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CN105888832B - 米勒循环柴油-天然气双燃料发动机及其控制方法 - Google Patents

米勒循环柴油-天然气双燃料发动机及其控制方法 Download PDF

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Abstract

一种米勒循环柴油‑天然气双燃料发动机及其控制方法，涉及发动机技术领域。本发明通过调整进气阀调节机构，实现进气门早关的方式，改变压缩比，使压缩比和膨胀比分离，有利于冷却混合气，降低发动机热负荷，膨胀过程产生正的抽吸功改善了发动机的热效率，更好的提高燃油经济性。并且使用新的控制方法，通过使本发明更加灵活的进行高/低压缩比的转换，使柴油‑天然气双燃料发动机在全负荷范围内都能高效率燃烧运转。

Description

米勒循环柴油-天然气双燃料发动机及其控制方法
技术领域
本发明属发动机技术领域，具体涉及一种米勒循环柴油-天然气双燃料发动机及其控制方法。
背景技术
由于现代工业的迅猛发展，传统车用燃料价格不断攀升、发动机排放标准越来越严格，发展清洁、经济的燃气发动机越来越引起社会的关注，以天然气作为发动机燃料成为各国研究机构研究的热点。但天然气发动机在使用过程中存在功率下降严重、续航里程短，需要布置合理的加气站点等问题，而传统柴油机扭矩大、动力足、续航里程长。因此，国内外一直致力研究一种通过传统燃油增加续航里程，并且结合气体燃料的经济、环保性的双燃料发动机；为了解决使用两种不同燃料时压缩比变化大的问题，有效压缩比调节技术成为实现双燃料发动机的关键。
已有技术中，申请号为01823015.6、名称为“双燃料发动机”的发明专利，是在发动机气缸头上设置压缩比控制阀，燃气运转时，在压缩初期打开该控制阀，推出部分已进入气缸的气体混合气，降低实际的压缩比。该控制压缩比的机构只能在下止点之后打开，而且在推出过程产生泵气损失。该压缩比调整机构对传统发动机改动大，实现方式困难。
米勒循环技术核心在于使压缩比和膨胀比分离，利用高膨胀比提高热效率降低排气温度，同时低有效压缩比可防止爆震。发动机燃气运转时，为避免爆震要使压缩比低于狄赛尔发动机，发动机效率和功率下降严重。应用米勒循环进气阀早关使压缩比与膨胀比分离，低温增压的燃烧模式不仅可以实现发动机的双燃料运转而且能够有效改善燃气运转时发动机的性能。
发明内容
本发明鉴于上述情况形成，所要解决的问题是：针对天然气发动机受加气站限制、续航里程短等问题，解决现有双燃料发动机实现方式及性能的不足，提供一种实现方式简单、经济环保、热负荷低耐久性好等优点的米勒循环柴油-天然气双燃料发动机。
为实现上述目的，本发明提出了一种米勒循环柴油-天然气双燃料发动机，由活塞、汽缸、燃烧室、压缩机、涡轮机、废气旁通阀、排气口、排气阀、柴油调节阀、燃油压力传感器、燃油温度传感器、燃气质量流量传感器、燃气供应阀、进气压力传感器、进气口、进气阀、喷油器、进气阀调节机构、燃油箱、负荷信号、转速信号、发动机监测系统、电子控制单元、储气罐、燃气压力传感器、中冷器和空气滤清器组成。
发动机缸盖上设置有进气阀、排气阀，进气阀调节机构布置在缸盖上的进气阀侧；
所述发动机监测系统，包括：设置在所述发动机机体内的发动机转速信号、发动机负荷信号、进气压力传感器、燃气质量传感器、燃油压力传感器、燃油温度传感器、燃气压力传感器，实时监测所述发动机的工作状态并将监测到的信息输出至所述的电子控制单元；
所述电子控制单元，接收发动机各系统的输出信息，分析处理该信息后向发动机执行结构输出动作信号；
所述燃料切换系统，根据所述电子控制系统的动作信号，有选择的打开或者关闭燃气供应系统的控制阀，实现发动机燃气运转或者柴油运转；
所述进气阀调节机构，根据米勒循环控制原理，有选择的操作进气阀的关闭时刻；
其特征在于，所述的发动机监测系统与电子控制单元连接，进一步的在进气门处具备燃气质量流量传感器，进气口处具备压力传感器，燃油管路上具备有燃油压力传感器和燃油温度传感器，电子控制单元为上述传感器信号的输入终端。
本发明的再一个目的就是提供一种米勒循环柴油-天然气双燃料发动机的控制方法，使双燃料发动机在全负荷范围内都能高效率燃烧运转。
为实现上述发明目，本发明提出了一种米勒循环柴油-天然气双燃料发动机控制方法：
在柴油运转模式下，电子控制单元控制燃气供应阀关闭，发动机进入全柴油模式，增压器的压缩机供给的高温压缩空气经空气滤清器、中冷器后由进气口进入燃烧室，在压缩行程的末期燃油从燃油箱经燃油管路进入喷油器，通过喷油器喷入柴油，此时进气阀使发动机在配气正时下工作，发动机实际压缩比等于膨胀比，燃油进行高压缩比预燃烧的燃烧方式。
