CN110080915B - 一种气/液双燃料低压直喷系统 - Google Patents

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Abstract

一种气/液双燃料低压直喷系统，基于点燃式/压燃式内燃机主体，气体燃料供给系统经A电控调压阀连通到组合喷射器的喷气嘴上；液体燃料经B电控调压阀连通到组合喷射器的喷油嘴上，双燃料组合喷射器垂直安装在发动机缸头的中心位置，曲轴位置传感器、凸轮轴位置传感器、气体燃料供给系统和液体燃料供给系统的信号端均连接电控单元ECU，利用气体燃料在低压下将预先喷射到双燃料喷嘴混合腔中的液体燃料雾化并喷射到燃烧室中，实现低压双燃料的缸内直喷过程；气相及液相燃料的喷射正时，喷射质量均灵活可调，可以实现气/液双燃料混合状态、混合比例的灵活控制，在点燃式，压燃式内燃机及其它燃烧装置中均可以实现。

Description

一种气/液双燃料低压直喷系统
技术领域
本发明属于喷射系统技术领域，具体涉及一种气/液双燃料低压直喷系统。
背景技术
随着国家排放法规日益严格，内燃机排放成为亟待解决的问题。国六法规实施在即，其中对于排放物的要求极其严格。传统的点燃式、压燃式以及燃气轮机等的排放因为燃烧系统的局限性需要借助复杂的尾气后处理装置才能满足排放法规要求，增加了发动机的成本，降低了经济性。双燃料燃烧系统由此应运而生，其采用污染较小的气体燃料如甲烷、压缩天然气等来取代纯液体燃料，其优势在于通过气体燃料(一般是低碳可燃气体)来部分取代高碳液体燃料以降低排放。目前使用气体燃料的内燃机有两种燃烧模式：点燃式及压燃式。点燃式气体燃料发动机一般在进气阶段形成均质混合气，通过火花塞点燃。压燃式内燃机一般很难单独使用气体燃料，其原因在于气体燃料着火温度普遍偏高，难以在压燃式内燃机中直接压燃。所以在压燃式内燃装置中普遍采用气/液双燃料燃烧模式，易于压燃的液体燃料先被压燃，而后“点燃”周围的混合燃料，主要能量由气体燃料提供。在气/液双燃料燃烧模式中，气/液双燃料的混合、雾化及质量比对燃烧与排放的影响特别显著，因此在气/液双燃料燃烧过程中需要对上述条件进行有效控制。
双燃料的供给方式分为两类，一类为传统的进气道喷射或者进气道预混气体燃料，缸内直喷液体燃料；另一类是较为复杂的缸内直喷双燃料系统。目前常见的双燃料缸内直喷系统，气/液两种燃料由独立的燃油喷嘴及气体喷嘴分别控制，采用高压直喷的方式在合适的正时喷入缸内。如专利号为CN 106438073A的专利，公布了一种独立双喷嘴的气/液双燃料缸内直喷系统及方法。其采用的是气、液独立喷射，且气、液燃料的喷射均为高压，供油系统复杂，且喷嘴在缸头的布置需要的空间大，不适合在小型发动机上使用。另一种由加拿大西港公司开发的双燃料高压直喷技术，虽然利用一个喷嘴实现了气/液双燃料的高压缸内直喷，在经济性、动力性以及排放性方面有优势，但是其喷油喷气时序相对固定，缺乏对缸内混合气混合过程的灵活控制，且低温高压天然气供气系统复杂，生产成本高，限制了该产品的应用。综合如上原因，一种旨在解决如上缺点的气/液双燃料低压直喷LPDI系统亟需投入使用。
相比独立双喷嘴的气/液双燃料技术，LPDI系统具有构成简单，气/液双燃料喷雾混合质量稳定，喷嘴尺寸小，所需安装空间尺寸小的优点。相比HPDI双燃料技术，LPDI技术具有燃油供给系统结构简单，成本低的优势。同时，LPDI技术中，气/液两种燃料喷射正时相对独立、可控，有利于实现双燃料低温燃烧过程的有效控制，在燃烧与排放方面理论上具有相当于HPDI发动机的水平，为替代HPDI技术提供了可能，从而大幅度降低压燃式双燃料发动机成本，提高产品竞争力，有望创造大的经济效益。
发明内容
为了弥补现有双燃料缸内直喷系统的不足，针对双喷嘴双燃料喷射系统在喷射过程中难以保证稳定的混合气混合质量，同时针对双喷嘴工作过程耦合度难以调整，气体喷嘴润滑不良以及高压直喷HPDI技术系统复杂、造价高昂的问题，本发明的目的在于提供一种气/液双燃料低压直喷系统，将空气辅助雾化直喷(AADI)喷嘴技术引入到缸内直喷气/液双燃料发动机领域，利用可燃气体辅助雾化液态燃油，解决了气/液双燃料的低压混合与雾化问题，同时实现了气/液双燃料的缸内直喷。
为了达到上述目的，本发明是通过如下技术方案实现的：
