CN111677611B - 一种内燃机燃料超临界喷射系统及控制方法 - Google Patents

一种内燃机燃料超临界喷射系统及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种内燃机燃料超临界喷射系统及控制方法，主要包括进油管、回油管、电磁流量阀、高压油泵、ECU、换热器、常闭安全阀、压力传感器、加热丝、稳压腔、温度传感器、喷油器、第一单向阀、第二单向阀、燃油滤清器、油箱等结构。基于现有高压共轨供油系统基础上，在排气管中增加管壳式换热器回收尾气中的热量对燃料进行初步加热，并配合ECU控制电热丝加热功率进行辅助加热的方法使稳压腔中的燃料达到超临界状态。本系统可充分利用尾气中的热量并配合灵活的电加热系统辅助加热，使系统更加节能高效稳定。

Description

一种内燃机燃料超临界喷射系统及控制方法
技术领域
本发明涉及一种内燃机燃料超临界喷射系统，特别是涉及一种内燃机燃料超临界喷射系统及控制方法。
背景技术
超临界是指物质的温度和压力同时超过其临界压力和临界温度的状态。该状态下的流体有着远低于其液态时的黏度，以及远大于其液态时的扩散系数。内燃机的燃烧是液态燃料通过高压喷射等手段形成燃料空气混合气后在合适的热力学状态下着火，将燃料化学能转化为热能的不可逆过程。对于现代发动机来说，其转速高燃烧反应时间短，燃烧过程受控于燃料喷射雾化过程，要达到与发动机工况更匹配的混合气往往需要极高的喷油压力和复杂的喷油策略。相关研究表明，超临界喷射技术可以显著改善燃料的油气混合质量，有着改善燃烧和减少排放的潜质。然而国内针对往复活塞式内燃机的超临界喷射研究较少，现有专利CN107806386A是利用电加热的方法使燃料达到临界温度附近，当温度过高时采用冷却水冷却的温控策略，但对于工程应用而言，利用高品位电能去加热并结合冷却水的温控策略难以避免的会造成能源的使用不合理。
发明内容
本发明的目的在于克服已有技术的缺点，提供一种更节能的适合工程应用的内燃机燃料超临界喷射系统及其控制方法。
本发明通过如下技术方案予以实现。
本发明的一种内燃机燃料超临界喷射系统，包括受发动机正时齿轮箱内的高压油泵齿轮驱动的高压油泵，所述的高压油泵的进油口通过安装有燃油滤清器的进油管与油箱相连，所述的高压油泵的回油口通过安装有电磁流量阀的回油管与油箱相连，所述的电磁流量阀通过控制线与ECU相连，所述的ECU输出控制信号控制电磁流量阀的开启程度，所述高压油泵出油口通过装有第一弹簧式单向阀的第一油管与管壳式换热器下端的内管进口相连，管壳式换热器的外壳与发动机排气管相连，尾气从管壳式换热器的内管与外壳之间通过，燃料从管壳式换热器的内管通过，所述管壳式换热器的内管出口通过第二油管、第三油管分别与稳压腔上的两个连接口相连，其中在靠近发动机排气门方向上的第三油管上装有第二弹簧式单向阀，所述第二弹簧式单向阀使得燃料从换热器单向进入稳压腔，远离排气门方向的第二油管上装有常闭安全阀，所述该常闭安全阀在轨压过高时打开，使稳压腔中的高温高压燃料流入换热器的内管，在所述稳压腔的顶壁上装有一个与ECU通过控制线相连的压力传感器，所述压力传感器实时测量稳压腔内部压力值，在所述稳压腔内部装有加热丝，ECU信号输出端通过一个功率放大器与所述加热丝相连，在所述稳压腔底壁上安装有一个与ECU通过控制线相连的温度传感器，该温度传感器能够实时测量稳压腔内部的温度值，开在所述稳压腔底壁上的出油口通过输油管与缸内的喷油器相连。
本发明的内燃机燃料超临界喷射系统的控制方法，包括以下步骤：
第一步，将发动机采用的燃料的最大临界温度作为设计温度T0存在ECU中，并将设计温度标定进脉谱图,标定的脉谱图为喷油压力-喷油温度脉谱图和喷油温度-喷油脉宽脉谱图；
第二步，ECU读取温度传感器测到的稳压腔内的实际温度T；
第三步，ECU将实测温度T与设计温度T0进行比较，当T<T0时，输出高电平信号通过控制功率放大器提高加热丝的加热功率，T值增大至设计温度T0；当T>T0时，ECU输出低电平信号通过控制放功率放大器，减小加热丝的加热功率，T值减小至设计温度T0；当T＝T0时，ECU不输出信号控制功率放大器，电热丝加热功率为零；
