CN211397728U - 一种内燃机车发动机柴油甲醇双燃料系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种内燃机车发动机柴油甲醇双燃料系统，包括柴油机，还包括甲醇供给系统、喷醇器总成和甲醇喷射控制系统；甲醇供给系统包括甲醇箱、甲醇滤清器、甲醇泵、甲醇流量计、分配箱和甲醇限压阀，甲醇箱通过管路依次与甲醇泵、甲醇流量计和分配箱连接；分配箱包括一个输入端和多个输出端，每个输出端通过管路依次与甲醇限压阀、喷醇器总成连接；喷醇器总成包括醇轨、醇轨压板、甲醇喷嘴和进气弯管；甲醇喷射控制系统包括甲醇电子控制单元、控制线束、上位机、转速传感器、冷却液温度传感器、油门位置传感器、甲醇液位计和故障报警装置。

Description

一种内燃机车发动机柴油甲醇双燃料系统

技术领域

本实用新型涉及机车发动机技术领域，特别是涉及大缸径大功率的内燃机车发动机柴油甲醇双燃料系统。

背景技术

近年来电力机车发展迅猛，但电气化轨道建造和维护成本高昂，使得电力机车运行成本居高不下，并且电力机车对实际运行的环境条件要求苛刻，而内燃机车运行不受电力限制，在某些使用场合内燃机车有着不可替代的优势。现行内燃机车仍然以柴油作为主要燃料，柴油在缸内以扩散燃烧的方式进行燃烧，这就不可避免导致其碳烟和NOx排放高。为满足日趋严格的排放法规，除改善缸内燃烧外需给内燃机车配备复杂的后处理系统，这不仅增加了使用成本，而且对空间限制很严的内燃机车设计也提出了挑战。为满足排放法规同时降低内燃机车的燃料使用成本，替代燃料得到了越来越广泛地应用，其中天然气和甲醇最受关注。天然气常温常压下是气态，如果将其应用于内燃机车需额外增加一节拖车运输高压储气罐，这不仅增加了成本而且在实际应用中存在安全隐患，而且天然气价格相对于柴油并无明显优势。而甲醇常温常压下是液态，生产原料来源广泛、储存和运输便捷、成本低廉，并且甲醇是单碳醇，含氧量高达50％，可以实现无烟燃烧。因此相对于天然气，将甲醇应用于内燃机车在改善经济性和排放性方面优势更显著。

柴油与甲醇互溶性很低，如果采取直接掺混的方法，需添加助溶剂，这就增加了使用成本，而且即使添加助溶剂也无法实现大比例掺混，当环境温度变化时依然会出现分层，在实际使用中还会面临冷启动困难。中国专利CN1470752A公开了柴油/甲醇组合燃烧技术(Diesel Methanol Compound Combustion，DMCC)，该技术提出在柴油机进气道喷射甲醇，与空气形成均质混合气进入气缸，再在缸内直喷柴油引燃甲醇和空气的混合气，这种方式在实际应用中灵活方便，无需对原机做大的改动，而且可以实现较高的替代率，但是该专利是基于中小功率的车用柴油机提出的，而普通车用柴油机功率决定了对甲醇供给没有大流量的需求，同时普通车用柴油机进气增压压力相对于机车要低，低喷射压力的甲醇喷嘴无法满足机车使用要求。目前已经公开关于将甲醇应用于内燃机车的专利文献有CN105443241A，但该项实用新型有以下不足：第一，其供醇管路采用一分二、二分四多级结构，配备两级甲醇泵，相应地甲醇滤清器和限压阀使用数量也翻倍，使得整个供醇系统结构复杂、可靠性低且成本很高，实用性低；第二，甲醇流量不可调节，无法兼顾小流量和超大流量应用场合；第三，控制方式单一，该系统必须通过安装传感器采集原机转速、水温和油门信号来控制甲醇喷射，在不便或无法采集上述信号的场合无法使用双燃料模式。

