CN105114194A - 通用飞机双燃料发动机燃烧系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种通用飞机双燃料发动机燃烧系统，其特征在于：包括LNG汽化及预混天然气供给装置、电控共轨柴油供给装置、电控系统、电子节气门和喷油嘴；其控制方法，包括电控系统通过控制带压力调节装置的柴油泵调节供给发动机柴油的压力，电控系统通过控制天然气喷射模块、电子节气门来调节供给发动机预混天然气的过量空气系数、混合气的量；本发明的优点在自增压单元的作用下保证LNG储罐内的压力，使LNG可以在储罐内压力的作用下通过管道流出LNG储罐，并进入LNG汽化器实现LNG由液态转化为气体燃料以供发动机的使用，实现了不需要点火系统及火花塞就可点燃高燃点的LNG燃料，同时可以提高LNG燃料的燃烧速度，实现发动机在不同工况下可采用不同的双燃料匹配方式，优化了双燃料发动机的整体性能。

Description

通用飞机双燃料发动机燃烧系统及方法

技术领域

本发明涉及一种发动机燃烧系统，尤其涉及通用飞机双燃料发动机燃烧系统及方法。

背景技术

近年来，随着通用飞机技术的逐渐成熟，其安全性和可靠性大大提高。随着2011年由国务院和中央军委发布的《关于深化我国低空空域管理改革的意见》文件的执行，截至2020年，中国将至少有80%的低空领域开放，这将为通用飞机的发展提供发展空间和机遇。可以预测，在不久的将来，通航产业必将在中国市场占有一席之地，也必将成为中国未来经济发展的中流砥柱之一。

目前通用飞机基本是以汽油发动机和柴油发动机为动力。根据我国汽车产业和船舶产业的发展经验来看，采用石油基的汽油和柴油为动力的通用飞机动力系统，随着其产业的发展必然会产生对石油基燃料的依赖性及严重的环境污染问题。清洁能源替代传统燃料的应用已经成为动力行业发展的大趋势，在通用飞机技术发展的同时就将低污染清洁能源的使用考虑进去将会促进通用飞机技术的发展。

液化天然气（LNG）是将天然气经过干燥脱酸处理后，在低温下液化成液态的一种液态燃料，主要成分是甲烷（96%以上）。液态密度为0.42～0.46t/m³，液态热值50MJ/kg。LNG无色、无味、无毒且无腐蚀性，其体积重量仅为同体积水的45%左右。与汽油和柴油相比，LNG具有密度低、成本低、热值高的特点，同时LNG燃烧后产生的污染物要比柴油低很多。在汽车上的试验表明，应用LNG为燃料时尾气中CO减少97%，HC+NOx减少72%，CO₂减少90，噪声减少40%，C₆H₆铅粉尘等减少100%。将LNG作为通用飞机动力系统的燃料还是一个全新的领域，目前还未见相关报道。如果能将LNG作为通用飞机动力系统的燃料，在降低通用飞机产生的环境污染的同时还将大幅度减少燃料成本，提升通用飞机的经济性。

LNG燃点为650℃，比汽油燃点427℃和柴油燃点220℃高出很多，因此LNG发动机如同汽油发动机一样，也需要采用电子点燃着火方式，通过高压电子点火线圈、火花塞放出火花，点燃天然气与洁净空气的混合气。LNG的绝热火焰温度接近2000℃，如果燃料与空气混合不均匀出现燃烧热点会导致火花塞烧毁。

LNG的主要成分是甲烷，燃烧过程中具有火焰传播速度慢、燃烧期增长、燃烧室内压力和温度上升缓慢的特点，导致LNG发动机的爆发压力差、发动机的动力特性没有使用柴油时强，同时由于燃烧时间长、气体燃料本身体积占进气体积比例大，导致进入燃烧室的空气流量小使极端工况下燃烧室燃烧不完全、污染物排放高、甚至熄火。

