ECU控制电子执行器拉动齿条实现，齿条位置作为反馈信号反馈给ECU用于燃气替代率的闭环控制；对应多个所述的气缸还设置有进气总管；所述的进气总管连通空气管道；所述的空气管道与进气总管之间由前至后分别设置有空滤器、增压器和中冷器；所述的中冷器与进气总管之间还设置有用以对进入进气总管的空气压力、温度进行检测的增压空气压力传感器、增压空气温度传感器；所述的增压空气压力传感器、增压空气温度传感器与所述的ECU电连接；所述的双燃料系统还设置有用以为多个所述的气缸提供天然气的燃气供给管路；所述的燃气供给管路上设置有用以对进入气缸的天然气压力、温度进行检测的天然气压力传感器、天然气温度传感器；所述的天然气压力传感器、天然气温度传感器位于自力式压差平衡阀之后，且天然气压力传感器在前、天然气温度传感器在后；所述燃气供给管路通过自力式压差平衡阀与对应各个气缸设置的多个燃气喷射阀相连通；所述自力式压差平衡阀通过压力反馈管连接所述的进气总管，且所述的压力反馈管与进气总管的连接处位于增压空气压力传感器、增压空气温度传感器与中冷器之间，使进入进气总管的增压空气的压力与进入进气歧管的天然气压力保证恒定的适宜压差，并使天然气压力大于增压空气的压力，既可防止压差太大导致燃气喷射阀无法开启，又可防止压差太小导致增压空气的压力大于天然气压力，喷射背压过大，燃气无法喷入进气管；多个所述的燃气喷射阀均与所述的ECU连接，由所述的ECU控制开启关闭；所述的双燃料系统还具有设置在发动机飞轮端的曲轴转角传感器和设置在发动机减振端的凸轮轴相位传感器；所述的曲轴转角传感器、凸轮轴相位传感器均与所述的ECU连接，ECU通过曲轴转角传感器、凸轮轴相位传感器的信号并结合发动机发火顺序，定时定量喷射燃气；多个气缸的输出端连接排气总管；排气总管上安装有废气旁通阀，废气分别经废气旁通阀、增压器排出；所述增压器后的排气管路设置用以对过量空气系数λ进行检测的氧传感器；氧传感器为ECU提供实际λ，所述的氧传感器电连接所述的ECU，由ECU控制阀门的开度，结合氧传感器反馈给ECU的信号对废气旁通阀进行闭环控制，实现全工况下的过量空气系数λ精确调整，提高了增压器的适用性，从而达到发动机排放和热效率的最优匹配。
一种柴油-天然气双燃料系统的控制方法为：发动机采用纯柴油模式启动，在怠速和负荷在20%以下时，燃气替代率为零，发动机按纯柴油模式运行；发动机启动后，闭合双燃料模式运行外部开关，由ECU根据天然气压力传感器、天然气温度传感器、增压空气压力传感器、增压空气温度传感器所采集的天然气压力、天然气温度、增压空气压力、增压空气温度进行分析；
随着发动机转速、负荷的增加，当发动机转速大于850r/min、齿条位置大于18%、发动机负荷大于20%且冷却水温大于45℃时，双燃料运行模式激活； ECU继续根据所采集的信号进行运行判断，当发动机满足双燃料运行的各激活条件后控制系统自动进入双燃料运行模式， 此时ECU根据燃气替代率的查表值控制燃气的喷射量，并依据燃气供给压力FGP、燃气温度FGT及喷射阀特性计算出燃气喷射持续期；为保证发动机的燃烧性能，根据实际需求调整自力式压差平衡阀的燃气出口压力，满足燃气喷射持续期要求；发动机在保证功率的前提下气进油退，ECU基于转速控制电子执行器减小齿条位置；负载发生变化时即加载或减载，首先是供油量迅速的变化；来维持转速，然后ECU根据内部预先设定好的燃气替代率脉谱图生成当前转速下期望燃气喷射量，随着燃气的增加燃油量逐渐下降；当燃气退出时，为了维持相同的转速和负载需要增加柴油供给量，电子执行器会自动增加齿条位置；当激活条件不满足时，发动机自动退出双燃料模式，也可通过运行开关手动退出。柴油机λ较大，当出现缸内局部区域失火导致热效率降低时可通过增大废气旁通阀开度来减小λ，提高发动机热效率；当NOX排放较高时可减小废气旁通阀开度以提高λ，降低NOX排放，满足区域排放要求。
本发明提出的一种柴油-天然气双燃料系统及控制方法，采用上述技术方案，具有如下有益效果：
（1）本发明不改变原柴油机的主体结构，保留压缩点火与高压缩比不变，发动机零部件基本不变；不改变原发动机的柴油调速控制机制，在保证原柴油机性能不变前提下，增加一套燃气供给系统及废气旁通系统，改动小，改造成本低且燃油与燃气系统共用一个ECU，便于控制，降低了改造成本；
（2）本发明提高了增压器的适用范围，实现了定替代率下的λ范围可调，满足了排放和热效率的最优匹配；燃气压力适用范围广，对压力波动气源适用性强；
