CN109723547A - 灵活燃料发动机以及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种灵活燃料发动机，包括：电子控制单元、燃料供给***、燃料切换***、压缩比调节机构、气门正时调节机构、气缸组件；所述燃料供给***包括柴油燃料供给子***、天然气燃料供给子***；柴油燃料供给子***和天然气燃料供给子***共用燃料喷射器；燃料切换***受控于电子控制单元，用于切换供给气缸组件的燃料；压缩比调节机构用于根据所用燃料相应调节发动机压缩比；气门正时调节机构用于调节操作气缸组件中进气门和排气门的开闭时刻。本发明实现了一种实现柴油、天然气和柴油天然气双燃料三种燃料模式最佳燃烧的新型发动机。

Description

灵活燃料发动机以及控制方法
技术领域
本发明涉及一种发动机，尤其是一种既可以单独使用柴油或天然气，又可同时使用柴油天然气多种燃料的发动机。
背景技术
随着汽车运输业的快速发展，降低汽车尾气排放和碳排放成为社会关注的焦点。天然气作为低碳燃料，具有良好的低碳排放特性，天然气发动机以其低碳排放和节省燃料使用费用越来越受到市场欢迎。但是，由于天然气加注站等基础设施还没有完全普及，有些区域车用天然气丰富，有些区域没有天然气加注站，这样，能够实现柴油、天然气和柴油天然气双燃料三种燃料模式灵活切换使用的发动机成为研究的热点。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足，提供一种灵活燃料发动机以及控制方法，实现柴油、天然气和柴油天然气双燃料三种燃料模式最佳燃烧方式。本发明采用的技术方案是：
一种灵活燃料发动机，包括：电子控制单元、燃料供给***、燃料切换***、压缩比调节机构、气门正时调节机构、气缸组件；
所述燃料供给***包括柴油燃料供给子***、天然气燃料供给子***；柴油燃料供给子***和天然气燃料供给子***共用燃料喷射器；燃料切换***受控于电子控制单元，用于切换供给气缸组件的燃料；压缩比调节机构用于根据所用燃料相应调节发动机压缩比；气门正时调节机构用于调节操作气缸组件中进气门和排气门的开闭时刻。
具体地，柴油燃料供给子***包括燃油箱、高压喷油泵、高压油轨、燃油压力传感器、燃油温度传感器；所述燃油箱通过管路连接高压喷油泵，所述高压喷油泵通过管路连接高压油轨，所述高压油轨连接燃料喷射器；电子控制单元分别连接高压喷油泵、燃油压力传感器、燃油温度传感器；
天然气燃料供给子***包括天然气压力传感器、天然气温度传感器、天然气供给装置、储气容器、储气压力传感器；燃料切换***包括燃气切断阀，以及电子控制单元对高压喷油泵的启动/停止控制；在储气容器上设置储气压力传感器，储气容器通过燃气切断阀连接天然气供给装置，天然气供给装置通过管路连接燃料喷射器；在天然气供给装置上设置天然气压力传感器和天然气温度传感器；所述电子控制单元分别连接天然气压力传感器、天然气温度传感器、燃气切断阀和储气压力传感器。
具体地，气缸组件包括：活塞、气缸、燃烧室、汽缸盖、排气道、排气门、进气道、进气门、进气压力传感器、火花塞；
在发动机的气缸内设有进行往复运动的活塞，气缸上安装有汽缸盖；在活塞朝向汽缸盖的表面与汽缸盖内表面及气缸内表面之间形成燃烧室；进气道与排气道分别与燃烧室连接；在汽缸盖上安装对进气道进行开闭的进气门、对排气道进行开闭的排气门；汽缸盖上设置气门正时调节机构，所述气门正时调节机构与电子控制单元连接；电子控制单元还连接设置在汽缸盖上的火花塞；燃料喷射器安装在汽缸盖上；进气压力传感器连接电子控制单元，用于检测进气道处的进气压力；压缩比调节机构布置在气缸缸体内，受控于电子控制单元。
