CN108150309A - 高压直喷燃气发动机的低压燃气再利用系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高压直喷燃气发动机的低压燃气再利用系统及方法，高压直喷燃气发动机的低压燃气再利用系统，包括通过高压燃气管路相连接的LNG储瓶、燃气调压模块及高压燃气喷嘴，燃气调压模块和压燃气喷嘴均与发动机电控单元电连接；还包括与高压燃气管路并行的低压燃气管路。低压燃气管路上设置有缓冲罐、电磁切断阀、减压器和低压燃气喷嘴，缓冲罐分别与燃气调压模块、LNG储瓶相连接，缓冲罐上设置有燃气压力传感器，低压燃气喷嘴设置于发动机气缸的进气歧管上。燃气压力传感器、电磁切断阀、减压器、低压燃气喷嘴均与发动机电控单元电连接。本发明的再利用系统对收集的低压燃气被利用时进行了精确的控制，提高天然气的使用效率，避免过多浪费。

Description

高压直喷燃气发动机的低压燃气再利用系统及方法
技术领域
本发明涉及发动机技术领域，尤其涉及一种高压直喷燃气发动机的低压燃气再利用系统及再利用的方法。
背景技术
随着发动机技术的发展和天然气能源的推广应用，近些年天然气发动机产销量呈现出井喷式增长，随之而来的是LNG储瓶技术及设备的大范围使用。目前市场上比较成熟的LNG储瓶，在设计时考虑到安全因素，都会增加一安全阀，一旦LNG储瓶内的压力超出气罐本体安全强度，安全阀就会打开，把LNG储瓶内的高压天然气排出至大气。曾有研究结果表明，就温室气体对温室效应的贡献度而言，LNG储瓶排出的1g CH4所带来的温室效应约是25gCO2的贡献度。由此可以看出，为更好的发展天然气发动机，充分发挥清洁能源的优势，车用LNG储瓶的CH4排放量也应得到重视。
缸内直喷天然气发动机有别于进气预混合的天然气发动机，缸内直喷天然气发动机直接将高压天然气在压缩冲程末端喷射入气缸内。缸内直喷天然气发动机要求将天然气增压至300bar左右的高压，LNG储瓶逃逸出的低压天然气得不到有效利用，天然气的利用率低，浪费严重。
发明内容
为了克服上述现有技术中存在的不足，本发明解决其技术问题是，提供一种高压直喷燃气发动机的低压燃气再利用系统，可以有效利用LNG储瓶及发动机运行过程中产生的低压天然气，提高整车运行经济性。
作为同一个技术构思，本发明所解决的另一个技术问题是，提供一种使用上述高压直喷燃气发动机的低压燃气再利用系统的低压燃气再利用方法。
为解决上述第一个技术问题，本发明所采用的技术方案是：提供一种高压直喷燃气发动机的低压燃气再利用系统，包括：通过高压燃气管路相连接的LNG储瓶、燃气调压模块及高压燃气喷嘴，所述燃气调压模块和所述高压燃气喷嘴均与发动机电控单元电连接；还包括与所述高压燃气管路并行的低压燃气管路；
所述低压燃气管路上设置有缓冲罐、电磁切断阀、减压器和低压燃气喷嘴，所述缓冲罐分别与所述燃气调压模块、所述LNG储瓶相连接，所述缓冲罐上设置有燃气压力传感器，所述低压燃气喷嘴设置于发动机气缸的进气歧管上；
所述燃气压力传感器、所述电磁切断阀、所述减压器、所述低压燃气喷嘴均与所述发动机电控单元电连接。
进一步，所述缓冲罐与所述燃气调压模块和所述LNG储瓶连接的管路上均设置有单向阀。
进一步，所述单向阀分别设置于所述燃气调压模块、所述LNG储瓶的出口位置处。
进一步，所述缓冲罐上设置有安全阀。
为解决上述第二个技术问题，本发明所采用的技术方案是：
高压直喷燃气发动机的低压燃气再利用方法，利用上述的高压直喷燃气发动机的低压燃气再利用系统，包括以下步骤：
a、所述缓冲罐对所述燃气调压模块和所述LNG储瓶中逃逸的低压天然气进行收集，所述燃气压力传感器将所述缓冲罐的燃气压力信息发送给所述发动机电控单元进行实时监控；
b、所述发动机电控单元将所述缓冲罐的燃气压力与预设燃气压力值进行比较，并且所述发动机电控单元根据发动机曲轴转速传感器和油门踏板传送的信号对当前发动机运行工况进行分析判断，并根据当前运行工况确定当前发动机需求燃气的总量；
