CN109681318B - 以氧气为氧化剂的烃类燃料点燃式零氮转子机及其控制方法 - Google Patents

以氧气为氧化剂的烃类燃料点燃式零氮转子机及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明设计了以氧气为氧化剂的烃类燃料点燃式零氮转子机及其控制方法，以发动机的转速为信号，结合氧浓度传感器(7)、CO浓度传感器(14)的信号，调节燃料流量计(3)、位于氧气输送管路中的氧气流量调节器(9)、气体流量调节器(15)，使转子发动机的过氧浓度系数维持在一个合适的区间，提升发动机的燃烧效率，采用纯氧进气的方式除去进气中的氮气，改善转子机的排放性能，实现转子机零氮排放。由于该装置采用清洁氧化剂，克服了传统发动机进气中氮气在缸内高温环境中生成氮氧化物(NOx)的缺点；因此实现了发动机零排放。

Description

以氧气为氧化剂的烃类燃料点燃式零氮转子机及其控制方法
技术领域
本发明提供了一种以氧气为氧化剂的烃类燃料点燃式零氮转子机控制方法，涉及转子发动机纯氧燃烧及烃类燃料的供给方法，属于内燃机领域。
背景技术
随着环境问题越来越受到广大人民的重视，各国对污染的监控也越来越严格。汽车尾气排放在这种环境下也被推到了前台，各国都相继推出了相关法规来限制汽车尾气的排放。因此，降低发动机油耗和排放已经成为了当前内燃机领域的主流研究方向。
与往复式活塞机相比，转子发动机具有体积小、重量轻、结构简单，功重比大等优点，世界各国已将转子机广泛应用于无人机、军用特种车辆、海军陆战队登陆艇、小型船舶和轻便式发电机等领域。然而，转子机也存在着燃油经济性差和排放高等问题，造成这些问题的主要原因是转子机狭长的燃烧室结构不利于燃料的快速、完全燃烧，较高的面容比增加了壁面淬息的问题，以及线密封形式导致较高的漏气率等。随着排放法规的日益严格，转子发动机也面临着节能减排的问题。
转子机的排放物主要有NOX、PM、HC、CO等，内燃机中NOX的生成主要有两种方式：热力型和燃料型。在汽油机中，NOX的主要来源是参与燃烧的空气中的氮。空气中含有21％的氧气和79％的氮气，二者在内燃机燃烧室内发生化学反应生成NOX，形成内燃机的排放物。如果将空气中的氮气除去，则可以避免NOX的生成。但使用纯氧燃烧会产生高温，降低燃烧的稳定性，且不利于热量的快速释放，容易产生爆震。所以将燃烧后的废气再循环与供氧装置相结合，降低进气道内氧气含量，并精确控制氧气与烃类燃料的浓度，实现转子机的零氮排放。
发明内容
为了改善转子内燃机的排放特性，本发明提供了一种以氧气为氧化剂的烃类燃料点燃式零氮转子机控制方法，并采用废气再循环的方式调节进气道中氧气浓度，提升其燃烧稳定性。
本发明解决上述技术问题是通过以下技术方案解决的：
一种以氧气为氧化剂的烃类燃料点燃式零氮转子机及其控制方法，具体设及纯氧的供给装置与循环废气的控制方法。装置包括：烃类燃料储存罐1，储存罐的出口与油泵2，燃料流量计3、安装在进气道上的燃料喷嘴5串联连接，发动机排气管上依次安装CO浓度传感器14、废气循环阀13、冷凝器12、温度传感器8、氧浓度传感器7、稳压混合罐6，氧气从氧气储存罐11中出来后依次经过氧气管路减压阀10、氧气流量调节器9，与循环废气混合经稳压混合罐6后经进气道进入燃烧室，排气管上还安装气体流量调节器15。ECU4通过火花塞式缸压传感器16与电荷放大器17控制发动机点火。冷凝器12对燃烧产生的废气经进行冷却降温。
一种以氧气为氧化剂的烃类燃料点燃式零氮转子机包括以下控制过程。
1)ECU4接收来自曲轴传来的转速信号，当转速低于怠速转速时，关闭废气循环阀13，打开气体流量计15，使发动机燃烧产生的废气直接排入大气中。ECU4接收氧浓度传感器7中的信号，氧气流量调节器9调节氧气的输送量，燃料流量计3控制燃料的流量，使得过氧浓度系数小于1，燃料与氧气形成的混合气在浓燃条件下进行燃烧。实现发动机的快速启动。此时燃烧产生的废气直接排入大气中。
2)当发动机转速在怠速转速及额定转速之间时，ECU4接收氧气传感器7传递的氧浓度信号，并配合氧气流量调节器9、燃料流量计3，对发动机进气道内氧浓度进行调节，使得过氧浓度系数大于1，混合气在稀薄燃烧条件下进行燃烧，打开废气循环阀13并关闭气体流量计15，使燃烧产生的废气进入燃烧室参与燃烧，利用排气稀释进气道中氧气的浓度并提高氧化剂的经济性，当CO浓度传感器14检测排气道中的CO含量大于M值时，M为发动机循环变动系数CoV等于10％时所对应的CO浓度，缓慢开启气体流量计15，使得一部分尾气直接排入大气中，当排气道中的CO浓度降低至M值时，稳定废气循环阀13与空气流量计15的开闭程度，使得循环废气稳定在CO浓度降至M时所对应的量。燃烧产生的废气经过冷凝器12冷却后与氧气在混合气稳压罐6中混合后，进入燃烧室内部。
3)当发动机转速在额定转速及最高转速之间时，ECU4发出信号，关闭废气循环阀13并使空气流量计15处于全开状态，使得此时燃烧产生的废气直接排入大气中。