一种气/液双燃料低压直喷系统，基于点燃式/压燃式内燃机主体，包括气体燃料供给系统2和液体燃料供给系统4，气体燃料供给系统2经A电控调压阀3连通到组合喷射器1的喷气嘴上；液体燃料4经B电控调压阀5连通到组合喷射器1的喷油嘴上，双燃料组合喷射器1垂直安装在发动机缸头6的中心位置，曲轴位置传感器7靠近曲轴信号盘安装，凸轮轴位置传感器8安装于凸轮相位信号盘处，曲轴位置传感器7、凸轮轴位置传感器8、气体燃料供给系统2和液体燃料供给系统4的信号端均连接电控单元ECU9。
所述的组合喷射器1为采用AADI原理的组合喷射器，组合喷射器1由喷油嘴，气体喷嘴及连接两者的预混腔组成，原理为：采用可燃气体燃料辅助雾化液体燃料，实现双燃料的混合、雾化及缸内低压直喷。
所述的电控单元ECU9协同控制，具体为：根据发动机转速，负荷及冷却水温度，基于等热值替代的控制策略，以最佳替代率为控制目标，通过分别调整喷油量，喷油正时，喷气量，喷气正时参数，实现不同工况下提供不同质量比和不同混合程度的混合气，实现对气/液双燃料混合过程的控制。
气体燃料供给系统2中的气体燃料为可燃气体，包括氢气、甲烷、液化天然气、液化石油气、压缩天然气、丙烷或丁烷。
液体燃料供给系统4中的液体燃料为可燃液体，包括汽油、柴油、甲醇、乙醇或二甲醚。
本发明的有益效果：
1、本发明利用可燃气体燃料辅助雾化液体燃料，实现气/液双燃料的混合、雾化与低压直喷，与传统的空气辅助雾化技术的应用方式有本质的区别；
2、通过控制燃油及燃气的喷射质量、时序等参数，实现气/液双燃料的混合、雾化及缸内直喷，实现低压气/液双燃料的计量、喷射协同控制，可以灵活调节双燃料的混合过程，达到控制发动机燃烧与排放特性的目的。
2、该系统沿用点燃式/压燃式内燃机主体，在任何使用气/液双燃料的内燃装置中均可以使用。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体事例对本发明进行详细说明。
一种气/液双燃料低压直喷系统，基于点燃式/压燃式内燃机主体，包括气体燃料供给系统2和液体燃料供给系统4，气体燃料供给系统2经A电控调压阀3连通到组合喷射器1的喷气嘴上；液体燃料4经B电控调压阀5连通到组合喷射器1的喷油嘴上，双燃料组合喷射器1垂直安装在发动机缸头6的中心位置，曲轴位置传感器7靠近曲轴信号盘安装，凸轮轴位置传感器8安装于凸轮相位信号盘处，曲轴位置传感器7、凸轮轴位置传感器8、气体燃料供给系统2和液体燃料供给系统4的信号端均连接电控单元ECU 9。
所述的组合喷射器1采用AADI原理的组合喷射器，组合喷射器1由喷油嘴，气体喷嘴及连接两者的预混腔组成，原理为：采用可燃气体燃料辅助雾化液体燃料，实现双燃料的混合、雾化及缸内低压直喷。
所述的电控单元ECU 9协同控制具体为：根据发动机转速，负荷及冷却水温度，基于等热值替代的控制策略，以最佳替代率为控制目标，通过分别调整喷油量，喷油正时，喷气量，喷气正时等参数，实现不同工况下提供不同质量比和不同混合程度即均质或者分层的混合气，实现对气/液双燃料混合过程的控制。
气体燃料供给系统2中的气体燃料为可燃气体，包括氢气、甲烷、液化天然气、液化石油气、压缩天然气、丙烷或丁烷。
液体燃料供给系统4中的液体燃料为可燃液体，包括汽油、柴油、甲醇、乙醇或二甲醚。
本发明的工作原理是，电控单元ECU9通过曲轴位置传感器7和凸轮轴位置传感器8的输入信号，确定发动机当前的活塞位置，并通过控制气体燃料供给系统2和液体燃料供给系统4中的喷气嘴、喷油嘴的打开，实现对双燃料组合喷射器中气体燃料和液体燃料喷射时刻的控制，通过调整气、液燃料的喷射时序，能够实现双燃料喷射策略的灵活控制；气体燃料、液体燃料喷射质量由电控单元ECU9根据气、液燃料的喷射压力，通过分别控制双燃料组合喷射器中的喷气嘴、喷油嘴的打开时间来实现控制。
实施例一
对一台192F单缸、风冷、高压共轨、国三排放的柴油机进行了按照上述连接方式的LPDI改装，实现了柴油/天然气双燃料的低压缸内直喷。验证了LPDI技术路线的可行性，表明本发明具有产品化的潜在价值。
工作时，柴油由液体燃料供给系统4经过B电控调压阀5连接到双燃料组合喷射器1中的喷油嘴，在电控单元ECU9的控制下喷入双燃料组合喷射器1的混合腔，喷射压力8bar；天然气由气体燃料供给系统2经A电控调压阀3连接到双燃料组合喷射器1中的气体喷嘴，喷射压力6.5bar，在电控单元ECU9的控制下，在发动机压缩行程的早期，将双燃料组合喷嘴1预混腔内的柴油/天然气混合物喷入发动机缸内。柴油/天然气在此过程中实现了良好的混合、雾化，实现气/液双燃料的低压缸内直喷。

