一種單噴嘴直噴氣液燃料點燃式內(nèi)燃機及控制方法
【專利摘要】一種單噴嘴直噴氣液燃料點燃式內(nèi)燃機及控制方法，屬于直噴內(nèi)燃機控制領域。該系統(tǒng)在保留原發(fā)動機全部本體的基礎上增加了一套氣液雙燃料噴射系統(tǒng)和一套電子控制單元，包括：燃料噴射與點火電子控制單元、氣體燃料流量與壓力傳感器、氣體燃料線性電磁閥、液體燃料單向閥、液體燃料流量與壓力傳感器、液體燃料線性電磁閥、噴嘴、液體燃料泵、三通等。燃料噴射與點火電子控制單元通過對液體及氣體燃料泵與線性電磁閥的控制控制進入噴嘴的氣體和液體燃料比例，并根據(jù)工況實時變化氣體和液體燃料的使用比例，大幅減少了發(fā)動機起動時間、油耗及有害排放，通過單噴嘴氣液雙燃料噴射利用液體燃料冷卻性好的特點解決的高壓氣體噴射時噴嘴的潤滑與散熱問題。
【專利說明】
一種單噴嘴直噴氣液燃料點燃式內(nèi)燃機及控制方法
技術領域
[0001 ]缸內(nèi)直噴是實現(xiàn)點燃式汽油機高效、清潔燃燒的有效方法，氣體燃料及液體燃料直噴各自優(yōu)勢不同，本發(fā)明提供一種單噴嘴直噴氣液燃料點燃式內(nèi)燃機及控制方法，具體內(nèi)容涉及單噴嘴氣液雙燃料直噴內(nèi)燃機控制。
【背景技術】
[0002]缸內(nèi)直噴是實現(xiàn)點燃式汽油機高效、清潔燃燒的有效方法，在燃料直噴條件下，內(nèi)燃機充氣效率、響應速度均明顯提高，且氣道的油膜效應可以被幾乎完全消除，這使得缸內(nèi)直噴點燃式內(nèi)燃機能夠獲得較氣道噴射內(nèi)燃機更優(yōu)的熱效率、更好的加速響應特性及更快的起動速度。
[0003]點燃式內(nèi)燃機可以采用以氫氣、天然氣及液化石油氣等為代表的氣體燃料，也可以使用以汽油、甲醇及乙醇等為代表的液體燃料。從噴射過程來看，直噴點燃式內(nèi)燃機一般由早噴和晚噴兩次噴射組成，早噴主要用于在缸內(nèi)形成準均質(zhì)稀薄混合氣，晚噴主要用于在點火時刻附近形成較濃的混合氣來保證混合氣被穩(wěn)定點燃。在直噴條件下，液體燃料能夠憑借其較高的體積比能量密度來充分保證內(nèi)燃機動力性，但分層燃燒條件下，液體燃料晚噴會造成液滴直接參與燃燒，而液滴的燃燒則會直接導致單一液體燃料直噴點燃式內(nèi)燃機出現(xiàn)較高的顆粒物排放。單一氣體燃料直噴點燃式內(nèi)燃機不會出現(xiàn)液滴參與燃燒的問題，從而使該類內(nèi)燃機顆粒物排放能夠顯著減少，但氣體燃料的能量密度低，這使得該類內(nèi)燃機存在動力性差等問題。
[0004]綜合利用氣體和液體兩類燃料各自特點實現(xiàn)內(nèi)燃機氣體-液體雙燃料直噴內(nèi)燃機是實現(xiàn)兩種燃料在缸內(nèi)直噴條件下優(yōu)勢互補的有效方式。實現(xiàn)氣液雙燃料直噴可以通過在發(fā)動機上獨立安裝一套液體燃料噴射系統(tǒng)和一套氣體燃料噴射系統(tǒng)來實現(xiàn)，但氣體燃料冷卻及潤滑性能較差，單一高壓氣體燃料直噴會導致噴嘴過早損壞。且在狹小的內(nèi)燃機缸蓋上安裝兩套噴射系統(tǒng)顯然會造成噴射系統(tǒng)布置困難等問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對目前單一氣體燃料直噴點燃式內(nèi)燃機動力性差，單一液體燃料直噴點燃式內(nèi)燃機顆粒物排放高，以及單一氣體燃料高壓噴射噴嘴潤滑與散熱差的問題，本發(fā)明提供一種單噴嘴直噴氣液燃料點燃式內(nèi)燃機及控制方法。
[0006]本發(fā)明采用了如下技術方案:一種單噴嘴直噴氣液燃料點燃式內(nèi)燃機，在保留發(fā)動機13、火花塞12及原機電子控制單元15的基礎上加裝了一套單噴嘴氣液雙燃料直噴系統(tǒng)和一個燃料噴射與點火電子控制單兀I ；
[0007]所述單噴嘴氣液雙燃料直噴系統(tǒng)，其特征在于，包括:氣體燃料栗5、氣體燃料儲存罐6、氣體燃料線性電磁閥4、氣體燃料流量與壓力傳感器3。所述氣體燃料栗5、氣體燃料儲存罐6、氣體燃料線性電磁閥4及氣體燃料流量與壓力傳感器3之間通過高壓氣體管路相連接；
