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CN108533422A - 一种醇类发动机掺水喷射系统及掺水喷射方法 - Google Patents

一种醇类发动机掺水喷射系统及掺水喷射方法 Download PDF

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CN108533422A CN201810063722.XA CN201810063722A CN108533422A CN 108533422 A CN108533422 A CN 108533422A CN 201810063722 A CN201810063722 A CN 201810063722A CN 108533422 A CN108533422 A CN 108533422A
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郑金保
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Abstract

本发明公布了一种醇类发动机掺水喷射系统,包括柴油供给装置、柴油喷射装置、醇类供给装置、醇类喷射装置、发动机电控单元和发动机体,其特征在于:所述醇类供给装置输出的醇类燃料与一供水系统的输出的水在一醇水混合器中混合后,输出至所述醇类喷射装置喷入发动机。本发明在甲醇/柴油双燃烧发动机的基础上,利用水与甲醇无限互溶的特点,在输醇轨道上增加醇水混合器,利用水的高蒸发潜热的优势,在大负荷时降低进气温度,进而降低压缩上止点时温度,减缓发动机燃烧速率,避免发动机产生爆震,从而可以提高发动机的甲醇替代率,扩大双燃料燃烧的燃烧区域,提高发动机的热效率,降低发动机的NOx和颗粒排放。

