一种基于可变喷射规律的双燃料发动机及燃烧控制方法
本发明的目的在于提供一种基于可变喷射规律的双燃料发动机及燃烧控制方法，在发动机气缸盖上包含两套燃料喷射模块，分别是柴油喷射模块和喷射低碳零碳燃料的第二燃料喷射模块，两套喷射模块均可实现喷射规律可变，并起到向燃烧室内直接喷射双燃料的作用。根据发动机的运行工况需求，通过第二燃料喷射模块，实现低碳无碳燃料的“基压喷射、靴形喷射、增压喷射、多次喷射”的灵活可变喷射规律，精确控制低碳无碳燃料混合气在燃烧室内的分布。通过喷射少量柴油引燃燃烧室内的混合气，主动控制燃烧。实现发动机全工况范围内低碳高效、清洁稳定的燃烧模式。
发明专利
CN202311524046.9
2023-11-16
CN117404199A
2024-01-16
F02D41/30(2006.01)
哈尔滨工程大学
礼博;张佃浩;范立云;许菁;李屿明;顾远琪;徐魁
150000 黑龙江省哈尔滨市南岗区南通大街145号
黑龙江;23
1.一种基于可变喷射规律的双燃料发动机，其特征是：包括气缸壁（2）、气缸盖（3）、活塞（1）、进气门（5）、排气门（4）、柴油喷射模块（6）、第二燃料喷射模块（7），气缸盖（3）安装在气缸壁（2）上，活塞（1）安装在气缸壁（2）里，气缸盖（3）、气缸壁（2）和活塞（1）形成燃烧室（8），气缸盖（3）里分别设置进气门（5）、排气门（4）、柴油喷射模块（6）、第二燃料喷射模块（7）； 所述第二燃料喷射模块（7）包括自上而下设置的两级增压模块（7-1）、蓄压腔体（7-18）、蓄压腔中间块、进低碳燃料和控制油回油管路协同控制模块（7-8）、超磁滞电磁控制针阀限位模块（7-9）和控制阀组件（7-13）； 所述两级增压模块（7-1）包括喷氨器体（7-4）、紧固帽（7-16）、控制阀块座（7-1-18）、第一电磁阀（7-1-1）、1号衔铁（7-1-2）、内控制阀杆（7-1-3）、外控制阀块（7-1-4）、双增压活塞（7-1-14），紧固帽（7-16）固定在喷氨器体（7-4）上方，1号衔铁（7-1-2）位于喷氨器体（7-4）里，且固定在内控制阀杆（7-1-3）顶部，紧固帽（7-16）里设置第一电磁阀（7-1-1），第一电磁阀（7-1-1）里安装1号衔铁复位弹簧，1号衔铁复位弹簧位于1号衔铁上方，内控制阀杆（7-1-3）下部套有外控制阀块（7-1-4），外控制阀块（7-1-4）位于控制阀块座（7-1-18）里，双增压活塞（7-1-6）安装在控制阀块座（7-1-18）下方，双增压活塞（7-1-6）的外部套有增压活塞复位弹簧（7-1-15）； 控制阀块座（7-1-18）里设置主增压油回油油路（7-1-9）、一级增压油回油油路（7-1-8）、二级增压油回油油路（7-1-12）、增压油进油口（7-1-6）、二级增压油进油油路（7-1-10），双增压活塞（7-1-14）与控制阀块座（7-1-18）之间分别形成一级增压油腔（7-1-7）和二级增压油腔（7-1-11），内控制阀杆（7-1-3）里设置通孔（7-1-17），主增压油回油油路（7-1-9）和一级增压油回油油路（7-1-8）与通孔（7-1-17）配合连通或断开，一级增压油腔（7-1-7）分别连通一级增压油回油油路（7-1-8）和增压油进油口（7-1-6），二级增压油进油油路（7-1-10）与二级增压油腔（7-1-11）连通，外控制阀块（7-1-4）上部空间和二级增压油回油油路（7-1-12）以及主增压油回油油路（7-1-9）连通，二级增压油回油油路（7-1-12）和主增压油回油油路（7-1-9）之间设有单向阀（7-1-13），外控制阀块（7-1-4）的内部和内控制阀杆（7-1-3）外部配合位置以及外控制阀块（7-1-4）和控制阀块座（7-1-18）的上下接触面之间均设有密封面。 2.根据权利要求1所述的一种基于可变喷射规律的双燃料发动机，其特征是：蓄压腔体（7-18）里分别设置套筒式热管理腔（7-6）和低碳燃料蓄压腔（7-5），套筒式热管理腔（7-6）分别连通套筒式热管理腔入口（7-3）和套筒式热管理腔出口，低碳燃料蓄压腔（7-5）连接单向进低碳燃料口（7-2）。 3.