Claims (1)

1.一种气/液双燃料低压直喷系统，基于点燃式/压燃式内燃机主体，其特征在于，包括气体燃料供给系统(2)和液体燃料供给系统(4) ，气体燃料供给系统(2)经A电控调压阀(3)连通到组合喷射器(1)的喷气嘴上；液体燃料经B电控调压阀(5)连通到组合喷射器(1)的喷油嘴上，双燃料组合喷射器(1)垂直安装在发动机缸头(6)的中心位置，曲轴位置传感器(7)靠近曲轴信号盘安装，凸轮轴位置传感器(8)安装于凸轮相位信号盘处，曲轴位置传感器(7)、凸轮轴位置传感器(8)、气体燃料供给系统(2)和液体燃料供给系统(4)的信号端均连接电控单元ECU(9)；
所述的组合喷射器(1)为采用AADI原理的组合喷射器，组合喷射器(1)由喷油嘴，气体喷嘴及连接两者的预混腔组成，原理为：采用可燃气体燃料辅助雾化液体燃料，实现双燃料的混合、雾化及缸内低压直喷；
所述的电控单元ECU(9)协同控制，具体为：根据发动机转速，负荷及冷却水温度，基于等热值替代的控制策略，以最佳替代率为控制目标，通过分别调整喷油量，喷油正时，喷气量，喷气正时参数，实现不同工况下提供不同质量比和不同混合程度的均质或者分层的混合气，实现对气/液双燃料混合过程的控制；
气体燃料供给系统(2)中的气体燃料为可燃气体，包括氢气、甲烷、液化天然气、液化石油气、压缩天然气、丙烷或丁烷；
液体燃料供给系统(4)中的液体燃料为可燃液体，包括汽油、柴油、甲醇、乙醇或二甲醚。
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