在燃气运转时，电子控制单元根据燃气质量，柴油调节阀控制柴油的喷射量；此时喷射的少量柴油仅用于压缩着火后引燃被压缩的气体燃料混合气。进气阀调节机构，对应发动机的启动、低负荷经过中间负荷到高负荷时，调整进气阀关闭时刻，在启动、低负荷时使用高压缩比，在中高负荷时使用低压缩比。
上述进气阀关闭时刻设置在进气行程中活塞到达下止点之前的某一时刻。高有效压缩比时设定进气阀早关时刻推迟，进气时间长；低有效压缩比时设定进气阀早关时刻提前，进气时间短。
本发明与现有技术相比具有以下优点和有益效果：燃用不同燃料时，改变压缩比的方式灵活简单；进气阀早关的控制方法，使压缩比和膨胀比分离，低的有效压缩比使气体燃料混合气在压缩行程之前经历一个膨胀过程，对混合气进行内部冷却，降低了发动机热负荷。同时，上述膨胀过程产生正的抽吸功改善了发动机的热效率。利用米勒循环策略的高膨胀比提高热效率降低排气温度，发动机热负荷低耐久性好。
附图说明
图1是米勒循环柴油-天然气双燃料发动机结构示意图。
图2是米勒循环P-V图。
具体实施方式
以下参照附图说明本发明的实施方式。
本发明柴油-天然气双燃料发动机主体主要结构包括1.活塞；2.汽缸；3.燃烧室；4.压缩机；5.涡轮机；6.废气旁通阀；7.排气口；8.排气阀；9.柴油调节阀；10.燃油压力传感器；11.燃油温度传感器；12.燃气质量流量传感器；13.燃气供应阀；14.进气压力传感器；15.进气口；16.进气阀；17.喷油器；18.进气阀调节机构；19.燃油箱；20.负荷信号；21.转速信号；22.发动机监测系统；23.电子控制单元；24.储气罐；25燃气压力传感器；26.中冷器；27.空气滤清器。
在发动机的汽缸2内，具备进行往复运动的活塞1、而且在活塞1的上表面与汽缸盖的内表面之间形成燃烧室3、进气口15和排气口7与该燃烧室3连接，还具备对进气口15进行开闭的进气阀16、对排气口7进行开闭的排气阀8；缸盖上设置有进气阀调节机构18，与电子控制单元23相连。
发动机监测系统22，作为发动机转速信号21和负荷信号20的输入终端，实时监测发动机的工作状态，并将监测信号传送给电子控制单元23；电子控制单元23将发动机转速和负荷值作为检测信号，通过控制燃气供应阀13的开闭，实现燃气运转或狄赛尔运转。
电子控制单元23接收进气压力传感器14的压力信号，根据发动机的运转状态，调整增压器5的废气旁通阀6的开度，改变进气口15处的进气压力。
在柴油运转时，电子控制单元23控制燃气供应阀13关闭，电子控制单元23根据燃油压力传感器10、燃油温度传感器11的信号，控制柴油调节阀9的开度使发动机进入全柴油模式，增压器5的压缩部4供给的压缩空气通过进气口15进入燃烧室3,在压缩行程的末期通过喷油器17喷入柴油，此时进气阀16使发动机在配气正时下工作，发动机实际压缩比等于膨胀比，燃油进行高压缩比预燃烧方式燃烧。
燃气运转时，燃气供应阀13打开，气体燃料由储气罐24经燃气供应阀13进入进气口15；燃料气体与从增压器压缩部4供给的压缩空气混合，预混合后通过进气阀16进入燃烧室3；设置在燃气管路中的燃气质量流量传感器12将检测信号输入到电子控制单元23，电子控制单元23根据燃气质量，发出控制命令调整柴油调节阀9的开度，喷射少量柴油压缩着火后引燃被压缩的气体燃料混合气。
供气行程开始时，电子控制单元23根据进气压力传感器14的压力信号，控制进气阀调节机构18，使进气阀16在活塞1达到下止点之前的某一时刻关闭；
在燃气运转的起动和低负荷时，设定进气阀16早关的时刻短，进气时间长，设定的混合气的压缩比高，实现发动机的稳定运转。
在燃气运转的高负荷时，设定进气阀16早关时刻提前，进气时间较短，设定混合气的压缩比低。发动机从低负荷经过中间负荷增加到高负荷时，随负荷的增加，进气阀16关闭时刻逐渐提前，控制压缩比慢慢降低。
图2所示为进气阀16提前关闭的米勒循环的P-V图；
进气阀16在上止点28之前打开，活塞1从上止点28位置处开始下行，下行至下止点之前的某一位置29时，进气阀16关闭；活塞1继续下行至下止点，缸内气体在点29之后经历一个等熵膨胀过程到达点30，然后经过压缩、做功、膨胀行程完成一个工作循环；进气过程中经历的等熵膨胀过程，相当于对进气进行了内部冷却，整个工作循环在相对低温下进行，抑制了燃气运转有效压缩比提高时的爆震倾向。
通过增压器进行供气加压提高输出功率和热效率时，由进气行程a和排气行程d形成的顺时针方向的封闭区(图2中阴影部分)形成对发动机表现出的正的做功量的抽吸功，可以提高发动机的热效率。

