CN110318891A - 一种天然气/柴油双燃料发动机多模式燃烧组织方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的目的在于提供一种天然气/柴油双燃料发动机多模式燃烧组织方法，天然气作为低反应活性燃料由所述的天然气低压喷射系统喷入气道，在进气道内和空气进行初步混合，再经进气阀进入气缸内；柴油作为高反应活性燃料由高压共轨燃油喷射系统直接喷入气缸内，柴油自燃后点燃天然气与空气混合气，为发动机提供动力。本发明通过高压共轨燃油喷射系统和天然气低压喷射系统的独立或协同控制，在不同工况下实现天然气/柴油双燃料发动机多模式燃烧，使得发动机运行更灵活，可以避免冷起动困难、低负荷THC排放高和高负荷爆震等问题，从而实现发动机的可靠运行和高效清洁燃烧。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种发动机燃烧方法，具体地说是双燃料发动机燃烧方法。
背景技术
目前，内燃机仍然以传统石油作为主要燃料，特别是船舶，但是日渐匮乏的石油资源，日益严重的环境问题和日趋严格的排放法规都对船舶内燃机的发展提出了巨大挑战。因此，寻找清洁的替代燃料以及提高燃料的利用率受到越来越多学者的关注。天然气因其来源广泛、热值高、污染少等优点，成为了最具发展前景的替代能源。因此，常采用天然气-柴油双燃料方式应用于压燃式发动机中。
然而天然气/柴油双燃料发动机的传统燃烧方式决定了NOx和CO排放存在trade-off关系，为满足高标准的排放法规，就必须采用新的燃烧模式来使得NOx和CO排放能够同时大幅度下降。过高的天然气替代还会引起中小负荷下发动机的燃烧不稳定、THC排放严重以及大负荷下爆震燃烧等问题，且燃烧相位控制不当也会引起发动机工作粗暴，使发动机经济性和排放性恶化，从而限制了双燃料发动机的燃烧边界。
发明内容
本发明的目的在于提供可以避免冷起动困难、低负荷THC排放高和高负荷爆震等问题，从而实现发动机的可靠运行和高效清洁燃烧的一种天然气/柴油双燃料发动机多模式燃烧组织方法。
本发明的目的是这样实现的：
本发明一种天然气/柴油双燃料发动机多模式燃烧组织方法，其特征是：双燃料发动机包括气缸、气缸盖、活塞、高压共轨、气轨总成，气缸、气缸盖以及活塞形成燃烧室，气缸盖里设置进气道、排气道、喷油器，喷油器连接高压共轨，进气道里设置天然气喷射阀，天然气喷射阀连接气轨总成；
(1)在起动怠速工况时，发动机采用柴油模式运行，天然气喷射阀不工作；
(2)在低负荷工况时，发动机采用以柴油燃料扩散燃烧为主、天然气燃烧为辅的燃烧模式，即天然气的替代率小于50％；天然气喷射脉宽小于进气阀开启持续期，控制高压共轨燃油喷射系统的喷射次数、正时和喷射规律，实现柴油与天然气浓度的耦合分层：第一次柴油喷射的提前角大于50°CA，第二次柴油喷射正时为压缩上止点前0-15°CA，柴油在高温高压条件下自燃并引燃缸内燃料与空气混合气，并为发动机带来主要的动力；第三次柴油喷射在上止点后，利用喷入气缸的柴油加快处于后燃阶段天然气燃料的燃烧速度，从而减少未燃碳氢及一氧化碳的排放，且缩短燃料后燃期，实现天然气的高效分层燃烧；
(3)在中高负荷工况时，发动机采用以天然气预混燃烧为主的燃烧模式，此时天然气替代率为50-90％，为了避免进气燃料残留，控制天然气喷射阀喷射正时相较于低负荷时有所提前；天然气在进气道内与空气进行初步预混合然后进入气缸，在缸内形成天然气燃料的弱浓度分层，通过控制燃油喷射次数、正时和喷油规律，实现以柴油浓度分层为主的混合气浓度和活性分层：在大于50°CA BTDC的喷油提前角范围内进行第一次喷射，进入气缸的低燃点柴油与弱分层的混合气进行混合并发生化学反应，为混合气提供反应活性成分，改善混合气的着火性能，但无法使混合气着火燃烧；在上止点进行第二次喷射，作为点火燃料，所喷柴油在压缩着火后引燃混合气；
