CN109736936A - 可控压升率的零氮烃类燃料点燃式转子机及其控制方法 - Google Patents

可控压升率的零氮烃类燃料点燃式转子机及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明设计了一种可控压升率的零氮烃类燃料点燃式转子机及其控制方法，具体包括：以发动机燃烧室内的压力升高率为触发信号，通过调节氧气与氩气流量调节器，改变进气道中氧气与氩气的比例，利用氩气稀释进入燃烧室内氧气的浓度，从而控制燃烧室内的压力升高率，解决纯氧发动机燃烧过于剧烈的问题。同时，采用氩‑氧混合气代替空‑氧混合气，去除进气中的氮气，利用纯氧进气降低排放物中的CH与CO浓度的同时，实现零氮排放点燃式转子机控制方法。与现有技术相比，本发明所述的控制方法在提升转子机动力性及排放性的前提下，控制了发动机的压升率，具有一定的创新性和应用前景。

Description

可控压升率的零氮烃类燃料点燃式转子机及其控制方法
技术领域
本发明提供了一种可控压升率的零氮烃类燃料点燃式转子机及其控制方法，涉及转子发动机压升率的控制方法，属于内燃机领域。
背景技术
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，节能减排成了限制转子发动机发展的主要问题。
转子机中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。空气中的氮气不参与燃烧，所以将空气中的氮气除去(采用纯氧作为发动机进气气体)，则可以避免NOX的生成。但使用纯氧与燃料混合，如果混合气浓度适当，在着火以前，形成了大量具有合适浓度的预混合气，在滞燃期内形成的混合气点火后迅速燃烧，加之上止点附件燃烧室容积很小，导致燃烧压力急剧增高。过大的压力升高导致燃烧噪音，发动机振动增加，影响发动机可靠性。此外，压力升高率过大也会使压力波动增加，同时诱发早燃、回火等异常燃烧。随着过量空气系数的增大，混合气变稀，压力升高率迅速减小。所以，在去除空气中的氮气后，检测燃烧室内的压升率，并采用氩气调节进气道中氧气的浓度，从而控制氧气与燃料的比值，控制燃烧反应速度，进而控制转子机的压升率，实现一种压升率可控的烃类燃料点燃式转子发动机。
发明内容
为了改善转子内燃机的排放特性，本发明提供了一种可控压升率的零氮烃类燃料点燃式转子机控制方法。利用氩气改变进气道中氧气的比例，从而控制发动机燃烧室内的压升率。
本发明解决上述问题是通过以下技术方案解决的：
一种可控压升率的零氮烃类燃料点燃式转子机包括：氩气储存罐(1)，氩气泄压阀(2)，氩气流量计(3)，烃类燃料储存罐(4)，安装在输油管路上的油泵(5)，燃料流量计(6)，安装在进气管内的喷油嘴(8)，氧气储存罐(12)中的气体进过氧气管路减压阀(11)、氧气流量调节器(10)之后与来自排气管中的循环废气混合，混合气与来自氩气储存罐(1)中的气体在稳压混合罐(9)中混合后进入转子机燃烧室内，废气循环管道上依次安装废气循环阀(16)、冷凝器(15)、温度传感器(14)，氧浓度传感器(13)等装置，在排气管还设有排气背压阀(17)与大气相连通，火花塞式缸压传感器(18)、电荷放大器(19)。控制：以发动机燃烧室内的压力升高率为触发信号，ECU(7)根据自火花塞式缸压传感器(18)传来的缸压信号，向氧气流量调节器(10)，氩气流量计(6)发送信号，调节进气道中氧气与氩气的比例，从而控制转子发动机的压升率。同时，ECU(7)接收安装在排气道处的氧浓度传感器(13)传递来的信号，调节废气循环阀(16)与排气背压阀(17)的开闭程度，从而调节废气循环量，保证发动机稳定工作。实现一种压升率可控的烃类燃料点燃式零氮排放转子发动机。
一种可控压升率的零氮烃类燃料点燃式转子机控制方法包括以下控制过程：
当转子发动机工作后，ECU(7)接收来自曲轴传来的转速信号，当转速低于怠速转速时，此时发动机处于启动阶段，ECU(7)向氧气流量计(10)燃料流量计(6)发送信号，开始向发动机供给燃料，同时调节氧气的输送量，使得进气道中的过量氧气系数小于1，燃料与氧气的混合气按照浓燃模式进行燃烧，氩气流量计(3)处于关闭状态，烃类燃料经油泵输送至喷油嘴(8)，与氧气形成混合气后输送至燃烧室内，此时，循环废气阀(16)处于关闭状态，排气背压阀(17)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最高转速之间时，火花塞式缸压传感器(18)将缸压信号传递给ECU(7)，当压力升高率小于M时，M为早燃时所对应的最大压升率，打开循环废气阀(16)，使得燃烧产生的废气经循环管路重新进入燃烧室，ECU(7)根据氧浓度传感器(13)传递的信号，调节循环废气阀(16)、排气背压阀(17)的开闭程度与氧气流量调节器(10)的大小，使进气道中过氧浓度系数大于1，燃料与氧气的混合气按照稀薄燃烧模式进行燃烧，当压力升高率大于M时，ECU(7)控制打开氩气的流量计(3)，氩气、氧气与废气在稳压混合罐(9)中混合进入燃烧室内，利用氩气稀释进气道中氧气的含量，降低发动机的压升率使其回到M以下，ECU(7)向氩气流量计(3)发出信号，氩气的流量稳定在压升率降为M所对应的瞬时流量，使得进入燃烧室内的氩气流量稳定不变。燃烧产生的废气经过冷凝器(15)与氧气在稳压混合管(9)中混合后进入燃烧室。
