CN108343534B - 一种活性控制压燃发动机可变燃油供给系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种活性控制压燃发动机可变燃油供给系统，包括电控单元ECU、第一燃油箱、第二燃油箱、第三燃油箱和备用油箱；第一燃油箱、第二燃油箱、第三燃油箱均为单一燃料油箱，三个油箱的出口均各自设有一个步进电机式电磁阀，三个出口连接到一起后连通到共轨油管的进口。备用油箱为回收油路残留燃料的油箱，该油箱内的燃油一般为混合燃料，用于提供热机、工况过渡与燃料更换时发动机运转时的燃料所需。本发明可实现快速平稳地更换单一燃油或混合燃料而不需停机，减少了时间的消耗；可实现多燃料在线实时配比，而不必提前进行配比；可实现不同物理化学特性的燃料的供给，减少配比时间消耗。

Description

一种活性控制压燃发动机可变燃油供给系统
技术领域
本发明涉及内燃机领域，具体涉及到一种活性控制压燃发动机可变燃油供给系统。
背景技术
随着高效率清洁化的不断推进，内燃机的燃烧方式也不断创新。国外以美国Wisconsin大学Reitz教授为代表，通过对比均质压燃(HCCI)、预混压燃(PCCI)、双燃料预混压燃(PCI)等不同的低温燃烧方式后，提出了一种新型的柴油机燃烧方式——活性控制压燃(RCCI)。RCCI燃烧方式是通过进气道喷射低活性燃料(低活性燃料泛指高辛烷值燃料，如汽油、甲醇、乙醇、丁醇等)，形成缸内预混均质充量，再向缸内预混均质充量氛围内喷射高活性燃料(高活性燃料泛指高十六烷值燃料，如柴油、生物柴油、二甲醚等)，从而实现缸内分层混合气压燃的一种燃烧方式(分层混合气即指存在活性分层、当量比分层与温度分层的混合气)。RCCI已被证实可同时实现NOX与碳烟的超低排放与几近60％的超高热效率，是一种极具潜力的清洁、高效、可控的柴油机燃烧方式。
尽管RCCI是一种具有发展前景的燃烧方式，但同时也存在一些问题。一方面，当向高负荷拓展时，RCCI燃烧模式同样存在压升率过高，碳烟和NOX排放超标的问题。另一方面，在小负荷下，高浓度的CO和未燃碳氢化合物UHC排放问题尤其突出。针对RCCI的负荷拓展的问题，学者们发现燃料的物理化学特性对其具有重要的影响。为此，学者们围绕燃料的物理化学特性对RCCI燃烧与排放的影响相继开展了大量的发动机台架试验研究。
然而，在进行试验探究过程中发现如下问题：
1、在更换不同的燃料时，发动机需停机，造成能源与时间的浪费；
2、在进行多燃料掺混时，需要提前配比混合燃料，配比过程消耗大量的时间；
3、配比好的混合燃料，其物理化学特性无法改变，需要新的物理化学特性的燃料时，则需重新进行配比；
4、在更换已配比好的混合燃料时，需排净油路中的已有燃料，换为试验用的新燃料，这造成了能源与时间的浪费；
5、在进行多燃料掺混时，混合燃料的配比量难以确定：配比量不足，需重新配比，造成时间的浪费；配比过量造成能源浪费；
这些问题的存在，造成了试验过程中大量的时间与能源的浪费，过长时间的试验使得环境参数的改变对试验结果的影响不能忽略，从而使对比试验的结果可信度降低。
发明内容
本发明旨在设计一种活性控制压燃发动机可变燃油供给系统，该系统既能供给不同物理化学特性的燃料并实现灵活配比，又能实现不同燃料之间快速、平稳的切换，缩短试验时长，减少能源浪费，提高试验可信度。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：
一种活性控制压燃发动机可变燃油供给系统，包括电控单元ECU、第一燃油箱、第二燃油箱、第三燃油箱和备用油箱；
