缸内直喷是点燃式内燃机减少燃料消耗量、降低污染物排放和提升性能的有效方法，可使用的燃料包括气体燃料和液体燃料两大类。本发明提供一种用于点燃式内燃机的双喷嘴气/液双燃料缸内直喷系统及其控制方法，具体涉及双喷嘴气/液双燃料的缸内直喷及喷射过程控制。
背景技术：
与气道喷射等缸外喷射模式相比，采用缸内直喷的方式将燃料直接喷入点燃式内燃机可利用分层燃烧的方式有效减少燃料消耗量、降低污染物排放，同时提高内燃机响应速度，有利于提高热效率，进而具有更优的动力性、经济性和排放特性。
按照燃料物理状态分类，内燃机目前使用的燃料可分为气体燃料和液体燃料两大类。气体燃料具有不存在蒸发过程、扩散速度快、燃烧时颗粒物排放较少等优势，但其能量密度较低，内燃机仅采用气体燃料往往存在动力性能较差等问题。相比之下，液体燃料具有较高的能量密度，可保证内燃机所需的动力性能，但其可燃混合气的形成存在蒸发雾化过程，不利于点燃式内燃机缸内直喷的分层组织，同时其燃烧过程存在较高的颗粒物排放。目前，已有点燃式内燃机在气道喷射等缸外喷射模式下采用气/液双燃料混合燃烧方式的相关研究，研究结果表明，通过适当调整气体、液体两种燃料的使用比例可有效改善点燃式内燃机动力性能并降低其污染物排放。
但目前采用缸内直喷气/液双燃料混合燃烧方式的技术还鲜有报道，其主要原因在于：气体在缸内的高压喷射对喷嘴的要求较高，喷嘴长时间喷射高压气体存在润滑与散热方面存在问题。此外，气/液双燃料缸内直喷模式的燃料供给系统结构复杂，在缸盖狭小的空间中布置该系统存在难度，对现有内燃机缸盖改动较大。然而，为面对日渐苛刻的燃料消耗及污染物排放限制法规，双喷嘴气/液双燃料缸内直喷在点燃式内燃机动力性、经济性和排放性能方面的优势更为凸显。
技术实现要素：
针对单一气体或液体燃料在内燃机缸内喷射燃烧时的动力性能或燃料经济性、排放性能的不足及气体燃料喷嘴高压喷射面临的润滑与散热方面的问题，为使内燃机可以采用气/液双燃料直喷至缸内燃烧实现进一步节能减排的目的，本发明提供一种双喷嘴气/液双燃料内燃机缸内直喷系统及方法。
为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种用于点燃式内燃机的双喷嘴气/液双燃料缸内直喷系统，该系统沿用点燃式内燃机主体(16)，并采用一套双喷嘴气/液双燃料缸内直喷装置用于实现气/液双燃料存储、供给、缸内直喷和一套喷射过程控制装置用于实现气/液双燃料的协同喷射。
其特征在于：双喷嘴气/液双燃料缸内直喷装置包括气体燃料罐(2)、气体燃料流量传感器(3)、气体燃料控制阀(4)、气体燃料稳压器(5)、气体燃料加压泵(6)、气体燃料轨压传感器(7)、气体燃料喷嘴(8)、液体燃料箱(15)、液体燃料流量传感器(14)、液体燃料控制阀(13)、液体燃料一级加压泵(12)、液体燃料二级加压泵(11)、液体燃料轨压传感器(10)、液体燃料喷嘴(9)；喷射过程控制装置的核心部件为燃料喷射电子控制单元(1)。
所述的燃料喷射电子控制单元(1)通过气体燃料流量传感器(3)获取气体燃料流量信号(j)，并用于喷射过程控制；
所述的燃料喷射电子控制单元(1)通过气体燃料轨压传感器(7)获取气体燃料轨压信号(g)，并用于喷射过程控制；
所述的燃料喷射电子控制单元(1)通过液体燃料流量传感器(14)获取液体燃料流量信号(a)并用于喷射过程控制；