实用新型内容

本实用新型的目的是为了克服现有技术中的不足，在保证大功率机车发动机甲醇流量需求的同时简化整个系统尤其是供醇系统，降低系统成本同时增强其稳定性；其次，能够使用更灵活的甲醇喷射控制方式，从而使双燃料模式适用于更多场合。本实用新型提供了一种内燃机车发动机柴油甲醇双燃料系统。

本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的：

一种内燃机车发动机柴油甲醇双燃料系统，包括柴油机、柴油供给和喷射系统、柴油电子控制单元，所述柴油供给和喷射系统包括柴油箱、柴油滤清器、柴油泵、柴油喷油器，柴油从柴油箱经过柴油滤清器过滤和柴油泵加压，最后通过柴油喷油器喷入气缸，柴油泵中多余的燃油通过回油管路流回柴油箱；所述柴油电子控制单元控制柴油喷油器喷油时刻和喷油量；所述柴油甲醇双燃料系统还包括甲醇供给系统、喷醇器总成和甲醇喷射控制系统；

所述甲醇供给系统包括甲醇箱、甲醇滤清器、甲醇泵、甲醇流量计、分配箱和甲醇限压阀，所述甲醇箱通过管路依次与所述甲醇泵、甲醇流量计和分配箱连接；

所述分配箱包括一个输入端和至少一个输出端，输出端数量取决于柴油机的气缸数，一个输出端对应一个气缸，每个输出端通过管路依次与甲醇限压阀、甲醇压力传感器、喷醇器总成连接；分配箱接受来自甲醇泵输出的甲醇，并将甲醇分配至柴油机各气缸的供醇支路上，配合甲醇限压阀建立喷醇压力，并起到稳压作用；

所述喷醇器总成包括醇轨、醇轨压板、甲醇喷嘴和进气弯管；所述醇轨上设有甲醇喷嘴并通过螺栓固定在醇轨压板上，所述醇轨压板通过螺栓固定于进气弯管上，甲醇从甲醇箱经甲醇滤清器过滤和甲醇泵加压，再经过甲醇流量计进入分配箱，从分配箱出来进入各供醇支路的甲醇经过甲醇限压阀和甲醇压力传感器被送到甲醇喷嘴，最后甲醇沿进气气流方向喷射到进气弯管内，甲醇限压阀内多余的甲醇沿回醇管路经甲醇流量计流回甲醇箱；

所述甲醇喷射控制系统包括甲醇电子控制单元、控制线束、上位机、转速传感器、冷却液温度传感器、油门位置传感器、甲醇液位计和故障报警装置；所述电子控制单元通过转速传感器、冷却液温度传感器和油门位置传感器分别测量发动机转速、冷却液温度和油门开度，据此判断发动机工况并控制甲醇喷射时刻和喷射量；所述甲醇液位计用于测量甲醇箱剩余甲醇量；所述故障报警装置包括甲醇压力传感器、故障显示灯、急停按钮；所述甲醇压力传感器安装在甲醇限压阀和分配箱之间，实时监测各供醇支路压力。

进一步的，所述甲醇泵的出口端设置有与所述甲醇箱连通的回流支路，所述回流支路上设有分流阀门，根据实际工况对甲醇流量的需求调节分流阀门的开度，以调整进入各气缸供醇支路的甲醇流量从而保护甲醇限压阀。

进一步的，所述甲醇泵采用可调节输出流量的外置耐醇泵，可根据实际需求多级或无级调节甲醇流量而避免加装限流的旁通回路。

进一步的，所述分配箱容积设计标准为小于单位时间甲醇泵最大流量与甲醇最大消耗率之差。

进一步的，所述甲醇限压阀开启压力高于发动机增压后最高进气压力，既可提高甲醇流量还可改善甲醇雾化。

进一步的，甲醇喷嘴布置在靠近正方形醇轨四个顶点位置上，避免不同喷嘴间的雾束碰撞。

进一步的，所述进气弯管进出口尺寸配合柴油机进气歧管的尺寸来设计。

进一步的，在不便或无法额外安装转速传感器、冷却液温度传感器和油门位置传感器的场合，所述甲醇电子控制单元可通过CAN模式直接读取原发动机的转速、冷却液温度和油门开度信号并控制甲醇喷嘴。