第一燃油箱内设有第一燃油泵，第一燃油泵的出油口连接第一步进电机式电磁阀后连通到四通管的第一油口；第二燃油箱内设有第二燃油泵，第二燃油泵的出油口连接第二步进电机式电磁阀后连通到四通管的第二油口；第三燃油箱内设有第三燃油泵，第三燃油泵的出油口连接第三步进电机式电磁阀后连通到四通管的第三油口；备用油箱内设有第四燃油泵，第四燃油泵的出油口连接第五直动式电磁阀后连通到T型三通管的第三油口；备用油箱的第一回油口连接第六直动式电磁阀后连通到共轨油管的出口H；
四通管的第四油口连接第一直动式电磁阀后连通到T型三通管的第一油口；T型三通管的第二油口连通到共轨油管的进口K；共轨油管固定在进气管上方，使得喷油器的喷嘴能够伸入进气道内；共轨油管的出口E连接第四直动式电磁阀后连通到第一燃油箱的回油口；共轨油管的出口F连接第三直动式电磁阀后连通到第二燃油箱的回油口；共轨油管的出口G连接第二直动式电磁阀后连通到第三燃油箱的回油口；
第一燃油泵、第二燃油泵、第三燃油泵、第四燃油泵、第一步进电机式电磁阀、第二步进电机式电磁阀、第三步进电机式电磁阀、第一直动式电磁阀、第二直动式电磁阀、第三直动式电磁阀、第四直动式电磁阀、第五直动式电磁阀、第六直动式电磁阀均与电控单元ECU相连。
根据上述方案，所述四通管与第一直动式电磁阀还连接有二级稳压箱；所述四通管的第四油口连通到T型电磁三通阀的进口O，T型电磁三通阀的出口P连接单向阀后连通到二级稳压箱的进口D，T型电磁三通阀的出口Q连通到二级稳压箱的进口A；二级稳压箱的出口B连接第七直动式电磁阀后连通到备用油箱的第二回油口；二级稳压箱的出口C连接第一直动式电磁阀后连通到T型三通管的第一油口；T型电磁三通阀开启时进口O和出口P相通，关闭时进口O和出口Q相通；T型电磁三通阀和第七直动式电磁阀均与电控单元ECU相连。
根据上述方案，所述第一燃油泵与第一步进电机式电磁阀之间还连接有第一电磁式燃料流量计；所述第二燃油泵与第二步进电机式电磁阀之间还连接有第二电磁式燃料流量计；所述第三燃油泵与第三步进电机式电磁阀之间还连接有第三电磁式燃料流量计；第一电磁式燃料流量计、第二电磁式燃料流量计、第三电磁式燃料流量计均与电控单元ECU相连。
进一步的，所述第一燃油泵与第一电磁式燃料流量计之间还连接有第一燃油滤清器；所述第二燃油泵与第二电磁式燃料流量计之间还连接有第二燃油滤清器；所述第三燃油泵与第三电磁式燃料流量计之间还连接有第三燃油滤清器。
根据上述方案，所述备用油箱底部的设有放油阀门，并且备用油箱中设有燃油液位计。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：可实现快速平稳地更换单一燃油或混合燃料而不需停机，减少了时间的消耗；可实现多燃料在线实时配比，而不必提前进行配比；可实现不同物理化学特性的燃料的供给，减少配比时间消耗；可实现燃料在更换时的回收，并且充分利用回收燃料进行暖机等过渡工况，减少能源的浪费；可实现燃料配比量的按需配比，减少能源浪费；可实现试验时间的集中，增加了试验结果的可信度。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明中共轨油管的结构示意图；
图3为图2中A-A向剖切示意图；
图4为本发明中二级稳压箱的正视结构示意图；
图5为本发明中二级稳压箱的俯视结构示意图；
图6为本发明中二级稳压箱的左视结构示意图；
图7为图4中B-B向剖切示意图(局部)；
图8为本发明中T型电磁三通阀打开时的结构示意图；