[0008]所述單噴嘴氣液雙燃料直噴系統(tǒng)，其特征在于，包括:液體燃料儲存罐9、液體燃料栗11、液體燃料線性電磁閥8及液體燃料流量與壓力傳感器7 ο所述液液體燃料儲存罐9、液體燃料栗11、液體燃料線性電磁閥8及液體燃料流量與壓力傳感器7之間通過液體高壓管路相連接；
[0009]所述單噴嘴氣液雙燃料直噴系統(tǒng)，其特征在于，包括:三通14及噴嘴10.三通14與噴嘴10之間通過高壓管路相連接。三通14通過高壓管路還分別與氣體燃料流量與壓力傳感器3及液體燃料流量與壓力傳感器7相連接。噴嘴10直接安裝在發(fā)動機13上；
[0010]所述燃料噴射與點火電子控制單元I與氣體燃料線性電磁閥4相連接，通過發(fā)出氣體燃料線性電磁閥控制信號a控制氣體燃料線性電磁閥4的開度；
[0011]所述燃料噴射與點火電子控制單元I與氣體燃料流量與壓力傳感器3相連接，獲得氣體燃料流量與壓力信號b;
[0012]所述燃料噴射與點火電子控制單元I與氣體燃料栗5相連接，發(fā)出氣體燃料栗控制信號z;
[0013]所述燃料噴射與點火電子控制單元I與液體燃料栗11相連接，通過發(fā)出液體燃料栗控制信號c調(diào)整液體燃料栗11的輸出壓力；
[0014]所述燃料噴射與點火電子控制單元I與液體燃料線性電磁閥8相連接，通過發(fā)出液體燃料線性電磁閥控制信號d控制液體燃料線性電磁閥8的開度；
[0015]所述燃料噴射與點火電子控制單元I與液體燃料流量與壓力傳感器7相連接，獲得液體燃料流量與壓力信號e;
[0016]所述燃料噴射與點火電子控制單元I與噴嘴10相連接，通過發(fā)出實際噴嘴控制信號f控制噴嘴10的開啟和關閉；
[0017]所述燃料噴射與點火電子控制單兀I與火花塞12相連接，通過發(fā)出實際點火信號g控制火花塞跳火；
[0018]所述燃料噴射與點火電子控制單元I與原機電子控制單元2相連接，獲得發(fā)動機起動/停車信號h、曲軸位置與轉速信號j、油門踏板位置信號k、原機噴油器控制信號m及原機點火信號η;
[0019]所述氣體燃料可以為天然氣、氫氣等常見點燃式內(nèi)燃機氣體燃料；
[0020]所述液體燃料可以為汽油、甲醇等常見點燃式內(nèi)燃機液體燃料。
[0021]—種單噴嘴直噴氣液燃料點燃式內(nèi)燃機的控制方法，該方法包括以下步驟:
[0022]燃料噴射與點火電子控制單元I首先根據(jù)從原機電子控制單元2獲得的發(fā)動機起動/停車信號h，并根據(jù)發(fā)動機起動/停車信號h判斷發(fā)動機起動及停止狀態(tài)，當發(fā)動機起動/停車信號h指示發(fā)動機停車時，燃料噴射與點火電子控制單元I通過發(fā)出氣體燃料線性電磁閥控制信號a和液體燃料線性電磁閥控制信號d使氣體燃料線性電磁閥4和液體燃料線性電磁閥8均處于關閉狀態(tài)，通過發(fā)出氣體燃料栗控制信號z和液體燃料栗控制信號c使氣體燃料栗5和液體燃料栗11停止運轉，通過發(fā)出實際噴嘴控制信號f使噴嘴10的實際噴射脈寬置零來停止燃料噴射，并同時通過發(fā)出實際點火信號g使火花塞12停止跳火，此時發(fā)動機處于停車狀態(tài)；
[0023]當發(fā)動機起動/停車信號h指示發(fā)動機處于運行狀態(tài)時，燃料噴射與點火電子控制單元I進一步根據(jù)曲軸位置與轉速信號j及油門踏板位置信號k判斷發(fā)動機所處工況，當曲軸位置與轉速信號j指示發(fā)動機轉速為起動機拖動轉速時燃料噴射與點火電子控制單元I判定發(fā)動機處于起動工況；當發(fā)動機轉速大于等于最低怠速轉速且不大于3000rpm時，并且節(jié)氣門開度不大于60%時，燃料噴射與點火電子控制單元I判斷發(fā)動機處于怠速及中小負荷工況；當發(fā)動機轉速大于3000rpm，并且節(jié)氣門開度大于60%時，燃料噴射與點火電子控制單元I判斷發(fā)動機處于高速及高負荷工況。根據(jù)不同工況，燃料噴射與點火電子控制單元I對發(fā)動機的燃料噴射及點火進一步控制如下:
[0024]I)起動工況
