一种二冲程发动机及其控制方法

1.本发明属于燃料发动机系统，具体涉及一种柴油与甲醇快速雾化混合的船舶二冲程发动机及其控制方法。


背景技术：

2.鉴于节能减排和能源危机的双重压力,绿色船舶已成为未来船舶的重要发展方向。甲醇以其清洁、环保、可再生、可获取性强等诸多优势,跻身未来船用燃料榜首。然而,在发动机上直接应用甲醇燃料时存在一定的困难，现有的甲醇发动机需要两套独立的喷油泵和喷油器系统，一套系统用来喷射柴油燃料，另一套系统用来喷射甲醇燃料，用柴油燃料来引燃甲醇燃料，以解决纯甲醇燃料发动机启动困难等问题。然而这种技术的缺点是采用这种方法对原发动机的改动比较大，改动成本比较高。为此，需要针对缸径大、空间尺度大的船用二冲程发动机设计一款柴油与甲醇快速雾化混合的船舶甲醇燃料发动机系统。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提出一种柴油与甲醇快速雾化混合的船舶二冲程发动机及其控制方法，所述发动机能够在气缸内快速形成甲醇、柴油混合的高活性氛围，同时耦合高压空气辅助系统，向缸内喷入高压空气增强混合气混合，从而使甲醇发动机高效工作；同时设计的扫气口能够使进入的新鲜空气在缸内形成旋流，来进一步强化缸内流动以加快混合气形成。
4.本发明第一个方面在于提出一种二冲程发动机系统，包括汽缸和ecu电控单元，所述汽缸由一个往复运动的活塞界定的燃烧室，所述活塞通过连杆驱动，通过控制活塞的升程来控制发动机扫排气；所述缸壁从所述气缸盖底部向下依次包括：排气口和扫气口，所述排气口用于排出燃烧室的废气，所述扫气口用于向燃烧室通入新鲜空气；2个所述排气口分别位于缸壁相对的侧壁且位置水平的相对设置，供废气从排气口进入排气道后排出；多个所述扫气口设置在缸壁上相对于缸壁水平布置，且扫气口的进气方向与缸壁切线方向夹角为10
°‑
20
°
，从而使进入的新鲜空气在缸内形成旋流；
5.所述气缸盖内设置有2个甲醇喷油器和高压喷射器，甲醇喷油器和高压喷射器的喷口均伸入燃烧室内；在所述缸壁相对的侧壁还设置有两个柴油喷油器，所述柴油喷油器位于所述排气口和扫气口之间，且其喷口伸入燃烧室内；
6.所述ecu电控单元用于在发动机处于大负荷和小负荷时，控制柴油喷油器、甲醇喷油器和高压喷射器依次喷射，从而形成充分混合的甲醇、柴油混合喷雾；而在中负荷时，控制柴油喷油器、甲醇喷油器依次喷射，高压喷射器不工作。
7.进一步的，所述高压喷射器居中设置且其喷口正对燃烧室的中心位置，所述甲醇喷油器分别位于高压喷射器两侧，且所述甲醇喷油器的中心轴线与高压喷射器的中心轴线呈30
°‑
60
°
夹角。这样设置，有利于高压空气更好的冲撞甲醇喷雾，且甲醇喷油器与高压喷射器同时喷射时，可以使甲醇喷油器喷出的甲醇喷雾在高压空气的冲射环境下快速破碎且
破碎程度更好。同时，在高压空气的氛围下，甲醇喷雾可以更快与柴油喷雾相撞，进一步提升其破碎程度以及与柴油喷雾的混合程度，使缸内更快更好的形成高活性氛围。
8.进一步的，所述甲醇喷油器喷射出的甲醇喷雾的喷醇压力为50-150mpa，温度为室温25
°
c；所述高压喷射器喷射高压空气，压力为60-150mpa；所述柴油喷油器的喷油压力为50-150mpa。
9.本发明第二个方面提出所述二冲程发动机系统的控制方法，包括：
10.当发动机处于小负荷以下时，在活塞上行至上止点前，控制柴油喷油器喷入能量比为20％-30％的柴油，之后控制甲醇喷油器喷入能量比为70％-80％甲醇燃料；在甲醇、柴油喷油器喷出喷雾形成混合喷雾的同时，控制高压喷射器的喷口向燃烧室内喷入高压空气强化缸内流动以增强混合气混合；
11.当发动机处于大负荷以上时，在活塞上行至上止点前，控制柴油喷油器喷入能量比为10％-15％的柴油，之后控制甲醇喷油器喷入能量比为85％-90％甲醇燃料；在甲醇、柴油喷油器喷出喷雾形成混合喷雾的同时，控制高压喷射器的喷口向燃烧室内喷入高压空气强化缸内流动以增强混合气混合；
12.而当发动机处于中等负荷时，在活塞上行至上止点前，控制柴油喷油器喷入能量比为15％-20％的柴油，之后控制甲醇喷油器喷入能量比为80％-85％甲醇燃料；此时高压喷射器不工作。