图9为本发明中T型电磁三通阀关闭时的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明，图中各标号的释义为：1-第一燃油箱，2-第一燃油泵，3-第二燃油箱，4-第二燃油泵，5-第三燃油箱，6-第三燃油泵，71-第一燃油滤清器，72-第二燃油滤清器，73-第三燃油滤清器，8-第三电磁式燃料流量计，9-第二电磁式燃料流量计，10-第二步进电机式电磁阀，11-第三步进电机式电磁阀，12-T型电磁三通阀，13-单向阀，14-第一直动式电磁阀，15-第二直动式电磁阀，16-第三直动式电磁阀，17-第四直动式电磁阀，18-共轨油管，19-喷油器，20-进气道，21-T型三通管，22-第五直动式电磁阀，23-第六直动式电磁阀，24-二级稳压箱，25-第七直动式电磁阀，26-四通管，27-备用油箱，28-第四燃油泵，29-燃油液位计，30-放油阀门，31-第一步进电机式电磁阀，32-第一电磁式燃料流量计。
本发明包括电控单元ECU、第一燃油箱1、第二燃油箱3、第三燃油箱5和备用油箱27，第一燃油箱1、第二燃油箱3和第三燃油箱5均为单一燃料油箱。
第一燃油箱1内设有第一燃油泵2，第一燃油泵2的出油口依次连接第一燃油滤清器71、第一电磁式燃料流量计32和第一步进电机式电磁阀31后连通到四通管26的第一油口。
第二燃油箱3内设有第二燃油泵4，第二燃油泵4的出油口依次连接第二燃油滤清器72、第二电磁式燃料流量计9和第二步进电机式电磁阀10后连通到四通管26的第二油口。
第三燃油箱5内设有第三燃油泵6，第三燃油泵6的出油口依次连接第三燃油滤清器73、第三电磁式燃料流量计8和第三步进电机式电磁阀11后连通到四通管26的第三油口。
备用油箱27为回收油路残留燃料的油箱，该油箱内的燃油一般为混合燃料，用于提供热机、工况过渡与燃料更换时发动机运转时的燃料所需。备用油箱27内设有第四燃油泵28，第四燃油泵28的出油口连接第五直动式电磁阀22后连通到T型三通管21的第三油口。备用油箱27的第一回油口连接第六直动式电磁阀23后连通到共轨油管18的出口H。备用油箱27内设有燃油液位计29，用于检测备用油箱27内燃油的液位情况。在备用油箱27中的燃油超过限值前，打开备用油箱27底部的放油阀门30放出备用油箱27内的燃油，并贮存在储用油箱中；在备用油箱27内的燃油低于限值前，可将储用油箱中的燃油倒回备用油箱27中。
四通管26的第四油口连通到T型电磁三通阀12的进口O，T型电磁三通阀12的出口P连接单向阀13后连通到二级稳压箱24的进口D，T型电磁三通阀12的出口Q连通到二级稳压箱24的进口A。T型电磁三通阀12开启时进口O和出口P相通，关闭时进口O和出口Q相通。单向阀13使得燃油只能从T型电磁三通阀12的出口P流向二级稳压箱24的进口D。
二级稳压箱24的出口B连接第七直动式电磁阀25后连通到备用油箱27的第二回油口。二级稳压箱24的出口C连接第一直动式电磁阀14后连通到T型三通管21的第一油口。T型三通管21的第二油口连通到共轨油管18的进口K。共轨油管18固定在进气管上方，使得喷油器19的喷嘴能够伸入进气道20内。
共轨油管18的出口E连接第四直动式电磁阀17后连通到第一燃油箱1的回油口；共轨油管18的出口F连接第三直动式电磁阀16后连通到第二燃油箱3的回油口；共轨油管18的出口G连接第二直动式电磁阀15后连通到第三燃油箱5的回油口。
第一燃油泵2、第二燃油泵4、第三燃油泵6、第一电磁式燃料流量计32、第二电磁式燃料流量计9、第三电磁式燃料流量计8、第一步进电机式电磁阀31、第二步进电机式电磁阀10、第三步进电机式电磁阀11、第一直动式电磁阀14、第二直动式电磁阀15、第三直动式电磁阀16、第四直动式电磁阀17、第五直动式电磁阀22、第六直动式电磁阀23、第七直动式电磁阀25、T型电磁三通阀12均与电控单元ECU相连，通过电控单元ECU控制阀门的开闭、阀门的开口大小以及燃油泵的工作状态，并且接收流量计传来的流量信号。