[0025]氣體燃料不存在油膜效應，因而使用純氣體燃料保證發(fā)動機快速啟動。在起動工況下，燃料噴射與點火電子控制單元I通過發(fā)出液體燃料栗控制信號c使液體燃料栗11停止運轉，通過發(fā)出液體燃料線性電磁閥控制信號d使液體燃料線性電磁閥8關閉，通過獲得氣體燃料流量與壓力信號b檢測氣體管路燃料壓力，并通過發(fā)出氣體燃料栗控制信號z使氣體燃料栗運轉，將氣體燃料管路壓力控制在150bar至200bar之間，通過發(fā)出氣體燃料線性電磁閥控制信號a使氣體燃料線性電磁閥4全開，此時，僅有氣體燃料進入噴嘴10。燃料噴射與點火電子控制單元I根據(jù)原機點火信號η獲得原機點火時刻sO，并通過發(fā)出實際點火信號g控制火花塞12跳火，使發(fā)動機點火時刻sI與原機點火時刻sO相同。燃料噴射與點火電子控制單元I同時根據(jù)原機噴油其控制信號m計算原機燃料噴射脈寬t0，并通過發(fā)出實際噴油器控制信號f使噴嘴10的噴射脈寬tl與原機燃料噴射脈寬to相同，同時，燃料噴射與點火電子控制單元I通過發(fā)出實際噴油器控制信號f使噴嘴10所控制的燃料實際噴射開始相位在上止點前5°到35°之內(nèi)。
[0026]2)怠速及中小負荷工況
[0027]為避免大量液體燃料過晚噴射導致的液滴參與燃燒，在怠速及中小負荷工況條件下，發(fā)動機以每循環(huán)2次燃料噴射模式運行，第一次為早噴模式，噴出的燃料以液體燃料為主，第二次為晚噴模式，噴出的燃料以氣體燃料為主，早噴的用途主要在于通過大量液體燃料噴射保證缸內(nèi)混合氣能量密度不會過低，晚噴的用途主要在于通過大量氣體燃料噴射使缸內(nèi)混合氣能夠被穩(wěn)定、清潔的點燃。在怠速及中小負荷工況下，燃料噴射與點火電子控制單元I通過液體燃料流量與壓力信號e獲得液體燃料壓力，并通過發(fā)出液體燃料栗控制信號c使液體燃料栗11運轉使液體燃料壓力穩(wěn)定在200bar，通過獲得氣體燃料流量與壓力信號b檢測氣體管路燃料壓力，并通過發(fā)出氣體燃料栗控制信號z使氣體燃料栗運轉，將氣體燃料管路壓力控制在200bar。燃料噴射與點火電子控制單元I根據(jù)原機點火信號η獲得原機點火時刻sO，并通過發(fā)出實際點火信號g控制火花塞12跳火，使發(fā)動機點火時刻Si較原機點火時刻sO推遲I至10°。噴油策略控制如下:在怠速及中小負荷工況下，燃料噴射與點火電子控制單元I根據(jù)原機噴油其控制信號m計算原機燃料噴射脈寬t0，自動計算并通過發(fā)出實際噴油器控制信號f使噴嘴10的噴射脈寬在早噴段的噴油脈寬為0.7t0，晚噴段為0.3t0，早噴開始噴射相位在上止點前120°至240°，晚噴開始噴射相位在上止點前10°至50°。氣體與液體燃料控制策略如下:在早噴段，燃料噴射與點火電子控制單兀I通過發(fā)出氣體燃料線性電磁閥控制信號a使氣體燃料線性電磁閥4全關，通過發(fā)出液體燃料線性電磁閥控制信號d使液體燃料線性電磁閥8全開，此時早噴段進入噴嘴10的燃料以液體燃料為主，僅有少量處于三通14和噴嘴10之間的氣體燃料進入燃燒室參與燃燒;在晚噴段，燃料噴射與點火電子控制單元I通過發(fā)出氣體燃料線性電磁閥控制信號a使氣體燃料線性電磁閥4全開，通過發(fā)出液體燃料線性電磁閥控制信號d使液體燃料線性電磁閥8全關，此時早噴段進入噴嘴10的燃料以氣體燃料為主，僅有少量處于三通14和噴嘴10之間的液體燃料進入燃燒室參與燃燒；
[0028]3)高速及高負荷工況
[0029]為充分保證發(fā)動機在高速及高負荷工況下的動力性，高速及高負荷工況下采用純液體燃料燃燒。在高速及高負荷工況下，燃料噴射與點火電子控制單元I通過從液體燃料流量與壓力傳感器7獲得液體管路壓力并通過發(fā)出液體燃料栗控制信號c使液體燃料栗11運轉，將液體燃料壓力控制為不小于220bar，通過發(fā)出液體燃料線性電磁閥控制信號d使液體燃料線性電磁閥8全開，通過出氣體燃料栗控制信號z使氣體燃料栗停止運轉，并通過發(fā)出氣體燃料線性電磁閥控制信號a使氣體燃料線性電磁閥4全關，此時，僅有液體燃料進入噴嘴10。燃料噴射與點火電子控制單元I根據(jù)原機點火信號η獲得原機點火時刻sO，并通過發(fā)出實際點火信號g控制火花塞12跳火，使發(fā)動機點火時刻sI與原機點火時刻sO相同。燃料噴射與點火電子控制單元I同時根據(jù)原機噴油其控制信號m計算原機燃料噴射脈寬t0，并通過發(fā)出實際噴油器控制信號f使噴嘴10的噴射脈寬tl與原機燃料噴射脈寬to相同，同時，燃料噴射與點火電子控制單元I通過發(fā)出實際噴油器控制信號f使噴嘴10所控制的燃料實際噴射開始相位在上止點前50°到200°之內(nèi)，以盡量增加缸內(nèi)混合氣形成時間，減少液滴直接參與燃燒的比例。
