[發明專利]一種通過摻醇降低天然氣發動機熱負荷的裝置及方法

有效

• 申請號: 202010093567.3
• 申請日: 2020-02-14
• 公開（公告）號: CN111237066B
• 公開（公告）日: 2022-07-29
• 發明（設計）人: 陳占明;陳昊;耿莉敏;賀晶晶;蘇欣
• 申請（專利權）人: 長安大學
• 主分類號: F02D19/10
• 分類號: F02D19/10;F02D41/00;F02D41/22;F02D41/30;F02D41/14
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 范巍

本發明公開了一種通過摻醇降低天然氣發動機熱負荷的裝置及方法，以寬域氧傳感器測量的實際過量空氣系數進行天然氣、醇類燃料噴射量的閉環控制，使發動機平穩運行于目標過量空氣系數和任意醇類燃料摻燒比例下，從而可以通過摻醇的方式來降低天然氣發動機的熱負荷，為進一步提高發動機的壓縮比創造條件，進而增加天然氣發動機的熱效率、降低碳氫排放。

技術領域

本發明屬于發動機替代燃料技術領域，具體涉及一種通過摻醇降低天然氣發動機熱負荷的控制系統。

背景技術

能源和環境問題的日趨嚴峻，促使內燃機節能減排的理論和技術不斷進步。高效、清潔和節能是先進內燃機的發展目標。采用低碳燃料結合先進的燃燒技術是實現內燃機節能減排的重要途徑之一。天然氣和醇類燃料是兩種極具發展潛力的低碳燃料。天然氣由于其儲量大、辛烷值高、顆粒物排放低、價格便宜，在點燃式和壓燃式發動機上得到廣泛的應用。

天然氣發動機面臨著以下問題：首先，天然氣為氣體燃料，密度小，進氣道噴射會占用一部分新鮮空氣的體積，致使發動機充量下降，功率降低；其次，天然氣的火焰傳播速度較小，點火能量較高，致使快速燃燒期加長，燃燒等容度降低，進而使得發動機的熱效率降低；此外，面對日趨嚴格的排放法規，天然氣發動機大多采用當量比燃燒的方式，在此種燃燒方式下混合氣濃度較高，發動機缸內燃燒溫度較高，導致缸內熱負荷和排溫較高，發動機有效熱效率降低。

醇類燃料包括甲醇、乙醇、正丁醇。甲醇不僅可以以煤炭和生物質為原料合成，還可通過捕捉空氣中的CO₂并加氫合成；乙醇也可以以生物質為原料合成；正丁醇也可以以化石燃料及生物質為原料合成。醇類燃料(甲醇、乙醇和正丁醇)常溫常壓下為液態，易于儲存和運輸；醇類燃料具有較大的汽化潛熱，進氣道噴射或缸內噴射后可以使發動機的進氣溫度降低，有利于增加發動機充量、降低缸內燃燒溫度和降低發動機的熱負荷；醇類燃料的火焰傳播速度較大，點火能量較低，能夠增加燃燒的等容度，從而有利于發動機有效熱效率的提升；醇類燃料為含氧燃料，燃燒更加充分，從而降低有害排放物，天然氣摻燒醇類燃料后混合氣的燃燒速度加快，也能進一步降低未燃碳氫排放。

盡管天然氣和醇類燃料(甲醇、乙醇和正丁醇)在燃燒特性方面具有互補性，但由于根據加注的不同醇類燃料(甲醇、乙醇、正丁醇)靈活調整ECU控制策略存在一定難度，天然氣發動機目前還是主要以摻燒甲醇為主(例如，201410498626.X)，而且針對摻燒甲醇的控制策略以發動機溫度作為反饋信號，對甲醇的摻燒比例無精確控制，無法保證發動機穩定工作。

發明內容

本發明的目的在于提供一種通過摻醇降低天然氣發動機熱負荷的裝置及方法。

為實現上述目的，本發明采用了以下技術方案：

一種通過摻醇降低天然氣發動機熱負荷的裝置，該裝置包括電控系統以及執行器，所述執行器包括分別設置在發動機節氣門遠離氣缸側(節氣門前)和靠近氣缸側(節氣門后)的天然氣噴嘴和醇類燃料噴嘴，電控系統包括ECU以及與ECU相連的用于分別測量發動機轉速、發動機運行相位和正時、發動機進氣溫度和壓力及發動機排氣氧濃度的傳感器，ECU根據實際過量空氣系數(λ_actual)對參照目標醇類能量替代率(AESR)和目標過量空氣系數(λ_theory)確定的天然氣噴射量、醇類燃料噴射量分別進行修正后生成用于分別控制天然氣噴嘴、醇類燃料噴嘴的噴射脈寬。

優選的，所述執行器還包括設置在發動機氣缸上的火花塞，火花塞通過點火線圈驅動模塊與ECU相連。

優選的，所述裝置還包括與ECU相連的醇類燃料選擇開關。

優選的，所述醇類能量替代率(AESR)表示為：