CN115653748B - 一种甲醇、天然气双燃料发动机及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种甲醇、天然气双燃料发动机及控制方法，其发动机包括缸体、天然气储气罐、甲醇燃料箱、发动机进气管、共轨管、喷嘴以及用于形成甲醇蒸汽的甲醇汽化器，发动机进气管与缸体相连，共轨管通过喷嘴与发动机进气管相连通，所述天然气储气罐通过进气管路与共轨管相连，甲醇燃料箱通过甲醇输送管路与甲醇汽化器相连，甲醇汽化器通过输送甲醇蒸汽管路以及甲醇蒸汽缓冲器与共轨管相连。发动机以甲醇燃料为主燃料，天然气为辅助燃料，低温冷起动时采用天然气为燃料，待发动机冷却液达到一定温度后，液态甲醇利用废气余热，通过汽化器加热，把液态甲醇变为甲醇蒸汽，甲醇燃料以甲醇蒸汽的方式进入缸内进行燃烧，发动机低温冷启动容易。

Description

一种甲醇、天然气双燃料发动机及控制方法

技术领域

本发明涉及双燃料发动机技术领域，尤其是涉及一种甲醇、天然气双燃料发动机及控制方法。

背景技术

天然气作为内燃机燃料，在出租车和商用车细分领域市场上应用已十分成熟，相对汽油和柴油燃料，天然气车辆燃料运营成本具有一定的优势，天然气对外依存度较高，并且价格受外部环境变化波动较大，导致以天然气为燃料的商用车市场前景具有不确定性，因此采用甲醇替代天然气，作为商用车下一代的替代燃料，有较强的现实意义。

随着全球对温室气体排放的限制，以甲醇为燃料的发动机受到越来越广泛的应用，甲醇作为一种清洁高效燃料，在我国其制作原材料来源丰富，成本低廉，工业化基础较好，得到较为广泛的应用。甲醇作为内燃机的一种燃料，目前已经在乘用车和商用车上得到应用和推广，但现有的技术条件下，由于甲醇着火温度高，汽化潜热大，甲醇饱和蒸气压小，甲醇这种特点造成发动机低温冷起动十分困难，因此目前市面上的产品，均采用汽油作为低温冷起动和热机过程的辅助燃料。这种双燃料的技术方案，需要采用两套燃油供油系统，包括两套燃油泵和喷嘴，控制系统较为复杂，同时甲醇作为液态燃料喷射进入缸内，由于甲醇雾化不良，易冲刷缸套摩擦副，造成缸套磨损加剧，并易导致机油稀释，排放污染物增加，严重影响发动机可靠性和耐久性。

为避免添加两种燃料对客户应用场景的不便，采用单一甲醇燃料，需要面临的最大障碍就是解决低温冷起动性能，相关专利提出了醇氢燃烧技术，即采用车用裂解器把甲醇裂解为一氧化碳和氢气（如中国专利CN208843725U、CN 108915909B以及CN208843726U），这种技术利用发动机尾气余热，通过吸收尾气的热量，在高温条件下甲醇通过催化裂解反应，液态甲醇裂解为氢气和一氧化碳裂解气，再进入缸内燃烧。但是这种甲醇催化裂解技术，存在着催化器结构强度不足、催化器体积较大、催化器裂解温度不稳定、制气效率较低等实际工程问题，并且单位质量的甲醇裂解氢气和一氧化碳后，两种气体的摩尔体积较大，造成发动机进气量减少，充气系数下降，严重影响发动机动力性。

发明内容

针对现有技术不足，本发明是提供一种以甲醇为主燃料、天然气为辅助燃料的双燃料发动机及控制方法，其发动机低温冷启动容易，并且有效提高了发动机的热效率。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：

一种甲醇、天然气双燃料发动机，包括缸体、天然气储气罐、甲醇燃料箱、发动机进气管，所述发动机进气管与缸体相连，还包括共轨管、喷嘴以及用于形成甲醇蒸汽的甲醇汽化器，所述共轨管通过喷嘴与发动机进气管相连通，所述天然气储气罐通过进气管路与共轨管相连，甲醇燃料箱通过甲醇输送管路与甲醇汽化器相连，甲醇汽化器通过输送甲醇蒸汽管路以及甲醇蒸汽缓冲器与共轨管相连。