Claims (1)

1.一种米勒循环柴油-天然气双燃料发动机的控制方法，其特征在于包括下列步骤:
1)电子控制单元(23)接收发动机监测系统(22)采集的燃气压力传感器(25)信号，控制燃气供应阀(13)的开闭；
2)燃气供应阀(13)打开时，发动机进入燃气运转模式，电子控制单元(23)根据发动机监测系统(22)实时采集的转速信号(21)、负荷信号(20)，控制进气阀调节机构(18)，使进气阀(16)在活塞(1)达到下止点之前的某一时刻关闭；
3)在启动、低负荷时使用高压缩比，进气阀调节机构(18)设定进气阀(16)早关的时刻短，进气时间长，
在燃气运转的高负荷时，进气阀调节机构(18)使用低压缩比，设定进气阀(16)早关时刻提前，进气时间较短；
4)电子控制单元(23)根据监测系统(22)采集的燃气质量流量传感器(12)信号，控制柴油调节阀(9)的开度，喷射少量柴油用于压缩着火后引燃被压缩的气体燃料混合气；
5)燃气供应阀(13)关闭时，发动机进入全柴油模式，电子控制单元(23)控制进气阀调节机构(18)，使进气阀(16)在配气正时下工作；
6)电子控制单元根据燃油压力传感器(10)、燃油温度传感器(11)的信号、负荷信号(20)、转速信号(21)，控制柴油调节阀(9)的开度；
7)压缩空气通过进气口(15)进入燃烧室(3),在压缩行程的末期通过喷油器(17)喷入柴油。
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