根据权利要求1所述的一种基于可变喷射规律的双燃料发动机，其特征是：所述进低碳燃料和控制油回油管路协同控制模块（7-8）包括协同上模块（7-8-12）、协同下模块（7-8-11）、第二电磁阀（7-8-1）、2号衔铁（7-8-2）、双通路阀杆（7-8-3），协同上模块（7-8-12）安装在协同下模块（7-8-11）上方，协同上模块（7-8-12）里设置第二电磁阀（7-8-1）、1号进低碳燃料管路（7-8-4），第二电磁阀（7-8-1）里安装2号衔铁复位弹簧（7-8-8），协同下模块（7-8-11）里设置2号衔铁（7-8-2）、双通路阀杆（7-8-3）、2号进低碳燃料管路（7-8-5）、1号控制油回油管路（7-8-6）和2号控制油回油管路（7-8-7），2号衔铁（7-8-2）固定在双通路阀杆（7-8-3）顶部，2号衔铁复位弹簧（7-8-8）位于2号衔铁（7-8-2）上方，双通路阀杆（7-8-3）为上细、下粗的结构，在下部的两侧位置分别设有半回形的通路（7-8-9），在双通路阀杆（7-8-3）肩部的上方设有限位块（7-8-10），1号进低碳燃料管路（7-8-4）连通低碳燃料蓄压腔（7-5），2号进低碳燃料管路（7-8-5）和1号控制油回油管路（7-8-6）均与通路（7-8-9）相配合。 4.根据权利要求1所述的一种基于可变喷射规律的双燃料发动机，其特征是：所述超磁滞电磁控制针阀限位模块（7-9）包括超磁滞上模块（7-9-15）、超磁滞下模块（7-9-16）、超磁滞材料（7-9-12）、活塞（7-9-4）、主副磁极（7-9-2）、磁滞座（7-9-3）、下凸状针阀限位块（7-9-6），超磁滞上模块（7-9-15）安装在超磁滞下模块（7-9-16）上方，主副磁极（7-9-2）设置在超磁滞上模块（7-9-15）里，主副磁极（7-9-2）里设置线圈（7-9-11），超磁滞材料（7-9-12）安装在主副磁极（7-9-2）内部，超磁滞材料（7-9-12）上下分别设置磁轭（7-9-1）和磁滞座（7-9-3），活塞（7-9-4）安装在磁滞座（7-9-3）下方，下凸状针阀限位块（7-9-6）位于活塞（7-9-4）下方，且二者形成中间腔（7-9-5），下凸状针阀限位块（7-9-6）下部套有下凸状针阀复位弹簧（7-9-13），超磁滞上模块（7-9-15）里设置润滑油进油口（7-9-9）、润滑油路（7-9-7）、单向中间腔进油口（7-9-10）、中间腔油路（7-9-8），润滑油进油口（7-9-9）连通润滑油路（7-9-7），单向中间腔进油口（7-9-10）通过中间腔油路（7-9-8）连通中间腔（7-9-5）。 5.根据权利要求1所述的一种基于可变喷射规律的双燃料发动机，其特征是：所述控制阀组件（7-13）包括针阀（7-13-1）、中间块（7-13-5），针阀（7-13-1）的中部穿过中间块（7-13-5），针阀（7-13-1）中部有环形凹腔，环形凹腔与中间块（7-13-5）的下表面所形成的空间为控制油腔（7-13-3），中间块（7-13-5）下方形成控制油进油管路（7-13-2），控制油进油管路（7-13-2）、控制油腔（7-13-3）、1号控制油回油管路（7-8-6）处于连通状态。 6.根据权利要求3所述的一种基于可变喷射规律的双燃料发动机，其特征是：双通路阀杆两侧的半回形通路（7-8-9）的入口和出口的半径与1号进低碳燃料管路（7-8-4）、1号控制油回油管路（7-8-6）的出口以及2号进低碳燃料管路（7-8-5）、2号控制油回油管路（7-8-7）的进口半径一致，双通路阀杆两侧的半回形通路（7-8-9）的入口与1号进低碳燃料管路（7-8-4）、2号控制油回油管路（7-8-5）的出口的间距和双通路阀杆两侧的半回形通路（7-8-9）的入口与2号进低碳燃料管路（7-8-5）、1号控制油回油管路（7-8-6）的入口的间距一致。 7.