c、当所述缓冲罐的燃气压力超过预设燃气压力值时，所述发动机电控单元控制发动机进入混合运行模式；并根据发动机运行工况的不同，调整低压燃气混入比例，所述发动机电控单元通过水温传感器信号确定当前低压燃气混入量修正系数，即：当前需求燃气的总量×低压燃气混入比例×低压燃气混入量修正系数为当前低压燃气混入量；当前需求燃气总量-当前低压燃气混入量为当前高压燃气喷射量；
所述发动机电控单元将低压燃气混入量和高压燃气喷射量转换为所述低压燃气喷嘴和所述高压燃气喷嘴的开启时间，所述发动机电控单元通过采集凸轮轴传感器和曲轴转速传感器传送的信号确定发动机当前相位角度，当发动机曲轴旋转至对应气缸的进气冲程末端时，所述发动机电控单元驱动所述电磁切断阀、所述减压器及所述低压燃气喷嘴打开，所述缓冲罐中的低压燃气经减压后进入所述低压燃气喷嘴中，按照转换后的所述低压燃气喷嘴开启时间控制低压燃气实际混入量；当发动机曲轴旋转至对应气缸的压缩行程末端时，所述发动机电控单元驱动所述高压燃气喷嘴打开，按照转换后的所述高压燃气喷嘴开启时间控制高压燃气实际喷射量，并进行燃烧做功。
进一步，当所述缓冲罐的燃气压力未超过预设燃气压力值时，所述发动机电控单元控制发动机进入高压直喷运行模式；
所述发动机电控单元通过采集所述凸轮轴传感器和所述曲轴转速传感器传送的信号确定发动机当前相位角度，当发送机曲轴旋转至对应气缸的压缩行程末端时，所述发动机电控单元驱动所述高压燃气喷嘴打开，将适量天然气以高压状态直接喷入发动机气缸内进行燃烧做功。
进一步，所述缓冲罐上设置有安全阀，当所述缓冲罐的燃气压力超过预设燃气压力值时，所述安全阀自动打开，以降低所述缓冲罐内的燃气压力。
采用了上述技术方案后，本发明的有益效果是：
把LNG储瓶和燃气调压模块中逃逸的低压天然气收集起来，利用进气歧管上的低压燃气喷嘴喷射的方式混合入缸内进行燃烧。从而提高天然气的使用效率，避免过多浪费。
保证发动机正常运行的状态下，为了充分利用收集到的低压燃气，低压燃气控制系统在其被利用时进行了精确的控制，通过发动机电控单元采集发动机上各个传感器的信号，对发动机的运行工况进行监控，从而对低压燃气的混入量和高压燃气的喷射量进行精确管控，并通过发动机电控单元对电磁切断阀和减压器进行管控，提高了整车运行经济性，且更加可靠。
使低压燃气得到充分燃烧而不进一步恶化排放，响应了国家节能环保的号召。
附图说明
图1是本发明高压直喷燃气发动机的低压燃气再利用系统的原理图；
图中：1-燃气调压模块，2-LNG储罐，3-气缸，4-进气歧管，5-减压器，6-高压燃气喷嘴，7-低压燃气喷嘴，8-发动机电控单元，9-油门踏板，10-凸轮轴传感器，11-曲轴转速传感器，12-水温传感器，13-燃气压力传感器，14-缓冲罐，15-单向阀，16-单向阀，17-安全阀，18-电磁切断阀，19-低压燃气管路，20-线束。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，燃气调压模块1，LNG储瓶2及高压燃气喷嘴6通过高压燃气管路连接；高压燃气喷嘴6设置于发动机气缸3内，燃气调压模块1和高压燃气喷嘴6均与发动机电控单元8电连接；构成了高压直喷燃气发动机通常的高压燃气供给控制系统。
本发明高压直喷燃气发动机的低压燃气再利用系统还包括额外增设的低压燃气管路19。
低压燃气管路19上设置有缓冲罐14、电磁切断阀18减压器5和低压燃气喷嘴7；电磁切断阀18用来控制缓冲罐14中气体流向低压燃气喷嘴7的通断。通过减压器5将缓冲罐14内的燃气压力减压至合适压力(一般约为5～7bar)，以保证低压燃气喷嘴7的正常工作。
缓冲罐14分别与燃气调压模块1、LNG储瓶2通过管路连接，并且缓冲罐14与燃气调压模块1和LNG储瓶2连接的管路上均设置单向阀15、16，两个单向阀15、16分别设置于燃气调压模块1、LNG储瓶2的出口位置处；可防止低压燃气回流至燃气调压模块1和LNG储瓶2中。缓冲瓶14用于收集燃气调压模块1和LNG储瓶2产生的低压天然气，低压燃气喷嘴7设置于发动机气缸的进气歧管4上。缓冲罐14上设置有燃气压力传感器13，用于实时监控缓冲罐14内的燃气压力，缓冲罐14上还设置有备用的安全阀17。当缓冲罐14内燃气压力超过一定限值(一般约为16.5bar)，而此时发动机处于未运行状态时，安全阀17自动打开，从而降低缓冲罐14内燃气压力，防止整个系统压力过大带来的风险。