当发动机转速大于最高转速时，ECU(7)发出信号，停止燃料与气体的供应，同时，ECU(7)停止发送点火信号至火花塞(18)，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)/VSTO2(VEO2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)。最高转速是本行业内的基础知识，指在特定条件下，发动机转速能够达到的最大值，长时间处于最大转速会损坏发动机。
本发明的特点及有益效果为，在实现发动机零氮排放的基础上，针对纯氧发动机反应激烈，放热过快等因素，提供了压升率可控的零氮烃类燃料转子机的实现方法。通过引入氩气降低进气道内氧浓度，减缓反应速度，减小发动机因压力升高率过高造成的燃烧室噪音过大，震动等不正常现象，有效避免了早燃、回火等现象。同时，采用废气循环方式，提升氧气的利用率，增加氧气的经济性，实现压升率可控的零氮烃类燃料点燃式转子发动机。
附图说明
图1.本发明的结构和工作原理图
图中包括：氩气储存罐1，氩气泄压阀2，氩气流量计3，烃类燃料储存罐4，油泵5，燃料流量计6，ECU7，喷油嘴8，稳压混合罐9，氧气流量调节器10，减压阀11，氧气储存罐12，氧浓度传感器13，温度传感器14，冷凝器15，废气循环阀16，排气背压阀17，火花塞式缸压传感器18、电荷放大器19。
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：氩气储存罐(1)，氩气泄压阀(2)，氩气流量计(3)，烃类燃料储存罐(4)，安装在输油管路上的油泵(5)，燃料流量计(6)，安装在进气管内的喷油嘴(8)，氧气储存罐(12)中的气体进过氧气管路减压阀(11)、氧气流量调节器(10)之后与来自排气管中的循环废气混合，混合气与来自氩气储存罐(1)中的气体在稳压混合罐(9)中混合后进入转子机燃烧室内，废气循环管道上依次安装废气循环阀(16)、冷凝器(15)、温度传感器(14)，氧浓度传感器(13)等装置，在排气管还设有排气背压阀(17)与大气相连通，火花塞式缸压传感器(18)、电荷放大器(19)。控制：以发动机燃烧室内的压力升高率为触发信号，ECU(7)根据自火花塞式缸压传感器(18)传来的缸压信号，向氧气流量调节器(10)，氩气流量计(6)发送信号，调节进气道中氧气与氩气的比例，从而控制转子发动机的压升率。同时，ECU(7)接收安装在排气道处的氧浓度传感器(13)传递来的信号，调节废气循环阀(16)与排气背压阀(17)的开闭程度，从而调节废气循环量，保证发动机稳定工作。实现一种压升率可控的烃类燃料点燃式零氮排放转子发动机。
当转子发动机工作后，ECU(7)接收来自曲轴传来的转速信号，当转速低于怠速转速时，此时发动机处于启动阶段，ECU(7)向氧气流量计(10)、燃料流量计(6)发送信号，开始向发动机供给燃料，同时调节氧气的输送量，使得进气道中的过量氧气系数维持在0.7-0.9，此时，氩气流量计处于关闭状态，烃类燃料经油泵输送至喷油嘴(8)，与氧气形成混合气后输送至燃烧室内，此时，循环废气阀(16)处于关闭状态，排气背压阀(17)打开，燃烧产生的废气直接排入大气中，实现发动机的快速启动。
当发动机转速在怠速转速与最高转速之间时，火花塞式缸压传感器(18)将缸压信号传递给ECU(7)，当压力升高率小于M＝0.18MPa/°CA时，打开循环废气阀(16)，使得燃烧产生的废气经循环管路重新进入燃烧室，ECU(7)根据氧浓度传感器(13)传递的信号，调节循环废气阀(16)、排气背压阀(17)的开闭程度与氧气流量调节器(10)的大小，使进气道中过氧浓度系数维持在1.1-1.4。当压力升高率大于0.18MPa/°CA时，ECU(7)控制打开氩气流量计(3)，氩气、氧气与废气在稳压混合罐(9)中混合进入燃烧室内，利用氩气稀释进气道中氧气的含量，降低发动机的压升率使其回到0.18MPa/°CA以下，ECU(7)向氩气流量计(3)发出信号，氩气的流量稳定在压升率降为0.18MPa/°CA所对应的瞬时流量，使得进入燃烧室内的氩气流量稳定不变。燃烧产生的废气经冷凝器(15)与氧气在稳压混合管(9)中混合后进入进气道内。
当转速高于最高转速时，ECU(7)发出信号，相继停止燃料、氧气与氩气的供应，火花塞(18)停止点火，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)/VSTO2(VEO2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)。最高转速是本行业内的基础知识，指在特定条件下，发动机转速能够达到的最大值，长时间处于最大转速会损坏发动机。