所述的燃料喷射电子控制单元(1)通过液体燃料轨压传感器(10)获取液体燃料轨压信号(d)并用于喷射过程控制；
所述的燃料喷射电子控制单元(1)通过气体燃料控制阀控制信号(i)控制气体燃料控制阀(4)；
所述的燃料喷射电子控制单元(1)通过气体燃料加压泵控制信号(h)控制气体燃料加压泵(6)；
所述的燃料喷射电子控制单元(1)通过气体燃料喷嘴控制信号(f)控制气体燃料喷嘴(8)；
所述的燃料喷射电子控制单元(1)通过液体燃料控制阀控制信号(b)控制液体燃料控制阀(13)；
所述的燃料喷射电子控制单元(1)通过液体燃料二级加压泵控制信号(c)控制液体燃料二级加压泵(11)；
所述的燃料喷射电子控制单元(1)通过液体燃料喷嘴控制信号(e)控制液体燃料喷嘴(9)；
所述的气体燃料包括氢气、压缩天然气、液化天然气、液化石油气、二甲醚，液体燃料包括汽油、甲醇或乙醇；
所述的气体燃料在气体燃料罐(2)中加压存储，存储压力不超过10MPa，液体燃料在液体燃料箱(15)中常压存储。
本发明中一种双喷嘴气/液双燃料缸内直喷系统的控制方法，包括如下控制过程：
1)气体燃料供给、喷射控制过程：燃料喷射电子控制单元(1)通过气体燃料控制阀控制信号(i)开启气体燃料控制阀(4)，气体燃料从气体燃料罐(2)流出，经过气体燃料控制阀(4)进入气体燃料稳压器(5)稳压至8MPa，随后进入气体燃料加压泵(6)加压至15MPa，最后燃料喷射电子控制单元(1)通过气体燃料喷嘴控制信号(f)控制气体燃料喷嘴(8)实现气体燃料的缸内喷射；
2)液体燃料供给、喷射控制过程：燃料喷射电子控制单元(1)通过液体燃料控制阀控制信号(b)开启液体燃料控制阀(13)，液体燃料从液体燃料箱(15)流出，经过液体燃料控制阀(13)进入液体燃料一级加压泵(12)稳压至0.4MPa，随后进入液体燃料二级加压泵(11)加压至12MPa，最后燃料喷射电子控制单元(1)通过液体燃料喷嘴控制信号(e)控制液体燃料喷嘴(9)实现液体燃料的缸内喷射；
3)气/液双燃料协同喷射模式包括：
①气体燃料单独喷射。该模式下，气体燃料按照气体燃料供给、喷射控制过程，实现气体燃料的缸内喷射，气体燃料喷嘴(8)的开启时刻及喷射脉宽由燃料喷射电子控制单元(1)通过气体燃料喷嘴控制信号(f)控制；燃料喷射电子控制单元(1)通过液体燃料控制阀控制信号(b)关闭液体燃料控制阀(13)，根据液体燃料轨压信号(d)通过液体燃料二级加压泵控制信号(c)控制液体燃料二级加压泵(11)使其处于保压状态(液体燃料轨压为10至12MPa)，通过液体燃料喷嘴控制信号(e)控制液体燃料喷嘴(9)处于关闭状态，实现气体燃料单独喷射；
②液体燃料单独喷射。该模式下，液体燃料按照液体燃料供给、喷射控制过程，实现液体燃料的缸内喷射，液体燃料喷嘴(9)的开启时刻及喷射脉宽由燃料喷射电子控制单元(1)通过液体燃料喷嘴控制信号(e)控制；同时，燃料喷射电子控制单元(1)通过气体燃料控制阀控制信号(i)关闭气体燃料控制阀(4)，根据气体燃料轨压信号(g)通过气体燃料加压泵控制信号(h)控制气体燃料加压泵(6)使其处于保压状态(液体燃料轨压为13至15MPa)，通过气体燃料喷嘴控制信号(f)控制气体燃料喷嘴(8)处于关闭状态，实现液体燃料单独喷射；