[0030]本發(fā)明的有益效果是:針對氣體燃料直噴發(fā)動機動力性差，液體燃料直噴發(fā)動機顆粒物排放高的問題，通過單噴嘴實現(xiàn)了氣體燃料和液體燃料在缸內(nèi)的復合直噴與燃燒，使得直噴點燃式內(nèi)燃機能夠以純氣體燃料方式起動來獲得更短的起動時間、更低的起動能耗以及更少的起動排放;在怠速及中小負荷條件下，通過液體燃料早噴保證缸內(nèi)混合氣能量密度不會過低，通過氣體燃料晚噴保證混合氣能夠被穩(wěn)定點燃，并顯著減少了由于液體燃料過晚噴射而導致的顆粒物排放;在高速及大負荷工況下，通過液體燃料噴射來保證內(nèi)燃機動力性，從而綜合利用了氣體燃料和液體燃料各自的優(yōu)勢，使直噴點燃式內(nèi)燃機在全工況下的經(jīng)濟性、動力性及排放性得到改善。此外，本發(fā)明通過單一噴嘴實現(xiàn)氣體和液體燃料噴射，通過同一噴嘴在缸內(nèi)實現(xiàn)兩相燃料噴射不但減少了系統(tǒng)復雜性及體力，利于系統(tǒng)在發(fā)動機中的布置，還可以利用液體燃料更好的潤滑與冷卻性能為噴嘴在噴射高壓氣體后進tx潤滑及冷卻，有效提尚了氣體嗔射時嗔嘴的壽命。
【附圖說明】
[0031]圖1本發(fā)明的結構和工作原理圖
[0032]圖中:1、燃料噴射與點火電子控制單兀;2、原機電子控制單兀;3、氣體燃料流量與壓力傳感器;4、氣體燃料線性電磁閥；5、氣體燃料栗;6、氣體燃料儲存罐;7、液體燃料流量與壓力傳感器;8、液體燃料線性電磁閥；9、液體燃料儲存罐；1、噴嘴；11、液體燃料栗；12、火花塞；13、發(fā)動機;14、三通
[0033]a.氣體燃料線性電磁閥控制信號;b.氣體燃料流量與壓力信號；c.液體燃料栗控制信號;d.液體燃料線性電磁閥控制信號;e.液體燃料流量與壓力信號;f.實際噴嘴控制信號;g.實際點火信號;h.發(fā)動機起動/停車信號；j.曲軸位置信號;k.油門踏板位置信號;m.原機噴油器控制信號;η.原機點火信號;ζ.氣體燃料栗控制信號
【具體實施方式】
[0034]下面結合附圖對本發(fā)明作進一步說明:
[0035]如圖1所示，一種單噴嘴直噴氣液燃料點燃式內(nèi)燃機，在保留發(fā)動機13、火花塞12及原機電子控制單元15的基礎上加裝了一套單噴嘴氣液雙燃料直噴系統(tǒng)和一個燃料噴射與點火電子控制單兀I;
[0036]所述單噴嘴氣液雙燃料直噴系統(tǒng)，其特征在于，包括:氣體燃料栗5、氣體燃料儲存罐6、氣體燃料線性電磁閥4、氣體燃料流量與壓力傳感器3。所述氣體燃料栗5、氣體燃料儲存罐6、氣體燃料線性電磁閥4及氣體燃料流量與壓力傳感器3之間通過高壓氣體管路相連接；
[0037]所述單噴嘴氣液雙燃料直噴系統(tǒng)，其特征在于，包括:液體燃料儲存罐9、液體燃料栗11、液體燃料線性電磁閥8及液體燃料流量與壓力傳感器7 ο所述液液體燃料儲存罐9、液體燃料栗11、液體燃料線性電磁閥8及液體燃料流量與壓力傳感器7之間通過液體高壓管路相連接；
[0038]所述單噴嘴氣液雙燃料直噴系統(tǒng)，其特征在于，包括:三通14及噴嘴10.三通14與噴嘴10之間通過高壓管路相連接。三通14通過高壓管路還分別與氣體燃料流量與壓力傳感器3及液體燃料流量與壓力傳感器7相連接。噴嘴10直接安裝在發(fā)動機13上；
[0039]所述燃料噴射與點火電子控制單元I與氣體燃料線性電磁閥4相連接，通過發(fā)出氣體燃料線性電磁閥控制信號a控制氣體燃料線性電磁閥4的開度；
[0040]所述燃料噴射與點火電子控制單元I與氣體燃料流量與壓力傳感器3相連接，獲得氣體燃料流量與壓力信號b;
[0041]所述燃料噴射與點火電子控制單元I與氣體燃料栗5相連接，發(fā)出氣體燃料栗控制信號ζ;
[0042]所述燃料噴射與點火電子控制單元I與液體燃料栗11相連接，通過發(fā)出液體燃料栗控制信號c調(diào)整液體燃料栗11的輸出壓力；