(4)在全负荷工况，发动机采用以天然气预混燃烧为主的燃烧模式，此时天然气替代率大于90％，并引入EGR，以控制NOx排放和抑制爆震；天然气喷射阀在排气阀关闭后开始喷射，且喷射脉宽大于发动机中高负荷时喷射阀喷射脉宽，使得天然气在进气道内与空气预混合后进入气缸；喷油器在进气阀关闭至压缩上止点前向缸内进行两次柴油喷射，且第一次喷射的柴油量小于第二次喷射的柴油量：控制第一次喷射正时在压缩上止点前50-70°CA范围内，并推迟第二次喷射正时，第一次大提前角喷射的柴油与缸内的天然气-空气混合气进行混合，为预混合气提供高反应活性成分；第二次喷射的柴油控制燃烧始点，并通过推迟喷射正时，避免天然气/柴油双燃料发动机在高负荷下爆震燃烧问题。
本发明的优势在于：本发明中发动机通过对高压共轨燃油喷射系统和天然气低压喷射系统的独立或协同控制，针对不同的负荷工况提供了不同的燃烧模式，使得发动机运行更灵活。且可以避免发动机冷起动困难、低负荷THC排放高和高负荷爆震等问题，改善了NOx和THC排放的trade-off关系，达到了对燃烧相位的有效控制的目的，从而实现了天然气/柴油双燃料发动机的可靠运行和高效清洁燃烧。
附图说明
图1为本发明的天然气/柴油双燃料发动机燃烧控制系统总体结构示意图；
图2为不同燃烧模式下柴油与天然气能量比例示意图；
图3a为低负荷下缸内喷油器柴油喷射质量比例示意图，图3b为中高负荷下缸内喷油器柴油喷射质量比例示意图，图3c为全负荷下缸内喷油器柴油喷射质量比例示意图。
具体实施方式
下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：
结合图1-3c，图1为本发明中乙醇/柴油双燃料发动机燃烧控制系统总体结构示意图，图中包括：气缸盖11、进气阀8、气缸12、排气阀10、燃烧室13、涡轮增压器14、天然气低压喷射系统、高压共轨燃油喷射系统和控制系统。本发明中天然气/柴油双燃料发动机装有两套燃料喷射系统，即天然气低压喷射系统和高压共轨燃油喷射系统。所述的天然气低压喷射系统包括天然气喷射阀7、气轨总成6、气耗仪5、低压过滤器4、减压器3、天然气管路2和气瓶1和等。燃气经静置、过滤、调压之后进入到所述的气轨总成中，再由燃气喷气阀喷至进气道内，与空气混合后进入气缸。燃气的流量通过气耗仪进行监测。所述的高压共轨燃油喷射系统包括喷油器9、高压油轨16、压力限制阀15、高压油泵18、滤清器19、油耗仪21、柴油油箱22和高压油管等。所述的喷油器安装在燃烧室中央，且其中心轴线与气缸中心线重合，燃烧室采用轴对称气缸中心布置的方式，确保燃油喷雾在燃烧室内均匀分布，进而可以缩短火焰传播距离，提高天然气混合气的燃烧速率。柴油通过所述的高压油管流经滤清器、高压油泵、高压油轨后，由喷油器喷入缸内，可以作为主燃料，也可以为发动机提供高活性成分和点火源。所述的油耗仪用以监测柴油的流量。
