一種單噴嘴內燃機氣液兩相燃料噴射系統及方法
【專利摘要】本發明涉及一種單噴嘴內燃機氣液兩相燃料噴射系統及方法，屬于內燃機氣體與液體燃料在缸內的噴射與兩相燃料復合噴射領域。該系統在保留原發動機全部本體的基礎上增加了一套氣液兩相燃料復合噴射系統和一套電子控制單元。該裝置主要包括：氣體燃料單向閥、氣體燃料流量與壓力傳感器、氣體燃料線性電磁閥、液體燃料單向閥、液體燃料流量與壓力傳感器、液體燃料線性電磁閥、噴嘴、液體燃料泵、三通等。電控單元通過調整氣體和液體燃料線性電磁閥能夠使氣體和液體燃料按任意質量比通過一個噴嘴被噴入氣缸，從而大幅減少了氣液燃料噴射系統獨立安裝所需要的空間，并通過液體與氣體燃料的噴射解決了氣體燃料高壓噴射時噴嘴所面臨的散熱及潤滑問題。
【專利說明】
一種單噴嘴內燃機氣^俊兩相燃料噴射系統及方法
技術領域
[0001 ]缸內直噴是改善內燃機響應特性與性能的有效方法，缸內直噴的燃料可以包括氣體和液體燃料兩大類，本發明提供一種單噴嘴內燃機氣液兩相燃料噴射系統及方法，具體內容涉及氣體與液體燃料在缸內的噴射與兩相燃料復合噴射。【背景技術】
[0002]與氣道噴射方式相比，將燃料直接在內燃機缸內噴射能夠有效提高內燃機的響應速度，提高充氣效率，并可以通過燃料分層來進一步提高內燃機的熱效率且減少有害排放， 進而使直噴內燃機的動力性、經濟性和排放性均能夠優于氣道噴射內燃機。
[0003]內燃機目前使用的燃料按照其狀態可以分為氣體燃料和液體燃料兩大類。液體燃料的特點是能量密度較高，但在形成可燃混合氣時需要在一定的溫度下消耗一定的時間來完成蒸發，這使得液體燃料直噴內燃機的分層組織較為困難，且未來得及蒸發便參與燃燒的液體燃料還會導致顆粒物等排放的增加。相比之下，氣體燃料的能量密度較低，但在形成可燃混合氣時無需經歷蒸發過程，因而氣體燃料的擴散速度較高，單一氣體燃料內燃機的缸內混合氣組織較為容易，燃燒時所產生的顆粒物排放也較少，但氣體燃料直噴內燃機的問題在于其動力性往往較差。目前，在氣道噴射條件下同時燃燒氣體、液體燃料的內燃機已經有所研究，這些研究結果表明通過適當調整氣體和液體燃料的使用比例能夠使氣道噴射內燃機的性能得到進一步改善。
[0004]但目前針對缸內直噴條件下使內燃機能夠同時燃燒氣體和液體兩種不同相燃料的技術還現有報道。主要的原因在于氣體的潤滑性較差且散熱能力較低，而內燃機缸內的溫度和壓力卻很高，所以在長時間高壓直噴氣體燃料時，單一氣體燃料噴嘴很容易因磨損或過熱而被破壞。此外，目前的內燃機燃燒室中缸蓋結構極為緊湊，即便同時使用氣體和液體兩套獨立噴嘴來實現氣、液兩相燃料在缸內的復合燃燒，缸蓋上狹小的空間也會是該方案的實際布置較為困難。
【發明內容】
[0005]針對目前氣液兩相燃料在缸內同時燃燒時噴射系統面臨的潤滑、散熱及布置困難等問題，為使內燃機能夠通過采用氣、液兩相燃料復合直噴與燃燒來進一步實現節能、減排，本發明提供一種單噴嘴內燃機氣液兩相燃料噴射系統及方法。
