发动机进气喷射系统和控制方法与流程

1.本发明涉及发动机领域，具体甲醇燃料发动机领域。


背景技术：

2.在碳中和大背景下，甲醇被认为是燃油的主要替代燃料之一，其具有高辛烷值、汽化潜热大等特点。甲醇燃料具有较高辛烷值，自燃温度高，很难通过直接压燃的方式实现缸内燃烧，通常需要点火燃烧。甲醇进入气缸的方式大致可分为两种：一种是甲醇通过进气道喷射后，随空气进入气缸，另一种是甲醇直接高压喷射至气缸。
3.由于甲醇的汽化潜热较大，实现充分雾化需要较长时间以及足够多的热量。当液态甲醇喷射至气缸进气道时，甲醇由液态变为气态将吸收较多热量，将使进气道温度下降，冷却后的进气道又会影响后续甲醇喷射时汽化，从而造成甲醇在进气道喷射时，液态甲醇不能完全变为气态，部分液态甲醇会随空气进入气缸，若在气缸内甲醇液滴在触及气缸壁时还未汽化，将以液态型式附着在燃烧室以及气缸套壁面，稀释缸套网纹储存的润滑油，极有可能造成磨损和拉缸等问题。同时附着在燃烧室的甲醇也会随着活塞运动进入润滑油中，从而造成润滑油乳化。为此有必要对增压后进气温度进行控制，控制液态甲醇在触及气缸壁前全部完成汽化，减少拉缸和润滑油乳化风险。


技术实现要素：

4.本发明的一个目的是提供一种发动机进气喷射系统，能够较佳的实现甲醇汽化效果。
5.为实现上述目的的发动机进气喷射系统包括甲醇喷射系统、进气系统和高温水旁通系统，甲醇喷射系统包括甲醇喷射阀和混合器，所述甲醇喷射阀用于将甲醇喷射至混合器，所述混合器经进气道与发动机气缸连接；进气系统包括增压器和与所述增压器出口连接的主进气管路和辅进气管路，所述主进气管路上包括空气冷却器，所述辅进气管路与所述混合器连通，形成供热管路，用于将高压高温空气送入所述混合器，以向所述甲醇供应汽化所需热量；高温水旁通系统用于加热所述混合器；其中，所述高温水旁通系统和所述供热管路被设置成能够同时开启或择一开启。
6.在一个或多个实施例中，所述主进气管路还包括辅进热管路，所述辅进热管路与所述辅进气管路连通，用于向所述供热管路供给冷却气体以进行调温，所述进气系统还包括设置在所述供热管路上的用于连接所述辅进热管路与所述辅进气管路的增压空气电控阀。
7.在一个或多个实施例中，所述高温水旁通系统还包括高温水电控阀，用于调控所述高温水旁通系统内的流量。
8.在一个或多个实施例中，所述高温水旁通系统和所述供热管路的同时开启或择一开启由发动机的运行模式确定，所述发动机的运行模式包括柴油模式和甲醇双燃料模式。
9.在一个或多个实施例中，该发动机进气喷射系统还包括控制系统和温度检测系
统，所述温度检测系统用于检测所述供热管路和/或所述高温水旁通系统内的温度，所述控制系统用于接收所述温度检测系统的测量数值信号，并发出调节所述供热管路和/或所述高温水旁通系统的流量和/或温度的信号。
10.在一个或多个实施例中，所述进气道为文丘里管，所述进气道的喉口直径最小处设置通入甲醇空气混合气的通道，所述进气道的入口端用于通入空气。
11.本发明的另一目的在于提供一种发动机进气喷射控制方法，包括如下步骤：判断发动机的运行模式；当发动机处于柴油模式运行时，停止高温水旁通系统向混合器加热，停止辅进气管路的进气而使空气全部经由主进气管路进行空冷后送入气缸；当发动机处于甲醇双燃料模式运行时，根据气缸内工作参数确定高温水旁通系统向混合器的供热量，根据混合器内空气温度是否达到甲醇汽化要求，调节供热管路内的空气温度。
12.在一个或多个实施例中，当供热管路所供空气的最大流量和最高温度不能达到汽化要求时，降低发动机双燃料模式下的甲醇替代率。
13.在一个或多个实施例中，发动机在不同负荷运行时，根据发动机转速、负荷、增压器转速、进气压力等参数和电控阀控制曲线图，确定供热管路需要的空气温度和/或高温水旁通系统的供水热量，再调整供热管路内的空气热量和/或调整高温水旁通系统的供水热量。
14.在一个或多个实施例中，在冷机运行时，发动机以柴油模式运行，暖机后切换至甲醇双燃料模式。