③气/液双燃料复合喷射。该模式下，气体燃料和液体燃料分别按照气体燃料供给、喷射控制过程和液体燃料供给、喷射控制过程，实现液体燃料的缸内喷射，气体燃料喷嘴(8)和液体燃料喷嘴(9)的开启时刻及喷射脉宽由燃料喷射电子控制单元(1)分别通过气体燃料喷嘴控制信号(f)和液体燃料喷嘴控制信号(e)控制，实现气/液双燃料复合喷射；
4)气/液双燃料协同喷射比例控制过程：根据气体燃料理论使用流量计算公式(式中，为气体燃料理论使用流量，mg/ms；α为气/液双燃料质量比；为内燃机空气流量，g/s，通过内燃机进气空气流量信号(k)获得；λ为过量空气系数；A/Fg气体燃料理论质量空燃比；A/F1液体燃料理论空燃比)燃料喷射电子控制单元(1)通过气体燃料喷嘴控制信号(f)控制气体燃料喷嘴(8)的喷射脉宽，使燃料喷射电子控制单元(1)通过气体燃料流量信号(j)获得的气体燃料实际使用流量等于气体燃料理论使用流量；根据液体燃料理论使用流量计算公式(式中，为液体燃料理论使用流量，mg/ms；为内燃机空气流量，g/s，通过内燃机进气空气流量信号(k)获得；α为气/液双燃料使用质量比；λ为过量空气系数；A/Fg气体燃料理论质量空燃比；A/F1液体燃料理论空燃比)燃料喷射电子控制单元(1)通过液体燃料喷嘴控制信号(e)控制液体燃料喷嘴(9)的喷射脉宽，使燃料喷射电子控制单元(1)通过液体燃料流量信号(a)获得的气体燃料实际使用流量等于气体燃料理论使用流量；
5)气/液双燃料使用比例控制过程中，气/液双燃料质量比α在0至1间，a＝mg/ml；过量空气系数λ在1.0至1.4间；
6)气/液双燃料协同喷射比例控制过程中，若气体燃料实际使用流量大于气体燃料理论使用流量，则燃料喷射电子控制单元(1)通过气体燃料喷嘴控制信号(f)控制气体燃料喷嘴(8)的喷射脉宽减小1ms，直到相等为止；若气体燃料实际使用流量小于气体燃料理论使用流量，则燃料喷射电子控制单元(1)通过气体燃料喷嘴控制信号(f)控制气体燃料喷嘴(8)的喷射脉宽增大1ms，直到相等为止；若气体燃料实际使用流量等于气体燃料理论使用流量，则燃料喷射电子控制单元(1)通过气体燃料喷嘴控制信号(f)控制气体燃料喷嘴(8)的喷射脉宽保持不变；
7)根据权利要求4所述方法，其特征在于：气/液双燃料协同喷射比例控制过程中，若液体燃料实际使用流量大于液体燃料理论使用流量，则燃料喷射电子控制单元(1)通过液体燃料喷嘴控制信号(e)控制液体燃料喷嘴(9)的喷射脉宽减小1ms，直到相等为止；若液体燃料实际使用流量小于液体燃料理论使用流量，则燃料喷射电子控制单元(1)通过液体燃料喷嘴控制信号(e)控制液体燃料喷嘴(9)的喷射脉宽增大1ms，直到相等为止；若液体燃料实际使用流量等于液体燃料理论使用流量，则燃料喷射电子控制单元(1)通过液体燃料喷嘴控制信号(e)控制液体燃料喷嘴(9)的喷射脉宽保持不变。
本发明的有益效果是：针对点燃式内燃机单一气体燃料喷射动力性不足，单一液体燃料喷射燃料经济性及排放性能不足的问题；气体燃料喷嘴高压喷射面临的润滑与散热方面的问题，本发明提供的一种双喷嘴气/液双燃料内燃机缸内直喷系统及方法，实现了气体燃料和液体燃料在缸内的直接复合喷射，并可使气体、液体燃料的以任意比例复合喷射并对其喷射使用量进行实时控制，进而为内燃机实现更好的燃料经济性、动力性和排放特性，提高内燃机热效率、降低其运行过程污染物排放提供了必要的技术支持。
