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CN112112729A - 一种双燃料缸内直喷发动机的可变进气滚流装置 - Google Patents

一种双燃料缸内直喷发动机的可变进气滚流装置 Download PDF

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CN112112729A CN202010886031.7A CN202010886031A CN112112729A CN 112112729 A CN112112729 A CN 112112729A CN 202010886031 A CN202010886031 A CN 202010886031A CN 112112729 A CN112112729 A CN 112112729A
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Abstract

本发明公开了一种双燃料缸内直喷发动机的可变进气滚流装置，涉及双燃料发动机技术领域，可变进气滚流装置是通过电子控制单元ECU控制甲醇和柴油燃料缸内直喷，形成甲醇空气混合气并直喷柴油引燃，然后通过电子单元ECU控制气门升程大小来改变进气滚流强度，配合双燃料喷油器位置的合理布置来改善燃烧过程。本发明给出的一种双燃料喷油器的可变进气滚流的装置，可很好的实现缸内甲醇空气混合气流场特性的控制，能够使双燃料发动机在各工况高效清洁燃烧。

Description

一种双燃料缸内直喷发动机的可变进气滚流装置
技术领域
本发明涉及双燃料发动机技术领域，具体涉及到一种双燃料缸内直喷发动机的可变进气滚流装置。
背景技术
内燃机在其发展过程中推动了社会和经济的发展，传统车用内燃机的主要燃料是汽油和柴油，然而其排放物加剧了环境污染，本身也是能源消耗的主体。为了实现节能减排的目的，寻找清洁、经济、可再生的替代燃料成为业内研究的主要方向之一。甲醇经济性良好，原料来源丰富，且有较低的常规排放，在常规替代燃料中有重要的地位。
使用纯甲醇完全替代柴油燃料的方法实现困难，因此，双燃料发动机的概念被提出。目前双燃料发动机多采用进气道喷射甲醇，在发动机运行过程中，高辛烷值的甲醇燃料被喷入发动机的进气管道，而高十六烷值的柴油燃料经原供油系统直喷进入缸内，柴油压燃后来引燃甲醇空气混合气。
然而进气道喷射甲醇主要依靠壁面温度与进气门打开时废气倒流带来的热量促进甲醇的蒸发，与空气混合形成可燃混合气。此时，会出现燃油蒸发不完全，在进气道壁面容易形成油膜，该部分燃油不能快速进入气缸而存在一定时间的延迟，从而导致瞬时燃油燃烧不能实现精确控制。尤其在变工况与冷启动工况下，需要增加甲醇的喷入量，这就导致大量甲醇没有及时进入气缸而发生不完全燃烧；同时由于进气门的节流作用，大大降低了发动机的效率，并且增加了燃油的消耗量，发动机的排放要求也无法得到保障。
发明内容
本发明的目的在于克服现有的进气道喷射甲醇存在蒸发缓慢，容易在进气道壁面形成油膜，进气门节流作用导致效率下降的问题，提供了一种双燃料缸内直喷发动机的可变进气滚流装置，可避免进气道喷射甲醇蒸发缓慢的缺点；本发明在保证双燃料发动机灵活供油的基础上，可与进气滚流装置产生良好的适配性；其能够根据发动机的工况调节进气门升程，在保证发动机稳定运行的基础上，更好地组织缸内混合气的气流运动，实现各个工况下的最优燃烧效率和清洁排放。