Claims (2)

1.一种可控压升率的零氮烃类燃料点燃式转子机，其特征在于，包括：氩气储存罐(1)，氩气泄压阀(2)，氩气流量计(3)，烃类燃料储存罐(4)，安装在输油管路上的油泵(5)，燃料流量计(6)与安装在进气道上的喷油嘴(8)相连，废气循环管道上依次安装废气循环阀(16)、冷凝器(15)、温度传感器(14)，氧浓度传感器(13)，稳压混合罐(9)，氧气储存罐(12)中的气体经氧气管路减压阀(11)、氧气流量调节器(10)之后与来自排气管中的循环废气混合，混合气与来自氩气储存罐(1)中的气体在稳压混合罐(9)中混合后进入转子机燃烧室内，排气管还设有排气背压阀(17)与大气相连通，火花塞式缸压传感器(18)、电荷放大器(19)控制点火；控制：以发动机燃烧室内的压力升高率为触发信号，ECU(7)根据自火花塞式缸压传感器(18)传来的缸压信号，向氧气流量调节器(10)，氩气流量计(6)发送信号，调节进气道中氧气与氩气的比例，从而控制转子发动机的压升率；同时，ECU(7)接收安装在排气道处的氧浓度传感器(13)传递来的信号，调节废气循环阀(16)与排气背压阀(17)的开闭程度。
2.控制如权利要求1所述的一种可控压升率的零氮烃类燃料点燃式转子机的方法，其特征在于：
当转子发动机工作后，ECU(7)接收来自曲轴传来的转速信号，当发动机转速低于怠速转速时，ECU(7)向氧气流量计(10)与燃料流量计(6)发送信号，开始向发动机供给燃料，同时调节氧气的输送量，使得进气道中的过量氧气系数小于1，燃料与氧气的混合气按照浓燃模式进行燃烧，氩气流量计(3)处于关闭状态；此时，循环废气阀(16)处于关闭状态，排气背压阀(17)完全打开，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最高转速之间时，火花塞式缸压传感器(18)将缸压信号传递给ECU(7)，当压力升高率小于M时，M为早燃时所对应的最大压升率，打开循环废气阀(16)，ECU(7)根据氧浓度传感器(13)传递的信号，调节氧气流量调节器(10)，使进气道中过氧浓度系数大于1，燃料与氧气的混合气按照稀薄燃烧模式进行燃烧，当压力升高率大于M时，ECU(7)控制打开氩气流量计(3)，氩气、氧气与循环废气在稳压混合罐(9)中形成混合气后进入燃烧室内，当压升率降低到M以下时，ECU(7)向氩气流量计(3)发出信号，氩气的流量稳定在压升率降为M时所对应的瞬时流量，使得进入燃烧室内的氩气流量维持稳定；燃烧产生的废气经过冷凝器(15)与氧气在稳压混合管(9)中混合后进入燃烧室；
当发动机转速大于最高转速时，ECU(7)发出信号，停止燃料与气体的供应，同时，ECU(7)停止发送点火信号至火花塞(18)，使发动机停止工作。
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