本发明实现单燃料供给及转换时，按如下方式操作：
假设第一燃油箱1中所装燃料为汽油，第二燃油箱3中所装燃料为甲醇，第三燃油箱5中所装燃料为乙醇。
实现汽油的单一燃料供给时，电控单元ECU控制关闭第二步进电机式电磁阀10、第三步进电机式电磁阀11、第二直动式电磁阀15、第三直动式电磁阀16、第五直动式电磁阀22、第六直动式电磁阀23、第七直动式电磁阀25，停止运行第二燃油泵4、第三燃油泵6、第四燃油泵28，打开第一步进电机式电磁阀31、T型电磁三通阀12、第一直动式电磁阀14、第四直动式电磁阀17，运行第一燃油泵2。此时第一燃油泵2将一定压力的汽油从第一燃油箱1中输出，先后经过第一燃油滤清器71、第一步进电机式电磁阀31、四通管26、T型电磁三通阀12后进入二级稳压箱24，当汽油充满二级稳压箱24后经过第一直动式电磁阀14进入共轨油管18，并将一定压力的汽油从喷油器19喷入进气道20。共轨油管18中过量供给的汽油经过第四直动式电磁阀17回油到第一燃油箱1中。
若需将燃料切换为另一种单一燃料时，如将汽油切换为甲醇，本发明可通过如下两个步骤实现：
步骤一，将供油管道和二级稳压箱24中的原燃料(汽油)排清，并通过向发动机供给备用油箱27中的燃油保证发动机不停机。电控单元ECU控制关闭第一步进电机式电磁阀31、第三步进电机式电磁阀11、第一直动式电磁阀14、第二直动式电磁阀15、第三直动式电磁阀16、第四直动式电磁阀17，停止运行第一燃油泵2、第三燃油泵6，电控单元ECU控制打开第二步进电机式电磁阀10、T型电磁三通阀12、第五直动式电磁阀22、第六直动式电磁阀23和第七直动式电磁阀25，运行第二燃油泵4和第四燃油泵28。此时备用油箱27中的燃料经第四燃油泵28以一定压力输出，经过第五直动式电磁阀22后进入共轨油管18，在喷油器19不断将燃油喷入进气道20的同时将管内汽油排出，共轨油管18内过量供给的燃料经第六直动式电磁阀23回油到备用油箱27中。同时，第二燃油箱3中的甲醇经第二燃油泵4以一定压力输出，经第二燃油滤清器72、第二步进电机式电磁阀10、四通管26、T型电磁三通阀12和单向阀13进入二级稳压箱24，新进入的甲醇不断将二级稳压箱24中的汽油向外挤，二级稳压箱24内的汽油通过第七直动式电磁阀25进入备用油箱27中，直到完全排出为止。原燃料清除所需的时间可以通过排空法进行理论计算确定。
步骤二，向发动机供给新的单一燃料。原燃料排清后，二级稳压箱24中全部为甲醇燃料。电控单元ECU控制关闭第一步进电机式电磁阀31、第三步进电机式电磁阀11、第二直动式电磁阀15、第三直动式电磁阀16、第四直动式电磁阀17、第五直动式电磁阀22、第七直动式电磁阀25，停止运行第一燃油泵2、第三燃油泵6、第四燃油泵28，电控单元ECU控制打开第二步进电机式电磁阀10、T型电磁三通阀12、第一直动式电磁阀14、第六直动式电磁阀23，运行第二燃油泵4。此时第二燃油箱3中的甲醇燃料经第二燃油泵4以一定压力输出，依次经过第二燃油滤清器72、第二步进电机式电磁阀10、四通管26、T型电磁三通阀12、单向阀13后进入二级稳压箱24中，而此时二级稳压箱24中已充满甲醇燃料。甲醇再经过第一直动式电磁阀14进入共轨油管18，并以一定压力从喷油器19喷入进气道20。此时共轨油管18中还残留有一定备用油箱27的混合燃料，通过第六直动式电磁阀23回油到备用油箱27中。利用排空法可以计算出共轨油管18内充满单一甲醇燃料的时间。当整个油路中仅为单一燃料甲醇后，电控单元ECU控制关闭第六直动式电磁阀23，同时打开第三直动式电磁阀16，共轨油管18中过量供给的燃料经第三直动式电磁阀16回油到第二燃油箱3中。至此，整个单一燃料切换过程完成。
