一种双喷嘴气/液双燃料缸内直喷内燃机及控制方法技术

一种双喷嘴气/液双燃料缸内直喷内燃机及控制方法，属于内燃机控制领域。该系统在沿用点燃式内燃机主体的基础上增加了一套用于双喷嘴气/液双燃料点燃式内燃机缸内直喷装置和一套燃料喷射与点火电子控制单元，包括：气体燃料流量传感器、气体燃料控制阀、气体燃料稳压器、液体燃料流量传感器、液体燃料控制阀等。燃料喷射与点火电子控制单元通过调整气体燃料喷嘴和液体燃料喷嘴的喷射时刻和喷射脉宽实现气/液双燃料在缸内的任意质量比喷射，并根据工况实时调整气/液燃料的喷射质量比，从而提高了内燃机起动速度与加速响应速度、降低了燃料消耗量与污染物排放，并通过减少气体燃料高压喷嘴的使用频率，缓解其长时间使用所面临的散热及润滑问题。

【技术实现步骤摘要】

缸内直喷是实现点燃式内燃机节能、清洁燃烧的有效方法之一。点燃式内燃机在缸内直喷气体燃料或液体燃料有各自的优势与不足，本专利技术提供一种双喷嘴气/液双燃料缸内直喷内燃机及控制方法，结合气体和液体两种燃料的优势，具体内容涉及双喷嘴气/液双燃料缸内直喷内燃机控制。
技术介绍
缸内直喷技术是实现点燃式内燃机节能、清洁燃烧的有效方法之一，采用燃料缸内直喷技术后其充气效率明显提高，缸内燃烧温度及较高压缩比条件下的爆震趋势明显降低，起动速度和加、减速响应速度明显提高，这使得缸内直喷内燃机较气道喷射等缸外喷射内燃机具有更高的热效率，更快的响应速度和更低的污染物排放。点燃式内燃机常见的燃料包括汽油、甲醇及乙醇等液体燃料或氢气、天然气及液化石油气等气体燃料。传统单一燃料缸内直喷内燃机单一工作循环内通常喷射两次，第一次用于在缸内营造形成稀薄的燃料-空气混合气氛围，第二次用于提供在火花塞附近形成较浓的混合气以保证缸内混合气可以被稳定点燃。单一液体燃料具有能量密度高的特点可以保证内燃机良好的动力性，同时在缸内喷射雾化过程吸热缸内温度降低，有助于提高内燃机热效率降低污染物排放，然而缸内喷射会导致燃料在内燃机燃烧室壁产生油膜，进而使该类内燃机颗粒物排放明显增高。与之相比，单一气体燃料在缸内喷射不存在气化过程，不会产生颗粒物；此外与缸外喷射相比，缸内喷射避免了气体燃料挤占氧化剂导致充气效率降低的问题，进而提高了内燃机的热效率；然而气体燃料体积能量密度较低，致使内燃机动力性能有所不足。结合气/液两种燃料的优势，在内燃机缸内采用气/液双燃料直喷的方式，可以在保证较高热效率的同时，降低燃料消耗量及污染物的排放。现有缸内高压直喷气体喷嘴为满足内燃机全工况运行，体积往往很大，给缸盖狭小空间内双喷嘴供气系统的布置造成难度，此外，现有该喷嘴长时间工作面临润滑及冷却等问题。
技术实现思路
面对日渐苛刻的燃料消耗及污染物排放限制法规，针对传统单一燃料缸内直喷内燃机颗粒物排放较高及高压气体喷嘴长时间工作所面临的润滑及冷却等问题，结合气体燃料及液体燃料采用缸内直喷技术各自的优势，本专利技术提供了一种双喷嘴气/液双燃料缸内直喷内燃机及控制方法。