13.与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
14.本发明提出了柴油辅助甲醇混合喷雾的策略，通过甲醇、柴油喷油器的布置，在小负荷和大负荷时根据工况需要合理控制喷雾喷出，甲醇、柴油喷雾对撞加速喷雾破碎，快速形成甲醇与柴油喷雾混合的高活性氛围，同时耦合气缸盖上的高压喷气口，进一步加快混合气形成，以优化燃烧减少燃烧不充分排放，进而提升发动机动力；并且本发明设计的扫气口进气方向可以使进入的新鲜空气在缸内形成旋流，来进一步强化缸内流动以加快混合气形成，使混合后的燃料可以在燃烧室内快速燃烧，并且燃烧更充分，提高了燃烧效率，提升甲醇发动机动力。
附图说明
15.图1为本发明所述的燃料发动机系统的剖面示意图。
16.图2为本发明扫气口进气方向示意图。
17.图中：
18.1：气缸盖
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2：排气口
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3：排气口
19.4：甲醇喷油器
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5：甲醇喷油器
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6：高压喷射器
20.7：柴油喷油器
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8：柴油喷油器
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9：扫气口
21.10：扫气口
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11：缸壁
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12：活塞
22.13：连杆
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14：燃烧室
具体实施方式
23.下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案作进一步详细描述，所描述的具体的实施例仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。
24.如图1所示，柴油与甲醇快速雾化混合的船舶甲醇燃料二冲程发动机系统，包括汽缸和ecu电控单元，所述汽缸由气缸盖1和缸壁11组成，所述汽缸内有一个由往复运动的活塞12界定的燃烧室14，所述活塞12通过连杆13驱动安装在曲轴箱内的曲轴，通过控制活塞12的升程来控制发动机扫排气，调节扫气口进入发动机燃烧室内的空气量。当发动机运行在不同工况条件时，需要向外界输出不同的功率和扭矩，通过发动机活塞12的往复运动产生足够的动力输出。所述缸壁11从所述气缸盖1底部向下依次包括：排气口2,3和扫气口9,10，所述排气口2,3用于排出燃烧室的废气，所述扫气口9,10用于向燃烧室通入新鲜空气，排气口高于扫气口。2个所述排气口2,3分别位于缸壁11相对的侧壁且位置水平的相对设置，供废气从排气口进入排气道后排出。图2示出缸壁的横截面图(图中的箭头为进气方向)，环形气缸的所述缸壁11上间隔均匀的设置18个扫气口9,10，所述扫气口设置在缸壁11上相对于缸壁水平布置，且扫气口的进气方向与缸壁11切线方向夹角为10
°‑
20
°
(具体依机型而定)，从而使进入的新鲜空气在缸内形成旋流。
25.所述气缸盖1内设置有2个甲醇喷油器4,5和高压喷射器6，甲醇喷油器4,5和高压喷射器6的喷口均伸入燃烧室内。所述高压喷射器6居中设置且其喷口正对燃烧室的中心位置，所述甲醇喷油器4,5分别位于高压喷射器6两侧，且所述甲醇喷油器4,5的中心轴线与高压喷射器6的中心轴线呈30
°‑