所述喷嘴设在发动机进气管上形成甲醇蒸汽燃料和天然气燃料共用喷嘴结构。

所述缸体的排气口连有排气管，甲醇汽化器设在排气管上。

所述发动机进气管外设有用于对进气管加热保温的加热水套。

所述甲醇输送管路上设有用于防止在异常情况下甲醇汽化器产生甲醇蒸汽逆流的甲醇单向阀。

所述天然气储气罐相连的进气管路上依次设有减压阀和稳压阀，甲醇燃料箱的上方通过一高压管路与稳压阀相连。

所述共轨管为两进一出的三通结构，两个进气端分别连接甲醇蒸汽缓冲器和天然气稳压阀，一个出气端与喷嘴相连。

所述甲醇汽化器布置在发动机后处理三元催化器后端，高温废气全流通过汽化器，甲醇汽化器内置一个电动废气旁通阀，通过检测甲醇蒸汽温度反馈，对旁通阀开度大小进行闭环控制。

所述加热水套与发动机冷却系统小循环相连。

一种甲醇、天然气双燃料发动机的控制方法为：甲醇燃料为主燃料，天然气燃料为辅助燃料，采用双燃料进行燃料供给方式，起动和热机工况采用天然气燃料，完成热机后，以甲醇蒸汽为主燃料进入正常工作模式。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1、发动机以甲醇燃料为主燃料，天然气为辅助燃料，低温冷起动时采用天然气为燃料，待发动机冷却液达到一定温度后，液态甲醇利用废气余热，通过汽化器加热，把液态甲醇变为甲醇蒸汽，甲醇燃料以甲醇蒸汽的方式进入缸内进行燃烧，发动机低温冷启动容易；

2、甲醇以蒸汽状态喷射进入进气管，和新鲜空气混合更均匀，有利于加快燃烧速度，提高发动机的有效热效率，同时降低排放污染物未燃甲醇、HC的含量；此外可以有效避免了机油稀释问题，大大降低缸套及其他零部件磨损，提高发动机的可靠性和耐久性；

3、甲醇蒸汽的喷射方式采用与天然气共用一套气体喷嘴，结构简单，便于布置和安装，成本相对较低。

附图说明

下面对本说明书各幅附图所表达的内容及图中的标记作简要说明：

图1为本发明发动机示意图。

图中：

1、天然气储气罐；2、甲醇燃料箱；3、甲醇蒸汽缓冲器；4、甲醇切断阀；5、排气管；6、缸体；7、EGR冷却器；8、涡轮增压器；9、甲醇汽化器；10、甲醇单向阀；11、中冷器；12、EGR阀；13、进气管；14、EGR混合器；15、喷嘴；16、共轨管；17、天然气切断阀；18、稳压阀；19、减压阀。

具体实施方式

下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

如图1所示，该甲醇、天然气双燃料发动机以甲醇燃料为主燃料，天然气为辅助燃料，低温冷起动时采用天然气为燃料，待发动机冷却液达到一定温度后，液态甲醇利用废气余热，通过汽化器加热，把液态甲醇变为甲醇蒸汽，甲醇燃料以甲醇蒸汽的方式进入缸内进行燃烧，发动机低温冷启动容易。

甲醇以蒸汽状态喷射进入进气管，和新鲜空气混合更均匀，有利于加快燃烧速度，提高发动机的有效热效率，同时降低排放污染物未燃甲醇、HC的含量；此外可以有效避免了机油稀释问题，大大降低缸套及其他零部件磨损，提高发动机的可靠性和耐久性。