本专利技术采用了如下技术方案：一种双喷嘴气/液双燃料缸内直喷内燃机，在沿用点燃式内燃机主体(16)、火花塞(9)及原机电子控制单元(1)的基础上，加装了一套双喷嘴气/液双燃料缸内直喷系统和一台喷射与燃烧电子控制单元(2)；所述的一套双喷嘴气/液双燃料缸内直喷系统，其特征在于，包括：气体燃料罐(3)、气体燃料控制阀(4)、气体燃料稳压器(5)、气体燃料加压泵(6)、气体燃料流量与轨压传感器(7)、气体燃料喷嘴(8)、液体燃料箱(15)、液体燃料控制阀(14)、液体燃料一级加压泵(13)、液体燃料二级加压泵(12)、液体燃料流量与轨压传感器(11)、液体燃料喷嘴(10)；所述的一台喷射与燃烧电子控制单元(2)与原机电子控制单元(1)连接，获取内燃机的转速信号(a)、加速踏板位置信号(b)、进/排气凸轮轴位置信号(c)、原机燃料喷射控制信号(d)、原机点火控制信号(e)、冷却液温度信号(f)和进气道绝对压力信号(g)；所述的一台喷射与燃烧电子控制单元(2)与气体燃料控制阀(4)相连接，通过气体燃料控制阀控制信号(h)控制气体燃料控制阀(4)的开启和关闭；所述的一台喷射与燃烧电子控制单元(2)与气体燃料流量与轨压传感器(7)相连接，获取气体燃料流量与轨压信号(i)；所述的一台喷射与燃烧电子控制单元(2)与气体燃料喷嘴(8)相连接，通过气体燃料喷嘴控制信号(j)调整气体燃料的喷射脉宽及喷射时刻，控制气体燃料的喷射；所述的一台喷射与燃烧电子控制单元(2)与液体燃料控制阀(14)相连接，通过液体燃料控制阀控制信号(n)控制液体燃料控制阀(14)的开启和关闭；所述的一台喷射与燃烧电子控制单元(2)与液体燃料流量与轨压传感器(11)相连接，获取液体燃料流量与轨压信号(m)；所述的一台喷射与燃烧电子控制单元(2)与液体燃料喷嘴(10)相连接，通过液体燃料喷嘴控制信号(l)控制液体燃料的喷射脉宽及喷射时刻，控制液体燃料的喷射；所述的一台喷射与燃烧电子控制单元(2)与火花塞(9)相连接，通过火花塞控制信号(k)控制火花塞点火；所述的气体燃料可以为氢气、天然气、液化石油气和二甲醚等常见气体燃料；所述的液体燃料可以为汽油、甲醇和乙醇等液体燃料；所述的气体燃料在气体燃料罐(3)中加压存储，存储压力不超过10MPa，液体燃料在液体燃料箱(15)中常压存储。本专利技术中一种双喷嘴气/液双燃料缸内直喷内燃机的控制方法，包括如下控制过程：喷射与燃烧电子控制单元(2)首先根据转速信号(a)、进气道绝对压力信号(g)和加速踏板位置信号(b)判断内燃机所处工况，再根据不同工况对内燃机的喷射与燃烧进行如下控制：1)起动工况气体燃料不存在液化过程和油膜效应，且其在缸内喷射不影响内燃机充气效率响应更快，因此内燃机采用缸内喷射纯气体燃料不但可以保证内燃机快速起动，而且不会有未燃燃料液滴直接排出气缸，进而降低污染物排放。当喷射与燃烧电子控制单元(2)获取的转速信号(a)显示内燃机转速从0增加到100rpm，即认为内燃机进入起动工况。在该工况下，喷射与燃烧电子控制单元(2)通过气体燃料控制阀控制信号(h)控制气体燃料控制阀(4)开启；通过液体燃料控制阀控制信号(n)控制液体燃料控制阀(14)关闭；通过原机燃料控制喷射信号(d)计算出原机各循环(循环通过进/排气凸轮轴位置信号(c)确定，下同)第一次喷射时刻tf1与喷射脉宽sf1、第二次喷射时刻tf2与喷射脉宽sf2；同时，通过气体燃料喷嘴控制信号(j)控制气体燃料喷嘴(8)使其第一次喷射时刻t’f1控制在tf1±2°曲轴转角间、第一次喷射脉宽s’f1＝n×sf1、第二次喷射时刻t’f2＝tf2、第二次喷射脉宽s’f2＝sf2，其中当冷却液温度小于等于10℃时，n＝1.1；当冷却液温度在10至50℃之间时，n＝