[0006]本發明采用了如下技術方案:一種單噴嘴內燃機氣液兩相燃料噴射系統及方法， 在保留原有發動機本體13及與發動機本體13相連接的缸蓋12的基礎上，加裝了一個電子控制單元1和一套氣液兩相燃料復合噴射系統；[〇〇〇7]所述氣液兩相燃料復合噴射系統，其特征在于，包括:氣體燃料儲存罐5、氣體燃料線性電磁閥4、氣體燃料流量與壓力傳感器3、氣體燃料單向閥2。所述氣體燃料儲存罐5、氣體燃料線性電磁閥4、氣體燃料流量與壓力傳感器3及氣體燃料單向閥2之間通過高壓氣體管路相連接；
[0008]所述氣液兩相燃料復合噴射系統，其特征在于，包括:液體燃料儲存罐9、液體燃料栗11、液體燃料線性電磁閥8、液體燃料流量與壓力傳感器7及液體燃料單向閥6。所述液體燃料儲存罐9、液體燃料栗11、液體燃料線性電磁閥8、液體燃料流量與壓力傳感器7及液體燃料單向閥6之間通過液體高壓管路相連接；
[0009]所述氣液兩相燃料復合噴射系統，其特征在于，包括:三通14及噴嘴10.三通14與噴嘴10之間通過高壓管路相連接。三通14通過高壓管路還分別與氣體燃料單向閥2及液體燃料單向閥6相連接。噴嘴10直接安裝在缸蓋12上；
[0010]所述電子控制單元1與氣體燃料線性電磁閥4相連接，通過發出氣體燃料線性電磁閥控制信號a控制氣體燃料線性電磁閥4的開度；[〇〇11]所述電子控制單元1與氣體燃料流量與壓力傳感器3相連接，獲得氣體燃料流量與壓力信號b;
[0012]所述電子控制單元1與液體燃料栗11相連接，通過發出液體燃料栗控制信號c調整液體燃料栗11的輸出壓力；[0013 ]所述電子控制單元1與液體燃料線性電磁閥8相連接，通過發出液體燃料線性電磁閥控制信號d控制液體燃料線性電磁閥8的開度；[〇〇14]所述電子控制單元1與液體燃料流量與壓力傳感器7相連接，獲得液體燃料流量與壓力信號e;
[0015]所述電子控制單元1與噴嘴10相連接，通過發出噴嘴控制信號f控制噴嘴10的開啟和關閉。
[0016] —種單噴嘴內燃機氣液兩相燃料噴射系統的控制方法，該方法包括以下步驟: [〇〇17]電子控制單元1首先根據氣體燃料流量與壓力傳感器3發出的氣體燃料流量與壓力信號b判斷氣體燃料管路壓力，并通過與液體燃料流量與壓力傳感器7通訊獲得液體燃料流量與壓力信號e判斷液體燃料壓力，電子控制單元1通過通過發出液體燃料栗控制信號c 控制液體燃料栗11的運行狀態，通過對液體燃料栗11的控制，使液體燃料壓力與氣體燃料壓力相等；
[0018]電子控制單元1通過分別發出氣體燃料線性電磁閥控制信號a和液體燃料線性電磁閥控制信號d控制氣體燃料線性電磁閥4和液體燃料線性電磁閥8的開度，通過對氣體燃料線性電磁閥4和液體燃料線性電磁閥8開度的調整使氣體燃料質量占總燃料質量的分數K 能夠在0至1之間任意調整；[001 9] K—Hlgas/(Illgas+niliquid )
[0020]電子控制單元1通過發出噴嘴控制信號f控制噴嘴10的開啟和關閉，從而實現對氣、液兩種燃料噴射時刻和脈寬的控制。[0021 ]本發明的有益效果是:在現有技術條件下，實現氣體和液體兩種燃料在缸內同時噴射需要安裝兩套獨立的噴射系統，這不但為發動機的小型化設計帶來了阻礙，也會使缸蓋面積增加進而使傳熱損失增加。受潤滑及散熱的影響，氣體燃料噴射系統在高壓條件下往往壽命會受到影響。