Description

一种醇类发动机掺水喷射系统及掺水喷射方法
技术领域
本发明属于发动机燃料喷射技术领域,特别是涉及一种醇类发动机掺水喷射系统及掺水喷射方法。
背景技术
天津大学姚春德等在2011年第17卷第一期的《燃烧科学与技术》上发表的《柴油甲醇组合燃烧增压共轨发动机的燃烧特性和排放特性》中,在增压共轨发动机上采用柴油/甲醇组合燃烧模式进行燃烧特性分析和排放特性分析,研究表明,柴油/甲醇组合燃烧模式具有推迟着火时间、提高定容燃烧度、降低缸内温度及排气温度等优点,能大幅提高燃料的燃烧效率,对于添加M100(纯甲醇),以及M90(含水10%的甲醇水溶液)的排放量进行对比,表明M90比M100更能降低甲醛、NOX、HC和CO排放。
宁波大学海运学院的陈铠等在2011年第四期《车辆与动力技术》上发表的《柴油-甲醇-水复合燃料在柴油机上的应用研究》在某柴油机上分别试验使用柴油-甲醇-水试验液、柴油-甲醇试验液和纯柴油,比较了三种试验液的热效率及污染物排放情况,试验结果表明:柴油掺烧甲醇和甲醇-水的节油率均达到6%-14%,碳烟排放降低,其中掺烧含水甲醇经济性更好。
目前对于甲醇柴油发动机,主要进行缸内柴油直接喷射+进气道甲醇喷射,进行柴油压燃引燃甲醇混合气燃烧,或者进气道喷射甲醇,点燃燃烧。甲醇柴油双燃料燃烧中,放热率趋向单峰,甲醇的喷入推迟了放热峰值的出现时间,燃烧滞燃期延长,使得放热率峰值比纯柴油模式高,急剧反应放热时间也缩短了,甲醇柴油双燃料燃烧模式下,燃烧放热比柴油模式更集中,燃烧效率更高,但是也带来了部分工况缸内压力升高率过高,燃烧温度过高,容易引起爆震,造成活塞损坏的严重后果。
发明内容
本发明目的在于针对现有甲醇柴油发动机的缺陷,提供一种使用甲醇、乙醇等与水无限互溶的醇类的醇类发动机掺水喷射系统及掺水喷射方法。
本发明为实现上述目的,采用如下技术方案:
一种醇类发动机掺水喷射系统,包括柴油供给装置、柴油喷射装置、醇类供给装置、醇类喷射装置、发动机电控单元和发动机体,其特征在于:所述醇类供给装置输出的醇类燃料与一供水系统的输出的水在一醇水混合器中混合后,输出至所述醇类喷射装置喷入发动机;所述发动机电控单元控制醇类和水的混合,及柴油供给装置、柴油喷射装置、醇类供给装置、醇类喷射装置工作。
其进一步特征在于:所述柴油供给装置包括柴油箱、设置在所述柴油箱内的柴油输油泵;
所述柴油喷射装置包括高压油泵和多个柴油喷射器,用于喷射高压燃油;
所述醇类供给装置包括醇类燃料箱和设置在所述醇类燃料箱内的醇类燃料泵;
所述供水系统包括储水箱和设置在所述储水箱内的水泵;
所述醇类喷射装置包括多个醇类燃料喷射器。
进一步的:所述供水管道和醇水混合器中分别设置有压力传感器。
所述醇类燃料喷射器安装在发动机进气管上,醇类燃料喷射到进气管内;或所述醇类燃料喷射器安装在发动机进气道上,醇类燃料喷射到进气道内;或所述醇类燃料喷射器安装在发动机气缸盖上,醇类燃料喷射到缸内。
优选的:喷射到进气管或进气道内的醇类供给装置和醇类喷射装置,供给和喷射压力为0.35~1.2MPa;喷射到缸内的醇类供给装置和醇类喷射装置,供给和喷射压力为5~30MPa。
更进一步:所述醇水混合器包括混合器体、和设置在所述混合器体内的水流通道、醇类燃料通道及混合液通道;所述水流通道内设置有节流阀用于控制水流通断;所述醇类燃料通道内设置有单向球阀控制醇类燃料流动;所述节流阀后端的水流通道内设置有连接通道与所述单向球阀后端的醇类燃料通道相连通;混合后的水和醇类燃料经所述混合液通道喷出。
所述连接通道和混合液通道的夹角为30°~90°。
所述节流阀为含有三角槽式节流口阀芯的三角槽式节流阀;所述阀芯上的三角槽相对设置,所述三角槽轴向夹角为25°~40°,径向夹角为20°~30°。
所述混合液通道入口处设置有多孔板,所述多孔板垂直于来流方向;所述多孔板上的通孔数量为5~24个,呈辐射状绕多孔板端面中心轴线环绕分布,所述通孔轴线与多孔板端面角度为30°~60°。
一种基于上述醇类发动机掺水喷射系统的醇类发动机掺水喷射方法,其特征在于包括下述喷射模式:
纯柴油模式:当发动机冷却液温度低于65℃时,控制单元控制柴油喷射器喷射柴油;
柴油-醇类混合燃烧模式:当发动机冷却液温度大于等于65℃时,发动机电控单元控制醇类燃料喷射器喷射醇类燃料;
柴油-醇类混合液混合燃烧模式:当发动机负荷达到30%以上时,发动机电控单元控制供水系统和醇水混合器开启进行掺水,醇类燃料替代率随发动机负荷逐渐增加,醇类燃料替代率为0~95%(按照柴油与醇类燃料总燃料热值计算),水在醇水混合液中的质量分数范围为0%~20%。