（3）本发明改善了稀薄燃烧性能，提高了燃气替代率和热效率，大幅度降低了燃料消耗成本和排放，动力与柴油机持平，燃料经济性、排放性较好，满足国家对绿色动力的环保要求。
附图说明
图1为本发明的系统图。
图中：1、自力式压差平衡阀；2、压力反馈管；3、电子执行器；4、空滤器；5、增压器；6、中冷器；7、进气总管；8、燃气喷射阀；9、喷油泵，10、氧传感器，11、废气旁通阀；12、气缸，13、曲轴转角传感器，14、增压空气压力传感器，15、增压空气温度传感器，16、天然气压力传感器，17、天然气温度传感器,18、ECU，19、凸轮轴相位传感器，20、燃气供给管路。
具体实施方式
结合附图和具体实施案例对本发明的加以说明：
如图1所示，一种柴油-天然气双燃料系统，所述的双燃料系统具有对应多个气缸12设置的喷油泵9；所述喷油泵9的电子执行器3与ECU18电连接；喷油泵9的喷油量大小由ECU18控制电子执行器3拉动齿条实现，齿条位置作为反馈信号反馈给ECU用于燃气替代率的闭环控制；对应多个所述的气缸12还设置有进气总管7；所述的进气总管7连通空气管道；所述的空气管道与进气总管7之间由前至后分别设置有空滤器4、增压器5和中冷器6；所述的中冷器6与进气总管7之间还设置有用以对进入进气总管7的空气压力、温度进行检测的增压空气压力传感器14、增压空气温度传感器15；所述的增压空气压力传感器14、增压空气温度传感器15与所述的ECU电连接；所述的双燃料系统还设置有用以为多个所述的气缸提供天然气的燃气供给管路；所述的燃气供给管路20上设置有用以对进入气缸的天然气压力、温度进行检测的天然气压力传感器16、天然气温度传感器17；所述的天然气压力传感器16、天然气温度传感器17位于自力式压差平衡阀1之后，且天然气压力传感器16在前、天然气温度传感器17在后；所述燃气供给管路20通过自力式压差平衡阀1与对应各个气缸设置的多个燃气喷射阀8相连通；所述自力式压差平衡阀1通过压力反馈管2连接所述的进气总管7，且所述的压力反馈管2与进气总管7的连接处位于增压空气压力传感器14、增压空气温度传感器15与中冷器6之间，使进入进气总管的增压空气的压力与进入进气歧管的天然气压力保证恒定的适宜压差，并使天然气压力大于增压空气的压力，既可防止压差太大导致燃气喷射阀无法开启，又可防止压差太小导致增压空气的压力大于天然气压力，喷射背压过大，燃气无法喷入进气管；多个所述的燃气喷射阀8均与所述的ECU18连接，由所述的ECU18控制开启关闭；所述的双燃料系统还具有设置在发动机飞轮端的曲轴转角传感器13和设置在发动机减振端的凸轮轴相位传感器19；所述的曲轴转角传感器13、凸轮轴相位传感器19均与所述的ECU18连接，ECU18通过曲轴转角传感器13、凸轮轴相位传感器19的信号并结合发动机发火顺序，定时定量喷射燃气；多个气缸8的输出端连接排气总管21；排气总管21上安装有废气旁通阀15，废气分别经废气旁通阀15、增压器5排出；所述增压器5后的排气管路设置用以对过量空气系数λ进行检测的氧传感器10；氧传感器10为ECU15提供实际λ，所述的氧传感器电连接所述的ECU，由ECU控制阀门的开度，结合氧传感器反馈给ECU的信号对废气旁通阀进行闭环控制，实现全工况下的过量空气系数λ精确调整，提高了增压器的适用性，从而达到发动机排放和热效率的最优匹配。
一种柴油-天然气双燃料系统的控制方法为：发动机采用纯柴油模式启动，在怠速和负荷在20%以下时，燃气替代率为零，发动机按纯柴油模式运行；发动机启动后，闭合双燃料模式运行外部开关，由ECU根据天然气压力传感器、天然气温度传感器、增压空气压力传感器、增压空气温度传感器所采集的天然气压力、天然气温度、增压空气压力、增压空气温度进行分析；
随着发动机转速、负荷的增加，当发动机转速大于850r/min、齿条位置大于18%、发动机负荷大于20%且冷却水温大于45℃时，双燃料运行模式激活； ECU继续根据所采集的信号进行运行判断，当发动机满足双燃料运行的各激活条件后控制系统自动进入双燃料运行模式， 此时ECU根据燃气替代率的查表值控制燃气的喷射量，并依据燃气供给压力FGP、燃气温度FGT及喷射阀特性计算出燃气喷射持续期；为保证发动机的燃烧性能，根据实际需求调整自力式压差平衡阀的燃气出口压力，满足燃气喷射持续期要求；发动机在保证功率的前提下气进油退，ECU基于转速控制电子执行器减小齿条位置；负载发生变化时即加载或减载，首先是供油量迅速的变化；来维持转速，然后ECU根据内部预先设定好的燃气替代率脉谱图生成当前转速下期望燃气喷射量，随着燃气的增加燃油量逐渐下降；当燃气退出时，为了维持相同的转速和负载需要增加柴油供给量，电子执行器会自动增加齿条位置；当激活条件不满足时，发动机自动退出双燃料模式，也可通过运行开关手动退出。柴油机λ较大，当出现缸内局部区域失火导致热效率降低时可通过增大废气旁通阀开度来减小λ，提高发动机热效率；当NOX排放较高时可减小废气旁通阀开度以提高λ，降低NOX排放，满足区域排放要求。