1.0当冷却液温度大于等于50℃时，n＝0.9(冷却水温度通过冷却液温度信号(f)获得)；通过原机点火控制信号(e)获取原机点火时刻ts，并通过火花塞控制信号(k)控制火花塞(9)的点火时刻t’s＝ts；2)怠速及低速中小负荷工况怠速及低速中小负荷工况节气门的节流效应明显，影响内燃机热效率，在该工况条件下动力需求小，缸内温度、压力较低不利于液体燃料液化，因此采用气体燃料稀薄燃烧，并辅以少量液体燃料引燃的方式可以在保证动力性能的前提下，提高内燃机热效率、降低燃料消耗率，改善污染物排放。当喷射与燃烧电子控制单元(2)获取的转速信号(a)显示内燃机转速在650至3000rpm且获取的进气道绝对压力信号(g)不大于65kPa时，即认为内燃机处于怠速及低速中小负荷工况。在该工况下，喷射与燃烧电子控制单元(2)分别通过气体燃料控制阀控制信号(h)和液体燃料控制阀控制信号(n)控制气体燃料控制阀(4)和液体燃料控制阀(14)开启；通过原机燃料控制喷射信号(d)计算出原机单循环内第一次喷射时刻tf1、第二次喷射时刻tf2及总喷射脉宽sf；同时，通过气体燃料喷嘴控制信号(j)控制气体燃料喷嘴(8)，使其喷射时刻t’f1本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种双喷嘴气/液双燃料缸内直喷内燃机，在沿用点燃式内燃机主体(16)、火花塞(9)及原机电子控制单元(1)的基础上，其特征在于：加装了一套双喷嘴气/液双燃料缸内直喷系统和一台喷射与燃烧电子控制单元(2)；所述的一套双喷嘴气/液双燃料缸内直喷系统包括：气体燃料罐(3)、气体燃料控制阀(4)、气体燃料稳压器(5)、气体燃料加压泵(6)、气体燃料流量与轨压传感器(7)、气体燃料喷嘴(8)、液体燃料箱(15)、液体燃料控制阀(14)、液体燃料一级加压泵(13)、液体燃料二级加压泵(12)、液体燃料流量与轨压传感器(11)、液体燃料喷嘴(10)；所述的一台喷射与燃烧电子控制单元(2)与原机电子控制单元(1)连接，获取内燃机的转速信号(a)、加速踏板位置信号(b)、进/排气凸轮轴位置信号(c)、原机燃料喷射控制信号(d)、原机点火控制信号(e)、冷却液温度信号(f)和进气道绝对压力信号(g)；所述的一台喷射与燃烧电子控制单元(2)与气体燃料控制阀(4)相连接，通过气体燃料控制阀控制信号(h)控制气体燃料控制阀(4)的开启和关闭；所述的一台喷射与燃烧电子控制单元(2)与气体燃料流量与轨压传感器(7)相连接，获取气体燃料流量与轨压信号(i)；所述的一台喷射与燃烧电子控制单元(2)与气体燃料喷嘴(8)相连接，通过气体燃料喷嘴控制信号(j)调整气体燃料的喷射脉宽及喷射时刻，控制气体燃料的喷射；所述的一台喷射与燃烧电子控制单元(2)与液体燃料控制阀(14)相连接，通过液体燃料控制阀控制信号(n)控制液体燃料控制阀(14)的开启和关闭；所述的一台喷射与燃烧电子控制单元(2)与液体燃料流量与轨压传感器(11)相连接，获取液体燃料流量与轨压信号(m)；所述的一台喷射与燃烧电子控制单元(2)与液体燃料喷嘴(10)相连接，通过液体燃料喷嘴控制信号(l)控制液体燃料的喷射脉宽及喷射时刻，控制液体燃料的喷射；所述的一台喷射与燃烧电子控制单元(2)与火花塞(9)相连接，通过火花塞控制信号(k)控制火花塞点火。...