15.上述发动机进气喷射系统从增压器后引入一部分较高温度的空气，为甲醇提供汽化热量，再将甲醇喷射至供热管的空气中，充分利用了空气增压后的热量，并且使整体的进气温度不会升高，不因进气温度升高影响气缸充量系数，从增压器后引出的这一小部分空气还可以根据不同工况甲醇喷射量控制在适合的温度和流量，实现了以较少的高温空气实现甲醇汽化目的。此外还设置高温水旁通系统，使得高温气体和高温水供热方案能够灵活被选取，为甲醇汽化提供合适热量。
附图说明
16.本发明的上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变得更加明显，其中：
17.图1是发动机进气喷射系统的一个实施例的原理示意图；
18.图2是仅采用高温水旁通系统进行加热的一个实施例的原理示意图；
19.图3是文丘里管进气道的结构示意图；
20.图4是发动机进气喷射控制方法的一个实施例的简化流程图；
21.图5是发动机进气喷射控制方法的一个实施例的具体流程图。
22.符号标记说明
23.1 增压器
24.2 空气冷却器
25.3 气缸
26.4 甲醇喷射阀
27.5 混合器
28.6 增压空气电控阀
29.7 温度传感器
30.10 高温水电控阀
31.13 进气系统
32.14 高温水旁通系统
33.31 主进气管路
34.32 辅进气管路
35.35 供热管路
36.40 进气道
37.41 喉口
38.42 通道
39.401 高温水入口
40.404 高温水出口
41.501 空气入口
42.502 甲醇进口
43.503 气体出口
44.312 辅进热管路
具体实施方式
45.下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，在以下的描述中阐述了更多的细节以便于充分理解本发明，但是本发明显然能够以多种不同于此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下根据实际应用情况作类似推广、演绎，因此不应以此具体实施例的内容限制本发明的保护范围。
46.需要注意的是，这些以及后续其他的附图均仅作为示例，其并非是按照等比例的条件绘制的，并且不应该以此作为对本发明实际要求的保护范围构成限制。
47.空气由空气入口501进入增压器1，经增压器1增压后，空气压力升高和温度升高。传统发动机中，经增压器1增压后的空气继续通过空气冷却器2，将增压空气冷却至合适温度范围后再送入气缸3。低压进气道喷射式甲醇发动机将甲醇喷射阀4安装于各缸进气道，每个气缸安装一个甲醇喷射阀4，单独控制甲醇喷射量。液态甲醇由甲醇进口502进入甲醇喷射阀4，被喷入进气道后，与增压冷却后的空气一起进入气缸3。在进入气缸3过程中，液态甲醇吸热汽化变为气态，与空气形成混合气，通过柴油或火花塞点燃后完成燃烧和做功，废气经气体出口503排出。
48.由于甲醇的汽化潜热较大，实现充分雾化需要较长时间以及足够多的热量。如果甲醇不能完全变为气态，可能会造成液态附着、磨损和拉缸、润滑油乳化等多个问题。
49.现有技术多是通过提高进气温度实现甲醇在进气道内气化的目的，如一种通过控制空冷器冷却水流量控制进气温度，另一种是使用egr系统并结合增压后未经空冷的空气一起进入进气箱，以控制温度。本公开的发动机进气喷射系统通过引入一股经高压器处理后的高压热空气，促进甲醇的汽化。
50.如图1所示，该发动机进气喷射系统包括甲醇喷射系统、进气系统13和高温水旁通
系统14。甲醇喷射系统包括甲醇喷射阀4和混合器5，甲醇喷射阀4用于将甲醇喷射至混合器5，混合器5经进气道与发动机气缸3连接。发动机可以包括多个气缸，各气缸均通过进气道与各混合器连接。
51.高温水旁通系统用于加热混合器5。高温水由高温水入口401流入后，流经气缸单元，温度升高至80～90℃。将高温水分支后的一路旁通高温水用于混合器5的加热，能够提高混合器5壁面温度，促使甲醇喷到混合器5壁面。高温水通入甲醇混合器外壁面，对甲醇混合器进行加热，当液态甲醇喷射至喷射器中，将热量传递到液态甲醇，促使甲醇汽化。最终高温水在高温水出口404处流出。高温水旁通系统还可以包括高温水电控阀10，用于调控高温水旁通系统管路内的流量，进而调节对混合器5的供热量。
