一种双燃料发动机单缸机试验平台高压气体燃料供给系统的制作方法

本发明属于发动机燃烧技术领域，具体涉及一种双燃料发动机单缸机试验平台高压气体燃料供给系统。

背景技术：

在全世界范围内，能源消费持续快速增长，以石油为代表的能源危机问题日益突出。同时这些自然资源的大量使用所带来的污染物，还给大气环境和城市环境带来了巨大的生态环境问题。以柴油机为例，柴油机的排放产物以nox和pm为主，这些有害排放物对大气环境的危害表现在形成光化学烟雾、酸雨、以及造成全球范围的温室效应。

在能源、环境和(贵金属)资源的多重压力下，国际对于发动机行业的污染排放要求日益严苛，实现发动机的高效清洁燃烧成为研究焦点。而气体燃料作为一种清洁能源在能源消耗结构中占有越来越大的比重，气体燃料发动机的问世大大改善了发动机的能源消耗问题以及污染排放问题。但是据研究分析目前以气体燃料作为唯一燃料的气体发动机与传统发动机相比热效率低将近10％。而双燃料发动机的出现，在保证了与传统发动机相近的可靠性与高热效率的同时，兼顾了发动机的经济性与环保性。有试验研究证实，双燃料工况下发动机烟度基本达到了“零排放”，在重负荷附近nox的排放比原机降低近65％。双燃料发动机的发展成为了传统发动机向气体发动机转变的过渡期技术，在未来几十年内将占据主要市场地位。

对于双燃料发动机的技术研究是目前国内外科研院所，企业与高校发动机领域研究的热点。在双燃料发动机领域研究中，燃料供给系统的设计是气体燃料/柴油机双燃料发动机设计的核心。其中，气体燃料供给系统作为双燃料发动机的燃料供给系统中相当重要的一部分，在很大程度上影响着发动机的工作状态，尤其是发动机的燃烧过程。因此设计可靠、高效、智能化的气体燃料供给系统对于双燃料发动机的研究起着至关重要的基础保障作用。

目前关于供给系统的研究主要在气体发动机领域，针对于柴油机改造的单缸双燃料发动机试验平台所需要的气体燃料供给系统并无涉及，双燃料单缸机试验平台所要求的气体燃料供给系统最主要的要求是保证试验过程中燃烧边界条件的稳定与控制，如果气量控制不稳定，会导致热效率变化波动大，燃烧效果分析精度差；同时，气体燃料管路作为发动机高危附属管路，在试验过程中需要保持持续的状态监控，因此对系统的灵活性、可控性、安全性和燃料供给各参数的稳定性方面都有较高要求。需要研发出一种可简便控制双燃料燃烧试验中气体燃料压力的控制方法，以解决双燃料燃烧边界条件的稳定与控制，特别是气体燃料燃烧边界条件的稳定与控制。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明提供了一种双燃料发动机单缸机试验平台高压气体燃料供给系统。其目的是实现发动机的双燃料供给的同时，可以保证双燃料燃烧边界条件的稳定与控制，特别是气体燃料燃烧边界条件的稳定与控制，保证双燃料发动机单缸机试验平台供给系统的可靠性与安全性。

本发明采用技术方案如下：

一种双燃料发动机单缸机试验平台高压气体燃料供给系统，应用于双燃料发动机单缸机试验平台中；双燃料发动机单缸机试验平台包括连接有测功机模块的多缸发动机，以及数据采集系统和发动机控制系统；所述多缸发动机的动力来源为并行安装的空气模块和燃油模块；还包括与所述多缸发动机中的一个作为试验缸的缸体连接的试验缸动力模块、与所述多缸发动机中其它的作为拖动缸的缸体相连接的拖动缸动力模块；所述拖动缸动力模块连接到所述拖动缸，包括并行安装的所述空气模块和燃油模块，即采用所述多缸发动机的动力；所述试验缸动力模块连接到所述试验缸，包括并行安装的试验缸空气模块、试验缸双燃料供给模块，为所述试验缸提供空气和燃料；其中所述试验缸双燃料供给模块包括并行安装的试验缸燃油供给模块和试验缸高压气体燃料供给模块，为所述试验缸提供所述燃料；所述试验缸燃油供给模块中包括发动机燃油共轨装置；所述试验缸高压气体燃料供给模块包括依次串接的高压气体燃料供给单元、高压气路检测保护单元、高压燃油/气体燃料联动控制稳压机构、发动机试验缸喷气单元，所述发动机试验缸喷气单元连接到所述试验缸；其中，所述高压燃油/气体燃料联动控制稳压机构连接所述发动机燃油共轨装置，接受所述发动机燃油共轨装置的实时压力传导；所述数据采集系统采集所述高压燃油/气体燃料联动控制稳压机构的气压，传输给所述发动机控制系统，并回传所述发动机控制系统输出的定时、定量的喷气反馈控制信号给所述发动机试验缸喷气单元；所述数据采集系统采集高压气路检测保护单元中的气体参数数据，传输至所述发动机控制系统，用于判断高压试验缸气体燃料供给系统状态。

