CN114183261A - 一种基于柴油机的缸内直喷压燃燃气内燃机及控制方法 - Google Patents

一种基于柴油机的缸内直喷压燃燃气内燃机及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种基于柴油机的缸内直喷压燃燃气内燃机及其控制方法。本发明中采用动力电池对即将进入燃烧室的空气实施进气加热，确保缸内直喷压燃燃气内燃机的顺利启动；启动后，利用排气余热对即将进入燃烧室的空气实施进气加热，提高燃气的能量利用率，排气余热的加热能量不足时借助动力电池补偿所需的加热能量，确保缸内直喷压燃燃气内燃机的正常运转；采用燃气预喷射+燃气主喷射策略，确保燃气在燃烧室快速、稳定着火，保障缸内直喷压燃燃气内燃机的整机性能；同时，本发明提供了一种基于柴油机的缸内直喷压燃燃气内燃机整机运行的控制方法，通过电控单元的具体控制实现了缸内直喷压燃燃气内燃机整机的稳定运行。

Description

一种基于柴油机的缸内直喷压燃燃气内燃机及控制方法
技术领域
本发明提出了一种基于柴油机的缸内直喷压燃燃气内燃机及其控制方法，具体涉及一种基于柴油机的缸内直喷压燃燃气内燃机的系统设计以及基于柴油机的缸内直喷压燃燃气内燃机整机运行的控制方法，属于内燃机领域。
背景技术
21世纪以来，内燃机除了面临满足愈发严格的有害排放物法规的挑战，还要面临着CO2法规(燃油经济性)挑战，CO2法规逐步成为推动内燃机技术进步的又一主要因素。针对未来超低排放，甚至零排放的有害排放物法规和CO2法规，部分研究人员提出了不同的内燃机新型燃烧方式；还有一部分研究人员基于传统内燃机的技术优势引入新的替代燃料(氢气、天然气、氨气等)，以提高内燃机的热效率并降低有害排放。
对燃气内燃机的研究几乎完全集中在预混合燃烧概念上，例如火花点火和均质充量压缩点火；对于双燃料燃烧概念，将预混合的燃气-空气混合物喷入燃烧室内，在传统柴油或其余助燃剂的帮助下压燃燃气-空气混合物。然而，所有的预混合燃烧方法在一定程度上都存在难压燃、功率密度低、运行负荷有限、循环变动大等问题。虽然双燃料燃烧模式可在一定程度上解决上述问题，但柴油及助燃剂的引入也伴随着污染物排放升高以及储存两种不同燃料的难题。基于柴油机技术，非预混纯燃气燃烧概念有望解决上述所有问题，但是非预混纯燃气燃烧概念尚未得到广泛应用。由于燃气的高自燃温度(氢气为585℃，柴油为250℃，天然气为537℃，氨气为651℃)和较高的辛烷值通常需要高于正常压缩比或者更高的进气温度来实现压缩燃烧。高压缩比会增加内燃机的热负荷及机械负荷，高进气温度会导致较低的体积效率、较高的热损失和过量的NOx排放。此外，为保证燃气从喷嘴直接喷入燃烧室，喷射系统压力要远高于气缸内的峰值压力。
综上所述，如何能够承接现有的柴油机技术并在这些技术的基础上开发基于柴油机的缸内直喷压燃燃气内燃机整机系统，保证/甚至提高原机性能的同时实现缸内直喷压燃燃气内燃机的稳定运行是目前亟需解决的难题。鉴于此，本发明提出了一种基于柴油机的缸内直喷压燃燃气内燃机及其控制方法，具体涉及一种基于柴油机的缸内直喷压燃燃气内燃机的系统设计以及基于柴油机的缸内直喷压燃燃气内燃机整机运行的控制方法。本发明中采用动力电池对即将进入燃烧室的空气实施进气加热，确保缸内直喷压燃燃气内燃机的顺利启动；启动后，利用排气余热对即将进入燃烧室的空气实施进气加热，提高燃气的能量利用率，排气余热的加热能量不足时借助动力电池补偿所需的加热能量，确保缸内直喷压燃燃气内燃机的正常运转；采用燃气预喷射+燃气主喷射策略，确保燃气在燃烧室快速、稳定着火，保障缸内直喷压燃燃气内燃机的整机性能；同时，本发明提供了一种基于柴油机的缸内直喷压燃燃气内燃机整机运行的控制方法，通过电控单元的具体控制实现了缸内直喷压燃燃气内燃机整机的稳定运行。