52.进气系统13包括增压器2和与增压器2出口连接的主进气管路31和辅进热管路32，主进气管路31上包括空气冷却器2，以对高温空气进行冷却。辅进气管路32与混合器5连通，形成供热管路35，用于将高压高温空气送入混合器5，以向甲醇供应汽化所需热量。
53.也即，空气由空气入口501进入增压器1后分为两路，其中主进气管路31为流量较多的主路，空气经过空气冷却器2冷却后进入气缸；辅进气管路32为辅路，将未经空冷器冷却的空气送入各缸甲醇喷射混合器5。
54.在一些实施例中，主进气管路31还包括辅进热管路312，辅进热管路312与辅进气管路32连通，用于向供热管路35供给冷却气体以进行调温。进气系统13还包括设置在供热管路上的用于连接辅进热管路312与辅进气管路32的增压空气电控阀6。增压空气电控阀6可以为三通阀，通过调节气体流量和比例实现空气温度的调节。
55.具体的，如图1所示，在增压器1后分为两路的情况下，经过主进气管路31上空气冷却器2的空气再分为两路，其中辅进热管路312与辅进气管路32连通，形成供热管路35，供热管路35将未经空冷器冷却及经空冷器冷却后的空气进行混合，达到各负荷下甲醇汽化所需的不同温度，然后将该股空气送入混合器5，与甲醇进行混合，促使甲醇的汽化。
56.当甲醇喷射阀4将液态甲醇喷射至混合器5后，供热管路35送入的高温空气为液态甲醇汽化提供热量，还可以同时采取或择一地采用高温水的热量，以保证液态甲醇在气道内完全汽化，并与增压空冷后空气混合后，进入气缸。
57.高温水旁通系统14和供热管路35的同时开启或择一开启由发动机的运行模式确定。发动机的运行模式包括柴油模式和甲醇双燃料模式，在柴油模式运行时甲醇不进入气缸，在甲醇双燃料模式下甲醇和柴油同时进入气缸。发动机启动后，首先判断发动机是在柴油模式还是甲醇双燃料模式运行，再根据不同的模式确定高温水旁通系统和供热管路的开启情况。
58.为实现上述目的，在一些实施例中，该发动机进气喷射系统还包括控制系统和温度检测系统，温度检测系统用于检测供热管路35和/或高温水旁通系统14的温度，控制系统用于接收温度检测系统的测量数值信号，并发出调节供热管路35和/或高温水旁通系统14的流量和/或温度的信号，进而决定对混合器的供热量。
59.如在供热路安装有温度传感器7，用于监测进入混合器5的供热管路35内的空气温度，该温度传感器连接发动机控制系统，针对各负荷混合器不同温度需求，通过控制系统控制增压空气电控阀6的开度，调节未经空冷及空冷后的进气流量和/或比例，实现各负荷下的温度控制，实现甲醇在不同工况下不同的供热管路内气体温度，更好帮助甲醇汽化，同时
不提升进气温度。高温水旁通管路上安装高温水电控阀10，可根据发动机控制系统指令，依据工况、替代率等参数调整高温水旁通流量。在发动机处于燃用柴油模式下，高温水旁通管路关闭。
60.通过控制系统ecu灵活控制各阀的开度，实现了使发动机在各负荷下甲醇喷射口空气温度均可调可控，最大化满足甲醇汽化需求。
61.下面对通过不同发动机模式确定高温水旁通系统和供热管路的开启情况的一个实施例进行介绍。
62.在发动机以柴油模式运行时，空气均进入主进气管路31，并经过空气冷却器2后直接送入气缸3，同时高温水电控阀10关闭，高温水不流经甲醇混合器5。
63.当发动机在甲醇双燃料模式运行时，首先高温水电控阀10根据负荷、替代率等参数确定旁通管路流量，高温水对甲醇混合器5进行加热，提高混合器壁面温度；同时控制系统根据温度传感器7判断供热管路内空气温度是否达到甲醇汽化要求，若温度未达到，调节电控阀6开度，增大高温气体的供应流量。
64.此外，根据甲醇汽化热量需求，也可以在供热管供应热空气和高温水旁通系统供应热水的方式中灵活选择其中一种。
65.如图2所示，在该实施例中，甲醇喷射混合器5安装在气缸盖进气道上方，将气缸单元高温水旁通系统的管路与甲醇喷射混合器5连接，高温水流经气缸单元后，温度升高至80～90℃，随后该高温水流至甲醇喷射混合器，对混合器壁面进行加热，为甲醇汽化提供足够热量。根据负荷、替代率等参数，高温水电控阀10确定旁通管路流量，进而提供混合器需要的热量。