附图说明
图1为本发明的结构和工作原理图
图中：1.燃料喷射电子控制单元；2.气体燃料罐；3.气体燃料流量传感器；4.气体燃料控制阀；5.气体燃料稳压器；6.气体燃料加压泵；7.气体燃料轨压传感器；8.气体燃料喷嘴；9.液体燃料喷嘴；10.液体燃料轨压传感器；11.液体燃料二级加压泵；12.液体燃料一级加压泵；13.液体燃料控制阀；14.液体燃料流量传感器；15.液体燃料箱；16.内燃机主体；
a.液体燃料流量信号；b.液体燃料控制阀控制信号；c.液体燃料二级加压泵控制信号；d.液体燃料轨压信号；e.液体燃料喷嘴控制信号；f.气体燃料喷嘴控制信号；g.气体燃料轨压信号；h.气体燃料加压泵控制信号；i.气体燃料控制阀控制信号；j.气体燃料流量信号；k.内燃机进气空气流量信号。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
如图1所示，本实施例中的一种用于点燃式内燃机的双喷嘴气/液双燃料缸内直喷系统，该系统沿用点燃式内燃机主体(16)，并采用一套双喷嘴气/液双燃料缸内直喷装置用于实现气/液双燃料存储、供给、缸内直喷和一套喷射过程控制装置用于实现气/液双燃料的协同喷射。
其特征在于：双喷嘴气/液双燃料缸内直喷装置包括气体燃料罐(2)、气体燃料流量传感器(3)、气体燃料控制阀(4)、气体燃料稳压器(5)、气体燃料加压泵(6)、气体燃料轨压传感器(7)、气体燃料喷嘴(8)、液体燃料箱(15)、液体燃料流量传感器(14)、液体燃料控制阀(13)、液体燃料一级加压泵(12)、液体燃料二级加压泵(11)、液体燃料轨压传感器(10)、液体燃料喷嘴(9)；喷射过程控制装置的核心部件为燃料喷射电子控制单元(1)。
所述的燃料喷射电子控制单元(1)通过气体燃料流量传感器(3)获取气体燃料流量信号(j)，并用于喷射过程控制；
所述的燃料喷射电子控制单元(1)通过气体燃料轨压传感器(7)获取气体燃料轨压信号(g)，并用于喷射过程控制；
所述的燃料喷射电子控制单元(1)通过液体燃料流量传感器(14)获取液体燃料流量信号(a)并用于喷射过程控制；
所述的燃料喷射电子控制单元(1)通过液体燃料轨压传感器(10)获取液体燃料轨压信号(d)并用于喷射过程控制；
所述的燃料喷射电子控制单元(1)通过气体燃料控制阀控制信号(i)控制气体燃料控制阀(4)；
所述的燃料喷射电子控制单元(1)通过气体燃料加压泵控制信号(h)控制气体燃料加压泵(6)；
所述的燃料喷射电子控制单元(1)通过气体燃料喷嘴控制信号(f)控制气体燃料喷嘴(8)；
所述的燃料喷射电子控制单元(1)通过液体燃料控制阀控制信号(b)控制液体燃料控制阀(13)；
所述的燃料喷射电子控制单元(1)通过液体燃料二级加压泵控制信号(c)控制液体燃料二级加压泵(11)；
所述的燃料喷射电子控制单元(1)通过液体燃料喷嘴控制信号(e)控制液体燃料喷嘴(9)；
所述的气体燃料包括氢气、压缩天然气、液化天然气、液化石油气、二甲醚，液体燃料包括汽油、甲醇或乙醇；
所述的气体燃料在气体燃料罐(2)中加压存储，存储压力不超过10MPa，液体燃料在液体燃料箱(15)中常压存储。
本发明中一种双喷嘴气/液双燃料缸内直喷系统的控制方法，包括如下控制过程：