所述高压气体燃料供给单元包括依次连接的高压气体燃料源、连接至所述高压气路检测保护单元的高压气体燃料调控集成装置、末端有与外界连通的排气通道的高压气体燃料排气集成装置；所述高压气体燃料排气集成装置与所述高压气体燃料调控集成装置双向连通，并连接所述高压燃油/气体燃料联动控制稳压机构的回路。

所述高压气路检测保护单元包括依次连接的气动截止阀、阻火器、气耗仪；所述数据采集系统实时检测和采集所述气耗仪中高压气体流量及消耗数据，传输给所述发动机控制系统。

所述燃油/气体燃料联动控制稳压机构包括依次连接于燃油压力引入主通道上的柱塞、压缩弹簧、弹簧调节旋钮；所述燃油压力引入主通道通入来自所述燃油共轨装置的燃油；在所述燃油压力引入主通道的侧壁上位于所述柱塞工作行程起始段有气体燃料排气通道，连接至所述高压气体燃料调控集成装置；所述柱塞工作行程中间段有气体燃料进入试验缸通道，连接至所述发动机试验缸喷气单元；所述压缩弹簧的工作行程中有气体燃料入口通道，与所述气耗仪连接；所述柱塞；长度大于所述气体燃料排气通道与气体燃料进入试验缸通道水平方向的最大距离。

所述发动机试验缸喷气单元为气体燃料喷射阀，由所述发动机控制系统控制所述气体燃料喷射阀开启和关闭时刻，实现对气体燃料进入所述试验缸定时、定量的控制。

所述气体燃料喷射阀为电磁阀。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

(1)本发明中所述的双燃料发动机单缸机试验平台高压气体燃料供给系统的气体燃料稳压单元，相比于现有的气体燃料供给系统，创造性地将燃油压力控制引入至气体压力控制过程当中，将复杂的气体燃料压力控制与简单的燃油压力控制相关联，简化了进入气缸前的气体压力控制方式；这种气体压力控制实时与燃油压力控制联动，实现了在复杂的气体燃料压力控制领域借用成熟的燃油压力控制技术。这种方式的灵活性、可靠性、稳定性都有很高的保证，进一步确保了双燃料燃烧边界条件的稳定。

(2)本发明中所述的双燃料发动机单缸机试验平台高压气体燃料供给系统采用模块化处理，实际应用中可以大幅度降低系统复杂程度，系统的维护保养十分便捷。

(3)本发明涉及的气路监测与保护单元，能够通过实时监测管路气体流量进行状态判断；一旦出现异常状况，气动截止阀会立即动作切断气体往发动机的供给管路，同时阻火器可以防止管内回火向高压气体燃料段蔓延；并且气耗仪有对气体燃料供给系统管路进行气体流动状态监测的功能，同时进行气体燃料消耗记录，为试验提供气体燃料消耗量等基本数据。