如图2所示，发动机可以在燃油和燃气两种模式下运行，燃油模式下天然气不参与燃烧做功，发动机的功率输出完全来自柴油的燃烧放热；燃气模式下，天然气作为低反应活性低燃料由所述的天然气低压喷射系统喷入气道，在进气道内和空气进行初步混合，再经进气阀进入气缸内；柴油作为高反应活性燃料由所述的高压共轨燃油喷射系统直接喷入气缸内，柴油自燃后点燃天然气与空气混合气。本发明通过高压共轨燃油喷射系统和天然气低压喷射系统的独立或协同控制，在不同工况下实现天然气/柴油双燃料发动机多模式燃烧，使得发动机运行更灵活，可以避免冷起动困难、低负荷THC排放高和高负荷爆震等问题，从而实现发动机的可靠运行和高效清洁燃烧。本发明中发动机采用外部EGR系统，通过EGR系统将涡轮前的排气引入所述的EGR冷却器中，再经EGR系统管路进入进气歧管中。所述的EGR控制阀安装在EGR系统管路上，可以根据发动机工况，对再循环到发动机进气管中的废气量进行精准控制。所述的控制系统根据发动机的运行工况，控制天然气和柴油的喷射参数，实现发动机燃烧模式快速灵活的切换：
(1)在起动怠速工况时，发动机采用柴油模式运行，天然气低压喷射系统不工作，共轨燃油喷射系统优化燃油喷射正时和喷射规律，实现柴油机的高效燃烧。
(2)在低负荷工况时，发动机采用以柴油燃料扩散燃烧为主、天然气燃烧为辅的燃烧模式，即天然气的替代率小于50％。天然气喷射脉宽远小于进气阀开启持续期，且在排气阀关闭后和进气阀关闭前的大角度范围内调整，通过优化天然气的喷射正时和燃气喷射规律，天然气在缸内实现较大浓度梯度分层。控制高压共轨燃油喷射系统的喷射次数、正时和喷射规律，实现柴油与天然气浓度的耦合分层。第一次柴油喷射的提前角大于50°CA(如图3(a)所示)，向缸内提供高活性成分，第二次喷射正时为压缩上止点前0-15°CA，控制燃烧始点和放热速率，柴油在高温高压条件下自燃并引燃缸内燃料与空气混合气，并为发动机带来主要的动力；柴油喷射阀在上止点后进行第三次喷射(如图3(a)所示)，利用喷入气缸的柴油加快处于后燃阶段天然气燃料的燃烧速度，从而减少未燃碳氢及一氧化碳的排放，且可缩短燃料后燃期，有效降低发动机膨胀期间的散热损失，实现天然气的高效分层燃烧。
(3)在中高负荷工况时，发动机采用以天然气预混燃烧为主的燃烧模式，此时天然气替代率为50-90％。为了避免进气燃料残留，控制天然气喷射阀喷射正时相较于低负荷时有所提前。天然气在进气道内与空气进行初步预混合然后进入气缸，在缸内形成天然气燃料的弱浓度分层。通过控制燃油喷射次数、正时和喷油规律，实现以柴油浓度分层为主的混合气浓度和活性分层。即在大于50°CA BTDC的喷油提前角范围内进行第一次喷射(如图3(b)所示)，进入气缸的低燃点柴油与弱分层的混合气进行混合并发生化学反应，为混合气提供反应活性成分，改善混合气的着火性能，但无法使混合气着火燃烧；在上止点附近进行第二次喷射，作为点火燃料，所喷柴油在压缩着火后引燃混合气，控制燃烧正时。通过优化两次燃油喷射的喷射正时、喷射量和喷油规律，实现双燃料发动机高效清洁燃烧。
(4)在全负荷工况，发动机依然采用以天然气预混燃烧为主的燃烧模式，此时天然气替代率大于90％，并引入EGR，以控制NOx排放和抑制爆震，实现双燃料发动机高工况安全、低排放运行。所述的天然气喷射阀在排气阀关闭后就开始喷射，且喷射脉宽大于发动机中高负荷时喷射阀喷射脉宽，使得天然气在进气道内与空气预混合后进入气缸。所述的喷油器在进气阀关闭至压缩上止点前向缸内进行两次柴油喷射，且第一次喷射的柴油量远小于第二次喷射的柴油量(如图3(c)所示)。控制第一次喷射正时在压缩上止点前50-70°CA范围内，并推迟第二次喷射正时，使其更接近于上止点。第一次大提前角喷射的柴油与缸内的天然气-空气混合气进行混合，为预混合气提供高反应活性成分；第二次喷射的柴油控制燃烧始点，并通过推迟喷射正时，避免天然气/柴油双燃料发动机在高负荷下爆震燃烧问题，在保证双燃料发动机动力的条件下，提高了其工作稳定性，并降低了排放。