高压直喷燃气发动机的低压燃气再利用方法，具体包括以下步骤：
a、缓冲罐14对燃气调压模块1和LNG储瓶2中逃逸的低压天然气进行收集，安装于缓冲罐14上的燃气压力传感器13将缓冲罐14的燃气压力信息发送给发动机电控单元8，发动机电控单元8对燃气压力进行实时监控；
b、发动机电控单元8将缓冲罐14的燃气压力与预设燃气压力值进行比较，并且发动机电控单元8根据发动机曲轴转速传感器1和油门踏板9传送的信号对当前发动机运行工况进行分析判断，并根据当前运行工况确定当前发动机需求燃气的总量。即：在发动机台架实验中确定出发动机不同运动工况下对应的发动机需求燃气的总量，并将其通过软件程序植入发动机控制单元8中，便于针对发动机不同运行工况直接调用与之相对应的发动机需求燃气的总量。
c、1)当缓冲罐14的燃气压力超过预设燃气压力值时，发动机电控单元8控制发动机进入混合运行模式；并根据发动机运行工况的不同，调整低压燃气混入量占需求燃气总量的比例。同样是在发动机台架实验中确定出发动机不同运动工况下对应低压燃气混入量占需求燃气总量的比例，并将其通过软件程序植入发动机控制单元8中，便于针对发动机不同运行工况直接调用与之相对应的低压燃气混入量占需求燃气总量的比例即低压燃气混入比例。发动机电控单元8通过水温传感器12信号确定当前低压燃气混入量修正系数，低压燃气混入量修正系数的确定方法与上述发动机需求燃气的总量和低压燃气混入量占需求燃气总量的比例的确定方法一样，在此不做赘述。
通过计算公式进行计算，当前需求燃气的总量×低压燃气混入比例×低压燃气混入量修正系数为当前低压燃气混入量；当前需求燃气总量-当前低压燃气混入量为当前高压燃气喷射量；
发动机电控单元8将低压燃气混入量和高压燃气喷射量转换为低压燃气喷嘴7和高压燃气喷嘴6的开启时间，当发动机曲轴旋转至对应气缸3的进气冲程末端时即气缸3内活塞移至下止点前，发动机电控单元8驱动电磁切断阀18、减压器5及低压燃气喷嘴7打开，缓冲罐14中的低压燃气经减压后进入低压燃气喷嘴7中，按照转换后的低压燃气喷嘴7开启时间控制低压燃气实际混入量。进气冲程末端，此时气门未关闭，相当于低压燃气在进气歧管4内和空气进行混合后再进入气缸3中。
发动机电控单元8通过采集凸轮轴传感器10和曲轴转速传感器11传送的信号确定发动机当前相位角度(配气相位)，以避免低压燃气在气门重叠角范围内进入发动机气缸3内；当发动机曲轴旋转至对应气缸3的压缩行程末端时即气缸3内活塞移至上止点前，发动机电控单元8驱动高压燃气喷嘴6打开，按照转换后的高压燃气喷嘴6开启时间控制高压燃气实际喷射量，并进行燃烧做功。
2)当缓冲罐14的燃气压力未超过预设燃气压力值时，发动机电控单元8控制发动机进入高压直喷运行模式。此时电磁切断阀18、减压器5和低压燃气喷嘴7处于关闭状态，发动机电控单元8同样通过采集凸轮轴传感器10和曲轴转速传感器11传送的信号确定出发动机当前相位角度，当发送机曲轴旋转至对应气缸3的压缩行程中活塞移至上止点前，发动机电控单元8驱动高压燃气喷嘴6打开，将适量天然气以高压状态直接喷入发动机气缸3内进行燃烧做功。
3)当缓冲罐14的燃气压力超过预设燃气压力值(一般约为16.5bar)时，发动机电控单元8判断发动机此时处于未运行状态时，缓冲罐14上备用的安全阀17自动打开，以降低缓冲罐14内的燃气压力，防止整个系统压力过大带来的风险。
保证发动机正常运行的状态下，为了充分利用收集到的低压燃气，低压燃气控制系统在其被利用时进行了精确的控制，通过发动机电控单元采集发动机上各个传感器的信号，对发动机的运行工况进行监控，从而对低压燃气的混入量和高压燃气的喷射量进行精确管控，并通过发动机电控单元对电磁切断阀和减压器进行管控，提高了整车运行经济性，且更加可靠。