附图说明

图1为本发明双燃料发动机单缸机试验平台总成的结构示意图

图2为本发明试验缸高压气体燃料供给单元的结构示意图

图3为本发明燃油/气体燃料联动控制稳压机构的结构示意图

其中：m—多缸发动机a—气体燃料入口通道b—气体燃料排气通道c—气体燃料进入试验缸通道d—燃油压力引入主通道e—排气通道1—拖动缸空气模块2—试验缸空气模块3—拖动缸燃油模块4—试验缸燃油供给模块401—试验缸燃油供给装置402—燃油共轨装置403—燃油电控喷油装置404—回油泵5—测功机模块6—试验缸双燃料供给模块7—试验缸高压气体燃料供给模块701—试验缸高压气体燃料供给单元7011—高压气体燃料源7012—气体燃料调控集成装置7013—高压气体702—高压气路检测保护单元7021—气动截止阀7022—阻火器7023—气耗仪703—高压燃油/气体燃料联动控制稳压机构7031—柱塞7032—压缩弹簧7033—弹簧调节旋钮704—发动机试验缸喷气单元

具体实施方式

本发明涉及一种双燃料发动机单缸机试验平台高压气体燃料供给系统，主要用于将双燃料发动机中气体燃料压力控制与燃油压力控制进行的联动，以解决双燃料燃烧边界条件的稳定与控制，特别是气体燃料燃烧边界条件的稳定与控制。

用一具体实施例对本发明的技术方案进行解释，如下：

一种双燃料发动机单缸机试验平台高压气体燃料供给系统，应用于双燃料发动机单缸机试验平台中；双燃料发动机单缸机试验平台包括连接有测功机模块5的多缸发动机m，以及数据采集系统和发动机控制系统；多缸发动机m的动力来源为并行安装的空气模块1和燃油模块3；还包括与多缸发动机m中的一个作为试验缸的缸体连接的试验缸动力模块、与多缸发动机m中其它的作为拖动缸的缸体相连接的拖动缸动力模块；拖动缸动力模块连接到拖动缸，包括并行安装的空气模块1和燃油模块3，即采用所述多缸发动机m的动力；试验缸动力模块连接到试验缸，包括并行安装的试验缸空气模块2、试验缸双燃料供给模块6，为试验缸提供空气和燃料；其中试验缸双燃料供给模块6包括并行安装的试验缸燃油供给模块4和试验缸高压气体燃料供给模块7，为试验缸提供所述燃料；试验缸燃油供给模块4中包括发动机燃油共轨装置402；试验缸高压气体燃料供给模块7包括依次串接的高压气体燃料供给单元701、高压气路检测保护单元702、高压燃油/气体燃料联动控制稳压机构703、发动机试验缸喷气单元704，发动机试验缸喷气单元704连接到试验缸；其中，高压燃油/气体燃料联动控制稳压机构703连接发动机燃油共轨装置402，接受发动机燃油共轨装置402的实时压力传导；数据采集系统采集高压燃油/气体燃料联动控制稳压机构703的气压，传输给发动机控制系统，并回传发动机控制系统输出的定时、定量的喷气反馈控制信号给发动机试验缸喷气单元704；数据采集系统采集高压气路检测保护单元702中的气体参数数据，传输至发动机控制系统，用于判断高压试验缸气体燃料供给系统状态。

高压气体燃料供给单元701包括依次连接的高压气体燃料源7011、连接至高压气路检测保护单元702的高压气体燃料调控集成装置7012、末端有与外界连通的排气通道e的高压气体燃料排气集成装置7013；高压气体燃料排气集成装置7013与高压气体燃料调控集成装置7012双向连通，并连接高压燃油/气体燃料联动控制稳压机构703的回路。

高压气路检测保护单元702包括依次连接的气动截止阀7021、阻火器7022、气耗仪7023；所述数据采集系统实时检测和采集气耗仪7023中高压气体流量及消耗数据，传输给发动机控制系统。

燃油/气体燃料联动控制稳压机构703包括依次连接于燃油压力引入主通道d上的柱塞7031、压缩弹簧7032、弹簧调节旋钮7033；燃油压力引入主通道d通入来自燃油共轨装置402的燃油；在燃油压力引入主通道d的侧壁上位于柱塞7031工作行程起始段有气体燃料排气通道b，连接至所述高压气体燃料调控集成装置7012；柱塞7031工作行程中间段有气体燃料进入试验缸通道c，连接至发动机试验缸喷气单元704；压缩弹簧7032的工作行程中有气体燃料入口通道a，与气耗仪7023连接；柱塞7031长度大于气体燃料排气通道b与气体燃料进入试验缸通道c水平方向的最大距离。

