氨醇发动机系统及其燃料供给控制方法

1.本发明涉及发动机技术领域，尤其涉及一种氨醇发动机系统及其燃料供给控制方法。


背景技术：

2.交通运输领域内，为提高发动机热效率并大幅降低二氧化碳排放，发动机采用氢、氨等无碳燃料为可行性较高的方式之一。但发动机单独使用氨燃料或氢燃料存在较多限制。例如，氢的制、储、运的成本高、安全性低以及体积热值低；氨燃烧性能差、排放高。
3.由于醇火焰速度高，液态喷射体积热值高，能够弥补氨气态喷射导致的发动机动力不足问题，同时改善氨的燃烧性能。因此，相关技术中，利用将氨燃料与高火焰速度的液态燃料伴烧的方式来改善氨的燃烧性能，如氨与醇伴烧。
4.一般发动机燃用氨燃料有两种方式，一为氨气与氢气或天然气等气态燃料预混，气态喷射，但气态燃料的体积热值较低，难以保证整车的动力需求；二为氨气与液态燃料分别单独喷射，但该方法需要两套燃油喷射系统，油轨、气轨和两套喷嘴难以在缸盖上布置。
5.即，现有发动机中的氨燃料利用方式局限性较高。


技术实现要素：

6.本发明提供一种氨醇发动机系统，在保证整车动力需求的前提下，利用一套喷嘴和一根油轨实现氨醇燃料的喷射。
7.本发明实施例还提供了一种氨醇发动机系统的燃料供给控制方法。
8.本发明提供一种氨醇发动机系统，包括：
9.发动机，所述发动机包括气缸、进气道和排气道，所述气缸内形成有燃烧室，所述进气道包括进气主管和进气歧管，所述进气歧管与所述进气主管连接；
10.燃料供给模块，所述燃料供给模块包括氨燃料罐、醇燃料罐、油轨和喷嘴，所述氨燃料罐与所述醇燃料罐通过第一管路连接，所述醇燃料罐与所述油轨通过第二管路连接，所述喷嘴与所述油轨连接；
11.所述进气歧管与所述气缸一一对应连接。
12.根据本发明提供的氨醇发动机系统，所述第一管路上设有减压阀。
13.根据本发明提供的氨醇发动机系统，所述第二管路上设有油泵。
14.根据本发明提供的氨醇发动机系统，所述第一管路的入口端设置在所述氨燃料罐的内腔的上部，所述第一管路的出口端设置在所述醇燃料罐的内腔的上部，所述第二管路的入口端设置在所述醇燃料罐的内腔的下部。
15.根据本发明提供的氨醇发动机系统，所述喷嘴一一对应设置在所述进气歧管内；或，所述喷嘴一一对应设置在所述燃烧室内。
16.根据本发明提供的氨醇发动机系统，还包括热管理系统，所述热管理系统包括热交换器和冷却水箱，所述热交换器与所述冷却水箱通过管路连接，所述热交换器用于与所
述氨燃料罐中的氨燃料进行热交换。
17.根据本发明提供的氨醇发动机系统，所述热管理系统还包括节温器，所述节温器通过管路分别与所述热交换器和所述冷却水箱连接。
18.根据本发明提供的氨醇发动机系统，还包括后处理模块，所述后处理模块与所述排气道连接，所述后处理模块用于处理发动机尾气。
19.本发明还提供一种基于如上任一项所述的氨醇发动机系统的燃料供给控制方法，包括：
20.预设发动机冷却水温度设定值t0，预设发动机有效平均压力设定值p0；
21.获取发动机冷却水温度信号t1，确定发动机有效平均压力值p1；
22.将t1与t0进行对比，将p1与p0进行对比，根据对比结果控制减压阀和油泵的开闭。
23.根据本发明提供的氨醇发动机系统的燃料供给控制方法，所述根据对比结果控制减压阀和油泵的开闭的方法，包括：
24.当t1小于等于t0或p1小于等于p0时，关闭减压阀，油泵通电加压，喷嘴喷油；
25.当t1大于t0且p1大于p0时，开启减压阀，油泵断电，喷嘴喷油。
26.本发明提供的氨醇发动机系统，通过第一管路将氨燃料罐中的氨燃料通入醇燃料罐中与醇燃料混合，再通过第二管路将氨醇混合燃料通入油轨，油轨上的喷嘴分别将氨醇混合燃料喷入各个进气歧管或气缸中，能够在保证整车动力需求的前提下，利用一套喷嘴和一根油轨实现氨/醇燃料的喷射。
27.本发明提供的氨醇发动机系统的燃料供给控制方法，通过将获取的发动机冷却水温度信号和确定的发动机有效平均压力值分别与预设的发动机冷却水温度设定值和发动机有效平均压力设定值进行对比，并根据对比结果控制减压阀和油泵的开闭，能够自动控制混合燃料中氨醇的混合比例以及调节喷嘴的喷射模式。
28.本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
29.为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