使低压燃气得到充分燃烧而不进一步恶化排放，响应了国家节能环保的号召。
上面结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (7)

1.高压直喷燃气发动机的低压燃气再利用系统，包括：通过高压燃气管路相连接的LNG储瓶、燃气调压模块及高压燃气喷嘴，所述燃气调压模块和所述高压燃气喷嘴均与发动机电控单元电连接；其特征在于，还包括与所述高压燃气管路并行的低压燃气管路；
所述低压燃气管路上设置有缓冲罐、电磁切断阀、减压器和低压燃气喷嘴，所述缓冲罐分别与所述燃气调压模块、所述LNG储瓶相连接，所述缓冲罐上设置有燃气压力传感器，所述低压燃气喷嘴设置于发动机气缸的进气歧管上；
所述燃气压力传感器、所述电磁切断阀、所述减压器、所述低压燃气喷嘴均与所述发动机电控单元电连接。
2.如权利要求1所述的高压直喷燃气发动机的低压燃气再利用系统，其特征在于，所述缓冲罐与所述燃气调压模块和所述LNG储瓶连接的管路上均设置有单向阀。
3.如权利要求2所述的高压直喷燃气发动机的低压燃气再利用系统，其特征在于，所述单向阀分别设置于所述燃气调压模块、所述LNG储瓶的出口位置处。
4.如权利要求3所述的高压直喷燃气发动机的低压燃气再利用系统，其特征在于，所述缓冲罐上设置有安全阀。
5.高压直喷燃气发动机的低压燃气再利用方法，利用上述权利要求1所述的高压直喷燃气发动机的低压燃气再利用系统，其特征在于，包括以下步骤：
a、所述缓冲罐对所述燃气调压模块和所述LNG储瓶中逃逸的低压天然气进行收集，所述燃气压力传感器将所述缓冲罐的燃气压力信息发送给所述发动机电控单元进行实时监控；
b、所述发动机电控单元将所述缓冲罐的燃气压力与预设燃气压力值进行比较，并且所述发动机电控单元根据发动机曲轴转速传感器和油门踏板传送的信号对当前发动机运行工况进行分析判断，并根据当前运行工况确定当前发动机需求燃气的总量；
c、当所述缓冲罐的燃气压力超过预设燃气压力值时，所述发动机电控单元控制发动机进入混合运行模式；并根据发动机运行工况的不同，调整低压燃气混入比例，所述发动机电控单元通过水温传感器信号确定当前低压燃气混入量修正系数，即：当前需求燃气的总量×低压燃气混入比例×低压燃气混入量修正系数为当前低压燃气混入量；当前需求燃气总量-当前低压燃气混入量为当前高压燃气喷射量；
所述发动机电控单元将低压燃气混入量和高压燃气喷射量转换为所述低压燃气喷嘴和所述高压燃气喷嘴的开启时间，所述发动机电控单元通过采集凸轮轴传感器和曲轴转速传感器传送的信号确定发动机当前相位角度，当发动机曲轴旋转至对应气缸的进气冲程末端时，所述发动机电控单元驱动所述电磁切断阀、所述减压器及所述低压燃气喷嘴打开，所述缓冲罐中的低压燃气经减压后进入所述低压燃气喷嘴中，按照转换后的所述低压燃气喷嘴开启时间控制低压燃气实际混入量；当发动机曲轴旋转至对应气缸的压缩行程末端时，所述发动机电控单元驱动所述高压燃气喷嘴打开，按照转换后的所述高压燃气喷嘴开启时间控制高压燃气实际喷射量，并进行燃烧做功。
6.如权利要求5所述的高压直喷燃气发动机的低压燃气再利用方法，其特征在于，
当所述缓冲罐的燃气压力未超过预设燃气压力值时，所述发动机电控单元控制发动机进入高压直喷运行模式；
所述发动机电控单元通过采集所述凸轮轴传感器和所述曲轴转速传感器传送的信号确定发动机当前相位角度，当发送机曲轴旋转至对应气缸的压缩行程末端时，所述发动机电控单元驱动所述高压燃气喷嘴打开，将适量天然气以高压状态直接喷入发动机气缸内进行燃烧做功。
7.如权利要求6所述的高压直喷燃气发动机的低压燃气再利用方法，其特征在于，
所述缓冲罐上设置有安全阀，当所述缓冲罐的燃气压力超过预设燃气压力值时，所述安全阀自动打开，以降低所述缓冲罐内的燃气压力。
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