【技术特征摘要】
1.一种双喷嘴气/液双燃料缸内直喷内燃机，在沿用点燃式内燃机主体(16)、火花塞(9)及原机电子控制单元(1)的基础上，其特征在于：加装了一套双喷嘴气/液双燃料缸内直喷系统和一台喷射与燃烧电子控制单元(2)；所述的一套双喷嘴气/液双燃料缸内直喷系统包括：气体燃料罐(3)、气体燃料控制阀(4)、气体燃料稳压器(5)、气体燃料加压泵(6)、气体燃料流量与轨压传感器(7)、气体燃料喷嘴(8)、液体燃料箱(15)、液体燃料控制阀(14)、液体燃料一级加压泵(13)、液体燃料二级加压泵(12)、液体燃料流量与轨压传感器(11)、液体燃料喷嘴(10)；所述的一台喷射与燃烧电子控制单元(2)与原机电子控制单元(1)连接，获取内燃机的转速信号(a)、加速踏板位置信号(b)、进/排气凸轮轴位置信号(c)、原机燃料喷射控制信号(d)、原机点火控制信号(e)、冷却液温度信号(f)和进气道绝对压力信号(g)；所述的一台喷射与燃烧电子控制单元(2)与气体燃料控制阀(4)相连接，通过气体燃料控制阀控制信号(h)控制气体燃料控制阀(4)的开启和关闭；所述的一台喷射与燃烧电子控制单元(2)与气体燃料流量与轨压传感器(7)相连接，获取气体燃料流量与轨压信号(i)；所述的一台喷射与燃烧电子控制单元(2)与气体燃料喷嘴(8)相连接，通过气体燃料喷嘴控制信号(j)调整气体燃料的喷射脉宽及喷射时刻，控制气体燃料的喷射；所述的一台喷射与燃烧电子控制单元(2)与液体燃料控制阀(14)相连接，通过液体燃料控制阀控制信号(n)控制液体燃料控制阀(14)的开启和关闭；所述的一台喷射与燃烧电子控制单元(2)与液体燃料流量与轨压传感器(11)相连接，获取液体燃料流量与轨压信号(m)；所述的一台喷射与燃烧电子控制单元(2)与液体燃料喷嘴(10)相连接，通过液体燃料喷嘴控制信号(l)控制液体燃料的喷射脉宽及喷射时刻，控制液体燃料的喷射；所述的一台喷射与燃烧电子控制单元(2)与火花塞(9)相连接，通过火花塞控制信号(k)控制火花塞点火。2.根据权利要求1所述系统，其特征在于：气体燃料包括氢气、压缩天然气、液化天然气、液化石油气、二甲醚，液体燃料包括汽油、甲醇或乙醇。3.根据权利要求1所述系统，其特征在于：气体燃料在气体燃料罐(3)中加压存储，存储压力不超过10MPa，液体燃料在液体燃料箱(15)中常压存储。4.应用如权利要求1所述系统的方法，其特征在于，该方法包括如下控制过程：喷射与燃烧电子控制单元(2)首先根据转速信号(a)、进气道绝对压力信号(g)和加速踏板位置信号(b)判断内燃机所处工况，再根据不同工况对内燃机的喷射与燃烧进行如下控制：1)起动工况气体燃料不存在液化过程和油膜效应，且其在缸内喷射不影响内燃机充气效率响应更快，因此内燃机采用缸内喷射纯气体燃料不但可以保证内燃机快速起动，而且不会有未燃燃料液滴直接排出气缸，进而降低污染物排放；当喷射与燃烧电子控制单元(2)获取的转速信号(a)显示内燃机转速从0增加到100rpm，即认为内燃机进入起动工况；在该工况下，喷射与燃烧电子控制单元(2)通过气体燃料控制阀控制信号(h)控制气体燃料控制阀(4)开启；通过液体燃料控制阀控制信号(n)控制液体燃料控制阀(14)关闭；通过原机燃料控制喷射信号(d)计算出原机各循环(循环通过进/排气凸轮轴位置信号(c)确定，下同)第一次喷射时刻tf1与喷射脉宽sf1、第二次喷射时刻tf2与喷射脉宽sf2；同时，通过气体燃料喷嘴控制信号(j)控制气体燃料喷嘴(8)使其第一次喷射时刻t’f1控制在tf1±2°曲轴转角间、第一次喷射脉宽s’f1＝n×sf1、第二次喷射时刻t’f2＝tf2、第二次喷射脉宽s’f2＝sf2，其中当冷却液温度小于等于10℃时，n＝1.1；当冷却液温度在10至50℃之间时，n＝1.0当冷却液温度大于等于50℃时，n＝0.9(冷却水温度通过冷却液温度信号(f)获得)；通过原机点火控...

【专利技术属性】
技术研发人员：纪常伟，从骁宇，汪硕峰，张擘，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：北京;11