30.图1是本发明提供的氨醇发动机系统实施例的示意图(隐藏热管理系统)；
31.图2是本发明提供的氨醇发动机系统中热管理系统实施例的示意图；
32.图3是本发明提供的氨醇发动机系统的燃料供给控制方法实施例的示意图。
33.附图标记：
34.1、发动机；101、气缸；102、进气道；1021、进气主管；1022、进气歧管；103、排气道；2、氨燃料罐；3、醇燃料罐；4、油轨；5、喷嘴；6、第一管路；7、第二管路；8、减压阀；9、油泵；10、热交换器；11、冷却水箱；12、节温器；13、水泵；14、后处理模块。
具体实施方式
35.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
36.下面结合图1-图3描述本发明的氨醇发动机系统及其燃料供给控制方法。
37.如图1所示，为本发明提供的氨醇发动机系统实施例的示意图。本实施例的氨醇发动机系统，包括：
38.发动机1，发动机1包括气缸101、进气道102和排气道103，气缸101内形成有燃烧室，其中，活塞顶、缸壁、缸盖、气门、火花塞等共同形成燃烧室，进气道102包括进气主管1021和进气歧管1022，进气歧管1022与进气主管1021连接。发动机1的压缩比大于等于15，火花塞的点火能量大于等于90mj；
39.燃料供给模块，燃料供给模块包括氨燃料罐2、醇燃料罐3、油轨4和喷嘴5，氨燃料罐2与醇燃料罐3通过第一管路6连接，醇燃料罐3与油轨4通过第二管路7连接，喷嘴5与油轨4连接，本实施例中，喷嘴5数量与气缸101数量一一对应；
40.进气歧管1022与气缸101一一对应连接。
41.此外，为实现进气歧管1022和排气道103的状态切换，本实施例中，进气歧管1022和排气道103分别与气缸101之间设有阀门，通过设置阀门，可以使进气歧管1022和排气道103与气缸101之间的连接状态在导通状态和关断状态之间切换。氨醇混合燃料与空气的混合气自进气歧管1022中通过阀门进入气缸101，火花塞(图中未示出)跳火点燃气缸101中的可燃混合气，从而推动活塞做功。
42.需要说明的是，气缸101数量可以为一个，也可以为多个，喷嘴5和进气歧管1022的数量均根据气缸101的数量一一对应设置，本实施例中，气缸101数量以四个作为示例。
43.通过第一管路6将氨燃料罐2中的氨燃料通入醇燃料罐3中与醇燃料混合，再通过第二管路7将氨醇混合燃料通入油轨4，油轨4上的喷嘴5分别将氨醇混合燃料喷入各个进气歧管1022或气缸101中，能够在保证整车动力需求的前提下，利用一套喷嘴5和一根油轨4即可实现氨醇混合燃料的喷射。
44.如图1所示，本实施例中，第一管路6上设有减压阀8。通过调节减压阀8的开度，能够调节经第一管路6离开氨燃料罐2的氨气的压力，从而调节溶解入醇燃料中氨气的量，实现混合燃料中氨醇比的调节。
45.如图1所示，本实施例中，第二管路7上设有油泵9。能够通过油泵9调节第二管路7中的混合燃料的压力，在不向醇燃料罐3中通入高压氨气的情况下，醇燃料罐3中的燃料可以通过油泵9加压后进入油轨4中。本实施例中，油泵9在未通电的情况下为常通状态。在一些实施例中，若油泵9在未通电的情况下为常闭状态，则油轨4与两个管路相连，其中一个管路为第二管路7，另一管路不经过油泵9直接与醇燃料罐3连通，该管路的入口端也位于醇燃料罐3的内腔中的下部，该管路上设置有阀门，可通过阀门控制该管路的通断。
46.如图1所示，本实施例中，第一管路6的入口端设置在氨燃料罐2的内腔的上部，第一管路6的出口端设置在醇燃料罐3的内腔的上部，第二管路7的入口端设置在醇燃料罐3的内腔的下部。在氨燃料罐2和醇燃料罐3中分别装有氨燃料和醇燃料的情况下，能够使第一
管路6的入口端和出口端位于燃料液面上方，使第二管路7的入口端位于燃料液面的下方。如此，具体实施时，由于，燃料喷射需要在油轨4中建立一定的压力，范围在0.4mpa～1.0mpa之间，油轨4中的压力可由高压氨气在醇燃料罐3中建立，醇燃料罐3内腔的上部充满高压氨气，挤压醇燃料罐3内腔中燃料的液面，从而使一定压力的燃料经由第二管路7进入油轨4。显然，在不向醇燃料罐3中通入高压氨气的条件下，醇燃料罐3中的燃料可经过油泵9加压后进入油轨4中。
47.本实施例中，喷嘴5的设置可以采用如下两种方式：