一种基于可变喷射规律的双燃料发动机燃烧控制方法，其特征是： 在低负荷条件下，先通过柴油喷射模块（6）向燃烧室（8）内喷射柴油,后通过第二燃料喷射模块（7）向燃烧室（8）内喷射低碳无碳燃料，低碳无碳燃料采用靴形喷射的喷射规律； 在中等负荷条件下，先通过第二燃料喷射模块（7）向燃烧室（8）内喷射低碳无碳燃料，采用单次喷射或多次喷射控制混合气，早于压缩上止点50°CA的低碳无碳燃料喷射采用基压喷射，晚于压缩上止点50°CA的低碳无碳燃料喷射采用增压喷射，后通过柴油喷射模块（6）向燃烧室（8）内喷射柴油，引燃燃烧室（8）内的混合气； 在高负荷条件下，先通过第二燃料喷射模块（7）向燃烧室（8）内喷射低碳无碳燃料，早于压缩上止点50°CA的低碳无碳燃料喷射采用基压喷射，晚于压缩上止点50°CA的低碳无碳燃料喷射采用增压喷射；然后通过柴油喷射模块（6）向燃烧室（8）内喷射柴油，引燃燃烧室（8）内的混合气；再通过第二燃料喷射模块（7）向燃烧室（8）内喷射低碳无碳燃料；通过晚喷低碳无碳燃料实现混合控制燃烧，且晚喷的第二燃料喷射模块（7）采用增压喷射，缩短喷射持续期与燃烧持续期。 8.根据权利要求7所述的一种基于可变喷射规律的双燃料发动机燃烧控制方法，其特征是：所述第二燃料喷射模块（7）选择基压模式时，两级增压模块（7-1）不通电，1号衔铁（7-1-2）落座，一级增压油回油油路（7-1-8）和主增压油回油油路（7-1-9）通过内控制阀杆（7-1-3）上的通孔（7-1-17）连通，外控制阀块（7-1-4）落座于控制阀块座（7-1-18）的下接触面，之间形成密封腔，一级增压油回油油路（7-1-8）和二级增压油进油油路（7-1-10）不连通，二级增压油回油油路（7-1-12）与主增压油回油油路（7-1-9）之间连通，一级增压油腔（7-1-7）和二级增压油腔（7-1-11）均不能建压，双增压活塞（7-1-14）不起增压作用。 9.根据权利要求7所述的一种基于可变喷射规律的双燃料发动机燃烧控制方法，其特征是：所述第二燃料喷射模块（7）选择低增压模式时，两级增压模块（7-1）通低电位，1号衔铁（7-1-2）受到电磁力的作用带动内控制阀杆（7-1-3）向上运动，从而断开一级增压油回油油路（7-1-8）和主增压油回油油路（7-1-9）的连通，外控制阀块（7-1-4）落座于控制阀块座（7-1-18）的下接触面，之间形成密封腔，一级增压油回油油路（7-1-8）和二级增压油进油油路（7-1-10）不连通，二级增压油回油油路（7-1-12）与主增压油回油油路（7-1-9）之间连通，此时二级增压油腔（7-1-11）不能建压，一级增压油腔（7-1-7）开始建压，双增压活塞（7-1-14）向下运动，第二燃料蓄压腔（7-5）内的压力升高，直至第二燃料蓄压腔（7-5）内的压力乘以双增压活塞（7-1-14）的下表面的面积/>加上双增压活塞复位弹簧（7-1-15）的弹力/>等于一级增压油腔（7-1-7）内增压油的压力/>乘以它作用在双增压活塞（7-1-14）上的面积时双增压活塞（7-1-14）不再运动，即/>。 10.根据权利要求7所述的一种基于可变喷射规律的双燃料发动机燃烧控制方法，其特征是：所述第二燃料喷射模块（7）选择高增压模式时，两级增压模块（7-1）通高电位，1号衔铁（7-1-2）受到电磁力的作用带动内控制阀杆（7-1-3）向上运动并进一步的带动外控制阀块（7-1-4）向上运动，切断一级增压油回油油路（7-1-8）与主增压油回油油路的连通，一级增压油腔（7-1-7）开始建压，二级增压油进油油路（7-1-10）与一级增压油回油油路（7-1-8）连通，与外控制阀块（7-1-4）的上部空间断开，二级增压油腔（7-1-11）开始建压；双增压活塞（7-1-14）向下运动，第二燃料蓄压腔（7-5）内的压力升高，直至第二燃料蓄压腔（7-5）内的压力乘以双增压活塞（7-5）的下表面的面积/>加上双增压活塞复位弹簧（7-1-15）的弹力/>等于增压油腔（7-1-7）和（7-1-11）内增压油的压力/>乘以它作用在双增压活塞（7-1-14）上的面积/>时双增压活塞（7-1-14）不再运动，即/>。 11.