第四步，ECU根据当前工况读取标定的喷油压力，当稳压腔内的实测压力与当前工况下ECU内存储的标定压力相等，并且实测温度与标定温度相等时，ECU根据第一步已经标定好的喷油压力-喷油温度脉谱图查表，根据喷油温度继续查询喷油温度-喷油脉宽脉谱图，根据喷油脉宽控制喷油器的针阀开启时间，实现喷油量的精确控制。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1.充分利用尾气中的废弃能量，本发明的换热器可以装在废气涡轮增压器的排气下方向上，不影响涡轮机工作状态，以电加热为辅助加热的温度控制手段，在保障临界温度的同时节能减排；
2.使用设备、材料均为现有成熟技术手段，具有较高的可实现性和可靠性；
3.充分利用大油量工况具有高排气温度，大油量需要较高的能量达到超临界状态这一变量关系设计换热器，方法更加科学合理。
附图说明
图1为本发明一种内燃机燃料超临界喷射系统结构示意图。
具体实施方式
为能更好的理解本发明的发明内容、特点，下面结合附图和实施方案对本发明的技术作进一步的说明。
本发明是在现有发动机结构上进行改进，除图1、所示结构外，其余均采用现有结构即可。
如附图所示的本发明的一种内燃机燃料超临界喷射系统，包括受发动机正时齿轮箱内的高压油泵齿轮驱动的高压油泵4，所述的高压油泵的进油口通过安装有燃油滤清器14的进油管1与油箱15相连，所述的高压油泵的回油口通过安装有电磁流量阀3的回油管2与油箱15相连，所述的电磁流量阀3通过控制线与ECU5相连，所述的ECU5输出控制信号控制电磁流量阀3的开启程度，所述高压油泵4出油口通过装有第一弹簧式单向阀13-1的第一油管与管壳式换热器6下端的内管进口相连，所述第一弹簧式单向阀13-1只允许燃油从高压油泵4单向进入换热器6。管壳式换热器6的外壳与发动机排气管相连，尾气从管壳式换热器6的内管与外壳之间通过，燃料从管壳式换热器6的内管通过。所述管壳式换热器6的内管出口通过第二油管、第三油管分别与稳压腔10上的两个连接口相连，其中在靠近发动机排气门方向上的第三油管上装有第二弹簧式单向阀13-2，所述第二弹簧式单向阀13-2只允许燃料从换热器6单向进入稳压腔10。远离排气门方向的第二油管上装有常闭安全阀7，所述该常闭安全阀7在轨压过高时打开，使稳压腔中的高温高压燃料流入换热器6的内管。在所述稳压腔的顶壁上装有一个与ECU5通过控制线相连的压力传感器8，所述压力传感器8可以实时测量稳压腔内部压力值P。在所述稳压腔内部装有加热丝9，ECU5信号输出端通过一个功率放大器与所述加热丝9相连，当ECU5给功率放大器输出高电平信号时，加热丝9开始增大加热功率。在所述稳压腔10底壁上安装有一个与ECU5通过控制线相连的温度传感器11，该温度传感器11可以实时测量稳压腔10内部的温度值T。开在所述稳压腔10底壁上的出油口通过输油管与缸内的喷油器12相连。
进一步优选的，本发明采用的管壳式换热器的换热管长度L、换热器的内管的内直径Dtv、换热器外壳内径Dsv的计算公式分别如下：
其中，在换热器中燃料的流速：
式中Mf为发动机循环喷油量，已知量，可通过台架试验得到，单位(g/cycle)；n为发动机转速，已知量，单位(r/min)。
Cf为燃料定容比热容，通过NIST标准数据库查阅燃料参数得到，单位(J/Kg·℃)；
Ktf为燃料与内管管壁传热系数，查阅《热交换器原理与设计(第四版)》附录A，东南大学出版社得到，单位(W/K·m2)；
X为内管数量，单位(个)，为减小对发动机排气背压的影响，建议X取值为1，如为加强换热效果，可另取他值；
ρTP为燃料在T温度P压力下的密度，可通过查询NIST标准数据库得到,单位(Kg/m3)；
Dsv为换热器外壳内径，单位(m)；
h为换热器内管壁厚，单位(m)，内管壁厚根据设计压力参照GB151-1999要求选取。