进一步地，该发动机还包括一增压进气***，增压进气***包括：废气涡轮增压器、废气旁通阀、空气滤清器、中冷器；废气旁通阀受控于电子控制单元，一端与排气道连通，另一端接废气涡轮增压器的热端；空气滤清器通过气管连接废气涡轮增压器的冷端，废气涡轮增压器的冷端通过气管连接中冷器，中冷器通过气管连接进气道。
一种灵活燃料发动机的控制方法，包括：
通过控制燃气切断阀的开闭以及控制高压喷油泵的启动/停止，实现天然气运转或柴油运转或柴油天然气双燃料运转；
压缩比调节机构根据所用燃料调节发动机压缩比；在柴油运转模式下，压缩比调节机构不动作，发动机在柴油运转模式对应的高压缩比状态下运行，此时压缩比为15～20；在天然气运转模式下，压缩比调节机构动作，压缩比调整到12～13；在柴油天然气双燃料运转模式下，压缩比调整机构将压缩比调整到比柴油运转模式低2个单位。
进一步地，在天然气运转模式下，气门正时调节机构调节排气门关闭正时提前，进气门打开正时推后。
进一步地，
在柴油运转模式下，电子控制单元控制燃气切断阀关闭，经过空气滤清器的空气由废气涡轮增压器压缩增压后，流经中冷器后到进气道，由进气门进入燃烧室，在压缩行程的末期柴油从燃油箱由高压喷油泵泵入燃油管路到高压油轨，进入燃料喷射器，通过燃料喷射器向气缸内喷入柴油，此时控制进气门使发动机在设计配气正时下工作，柴油进行柴油运转模式对应的高压缩比扩散燃烧；
在柴油天然气双燃料运转模式下，电子控制单元控制燃气切断阀打开，电子控制单元根据天然气质量，使得高压喷油泵控制柴油的喷射量；此时受控喷射的少量柴油仅用于压缩着火后引燃被喷入气缸内的天然气空气混合气；气门正时调节机构，在发动机的启动、低负荷经过中间负荷到高负荷时，调整进气门关闭正时逐渐提前；
在天然气运转模式下，发动机根据电子控制单元指令切换到火花点火模式；电子控制单元控制燃气切断阀打开，高压喷油泵停止；同时发出指令给压缩比调节机构，使发动机压缩比调整到12～13；气门正时调节机构，在发动机的启动、低负荷经过中间负荷到高负荷时，调整进气门关闭正时逐渐提前；根据电子控制单元指令燃料喷射器向气缸内喷射所需天然气质量、火花塞跳火，点燃气缸内天然气混合气。
本发明的优点在于：本发明实现了柴油、天然气、柴油天然气双燃料三种模式下的灵活切换。燃用不同燃料时，改变压缩比使三种模式下都能达到最佳的燃烧，实现高热效率。气门正时调节使发动机在一种凸轮轴的基础上实现由柴油到天然气的气门重叠期缩小，避免天然气模式下进气倒流发生。进气门早关的控制方法，使有效压缩比降低，膨胀比提高，混合气温度降低，发动机热负荷降低。同时，改善了发动机的热效率。
附图说明
图1为本发明的结构组成示意图。
具体实施方式
下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。
本发明提出一种灵活燃料发动机（以下简称该发动机），包括电子控制单元25、燃料供给***、燃料切换***、压缩比调节机构26、气门正时调节机构22、气缸组件；
所述燃料供给***包括柴油燃料供给子***、天然气燃料供给子***；柴油燃料供给子***和天然气燃料供给子***共用一个燃料喷射器18；燃料切换***受控于电子控制单元25，用于切换供给气缸组件的燃料；压缩比调节机构26用于根据所用燃料相应调节发动机压缩比；气门正时调节机构22用于调节操作气缸组件中进气门和排气门的开闭时刻；
如图1所示；