針對上述問題，本發明提供一種單噴嘴內燃機氣液兩相燃料噴射系統及方法，通過一個三通將噴嘴前的氣體燃料和液體燃料相連接，使得氣體燃料和液體燃料能夠通過同一個噴嘴被直噴進入缸內，從而減少了噴射系統所占的體積，進而為發動機的緊湊設計提供了保證。通過氣體燃料和液體燃料的混合噴射，利用液體燃料傳熱及潤滑性好的特點為噴嘴提供潤滑和散熱，從而延長了噴射高壓氣體時噴嘴的壽命。通過電子控制單元分別調整氣體及液體燃料線性電磁閥的開度，還能夠實時對混合燃料中氣體和液體燃料所占的比例進行控制，從而為發動機在不同工況下使用靈活的燃料控制策略提供了基礎。【附圖說明】
[0022]圖1本發明的結構和工作原理圖[〇〇23]圖中:1、電子控制單元;2、氣體燃料單向閥；3、氣體燃料流量與壓力傳感器;4、氣體燃料線性電磁閥；5、氣體燃料儲存罐;6、液體燃料單向閥；7、液體燃料流量與壓力傳感器;8、液體燃料線性電磁閥；9、液體燃料儲存罐；10、噴嘴；11、液體燃料栗；12、缸蓋；13、發動機;14、三通
[0024]a.氣體燃料線性電磁閥控制信號;b.氣體燃料流量與壓力信號；c.液體燃料栗控制信號;d.液體燃料線性電磁閥控制信號;e.液體燃料流量與壓力信號;f.噴嘴控制信號【具體實施方式】
[0025]下面結合附圖對本發明作進一步說明:
[0026]如圖1所示，一種單噴嘴內燃機氣液兩相燃料噴射系統，在保留原有發動機本體13 及與發動機本體13相連接的缸蓋12的基礎上，加裝了一個電子控制單元1和一套氣液兩相燃料復合噴射系統；
[0027]所述氣液兩相燃料復合噴射系統，其特征在于，包括:氣體燃料儲存罐5、氣體燃料線性電磁閥4、氣體燃料流量與壓力傳感器3、氣體燃料單向閥2。所述氣體燃料儲存罐5、氣體燃料線性電磁閥4、氣體燃料流量與壓力傳感器3及氣體燃料單向閥2之間通過高壓氣體管路相連接；
[0028]所述氣液兩相燃料復合噴射系統，其特征在于，包括:液體燃料儲存罐9、液體燃料栗11、液體燃料線性電磁閥8、液體燃料流量與壓力傳感器7及液體燃料單向閥6。所述液體燃料儲存罐9、液體燃料栗11、液體燃料線性電磁閥8、液體燃料流量與壓力傳感器7及液體燃料單向閥6之間通過液體高壓管路相連接；[〇〇29]所述氣液兩相燃料復合噴射系統，其特征在于，包括:三通14及噴嘴10.三通14與噴嘴10之間通過高壓管路相連接。三通14通過高壓管路還分別與氣體燃料單向閥2及液體燃料單向閥6相連接。噴嘴10直接安裝在缸蓋12上；
[0030]所述電子控制單元1與氣體燃料線性電磁閥4相連接，通過發出氣體燃料線性電磁閥控制信號a控制氣體燃料線性電磁閥4的開度；
[0031]所述電子控制單元1與氣體燃料流量與壓力傳感器3相連接，獲得氣體燃料流量與壓力信號b;
[0032]所述電子控制單元1與液體燃料栗11相連接，通過發出液體燃料栗控制信號c調整液體燃料栗11的輸出壓力；[0033 ]所述電子控制單元1與液體燃料線性電磁閥8相連接，通過發出液體燃料線性電磁閥控制信號d控制液體燃料線性電磁閥8的開度；
[0034]所述電子控制單元1與液體燃料流量與壓力傳感器7相連接，獲得液體燃料流量與壓力信號e;
[0035]所述電子控制單元1與噴嘴10相連接，通過發出噴嘴控制信號f控制噴嘴10的開啟和關閉。