48.方式一：喷嘴5一一对应设置在进气歧管1022内，此时，喷射方式为进气道喷射；
49.方式二：喷嘴5一一对应设置在燃烧室内，此时，喷射方式为缸内直喷，油泵9需为高压油泵，且发动机1工作时油泵9始终处于工作状态。
50.如图1和图2所示，本实施例中，氨醇发动机系统还包括热管理系统，热管理系统包括热交换器10和冷却水箱11，热交换器10与冷却水箱11通过管路连接，热交换器10用于与氨燃料罐2中的氨燃料进行热交换。本实施例中，热交换器10设置在氨燃料罐2外壁上，便于与氨燃料罐2内的氨燃料之间进行热交换。通过热交换器10可以对氨燃料罐2中的氨燃料进行加热，促进液态氨的气化，从而保证氨燃料的供给量。
51.如图2所示，本实施例中，热管理系统还包括节温器12，节温器12通过管路分别与热交换器10和冷却水箱11连接，其中与冷却水箱11连接的管路上设有水泵13，用于驱动冷却水流动。根据发动机1的控制策略，在节温器12的主阀门开启时，发动机1冷却水流经氨燃料罐2外侧的热交换器10后再流入冷却水箱11，对液态氨进行加热，以加快液氨的气化速度，保证氨燃料的供应；在节温器12的主阀门关闭时，发动机1冷却水不流经氨燃料罐2外侧的热交换器10和冷却水箱11，以减少散热量，保证发动机的热机速度。节温器12的控制策略与一般发动机1节温器12的控制策略相同。
52.如图1所示，本实施例中，氨醇发动机系统还包括后处理模块14，后处理模块14与排气道103连接，后处理模块14用于处理发动机1尾气(包括氮氧化物、未燃碳氢、未燃氨、一氧化碳等有害污染物)。当发动机1为化学计量比燃烧时，后处理模块14包含氧传感器、三效催化转化器；若发动机1为稀薄燃烧，则后处理模块14包含氧化催化转化器、选择性催化还原器和氨选择性氧化器。
53.此外，本实施例的氨醇发动机系统还包括控制器，控制器即电控单元，控制器信号连接于火花塞、喷嘴5、氧传感器、减压阀8和其他发动机1所必须的传感器及执行器，用于监测发动机1的运行状态，并发出相应的控制指令。
54.需要说明的是，本发明中，醇燃料主要指甲醇、乙醇或其混合燃料，在不付出创造性劳动的前提下，还可以为其他液态醇或及其液态混合燃料，醇类燃料也由汽油类燃料替代。
55.通过以上实施方式的描述可知，本发明提供的氨醇发动机系统还具备如下优点：将氨与醇伴烧，利用氨的化学惰性，可以限制甲醇等燃料易早燃的特性，防止产生超级爆震、破坏发动机1的情况出现；利用甲醇、乙醇等燃料高火焰速度的特性可改善氨的燃烧性能。
56.实施例2
57.本发明还提供一种基于如实施例1中的氨醇发动机系统的燃料供给控制方法，包
括：
58.预设发动机1冷却水温度设定值t0，预设发动机1有效平均压力设定值p0，需要说明的是，t0和p0的值可以为定值，也可以为根据实际情况上下波动的值，或为一个包含上界、下界的范围(产生一个滞回的效果，使输出信号更稳定)。本实施例中，以t0为70℃、p0为0.5mpa示例说明；
59.获取发动机1冷却水温度信号t1，确定发动机1有效平均压力值p1；
60.将t1与t0(70℃)进行对比，将p1与p0(0.5mpa)进行对比，根据对比结果控制减压阀8和油泵9的开闭。
61.具体地，根据对比结果控制减压阀8和油泵9的开闭的方法，包括：
62.当t1小于等于t0(70℃)或p1小于等于p0(0.5mpa)时，控制器发出指令关闭减压阀8，控制器发出指令连接油泵9的电源，醇燃料罐3中的燃料经油泵9加压后进入油轨4，喷嘴5喷油；
63.当t1大于t0(70℃)且p1大于p0(0.5mpa)时，控制器发出指令开启减压阀8，控制器发出指令连接油泵9的电源，醇燃料罐3的内腔的上部的高压氨气挤压液面，第二管路7中的高压燃料直接进入油轨4中，喷嘴5喷油。
64.此外，控制器还可以根据发动机1工况对喷嘴5发出控制指令，使喷嘴5喷射燃料在进气歧管1022内与空气混合进入气缸101内。
65.本发明提供的氨醇发动机系统的燃料供给控制方法，通过将获取的发动机1冷却水温度信号和确定的发动机1有效平均压力值分别与预设的发动机1冷却水温度设定值和发动机1有效平均压力设定值进行对比，并根据对比结果控制减压阀8和油泵9的开闭，能够自动控制混合燃料中氨醇的混合比例以及调节喷嘴5的喷射模式。
66.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