4)当发动机转速高于最高转速时，ECU4发出信号使燃料喷嘴5停止工作，停止氧气的供应，同时，ECU停止发送点火信号至火花塞17，使发动机停止工作。
过氧浓度系数本行业基础知识，本行业人员可根据基础知识自行标定。进气道中的过氧浓度系数η＝(VEO2+VO2)/VSTO2VEO2为废气循环中氧气体积，VO2为供氧装置中所提供的氧气体积，VSTO2为燃料燃烧完全所需要的理论氧气体积。额定转速、最高转速是本行业内的基础知识，额定转速指发动机在额定功率下的转速，最高转速指在特定条件下，发动机转速能够达到的最大值，长时间处于最高转速会损坏发动机。
以氧气为氧化剂的烃类燃料点燃式零氮转子机在原化油器发动机的基础上，采用纯氧为氧化剂，去除原有空气中的氮，增加一套纯氧与燃料供给装置，精确控制进气道内氧气的浓度，结合排气道中CO浓度，控制循环废气的量，通过冷凝器对循环废气进行降温。
本发明的特点及有益效果为，针对转子发动机高排放的问题，提供了一种以氧气为氧化剂的烃类燃料点燃式零氮转子机控制方法。通过废气再循环阀15与氧气流量调节器9之间的配合，使得发动机转速在怠速转速以下时为纯氧进气，随着转速的增加，改为废气再循环配合纯氧进气，结合ECU，调节进气道中氧气含量。在发动机的转速高于最高转速时，停止燃料与氧气供应，并停止点火信号，进而实现发动机安全停车。有效改善了转子发动机的排放特性，实现了转子机的零氮排放。
附图说明
图1.本发明的结构和工作原理图
图中：烃类燃料储存罐1、油泵2、燃料流量计3、ECU4、燃料喷嘴5、稳压混合罐6、氧浓度传感器7、温度传感器8、氧气流量调节器9、氧气管路减压阀10、氧气储存罐11、冷凝器12、废气循环阀13、CO度传感器14、气体流量计15、火花塞式缸压传感器16、电荷放大器17。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对于本发明做进一步的说明：
如图1包括：烃类燃料储存罐1，储存罐的出口与油泵2，燃料流量计3、安装在进气道上的燃料喷嘴5串联连接，发动机排气管上依次安装CO浓度传感器14、废气循环阀13、冷凝器12、温度传感器8、氧浓度传感器7、稳压混合罐6，氧气从氧气储存罐11中出来后依次经过氧气管路减压阀10、氧气流量调节器9，与循环废气混合经稳压混合罐6后经进气道进入燃烧室，排气管上还安装气体流量调节器15。ECU4通过火花塞式缸压传感器16与电荷放大器17控制发动机点火。发动机燃烧后的气体经排气道进入冷凝器12中，ECU4根据温度传感器8传递的信号，调控冷凝器中冷却水的流速从而控制循环废气的温度。
当转子发动机工作后，ECU接收来自曲轴传来的转速信号，当转速<1200rpm时，关闭废气循环阀13，气体流量计15处于全开状态，使发动机燃烧产生的废气直接排入大气中。ECU4接收氧浓度传感器7中的信号，由氧气流量调节器9调节氧气的输送量，同时，燃料储存罐1中的烃类燃料被抽出，经喷油嘴5喷入燃烧室进行燃烧，使得过氧浓度系数小于1，混合气在浓燃条件下进行燃烧，实现发动机的快速启动。废气循环阀13处于关闭状态，气体流量调节器15打开，燃烧产生的废气直接排入大气中。
当发动机转速在1200rpm-9000rpm之间时，ECU4接收氧气传感器7传递的氧浓度信号，并配合氧气流量调节器9、燃料流量计3，对发动机进气道内氧浓度进行调节，使得过氧浓度系数大于1，混合气在稀薄燃烧条件下进行燃烧，打开废气循环阀13并关闭气体流量计15，使燃烧产生的废气进入燃烧室参与燃烧，利用排气稀释进气道中氧气的浓度并提高氧化剂的经济性，当CO浓度传感器14检测排气道中的CO含量大于M值时M为发动机循环变动系数CoV等于10％时所对应的CO浓度，缓慢开启气体流量计15，使得一部分尾气直接排入大气中，当排气道中的CO浓度降低至M值时，稳定废气循环阀13与空气流量计15的开闭程度，使得循环废气稳定在CO浓度降至M时所对应的量。同时，温度传感器8将气道内的气体温度传递给ECU4，通过调节冷凝器12中冷却水的流量，控制循环废气的温度，经过冷凝器12冷却的废气与氧气在混合气稳压罐6中混合后，进入燃烧室内部。
当发动机转速在9000rpm至12000rpm时，ECU4发出信号，关闭废气循环阀13并完全打开气体流量调节器15，使得燃烧产生的废气直接排入大气中。
当发动机转速>12000rmp时，ECU4发出信号，停止燃料与氧气的供应，同时，ECU4停止发送点火信号至火花塞16，使发动机停止工作。
进气道中的过氧浓度系数η＝(VEO2+VO2)/VSTO2VEO2为废气循环中氧气体积，VO2为供氧装置中所提供的氧气体积，VSTO2为燃料燃烧完全所需要的理论氧气体积，当发动机转速<1200rmp时，ECU向氧气流量调节器9及气体流量计15发送信号，通过调节氧气的输送量及流量计的开关程度，使进气道内的氧气过量系数回到设定范围内，当转速在1200rmp-9000rmp之间时，ECU4采用同样的方法调控燃烧室中的过氧浓度系数。