发明内容

为解决通用飞机动力系统使用石油基燃料时所引起的环境和社会问题及使用LNG燃料时存在的技术问题，本发明提供了一种通用飞机双燃料发动机燃烧系统及方法，该系统及方法采用LNG与柴油两种燃料。根据发动机的运转工况，通过控制天然气喷射模块和电子节气门，提供适量的一定浓度的天然气和空气混合气。同时，在发动机压缩冲程后期，喷入少量柴油作为引燃源，引燃柴油喷束着火后，在燃烧室内不同位置形成多个火核，点燃气缸内的预混天然气和空气混合气，使天然气和空气混合气可以在尽量短的时间内完成燃烧放热过程，实现发动机快速低排放高效燃烧的目的，同时发动机内可以不用安装点火器，减少了发动机复杂性的同时也避免了火花塞被烧毁所引起的问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种可应用于通用飞机的使用LNG和柴油的双燃料发动机燃烧系统，包括LNG汽化及预混天然气供给装置、电控共轨柴油供给装置、电控系统、电子节气门和喷油嘴；所述电控共轨柴油供给装置、预混天然气供给装置、电子节气门和喷油嘴分别与电控系统ECU连接；所述电子节气门和喷油嘴安装在发动机上，所述电子节气门与预混天然气供给装置连接，所述喷油嘴与电控共轨柴油供给装置连接；电控系统ECU控制预混天然气供给装置提供设定浓度的天然气和空气混合气，并对供给柴油的压力进行调节，控制柴油的喷射时刻。

所述预混天然气供给装置包括：LNG储罐、储罐自增压单元、LNG汽化器、天然气缓冲罐、稳压器、天然气流量计、天然气喷射模块和混合器；所述LNG储罐用于储存低温LNG，并带有储罐自增压单元来满足LNG储罐中对压力的要求。LNG储罐与LNG汽化器相连，在LNG储罐内压力的作用下，LNG流出LNG储罐后在LNG汽化器内发生相态变化，由液态转化为气态。LNG汽化器与缓冲罐相连，缓冲罐与稳压器相连，稳压器与天然气喷射模块相连，天然气喷射模块与天然气和空气混合器相连，储罐自增压单元安装在LNG储罐下方；

所述的混合器为天然气和空气混合器；

所述稳压器与天然气喷射模块之间还安装有天然气流量计；

所述天然气喷射模块与电控系统相连，用于控制天然气喷射模块的燃料流量；

所述电子节气门与电控系统相连，用于控制进入发动机的混合气的流量。

所述电控共轨柴油供给装置包括：油箱、柴油滤清器、带压力调节装置的柴油泵、柴油轨以及喷油嘴；所述油箱与柴油滤清器相连，柴油滤清器与带压力调节装置的柴油泵的输入端相连，柴油泵的低压回油管路与油箱相连，高压供油管路与柴油轨相连，柴油轨通过高压油管与喷油嘴相连，柴油轨通过低压管路同柴油泵相连，喷油嘴的低压回油管路同柴油泵相连；

所述柴油滤清器与柴油泵之间还安装有柴油油耗仪；

所述柴油轨的一端安装有柴油轨压力传感器，所述柴油轨压力传感器与电控系统连接，用于采集柴油轨内的压力；

所述电控系统与带压力调节装置的柴油泵连接，用于控制柴油泵的转速进而控制柴油流量。

所述喷油嘴和电子节气门安装于飞机发动机的缸盖上，飞机发动机的进气端的管道上设置有中冷器，飞机发动机的进气道与排气道之间设置有涡轮增压器。燃料在飞机发动机内燃烧后将燃料的化学能转化为机械能传递给通用飞机的螺旋桨，推动飞机前进；

所述飞机发动机的一侧还安装有转速传感器，转速传感器将信号传递给电控系统，用于飞机发动机性能监测；

所述飞机发动机的进气管道上设有进气压力温度传感，排气管道上设有排气氧传感器，传感器的信号传递给电控系统，用于制定发动机控制策略。

一种可应用于通用飞机的使用LNG和柴油的双燃料发动机燃烧系统的控制方法，包括：

根据发动机的工况，电控系统通过控制带压力调节装置的柴油泵调节供给发动机柴油的压力，电控系统通过控制天然气喷射模块、电子节气门来调节供给发动机预混天然气的过量空气系数、混合气的量；

在发动机正常运行工况下，所需柴油量用于引燃天然气与空气的混合气体，所需燃料流量小，能实现引燃功能即可；

在极端工况下，天然气与空气的混合气体的可燃性不好，可通过增加柴油泵的压力来增加柴油喷嘴供给柴油的流量。

本发明的优点

本发明提供了一种适用于以LNG和柴油为燃料的双燃料发动机燃烧系统及方法，低温LNG储存在LNG储罐内，在自增压单元的作用下保证LNG储罐内的压力，使LNG可以在储罐内压力的作用下通过管道流出LNG储罐，并进入LNG汽化器实现LNG由液态转化为气体燃料以供发动机的使用。