柴油燃料供给子***包括燃油箱20、高压喷油泵11、高压油轨12、燃油压力传感器13、燃油温度传感器14；所述燃油箱20通过管路连接高压喷油泵11，所述高压喷油泵11通过管路连接高压油轨12，所述高压油轨12连接燃料喷射器18；电子控制单元25分别连接高压喷油泵11、燃油压力传感器13、燃油温度传感器14；燃油压力传感器13、燃油温度传感器14通常安装在高压油轨13上，燃油温度传感器14也可以安装在高压喷油泵14上；
天然气燃料供给子***包括天然气压力传感器15、天然气温度传感器16、天然气供给装置17、储气容器27、储气压力传感器28；燃料切换***包括燃气切断阀19，以及电子控制单元25对高压喷油泵11的启动/停止控制；在储气容器27上设置储气压力传感器28，储气容器27通过燃气切断阀19连接天然气供给装置17，天然气供给装置17通过管路连接燃料喷射器18；在天然气供给装置17上设置天然气压力传感器15和天然气温度传感器16；所述电子控制单元25分别连接天然气压力传感器15、天然气温度传感器16、燃气切断阀19和储气压力传感器28；
气缸组件包括：活塞1、气缸2、燃烧室3、汽缸盖4、排气道5、排气门6、进气道7、进气门8、进气压力传感器21、火花塞31；
在发动机的气缸2内设有进行往复运动的活塞1，气缸2上安装有汽缸盖4；在活塞1朝向汽缸盖4的表面与汽缸盖4内表面及气缸2内表面之间形成燃烧室3；进气道7与排气道5分别与燃烧室3连接；在汽缸盖4上安装对进气道7进行开闭的进气门8、对排气道5进行开闭的排气门6；汽缸盖4上设置气门正时调节机构22，所述气门正时调节机构22与电子控制单元25连接；电子控制单元25还连接设置在汽缸盖4上的火花塞31；燃料喷射器18安装在汽缸盖4上；进气压力传感器21连接电子控制单元25，用于检测进气道7处的进气压力；压缩比调节机构26布置在气缸2缸体内，受控于电子控制单元25；
该发动机还包括一增压进气***，增压进气***包括：废气涡轮增压器9、废气旁通阀10、空气滤清器30、中冷器29；废气旁通阀10受控于电子控制单元25，一端与排气道5连通，另一端接废气涡轮增压器9的热端（涡轮机一端）；空气滤清器30通过气管连接废气涡轮增压器9的冷端（压气机一端），废气涡轮增压器9的冷端通过气管连接中冷器29，中冷器29通过气管连接进气道7；
电子控制单元25，接收设置在发动机机体内的发动机转速信号24、负荷信号23、进气压力传感器21、天然气压力传感器15、天然气温度传感器16、燃油压力传感器13、燃油温度传感器14的信号，向执行结构输出动作指令；通过控制燃气切断阀19的开闭以及控制高压喷油泵11的启动/停止，实现天然气运转或柴油运转或柴油天然气双燃料运转；
电子控制单元25接收进气压力传感器21的压力信号，根据发动机的运转状态，调整废气涡轮增压器9的废气旁通阀10的开度，改变进气道7处的进气压力；
所述压缩比调节机构26根据所用燃料调节发动机压缩比；在柴油运转模式下，压缩比调节机构不动作，发动机在柴油运转模式对应的高压缩比状态下运行，此时压缩比通常为15～20，典型的17～18；在天然气运转模式下，压缩比调节机构动作，压缩比调整到12～13，避免爆震发生；在柴油天然气双燃料运转模式下，压缩比调整机构将压缩比调整到比柴油运转模式低2个单位；
所述气门正时调节机构22，调节操作进气门和排气门的开闭时刻；在天然气运转模式下，调节排气门关闭正时提前，进气门打开正时推后，减小气门重叠期，避免进气倒流；
柴油运转模式、柴油天然气双燃料运转模式、天然气运转模式的具体控制过程如下：
