專利名稱：氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒控制系統(tǒng)，屬于機(jī)械電子領(lǐng)域，其技術(shù)方案是為氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒系統(tǒng)提供一種現(xiàn)代控制模型。
背景技術(shù)：
世界上90％的能源需求來自于化石類燃料，比如煤、石油和天然氣。一半以上的石油被內(nèi)燃機(jī)所消耗。隨著環(huán)境污染的日益嚴(yán)重、人類對(duì)能源需求的日益增長(zhǎng)、化石類能源的日益匱乏，人們對(duì)內(nèi)燃機(jī)的要求越來越高，包括新技術(shù)、新能源的開發(fā)利用。
氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)與傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)相比顯示出了強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)原料蘊(yùn)藏量巨大，而且可以循環(huán)使用；燃燒零污染，也就是說，氫燃料汽車的排放極低或者可以忽略；著火范圍寬，經(jīng)濟(jì)性好，即，氫發(fā)動(dòng)機(jī)可以在很低的燃空比下燃燒運(yùn)轉(zhuǎn)，既經(jīng)濟(jì)又有利于降低NOX的排放；熱效率高，是由于氫的自燃溫度很低，壓縮比可以很高，而且，氫的熱值也很高。
氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)與傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)有著類似的結(jié)構(gòu)和工作原理。它是活塞式內(nèi)燃機(jī)，有四個(gè)工作行程進(jìn)氣行程吸入氫-空氣混合氣(或?qū)錃庵苯訃娙肫?，充氣過程由節(jié)氣門控制；在壓縮上上止點(diǎn)附近火花點(diǎn)火燃燒；燃?xì)馀蛎涀龉?；排氣，廢氣再循環(huán)利用(EGR)。其整個(gè)工作過程由電控系統(tǒng)管理。
燃燒過程是發(fā)動(dòng)機(jī)性能研究的核心，決定著發(fā)動(dòng)機(jī)的功率、油耗和排放。由于氫和空氣可以在很寬的濃度范圍內(nèi)混合燃燒，而其不同濃度下的燃燒對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和排放影響巨大，所以，制定合理的混合氣燃燒控制策略，對(duì)于氫發(fā)動(dòng)機(jī)來說是至關(guān)重要的。
不同的氫-空氣混合氣濃度對(duì)氫發(fā)動(dòng)機(jī)的性能影響機(jī)理如下
(1)NO排放。稀薄燃燒將顯著降低NO排放，這是由于大的過量空氣系數(shù)致使最高燃燒溫度極大地降低。但隨著氫濃度的增加，比如燃空比高于0.7時(shí)，NO排放量將急劇增加。在當(dāng)量混合比下，盡管最高燃燒溫度比其它情況下高，NO排放量仍然會(huì)顯著降低。這種現(xiàn)象是由于氫比氮更容易與氧反應(yīng)，當(dāng)氫燃燒完后，氧也被消耗殆盡，再?zèng)]有氧可以與氮反應(yīng)了。
(2)功率輸出。與汽油發(fā)動(dòng)機(jī)一樣，高的混合氣濃度將會(huì)得到高的平均有效壓力，如圖4所示。
(3)最高平均壓力和最高燃燒溫度將隨著氫混合濃度的增加線性地增加。這將要求發(fā)動(dòng)機(jī)有更高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，造成發(fā)動(dòng)機(jī)重量和體積增加。同時(shí)要求發(fā)動(dòng)機(jī)具有高的耐熱負(fù)荷的能力。同時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻系統(tǒng)也須強(qiáng)化，以保證發(fā)動(dòng)機(jī)正常的運(yùn)轉(zhuǎn)。
發(fā)動(dòng)機(jī)性能優(yōu)化的主要目標(biāo)是排放和油耗。氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)的唯一燃燒排放物是NO，而NO的生成量隨溫度、氧含量及點(diǎn)火正時(shí)的變化而劇烈改變。所以控制燃燒溫度和空燃比是控制燃燒及其排放的關(guān)鍵。NO的排放量隨氫氣當(dāng)量比變化的特性曲線如附圖1所示。從圖中我們可以看出從氫氣當(dāng)量比從0.7-0.95這一段內(nèi)，NO的生成量急劇增加達(dá)到峰值后又回落。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所涉及的燃燒系統(tǒng)的構(gòu)成有空氣濾清器、空氣流量計(jì)、進(jìn)氣管、節(jié)氣門及進(jìn)氣門構(gòu)成進(jìn)氣系統(tǒng)；氫氣噴射器和火花塞安裝在缸蓋上，噴嘴將氫噴在進(jìn)氣門之前的氣道中隨空氣一起進(jìn)入燃燒室或直接噴入燃燒室，由火花塞在合適的相位角將混合氣點(diǎn)燃；適量燃燒廢氣引入進(jìn)氣系統(tǒng)，引入量由EGR控制閥控制；ECU(發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元)是整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)，相關(guān)信號(hào)(比如缸內(nèi)壓力、進(jìn)氣壓力、空氣流量、曲軸凸輪軸轉(zhuǎn)速及其相位等)輸入ECU，經(jīng)過ECU計(jì)算輸出節(jié)氣門開度、EGR控制閥開度、噴射持續(xù)期及點(diǎn)火時(shí)刻等控制信號(hào)。