其双燃料发动机包括缸体6、天然气储气罐1、甲醇燃料箱2、发动机进气管13、共轨管16、喷嘴15以及用于形成甲醇蒸汽的甲醇汽化器9；发动机进气管与缸体相连，共轨管通过喷嘴与发动机进气管相连通，天然气储气罐通过进气管路与共轨管相连，甲醇燃料箱通过甲醇输送管路与甲醇汽化器相连，甲醇汽化器通过输送甲醇蒸汽管路以及甲醇蒸汽缓冲器3与共轨管相连。

喷嘴设在发动机进气管上形成甲醇蒸汽燃料和天然气燃料共用喷嘴结构；优选的，共轨管为两进一出的三通结构，两个进气端分别连接甲醇蒸汽缓冲器和天然气稳压阀，一个出气端与喷嘴相连。甲醇蒸汽与天然气喷射共用一个共轨管和喷嘴，共轨管可以起到稳定燃气压力的作用；根据甲醇流量大小，如果一个喷嘴流量不足，可以采用多个喷嘴并联在共轨管上。

缸体的排气口连有排气管5，甲醇汽化器设在排气管上，排气管上设有EGR冷却器7和涡轮增压器8，EGR冷却器通过EGR阀12与发动机进气管相连，涡轮增压器通过中冷器11与发动机进气管相连；进一步的，甲醇汽化器布置在发动机后处理三元催化器后端，高温废气全流通过汽化器，甲醇汽化器内置一个电动废气旁通阀，通过检测甲醇蒸汽温度反馈，对旁通阀开度大小进行闭环控制，从而控制加热废气量达到稳定控制甲醇蒸汽温度的要求，液态甲醇经过甲醇汽化器汽化后，保证一定量的甲醇蒸汽存储在甲醇缓冲罐内，可以满足发动机瞬态大负荷加速的要求。甲醇汽化后的蒸汽温度控制在70°左右，由于甲醇的沸点在64.7°C，这个温度一方面保证甲醇以气态状态进入缸内燃烧，避免甲醇冷凝液态甲醇稀释机油，另一方面对发动机在小负荷下的进气温度进行加热，降低泵气损失，提高发动机热效率。

发动机进气管外设有用于对进气管加热保温的隔层加热水套；进一步的，加热水套连通发动机冷却器系统小循环，通过发动机冷却液对进气管进行保温，保证在低温环境下，甲醇蒸汽通过喷嘴喷射后，不会冷凝变为为液态甲醇，从而防止液态甲醇燃料进入各缸造成均匀性较差，影响到燃烧的稳定性和各缸燃烧均匀性。

甲醇输送管路上设有用于防止在异常情况下甲醇汽化器产生甲醇蒸汽逆流的甲醇单向阀10。在甲醇汽化器和甲醇燃料箱之间，布置有一个甲醇单向阀，单向阀的目的主要防止在异常情况下甲醇汽化器产生较高的甲醇蒸汽，造成甲醇蒸汽逆流，导致甲醇燃料箱压力较大。同时由于单向阀的存在，在发动机停机时，由于甲醇燃料箱内的压力保压能力下降，汽化器内的甲醇回流甲醇燃料箱，造成汽化器因不充盈甲醇液态产生干烧，并保证了发动机在起动热机过程中，汽化器内始终充盈一定的甲醇，保证甲醇蒸汽在热机阶段的预制取。

天然气储气罐1相连的进气管路上依次设有减压阀19和稳压阀18，甲醇燃料箱的上方通过一高压管路与稳压阀相连，稳压阀形成天然气稳压器；甲醇燃料供给系统可以不用加装甲醇电泵，甲醇燃料的喷射压力，来自于天然气高压气罐提供。甲醇燃料箱是一种金属耐高压燃料箱，其可承受1MPa以上的压力。甲醇燃料箱上方布置一高压管路，该高压管路连接天然气燃料罐稳压器出口，利用天然气减压后的高压（0.8-0.9MPa），对甲醇燃油箱内的甲醇燃料进行加压，保证甲醇燃料进入喷射时所需的压力。