在柴油运转模式下，电子控制单元控制燃气切断阀关闭，发动机进入纯柴油模式，经过空气滤清器的空气由废气涡轮增压器压缩增压后，流经中冷器后到进气道，由进气门进入燃烧室，在压缩行程的末期柴油从燃油箱由高压喷油泵泵入燃油管路到高压油轨，进入燃料喷射器，通过燃料喷射器向气缸内喷入柴油，此时控制进气门使发动机在设计配气正时下工作，发动机实际压缩比等于膨胀比，燃油进行高压缩比扩散燃烧；
在柴油天然气双燃料运转模式下，电子控制单元控制燃气切断阀打开，电子控制单元根据天然气质量，使得高压喷油泵控制柴油的喷射量；此时受控喷射的少量柴油仅用于压缩着火后引燃被喷入气缸内的天然气空气混合气；气门正时调节机构，在发动机的启动、低负荷经过中间负荷到高负荷时，调整进气门关闭正时逐渐提前；
在天然气运转模式下，发动机根据电子控制单元指令切换到火花点火模式；电子控制单元控制燃气切断阀打开，高压喷油泵停止；同时发出指令给压缩比调节机构，使发动机压缩比调整到12～13，来适应天然气燃料特性，避免爆震发生；气门正时调节机构，在发动机的启动、低负荷经过中间负荷到高负荷时，调整进气门关闭正时逐渐提前；根据电子控制单元指令燃料喷射器向气缸内喷射所需天然气质量、火花塞跳火，点燃气缸内天然气混合气；
上述过程中，在低负荷时，设定进气门关闭正时推后，有效压缩比提高，实现发动机的稳定运转。在高负荷时，设定进气门关闭正时提前，进气时间较短，混合气有效压缩比降低。
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种灵活燃料发动机，其特征在于，包括：电子控制单元(25)、燃料供给***、燃料切换***、压缩比调节机构(26)、气门正时调节机构(22)、气缸组件；
所述燃料供给***包括柴油燃料供给子***、天然气燃料供给子***；柴油燃料供给子***和天然气燃料供给子***共用燃料喷射器(18)；燃料切换***受控于电子控制单元(25)，用于切换供给气缸组件的燃料；压缩比调节机构(26)用于根据所用燃料相应调节发动机压缩比；气门正时调节机构(22)用于调节操作气缸组件中进气门和排气门的开闭时刻。
2.如权利要求1所述的灵活燃料发动机，其特征在于，
柴油燃料供给子***包括燃油箱(20)、高压喷油泵(11)、高压油轨(12)、燃油压力传感器(13)、燃油温度传感器(14)；所述燃油箱(20)通过管路连接高压喷油泵(11)，所述高压喷油泵(11)通过管路连接高压油轨(12)，所述高压油轨(12)连接燃料喷射器(18)；电子控制单元(25)分别连接高压喷油泵(11)、燃油压力传感器(13)、燃油温度传感器(14)；
天然气燃料供给子***包括天然气压力传感器(15)、天然气温度传感器(16)、天然气供给装置(17)、储气容器(27)、储气压力传感器(28)；燃料切换***包括燃气切断阀(19)，以及电子控制单元(25)对高压喷油泵(11)的启动/停止控制；在储气容器(27)上设置储气压力传感器(28)，储气容器(27)通过燃气切断阀(19)连接天然气供给装置(17)，天然气供给装置(17)通过管路连接燃料喷射器(18)；在天然气供给装置(17)上设置天然气压力传感器(15)和天然气温度传感器(16)；所述电子控制单元(25)分别连接天然气压力传感器(15)、天然气温度传感器(16)、燃气切断阀(19)和储气压力传感器(28)。
3.如权利要求1或2所述的灵活燃料发动机，其特征在于，