进一步的，所述上位机上包含甲醇喷射的控制界面，并显示各传感器和液位计测量或读取的信号；所述急停按钮能够在紧急情况下断开甲醇泵和甲醇电子控制单元电源，从而停止甲醇喷射。

与现有技术相比，本实用新型的技术方案所带来的有益效果是：

(1)本实用新型既可以实现纯柴油工作模式还可以实现柴油甲醇双燃料工作模式，而且既可以自动切换也可以手动切换。

(2)甲醇泵采用大流量耐醇泵，在保证机车发动机对燃料消耗量需求的同时为实现高喷醇压力提供了可能，而且甲醇泵流量可按需调节。

(3)甲醇喷嘴采用高压力喷嘴，与之配套的限压阀能提供更高压力，既能提高流量同时能保证甲醇雾化质量，而且机车发动机增压压力高于普通车用发动机，高喷射压力的甲醇喷嘴更能适应机车发动机进气管高背压的使用条件。

(4)甲醇喷射控制系统可根据实际发动机气缸数匹配一套或多套电子控制单元、控制线束和上位机，多套系统间能实现协同工作，从6缸到24缸机车发动机均可以实现双燃料模式，甚至两节或多节内燃机车连挂的情况下也可以实现双燃料燃烧，使得本实用新型的适用性大幅提高；

(5)喷醇器总成安装四个甲醇喷嘴，喷嘴开启个数根据实际工况中甲醇流量变化而灵活控制，常用设置是同时开启两个或四个；喷嘴在短脉宽(尤其是在开启脉宽附近)、长脉宽(尤其是在常开脉宽)甲醇雾化质量会恶化，所以在使用中尽量设置喷嘴开启脉宽在中等脉宽附近，这样既能保证流量还能保证雾化效果；

(6)甲醇电子控制单元不仅可以通过转速、冷却液温度和油门位置传感器采集原发动机的转速、冷却液温度和油门开度等信号，还可以通过CAN模式直接读取上述信号，从而实现对甲醇喷嘴的控制；

(7)实时监测供醇系统状态，包括甲醇箱液位和各供醇支路压力等，当出现甲醇耗尽、甲醇泄露或供醇压力不够等现象能及时安全处理，同时设置急停功能，当出现故障可即时停止甲醇喷射系统，并切换到纯柴油模式而不影响行车。

附图说明

图1是本实用新型的整体系统结构示意图。

图2是实施例中喷醇器总成结构示意图。

图3是实施例中喷醇器总成在发动机进气歧管上安装位置示意图。

附图标记：1-分配箱，2-甲醇限压阀，3-柴油电子控制单元，4-甲醇电子控制单元，5-甲醇流量计，6-进气歧管，7-喷醇器总成，8-柴油喷油器，9-甲醇泵，10-分流阀门，11-柴油泵， 12-上位机，13-甲醇滤清器，14-柴油箱，15-甲醇箱，16-甲醇压力传感器，17-醇轨，18-甲醇喷嘴，19-醇轨压板，20-进气弯管，21-柴油滤清器。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

如图1所示，本实施例中披露了一种柴油甲醇双燃料机车发动机系统，该系统包括机车柴油机、柴油供给和喷射系统、柴油电子控制单元3、喷醇器总成7、供醇系统、甲醇喷射控制系统。

机车柴油机型号为R6280ZC，缸径280mm，行程300mm，直列6缸4冲程压缩比为13，额定转速和功率分别为1000r/min和1750kW，缸内最高爆发压力为15.5MPa，经过增压后进气压力最高达3.72bar(绝对压力)。