[0043 ]所述燃料噴射與點火電子控制單元I與液體燃料線性電磁閥8相連接，通過發(fā)出液體燃料線性電磁閥控制信號d控制液體燃料線性電磁閥8的開度；
[0044]所述燃料噴射與點火電子控制單元I與液體燃料流量與壓力傳感器7相連接，獲得液體燃料流量與壓力信號e;
[0045]所述燃料噴射與點火電子控制單元I與噴嘴10相連接，通過發(fā)出實際噴嘴控制信號f控制噴嘴10的開啟和關閉；
[0046]所述燃料噴射與點火電子控制單兀I與火花塞12相連接，通過發(fā)出實際點火信號g控制火花塞跳火；
[0047]所述燃料噴射與點火電子控制單元I與原機電子控制單元2相連接，獲得發(fā)動機起動/停車信號h、曲軸位置與轉速信號j、油門踏板位置信號k、原機噴油器控制信號m及原機點火信號η;
[0048]所述氣體燃料可以為天然氣、氫氣等常見點燃式內(nèi)燃機氣體燃料；
[0049]所述液體燃料可以為汽油、甲醇等常見點燃式內(nèi)燃機液體燃料。
[0050]—種單噴嘴直噴氣液燃料點燃式內(nèi)燃機的控制方法，該方法包括以下步驟:[0051 ]燃料噴射與點火電子控制單元I首先根據(jù)從原機電子控制單元2獲得的發(fā)動機起動/停車信號h，并根據(jù)發(fā)動機起動/停車信號h判斷發(fā)動機起動及停止狀態(tài)，當發(fā)動機起動/停車信號h指示發(fā)動機停車時，燃料噴射與點火電子控制單元I通過發(fā)出氣體燃料線性電磁閥控制信號a和液體燃料線性電磁閥控制信號d使氣體燃料線性電磁閥4和液體燃料線性電磁閥8均處于關閉狀態(tài)，通過發(fā)出氣體燃料栗控制信號ζ和液體燃料栗控制信號c使氣體燃料栗5和液體燃料栗11停止運轉，通過發(fā)出實際噴嘴控制信號f使噴嘴10的實際噴射脈寬置零來停止燃料噴射，并同時通過發(fā)出實際點火信號g使火花塞12停止跳火，此時發(fā)動機處于停車狀態(tài)；
[0052]當發(fā)動機起動/停車信號h指示發(fā)動機處于運行狀態(tài)時，燃料噴射與點火電子控制單元I進一步根據(jù)曲軸位置與轉速信號j及油門踏板位置信號k判斷發(fā)動機所處工況，當曲軸位置與轉速信號j指示發(fā)動機轉速為起動機拖動轉速時燃料噴射與點火電子控制單元I判定發(fā)動機處于起動工況；當發(fā)動機轉速大于等于最低怠速轉速且不大于3000rpm時，并且節(jié)氣門開度不大于60%時，燃料噴射與點火電子控制單元I判斷發(fā)動機處于怠速及中小負荷工況；當發(fā)動機轉速大于3000rpm，并且節(jié)氣門開度大于60%時，燃料噴射與點火電子控制單元I判斷發(fā)動機處于高速及高負荷工況。根據(jù)不同工況，燃料噴射與點火電子控制單元I對發(fā)動機的燃料噴射及點火進一步控制如下:
[0053]I)起動工況
[0054]氣體燃料不存在油膜效應，因而使用純氣體燃料保證發(fā)動機快速啟動。在起動工況下，燃料噴射與點火電子控制單元I通過發(fā)出液體燃料栗控制信號c使液體燃料栗11停止運轉，通過發(fā)出液體燃料線性電磁閥控制信號d使液體燃料線性電磁閥8關閉，通過獲得氣體燃料流量與壓力信號b檢測氣體管路燃料壓力，并通過發(fā)出氣體燃料栗控制信號ζ使氣體燃料栗運轉，將氣體燃料管路壓力控制在150bar至200bar之間，通過發(fā)出氣體燃料線性電磁閥控制信號a使氣體燃料線性電磁閥4全開，此時，僅有氣體燃料進入噴嘴10。燃料噴射與點火電子控制單元I根據(jù)原機點火信號η獲得原機點火時刻sO，并通過發(fā)出實際點火信號g控制火花塞12跳火，使發(fā)動機點火時刻sI與原機點火時刻sO相同。燃料噴射與點火電子控制單元I同時根據(jù)原機噴油其控制信號m計算原機燃料噴射脈寬t0，并通過發(fā)出實際噴油器控制信號f使噴嘴10的噴射脈寬tl與原機燃料噴射脈寬to相同，同時，燃料噴射與點火電子控制單元I通過發(fā)出實際噴油器控制信號f使噴嘴10所控制的燃料實際噴射開始相位在上止點前5°到35°之內(nèi)。
[0055]2)怠速及中小負荷工況