甲醇蒸汽的喷射方式采用与天然气共用一套气体喷嘴，结构简单，便于布置和安装，成本相对较低。

本发明中发动机以甲醇燃料为主燃料，天然气发动机（CNG）为辅助燃料，采用双燃料进行燃料供给的方式；低温冷起动时采用天然气为燃料，待发动机冷却液达到一定温度后，液态甲醇利用废气余热，通过汽化器加热，把液态甲醇变为甲醇蒸汽，甲醇燃料以甲醇蒸汽的方式进入缸内进行燃烧。

甲醇燃料和天然气两种燃料，具有非常友好的互补性，从分子式看两种燃料都是一个碳原子，四个氢原子，只不过甲醇比天然气燃料多一个氧原子，作为内燃机燃料，甲醇蒸汽和天然气具有很多相似的燃烧特性，两种燃料抗爆性指标辛烷值分别达到127和114，相对汽油发动机抗爆性更高，因此可以提高发动机的压缩比，两种燃料均可采用火花塞点火的方式进行预混扩散燃烧。由于天然气的汽化温度为-162°C，即使在极低的冬季环境下，也非常容易和空气形成均匀的混合气，低温冷起动非常好，可以弥补甲醇低温冷起动困难的不足。甲醇燃料在常压下的沸点为64.7°C，比较容易加热汽化成甲醇蒸汽。甲醇汽化后，以气态形式进入缸内燃烧，这种方式和天然气进入缸内燃烧完全相同，可以采用相同的天然气喷嘴和电控控制系统，两种燃料都采用当量混合气控制方式，排放后处理采用三元催化器，排放污染物转换效率较高。并且这种以甲醇蒸汽喷射的方式，避免了甲醇以液态形式进入缸内，造成的缸套磨损加剧和机油稀释问题，并降低未燃甲醇和HC的排放。

本发明天然气和甲醇两种燃料控制方法有三种模式：分别为起动模式、热机模式、正常工作模式。起动模式下，甲醇燃料供给系统的电控切断阀关闭，天然气电控切断阀打开，发动机采用单一天然气进行冷起动，由于天然气汽化压力为-162°C，在低温环境下易于与空气形成均质的混合气，冷起动效果比较好。起动成功后发动机进入热机模式，热机过程也采用天然气燃料，发动机点火角和喷油量控制均采用控制系统已写好的天然气特征值MAP。当热机到一定程度，发动机根据环境温度、冷却液温度、甲醇蒸汽温度和压力等参数进行条件判断，如果满足热机完成条件，进入正常工作模式。正常工作模式首先开启甲醇电控切断阀，保证甲醇蒸汽进入到共轨管，然后再断开天然气电控切断阀，由于共轨管会残存一定的天然气，存在着两种燃料同时参与燃烧的过渡工况，过渡工况是否结束的判断条件可根据空燃比的闭环反馈进行判断。完成过渡工况后，发动机进入甲醇单一燃料工作模式，点火角和喷油量控制均采用控制系统已经写好的甲醇特征值。

本发明优选具体实例为：

本发明甲醇、天然气双燃料发动机有两套独立的燃油箱，天然气燃料供给系统主要包括天然气储气罐1、减压阀19、稳压阀18、天然气切断阀17、甲醇天然气喷嘴15等部件，甲醇燃料供给系统包括：甲醇燃料箱2、甲醇蒸汽缓冲罐3、甲醇汽化器9、甲醇单向阀10、甲醇切断阀4、共轨管16等组成。天然气储气罐存储的为压缩天然气（CNG），一般压力在10-20MPa，天然气储气罐容量不需要太大，一般体积为甲醇燃料箱容积1/10，压缩天然气通过减压阀减压后，压力降低到1-2MPa左右，然后再经过稳压阀，压力稳定控制在0.7-0.8MPa。