柴油供给和喷射系统包括柴油箱14、柴油滤清器21、柴油泵11、柴油喷油器8，柴油从柴油箱14经过柴油滤清器21过滤和柴油泵11加压，最后通过柴油喷油器8喷入气缸，柴油泵11中多余的燃油通过回油管路流回柴油箱14；柴油电子控制单元3控制柴油喷油器8喷油时刻和喷油量；

喷醇器总成7匹配原柴油机进气歧管6的尺寸设计，进气弯管20匹配一个醇轨17、四个甲醇喷嘴18和醇轨压板19，甲醇喷嘴18进口端与醇轨17配合，出口端与醇轨压板19配合，两端均配有耐醇橡胶圈以保证密封，醇轨17配四个甲醇喷嘴18通过螺栓固定在醇轨压板19上，再通过螺栓将醇轨压板19固定在进气弯管20上，甲醇喷嘴18采用12孔喷嘴，最高喷射压力可达1.5MPa，在0.4MPa压力下静态流量可达700ml/min，甲醇喷射方向与进气方向一致。

供醇系统包含甲醇箱15、甲醇滤清器13、甲醇泵9、分流阀门10、甲醇流量计5、分配箱1、甲醇压力传感器16和甲醇限压阀2以及连接各部件的耐醇管路。考虑到机车发动机燃料消耗量大甲醇箱15采用容积为1000m³的耐醇燃料箱；甲醇滤清器13采用耐醇滤清器，既可以安装在甲醇箱15和甲醇流量计5之间，也可安装在分配箱1和甲醇限压阀2之间；甲醇泵9采用外置耐醇泵，安装在甲醇滤清器13和甲醇流量计5之间，由三相交流电机驱动，最大流量能达到220L/min；分流阀门10安装在甲醇泵9出口端引出的回流支路上，采用不锈钢球阀，通过调节阀门开度控制进入甲醇流量计的甲醇流量；甲醇流量计5安装在甲醇泵9 和分配箱1之间，其涉醇部位均采用耐醇材料，用于测量甲醇的消耗量；分配箱1采用不锈钢制成，进口端连接甲醇流量计5，出口端连接各缸供醇支路上甲醇压力传感器16；甲醇限压阀2安装在甲醇压力传感器16和喷醇器总成7之间，其工作压力为6.6bar，可以保持甲醇喷射压力的稳定，甲醇限压阀16内多余的甲醇沿回醇管路经甲醇流量计5流回甲醇箱15。

甲醇喷射控制系统包括甲醇电子控制单元4、上位机12和控制线束。甲醇电子控制单元 4通过发动机转速、冷却液温度和油门位置等信号来判断发动机工况，并向甲醇喷嘴18发出相应的喷射指令，包括喷射时刻和脉宽。上位机12集成了甲醇喷射的控制界面、故障显示灯和急停按钮，同时可以显示发动机转速、冷却液温度、油门位置、甲醇液位和甲醇压力等信号。控制线束包括连接各传感器的信号采集线、甲醇电子控制单元4与上位机12之间的通讯线和控制甲醇喷嘴18的信号线等。此次实施例中在每缸的喷醇器总成上安装了四个甲醇喷嘴，柴油机为六缸机，一共安装了24个喷嘴，而每套甲醇喷射控制系统最多能驱动12个喷嘴，所以采用两套控制系统，相应的甲醇电子控制单元4、上位机12和控制线束均为两套，每套系统各控制六缸供醇支路上的两个喷嘴，根据实际发动机工况对甲醇流量的需求两套系统协同工作。甲醇电子控制单元4通过CAN模式直接读取原发动机的转速、冷却液温度和油门开度等信号，没有安装对应的传感器。