[0056]為避免大量液體燃料過晚噴射導致的液滴參與燃燒，在怠速及中小負荷工況條件下，發(fā)動機以每循環(huán)2次燃料噴射模式運行，第一次為早噴模式，噴出的燃料以液體燃料為主，第二次為晚噴模式，噴出的燃料以氣體燃料為主，早噴的用途主要在于通過大量液體燃料噴射保證缸內(nèi)混合氣能量密度不會過低，晚噴的用途主要在于通過大量氣體燃料噴射使缸內(nèi)混合氣能夠被穩(wěn)定、清潔的點燃。在怠速及中小負荷工況下，燃料噴射與點火電子控制單元I通過液體燃料流量與壓力信號e獲得液體燃料壓力，并通過發(fā)出液體燃料栗控制信號c使液體燃料栗11運轉使液體燃料壓力穩(wěn)定在200bar，通過獲得氣體燃料流量與壓力信號b檢測氣體管路燃料壓力，并通過發(fā)出氣體燃料栗控制信號ζ使氣體燃料栗運轉，將氣體燃料管路壓力控制在200bar。燃料噴射與點火電子控制單元I根據(jù)原機點火信號η獲得原機點火時刻sO，并通過發(fā)出實際點火信號g控制火花塞12跳火，使發(fā)動機點火時刻Si較原機點火時刻sO推遲I至10°。噴油策略控制如下:在怠速及中小負荷工況下，燃料噴射與點火電子控制單元I根據(jù)原機噴油其控制信號m計算原機燃料噴射脈寬t0，自動計算并通過發(fā)出實際噴油器控制信號f使噴嘴10的噴射脈寬在早噴段的噴油脈寬為0.7t0，晚噴段為0.3t0，早噴開始噴射相位在上止點前120°至240°，晚噴開始噴射相位在上止點前10°至50°。氣體與液體燃料控制策略如下:在早噴段，燃料噴射與點火電子控制單兀I通過發(fā)出氣體燃料線性電磁閥控制信號a使氣體燃料線性電磁閥4全關，通過發(fā)出液體燃料線性電磁閥控制信號d使液體燃料線性電磁閥8全開，此時早噴段進入噴嘴10的燃料以液體燃料為主，僅有少量處于三通14和噴嘴10之間的氣體燃料進入燃燒室參與燃燒;在晚噴段，燃料噴射與點火電子控制單元I通過發(fā)出氣體燃料線性電磁閥控制信號a使氣體燃料線性電磁閥4全開，通過發(fā)出液體燃料線性電磁閥控制信號d使液體燃料線性電磁閥8全關，此時早噴段進入噴嘴10的燃料以氣體燃料為主，僅有少量處于三通14和噴嘴10之間的液體燃料進入燃燒室參與燃燒；
[0057]3)高速及高負荷工況
[0058]為充分保證發(fā)動機在高速及高負荷工況下的動力性，高速及高負荷工況下采用純液體燃料燃燒。在高速及高負荷工況下，燃料噴射與點火電子控制單元I通過從液體燃料流量與壓力傳感器7獲得液體管路壓力并通過發(fā)出液體燃料栗控制信號c使液體燃料栗11運轉，將液體燃料壓力控制為不小于220bar，通過發(fā)出液體燃料線性電磁閥控制信號d使液體燃料線性電磁閥8全開，通過出氣體燃料栗控制信號ζ使氣體燃料栗停止運轉，并通過發(fā)出氣體燃料線性電磁閥控制信號a使氣體燃料線性電磁閥4全關，此時，僅有液體燃料進入噴嘴10。燃料噴射與點火電子控制單元I根據(jù)原機點火信號η獲得原機點火時刻sO，并通過發(fā)出實際點火信號g控制火花塞12跳火，使發(fā)動機點火時刻sI與原機點火時刻sO相同。燃料噴射與點火電子控制單元I同時根據(jù)原機噴油其控制信號m計算原機燃料噴射脈寬t0，并通過發(fā)出實際噴油器控制信號f使噴嘴10的噴射脈寬tl與原機燃料噴射脈寬to相同，同時，燃料噴射與點火電子控制單元I通過發(fā)出實際噴油器控制信號f使噴嘴10所控制的燃料實際噴射開始相位在上止點前50°到200°之內(nèi)，以盡量增加缸內(nèi)混合氣形成時間，減少液滴直接參與燃燒的比例。
[0059]本實施例對起動、怠速及小負荷、高速及大負荷三個工況進行了實驗，實驗在1.6L發(fā)動機上進行，實驗液體燃料為中國石化生產(chǎn)的92號國V市售汽油，氣體燃料為純度為99.99%的氫氣，起動實驗冷卻液溫度為25°C，電瓶電壓為12.5V，怠速及小負荷工況下分別進行了 690rpm怠速實驗及1500rpm，節(jié)氣門開度為30%的小負荷實驗，高速及大負荷實驗選擇發(fā)動機轉速為4000rpm，節(jié)氣門全開，在相同的條件下分別對原機及本發(fā)明所提供的單噴嘴直噴氣液燃料點燃式內(nèi)燃機進行。實驗結果表明，采用本發(fā)明所提供的一種單噴嘴直噴氣液燃料點燃式內(nèi)燃機冷起動速度較原機縮短38 %，冷起動時刻HC和CO排放較原機相對減少87.4%；怠速及小負荷工況下的平均油耗較原機減少12.6%，HC和CO排放較原機分別平均減少43.2 %和39.5%,顆粒物排放平均減少92.3%；高速極大負荷條件下的平均油耗較原機減少5.1%, HC和⑶排放較原機分別平均減少10.2 %和9.8 %，顆粒物排放平均減少32.6%。
