CN1936308A - 点燃式单一醇燃料电控多点气道喷射发动机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种点燃式电控多点单一醇燃料气道喷射发动机，主要包括甲醇泵(4)、燃油导轨(1)、燃油压力调节器(3)、燃油喷嘴(21)、节流阀体(16)、电控单元ECU(8)、火花塞(20)和高能点火线圈(19)，其特征在于，节流阀体(16)安装在发动机进气管入口处，火花塞(20)安装在原柴油机柴油喷嘴处，点火线圈(19)受电控单元ECU(8)直接控制，活塞压缩比为10∶1。通过增加冷启动助燃添加剂泵(14)、冷启动喷嘴(15)、冷启动辅助电控单元(9)等，使得单一醇燃料冷启动难题得到解决。提高发动机热效率，大幅度降低NOx和颗粒物的排放，改善发动机动力性和经济性。

Description

点燃式单一醇燃料电控多点气道喷射发动机

技术领域

本发明涉及一种气道喷射发动机，尤其由柴油机改造而成的点燃式电控多点单一醇燃料气道喷射发动机，适用于大排量增压中冷柴油机燃用甲醇燃料的改造，属内燃机技术领域。

背景技术

石油产品作为汽车燃料，随着汽车保有量的迅速增加，因其不可再生的特点已日渐枯竭。多年来，人们不断探索解决能源危机的方法，替代燃料，特别是醇类燃料，有望能够缓解国际燃料可持续工业和环境安全的危机。过去几十年的汽车研究中，多种醇类燃料——主要是甲醇、乙醇及其与碳氢化合物的混合燃料已被证明既可改善NOx和固体颗粒物的排放，同时一定程度上还提高了发动机的热效率。

醇燃料具有热效率高、比功率高、排放较低等优点。由于其辛烷值高，因而能够在高压缩比下运行而不会产生过早点火引起爆震；它的高汽化潜热能使充气密度提高；以及由于燃烧速度较高而允许在较稀或非常稀的混合气下运行。另外醇类的热值普遍比较低，使NOx排放较低，燃烧噪音降低。

目前，重型汽车基本上都是使用柴油为燃料的柴油机为动力，也是石油资源消耗的大户。近年来，国内外排放法规日益严厉，柴油机相对较差的排放对其发展也提出了新的挑战。因而，有必要提供一种由柴油机改造而成的单一醇燃料气道喷射发动机。

发明内容

本发明的目的是将柴油机改造为一种点燃式电控多点单一醇燃料气道喷射发动机，尤其由柴油机改造而成的点燃式电控多点单一醇燃料气道喷射发动机。

本发明的点燃式电控多点单一醇燃料气道喷射发动机，主要包括甲醇泵4、燃油导轨1、燃油压力调节器3、燃油喷嘴21、节流阀体16、电控单元ECU8、火花塞20和高能点火线圈19，其特征在于，节流阀体16安装在发动机进气管入口处，火花塞20安装在原柴油机柴油喷嘴处，点火线圈19受电控单元ECU8直接控制，活塞压缩比为10∶1。

其还具有冷启动辅助电控单元9、冷启动助燃添加剂泵14和冷启动喷嘴15。

借助进气温度传感器5、冷却液温度传感器6、进气歧管绝对压力传感器7、曲轴位置传感器11、氧传感器12、节气门位置传感器17、车速传感器10、高能点火系统和怠速控制阀18、甲醇泵4、燃油喷嘴21、冷启动助燃添加剂泵14和冷启动喷嘴15，通过电控单元ECU8实现对发动机喷油脉宽、点火正时、怠速、空燃比以及其他附属电气设备的精确控制。

所述的电控单元EUC8对小负荷采用闭环控制，中大负荷采用稀薄燃烧的方式，分阶段对空燃比进行精确控制。

冷启动辅助电控单元9通过与电控单元ECU8的对话交流判断冷启动开始与结束的条件，向冷启动助燃添加剂泵14、冷启动喷嘴15发出相应动作指令。

其适用的燃料有甲醇和乙醇。

采用本发明的点燃式电控多点单一醇燃料气道喷射发动机，可以使改装后发动机的动力性达到原柴油机的水平，燃油经济性和排放性能都得到较大改善，解决单一醇燃料发动机冷启动困难的难题。