1)气体燃料供给、喷射控制过程：燃料喷射电子控制单元(1)通过气体燃料控制阀控制信号(i)开启气体燃料控制阀(4)，气体燃料从气体燃料罐(2)流出，经过气体燃料控制阀(4)进入气体燃料稳压器(5)稳压至8MPa，随后进入气体燃料加压泵(6)加压至15MPa，最后燃料喷射电子控制单元(1)通过气体燃料喷嘴控制信号(f)控制气体燃料喷嘴(8)实现气体燃料的缸内喷射；
2)液体燃料供给、喷射控制过程：燃料喷射电子控制单元(1)通过液体燃料控制阀控制信号(b)开启液体燃料控制阀(13)，液体燃料从液体燃料箱(15)流出，经过液体燃料控制阀(13)进入液体燃料一级加压泵(12)稳压至0.4MPa，随后进入液体燃料二级加压泵(11)加压至12MPa，最后燃料喷射电子控制单元(1)通过液体燃料喷嘴控制信号(e)控制液体燃料喷嘴(9)实现液体燃料的缸内喷射；
3)气/液双燃料协同喷射模式包括：
①气体燃料单独喷射模式。该模式下，气体燃料按照气体燃料供给、喷射控制过程，实现气体燃料的缸内喷射，气体燃料喷嘴(8)的开启时刻及喷射脉宽由燃料喷射电子控制单元(1)通过气体燃料喷嘴控制信号(f)控制；燃料喷射电子控制单元(1)通过液体燃料控制阀控制信号(b)关闭液体燃料控制阀(13)，根据液体燃料轨压信号(d)通过液体燃料二级加压泵控制信号(c)控制液体燃料二级加压泵(11)使其处于保压状态(液体燃料轨压为10至12MPa)，通过液体燃料喷嘴控制信号(e)控制液体燃料喷嘴(9)处于关闭状态，实现气体燃料单独喷射；
②液体燃料单独喷射模式。该模式下，液体燃料按照液体燃料供给、喷射控制过程，实现液体燃料的缸内喷射，液体燃料喷嘴(9)的开启时刻及喷射脉宽由燃料喷射电子控制单元(1)通过液体燃料喷嘴控制信号(e)控制；同时，燃料喷射电子控制单元(1)通过气体燃料控制阀控制信号(i)关闭气体燃料控制阀(4)，根据气体燃料轨压信号(g)通过气体燃料加压泵控制信号(h)控制气体燃料加压泵(6)使其处于保压状态(液体燃料轨压为13至15MPa)，通过气体燃料喷嘴控制信号(f)控制气体燃料喷嘴(8)处于关闭状态，实现液体燃料单独喷射；
③气/液双燃料复合喷射模式。该模式下，气体燃料和液体燃料分别按照气体燃料供给、喷射控制过程和液体燃料供给、喷射控制过程，实现液体燃料的缸内喷射，气体燃料喷嘴(8)和液体燃料喷嘴(9)的开启时刻及喷射脉宽由燃料喷射电子控制单元(1)分别通过气体燃料喷嘴控制信号(f)和液体燃料喷嘴控制信号(e)控制，实现气/液双燃料复合喷射；
4)气/液双燃料协同喷射比例控制过程：根据气体燃料理论使用流量计算公式(式中，为气体燃料理论使用流量，mg/ms；α为气/液双燃料质量比；为内燃机空气流量，g/s，通过内燃机进气空气流量信号(k)获得；λ为过量空气系数；A/Fg气体燃料理论质量空燃比；A/F1液体燃料理论空燃比)燃料喷射电子控制单元(1)通过气体燃料喷嘴控制信号(f)控制气体燃料喷嘴(8)的喷射脉宽，使燃料喷射电子控制单元(1)通过气体燃料流量信号(j)获得的气体燃料实际使用流量等于气体燃料理论使用流量；根据液体燃料理论使用流量计算公式(式中，为液体燃料理论使用流量，mg/ms；为内燃机空气流量，g/s，通过内燃机进气空气流量信号(k)获得；α为气/液双燃料使用质量比；λ为过量空气系数；A/Fg气体燃料理论质量空燃比；A/F1液体燃料理论空燃比)燃料喷射电子控制单元(1)通过液体燃料喷嘴控制信号(e)控制液体燃料喷嘴(9)的喷射脉宽，使燃料喷射电子控制单元(1)通过液体燃料流量信号(a)获得的气体燃料实际使用流量等于气体燃料理论使用流量；
