CN102733944A - 一种同时降低柴油机氮氧化物和碳烟排放的系统及方法 - Google Patents
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Abstract
一种内燃机技术领域的能同时降低柴油机氮氧化物（NOx）和碳烟排放的系统及方法，在共轨废气再循环电控柴油机上，对原有结构部件不做改动，新增加一路柴油-醇类混合燃料供给油路，包括醇类燃料油箱、输油泵、流量控制阀、带液体密度计的燃油混合器，醇类燃料油箱通过输油泵、流量控制阀、燃油混合器连接油泵，而原机柴油油箱通过油路切换阀分别连接到燃油混合器和油泵；采用这种系统的控制方法，通过对柴油机冷起动和暖机阶段使用柴油供给油路，热机后切换到柴油-醇类混合燃料供给油路，从而保证柴油机动力性和经济性的基础上，同时显著降低碳烟和NOx排放，减少柴油机昂贵尾气后处理系统的使用，另一方面可以保证掺醇发动机具有良好的冷起动性能。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种内燃机技术领域的系统和方法，特别是一种同时降低柴油机氮氧化物和碳烟排放的系统及方法。
背景技术
随着全球汽车保有量的飞速上升，汽车尾气造成的污染日益严重，促使研究者致力于汽车尾气排放净化的研究和开发。对柴油机来说，氮氧化物（NOx）和颗粒（主要是碳烟）是其最重要的两种有害排放物，并且两种排放物之间存在着一种此消彼长的关系（Trade-off），即降低一种排放物的措施往往带来另一种排放物的升高，这使得同时降低两种排放物成为一个技术难题。目前广泛采用的措施之一是通过废气再循环（EGR）机内降低NOx排放，再采用柴油机颗粒捕集器（DPF）进行颗粒的后处理；另一措施是通过喷油控制减少缸内颗粒排放，再通过选择性的催化还原（SCR）进行NOx的还原处理。但是无论哪种技术路线，均会导致柴油机尾气后处理系统成本的显著增加。
另一方面，石化资源的日益匮乏使新型车用代用燃料的研究和开发成为热点技术之一。醇类燃料，例如甲醇、乙醇和丁醇等，由于其广泛的生物质来源，以及含氧等清洁燃料的特点，受到世界各国的关注。有研究表明，传统石化燃料，即汽油和柴油，通过掺烧醇类燃料可以显著降低其碳烟排放，这也为机内最大限度降低柴油机有害排放、实现高效清洁燃烧、减少柴油机昂贵尾气后处理系统的使用提供了一个方向。
发明内容
本发明的技术方案如下：
一种同时降低柴油机氮氧化物和碳烟排放的系统，包括电子控制单元、第一燃油供给油路、第二燃油供给油路、油路切换阀、油泵、共轨管、喷油器和柴油机；油泵、共轨管、喷油器和柴油机依次连接；
第一燃油供给油路包括柴油油箱和第一输油泵，第二燃油供给油路包括醇类燃料油箱、第一流量控制阀、第二流量控制阀、第二输油泵、第三输油泵和燃油混合器；
第一输油泵、第二输油泵和第三输油泵分别设置在柴油油箱、醇类燃料油箱和燃油混合器中；油路切换阀具有三个端口，分别与第一输油泵的输出口、第一流量控制阀的输入口以及油泵的第一输入口相接；第二输油泵与第二流量控制阀相接；第一流量控制阀的输出端口和第二流量控制阀的输出端口分别连接到燃油混合器的两个输入端口；第三输油泵的输出端与油泵的第二输入口相连；第一流量控制阀和第二流量控制阀分别通过第一回油管和第二回油管与柴油油箱和醇类燃料油箱相连；
油路切换阀、第一流量控制阀和第二流量控制阀均受控于电子控制单元；
在柴油机上设有用于检测冷却水温度的温度传感器，在燃油混合器内设有液体密度计，温度传感器和液体密度计均与电子控制单元相接。
一种同时降低柴油机氮氧化物和碳烟排放的方法，采用所述的同时降低柴油机氮氧化物和碳烟排放的系统；
工况1：当电子控制单元检测到冷却水温度低于T时，判断此时为柴油机冷起动和暖机阶段，则通过控制油路切换阀使得第一燃油供给油路接通：即第一输油泵通过油路切换阀与油泵的第一输入口连通，而油路切换阀与第一流量控制阀之间不导通；