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种双燃料缸内直喷发动机的可变进气滚流装置，包括双燃料供油系统和可变进气滚流装置；所述双燃料供油系统通过电子控制单元ECU控制甲醇燃料喷入气缸产生混合气并采用直喷柴油引燃，实现发动机双燃料的燃油供给；双燃料供油系统包含甲醇喷油器和柴油喷油器，甲醇喷油器喷射方向对着排气侧，柴油喷油器位于气缸轴线上；所述可变进气滚流装置包括进气通道和进气门，进气门可将进气通道分成两部分，当进气门升程大时，即进气门与下方气门座分离时，进气气流不受阻挡；进气门升程小时，即进气门和与下方气门座部分贴合，气流在通过进气管道时，一部分经过进气门的无阻挡通道，另一部分受到下方气门座和进气门的阻挡，进而使气流整体形成滚流。
进一步的，进气门设置气门锥角为30°和90°时，对应进气门头部边缘的点为A和B，安装进气门时，A点和B点在水平面上的投影与气缸水平截面中心线平行，A点在靠近柴油喷油器的一侧。
进一步的，甲醇燃料由甲醇喷油器在进气阶段喷入气缸，形成甲醇空气混合气；柴油燃料由柴油喷油器在压缩上止点之前喷入气缸，通过压燃柴油来引燃甲醇空气混合气。
进一步的，甲醇燃料经甲醇滤清器过滤后经甲醇燃油泵泵入甲醇高压醇轨，然后经甲醇喷油器喷入气缸。
进一步的，所述甲醇喷油器水平面投影位于气缸水平截面中心线上，且甲醇喷油器与气缸轴线的夹角为60°。
进一步的，柴油燃料经柴油滤清器过滤后经柴油燃油泵泵入柴油高压油轨，然后经柴油喷油器喷入气缸。
进一步的，所述甲醇喷油器和柴油喷油器的喷油时刻和脉宽由电子控制单元ECU控制。
进一步的，进气管道气体流通面积由气门升程决定，气门升程由电子控制单元ECU控制。
进一步的，所述双燃料供油系统还包括曲轴转角位置传感器、发动机转速传感器和进气流量传感器；所述曲轴转角位置传感器、发动机转速传感器和进气流量传感器向电子控制单元ECU传递信号，ECU整合并分析信号，将控制指令输出至甲醇喷油器和柴油喷油器。
进一步的，甲醇燃料喷入气缸后，与进气侧的空气相互作用形成缸内滚流。
本发明的技术方案有益效果和技术特点在于：
1.双燃料供油系统能够根据发动机的不同工况控制甲醇和柴油的喷射时刻和脉宽，可变进气滚流装置可实现进气滚流强度的连续可变，在不同工况下对气流的控制也及时改变，进而使形成的滚流效果最佳，改善发动机缸内的气流运动，保证双燃料发动机工作平稳，有效降低污染物排放，从而实现双燃料发动机高效清洁燃烧，满足燃料经济性和排放法规要求。
2.本发明所述的可变进气滚流装置，通过控制气门升程将进气道分隔，气流在通过进气道时，一部分经过气门的无阻挡通道，而另一部分受到下方气门座和气门的阻挡，进而使气流整体形成滚流。在气门传动机构的作用下，能够不改变气门与进气管道中心线的位置状态，仅是通过可变气门升程的驱动，沿直线往复运动，可及时调整进气道下侧阻挡通道的截面积，实现了进气滚流强度的连续可变。
3.在进气阶段甲醇喷油器将甲醇以特定的角度喷入气缸，配合进气形成的缸内滚流，可强化缸内混合气流动，改善混合气的品质。
4.本发明通过电子控制单元ECU控制进气门升程改善进气，提高缸内滚流强度。
附图说明
图1为根据本发明实施例的双燃料供油系统图；
图2为本发明图1中涉及到的喷油器布置图；
图3为本发明图2中涉及到的喷油器布置水平投影图；
图4为本发明图1中涉及到的进气门结构示意图；
图5为本发明图1中涉及到的进气滚流装置结构图；
图6为本发明图1中涉及到的进气门不同位置示意图。
附图标记：
1-甲醇油箱；2-甲醇滤清器；3-甲醇燃油泵；4-甲醇高压醇轨；5-甲醇喷油器；6-柴油油箱；7-柴油滤清器；8-柴油燃油泵；9-柴油高压油轨；10-柴油喷油器；11-进气道；12-排气道；13-进气门。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面首先结合附图具体描述根据本发明实施例的