发明内容
一种基于柴油机的缸内直喷压燃燃气内燃机系统，主要包括空气进气管路P1、空气滤清器1、进气压力传感器2、进气温度传感器3、进气流量传感器4、换热器5、动力电池电热丝6、热空气流通管路P2、热空气流量传感器7、热空气温度传感器8、缸内直喷压燃燃气内燃机9、燃烧室温度传感器10、高压燃气直喷喷嘴11、排气管路P3、NSR催化系统12、排气流量传感器13、排气温度传感器14、燃气瓶15、燃气进气管路P4、减压阀16、燃气流量传感器17、阻燃阀18、电控单元ECU19；
所述电控单元ECU19接收进气压力信号a、进气温度信号b、进气流量信号c、燃气流量信号d、热空气流量信号f、热空气温度信号g、燃烧室温度信号h、排气温度信号j、排气流量信号l；发出动力电池信号e、燃气喷射信号i、NSR催化信号k；
基于柴油机的缸内直喷压燃燃气内燃机及其控制方法：
所述基于柴油机的缸内直喷压燃燃气内燃机覆盖氢气、天然气、氨气三种燃气类型，所述基于柴油机的缸内直喷压燃燃气内燃机为单燃料内燃机；
启动阶段，新鲜空气由空气进气管路(P1)依次经过空气滤清器(1)、进气压力传感器(2)、进气温度传感器(3)、进气流量传感器(4)进入换热器(5)，新鲜空气被动力电池电热丝(6)加热为热空气，热空气由热空气流通管路(P2)依次经过热空气流量传感器(7)、热空气温度传感器(8)进入缸内直喷压燃燃气内燃机(9)；电控单元ECU(19)接收进气压力信号a、进气温度信号b、进气流量信号c、热空气流量信号f和热空气温度信号g，通过燃烧室温度信号h监测燃烧室的温度；燃气类型为氢气时，基于缸内直喷压燃燃气内燃机的压缩终了温度大于1130K，电控单元ECU(19)计算得出加热新鲜空气所需的热量，通过动力电池信号e控制动力电池电热丝加热新鲜空气，使氢气在燃烧室成功压燃；燃气类型为天然气时，基于缸内直喷压燃燃气内燃机的压缩终了温度大于1200K，电控单元ECU(19)计算得出加热新鲜空气所需的热量，通过动力电池信号e控制动力电池电热丝加热新鲜空气，使天然气在燃烧室成功压燃；燃气类型为氨气时，基于缸内直喷压燃燃气内燃机的压缩终了温度大于1300K，电控单元ECU(19)计算得出加热新鲜空气所需的热量，通过动力电池信号e控制动力电池电热丝加热新鲜空气，使氨气在燃烧室成功压燃；
启动后，缸内直喷压燃燃气内燃机的排气由排气管路(P3)依次经过NSR催化系统(12)、排气流量传感器(13)和排气温度传感器(14)进入换热器(5)，新鲜空气被排气余热加热为热空气，当排气余热热量不足时，加热新鲜空气所需的剩余热量由动力电池电热丝(6)提供，确保燃气在燃烧室成功压燃；电控单元ECU(19)接收进气压力信号a、进气温度信号b、进气流量信号c、排气温度信号j、排气流量信号l、热空气流量信号f和热空气温度信号g，通过燃烧室温度信号h监测燃烧室的温度；燃气类型为氢气时，基于缸内直喷压燃燃气内燃机的压缩终了温度大于1130K；燃气类型为天然气时，基于缸内直喷压燃燃气内燃机的压缩终了温度大于1200K；燃气类型为氨气时，基于缸内直喷压燃燃气内燃机的压缩终了温度大于1300K；电控单元ECU(19)计算得出加热新鲜空气所需的热量和排气余热的热量，当排气余热热量不足时，电控单元ECU(19)通过动力电池信号e控制动力电池电热丝补偿剩余热量；