本发明在甲醇/柴油双燃烧发动机的基础上,利用水与甲醇无限互溶的特点,在输醇轨道上增加醇水混合器,利用水的高蒸发潜热的优势,在大负荷时降低进气温度,进而降低压缩上止点时温度,减缓发动机燃烧速率,避免发动机产生爆震,从而可以提高发动机的甲醇替代率,扩大双燃料燃烧的燃烧区域,提高发动机的热效率,降低发动机的NOx和颗粒排放。
附图说明
图 1 为本发明结构原理示意图。
图 2 为醇水混合器结构示意图。
图 3a-图3c为醇水混合器中节流阀芯结构示意图。
图 4 为单向球阀结构示意图。
图 5a-图5c为多孔板结构示意图。
具体实施方式
如图1所示,一种以常用的四缸发动机进气歧管喷射甲醇为典型示例的醇类发动机掺水喷射系统,包括柴油供给装置、柴油喷射装置、甲醇供给装置、甲醇喷射装置、供水系统、发动机电控单元7和发动机体8。
柴油供给装置包括柴油箱10、设置在柴油箱10内柴油输油泵11。
柴油喷射装置包括高压油泵9和四个柴油喷射器14,用于用四个缸内喷射高压燃油。
甲醇供给装置包括甲醇箱4和设置在甲醇箱4内的甲醇泵5,
供水系统包括储水箱1和设置在储水箱1内的水泵2。供水管道内设置有压力传感器13。
甲醇喷射装置包括四个分别设置在发动机进气歧管内的甲醇喷射器6。
甲醇供给装置输出的甲醇和供水系统输出的水在醇水混合器3中混合后,输出至甲醇喷射装置喷入发动机。醇水混合器3中设置有压力传感器12。
发动机电控单元7控制甲醇和水的混合,及柴油供给装置、柴油喷射装置、甲醇供给装置、甲醇喷射装置工作。
同样的,甲醇喷射器可以安装在发动机进气管上,甲醇或甲醇混合液喷射到进气管内;也可以安装在发动机进气道上喷射到进气道内;或者安装在发动机气缸盖上喷射到缸内。喷射到进气管或进气道内的甲醇供给装置和甲醇喷射装置,供给和喷射压力为0.35~1.2MPa;喷射到缸内的甲醇供给装置和甲醇喷射装置,供给和喷射压力为5~30MPa。
如图2所示,醇水混合器3包括混合器体301、和设置在混合器体301内的水流通道309、甲醇通道310及混合液通道312。水流通道309内设置有含有三角槽式节流口阀芯的三角槽式节流阀,用于控制水流通断。节流阀包括阀芯套管302和阀芯303,阀芯303上的三角槽如图3a-图3b所示相对设置,三角槽轴向夹角θ为25°~40°,径向夹角Ф为20°~30°。甲醇通道310内设置有单向球阀控制甲醇流动。如图4所示,单向球阀包括单向阀套管304、球阀305、和弹簧306。水流通道309和甲醇通道310上下并排设置,混合液通道312位于甲醇通道310后端,与甲醇通道310同轴。在三角槽式节流阀后端的水流通道309内设置有连接通道311与单向球阀后端的甲醇通道310相连通。如图3a所示,连接通道311和混合液通道312的夹角α为30°~90°。在混合液通道312入口处设置有多孔板308。如图5a-图5c所示,多孔板308垂直于来流方向;多孔板308上的通孔数量为5~24个,呈辐射状绕多孔板端面中心轴线环绕分布,通孔轴线与多孔板端面角度β为30°~60°。混合后的水和醇类燃料经混合液通道喷出。为了便于连接通道311的加工,与连接通道311同轴设置加工孔307,加工孔307内用加工孔堵头填塞。
一种醇类发动机掺水喷射方法,发动机电控单元7依据发动机水温、转速、进气压力、进气温度等信号判断发动机每循环所需喷射的柴油、甲醇质量,控制甲醇喷射器6和柴油喷射器14进行喷射。其中当发动机冷却液温度低于65℃时,发动机电控单元7控制柴油喷射器14喷射柴油,发动机处于纯柴油模式。当冷却液温度大于等于65℃时,发动机电控单元7控制甲醇喷射器6喷射甲醇燃料,柴油机进行柴油-甲醇混合燃烧。当发动机负荷达到30%以上时,发动机电控单元7控制供水系统和醇水混合器3开启进行掺水,柴油机进行柴油-甲醇混合液混合燃烧。甲醇替代率随低负荷到中等负荷逐渐增加,甲醇替代率为0~95%(按照柴油与甲醇总燃料热值计算),水在醇水混合液中的质量分数范围为0%~20%,其中具体喷射量依据各工况下油耗与排放值最优化目标来确定。在上述发动机工况条件下,根据发动机凸轮轴位置传感器信号,甲醇喷射器6依据各缸工作顺序进行甲醇喷射。发动机电控单元7通过压力传感器12,压力传感器13获取醇水混合器3内部压力以及输水管道压力,依据压力差值控制甲醇泵5和水泵2的开闭,使压力差值在稳定区间内,其中输水管路压力高于甲醇输送管路压力,由该压力差值、该转速负荷下水需求量、阀流量特性确定控制阀芯的位移(发动机电控单元7通过控制步进电机控制位移),使得在发动机较大负荷时水与甲醇一起进入缸内。由于甲醇汽化潜热很大,水的汽化潜热是甲醇的两倍左右,由此可以使进气温度降低,增大充量系数,降低缸内起燃温度,进而降低压缩上止点时温度,减缓发动机燃烧速率,避免发动机产生爆震,从而可以提高发动机的甲醇替代率,扩大双燃料燃烧的燃烧区域,提高发动机的热效率,降低发动机的NOx和颗粒排放。