甲醇燃料箱与稳压阀通过高压管路相连，可把稳压阀的压力稳定传递到甲醇燃料箱内，为甲醇喷射提供压力。甲醇汽化器串联布置在排气管上，内部有一废气旁通阀，可以通过阀门开启大小来控制流经汽化器的高温废气量，在不同的工况下，根据甲醇的流量需求，来满足甲醇蒸汽制取的要求。甲醇经过汽化器后，产生的蒸汽暂存储在缓冲罐内，甲醇蒸汽缓冲罐容积大小根据发动机排量大小进行设计，以满足在瞬态工况下，甲醇汽化器制取甲醇蒸汽的滞后效应。共轨管是连接天然气和甲醇蒸汽汇总的装置，可以平衡燃料喷射前的压力稳定。喷嘴布置在进气端连接共轨管上，出气端连接进气总管，采用单点喷射的方式（根据喷嘴流量大小，如果喷嘴流量不够可采用多个喷嘴，并联在进气总管和共轨管之间）。

甲醇蒸汽或天然气燃料与EGR废气、新鲜空气在EGR混合器14内进行混合，混合器的作用是把甲醇蒸汽（或天然气）燃料与新鲜空气、EGR废气进行充分混合，形成温度和浓度均匀的混合气再进入进气管内。进气管总管路设置有加热水套，加热介质采用发动机冷却液，冷却液取自发动机冷却系统小循环，保证发动机在暖机时也具有预热功能，以避免甲醇蒸汽在进入缸内前，在进气管内冷凝为液态甲醇，影响甲醇燃料进入各缸的均匀性，进而影响发动机燃烧稳定性。EGR采用高压EGR系统，通过EGR阀对EGR率进行控制，EGR中冷后的废气温度控制在100-120°C。

根据外界环境温度和发动机冷却液温度不同，发动机分为起动工况、暖机工况、正常工作工况三种工况模式。起动工况和暖机工况，均采用天然气燃料进行喷射。当发动机起动时，电控控制系统对天然气切断阀17和甲醇切断阀4发出指令，打开天然气切断阀，关闭甲醇切断阀4，压缩天然气通过减压阀、稳压阀调压后，在共轨管内形成稳定的喷射压力，一般喷射压力调节在0.7-0.8MPa范围内，满足天然气喷射需求。发动机起动成功后，进入暖机阶段，继续采用天然气燃料喷射。此时甲醇燃料箱传递天然气稳压器传递的压力，把甲醇燃料箱的甲醇压入甲醇汽化器，汽化器布置高度低于甲醇燃料罐，即使甲醇切断阀处在关闭状态，液态甲醇也可以通过重力作用，充盈甲醇汽化器内。在暖机阶段，汽化器控制废气旁通阀开度关闭，把废气全流通汽化器，以加快甲醇汽化速度，快速制取甲醇蒸汽。当冷却液温度升高到一定温度时（一般65°C），结合甲醇蒸汽缓冲罐的甲醇蒸汽压力和温度条件是否满足（判断条件为甲醇蒸汽压力大于0.8MPa，温度高于65°C），发动机进入正常工作模式，此时电控系统对甲醇切断阀发出指令，甲醇切断阀开启，然后再关闭天然气切断阀，两个切断阀一开一关，有个时间差，具体时间差可以通过标定参数进行优化标定，以确保在两种燃料切换时，燃料提供的稳定性，避免发动机转速波动。进入正常工作模式后，根据甲醇和天然气与空气的理论空燃比不同，喷嘴的流量特性采用甲醇燃料的喷射脉宽，同时点火角其他控制参数也切换为甲醇燃料工况的参数。

发动机在正常模式下，由于发动机存在瞬态工况，排气温度并不是稳定的，甲醇蒸汽制取就存在着流量不稳定现象，比如突然加速时，瞬间需求甲醇蒸汽喷射流量较大，此时排气温度预热不足，因此布置的甲醇蒸汽缓冲罐可以弥补瞬态工况甲醇蒸汽大流量需求。当发动机持续工作在大负荷时，排气温度较高，甲醇汽化器生产较多的甲醇蒸汽，造成甲醇缓冲罐的压力和温度升高，此时电控系统可控制甲醇汽化器内部的废气旁通阀，调节高温废气流经汽化器流量的大小，起到控制汽化器甲醇制取流量大小的作用。另外在甲醇汽化器燃料入口处，布置一甲醇单向阀，单向阀可以防止甲醇汽化器内蒸汽压力超过甲醇燃料箱内的压力，导致甲醇蒸汽回流现象，这种布置结构，保证了甲醇蒸汽在发动机各种工况下的正常供应，并把甲醇蒸汽温度和压力控制在一定的范围内。