Dtv为换热器内管内径，单位(m)，内管内直径根据设计温度时燃料粘度参数查询该粘度下常用速度，确定的粘度值时常用速度为已知量，(常用速度参考《热交换器原理与设计(第四版)》附录F，东南大学出版社)，计算内管内径。
Svex为发动机排气管径向截面积，单位(㎡)。
换热管长度L的推导过程如下：
与喷油器相连的输油管中燃料的流量为
Mf为发动机循环喷油量，已知量，可通过台架试验得到，单位(g/cycle)；n为发动机转速，已知量，单位(r/min)。
在换热器中燃料的流速：
Dtv换热器的内管的内直径，单位(m)；
X为内管数量，单位(个)。
燃料流经换热器时间
L为单个内管长度，单位(m)，是该计算的未知量。
因为内燃机常用燃料的热值/比热容一般＞103，而内燃机尾气中大约有燃料燃烧三分之一的热量未被利用，所以尾气中的热量远大于通过换热器传递给燃料的热量，故此处假设换热器的尾气进入温度等于尾气流出温度。忽略尾气和排气管与空气的换热过程。
当燃料被加热到温度T时需要的热量：Q＝Cf×q×t×(Tex-T)(4)
Cf为燃料定容比热容，通过NIST标准数据库查阅燃料参数得到，单位(J/Kg·℃)；Tex为发动机排气温度，可以通过发动机台架试验得到，取全工况台架稳态试验最高排气温度，单位(℃)；T取设计温度T0。燃料的物性参数如密度、粘度、比热容等可以查询NIST标准数据库得到。
该热量由传热计算可得：
Ktf为燃料与内管管壁传热系数，查阅《热交换器原理与设计(第四版)》附录A，东南大学出版社得到，单位(W/K·m2)；
将两种方法求得的Q,即(4)、(5)联立，并将上述(1)(2)(3)等式代入，可得换热器长度L：
换热器设计部分需要得到的重要参数是内管长度，内管内径，内管管壁厚度，外壳与内管间距。内管长度如公式(6)可计算得到。内管直径计算首先根据温度T压力P时的燃料粘度，查询该粘度下常用速度(常用速度参考《热交换器原理与设计(第四版)》附录F，东南大学出版社)，根据公式(2)计算内管内径，即
温度T压力P时的燃料粘度通过NIST标准数据库查询得到。
内管壁厚h根据设计压力参照GB151-1999要求选取。
换热器外壳内径根据发动机排气管横截面积等于内管与外壳间横截面积选取，因为内管形状不是完全的圆柱管，两端为减小排气管内气体阻力，选为半球形结构，故外壳直径在内管是圆柱部分时是一个值，在半球形处是多个不相同的直径值，所用计算公式相同，但在计算外壳两端弧形结构直径时，换热器内管内径Dtv需要代入内管两端的半球形结构的圆截面直径，计算公式即
Dsv为换热器外壳内径，h为换热器内管壁厚，Dtv为换热器内管内径，Svex为发动机排气管径向截面积。
本装置的工作过程如下：
所述高压油泵4产生的高压油通过第一弹簧式单向阀13-1进入管壳式换热器6，在外壳与内管间高温尾气加热下，换热器6内管内压力升高，升温后的高压油通过第二弹簧式单向阀13进入稳压腔10中。稳压腔10中的高压油在ECU的控制下达到设计温度T0，然后经过喷油器12喷入缸内。
现代柴油机的高压共轨控制系统实现稳定喷油压力和精确喷油量是已经成熟的技术手段，主要是通过稳压腔10内的压力传感器8测量轨内实测压力，将该信号反馈给ECU5，ECU5通过比对该工况下标定好的标定压力，当实测压力低于标定压力时，控制电磁流量阀3减少回油油量，稳压腔10进油量大于回油量与喷油器12的喷油量之和时，轨内压力升高；当实测压力高于标定压力时，ECU5控制电磁流量阀3增加回油量，当进入稳压腔10的油量小于回油量与喷油器12的喷油量之和时，稳压腔10压力降低；当实测压力与标定压力相等时，ECU5控制电磁流量阀3维持当前流量不变。在得到稳压腔10内实测压力与该工况下标定压力相等时，ECU5根据已经标定好的喷油压力-喷油脉宽脉谱图，通过控制喷油器12的喷油脉宽，精确控制喷油器针阀开启时间，实现喷油量的精确控制。目前量产柴油机共轨喷油压力已经超过150MPa，超过现有研究中公布的柴油、汽油等燃料的临界压力。本发明控制方法主要在现有共轨系统控制方法的基础上利用尾气废热和电加热的手段达到燃料临界温度。压力控制方法属于现有技术。与现有技术相比，需要将安全阀所在第二油管接到换热器上，避免高温燃料进油箱发生危险。