发动机试验缸喷气单元704为气体燃料喷射阀，由所述发动机控制系统控制所述气体燃料喷射阀开启和关闭时刻，实现对气体燃料进入所述试验缸定时、定量的控制。

气体燃料喷射阀为电磁阀。

下面结合附图1，更具体的解释本发明的技术方案：

如图1所示，本发明的双燃料单缸发动机台架试验系统，选用凯迈机电有限公司生产的电涡流测功机作为测功机模块5；该测功机通过联轴器连接了一台潍柴wp12系列六缸柴油发动机；该六缸柴油发动机中的其中1个缸作为试验缸，为试验缸动力模块的重要部分；其余的5个缸作为拖动缸，为拖动缸动力模块的重要部分。

拖动缸动力模块包括拖动缸空气模块1和拖动缸燃油模块3，二者并行连接，共同为拖动缸运行，提供稳定动力。

试验缸动力模块包括试验缸空气模块2、试验缸双燃料供给模块6，二者并行连接，共同对试验缸的包括进气状态在内的各种参量进行实时调整，这些参数包括进气温度、压力、流量和组分等。其中，试验缸空气模块2包括试验缸进气状态调节模块210、连接在试验缸进气状态调节模块210上的进气状态监控模块220；试验缸进气状态调节模块210包括连通有试验缸的试验缸空气进气装置、从试验缸出口回连到试验缸进气状态调节模块210进气端的试验缸废气再循环装置；数据采集系统对进气状态监控模块220的实时转速和负荷时的诸项进气控制参数进行采集，并向发动机控制系统进行数据传输，以及回传发动机控制系统对试验缸进气状态调节模块210发出的实时控制信号。其中，试验缸双燃料供给模块6包括试验缸燃油供给模块4和试验缸高压气体燃料供给模块7；试验缸燃油供给模块4包括依次串接的试验缸燃油供给装置401、为燃油加压的燃油共轨装置402、燃油电控喷油装置403，以及连接燃油共轨装置402和燃油电控喷油装置403的回路、并回连到试验缸燃油供给装置401的回油泵404；燃油电控喷油装置403安装在试验缸上；数据采集系统采集燃油共轨装置402实时压力和曲轴凸轮轴信号，传输给发动机控制系统，并回传发动机控制系统实时的喷油反馈控制信号给燃油电控喷油装置403；试验缸高压气体燃料供给模块7将在后面进行详细说明。

本发明的双燃料单缸发动机台架试验系统中的拖动缸空气模块1延用广泛使用的多缸双燃料发动机空气模块；拖动缸燃油模块3采用惯用的多缸柴油机燃油模块，具体到本实施例，采用高压共轨式燃料供给模块。

本发明的发动机控制系统、测功机系统5、数据采集系统需要根据具体的试验要求、试验条件进行选用、布置。这些部分为成熟技术。

本实施例采用的数据采集系统为惯用技术设备，一般包括传感器、信号调理器、数据采集卡，和集成在计算机里的测量采集软件。

本发明的发动机控制系统为燃油、燃气双燃料的发动机控制系统，不但集成了多缸发动机m(本发明主要指拖动缸)进行整体控制的理论数据，还特别集成了对双燃料单缸试验缸进行整体控制的理论数据；本实施例集成的数据包括燃油和燃气的喷射定时、喷射压力、喷射量，进气状态包括进气压力等。发动机控制系统还集成了用这些理论数据与实时实验数据进行迭代计算、从而生成实时控制策略(即反馈控制信号)的过程控制程序，包括喷油定时控制、喷油量控制、喷气量控制、喷气定时控制、油/气压力控制等过程控制程序。

下面对照附图2～3，重点对本发明的试验缸高压气体燃料供给模块7进行详细说明：

试验缸高压气体燃料供给模块7的主要功能是为保证发动机运行给予可靠的气体燃料供给，其结果如附图2所示。理论上要求该模块要能够在灵活控制，即保证发动机单缸工作时能在足够宽的范围内调节气体燃料压力和流量，以满足不同发动机工况下的气体燃料供给压力和气体燃料流量的灵活控制要求；同时，还要求该模块可以进行气体燃料的消耗量、流动状态实时监测，保证试验缸高压气体燃料供给模块7自身及多缸发动机m安全性。