Claims (10)

1.一种醇类发动机掺水喷射系统,包括柴油供给装置、柴油喷射装置、醇类供给装置、醇类喷射装置、发动机电控单元和发动机体,其特征在于:所述醇类供给装置输出的醇类燃料与一供水系统的输出的水在一醇水混合器中混合后,输出至所述醇类喷射装置喷入发动机;所述发动机电控单元控制醇类和水的混合,及柴油供给装置、柴油喷射装置、醇类供给装置、醇类喷射装置工作。
2.根据权利要求1所述的醇类发动机掺水喷射系统,其特征在于:
所述柴油供给装置包括柴油箱、设置在所述柴油箱内的柴油输油泵;
所述柴油喷射装置包括高压油泵和多个柴油喷射器,用于喷射高压燃油;
所述醇类供给装置包括醇类燃料箱和设置在所述醇类燃料箱内的醇类燃料泵;
所述供水系统包括储水箱和设置在所述储水箱内的水泵;
所述醇类喷射装置包括多个醇类燃料喷射器。
3.根据权利要求2所述的醇类发动机掺水喷射系统,其特征在于:所述供水管道和醇水混合器中分别设置有压力传感器。
4.根据权利要求2所述的醇类发动机掺水喷射系统,其特征在于:所述醇类燃料喷射器安装在发动机进气管上,醇类燃料喷射到进气管内;或所述醇类燃料喷射器安装在发动机进气道上,醇类燃料喷射到进气道内;或所述醇类燃料喷射器安装在发动机气缸盖上,醇类燃料喷射到缸内。
5.根据权利要求4所述的醇类发动机掺水喷射系统,其特征在于:喷射到进气管或进气道内的醇类供给装置和醇类喷射装置,供给和喷射压力为0.35~1.2MPa;喷射到缸内的醇类供给装置和醇类喷射装置,供给和喷射压力为5~30MPa。
6.根据权利要求1-5任一项所述的醇类发动机掺水喷射系统,其特征在于:所述醇水混合器包括混合器体、和设置在所述混合器体内的水流通道、醇类燃料通道及混合液通道;所述水流通道内设置有节流阀用于控制水流通断;所述醇类燃料通道内设置有单向球阀控制醇类燃料流动;所述节流阀后端的水流通道内设置有连接通道与所述单向球阀后端的醇类燃料通道相连通;混合后的水和醇类燃料经所述混合液通道喷出。
7.根据权利要求6所述的醇类发动机掺水喷射系统,其特征在于:所述连接通道和混合液通道的夹角为30°~90°。
8.根据权利要求6所述的醇类发动机掺水喷射系统,其特征在于:所述节流阀为含有三角槽式节流口阀芯的三角槽式节流阀;所述阀芯上的三角槽相对设置,所述三角槽轴向夹角为25°~40°,径向夹角为20°~30°。
9.根据权利要求6所述的醇类发动机掺水喷射系统,其特征在于:所述混合液通道入口处设置有多孔板,所述多孔板垂直于来流方向;所述多孔板上的通孔数量为5~24个,呈辐射状绕多孔板端面中心轴线环绕分布,所述通孔轴线与多孔板端面角度30°~60°。
10.一种基于权利要求1-9任一项所述醇类发动机掺水喷射系统的醇类发动机掺水喷射方法,其特征在于包括下述喷射模式:
(1)纯柴油模式:当发动机冷却液温度低于65℃时,控制单元控制柴油喷射器喷射柴油;
(2)柴油-醇类混合燃烧模式:当发动机冷却液温度大于等于65℃时,发动机电控单元控制醇类燃料喷射器喷射醇类燃料;
(3)柴油-醇类混合液混合燃烧模式:当发动机负荷达到30%以上时,发动机电控单元控制供水系统和醇水混合器开启进行掺水,醇类燃料替代率随发动机负荷逐渐增加,醇类燃料替代率为0~95%(按照柴油与醇类燃料总燃料热值计算),水在醇水混合液中的质量分数范围为0%~20%。
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