利用上述系统在型号为R6280ZC的机车发动机上进行试验的具体方法如下：

按照图1所示连接好系统各个装置，并检查各部件是否正常工作；

启动发动机在纯柴油模式下工作热机，当水温不低于60℃，发动机稳定在目标工况点，甲醇电子控制单元4依据读取的转速信号和油门信号判断发动机工况，在上位机12的甲醇喷射控制界面里修改甲醇喷射脉宽从而控制甲醇喷射量，喷射甲醇后发动机的调速机构调节柴油的循环供油量，使发动机转速和扭矩与纯柴油模式相同。甲醇替代率提高的限制主要有两个：一是缸内最高爆发压力不超过15.5MPa，二是发动机排放性能不恶化。在满足上述限制的情况下可逐步提高甲醇替代率至最高。在小替代率工况下，每缸两个甲醇喷嘴即可满足使用要求，但在中大负荷大替代率工况下，需同时开启四个喷嘴，此时两套甲醇喷射控制系统同时工作。

在各工况下甲醇的理想替代率由台架动态标定再移植到实际使用的机车上，在实际运行中工况变换过程通过插值的方法确定甲醇喷射脉宽。柴油甲醇双燃料机车发动机可以在纯柴油和柴油甲醇双燃料模式下切换，而且切换方式既可以是甲醇电子控制单元4自动切换也可以是手动切换。当上位机12中甲醇液位信号显示甲醇量不足或遇到其它紧急情况，可以手动关闭双燃料模式，发动机可以在纯柴油模式下继续运行。

定义甲醇替代率(MSP)为发动机工作在柴油甲醇双燃料模式下甲醇替代柴油的比例，计算公式为：

式中M_D代表纯柴油模式下柴油的消耗率，M_DM代表双燃料模式下柴油消耗率。

在此实施例中测试了发动机在推进特性(560rpm_5600Nm、640rpm_6850Nm、720rpm_7790Nm、800rpm_9660Nm、840rpm_10680Nm、880rpm_12050Nm、920rpm_13750Nm、1000rpm_16860Nm)和发电机工况(1000rpm_8360Nm、1000rpm_12534Nm、1000rpm_15040Nm、1000rpm_16860Nm)下分别运行纯柴油和双燃料模式，采用CAI公司的600系列排气分析仪测量常规气体排放特性，对比分析了柴油甲醇双燃料机车发动机在纯柴油和双燃料模式下的排放性和经济性。

在推进特性实验中除标定工况(最大替代率为24％)之外，各工况点的最大替代率均超过了30％，而且在800rpm_9660Nm工况下实现54％的最大替代率；NOx的比排放随着甲醇替代率的增加而降低，在800rpm_9660Nm_36％替代率工况下NOx降幅最大为57％；双燃料模式下发动机经济性均有所改善，以甲醇价格为柴油的三分之一计算，在640rpm_6850Nm_40％替代率工况下双燃料模式经济性提高了11％。

在发电机工况中，平均甲醇替代率达到29％，在1000rpm_8360Nm工况下达到34％的最大替代率，且NOx的比排放降幅达到了60％；在1000rpm_12534Nm工况下23％替代率下经济性提高了3％。

本实用新型并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本实用新型的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本实用新型宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本实用新型的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种内燃机车发动机柴油甲醇双燃料系统，包括柴油机、柴油供给和喷射系统、柴油电子控制单元，所述柴油供给和喷射系统包括柴油箱、柴油滤清器、柴油泵、柴油喷油器，柴油从柴油箱经过柴油滤清器过滤和柴油泵加压，最后通过柴油喷油器喷入气缸，柴油泵中多余的燃油通过回油管路流回柴油箱；所述柴油电子控制单元控制柴油喷油器喷油时刻和喷油量；其特征在于，所述柴油甲醇双燃料系统还包括甲醇供给系统、喷醇器总成和甲醇喷射控制系统；