本发明根据LNG和柴油的物性及燃烧特点，采用了使用柴油来点燃天然气与空气的混合气体的方式，实现了不需要点火系统及火花塞就可点燃高燃点的LNG燃料，同时可以提高LNG燃料的燃烧速度。

本发明根据发动机的运转工况，通过电控系统控制混合气的流量及浓度、柴油喷射压力，实现发动机在不同工况下可采用不同的双燃料匹配方式，优化了双燃料发动机的整体性能。

附图说明：

图1是本发明通用飞机双燃料发动机燃烧系统结构示意图；

图中：1LNG储罐、2储罐自增压单元、3LNG汽化器、4缓冲罐、5稳压器、6天然气流量计、7天然气喷射模块、8混合器、9涡轮增压器、10中冷器、11电子节气门、12喷油嘴、13螺旋桨、14发动机、15电控系统、16柴油轨、17带压力调节装置的柴油泵、18柴油油耗仪19柴油滤清器、20油箱。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1所示，双燃料发动机燃烧系统，包括：通过电控系统ECU14分别控制的预混天然气供给装置及电控共轨柴油供给装置，电控系统14根据发动机13的工况通过控制带压力调节装置的柴油泵16调节供给发动机13一定压力的引燃柴油，电控系统14根据发动机13的工况通过控制天然气喷射模块7和电子节气门11来调节供给发动机13一定过量空气系数的预混天然气。

预混天然气供给装置，包括LNG储罐1，储罐自增压单元2，LNG汽化器3，天然气缓冲罐4，稳压器5，天然气流量计6，天然气喷射模块7，混合器8；低温LNG储存在LNG储罐1中，其中LNG储罐1为双层绝热结构，并带有储罐自增压单元2来满足LNG储罐中对压力的要求。LNG储罐1与LNG汽化器3相连，在LNG储罐1内压力的作用下，LNG流出LNG储罐后在LNG汽化器内发生相态变化，由液态转化为气态。LNG汽化器3与缓冲罐4相连，缓冲罐4与稳压器5相连，稳压器5与天然气喷射模块7相连，天然气喷射模块7与天然气和空气混合器8相连；稳压器5与天然气喷射模块7之间还安装有天然气流量计6，，储罐自增压单元2安装在LNG储罐1下方。

电控共轨柴油供给装置，包括：油箱20，柴油滤清器19，带压力调节装置的柴油泵17，柴油轨16以及喷油嘴12；油箱20与柴油滤清器19相连，柴油滤清器19与带压力调节装置的柴油泵17的输入端相连，柴油泵17的低压回油管路与油箱20相连，高压供油管路与柴油轨16相连，柴油轨16通过高压油管与喷油嘴12相连，柴油轨13通过低压管路同柴油泵17相连，喷油嘴12的低压回油管路同柴油泵17相连。柴油滤清器19与柴油泵17之间还安装有柴油油耗仪18。

喷油嘴12安装于发动机14的缸盖上，发动机14的进气端的管道上设置有中冷器10，发动机14的进气道与排气道之间设置有涡轮增压器9；发动机14的进气管道上还设有进气压力温度传感，排气管道上设有排气氧传感器。燃料在发动机内燃烧后将燃料的化学能转化为机械能传递给通用飞机的螺旋桨13，推动飞机前进。发动机9的一侧还安装有转速传感器，柴油轨16的一端安装有柴油轨压力传感器。

电控系统15与带压力调节装置的柴油泵17、天然气喷射模块7、电子节气门11、喷油嘴12以及用于采集系统内各种信号的传感器分别相连，这些传感器包括柴油轨压力传感器、进气温度压力传感器、转速传感器以及排气氧传感器。

根据本发明的实施方式，发动机的燃料供给系统包括预混天然气供给装置及电控共轨柴油供给装置。预混天然气供给装置中，低温LNG在储罐自增压单元2的作用下从LNG储罐1中流出后，经LNG汽化器3、缓冲罐4及稳压器5稳压后，安装在天然气管路中的天然气流量计6测量天然气流量，然后进入天然气喷射模块7，电控系统15根据空气流量、发动机转速等对天然气流量进行计算修正，并通过天然气喷射模块7调节天然气供给量后将天然气供入混合器8，与从进气管路进入的新鲜空气进行混合，所形成的天然气和空气混合气经涡轮增压器9增压并经中冷器10中冷后，经电子节气门11进入发动机14的燃烧室。