燃气喷射阶段，高压燃气由燃气进气管路(P4)依次经过减压阀(16)、燃气流量传感器(17)和阻燃阀(18)进入高压燃气直喷喷嘴(11)，电控单元ECU(19)通过燃气喷射信号i控制高压燃气直喷喷嘴(11)的开闭，燃气喷射的两个阶段为燃气预喷射和燃气主喷射；电控单元ECU(19)通过接收进气压力信号a、进气温度信号b和进气流量信号c，获取缸内直喷压燃燃气内燃机所需燃气量和喷射脉宽；燃气预喷射正时为上止点前20°CA，喷射量为1.5mg；电控单元ECU(19)根据剩余燃气量对应的喷射脉宽，合理调整燃气主喷射正时，使燃气的主喷射在上止点后15°CA之前完成。
本发明的有益效果主要是：本发明中采用动力电池对即将进入燃烧室的空气实施进气加热，确保缸内直喷压燃燃气内燃机的顺利启动；启动后，利用排气余热对即将进入燃烧室的空气实施进气加热，提高燃气的能量利用率，排气余热的加热能量不足时借助动力电池补偿所需的加热能量，确保缸内直喷压燃燃气内燃机的正常运转；采用燃气预喷射+燃气主喷射策略，确保燃气在燃烧室快速、稳定着火，保障缸内直喷压燃燃气内燃机的整机性能；同时，本发明提供了一种基于柴油机的缸内直喷压燃燃气内燃机整机运行的控制方法，通过电控单元的具体控制实现了缸内直喷压燃燃气内燃机整机的稳定运行。
附图说明
图1.基于柴油机的缸内直喷压燃燃气内燃机系统原理图
图中：P1、空气进气管路，1、空气滤清器，2、进气压力传感器，3、进气温度传感器，4、进气流量传感器，5、换热器，6、动力电池电热丝，P2、热空气流通管路，7、热空气流量传感器，8、热空气温度传感器，9、缸内直喷压燃燃气内燃机，10、燃烧室温度传感器，11、高压燃气直喷喷嘴，P3、排气管路，12、NSR催化系统，13、排气流量传感器，14、排气温度传感器，15、燃气瓶，P4、燃气进气管路，16、减压阀，17、燃气流量传感器，18、阻燃阀，19、电控单元ECU；
a、进气压力信号，b、进气温度信号，c、进气流量信号，d、燃气流量信号，e、动力电池信号，f、热空气流量信号，g、热空气温度信号，h、燃烧室温度信号，i、燃气喷射信号，j、排气温度信号，k、NSR催化信号，l、排气流量信号。
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：
所述基于柴油机的缸内直喷压燃燃气内燃机覆盖氢气、天然气、氨气三种燃气类型，所述基于柴油机的缸内直喷压燃燃气内燃机为单燃料内燃机；
启动阶段，新鲜空气由空气进气管路P1依次经过空气滤清器1、进气压力传感器2、进气温度传感器3、进气流量传感器4进入换热器5，新鲜空气被动力电池电热丝6加热为热空气，热空气由热空气流通管路P2依次经过热空气流量传感器7、热空气温度传感器8进入缸内直喷压燃燃气内燃机9；电控单元ECU19接收进气压力信号a、进气温度信号b、进气流量信号c、热空气流量信号f和热空气温度信号g，通过燃烧室温度信号h监测燃烧室的温度；燃气类型为氢气时，基于缸内直喷压燃燃气内燃机的压缩终了温度大于1130K，电控单元ECU19计算得出加热新鲜空气所需的热量，通过动力电池信号e控制动力电池电热丝加热新鲜空气，使氢气在燃烧室成功压燃；燃气类型为天然气时，基于缸内直喷压燃燃气内燃机的压缩终了温度大于1200K，电控单元ECU19计算得出加热新鲜空气所需的热量，通过动力电池信号e控制动力电池电热丝加热新鲜空气，使天然气在燃烧室成功压燃；燃气类型为氨气时，基于缸内直喷压燃燃气内燃机的压缩终了温度大于1300K，电控单元ECU19计算得出加热新鲜空气所需的热量，通过动力电池信号e控制动力电池电热丝加热新鲜空气，使氨气在燃烧室成功压燃；