控制系统包括主控芯片和控制电路，传感器检测发动机进气道内空气的温度和压力、冷却液温度、转速和节气门开度，同时结合管路内燃气和柴油的温度和压力等信息，通过对喷油器和天然气喷射阀的独立或者协同控制，进而改变了缸内混合气浓度和反应活性的分布情况，达到了控制天然气/柴油双燃料发动机燃烧相位和燃烧持续期的目的。
综上所述，本发明中发动机通过对高压共轨燃油喷射系统和天然气低压喷射系统的独立或协同控制，针对不同的负荷工况提供了不同的燃烧模式，使得发动机运行更灵活。且可以避免发动机冷起动困难、低负荷THC排放高和高负荷爆震等问题，改善了NOx和THC排放的trade-off关系，达到了对燃烧相位有效控制的目的，从而实现了天然气/柴油双燃料发动机的可靠运行和高效清洁燃烧。
Claims (1)
1.一种天然气/柴油双燃料发动机多模式燃烧组织方法，其特征是：双燃料发动机包括气缸、气缸盖、活塞、高压共轨、气轨总成，气缸、气缸盖以及活塞形成燃烧室，气缸盖里设置进气道、排气道、喷油器，喷油器连接高压共轨，进气道里设置天然气喷射阀，天然气喷射阀连接气轨总成；
(1)在起动怠速工况时，发动机采用柴油模式运行，天然气喷射阀不工作；
(2)在低负荷工况时，发动机采用以柴油燃料扩散燃烧为主、天然气燃烧为辅的燃烧模式，即天然气的替代率小于50％；天然气喷射脉宽小于进气阀开启持续期，控制高压共轨燃油喷射系统的喷射次数、正时和喷射规律，实现柴油与天然气浓度的耦合分层：第一次柴油喷射的提前角大于50℃A，第二次柴油喷射正时为压缩上止点前0-15℃A，柴油在高温高压条件下自燃并引燃缸内燃料与空气混合气，并为发动机带来主要的动力；第三次柴油喷射在上止点后，利用喷入气缸的柴油加快处于后燃阶段天然气燃料的燃烧速度，从而减少未燃碳氢及一氧化碳的排放，且缩短燃料后燃期，实现天然气的高效分层燃烧；
(3)在中高负荷工况时，发动机采用以天然气预混燃烧为主的燃烧模式，此时天然气替代率为50-90％，为了避免进气燃料残留，控制天然气喷射阀喷射正时相较于低负荷时有所提前；天然气在进气道内与空气进行初步预混合然后进入气缸，在缸内形成天然气燃料的弱浓度分层，通过控制燃油喷射次数、正时和喷油规律，实现以柴油浓度分层为主的混合气浓度和活性分层：在大于50℃A BTDC的喷油提前角范围内进行第一次喷射，进入气缸的低燃点柴油与弱分层的混合气进行混合并发生化学反应，为混合气提供反应活性成分，改善混合气的着火性能，但无法使混合气着火燃烧；在上止点进行第二次喷射，作为点火燃料，所喷柴油在压缩着火后引燃混合气；
(4)在全负荷工况，发动机采用以天然气预混燃烧为主的燃烧模式，此时天然气替代率大于90％，并引入EGR，以控制NOx排放和抑制爆震；天然气喷射阀在排气阀关闭后开始喷射，且喷射脉宽大于发动机中高负荷时喷射阀喷射脉宽，使得天然气在进气道内与空气预混合后进入气缸；喷油器在进气阀关闭至压缩上止点前向缸内进行两次柴油喷射，且第一次喷射的柴油量小于第二次喷射的柴油量：控制第一次喷射正时在压缩上止点前50-70℃A范围内，并推迟第二次喷射正时，第一次大提前角喷射的柴油与缸内的天然气-空气混合气进行混合，为预混合气提供高反应活性成分；第二次喷射的柴油控制燃烧始点，并通过推迟喷射正时，避免天然气/柴油双燃料发动机在高负荷下爆震燃烧问题。
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