技术特征：
1.一种氨醇发动机系统，其特征在于，包括：发动机，所述发动机包括气缸、进气道和排气道，所述气缸内形成有燃烧室，所述进气道包括进气主管和进气歧管，所述进气歧管与所述进气主管连接；燃料供给模块，所述燃料供给模块包括氨燃料罐、醇燃料罐、油轨和喷嘴，所述氨燃料罐与所述醇燃料罐通过第一管路连接，所述醇燃料罐与所述油轨通过第二管路连接，所述喷嘴与所述油轨连接；所述进气歧管与所述气缸一一对应连接。2.根据权利要求1所述的氨醇发动机系统，其特征在于，所述第一管路上设有减压阀。3.根据权利要求1所述的氨醇发动机系统，其特征在于，所述第二管路上设有油泵。4.根据权利要求1所述的氨醇发动机系统，其特征在于，所述第一管路的入口端设置在所述氨燃料罐的内腔的上部，所述第一管路的出口端设置在所述醇燃料罐的内腔的上部，所述第二管路的入口端设置在所述醇燃料罐的内腔的下部。5.根据权利要求1所述的氨醇发动机系统，其特征在于，所述喷嘴一一对应设置在所述进气歧管内；或，所述喷嘴一一对应设置在所述燃烧室内。6.根据权利要求1-5任一项所述的氨醇发动机系统，其特征在于，还包括热管理系统，所述热管理系统包括热交换器和冷却水箱，所述热交换器与所述冷却水箱通过管路连接，所述热交换器用于与所述氨燃料罐中的氨燃料进行热交换。7.根据权利要求6所述的氨醇发动机系统，其特征在于，所述热管理系统还包括节温器，所述节温器通过管路分别与所述热交换器和所述冷却水箱连接。8.根据权利要求1-5任一项所述的氨醇发动机系统，其特征在于，还包括后处理模块，所述后处理模块与所述排气道连接，所述后处理模块用于处理发动机尾气。9.一种基于如权利要求1-8任一项所述的氨醇发动机系统的燃料供给控制方法，其特征在于，包括：预设发动机冷却水温度设定值t0，预设发动机有效平均压力设定值p0；获取发动机冷却水温度信号t1，确定发动机有效平均压力值p1；将t1与t0进行对比，将p1与p0进行对比，根据对比结果控制减压阀和油泵的开闭。10.根据权利要求9所述的氨醇发动机系统的燃料供给控制方法，其特征在于，所述根据对比结果控制减压阀和油泵的开闭的方法，包括：当t1小于等于t0或p1小于等于p0时，关闭减压阀，油泵通电加压，喷嘴喷油；当t1大于t0且p1大于p0时，开启减压阀，油泵断电，喷嘴喷油。

技术总结
本发明提供一种氨醇发动机系统及其燃料供给控制方法，氨醇发动机系统，包括：发动机，发动机包括气缸、进气道和排气道，气缸内形成有燃烧室，进气道包括进气主管和进气歧管，进气歧管与进气主管连接；燃料供给模块，燃料供给模块包括氨燃料罐、醇燃料罐、油轨和喷嘴，氨燃料罐与醇燃料罐通过第一管路连接，醇燃料罐与油轨通过第二管路连接，喷嘴与所述油轨连接；进气歧管与气缸一一对应连接。通过第一管路将氨燃料罐中的氨燃料通入醇燃料罐中与醇燃料混合，再通过第二管路将氨醇混合燃料通入油轨，油轨上的喷嘴分别将氨醇混合燃料喷入各个进气歧管或气缸中，能够在保证整车动力需求的前提下，利用一套喷嘴和一根油轨实现氨/醇燃料的喷射。燃料的喷射。燃料的喷射。


技术研发人员：王志 刘尚 林哲龙 张昊 王巍 刘伟 蔡开源
受保护的技术使用者：清华大学
技术研发日：2023.01.31
技术公布日：2023/6/6