所述甲醇供给系统包括甲醇箱、甲醇滤清器、甲醇泵、甲醇流量计、分配箱和甲醇限压阀，所述甲醇箱通过管路依次与所述甲醇泵、甲醇流量计和分配箱连接；

所述分配箱包括一个输入端和至少一个输出端，输出端数量取决于柴油机的气缸数，一个输出端对应一个气缸，每个输出端通过管路依次与甲醇限压阀、甲醇压力传感器、喷醇器总成连接；分配箱接受来自甲醇泵输出的甲醇，并将甲醇分配至柴油机各气缸的供醇支路上，配合甲醇限压阀建立喷醇压力，并起到稳压作用；

所述喷醇器总成包括醇轨、醇轨压板、甲醇喷嘴和进气弯管；所述醇轨上设有甲醇喷嘴并通过螺栓固定在醇轨压板上，所述醇轨压板通过螺栓固定于进气弯管上，甲醇从甲醇箱经甲醇滤清器过滤和甲醇泵加压，再经过甲醇流量计进入分配箱，从分配箱出来进入各供醇支路的甲醇经过甲醇限压阀和甲醇压力传感器被送到甲醇喷嘴，最后甲醇沿进气气流方向喷射到进气弯管内，甲醇限压阀内多余的甲醇沿回醇管路经甲醇流量计流回甲醇箱；

所述甲醇喷射控制系统包括甲醇电子控制单元、控制线束、上位机、转速传感器、冷却液温度传感器、油门位置传感器、甲醇液位计和故障报警装置；所述电子控制单元通过转速传感器、冷却液温度传感器和油门位置传感器分别测量发动机转速、冷却液温度和油门开度，据此判断发动机工况并控制甲醇喷射时刻和喷射量；所述甲醇液位计用于测量甲醇箱剩余甲醇量；所述故障报警装置包括甲醇压力传感器、故障显示灯、急停按钮；所述甲醇压力传感器安装在甲醇限压阀和分配箱之间，实时监测各供醇支路压力。

2.根据权利要求1所述一种内燃机车发动机柴油甲醇双燃料系统，其特征在于，所述甲醇泵的出口端设置有与所述甲醇箱连通的回流支路，所述回流支路上设有分流阀门，根据实际工况对甲醇流量的需求调节分流阀门的开度，以调整进入各气缸供醇支路的甲醇流量从而保护甲醇限压阀。

3.根据权利要求1所述一种内燃机车发动机柴油甲醇双燃料系统，其特征在于，所述甲醇泵采用可调节输出流量的外置耐醇泵，可根据实际需求多级或无级调节甲醇流量而避免加装限流的旁通回路。

4.根据权利要求1所述一种内燃机车发动机柴油甲醇双燃料系统，其特征在于，所述分配箱容积设计标准为小于单位时间甲醇泵最大流量与甲醇最大消耗率之差。

5.根据权利要求1所述一种内燃机车发动机柴油甲醇双燃料系统，其特征在于，所述甲醇限压阀开启压力高于发动机增压后最高进气压力，既可提高甲醇流量还可改善甲醇雾化。

6.根据权利要求1所述一种内燃机车发动机柴油甲醇双燃料系统，其特征在于，甲醇喷嘴布置在靠近正方形醇轨四个顶点位置上，避免不同喷嘴间的雾束碰撞。

7.根据权利要求1所述一种内燃机车发动机柴油甲醇双燃料系统，其特征在于，所述进气弯管进出口尺寸配合柴油机进气歧管的尺寸来设计。

8.根据权利要求1所述一种内燃机车发动机柴油甲醇双燃料系统，其特征在于，在不便或无法额外安装转速传感器、冷却液温度传感器和油门位置传感器的场合，所述甲醇电子控制单元可通过CAN模式直接读取原发动机的转速、冷却液温度和油门开度信号并控制甲醇喷嘴。

9.根据权利要求1所述一种内燃机车发动机柴油甲醇双燃料系统，其特征在于，所述上位机上包含甲醇喷射的控制界面，并显示各传感器和液位计测量或读取的信号；所述急停按钮能够在紧急情况下断开甲醇泵和甲醇电子控制单元电源，从而停止甲醇喷射。

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