Claims (1)

1.一种柴油-天然气双燃料系统的控制方法，所述的双燃料系统具有对应多个气缸设置的喷油泵；所述喷油泵的电子执行器与ECU电连接；喷油泵的喷油量大小由ECU控制电子执行器拉动齿条实现，齿条位置作为反馈信号反馈给ECU用于燃气替代率的闭环控制；对应多个所述的气缸还设置有进气总管；所述的进气总管连通空气管道；所述的空气管道与进气总管之间由前至后分别设置有空滤器、增压器和中冷器；所述的中冷器与进气总管之间还设置有用以对进入进气总管的空气压力、温度进行检测的增压空气压力传感器、增压空气温度传感器；所述的增压空气压力传感器、增压空气温度传感器与所述的ECU电连接；其特征在于；所述的双燃料系统还设置有用以为多个所述的气缸提供天然气的燃气供给管路；所述的燃气供给管路上设置有用以对进入气缸的天然气压力、温度进行检测的天然气压力传感器、天然气温度传感器；所述的天然气压力传感器、天然气温度传感器位于自力式压差平衡阀之后，且天然气压力传感器在前、天然气温度传感器在后；所述燃气供给管路通过自力式压差平衡阀与对应各个气缸设置的多个燃气喷射阀相连通；所述自力式压差平衡阀通过压力反馈管连接所述的进气总管，且所述的压力反馈管与进气总管的连接处位于增压空气压力传感器、增压空气温度传感器与中冷器之间，使进入进气总管的增压空气的压力与进入进气歧管的天然气压力保证恒定的适宜压差，并使天然气压力大于增压空气的压力，既防止压差太大导致燃气喷射阀无法开启，又防止压差太小导致增压空气的压力大于天然气压力，喷射背压过大，燃气无法喷入进气管；多个所述的燃气喷射阀均与所述的ECU连接，由所述的ECU控制开启关闭；所述的双燃料系统还具有设置在发动机飞轮端的曲轴转角传感器和设置在发动机减振端的凸轮轴相位传感器；所述的曲轴转角传感器、凸轮轴相位传感器均与所述的ECU连接，ECU通过曲轴转角传感器、凸轮轴相位传感器的信号并结合发动机发火顺序，定时定量喷射燃气；多个气缸的输出端连接排气总管；排气总管上安装有废气旁通阀，废气分别经废气旁通阀、增压器排出；所述增压器后的排气管路设置用以对过量空气系数λ进行检测的氧传感器；氧传感器为ECU提供实际λ，所述的氧传感器电连接所述的ECU，由ECU控制阀门的开度，结合氧传感器反馈给ECU的信号对废气旁通阀进行闭环控制，实现全工况下的过量空气系数λ精确调整，提高了增压器的适用性，从而达到发动机排放和热效率的最优匹配；该控制方法为：发动机采用纯柴油模式启动，在怠速和负荷在20%以下时，燃气替代率为零，发动机按纯柴油模式运行；发动机启动后，闭合双燃料模式运行外部开关，由ECU根据天然气压力传感器、天然气温度传感器、增压空气压力传感器、增压空气温度传感器所采集的天然气压力、天然气温度、增压空气压力、增压空气温度进行分析；随着发动机转速、负荷的增加，当发动机转速大于850r/min、齿条位置大于18%、发动机负荷大于20%且冷却水温大于45℃时，双燃料运行模式激活； ECU继续根据所采集的信号进行运行判断，当发动机满足双燃料运行的各激活条件后控制系统自动进入双燃料运行模式， 此时ECU根据燃气替代率的查表值控制燃气的喷射量，并依据燃气供给压力、燃气温度及喷射阀特性计算出燃气喷射持续期；为保证发动机的燃烧性能，根据实际需求调整自力式压差平衡阀的燃气出口压力，满足燃气喷射持续期要求；发动机在保证功率的前提下气进油退，ECU基于转速控制电子执行器减小齿条位置；负载发生变化时即加载或减载时，首先是供油量迅速的变化来维持转速，然后ECU根据内部预先设定好的燃气替代率脉谱图生成当前转速下期望燃气喷射量，随着燃气的增加燃油量逐渐下降；当燃气退出时，为了维持相同的转速和负载需要增加柴油供给量，电子执行器会自动增加齿条位置；当激活条件不满足时，发动机自动退出双燃料模式，或通过运行开关手动退出；柴油机的过量空气系数λ较大，当出现缸内局部区域失火导致热效率降低时通过增大废气旁通阀开度来减小过量空气系数λ，提高发动机热效率；当NOX排放较高时减小废气旁通阀开度以提高过量空气系数λ，降低NOX排放，满足区域排放要求。
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