66.上述系统通过引流少量高温增压空气实现甲醇汽化，对进入气缸空气温度无影响效果，通过从增压器及空冷器后引出少部分高温增压空气，帮助液态甲醇汽化，使整机的进气温度不会升高，不因进气温度升高影响气缸充量系数。引入该股高温增压空气后，能够控制实现不同工况甲醇完全汽化，每个工况下供热管均可以提供不同的热量，更好的促进汽化，又不提升进气温度。甲醇喷射的部分区域空气温度提升，为甲醇汽化提供热量，帮助甲醇汽化，减少甲醇汽化时间，从而保证进入气缸的甲醇为完全汽化状态，避免因甲醇液滴着壁产生拉缸和滑油乳化问题。上述系统还实现高温气供热和高温水供热两种方案间的灵活选择，为甲醇汽化提供充足热量，也能够根据不同工况及时调整，适应热量需求。
67.此外，为促进气体的混合效果，在一些实施例中，与气缸连接的进气道40为文丘里管。如图3所示，增压后空气进入气缸过程中，为了防止增压空气倒流，对供热管路35内的空气压力进行控制，使混合后空气能够顺利进入气缸，各缸进气道40采用文丘里管式结构形式，包括入口端43、喉口41和出口端44。
68.进气道的入口端43通入增压空冷后空气，进气道40的喉口42直径最小处设置通入甲醇空气混合气的通道42，进而在气道喉口直径最小处喷入甲醇与空气混合气。喉口处截面积变小，流速增加，该处压力变小，通过喉口处空气与甲醇空气混合气的压差，促进甲醇空气混合气在压差作用下与主路增压空气的混合。利用以上结构实现了空气在不同位置混流进入气缸的效果，促使甲醇与空气混合气顺利进入气缸并进行燃烧。
69.结合上述对发动机进气喷射系统的介绍，还可以理解到一种发动机进气喷射控制方法。
70.参照图4所示的流程图理解，首先，在发动机启动后判断发动机的运行模式。
71.当发动机处于柴油模式运行时，停止高温水旁通系统向混合器的供热，如通过关闭高温水电控阀10的方式，并停止辅进气管路32的进气而使空气全部经由主进气管路31进行空冷后送入气缸3。
72.当发动机处于甲醇双燃料模式运行时，根据气缸内诸如负荷、替代率等工作参数确定高温水旁通系统向混合器5的供热量；根据混合器内空气温度是否达到甲醇汽化要求，调节供热管路35内的空气温度。如通过前述三通阀的方式进行调节，这里不再赘述。
73.在一些实施例中，当供热管所供空气的最大量不能达到汽化要求时，如电控阀6全开时温度传感器7仍达不到要求的温度范围，控制系统将降低甲醇替代率。待发动机暖机或提升负荷后再继续提高甲醇替代率，并根据控制系统增压空气电控阀控制曲线图(map图)调整增压空气电控阀6的开度，以调节供热管路35内的空气温度。
74.继续参照图5所示，当发动机处在不同负荷运行时，如高负荷或低负荷，根据发动机转速、负荷、增压器转速、进气压力等参数和高温水电控阀控制曲线图(map图)，确定出高温水旁通系统的供热量和/或供热管路的供热量，再通过调整电控阀的开度调整供热管路内的空气热量和/或调整高温水旁通系统的供水热量。
75.如发动机在高负荷运行时，根据增压空气电控阀控制曲线图(map图)，确定出供热管路所需要的空气温度，再控制电控阀作动，调整供热管路内的空气热量和/或调整高温水旁通系统的供水热量。通过温度传感器输出的温度数值判断供热管路内的空气温度是否满足电控阀控制曲线图，如果满足则通过控制系统逐步调整替代率。替代率是指甲醇替代燃油燃烧做功的比例，一般按两种燃料热值替代比例进行计算。将甲醇替代率调节至图上要求范围内，直至稳定运行。如果不满足电控阀控制曲线图，则需要根据不同替代率需要的最低气化温度，使发动机运行模式降低甲醇替代率。后继续通过发动机控制系统调节阀开度，调节供热管路内的空气温度，直至满足电控阀控制曲线图上的要求。
76.冷机运行时，发动机在柴油模式运行，暖机后发动机能够至甲醇双燃料模式。
77.本技术使用了特定词语来描述本技术的实施例。如“一个实施例”、“一实施例”、和/或“一些实施例”意指与本技术至少一个实施例相关的某一特征、结构或特点。因此，应强调并注意的是，本说明书中在不同位置两次或多次提及的“一实施例”或“一个实施例”或“一替代性实施例”并不一定是指同一实施例。此外，本技术的一个或多个实施例中的某些特征、结构或特点可以进行适当的组合。