启动后，缸内直喷压燃燃气内燃机的排气由排气管路P3依次经过NSR催化系统12、排气流量传感器13和排气温度传感器14进入换热器5，新鲜空气被排气余热加热为热空气，当排气余热热量不足时，加热新鲜空气所需的剩余热量由动力电池电热丝6提供，确保燃气在燃烧室成功压燃；电控单元ECU19接收进气压力信号a、进气温度信号b、进气流量信号c、排气温度信号j、排气流量信号l、热空气流量信号f和热空气温度信号g，通过燃烧室温度信号h监测燃烧室的温度；燃气类型为氢气时，基于缸内直喷压燃燃气内燃机的压缩终了温度大于1130K；燃气类型为天然气时，基于缸内直喷压燃燃气内燃机的压缩终了温度大于1200K；燃气类型为氨气时，基于缸内直喷压燃燃气内燃机的压缩终了温度大于1300K；电控单元ECU19计算得出加热新鲜空气所需的热量和排气余热的热量，当排气余热热量不足时，电控单元ECU19通过动力电池信号e控制动力电池电热丝补偿剩余热量；
燃气喷射阶段，高压燃气由燃气进气管路P4依次经过减压阀16、燃气流量传感器17和阻燃阀18进入高压燃气直喷喷嘴11，电控单元ECU19通过燃气喷射信号i控制高压燃气直喷喷嘴11的开闭，燃气喷射的两个阶段为燃气预喷射和燃气主喷射；电控单元ECU19通过接收进气压力信号a、进气温度信号b和进气流量信号c，获取缸内直喷压燃燃气内燃机所需燃气量和喷射脉宽；燃气预喷射正时为上止点前20°CA，喷射量为1.5mg；电控单元ECU19根据剩余燃气量对应的喷射脉宽，合理调整燃气主喷射正时，使燃气的主喷射在上止点后15°CA之前完成。
本发明的有益效果主要是：本发明中采用动力电池对即将进入燃烧室的空气实施进气加热，确保缸内直喷压燃燃气内燃机的顺利启动；启动后，利用排气余热对即将进入燃烧室的空气实施进气加热，提高燃气的能量利用率，排气余热的加热能量不足时借助动力电池补偿所需的加热能量，确保缸内直喷压燃燃气内燃机的正常运转；采用燃气预喷射+燃气主喷射策略，确保燃气在燃烧室快速、稳定着火，保障缸内直喷压燃燃气内燃机的整机性能；同时，本发明提供了一种基于柴油机的缸内直喷压燃燃气内燃机整机运行的控制方法，通过电控单元的具体控制实现了缸内直喷压燃燃气内燃机整机的稳定运行。

Claims (2)

1.一种基于柴油机的缸内直喷压燃燃气内燃机，其特征在于：包括空气进气管路(P1)，其上依次有空气滤清器(1)、进气压力传感器(2)、进气温度传感器(3)、进气流量传感器(4)；热空气流通管路(P2)，其上依次有热空气流量传感器(7)、热空气温度传感器(8)；排气管路(P3)，其上依次有NSR催化系统(12)、排气流量传感器(13)、排气温度传感器(14)；燃气进气管路(P4)，其上依次有减压阀(16)、燃气流量传感器(17)、阻燃阀(18)；换热器(5)、动力电池电热丝(6)、缸内直喷压燃燃气内燃机(9)、燃烧室温度传感器(10)、高压燃气直喷喷嘴(11)、燃气瓶(15)、电控单元ECU(19)；
所述电控单元ECU(19)与进气压力传感器(2)相连接并获得进气压力信号a；
所述电控单元ECU(19)与进气温度传感器(3)相连接并获得进气温度信号b；
所述电控单元ECU(19)与进气流量传感器(4)相连接并获得进气流量信号c；
所述电控单元ECU(19)与燃气流量传感器(17)相连接并获得燃气流量信号d；
所述电控单元ECU(19)与动力电池电热丝(6)相连接并通过动力电池信号e控制动力电池电热丝的温度；
所述电控单元ECU(19)与热空气流量传感器(7)相连接并获得热空气流量信号f；
所述电控单元ECU(19)与热空气温度传感器(8)相连接并获得热空气温度信号g；
所述电控单元ECU(19)与燃烧室温度传感器(10)相连接并获得燃烧室温度信号h；
所述电控单元ECU(19)与高压燃气直喷喷嘴(11)相连接并通过燃气喷射信号i控制高压燃气直喷喷嘴开闭。