[0036]—種單噴嘴內燃機氣液兩相燃料噴射系統的控制方法，該方法包括以下步驟:
[0037]電子控制單元1首先根據氣體燃料流量與壓力傳感器3發出的氣體燃料流量與壓力信號b判斷氣體燃料管路壓力，并通過與液體燃料流量與壓力傳感器7通訊獲得液體燃料流量與壓力信號e判斷液體燃料壓力，電子控制單元1通過通過發出液體燃料栗控制信號c 控制液體燃料栗11的運行狀態，通過對液體燃料栗11的控制，使液體燃料壓力與氣體燃料壓力相等；
[0038]電子控制單元1通過分別發出氣體燃料線性電磁閥控制信號a和液體燃料線性電磁閥控制信號d控制氣體燃料線性電磁閥4和液體燃料線性電磁閥8的開度，通過對氣體燃料線性電磁閥4和液體燃料線性電磁閥8開度的調整使氣體燃料質量占總燃料質量的分數K 能夠在0至1之間任意調整；
[0039]K—Hlgas/(Illgas+niliquid )
[0040]電子控制單元1通過發出噴嘴控制信號f控制噴嘴10的開啟和關閉，從而實現對氣、液兩種燃料噴射時刻和脈寬的控制。[0041 ]本實施例對各種工況進行了如下實驗:
[0042]實驗所用發動機為直列四缸1.6升多點電控噴射汽油機，按照圖1所示改造成加裝單噴嘴內燃機氣液兩相燃料噴射系統的內燃機。實驗中液體燃料選擇使用中國石化生產的 92#汽油，氣體燃料選擇為純度為99.995 %的氫氣。[〇〇43](1)K = 0.5條件下的實驗[〇〇44]電子控制單元1首先根據氣體燃料流量與壓力傳感器3發出的氣體燃料流量與壓力信號b檢測到氣體管路壓力為205bar，并通過與液體燃料流量與壓力傳感器7通訊獲得液體燃料流量與壓力信號e判斷液體燃料壓力為180bar，電子控制單元1通過發出液體燃料栗控制信號c控制液體燃料栗11增壓，通過對液體燃料栗11的控制，使液體燃料壓力與氣體燃料壓力相等且均為205bar;
[0045]在K = 0.5的條件下，電子控制單元1通過分別發出氣體燃料線性電磁閥控制信號a 和液體燃料線性電磁閥控制信號d控制氣體燃料線性電磁閥4和液體燃料線性電磁閥8的開度分別為50%和50%，并通過發出噴嘴控制信號f?控制噴嘴10常開，此時，氫氣質量流量為 10g/min，汽油質量流量為10g/min，滿足了 K = 0.5時所需要的氫氣與汽油質量流量條件。 [〇〇46](2)K = 0.25條件下的實驗
[0047]電子控制單元1首先根據氣體燃料流量與壓力傳感器3發出的氣體燃料流量與壓力信號b檢測到氣體管路壓力為205bar，并通過與液體燃料流量與壓力傳感器7通訊獲得液體燃料流量與壓力信號e判斷液體燃料壓力為180bar，電子控制單元1通過發出液體燃料栗控制信號c控制液體燃料栗11增壓，通過對液體燃料栗11的控制，使液體燃料壓力與氣體燃料壓力相等且均為205bar;