上述仅为对本发明较佳的实施例说明，上述技术特征可以任意组合形成多个本发明的实施例方案。

上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种甲醇、天然气双燃料发动机的控制方法，其特征在于：

所述甲醇、天然气双燃料发动机包括缸体、天然气储气罐、甲醇燃料箱、发动机进气管，所述发动机进气管与缸体相连，其特征在于：还包括共轨管、喷嘴以及用于形成甲醇蒸汽的甲醇汽化器，所述共轨管通过喷嘴与发动机进气管相连通，所述天然气储气罐通过进气管路与共轨管相连，甲醇燃料箱通过甲醇输送管路与甲醇汽化器相连，甲醇汽化器通过输送甲醇蒸汽管路以及甲醇蒸汽缓冲器与共轨管相连；

所述喷嘴设在发动机进气管上形成甲醇蒸汽燃料和天然气燃料共用喷嘴结构；所述缸体的排气口连有排气管，甲醇汽化器设在排气管上；所述发动机进气管外设有用于对进气管加热保温的加热水套；所述甲醇输送管路上设有用于防止在异常情况下甲醇汽化器产生甲醇蒸汽逆流的甲醇单向阀；所述天然气储气罐相连的进气管路上依次设有减压阀和稳压阀，甲醇燃料箱的上方通过一高压管路与稳压阀相连；所述共轨管为两进一出的三通结构，两个进气端分别连接甲醇蒸汽缓冲器和天然气稳压阀，一个出气端与喷嘴相连；所述甲醇汽化器布置在发动机后处理三元催化器后端，高温废气全流通过汽化器，甲醇汽化器内置一个电动废气旁通阀，通过检测甲醇蒸汽温度反馈，对旁通阀开度大小进行闭环控制；所述加热水套与发动机冷却系统小循环相连；

所述控制方法为：甲醇燃料为主燃料，天然气燃料为辅助燃料，采用双燃料进行燃料供给方式，起动和热机工况采用天然气燃料，完成热机后，以甲醇蒸汽为主燃料进入正常工作模式；

根据外界环境温度和发动机冷却液温度不同，发动机分为起动工况、暖机工况、正常工作工况三种工况模式；起动工况和暖机工况，均采用天然气燃料进行喷射；当发动机起动时，电控控制系统对天然气切断阀和甲醇切断阀发出指令，打开天然气切断阀，关闭甲醇切断阀，压缩天然气通过减压阀、稳压阀调压后，在共轨管内形成稳定的喷射压力，满足天然气喷射需求；发动机起动成功后，进入暖机阶段，继续采用天然气燃料喷射，此时甲醇燃料箱传递天然气稳压器传递的压力，把甲醇燃料箱的甲醇压入甲醇汽化器，汽化器布置高度低于甲醇燃料罐，即使甲醇切断阀处在关闭状态，液态甲醇也可以通过重力作用，充盈甲醇汽化器内；在暖机阶段，汽化器控制废气旁通阀开度关闭，把废气全流通汽化器，以加快甲醇汽化速度，快速制取甲醇蒸汽；

当冷却液温度升高到一定温度时，结合甲醇蒸汽缓冲罐的甲醇蒸汽压力和温度条件是否满足甲醇蒸汽压力大于0.8MPa，温度高于65℃,若满足条件，发动机进入正常工作模式，此时电控系统对甲醇切断阀发出指令，甲醇切断阀开启，然后再关闭天然气切断阀，两个切断阀一开一关，开关存在时间差，具体时间差通过标定参数进行优化标定，以确保在两种燃料切换时，燃料提供的稳定性，避免发动机转速波动；进入正常工作模式后，根据甲醇和天然气与空气的理论空燃比不同，喷嘴的流量特性采用甲醇燃料的喷射脉宽。