所述电控单元ECU(19)与排气温度传感器(14)相连接并获得排气温度信号j；
所述电控单元ECU(19)与NSR催化系统(12)相连接并通过NSR催化信号k控制NSR催化系统的吸附和脱附；
所述电控单元ECU(19)与排气流量传感器(13)相连接并获得排气流量信号l。
2.应用如权利要求1所述的一种基于柴油机的缸内直喷压燃燃气内燃机的方法，其特征在于：
基于柴油机的缸内直喷压燃燃气内燃机为氢气、天然气、氨气三种燃气类型之一，所述基于柴油机的缸内直喷压燃燃气内燃机为单燃料内燃机；
启动阶段，新鲜空气由空气进气管路(P1)依次经过空气滤清器(1)、进气压力传感器(2)、进气温度传感器(3)、进气流量传感器(4)进入换热器(5)，新鲜空气被动力电池电热丝(6)加热为热空气，热空气由热空气流通管路(P2)依次经过热空气流量传感器(7)、热空气温度传感器(8)进入缸内直喷压燃燃气内燃机(9)；电控单元ECU(19)接收进气压力信号a、进气温度信号b、进气流量信号c、热空气流量信号f和热空气温度信号g，通过燃烧室温度信号h监测燃烧室的温度；燃气类型为氢气时，基于缸内直喷压燃燃气内燃机的压缩终了温度大于1130K，电控单元ECU(19)计算得出加热新鲜空气所需的热量，通过动力电池信号e控制动力电池电热丝加热新鲜空气，使氢气在燃烧室成功压燃；燃气类型为天然气时，基于缸内直喷压燃燃气内燃机的压缩终了温度大于1200K，电控单元ECU(19)计算得出加热新鲜空气所需的热量，通过动力电池信号e控制动力电池电热丝加热新鲜空气，使天然气在燃烧室成功压燃；燃气类型为氨气时，基于缸内直喷压燃燃气内燃机的压缩终了温度大于1300K，电控单元ECU(19)计算得出加热新鲜空气所需的热量，通过动力电池信号e控制动力电池电热丝加热新鲜空气，使氨气在燃烧室成功压燃；
启动后，缸内直喷压燃燃气内燃机的排气由排气管路(P3)依次经过NSR催化系统(12)、排气流量传感器(13)和排气温度传感器(14)进入换热器(5)，新鲜空气被排气余热加热为热空气，当排气余热热量不足时，加热新鲜空气所需的剩余热量由动力电池电热丝(6)提供，确保燃气在燃烧室成功压燃；电控单元ECU(19)接收进气压力信号a、进气温度信号b、进气流量信号c、排气温度信号j、排气流量信号l、热空气流量信号f和热空气温度信号g，通过燃烧室温度信号h监测燃烧室的温度；燃气类型为氢气时，基于缸内直喷压燃燃气内燃机的压缩终了温度大于1130K；燃气类型为天然气时，基于缸内直喷压燃燃气内燃机的压缩终了温度大于1200K；燃气类型为氨气时，基于缸内直喷压燃燃气内燃机的压缩终了温度大于1300K；电控单元ECU(19)计算得出加热新鲜空气所需的热量和排气余热的热量，当排气余热热量不足时，电控单元ECU(19)通过动力电池信号e控制动力电池电热丝补偿剩余热量；
燃气喷射阶段，高压燃气由燃气进气管路(P4)依次经过减压阀(16)、燃气流量传感器(17)和阻燃阀(18)进入高压燃气直喷喷嘴(11)，电控单元ECU(19)通过燃气喷射信号i控制高压燃气直喷喷嘴(11)的开闭，燃气喷射的两个阶段为燃气预喷射和燃气主喷射；电控单元ECU(19)通过接收进气压力信号a、进气温度信号b和进气流量信号c，获取缸内直喷压燃燃气内燃机所需燃气量和喷射脉宽；燃气预喷射正时为上止点前20°CA，喷射量为1.5mg；电控单元ECU(19)根据剩余燃气量对应的喷射脉宽，合理调整燃气主喷射正时，使燃气的主喷射在上止点后15°CA之前完成。
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