[0048]在K = 0.25的條件下，電子控制單元1通過分別發出氣體燃料線性電磁閥控制信號 a和液體燃料線性電磁閥控制信號d控制氣體燃料線性電磁閥4和液體燃料線性電磁閥8的開度分別為75%和25%，并通過發出噴嘴控制信號f?控制噴嘴10常開，此時，氫氣質量流量為15g/min，汽油質量流量為5g/min，滿足了 K = 0.25時所需要的氫氣與汽油質量流量條件。 [〇〇49](3)K = 0.75條件下的實驗[〇〇5〇]電子控制單元1首先根據氣體燃料流量與壓力傳感器3發出的氣體燃料流量與壓力信號b檢測到氣體管路壓力為205bar，并通過與液體燃料流量與壓力傳感器7通訊獲得液體燃料流量與壓力信號e判斷液體燃料壓力為180bar，電子控制單元1通過發出液體燃料栗控制信號c控制液體燃料栗11增壓，通過對液體燃料栗11的控制，使液體燃料壓力與氣體燃料壓力相等且均為205bar;
[0051]在K = 0.25的條件下，電子控制單元1通過分別發出氣體燃料線性電磁閥控制信號 a和液體燃料線性電磁閥控制信號d控制氣體燃料線性電磁閥4和液體燃料線性電磁閥8的開度分別為25%和75%，并通過發出噴嘴控制信號f?控制噴嘴10常開，此時，氫氣質量流量為5g/min，汽油質量流量為15g/min，滿足了 K = 0.75時所需要的氫氣與汽油質量流量條件。 [〇〇52](4)K = 0條件下的實驗[〇〇53]電子控制單元1首先根據氣體燃料流量與壓力傳感器3發出的氣體燃料流量與壓力信號b檢測到氣體管路壓力為205bar，并通過與液體燃料流量與壓力傳感器7通訊獲得液體燃料流量與壓力信號e判斷液體燃料壓力為180bar，電子控制單元1通過發出液體燃料栗控制信號c控制液體燃料栗11增壓，通過對液體燃料栗11的控制，使液體燃料壓力與氣體燃料壓力相等且均為205bar;[OO54]在K = 0的條件下，電子控制單元1通過分別發出氣體燃料線性電磁閥控制信號a和液體燃料線性電磁閥控制信號d控制氣體燃料線性電磁閥4和液體燃料線性電磁閥8的開度分別為100%和〇%，并通過發出噴嘴控制信號f■控制噴嘴10常開，此時，氫氣質量流量為 20g/min，汽油質量流量為Og/min，滿足了 K = 0時所需要的氫氣與汽油質量流量條件。[〇〇55](5)K = 1.0條件下的實驗
[0056]電子控制單元1首先根據氣體燃料流量與壓力傳感器3發出的氣體燃料流量與壓力信號b檢測到氣體管路壓力為205bar，并通過與液體燃料流量與壓力傳感器7通訊獲得液體燃料流量與壓力信號e判斷液體燃料壓力為180bar，電子控制單元1通過發出液體燃料栗控制信號c控制液體燃料栗11增壓，通過對液體燃料栗11的控制，使液體燃料壓力與氣體燃料壓力相等且均為205bar;
[0057]在K=1.0的條件下，電子控制單元1通過分別發出氣體燃料線性電磁閥控制信號a 和液體燃料線性電磁閥控制信號d控制氣體燃料線性電磁閥4和液體燃料線性電磁閥8的開度分別為〇%和100%，并通過發出噴嘴控制信號f■控制噴嘴10常開，此時，氫氣質量流量為 〇g/min，汽油質量流量為20g/min，滿足了 K = 1.0時所需要的氫氣與汽油質量流量條件。
[0058]上述實驗過程中，噴射系統及噴嘴未見泄露、卡死等異常運行問題。