气缸组件包括：活塞(1)、气缸(2)、燃烧室(3)、汽缸盖(4)、排气道(5)、排气门(6)、进气道(7)、进气门(8)、进气压力传感器(21)、火花塞(31)；
在发动机的气缸(2)内设有进行往复运动的活塞(1)，气缸(2)上安装有汽缸盖(4)；在活塞(1)朝向汽缸盖(4)的表面与汽缸盖(4)内表面及气缸(2)内表面之间形成燃烧室(3)；进气道(7)与排气道(5)分别与燃烧室(3)连接；在汽缸盖(4)上安装对进气道(7)进行开闭的进气门(8)、对排气道(5)进行开闭的排气门(6)；汽缸盖(4)上设置气门正时调节机构(22)，所述气门正时调节机构(22)与电子控制单元(25)连接；电子控制单元(25)还连接设置在汽缸盖(4)上的火花塞(31)；燃料喷射器(18)安装在汽缸盖(4)上；进气压力传感器(21)连接电子控制单元(25)，用于检测进气道(7)处的进气压力；压缩比调节机构(26)布置在气缸(2)缸体内，受控于电子控制单元(25)。
4.如权利要求1或2所述的灵活燃料发动机，其特征在于，
该发动机还包括一增压进气***，增压进气***包括：废气涡轮增压器(9)、废气旁通阀(10)、空气滤清器(30)、中冷器(29)；废气旁通阀(10)受控于电子控制单元(25)，一端与排气道(5)连通，另一端接废气涡轮增压器(9)的热端；空气滤清器(30)通过气管连接废气涡轮增压器(9)的冷端，废气涡轮增压器(9)的冷端通过气管连接中冷器(29)，中冷器(29)通过气管连接进气道(7)。
5.一种灵活燃料发动机的控制方法，其特征在于，包括：
通过控制燃气切断阀的开闭以及控制高压喷油泵的启动/停止，实现天然气运转或柴油运转或柴油天然气双燃料运转；
压缩比调节机构根据所用燃料调节发动机压缩比；在柴油运转模式下，压缩比调节机构不动作，发动机在柴油运转模式对应的高压缩比状态下运行，此时压缩比为15～20；在天然气运转模式下，压缩比调节机构动作，压缩比调整到12～13；在柴油天然气双燃料运转模式下，压缩比调整机构将压缩比调整到比柴油运转模式低2个单位。
6.如权利要求5所述的灵活燃料发动机的控制方法，其特征在于，
在天然气运转模式下，气门正时调节机构调节排气门关闭正时提前，进气门打开正时推后。
7.如权利要求5所述的灵活燃料发动机的控制方法，其特征在于，
在柴油运转模式下，电子控制单元控制燃气切断阀关闭，经过空气滤清器的空气由废气涡轮增压器压缩增压后，流经中冷器后到进气道，由进气门进入燃烧室，在压缩行程的末期柴油从燃油箱由高压喷油泵泵入燃油管路到高压油轨，进入燃料喷射器，通过燃料喷射器向气缸内喷入柴油，此时控制进气门使发动机在设计配气正时下工作，柴油进行柴油运转模式对应的高压缩比扩散燃烧；
在柴油天然气双燃料运转模式下，电子控制单元控制燃气切断阀打开，电子控制单元根据天然气质量，使得高压喷油泵控制柴油的喷射量；此时受控喷射的少量柴油仅用于压缩着火后引燃被喷入气缸内的天然气空气混合气；气门正时调节机构，在发动机的启动、低负荷经过中间负荷到高负荷时，调整进气门关闭正时逐渐提前；
在天然气运转模式下，发动机根据电子控制单元指令切换到火花点火模式；电子控制单元控制燃气切断阀打开，高压喷油泵停止；同时发出指令给压缩比调节机构，使发动机压缩比调整到12～13；气门正时调节机构，在发动机的启动、低负荷经过中间负荷到高负荷时，调整进气门关闭正时逐渐提前；根据电子控制单元指令燃料喷射器向气缸内喷射所需天然气质量、火花塞跳火，点燃气缸内天然气混合气。
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