Claims (1)

1.一种以氧气为氧化剂的烃类燃料点燃式零氮转子机，包括：烃类燃料储存罐(1)，储存罐的出口与油泵(2)，燃料流量计(3)、安装在进气道上的燃料喷嘴(5)串联连接，发动机排气管上依次安装CO浓度传感器(14)、废气循环阀(13)、冷凝器(12)、温度传感器(8)、氧浓度传感器(7)、稳压混合罐(6)，氧气从氧气储存罐(11)中出来后依次经过氧气管路减压阀(10)、氧气流量调节器(9)，与循环废气混合经稳压混合罐(6)后进入燃烧室，排气管上还安装气体流量调节器(15)；ECU(4)通过火花塞式缸压传感器(16)与电荷放大器(17)控制发动机点火；
其特征在于，控制方法如下：
当转子发动机工作后，ECU(4)接收来自曲轴传来的转速信号，当转速小于额定转速时，关闭废气循环阀(13)，气体流量调节器(15)处于全开状态，使发动机燃烧产生的废气直接排入大气中；ECU(4)接收氧浓度传感器(7)中的信号，由氧气流量调节器(9)调节氧气的输送量，同时，燃料储存罐(1)中的烃类燃料被抽出，经燃料喷嘴(5)喷入燃烧室进行燃烧，此时进气道中的过氧浓度系数小于1，燃料与氧气形成的混合气在浓燃模式下燃烧，实现发动机的启动；废气循环阀(13)处于关闭状态，气体流量调节器(15)打开，燃烧产生的废气直接排入大气中；
当发动机转速在怠速转速与额定转速之间时，ECU(4)接收氧浓度传感器(7)传递的氧浓度信号，并配合氧气流量调节器(9)、燃料流量计(3)，对发动机进气道内氧浓度进行调节，使得过氧浓度系数大于1，混合气在稀薄燃烧条件下进行燃烧，打开废气循环阀(13)并关闭气体流量调节器(15)，使燃烧产生的废气进入燃烧室参与燃烧，当CO浓度传感器(14)检测排气道中的CO含量大于M值时，M为发动机循环变动系数CoV等于10％时所对应的CO浓度，开启气体流量调节器(15)，使得一部分尾气直接排入大气中，当排气道中的CO浓度降低至M值时，稳定废气循环阀(13)与气体流量调节器(15)的开闭程度，使得循环废气稳定在CO浓度降至M时所对应的量；燃烧产生的废气经过冷凝器(12)冷却后与氧气在稳压混合罐(6)中混合后，进入燃烧室内部；
当发动机转速在额定转速至最高转速之间时，ECU(4)发出信号，完全关闭废气循环阀(13)并完全打开气体流量调节器(15)，使得燃烧产生的废气直接排入大气中；
当发动机转速大于最高转速时，ECU(4)发出信号，停止燃料与氧气的供应，同时，ECU(4)停止发送点火信号至火花塞式缸压传感器(16)，使发动机停止工作。
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