附图说明

图1为本发明发动机的电控多点单一醇燃料喷射系统示意图；

图2为电控单元ECU的燃油喷射量控制策略示意图；

图3为电控单元ECU的点火提前角控制策略示意图

图4为电控单元ECU的怠速控制策略示意图。

具体实施方式

下面将参照附图对本发明进行详细说明。

图1为发明发动机的电控多点单一醇燃料喷射系统示意图

图中，1为燃油导轨、2为高压阻尼线、3为燃油压力调节器、4为专用甲醇泵、5为进气温度传感器、6为冷却液温度传感器、7为进气歧管绝对压力传感器、8为电控单元ECU、9为冷启动辅助电控单元、10为车速传感器、11为曲轴位置传感器、12为氧传感器、13为正时齿盘、14为冷启动助燃添加剂泵、15为冷启动喷嘴、16节流阀体、17节气门位置传感器、18为怠速控制阀、19为高能点火线圈、20为火花塞、21为燃油喷嘴。

本发明发动机是对柴油机的改进，点燃方式由压燃式改为火花点燃式，靠进气空气量调节负荷。本发明采用专用甲醇泵4将燃料从油箱(未示出)泵至燃油导轨1，在燃油压力调节器3的作用下，以一定的压力从电控单元ECU8控制的燃油喷嘴21喷入气道。火花塞20位于原柴油喷嘴处；节流阀体16位于增压器压缩空气出口与发动机进气管之间，靠油门拉线带动节流阀体上的阀片转动，调节油门开度，改变进气量。进气温度传感器5、进气歧管绝对压力传感器7安装在进气管上；冷却液温度传感器6安装在缸体上的预留孔上；氧传感器12安装在增压器废气出口下游的排气管上。另外，由于醇燃料具有很强的腐蚀性，原有的油箱不能满足要求，因此将油箱更换为耐醇油箱。

正时齿盘13安装在发动机前端，曲轴位置传感器12固定在齿盘上方的相应位置，该传感器传送的信号作为控制系统信号判断和机构执行的参考。

原柴油机压缩比一般在20∶1左右，为使活塞适用本发明发动机，对其进行加工使压缩比达到10∶1。

进气系统由节流阀体16、进气温度传感器5、进气歧管绝对压力传感器7组成。节流阀体16根据负荷的需要调节空气量，由进气歧管绝对压力传感器7采集的信号经过温度及其他条件的修正给喷嘴21发出一定脉宽的喷油信号。节流阀体16上的节气门位置传感器17和怠速控制阀18用以判断发动机工作状态和怠速旁通气量调节。

点火系统由高能点火线圈19、高压阻尼线2和火花塞20组成。高能点火线圈19根据电控单元ECU8发出的最佳点火提前角的点火信号，通过高压阻尼线2将火花塞20激活放电产生火花，点燃甲醇和空气的混合气。

控制系统主要由电控单元ECU8和上述传感器、冷却液温度传感器6、氧传感器12和执行器构成(车速传感器10在发动机装车后也是控制系统的一部分)。氧传感器12是实现闭环控制的主要部件，电控单元ECU8根据它反馈的空燃比信号判断混合气的稀浓，对基本喷油脉宽进行修正，通过对燃油喷嘴增减喷油脉宽来实现空燃比在理论值14.6附近很窄的范围内变化。

本发明的控制系统采用三元催化器对发动机燃烧后的气体进行后处理，使之转化为无害气体排到大气。

本发明的控制系统还可以对汽车空调系统、故障诊断系统及其他电气系统进行相应的控制，以满足各种使用要求。

本发明的发动机按照发动机在各种运行工况对空燃比的不同要求，将控制过程划分为六种控制模式，即起动模式、怠速模式、加速模式、滑行模式，常用工况模式和中大负荷工况模式。每种模式都充分考虑发动机的可操作性，对排放的影响以及燃油经济性。由于甲醇燃烧速度较高而可以在较稀或非常稀的混合气下运行，在某些工况采用甲醇稀薄燃烧的方式对发动机进行控制。

启动工况分为冷起动和常温起动，根据设定空燃比，计算喷油量再通过水温修正后输出。怠速工况时根据转速控制喷油量，来维持稳定怠速转速。加速工况时电控单元ECU8给出一个附加喷油脉冲，满足加速需要。滑行工况时发动机处于强制怠速，为节省燃料，控制单元停止发出喷油脉宽信号。常用工况时也就是小负荷时根据实测转速和进气流量查取脉谱图，得到相应的供油量，通过氧传感器进行闭环控制。中大负荷工况时，利用甲醇良好的稀燃特性，采用稀薄燃烧的空燃比控制。