试验缸高压气体燃料供给模块7的供气管路上主要组成部分包括依次连接的试验缸高压气体燃料供给单元701中的高压气体燃料源7011和气体燃料调控集成装置7012、高压气路检测保护单元702、燃油/气体燃料联动控制稳压机构703、发动机试验缸喷气单元704。发动机试验缸喷气单元704连接至试验缸。其中，高压燃油/气体燃料联动控制稳压机构703包括依次连接的柱塞7031、压缩弹簧7032、弹簧调节旋钮7033；高压气路检测保护单元702包括依次连接的气动截止阀7021、阻火器7022、气耗仪7023；气体燃料调控集成装置7012包括依次连接的球阀、进气用针阀、高压段气滤、减压阀、进气用单向阀和低压段气滤；从进气用针阀的后端还连接有高压气体燃料排气集成装置7013直至排气通道e；高压气体燃料排气集成装置7013包括依次连接的与进气用针阀出口连接的电控三通阀、排气用针阀、排气端气滤，排气端气滤直通排气通道e；燃油/气体燃料联动控制稳压机构703经b通道，通过排气用单向阀，回连到电控三通阀；两路共同构成高压气体燃料排气通路，配合高压气体燃料压力的调整。

试验缸高压气体燃料供给模块7的燃油管路接出至图3中的燃油引入通道d，与燃油共轨装置402连通，可以实现燃油共轨装置402的实时压力与燃油/气体燃料联动控制稳压机构703中气体燃料压力的联动调整。

在发动机准备工作前，将高压气体燃料源7011外部的球阀打开，为系统提供一定压力(本实施例为20mpa)的气体燃料。在进气用针阀没有打开前，气体燃料无法进入供给管路；当发动机工作需要气体燃料时，打开进气用针阀后，一定压力的气体燃料流过高压段气滤(其作用是分离净化气体燃料，有效地过滤管道内污物，以确保输气和后端设备的安全运行，满足发动机对气体燃料质量要求)后，经过进气用针阀，经减压阀减压后进入供气低压端管路，在减压阀前后设置有高压压力表和低压压力表，高压压力表用于监测外部气源剩余气体压力以及减压前气体燃料压力，低压压力表用于确定减压后的气体燃料压力；气体燃料经过减压阀后通过进气用单向阀(设置进气用单向阀的目的是防止供气稳压单元中一旦出现柴油进入供气管路防止柴油向上游管路渗入，防止柴油进入气瓶污染气体燃料质量并影响系统可靠性)后，接低压段气滤(其功能与高压段气滤一致，进一步保证气体燃料的质量)；之后供气管路进入高压气路检测保护单元702，首先连接一个远程控制的气动截止阀7021(其作用是可以远程迅速切断往发动机的气体燃料供给，采用气动阀主要是考虑到对于气体燃料的管路设计中，采用电子元件的防爆性能没有采用气动机械元件的好)；气动截止阀7021后接有阻火器7022(其作用是防止意外情况下火焰窜入高压端供气管道内，阻止火焰在管道间蔓延)；阻火器7022后接气耗仪7023(其作用是检测系统供往发动机的气体流量以及供给系统中的气体流动状态，当检测到流量突增则判定高压气体燃料供给系统的气耗仪后端出现泄漏，当检测到流量突降则判定高压气体燃料供给系统的气耗仪7023前端出现泄漏或者前端出现管路堵塞状况，将异常信号传送至发动机控制系统，进行相应的声光报警提醒，同时为了防止供给管路中出现的气体燃料泄漏所带来的发动机气体燃料消耗量不精确给试验分析造成误差影响)，该气耗仪7023的布置尽可能接近发动机试验缸喷气单元704；气耗仪7023后接有高压燃油/气体燃料联动控制稳压机构703中的燃油/气体燃料联动控制稳压机构7031，其作用是保持进入发动机单缸喷气单元的气体燃料压力保持稳定，给予发动机稳定的燃烧边界条件；稳定压力的气体燃料通过发动机试验缸喷气单元704里的气体燃料喷射阀7041进入发动机气缸进行燃烧释放热量做功。