电控共轨柴油供给装置，发动机在不同工况下运转时，柴油经油箱20，在柴油滤清器19中过滤后，经柴油泵17加压后进入柴油轨16，电控系统15根据转速传感器、进气压力温度传感器及排气氧传感器等反馈的参数结合柴油轨压传感器反馈的轨压信号通过带压力调节装置的柴油泵17调节柴油轨16的供给压力及喷油嘴12执行器的电磁阀信号，控制喷油嘴12的喷射时刻。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (7)

1.一种通用飞机双燃料发动机燃烧系统，其特征在于:包括LNG汽化及预混天然气供给装置、电控共轨柴油供给装置、电控系统、电子节气门和喷油嘴；所述电控共轨柴油供给装置、预混天然气供给装置、电子节气门和喷油嘴分别与电控系统ECU连接；所述电子节气门和喷油嘴安装在发动机上，所述电子节气门与预混天然气供给装置连接，所述喷油嘴与电控共轨柴油供给装置连接；电控系统ECU控制预混天然气供给装置提供设定浓度的天然气和空气混合气，并对供给柴油的压力进行调节，控制柴油的喷射时刻。

2.根据权利要求1所述的通用飞机双燃料发动机燃烧系统，其特征在于:所述预混天然气供给装置包括：LNG储罐、储罐自增压单元、LNG汽化器、天然气缓冲罐、稳压器、天然气流量计、天然气喷射模块和混合器；所述LNG储罐用于储存低温LNG，并带有储罐自增压单元来满足LNG储罐中对压力的要求，LNG储罐与LNG汽化器相连，在LNG储罐内压力的作用下，LNG流出LNG储罐后在LNG汽化器内发生相态变化，由液态转化为气态，LNG汽化器与缓冲罐相连，缓冲罐与稳压器相连，稳压器与天然气喷射模块相连，天然气喷射模块与天然气和空气混合器相连，储罐自增压单元安装在LNG储罐下方。

3.根据权利要求2所述的通用飞机双燃料发动机燃烧系统，其特征在于:所述的混合器为天然气和空气混合器；所述稳压器与天然气喷射模块之间还安装有天然气流量计；所述天然气喷射模块与电控系统相连，用于控制天然气喷射模块的燃料流量；所述电子节气门与电控系统相连，用于控制进入发动机的混合气的流量。

4.根据权利要求1所述的通用飞机双燃料发动机燃烧系统，其特征在于:所述电控共轨柴油供给装置包括：油箱、柴油滤清器、带压力调节装置的柴油泵、柴油轨以及喷油嘴；所述油箱与柴油滤清器相连，柴油滤清器与带压力调节装置的柴油泵的输入端相连，柴油泵的低压回油管路与油箱相连，高压供油管路与柴油轨相连，柴油轨通过高压油管与喷油嘴相连，柴油轨通过低压管路同柴油泵相连，喷油嘴的低压回油管路同柴油泵相连。

5.根据权利要求4所述的通用飞机双燃料发动机燃烧系统，其特征在于:所述柴油滤清器与柴油泵之间还安装有柴油油耗仪；

所述柴油轨的一端安装有柴油轨压力传感器，所述柴油轨压力传感器与电控系统连接，用于采集柴油轨内的压力；

所述电控系统与带压力调节装置的柴油泵连接，用于控制柴油泵的转速进而控制柴油流量。

6.根据权利要求1所述的通用飞机双燃料发动机燃烧系统，其特征在于:所述喷油嘴和电子节气门安装于飞机发动机的缸盖上，飞机发动机的进气端的管道上设置有中冷器，发动机的进气道与排气道之间设置有涡轮增压器，燃料在飞机发动机内燃烧后将燃料的化学能转化为机械能传递给通用飞机的螺旋桨，推动飞机前进；

所述飞机发动机的一侧还安装有转速传感器，转速传感器将信号传递给电控系统，用于发动机性能监测；

所述飞机发动机的进气管道上设有进气压力温度传感器，排气管道上设有排气氧传感器，传感器的信号传递给电控系统，用于制定发动机控制策略。

7.一种可应用于通用飞机的使用LNG和柴油的双燃料发动机燃烧系统的控制方法，其特征在于：包括：

根据发动机的工况，电控系统通过控制带压力调节装置的柴油泵调节供给发动机柴油的压力，电控系统通过控制天然气喷射模块、电子节气门来调节供给发动机预混天然气的过量空气系数、混合气的量；

在发动机正常运行工况下，所需柴油量用于引燃天然气与空气的混合气体，所需燃料流量小，能实现引燃功能即可；

在极端工况下，天然气与空气的混合气体的可燃性不好，可通过增加柴油泵的压力来增加柴油喷嘴供给柴油的流量。