60
°
夹角(具体依使用机型而定)。根据工况的需要，所述甲醇喷油器4,5喷射出对应的量的甲醇喷雾，喷醇压力为50-150mpa(具体与负荷有关)，温度为室温25℃；所述高压喷射器6喷射高压空气，压力60-150mpa(具体与负荷有关)。
26.现有船用二冲程甲醇发动机由于甲醇燃料不易燃烧，二冲程发动机缸径较大、空间尺度较大，造成甲醇燃料与从扫气口进来的新鲜空气混合时间较长等问题，导致船用二冲程甲醇发动机冷启动困难、燃烧效率不高、功率输出不高等问题。而本发明提出了柴油辅助甲醇混合喷雾，通过喷油器位置以及角度的布置，根据工况需要合理控制喷雾喷出，甲醇、柴油喷雾对撞加速喷雾破碎，快速形成甲醇与柴油喷雾混合的高活性氛围，同时耦合气缸盖上的高压喷气口，进一步加快混合气形成；并且本发明所示的扫气口进气方向可以使进入的新鲜空气在缸内形成旋流，来进一步强化缸内流动以加快混合气形成，使混合后的燃料可以在燃烧室内快速燃烧，并且燃烧更充分，提高了燃烧效率，提升甲醇发动机动力。
27.在所述缸壁相对的侧壁还设置有两个柴油喷油器7,8，所述柴油喷油器位于所述排气口2,3和扫气口9,10之间，且其喷口伸入燃烧室内。所述柴油喷油器7,8用于向燃烧室喷入柴油，喷油压力为50-150mpa(具体与负荷有关)。
28.所述ecu电控单元用于控制甲醇喷油器4,5、柴油喷油器7,8和高压喷射器6，具体的控制方法如下：
29.当发动机处于小负荷(30％额定功率)以下时，活塞上行至上止点前ecu电控单元控制柴油喷油器7,8喷入能量比为20％-30％的柴油(具体依机型而定，仅为指导比例)，之后分别控制甲醇喷油器4,5喷入能量比为70％-80％甲醇燃料(具体依机型而定，仅为指导比例)，喷入的甲醇燃料与柴油喷雾相撞，快速形成甲醇与柴油混合的高活性氛围，减少混合时间，在甲醇、柴油喷油器喷出喷雾形成混合喷雾的同时，高压喷射器6的喷口向燃烧室内喷入高压空气强化缸内流动以增强混合气混合；
30.当发动机处于大负荷(75％额定功率)以上时，活塞上行至上止点前ecu电控单元控制柴油喷油器7,8喷入能量比为10％-15％的柴油(具体依机型而定，仅为指导比例)，之
后分别控制甲醇喷油器4,5喷入能量比为85％-90％甲醇燃料(具体依机型而定，仅为指导比例)，此时喷入柴油比例稍少而甲醇喷入较多，喷入的甲醇燃料与柴油喷雾相撞，更加快速形成甲醇与柴油混合的高活性氛围以减少混合时间，在甲醇、柴油喷油器喷出喷雾形成混合喷雾的同时，高压喷射器6的喷口向燃烧室内喷入高压空气，此负荷下喷入高压空气可以起到为缸内补充新鲜空气的作用以提高总功率输出，来适应高负荷的工况；
31.而当发动机处于中等负荷时，只需要ecu电控单元先后控制柴油喷油器7,8喷入能量比为15％-20％的柴油(具体依机型而定，仅为指导比例)和甲醇喷油器4,5喷入能量比为80％-85％甲醇燃料(具体依机型而定，仅为指导比例)来加快缸内燃料的混合，此时则不需要高压喷射器的工作。
32.本发明通过甲醇喷油器和柴油喷油器耦合高压喷射器，使甲醇燃料喷入已喷有柴油的气缸时快速形成可燃混合气，以优化燃烧减少燃烧不充分排放，进而提升发动机动力。
33.尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。
34.参考文献：
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[3]王辉.柴油甲醇组合燃烧在船舶柴油机上的研究与应用[d].天津大
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[4]甄旭东.火花点燃式甲醇发动机燃烧过程及爆震机理的研究[d].天津大学,2014.
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[5]姜立永,李玉峰,刘忠长,刘金山,刘巽俊.点燃式甲醇燃料发动机的燃烧特性[j].内燃机学报,1994(03):244-248.doi:10.16236/j.cnki.nrjxb.1994.03.007.