在发动机正常工作时，高压气体燃料排气集成装置7013中的电控三通阀会接通回气两端，锁闭通往排气通道e的一端，高压燃油/气体燃料联动控制稳压机构703中产生的一部分气体燃料会进入高压燃油/气体燃料联动控制稳压机构703与高压气体燃料排气集成装置7013相连的回气管路，这部分气体燃料通过高压气体燃料排气集成装置7013中的电控三通阀再次回到燃料调控集成装置7012进入气体燃料供给系统供往高压气路检测保护单元702；回气管路设置排气用单向阀的目的，是防止高压端气体直接通过回气管路进入高压燃油/气体燃料联动控制稳压机构703，使减压阀、气耗仪7023无法正常工作；当发动机的工况对气体燃料量没有需求后，关闭进气用针阀，即可停止供给系统向发动机供气；待停机后，需要将供给系统中残留的气体燃料进行排气操作时，保持进气用针阀关闭，打开排气用针阀，此时电控三通阀连接的两条回气管路变成高低压端的排气管路，供给系统高/低压端管路中残余的气体燃料将通过排气用针阀，排气端气滤经排气通道e排放至外部大气中。

本发明燃油/气体燃料联动控制稳压机构703的主要部分为柱塞7031、压缩弹簧7032、弹簧调节旋钮7033，其结构示意图如附图3所示。该部分有四条通道：燃油压力引入主通道d在左侧一端，连接燃油共轨装置402；燃油压力引入主通道d上部(柱塞7031工作行程的中间段)通道为气体燃料进入试验缸通道c；下部左侧(柱塞7031工作行程的起始段)为燃油压力引入主通道(d)上的气体燃料排气通道b，连通至图2所示的排气用单向阀；下部左侧(压缩弹簧7032的工作行程上)端口为高压燃油/气体燃料联动控制稳压机构703的气体燃料入口通道a，接通气耗仪7023。当发动机启动后，若未供给气体燃料压力，通道a里的气体燃料压力为0，左侧燃油压力来自于发动机的燃油共轨装置402中的燃油压力，依靠燃油压力将柱塞7031向右推到右侧极限位置，此时柱塞7031刚好挡住进入发动机试验缸喷射单元的通道c，同时柱塞7031长度大于气体燃料排气通道b与气体燃料进入试验缸通道c的水平方向最大距离，因此气体燃料排气通道b也是被堵住的状态，而气体燃料入口通道a未被堵住，保持与柱塞7031右侧腔内连通；当开始供给气体燃料时，打开高压气体燃料源7011前端的球阀与进气用针阀，系统内气体燃料压力上升，当气体燃料压力增大到一定程度，气体燃料压力加上压缩弹簧7032的弹力，可以抵消来自燃油共轨装置402的燃油压力后，柱塞7031向左移动，不再堵住气体燃料进入试验缸通道c，气体燃料排气通道b的状态继续保持被柱塞堵住，此时气体燃料入口通道a与发动机试验缸喷射单元的气体燃料进入试验缸通道c连通，气体燃料进入缸内燃烧，此时气体燃料压力与柴油压力差值为压缩弹簧7032的弹力值；如果气体燃料压力继续上升，柱塞7031继续左移，此时气体燃料排气通道b不再被柱塞堵住，此时气体燃料入口通道a与气体燃料排气通道b，进入发动机试验缸喷射单元的气体燃料进入试验缸通道c联通，由于排气通道端口压力低，柱塞右侧腔内气体燃料压力迅速由气体燃料排气通道b释放，压力降低；右侧气体燃料压力降低后，由于燃油压力的作用使柱塞右移，直至柱塞7031再次堵住气体燃料排气通道b，此时气体燃料压力与燃油压力差值还是压缩弹簧7032的弹力值。由此可见，进入发动机试验缸喷射单元704的气体燃料压力始终与燃油压力拥有一个固定的差值，可以实现稳压作用。同时，弹簧调节旋钮7033的功能是，调节压缩弹簧7032的预紧力，以此调节气体燃料与燃油的压力差值，另外，也要同时保证柱塞7031不顶到气体燃料入口通道a，使气体燃料入口通道a始终处于通气状态。

以上为结合附图对本发明的优选实施例进行的描述。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的情况下，还可以做出很多形式的结构和方法的改变。凡是现有技术中通过结构和元器件的简单变换，以达成本发明的目的，均属于本发明的保护范围之内。