结合附图1所示，双燃料供给系统包括甲醇供给系统的甲醇油箱1、甲醇滤清器2、甲醇燃料泵3、甲醇高压醇轨4、甲醇喷油器5，包括柴油供给系统中的柴油油箱6、柴油滤清器7、柴油燃油泵8、柴油高压油轨9和柴油喷油器10。
实施甲醇燃料供给是甲醇燃料泵3将甲醇燃料箱1的甲醇燃料油经过甲醇滤清器2泵入甲醇高压醇轨4，后通过甲醇喷油器5喷入气缸。
实施柴油燃料供给是柴油油泵8将柴油燃料箱6的柴油燃料油经过柴油滤清器7泵入柴油高压油轨9，再由柴油喷油器10喷入气缸。
实施甲醇预混合气柴油引燃的双燃料模式曲轴转角位置传感器、发动机转速传感器、进气流量传感器等向电子控制单元ECU传递信号，ECU整合并分析各种信号，计算出该工况下需要喷射甲燃油量同时将指令输出至甲醇喷油器5和柴油喷油器10。在进气行程初期，甲醇喷油器5接受指令向缸内喷射甲醇，形成甲醇空气混合气，在活塞接近上止点时，柴油喷油器10接受指令控制柴油喷射，随后柴油在气缸中被压燃并多点引发甲醇预混合气的着火。特定工况下，双燃料模式发动机无法稳定运行，采用柴油压燃的单燃料模式，ECU整合各传感器信号，计算出需要喷射柴油量并将指令输出至柴油喷油器10，同时停止甲醇喷射，保证发动机的稳定运行。
本发明中，在进气阶段，甲醇喷油器接受指令向缸内喷射甲醇，缸内形成混合气，在活塞接近上止点时，柴油喷油器接受指令控制柴油喷射，随后柴油在气缸中被压燃并多点引发甲醇预混合气的着火，即实现甲醇预混合气柴油引燃的双燃料模式。
结合附图2、3所示，甲醇喷油器和柴油喷油器在水平面上的投影位于气缸截面中心线上，且柴油喷油器10位于气缸轴线上。
甲醇喷油器5向进气侧倾斜，对着排气侧，喷油器与气缸轴线的夹角α为60°，保证甲醇以合适的角度喷入气缸，甲醇射流和进气形成的滚流相互作用，促进甲醇与空气混合过程，能较好的控制缸内气体流动，避免了甲醇与气缸壁面的接触，在进气的同时完成了甲醇与空气的混合。
结合附图4所示，进气门的安装方式，设置气门锥角为30°和90°时气门头部边缘的点为A和B。安装进气门时，结合附图3所示，A点与B点连线在水平面上的投影应与气缸水平截面中心线平行，A点在靠近柴油喷油器的一侧。
结合附图5和6，采用发明所述的进气门，当气门处于位置1时，进气门13为关闭状态，气门阻挡所有气流。当进气门13处于位置1和2之间时，进气门13为半开状态，进气门13会阻挡下侧部分气流，在此状态下可有效增强缸内滚流强度。当进气门13低于位置2时，进气门13为全开状态，气流进入气缸时不受阻挡，由于气门锥角的不同，上部分气流进入气缸阻力较小，此状态下本装置可辅助引发缸内滚流的形成。
在低负荷工况下，进气时气门开度略大于位置1，进气气流集中于进气道顶部向气缸流入，进气气流卷入气缸下部形成滚流，此工况下气缸流入的进气量较少，气流流通面积减小来增加气流流速，此状态下滚流的强度最高。
在中低负荷工况下，进气时气门升程大于低负荷，气门开度处于位置1和2之间，气流流通面积较上述低负荷时有所增加，气缸流入的气流量高于低负荷，下部分气流仍被阻断，此状态下滚流的强度比低负荷时低，但此时的进气流量和滚流比与中低负荷工况相适应，使燃烧效率最优化。
在中高负荷工况下，进气时气门升程大于中低负荷，气门开度继续增加至接近位置2，气流流通面积进一步增加，下部分较少气流被阻挡，气流从进气道顶部、中部、和中下部向气缸流入，进气流量高于上述中低负荷时的进气流量，此状态下滚流的强度度比中低负荷时低，但此时的进气流量和滚流比与中高负荷工况相适应，使燃烧热效率最优化。
在高负荷工况下，进气时气门开度大于位置2，进气门13达到全开状态，气流进入气缸不受阻挡，进气流量为最大，与此相对应地，燃烧喷射量也较多，气门锥角对气流有一定的引导作用，此时滚流强度相对较小，但进气流量和滚流比与高负荷工况相匹配，使燃烧热效率最优化。