技术特征：
1.一种二冲程发动机系统，包括汽缸和ecu电控单元，所述汽缸由一个往复运动的活塞(12)界定的燃烧室(14)，所述活塞(12)通过连杆(13)驱动，通过控制活塞(12)的升程来控制发动机扫排气；其特征在于，所述缸壁(11)从所述气缸盖(1)底部向下依次包括：排气口(2,3)和扫气口，所述排气口(2,3)用于排出燃烧室的废气，所述扫气口用于向燃烧室通入新鲜空气；2个所述排气口(2,3)设置在缸壁(11)相对的侧壁且位置水平设置，供废气从排气口进入排气道后排出；多个所述扫气口设置在缸壁(11)上相对于缸壁水平布置，且扫气口的进气方向与缸壁(11)切线方向夹角为10
°‑
20
°
，从而使进入的新鲜空气在缸内形成旋流；所述气缸盖(1)内设置有2个甲醇喷油器(4,5)和高压喷射器(6)，甲醇喷油器(4,5)和高压喷射器(6)的喷口均伸入燃烧室(14)内；在所述缸壁(11)相对的侧壁还设置有两个柴油喷油器(7,8)，所述柴油喷油器位于所述排气口(2,3)和扫气口之间，且其喷口伸入燃烧室内；所述ecu电控单元用于在发动机处于大负荷和小负荷时，控制柴油喷油器(7,8)、甲醇喷油器(4,5)和高压喷射器(6)依次喷射，从而形成充分混合的甲醇、柴油混合喷雾；而在中负荷时，控制柴油喷油器(7,8)、甲醇喷油器(4,5)依次喷射，高压喷射器(6)不工作。2.根据权利要求1所述的二冲程发动机系统，其特征在于，所述高压喷射器(6)居中设置且其喷口正对燃烧室(14)的中心位置，所述甲醇喷油器(4,5)分别位于高压喷射器(6)两侧，且所述甲醇喷油器(4,5)的中心轴线与高压喷射器(6)的中心轴线呈30
°‑
60
°
夹角。3.根据权利要求2所述的二冲程发动机系统，其特征在于，所述甲醇喷油器(4,5)喷射出的甲醇喷雾的喷醇压力为50-150mpa，温度为室温25℃；所述高压喷射器(6)喷射高压空气，压力60-150mpa；所述柴油喷油器(7,8)的喷油压力为50-150mpa。4.根据权利要求2所述二冲程发动机系统的控制方法，其特征在于，包括：当发动机处于小负荷以下时，在活塞上行至上止点前，控制柴油喷油器(7,8)喷入能量比为20％-30％的柴油，之后控制甲醇喷油器(4,5)喷入能量比为70％-80％甲醇燃料；在甲醇、柴油喷油器喷出喷雾形成混合喷雾的同时，控制高压喷射器(6)的喷口向燃烧室内喷入高压空气强化缸内流动以增强混合气混合；当发动机处于大负荷以上时，在活塞上行至上止点前，控制柴油喷油器(7,8)喷入能量比为10％-15％的柴油，之后控制甲醇喷油器(4,5)喷入能量比为85％-90％甲醇燃料；在甲醇、柴油喷油器喷出喷雾形成混合喷雾的同时，控制高压喷射器(6)的喷口向燃烧室内喷入高压空气强化缸内流动以增强混合气混合；而当发动机处于中等负荷时，在活塞上行至上止点前，控制柴油喷油器(7,8)喷入能量比为15％-20％的柴油，之后控制甲醇喷油器(4,5)喷入能量比为80％-85％甲醇燃料；此时高压喷射器(6)不工作。

技术总结
本发明公开一种二冲程发动机系统及其控制方法，包括汽缸和ECU电控单元，2个所述排气口分别位于缸壁相对的侧壁且位置水平，多个所述扫气口设置在缸壁上相对于缸壁水平布置，且扫气口的进气方向与缸壁切线方向夹角为10


技术研发人员：王洋 孟令超 刘龙
受保护的技术使用者：哈尔滨工程大学
技术研发日：2023.04.09
技术公布日：2023/8/9