78.本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化及修饰，均落入本发明权利要求所界定的保护范围之内。

技术特征：
1.一种发动机进气喷射系统，其特征在于，包括：甲醇喷射系统，包括甲醇喷射阀和混合器，所述甲醇喷射阀用于将甲醇喷射至混合器，所述混合器经进气道与发动机气缸连接；进气系统，包括增压器和与所述增压器出口连接的主进气管路和辅进气管路，所述主进气管路上包括空气冷却器，所述辅进气管路与所述混合器连通，形成供热管路，用于将高压高温空气送入所述混合器，以向甲醇供应汽化所需热量；以及高温水旁通系统，用于加热所述混合器；其中，所述高温水旁通系统和所述供热管路被设置成能够同时开启或择一开启。2.如权利要求1所述的发动机进气喷射系统，其特征在于，所述主进气管路还包括辅进热管路，所述辅进热管路与所述辅进气管路连通，用于向所述供热管路供给冷却气体以进行调温，所述进气系统还包括设置在所述供热管路上的用于连接所述辅进热管路与所述辅进气管路的增压空气电控阀。3.如权利要求1所述的发动机进气喷射系统，其特征在于，所述高温水旁通系统还包括高温水电控阀，用于调控所述高温水旁通系统内的流量。4.如权利要求1所述的发动机进气喷射系统，其特征在于，所述高温水旁通系统和所述供热管路的同时开启或择一开启由发动机的运行模式确定，所述发动机的运行模式包括柴油模式和甲醇双燃料模式。5.如权利要求1所述的发动机进气喷射系统，其特征在于，该发动机进气喷射系统还包括控制系统和温度检测系统，所述温度检测系统用于检测所述供热管路和/或所述高温水旁通系统内的温度，所述控制系统用于接收所述温度检测系统的测量数值信号，并发出调节所述供热管路和/或所述高温水旁通系统的流量和/或温度的信号。6.如权利要求1所述的发动机进气喷射系统，其特征在于，所述进气道为文丘里管结构，所述进气道的喉口直径最小处设置通入甲醇空气混合气的通道，所述进气道的入口端用于通入空气。7.一种发动机进气喷射控制方法，其特征在于，包括如下步骤：判断发动机的运行模式；当发动机处于柴油模式运行时，停止高温水旁通系统向混合器加热，停止辅进气管路的进气而使空气全部经由主进气管路进行空冷后送入气缸；当发动机处于甲醇双燃料模式运行时，根据气缸内工作参数确定高温水旁通系统向混合器的供热量，根据混合器内空气温度是否达到甲醇汽化要求，调节供热管路内的空气温度。8.如权利要求7所述的发动机进气喷射控制方法，其特征在于，当供热管路所供空气的最大流量和最高温度不能达到汽化要求时，降低发动机双燃料模式下的甲醇替代率。9.如权利要求7所述的发动机进气喷射控制方法，其特征在于，发动机在不同负荷运行时，根据发动机转速、负荷、增压器转速、进气压力等参数和电控阀控制曲线图，确定供热管路需要的空气温度和/或高温水旁通系统的供水热量，再调整供热管路内的空气热量和/或调整高温水旁通系统的供水热量。10.如权利要求7所述的发动机进气喷射控制方法，其特征在于，在冷机运行时，发动机以柴油模式运行，暖机后切换至甲醇双燃料模式。

技术总结
提供一种发动机进气喷射系统，包括甲醇喷射系统、进气系统和高温水旁通系统，甲醇喷射系统包括甲醇喷射阀和混合器，甲醇喷射阀用于将甲醇喷射至混合器，混合器经进气道与发动机气缸连接；进气系统包括增压器和与增压器出口连接的主进气管路和辅进气管路，主进气管路上包括空气冷却器，辅进气管路与混合器连通，形成供热管路，用于将高压高温空气送入混合器，以向甲醇供应汽化所需热量；高温水旁通系统用于加热混合器；其中，高温水旁通系统和供热管路被设置成能够同时开启或择一开启。上述系统能够较佳的为甲醇汽化提供热量。还提供一种发动机进气喷射控制方法。动机进气喷射控制方法。动机进气喷射控制方法。


技术研发人员：杨涛 张东明 梁刚 郑圣彬 沈翔 吴正华
受保护的技术使用者：中国船舶集团有限公司第七一一研究所
技术研发日：2022.12.02
技术公布日：2023/7/6