本发明的一种内燃机燃料超临界喷射系统控制方法，包括以下步骤：
第一步，将发动机采用的燃料的最大临界温度作为设计温度T0存在ECU5中，并将设计温度标定进脉谱图。标定时在现有技术喷油压力-喷油脉宽脉谱图基础上改为喷油压力-喷油温度脉谱图和喷油温度-喷油脉宽脉谱图。
第二步，ECU5读取温度传感器11测到的稳压腔4内的实际温度T。
第三步，ECU5将实测温度T与设计温度T0进行比较，当T<T0时，输出高电平信号通过控制功率放大器提高加热丝9的加热功率，T值增大至设计温度T0；当T>T0时，ECU5输出低电平信号通过控制放功率放大器，减小加热丝9的加热功率，T值减小至设计温度T0。当T＝T0时，ECU5不输出信号控制功率放大器，电热丝加热功率为零。
第四步，ECU5根据当前工况(工况判断属于现有技术)读取标定的喷油压力，当稳压腔10内的实测压力与当前工况下ECU5内存储的标定压力相等，并且实测温度与标定温度相等时，ECU5根据第一步已经标定好的喷油压力-喷油温度脉谱图查表，根据喷油温度继续查询喷油温度-喷油脉宽脉谱图，根据喷油脉宽控制喷油器15的针阀开启时间，实现喷油量的精确控制。
以上实施例仅用于说明本发明的技术而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的进行修改或者同等替换，而不脱离本发明技术的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (1)

1.一种内燃机燃料超临界喷射系统，包括受发动机正时齿轮箱内的高压油泵齿轮驱动的高压油泵(4)，其特征在于：所述的高压油泵的进油口通过安装有燃油滤清器(14)的进油管(1)与油箱(15)相连，所述的高压油泵的回油口通过安装有电磁流量阀(3)的回油管(2)与油箱相连，所述的电磁流量阀(3)通过控制线与ECU(5)相连，所述的ECU输出控制信号控制电磁流量阀(3)的开启程度，所述高压油泵出油口通过装有第一弹簧式单向阀(13-1)的第一油管与管壳式换热器(6)下端的内管进口相连，管壳式换热器的外壳与发动机排气管相连，尾气从管壳式换热器的内管与外壳之间通过，燃料从管壳式换热器的内管通过，所述管壳式换热器的内管出口通过第二油管、第三油管分别与稳压腔(10)上的两个连接口相连，其中在靠近发动机排气门方向上的第三油管上装有第二弹簧式单向阀(13-2)，所述第二弹簧式单向阀(13-2)使得燃料从管壳式换热器单向进入稳压腔(10)，远离排气门方向的第二油管上装有常闭安全阀(7)，所述常闭安全阀在轨压过高时打开，使稳压腔中的高温高压燃料流入管壳式换热器(6)的内管，在所述稳压腔的顶壁上装有一个与ECU通过控制线相连的压力传感器(8)，所述压力传感器实时测量稳压腔内部压力值，在所述稳压腔内部装有加热丝(9)，ECU信号输出端通过一个功率放大器与所述加热丝相连，在所述稳压腔(10)底壁上安装有一个与ECU通过控制线相连的温度传感器(11)，该温度传感器实时测量稳压腔内部的温度值，开在所述稳压腔底壁上的出油口通过输油管与缸内的喷油器(12)相连；ECU(5)通过对比当前工况下标定好的标定压力与稳压腔(10)内的实测压力，控制电磁流量阀(3)的回油量；所述的管壳式换热器的换热管长度L、换热器的内管的内直径Dtv、换热器外壳内径Dsv的计算公式分别如下：
其中，在换热器中燃料的流速：式中Mf为发动机循环喷油量；
n为发动机转速；
Cf为燃料定容比热容；
Ktf为燃料与内管管壁传热系数；
X为内管数量；
ρTP为燃料在T温度P压力下的密度；
Dsv为换热器外壳内径；
h为换热器内管壁厚；
Dtv为换热器内管内径；
Svex为发动机排气管径向截面积。
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