【主權項】
1.一種單噴嘴直噴氣液燃料點燃式內(nèi)燃機，其特征在于在保留發(fā)動機、火花塞及原機電子控制單元的基礎上加裝了一套單噴嘴氣液雙燃料直噴系統(tǒng)和一個燃料噴射與點火電子控制單元； 所述單噴嘴氣液雙燃料直噴系統(tǒng)，包括:氣體燃料栗、氣體燃料儲存罐、氣體燃料線性電磁閥、氣體燃料流量與壓力傳感器;所述氣體燃料栗、氣體燃料儲存罐、氣體燃料線性電磁閥及氣體燃料流量與壓力傳感器之間通過高壓氣體管路相連接； 所述單噴嘴氣液雙燃料直噴系統(tǒng)，還包括:液體燃料儲存罐、液體燃料栗、液體燃料線性電磁閥及液體燃料流量與壓力傳感器;所述液液體燃料儲存罐、液體燃料栗、液體燃料線性電磁閥及液體燃料流量與壓力傳感器之間通過液體高壓管路相連接； 所述單噴嘴氣液雙燃料直噴系統(tǒng)，還包括:三通及噴嘴.三通與噴嘴之間通過高壓管路相連接;三通通過高壓管路還分別與氣體燃料流量與壓力傳感器及液體燃料流量與壓力傳感器相連接;噴嘴直接安裝在發(fā)動機上； 所述燃料噴射與點火電子控制單元與氣體燃料線性電磁閥相連接，通過發(fā)出氣體燃料線性電磁閥控制信號a控制氣體燃料線性電磁閥的開度； 所述燃料噴射與點火電子控制單元與氣體燃料流量與壓力傳感器相連接，獲得氣體燃料流量與壓力信號b; 所述燃料噴射與點火電子控制單元與氣體燃料栗相連接，發(fā)出氣體燃料栗控制信號z;所述燃料噴射與點火電子控制單元與液體燃料栗相連接，通過發(fā)出液體燃料栗控制信號c調(diào)整液體燃料栗的輸出壓力； 所述燃料噴射與點火電子控制單元與液體燃料線性電磁閥相連接，通過發(fā)出液體燃料線性電磁閥控制信號d控制液體燃料線性電磁閥的開度； 所述燃料噴射與點火電子控制單元與液體燃料流量與壓力傳感器相連接，獲得液體燃料流量與壓力信號e; 所述燃料噴射與點火電子控制單元與噴嘴相連接，通過發(fā)出實際噴嘴控制信號f控制噴嘴的開啟和關閉； 所述燃料噴射與點火電子控制單元與火花塞相連接，通過發(fā)出實際點火信號g控制火花塞跳火； 所述燃料噴射與點火電子控制單元與原機電子控制單元相連接，獲得發(fā)動機起動/停車信號h、曲軸位置與轉速信號j、油門踏板位置信號k、原機噴油器控制信號m及原機點火信號η。2.根據(jù)權利要求所述的內(nèi)燃機，其特征在于:所述氣體燃料為天然氣或氫氣;所述液體燃料為汽油或甲醇。3.控制如根據(jù)權利要求所述內(nèi)燃機的方法，其特征在于，該方法包括以下步驟: 燃料噴射與點火電子控制單7Π首先根據(jù)從原機電子控制單7Π獲得的發(fā)動機起動/停車信號h，并根據(jù)發(fā)動機起動/停車信號h判斷發(fā)動機起動及停止狀態(tài)，當發(fā)動機起動/停車信號h指示發(fā)動機停車時，燃料噴射與點火電子控制單元通過發(fā)出氣體燃料線性電磁閥控制信號a和液體燃料線性電磁閥控制信號d使氣體燃料線性電磁閥和液體燃料線性電磁閥均處于關閉狀態(tài)，通過發(fā)出氣體燃料栗控制信號z和液體燃料栗控制信號c使氣體燃料栗和液體燃料栗停止運轉，通過發(fā)出實際噴嘴控制信號f使噴嘴的實際噴射脈寬置零來停止燃料噴射，并同時通過發(fā)出實際點火信號g使火花塞停止跳火，此時發(fā)動機處于停車狀態(tài)； 當發(fā)動機起動/停車信號h指示發(fā)動機處于運行狀態(tài)時，燃料噴射與點火電子控制單元進一步根據(jù)曲軸位置與轉速信號j及油門踏板位置信號k判斷發(fā)動機所處工況，當曲軸位置與轉速信號j指示發(fā)動機轉速為起動機拖動轉速時燃料噴射與點火電子控制單元判定發(fā)動機處于起動工況；當發(fā)動機轉速大于等于最低怠速轉速且不大于3000rpm時，并且節(jié)氣門開度不大于60%時，燃料噴射與點火電子控制單元判斷發(fā)動機處于怠速及中小負荷工況；當發(fā)動機轉速大于3000rpm，并且節(jié)氣門開度大于60%時，燃料噴射與點火電子控制單元判斷發(fā)動機處于高速及高負荷工況;根據(jù)不同工況，燃料噴射與點火電子控制單元對發(fā)動機的燃料噴射及點火進一步控制如下: 