工况2：当电子控制单元检测到冷却水温度高于T时，判断此时为柴油机完成暖机，则电子控制单元通过控制油路切换阀使第二燃油供给油路接通，即第一输油泵通过油路切换阀与第一流量控制阀导通，柴油油箱和醇类燃料油箱中的燃油分别经过第一流量控制阀和第二流量控制阀进入燃油混合器混合后再进入油泵的第二输入口，而第一输油泵与油泵的第一输入口的连接被切断。
在所述的工况2中，电子控制单元基于液体密度计反馈的流体密度值和工况，通过控制第一流量控制阀和第二流量控制阀使得混合燃料相对密度稳定在0.81-0.83之间。
所述工况由油门踏板位置信号及转速信号决定。
所述T为40-60摄氏度。
所述油路切换阀具有手动控制机构。
所述醇类燃料油箱中燃料包括丁醇、乙醇或甲醇中的至少一种。
有益效果
本发明的一种同时降低柴油机氮氧化物和碳烟排放的系统及方法，通过增加一路燃油供给油路，能够在柴油机的不同起动状态下使用不同油路，在冷起动和暖机阶段使用原柴油机的柴油供给油路，此时不掺混醇类燃料，这样可以避免醇类燃料大的汽化潜热和低的十六烷值所导致的发动机冷起动阶段着火与燃烧不稳定、燃烧效率差、碳氢(HC)排放高的问题；在热机后，发动机根据冷却水温度切换到柴油-醇类混合燃料供给油路，通过原柴油机的废气再循环（EGR）系统来显著降低缸内的NOx生成，另一方面通过醇类燃料的含氧作用大大减少缸内的碳烟生成，达到发动机内同时显著降低NOx和碳烟源排放,减少柴油机昂贵尾气后处理系统使用的目的；根据液体密度计实时监测混合燃料密度，以此来控制不同工况下醇类燃料的掺混比例，以保证柴油机的动力性和经济性；基本不改变原有的柴油机结构，因此既可以保证原柴油供给油路的继承性，也可以灵活实现多种醇类燃料（甲醇、乙醇和丁醇）与柴油的混合掺烧。
该系统和控制方法一方面可以在保证原柴油机动力性和经济性的基础上，同时显著地降低NOx和碳烟排放，减少昂贵后处理系统的使用，另一方面还可以保证掺醇发动机具有良好的冷起动性能。
附图说明
图1本发明的结构示意图；
图2纯柴油与含40%丁醇体积比例的柴油-丁醇混合燃料碳烟排放对比图；
图3纯柴油与含40%丁醇体积比例的柴油-丁醇混合燃料NOx排放对比图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，一种同时降低柴油机氮氧化物和碳烟排放的系统包括，电子控制单元11、第一燃油供给油路、第二燃油供给油路、油路切换阀3、油泵4、共轨管6、喷油器7和柴油机1；油泵4、共轨管6、喷油器7和柴油机1依次连接；
第一燃油供给油路包括柴油油箱2和第一输油泵14，第二燃油供给油路包括醇类燃料油箱8、第一流量控制阀17、第二流量控制阀18、第二输油泵15、第三输油泵16和燃油混合器9；
第一输油泵14、第二输油泵15和第三输油泵16分别设置在柴油油箱2、醇类燃料油箱8和燃油混合器9中；油路切换阀具有三个端口，分别与第一输油泵14的输出口、第一流量控制阀17的输入口以及油泵4的第一输入口相接；第二输油泵15与第二流量控制阀18相接；第一流量控制阀17的输出端口和第二流量控制阀18的输出端口分别连接到燃油混合器9的两个输入端口；第三输油泵16的输出端与油泵4的第二输入口相连；第一流量控制阀17和第二流量控制阀18分别通过第一回流管19和第二回流管20与柴油油箱2和醇类燃料油箱8相连；
油路切换阀、第一流量控制阀和第二流量控制阀均受控于电子控制单元；
在柴油机上设有用于检测冷却水温度的温度传感器5，在燃油混合器内设有液体密度计10，温度传感器和液体密度计均与电子控制单元相接。
醇类燃料油箱8内充有丁醇。
在柴油机冷起动和暖机阶段，电子控制单元11根据冷却水温度传感器5反馈的冷却水温度，控制油路切换阀3切换到第1路柴油供给油路，此时在柴油油箱2中的柴油燃料由第一输油泵14泵出，经过油路切换阀3进入油泵4中，并通过油泵4加压后送入共轨管6，最后经电子控制单元（ECU）11控制的喷油器7喷入柴油机燃烧室。