本发明用于多燃料在线实时配比与供给时，按如下方式操作：
若需将燃料切换为多燃料时，如将单一甲醇燃料切换为汽油与乙醇的混合燃料，本发明通过如下两个步骤实现：
步骤一，将供油管道与二级稳压箱24中的原燃料(甲醇)排清，并通过向发动机供给备用油箱27中的燃油保证发动机不停机。电控单元ECU控制关闭第二步进电机式电磁阀10、第一直动式电磁阀14、第二直动式电磁阀15、第三直动式电磁阀16、第四直动式电磁阀17，停止运行第二燃油泵4。电控单元ECU控制打开第三步进电机式电磁阀11、T型电磁三通阀12、第一步进电机式电磁阀31、第五直动式电磁阀22、第六直动式电磁阀23、第七直动式电磁阀25，运行第一燃油泵2、第三燃油泵6、第四燃油泵28，并且将汽油与乙醇的配比信息输入给电控单元ECU，电控单元ECU根据信号控制第三步进电机式电磁阀11及第一步进电机式电磁阀31的相对开口大小。此时，备用油箱27中的混合燃料经第四燃油泵28以一定压力输出，经过第五直动式电磁阀22后进入共轨油管18，在喷油器19不断将燃油喷入进气道20的同时将管内甲醇排出，共轨油管18内多余的燃油经第六直动式电磁阀23回油到备用油箱27中。同时，第一燃油箱1中的汽油经第一燃油泵2以一定压力输出，经过第一燃油滤清器71、第一步进电机式电磁阀31进入四通管26；第三燃油箱5中的乙醇经第三燃油泵6以一定的压力输出，经过第三燃油滤清器73、第三步进电机式电磁阀11进入四通管26；汽油与乙醇在四通管26内汇合，两种燃料一起经过T型电磁三通阀12和单向阀13后进入二级稳压箱24。二级稳压箱24具有一定的缓冲作用，使得汽油与乙醇在箱内能够充分混合，成为混合燃料。当汽油与乙醇充分混合并充满二级稳压箱24后，再经过第七直动式电磁阀25进入备用油箱27中，直到将二级稳压箱24内的甲醇完全排出。并且，第二电磁式燃料流量计9和第一电磁式燃料流量计32分别将乙醇和汽油的流量信息反馈给电控单元ECU，电控单元ECU根据流量信息情况实时调整第三步进电机式电磁阀11和第一步进电机式电磁阀31的开口大小，直到第二电磁式燃料流量计9和第一电磁式燃料流量计32所反馈的流量比例符合配比且趋于稳定为止。原燃料清除所需的时间可以通过排空法进行理论计算确定。
步骤二，向发动机提供新的混合燃料。原燃料排清后，二级稳压箱24内全部为一定配比比例的汽油和乙醇混合燃料。电控单元ECU控制关闭第二步进电机式电磁阀10、第二直动式电磁阀15、第三直动式电磁阀16、第四直动式电磁阀17、第五直动式电磁阀22、第七直动式电磁阀25，停止运行第二燃油泵4、第四燃油泵28，电控单元ECU控制打开第三步进电机式电磁阀11、第一步进电机式电磁阀31、T型电磁三通阀12、第一直动式电磁阀14、第六直动式电磁阀23，运行第一燃油泵2、第三燃油泵6。第一燃油箱1中的汽油经第一燃油泵2以一定压力输出，经过第一燃油滤清器71、第一步进电机式电磁阀31进入四通管26；第三燃油箱5中的乙醇经第三燃油泵6以一定的压力输出，经过第三燃油滤清器73、第三步进电机式电磁阀11进入四通管26；汽油与乙醇在四通管26内汇合，两种燃料一起经过T型电磁三通阀12后进入二级稳压箱24。而此时二级稳压箱24内已充满一定比例的汽油与乙醇两种燃料，并且已充分混合。混合燃料再经过第一直动式电磁阀14后进入共轨油管18，并将一定压力和比例的汽油乙醇混合燃料从喷油器19喷入进气道20。共轨油管18中过量供给的混合燃料经过第六直动式电磁阀23回油到备用油箱27中。至此，整个多燃料切换过程完成。

Claims (4)

1.一种活性控制压燃发动机可变燃油供给系统，其特征在于：包括电控单元ECU、第一燃油箱(1)、第二燃油箱(3)、第三燃油箱(5)和备用油箱(27)；