单一醇燃料发动机存在的主要问题之一是冷启动，尤其是气道喷射发动机供油方式。单一醇燃料的沸点在40℃左右，不像汽油存在多种沸点不同的成分使其在很低温度时仍有部分燃料挥发而易于点燃，再加上单一醇燃料热值差不多是汽油的一半，故多年来单一醇燃料发动机的冷启动一直是代用醇燃料推广应用的障碍。本发明的发动机作为重型车的动力，为能提供稳定、可靠、安全，易于操纵的运行状态，附加了一个冷启动辅助控制单元9，它能与电控单元ECU8进行有效的对话，实现数据发送与传输，向执行器冷启动助燃添加剂泵14和冷启动喷嘴15发出启动和工作指令，向气道内喷射助燃添加剂，使发动机正常运转几秒钟后终止冷启动功能，依靠单一醇燃料供给维持运行。

图2为电控单元ECU的燃油喷射量控制策略示意图

电控单元ECU8根据不同工况所设定的空燃比，通过转速和空气流量(由歧管压力、进气温度计算)查取脉谱图得到基本喷油脉宽，综合工况需要进行相关修正，输出实际喷油脉宽。电控单元ECU8存储该工作参数，下一次可通过自学习完成计算。

图3为电控单元ECU的点火提前角控制策略示意图

电控单元ECU8根据工况查得基本点火角，通过传感器传回的水温、气温、气压等信号结合工况需要对点火角修正。

图4为电控单元ECU的怠速控制策略示意图

怠速时电控单元ECU8考虑电瓶电压、空调使用情况进行转速的补偿修正；减速滑行时根据车速补偿怠速转速。

本发明试验分别采用甲醇和乙醇燃料，试验对比表明甲醇燃料在动力性和排放性能方面都优于乙醇。本发明同样适用于非增压中冷的柴油机，在对原柴油机结构进行改造时，可通过优化设计结合试验来确定发动机适合的压缩比。

本发明的点燃式单一醇燃料电控多点气道喷射发动机通过优化设计活塞、进气管以及调整进气、燃油和点火系统将压燃式柴油机改为点燃式且采用了完全电子控制；燃料由柴油改变为使用甲醇，改变了原来的粗暴燃烧状况大大降低了噪音；改善了NOx和固体颗粒物的排放，提高了热效率；附加冷启动控制装置解决了发动机冷启动的困难。

Claims (6)

1、一种点燃式电控多点单一醇燃料气道喷射发动机，主要包括甲醇泵(4)、燃油导轨(1)、燃油压力调节器(3)、燃油喷嘴(21)、节流阀体(16)、电控单元ECU(8)、火花塞(20)和高能点火线圈(19)，其特征在于，节流阀体(16)安装在发动机进气管入口处，火花塞(20)安装在原柴油机柴油喷嘴处，点火线圈(19)受电控单元ECU(8)直接控制，活塞压缩比为10∶1。

2、根据权利要求1所述的点燃式电控多点单一醇燃料气道喷射发动机，其特征在于，其还具有冷启动辅助电控单元(9)、冷启动助燃添加剂泵(14)和冷启动喷嘴(15)。

3、根据权利要求2所述的点燃式电控多点单一醇燃料气道喷射发动机，其特征在于，借助进气温度传感器(5)、冷却液温度传感器(6)、进气歧管绝对压力传感器(7)、曲轴位置传感器(11)、氧传感器(12)、节气门位置传感器(17)、车速传感器(10)、高能点火系统和怠速控制阀(18)、甲醇泵(4)、燃油喷嘴(21)、冷启动助燃添加剂泵(14)和冷启动喷嘴(15)，通过电控单元ECU(8)实现对发动机喷油脉宽、点火正时、怠速、空燃比以及其他附属电气设备的精确控制。

4、根据权利要求3所述的点燃式电控多点单一醇燃料气道喷射发动机，其特征在于，所述的电控单元EUC(8)对小负荷采用闭环控制，中大负荷采用稀薄燃烧的方式，分阶段对空燃比进行精确控制。

5、根据权利要求3中所述的点燃式电控多点单一醇燃料气道喷射发动机，其特征在于，冷启动辅助电控单元(9)通过与电控单元ECU(8)的对话交流判断冷启动开始与结束的条件，向冷启动助燃添加剂泵(14)、冷启动喷嘴(15)发出相应动作指令。

6、根据权利要求1-6之一所述的点燃式电控多点单一醇燃料气道喷射发动机，其特征在于，其适用的燃料有甲醇和乙醇。

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