5)气/液双燃料使用比例控制过程中，气/液双燃料质量比α在0至1间，α＝mg/m1；过量空气系数λ在1.0至1.4间；
6)气/液双燃料协同喷射比例控制过程中，若气体燃料实际使用流量大于气体燃料理论使用流量，则燃料喷射电子控制单元(1)通过气体燃料喷嘴控制信号(f)控制气体燃料喷嘴(8)的喷射脉宽减小1ms，直到相等为止；若气体燃料实际使用流量小于气体燃料理论使用流量，则燃料喷射电子控制单元(1)通过气体燃料喷嘴控制信号(f)控制气体燃料喷嘴(8)的喷射脉宽增大1ms，直到相等为止；若气体燃料实际使用流量等于气体燃料理论使用流量，则燃料喷射电子控制单元(1)通过气体燃料喷嘴控制信号(f)控制气体燃料喷嘴(8)的喷射脉宽保持不变；
7)根据权利要求4所述方法，其特征在于：气/液双燃料协同喷射比例控制过程中，若液体燃料实际使用流量大于液体燃料理论使用流量，则燃料喷射电子控制单元(1)通过液体燃料喷嘴控制信号(e)控制液体燃料喷嘴(9)的喷射脉宽减小1ms，直到相等为止；若液体燃料实际使用流量小于液体燃料理论使用流量，则燃料喷射电子控制单元(1)通过液体燃料喷嘴控制信号(e)控制液体燃料喷嘴(9)的喷射脉宽增大1ms，直到相等为止；若液体燃料实际使用流量等于液体燃料理论使用流量，则燃料喷射电子控制单元(1)通过液体燃料喷嘴控制信号(e)控制液体燃料喷嘴(9)的喷射脉宽保持不变。
本实施例对不同工况进行了如下实验：
实验所使用的内燃机为1.6L直列四缸点燃式内燃机，按照图1所示改造成包括双喷嘴气/液双燃料缸内直喷装置和喷射过程控制装置在内的内燃机。实验使用的气体燃料为纯度99.995％的氢气，液体燃料为中国石化生产的京标92号汽油。
实验分别选取λ＝1.0、λ＝1.2及λ＝1.4条件，共计3个实验条件下进行，在每个实验条件下依次进行气体燃料单独喷射模式(即α＝0)、液体燃料单独喷射模式(即α＝100％)及气/液双燃料复合喷射模式，共计3种气/液双燃料协同喷射模式的实验。其中，气/液双燃料复合喷射模式的实验分别选取α＝20％、40％、60％、80％进行。
实验过程中，气体燃料轨压可始终保持在15±0.05MPa(保压状态除外)；液体燃料轨压可始终保持在12±0.01MPa(保压状态除外)；选取α＝20％进行实验时，α实际值(根据气体燃料实际流量和液体燃料实际流量计算得，下同)始终保持在20％±0.2％；选取α＝40％进行实验时，α实际值始终保持在40％±0.3％；选取α＝60％进行实验时，α实际值始终保持在60％±0.3％；选取α＝80％进行实验时，α实际值始终保持在80％±0.2％；三种不同λ值条件下的λ实际值(利用空燃比分析仪测得，下同)与设定值的误差不超过±0.010。
上述实验结果表明，采用本发明所提供的一种双喷嘴气/液双燃料缸内直喷系统的控制方法可实现气体燃料单独喷射模式(即α＝0)、液体燃料单独喷射模式(即α＝100％)及气/液双燃料复合喷射模式三种气/液双燃料协同喷射模式在不同λ值(1.0≤λ≤1.4)条件下的正常运行，同时气/液双燃料质量比α可在0至1间任意可调，为改善点燃式内燃机经济性、动力性和排放特性提供了必要的技术支持。