第一燃油箱(1)内设有第一燃油泵(2)，第一燃油泵(2)的出油口连接第一步进电机式电磁阀(31)后连通到四通管(26)的第一油口；第二燃油箱(3)内设有第二燃油泵(4)，第二燃油泵(4)的出油口连接第二步进电机式电磁阀(10)后连通到四通管(26)的第二油口；第三燃油箱(5)内设有第三燃油泵(6)，第三燃油泵(6)的出油口连接第三步进电机式电磁阀(11)后连通到四通管(26)的第三油口；备用油箱(27)内设有第四燃油泵(28)，第四燃油泵(28)的出油口连接第五直动式电磁阀(22)后连通到T型三通管(21)的第三油口；备用油箱(27)的第一回油口连接第六直动式电磁阀(23)后连通到共轨油管(18)的出口H；
四通管(26)的第四油口连接第一直动式电磁阀(14)后连通到T型三通管(21)的第一油口；T型三通管(21)的第二油口连通到共轨油管(18)的进口K；共轨油管(18)固定在进气管上方，使得喷油器(19)的喷嘴能够伸入进气道(20)内；共轨油管(18)的出口E连接第四直动式电磁阀(17)后连通到第一燃油箱(1)的回油口；共轨油管(18)的出口F连接第三直动式电磁阀(16)后连通到第二燃油箱(3)的回油口；共轨油管(18)的出口G连接第二直动式电磁阀(15)后连通到第三燃油箱(5)的回油口；
第一燃油泵(2)、第二燃油泵(4)、第三燃油泵(6)、第四燃油泵(28)、第一步进电机式电磁阀(31)、第二步进电机式电磁阀(10)、第三步进电机式电磁阀(11)、第一直动式电磁阀(14)、第二直动式电磁阀(15)、第三直动式电磁阀(16)、第四直动式电磁阀(17)、第五直动式电磁阀(22)、第六直动式电磁阀(23)均与电控单元ECU相连；
所述四通管(26)与第一直动式电磁阀(14)还连接有二级稳压箱(24)；所述四通管(26)的第四油口连通到T型电磁三通阀(12)的进口O，T型电磁三通阀(12)的出口P连接单向阀(13)后连通到二级稳压箱(24)的进口D，T型电磁三通阀(12)的出口Q连通到二级稳压箱(24)的进口A；二级稳压箱(24)的出口B连接第七直动式电磁阀(25)后连通到备用油箱(27)的第二回油口；二级稳压箱(24)的出口C连接第一直动式电磁阀(14)后连通到T型三通管(21)的第一油口；T型电磁三通阀(12)开启时进口O和出口P相通，关闭时进口O和出口Q相通；T型电磁三通阀(12)和第七直动式电磁阀(25)均与电控单元ECU相连。
2.根据权利要求1所述的一种活性控制压燃发动机可变燃油供给系统，其特征在于：所述第一燃油泵(2)与第一步进电机式电磁阀(31)之间还连接有第一电磁式燃料流量计(32)；所述第二燃油泵(4)与第二步进电机式电磁阀(10)之间还连接有第二电磁式燃料流量计(9)；所述第三燃油泵(6)与第三步进电机式电磁阀(11)之间还连接有第三电磁式燃料流量计(8)；第一电磁式燃料流量计(32)、第二电磁式燃料流量计(9)、第三电磁式燃料流量计(8)均与电控单元ECU相连。
3.根据权利要求2所述的一种活性控制压燃发动机可变燃油供给系统，其特征在于：所述第一燃油泵(2)与第一电磁式燃料流量计(32)之间还连接有第一燃油滤清器(71)；所述第二燃油泵(4)与第二电磁式燃料流量计(9)之间还连接有第二燃油滤清器(72)；所述第三燃油泵(6)与第三电磁式燃料流量计(8)之间还连接有第三燃油滤清器(73)。
4.根据权利要求1所述的一种活性控制压燃发动机可变燃油供给系统，其特征在于：所述备用油箱(27)的底部设有放油阀门(30)，并且备用油箱(27)中设有燃油液位计(29)。
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