该发明所述的气门位置由ECU根据双燃料发动机工况调节气门升程。
在双燃料模式下，本发明装置与喷嘴布置相结合，在改进流场的作用下，可以实现各个工况最佳的引导气流来提升甲醇射流雾化效果，可以实现喷雾气流组合最优化，减少甲醇喷雾湿壁情况，提高甲醇和空气的混合气质量，使甲醇充分燃烧，双燃料能量利用效率更高。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种双燃料缸内直喷发动机的可变进气滚流装置，其特征在于，包括双燃料供油系统和可变进气滚流装置；所述双燃料供油系统通过电子控制单元ECU控制甲醇燃料喷入气缸产生混合气并采用直喷柴油引燃，实现发动机双燃料的燃油供给；双燃料供油系统包含甲醇喷油器(5)和柴油喷油器(10)，甲醇喷油器(5)喷射方向对着排气侧，柴油喷油器(10)位于气缸轴线上；所述可变进气滚流装置包括进气通道(11)和进气门(13)，进气门(13)可将进气通道(11)分成两部分，当进气门(13)升程大时，即进气门(13)与下方气门座分离时，进气气流不受阻挡；进气门(13)升程小时，即进气门(13)和与下方气门座部分贴合，气流在通过进气管道(11)时，一部分经过进气门(13)的无阻挡通道，另一部分受到下方气门座和进气门(13)的阻挡，进而使气流整体形成滚流。
2.根据权利要求1所述的双燃料缸内直喷发动机的可变进气滚流装置，其特征在于，进气门(13)设置气门锥角为30°和90°时，对应进气门(13)头部边缘的点为A和B，安装进气门(13)时，A点和B点在水平面上投影的连线与气缸水平截面中心线平行，A点在靠近柴油喷油器(10)的一侧。
3.根据权利要求1所述的双燃料缸内直喷发动机的可变进气滚流装置，其特征在于，甲醇燃料由甲醇喷油器(5)在进气阶段喷入气缸，形成甲醇空气混合气；柴油燃料由柴油喷油器(10)在压缩上止点之前喷入气缸，通过压燃柴油来引燃甲醇空气混合气。
4.根据权利要求1所述的双燃料缸内直喷发动机的可变进气滚流装置，其特征在于，甲醇燃料经甲醇滤清器(2)过滤后经甲醇燃油泵(3)泵入甲醇高压醇轨(4)，然后经甲醇喷油器(5)喷入气缸。
5.根据权利要求1所述的双燃料缸内直喷发动机的可变进气滚流装置，其特征在于，所述甲醇喷油器(5)水平面投影位于气缸水平截面中心线上，且甲醇喷油器(5)与气缸轴线的夹角为60°。
6.根据权利要求1所述的双燃料缸内直喷发动机的可变进气滚流装置，其特征在于，柴油燃料经柴油滤清器(7)过滤后经柴油燃油泵(8)泵入柴油高压油轨(9)，然后经柴油喷油器(10)喷入气缸。
7.根据权利要求1所述的双燃料缸内直喷发动机的可变进气滚流装置，其特征在于，所述甲醇喷油器(5)和柴油喷油器(10)的喷油时刻和脉宽由电子控制单元ECU控制。
8.根据权利要求1所述的双燃料缸内直喷发动机的可变进气滚流装置，其特征在于，进气管道(11)气体流通面积由气门升程决定，气门升程由电子控制单元ECU控制。
9.根据权利要求1所述的双燃料缸内直喷发动机的可变进气滚流装置，其特征在于，所述双燃料供油系统还包括曲轴转角位置传感器、发动机转速传感器和进气流量传感器；所述曲轴转角位置传感器、发动机转速传感器和进气流量传感器向电子控制单元ECU传递信号，ECU整合并分析信号，将控制指令输出至甲醇喷油器(5)和柴油喷油器(10)。
10.根据权利要求1所述的双燃料缸内直喷发动机的可变进气滚流装置，其特征在于，甲醇燃料喷入气缸后，与进气侧的空气相互作用形成缸内滚流。
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