根据权利要求7所述的一种基于可变喷射规律的双燃料发动机燃烧控制方法，其特征是：所述第二燃料喷射模块（7）选择低针阀升程喷射时，超磁滞电磁控制针阀限位模块（7-9）通电，超磁滞材料（7-9-12）伸长，磁滞座（7-9-3）压迫活塞（7-9-4）向下运动，使活塞（7-9-4）和下凸状针阀限位块（7-9-6）所形成的中间腔（7-9-5）的压力升高，从而使下凸状针阀限位块（7-9-6）克服复位弹簧（7-9-13）的弹力下移；喷射控制管路协调控制模块（7-8）通电，2号衔铁（7-8-2）受到电磁力的作用带动双通路阀杆（7-8-3）向上运动，直到双通路阀杆（7-8-3）接触到限位块（7-8-10），双通路阀杆（7-8-3）不再运动，此时双通路阀杆两侧的半回形通路（7-8-9）同时连通1号进第二燃料管路（7-8-4）与2号进第二燃料管路（7-8-5）、1号控制油回油管路（7-8-6）与2号控制油回油管路（7-8-7），与套筒式热管理腔（7-6）内的加热液充分换热过的第二燃料由蓄压腔（7-5）经过1号进第二燃料管路（7-8-4）与2号进第二燃料管路（7-8-5）流入压力室（7-14）中，控制油腔（7-13-3）内的控制油经过1号控制油回油管路（7-8-6）、2号控制油回油管路（7-8-7）流回到油箱中，当控制油腔（7-13-3）内的压力和针阀复位弹簧（7-13）的弹力形成的合力小于压力室（7-14）内向上的液压力时，针阀（7-13-1）向上抬起，直至针阀（7-13-1）的上表面与下凸状针阀限位块（7-9-6）的下表面接触，针阀（7-13-1）停止运动，喷射流道打开，进行喷射第二燃料；结束喷射时，喷射控制管路协调控制模块（7-8）断电，在2号衔铁复位弹簧（7-8-8）的作用下，2号衔铁（7-8-2）落座，带动双通路阀杆（7-8-3）向下运动，同时切断1号进第二燃料管路（7-8-4）与2号进第二燃料管路（7-8-5）、1号控制油回油管路（7-8-6）与2号控制油回油管路（7-8-7），压力室（7-14）不再有第二燃料流入，控制油腔（7-13-3）逐渐建压，当控制油腔（7-13-3）内的压力和针阀复位弹簧7-（11）的弹力大于压力室（7-14）内向上的液压力时，针阀（7-13-1）重新落座。 12.根据权利要求7所述的一种基于可变喷射规律的双燃料发动机燃烧控制方法，其特征是：所述第二燃料喷射模块（7）选择高针阀升程喷射时，超磁滞电磁控制针阀限位模块（7-9）不通电，活塞（7-9-4）不动，下凸状针阀限位块（7-9-6）在复位弹簧（7-9-14）的作用下处于最高位置；喷射控制管路协调控制模块（7-8）通电，2号衔铁（7-8-2）受到电磁力的作用带动双通路阀杆（7-8-3）向上运动，直到双通路阀杆（7-8-3）接触到限位块（7-8-10），双通路阀杆（7-8-3）不再运动，此时双通路阀杆两侧的半回形通路（7-8-9）同时连通1号进第二燃料管路（7-8-4）与2号进第二燃料管路（7-8-5）、1号控制油回油管路（7-8-6）与2号控制油回油管路（7-8-7），与套筒式热管理腔（7-6）内的加热液充分换热过的第二燃料由蓄压腔（7-5）经过1号进第二燃料管路（7-8-4）与2号进第二燃料管路（7-8-5）流入压力室（7-14）中，控制油腔（7-13-3）内的控制油经过1号控制油回油管路（7-8-6）、2号控制油回油管路（7-8-7）流回到油箱中，当控制油腔（7-13-3）内的压力和针阀复位弹簧（7-13）的弹力形成的合力小于压力室（7-14）内向上的液压力时，针阀（7-13-1）向上抬起，直至针阀（7-13-1）的上表面与下凸状针阀限位块（7-9-6）的下表面接触，针阀（7-13-1）停止运动，喷射流道打开，进行喷射第二燃料；结束喷射时，喷射控制管路协调控制模块（7-8）断电，在2号衔铁复位弹簧（7-8-8）的作用下，2号衔铁（7-8-2）落座，带动双通路阀杆（7-8-3）向下运动，同时切断1号进第二燃料管路（7-8-4）与2号进第二燃料管路（7-8-5）、1号控制油回油管路（7-8-6）与2号控制油回油管路（7-8-7），压力室（7-14）不再有第二燃料流入，控制油腔（7-13-3）逐渐建压，当控制油腔（7-13-3）内的压力和针阀复位弹簧（7-11）的弹力大于压力室（7-14）内向上的液压力时，针阀（7-13-1）重新落座。 13.根据权利要求7所述的一种基于可变喷射规律的双燃料发动机燃烧控制方法，其特征是：当第二燃料喷射模块（7）需要进行靴形喷射时，可以先进行基压喷射模式，在喷射过程中再进行低增压或高增压喷射模式喷射压力增加，实现喷油速率从低到高的变化，即靴形喷射。