[0059]上述實驗結果表明，采用本發明所提供的一種單噴嘴內燃機氣液兩相燃料噴射系統及方法，通過一個三通將噴嘴前的氣體燃料和液體燃料相連接，能夠使得氣體燃料和液體燃料能夠通過同一個噴嘴被直噴進入缸內，從而減少了噴射系統所占的體積，進而為發動機的緊湊設計提供了保證。通過氣體燃料和液體燃料的混合噴射，利用液體燃料傳熱及潤滑性好的特點為噴嘴提供潤滑和散熱，從而延長了噴射高壓氣體時噴嘴的壽命。通過電子控制單元分別調整氣體及液體燃料線性電磁閥的開度，實時了對混合燃料中氣體和液體燃料所占的比例進行控制，從而為發動機在不同工況下使用靈活的燃料控制策略提供了基礎。
【主權項】
1.一種單噴嘴內燃機氣液兩相燃料噴射系統，在保留原有發動機本體及與發動機本體 相連接的缸蓋的基礎上，其特征在于加裝了一個電子控制單元和一套氣液兩相燃料復合噴 射系統；所述氣液兩相燃料復合噴射系統，包括:氣體燃料儲存罐、氣體燃料線性電磁閥、氣體 燃料流量與壓力傳感器、氣體燃料單向閥；所述氣體燃料儲存罐、氣體燃料線性電磁閥、氣 體燃料流量與壓力傳感器及氣體燃料單向閥之間通過高壓氣體管路相連接；所述氣液兩相燃料復合噴射系統，還包括:液體燃料儲存罐、液體燃料栗、液體燃料線 性電磁閥、液體燃料流量與壓力傳感器及液體燃料單向閥;所述液體燃料儲存罐、液體燃料 栗、液體燃料線性電磁閥、液體燃料流量與壓力傳感器及液體燃料單向閥之間通過液體高 壓管路相連接;三通與噴嘴之間通過高壓管路相連接;三通通過高壓管路還分別與氣體燃 料單向閥及液體燃料單向閥相連接;噴嘴直接安裝在缸蓋上；所述電子控制單元與氣體燃料線性電磁閥相連接，通過發出氣體燃料線性電磁閥控制 信號a控制氣體燃料線性電磁閥的開度；所述電子控制單元與氣體燃料流量與壓力傳感器相連接，獲得氣體燃料流量與壓力信 號b;所述電子控制單元與液體燃料栗相連接，通過發出液體燃料栗控制信號c調整液體燃 料栗的輸出壓力；所述電子控制單元與液體燃料線性電磁閥相連接，通過發出液體燃料線性電磁閥控制 信號d控制液體燃料線性電磁閥的開度；所述電子控制單元與液體燃料流量與壓力傳感器相連接，獲得液體燃料流量與壓力信 號e;所述電子控制單元與噴嘴相連接，通過發出噴嘴控制信號f控制噴嘴的開啟和關閉。2.控制如權利要求1所述系統的方法，其特征在于，該方法包括以下步驟:電子控制單元首先根據氣體燃料流量與壓力傳感器發出的氣體燃料流量與壓力信號b 判斷氣體燃料管路壓力，并通過與液體燃料流量與壓力傳感器通訊獲得液體燃料流量與壓 力信號e判斷液體燃料壓力，電子控制單元通過通過發出液體燃料栗控制信號c控制液體燃 料栗的運行狀態，通過對液體燃料栗的控制，使液體燃料壓力與氣體燃料壓力相等；電子控制單元通過分別發出氣體燃料線性電磁閥控制信號a和液體燃料線性電磁閥控 制信號d控制氣體燃料線性電磁閥和液體燃料線性電磁閥的開度，通過對氣體燃料線性電 磁閥和液體燃料線性電磁閥開度的調整使氣體燃料質量占總燃料質量的分數K能夠在至之 間任意調整；K — Hlgas/ (Illgas+niliquid )電子控制單元通過發出噴嘴控制信號f控制噴嘴的開啟和關閉，從而實現對氣、液兩種 燃料噴射時刻和脈寬的控制。
【文檔編號】F02M43/00GK106014727SQ201610482859
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年6月27日
【發明人】紀常偉, 汪碩峰, 從驍宇, 張擘
【申請人】北京工業大學