热机后，当ECU11检测到冷却水温度升高，等于或超过60℃时，则控制油路切换阀3切换到第2路柴油-醇类混合燃料供给油路，此时柴油燃料仍由第一输油泵14通过柴油油箱2泵出，经过油路切换阀3和第一流量控制阀17进入带液体密度计10的燃油混合器9，而醇类燃料（丁醇）则由第二输油泵15从醇类燃料油箱8中泵出经过第二流量控制阀18进入燃油混合器9，ECU11根据液体密度计10测量的燃油混合器9中的混合燃料密度，控制第二流量控制阀18来调节进入燃油混合器9中的醇类燃料流量，以保证柴油-醇类燃料混合比例随工况在0-60%范围内变化，相应的混合燃料相对密度在0.83到0.81之间变化。例如，若液体密度计10测量的全负荷工况下混合燃料相对密度低于0.825，电子控制单元（ECU）11判断该工况混合燃料中的醇类燃料比例超过20%，则调节第二流量控制阀18减少进入燃料混合器9中的醇类燃料流量，同时相应增加通过第一流量控制阀17的柴油流量，多余的醇类燃料经第二流量控制阀18的第二回油管20回到醇类燃料油箱8中。在燃油混合器9中混合好的柴油-醇类混合燃料通过第三输油泵16输入到原机的油泵4中，经加压后送入共轨管6，最后经电子控制单元（ECU）11控制的喷油器7喷入柴油机燃烧室进行含氧混合燃料的压燃燃烧，同时结合一定比例（0-50%）的EGR率（由原柴油机的废气再循环系统实现，包括废气冷却器12和EGR阀13），可以在发动机内同时显著降低柴油机95%以上的碳烟源排放和90%以上的氮氧化物源排放，实现柴油机的高效清洁燃烧。
如图2和图3所示，采用本实施例中系统和方法后，柴油机中氮氧化物和碳烟排放均得到了明显的降低。
Claims (6)
1.一种同时降低柴油机氮氧化物和碳烟排放的系统，其特征在于，包括电子控制单元、第一燃油供给油路、第二燃油供给油路、油路切换阀、油泵、共轨管、喷油器和柴油机；高压油泵、共轨管、喷油器和柴油机依次连接；
第一燃油供给油路包括柴油油箱和第一输油泵，第二燃油供给油路包括醇类燃料油箱、第一流量控制阀、第二流量控制阀、第二输油泵、第三输油泵和燃油混合器；
第一输油泵、第二输油泵和第三输油泵分别设置在柴油油箱、醇类燃料油箱和燃油混合器中；油路切换阀具有三个端口，分别与第一输油泵的输出口、第一流量控制阀的输入口以及油泵的第一输入口相接；第二输油泵与第二流量控制阀相接；第一流量控制阀的输出端口和第二流量控制阀的输出端口分别连接到燃油混合器的两个输入端口；第三输油泵的输出端与高压油泵的第二输入口相连；第一流量控制阀和第二流量控制阀分别通过第一回油管和第二回油管与柴油油箱和醇类燃料油箱相连；
油路切换阀、第一流量控制阀和第二流量控制阀均受控于电子控制单元；
在柴油机上设有用于检测冷却水温度的温度传感器，在燃油混合器内设有液体密度计，温度传感器和液体密度计均与电子控制单元相接。
2.一种同时降低柴油机氮氧化物和碳烟排放的方法，其特征在于，采用权利要求1所述的同时降低柴油机氮氧化物和碳烟排放的系统；
工况1：当电子控制单元检测到冷却水温度低于T时，判断此时为柴油机冷起动和暖机阶段，则通过控制油路切换阀使得第一燃油供给油路接通：即第一输油泵通过油路切换阀与油泵的第一输入口连通，而油路切换阀与第一流量控制阀之间不导通；
工况2：当电子控制单元检测到冷却水温度高于T时，判断此时为柴油机完成暖机，则电子控制单元通过控制油路切换阀使第二燃油供给油路接通，即第一输油泵通过油路切换阀与第一流量控制阀导通，柴油油箱和醇类燃料油箱中的燃油分别经过第一流量控制阀和第二流量控制阀进入燃油混合器混合后再进入油泵的第二输入口，而第一输油泵与油泵的第一输入口的连接被切断。
3.根据权利要求2所述的同时降低柴油机氮氧化物和碳烟排放的方法，其特征在于，在所述的工况2中，电子控制单元基于液体密度计反馈的流体密度值，通过控制第一流量控制阀和第二流量控制阀使得混合燃料相对密度稳定在0.81-0.83之间。
4.根据权利要求2所述的同时降低柴油机氮氧化物和碳烟排放的方法，其特征在于，T为40-60摄氏度。
5.根据权利要求2所述的同时降低柴油机氮氧化物和碳烟排放的方法，其特征在于，油路切换阀具有手动控制机构。
6.根据权利要求2-5任一项所述的同时降低柴油机氮氧化物和碳烟排放的方法，其特征在于醇类燃料油箱中燃料包括丁醇、乙醇或甲醇中的至少一种。
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