1)起動工況 在起動工況下，燃料噴射與點火電子控制單元通過發(fā)出液體燃料栗控制信號c使液體燃料栗停止運轉，通過發(fā)出液體燃料線性電磁閥控制信號d使液體燃料線性電磁閥關閉，通過獲得氣體燃料流量與壓力信號b檢測氣體管路燃料壓力，并通過發(fā)出氣體燃料栗控制信號z使氣體燃料栗運轉，將氣體燃料管路壓力控制在150bar至200bar之間，通過發(fā)出氣體燃料線性電磁閥控制信號a使氣體燃料線性電磁閥全開，此時，僅有氣體燃料進入噴嘴;燃料噴射與點火電子控制單元根據(jù)原機點火信號η獲得原機點火時刻sO，并通過發(fā)出實際點火信號g控制火花塞跳火，使發(fā)動機點火時刻s I與原機點火時刻sO相同;燃料噴射與點火電子控制單元同時根據(jù)原機噴油其控制信號m計算原機燃料噴射脈寬t0，并通過發(fā)出實際噴油器控制信號f使噴嘴的噴射脈寬11與原機燃料噴射脈寬to相同，同時，燃料噴射與點火電子控制單元通過發(fā)出實際噴油器控制信號f使噴嘴所控制的燃料實際噴射開始相位在上止點前5°到35°之內(nèi)； 2)怠速及中小負荷工況 發(fā)動機以每循環(huán)次燃料噴射模式運行，第一次為早噴模式，噴出的燃料以液體燃料為主，第二次為晚噴模式，在怠速及中小負荷工況下，燃料噴射與點火電子控制單元通過液體燃料流量與壓力信號e獲得液體燃料壓力，并通過發(fā)出液體燃料栗控制信號c使液體燃料栗運轉使液體燃料壓力穩(wěn)定在200bar，通過獲得氣體燃料流量與壓力信號b檢測氣體管路燃料壓力，并通過發(fā)出氣體燃料栗控制信號z使氣體燃料栗運轉，將氣體燃料管路壓力控制在200bar;燃料噴射與點火電子控制單元根據(jù)原機點火信號η獲得原機點火時刻sO，并通過發(fā)出實際點火信號g控制火花塞跳火，使發(fā)動機點火時刻Si較原機點火時刻sO推遲1°至10° ;噴油策略控制如下:在怠速及中小負荷工況下，燃料噴射與點火電子控制單元根據(jù)原機噴油其控制信號m計算原機燃料噴射脈寬t0，自動計算并通過發(fā)出實際噴油器控制信號f使噴嘴的噴射脈寬在早噴段的噴油脈寬為0.7t0，晚噴段為0.3t0，早噴開始噴射相位在上止點前120°至240°，晚噴開始噴射相位在上止點前10°至50° ;氣體與液體燃料控制策略如下:在早噴段，燃料噴射與點火電子控制單元通過發(fā)出氣體燃料線性電磁閥控制信號a使氣體燃料線性電磁閥全關，通過發(fā)出液體燃料線性電磁閥控制信號d使液體燃料線性電磁閥全開；在晚噴段，燃料噴射與點火電子控制單元通過發(fā)出氣體燃料線性電磁閥控制信號a使氣體燃料線性電磁閥全開，通過發(fā)出液體燃料線性電磁閥控制信號d使液體燃料線性電磁閥全關， 3)高速及高負荷工況 在高速及高負荷工況下，燃料噴射與點火電子控制單元通過從液體燃料流量與壓力傳感器獲得液體管路壓力并通過發(fā)出液體燃料栗控制信號C使液體燃料栗運轉，將液體燃料壓力控制為不小于220bar，通過發(fā)出液體燃料線性電磁閥控制信號d使液體燃料線性電磁閥全開，通過出氣體燃料栗控制信號z使氣體燃料栗停止運轉，并通過發(fā)出氣體燃料線性電磁閥控制信號a使氣體燃料線性電磁閥全關，此時，僅有液體燃料進入噴嘴;燃料噴射與點火電子控制單元根據(jù)原機點火信號η獲得原機點火時刻sO，并通過發(fā)出實際點火信號g控制火花塞跳火，使發(fā)動機點火時刻s與原機點火時刻sO相同；燃料噴射與點火電子控制單兀同時根據(jù)原機噴油其控制信號m計算原機燃料噴射脈寬t，并通過發(fā)出實際噴油器控制信號f使噴嘴的噴射脈寬t與原機燃料噴射脈寬t相同，同時，燃料噴射與點火電子控制單元通過發(fā)出實際噴油器控制信號f使噴嘴所控制的燃料實際噴射開始相位在上止點前50°到200°之內(nèi)。
【文檔編號】F02D19/08GK105888858SQ201610483738
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年6月27日
【發(fā)明人】汪碩峰, 紀常偉, 從驍宇, 張擘
【申請人】北京工業(yè)大學