整個(gè)系統(tǒng)的工作過程是發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，空氣經(jīng)濾清器進(jìn)入進(jìn)氣總管，流經(jīng)空氣流量計(jì)并計(jì)量進(jìn)氣量，進(jìn)氣量信號(hào)傳給ECU。在怠速和30％額定負(fù)荷以下時(shí)，節(jié)氣門接受ECU的指令控制氣缸進(jìn)氣量的大小，噴嘴在ECU的控制下噴射氫氣，使混合氣控制在最低穩(wěn)定濃度Φ0。在活塞的壓縮上止點(diǎn)附近火花塞在ECU的控制下點(diǎn)燃混合氣。在30％-70％額定負(fù)荷時(shí)節(jié)氣門全開，ECU根據(jù)油門踏板信號(hào)判斷負(fù)荷的大小，并指令噴嘴噴射一定量的氫氣，使混合氣濃度控制在Φ0到0.7之間。在70％額定負(fù)荷以上時(shí)，節(jié)氣門依然保持全開，氫氣的噴射量控制在保證氫氣的當(dāng)量比為1，EGR閥在ECU的控制下調(diào)節(jié)EGR率，調(diào)整氣缸有效工作容積，從而控制發(fā)動(dòng)機(jī)功率的輸出和NO生成量。
為了達(dá)到降低排放及燃油消耗率的目標(biāo)并控制功率的輸出，根據(jù)氫-空氣的混合氣濃度對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響機(jī)理，本發(fā)明所涉及的氫發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒控制系統(tǒng)可分為三個(gè)控制范圍(如圖3所示)(1)在怠速和30％額定負(fù)荷下，發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)當(dāng)運(yùn)轉(zhuǎn)在非常低的燃空比Φ0下，并且要用節(jié)氣門控制發(fā)動(dòng)機(jī)的功率輸出。因?yàn)檫^稀的混合氣將會(huì)是燃燒速度降低，合適的燃空比范圍是0.2-0.3。具體的燃空比值Φ0要根據(jù)實(shí)驗(yàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行標(biāo)定。這時(shí)的燃空比既能使NO的排放量極低又能保證發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到良好的經(jīng)濟(jì)性。
(2)在30％-70％額定負(fù)荷下，混和氣濃度隨負(fù)荷大小在Φ0到0.7之間調(diào)整。這時(shí)節(jié)氣門全開，發(fā)動(dòng)機(jī)功率輸出由混合氣濃度控制，在達(dá)到NO排放要求的情況下保證足夠的動(dòng)力輸出。
(3)在70％額定負(fù)荷以上時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)當(dāng)在當(dāng)量燃空比下運(yùn)轉(zhuǎn)，而功率輸出則由廢氣再循環(huán)(EGR)率控制。隨著燃空比增加，燃燒效率降低很小。所以，我們用EGR的控制方法能有效地控制功率輸出并增大混合氣熱容，降低燃燒溫度，從而控制NO生成量。


圖1所示是NO排放量隨著混合氣中氫的當(dāng)量比的變化規(guī)律。由圖中曲線變化趨勢(shì)可知，發(fā)動(dòng)機(jī)稀薄燃燒，即氫的濃度低于0.7時(shí)，NO的排放量極低，但當(dāng)氫的濃度在0.7-0.95時(shí)NO的排放量幾乎直線上升。當(dāng)氫的濃度接近理論化學(xué)當(dāng)量時(shí)NO的排放量急劇下降。
圖2表示發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率隨混合氣氫濃度的變化規(guī)律。在氫濃度小于1的情況下，熱效率隨Φ0的增加而降低，但降低很小。
圖3表示發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)應(yīng)不同負(fù)荷時(shí)的混合氣氫濃度的控制策略。分為三部分A，發(fā)動(dòng)機(jī)在怠速和部分負(fù)荷(0-30％額定負(fù)荷)時(shí)，燃空比由節(jié)氣門的開度控制，Φ0值控制在0.2-0.3之間；B，在中負(fù)荷(30％-70％額定負(fù)荷)時(shí)，節(jié)氣門保持在100％的開度，ECU根據(jù)不同的負(fù)荷信號(hào)精確計(jì)算氫的噴射量，使混合氣濃度控制在Φ0-0.7之間線性地變化；C，高負(fù)荷(70％-額定負(fù)荷)時(shí)，節(jié)氣門依然保持全開，氫的當(dāng)量比保持定值1。功率輸出由廢氣再循環(huán)率來控制。
圖4表示發(fā)動(dòng)機(jī)的平均有效壓力隨混合氣中氫濃度的變化規(guī)律。從圖中可以看出，平均有效壓力隨著燃?xì)鉂舛鹊脑黾佣黾印?br> 圖5是氫發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣、氫噴射及控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、原理簡(jiǎn)圖。1是火花塞，2是燃燒室，3是氫氣噴射器，4是進(jìn)氣總管，5是活塞，6是節(jié)氣門，7是廢氣再循環(huán)控制閥，8是發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元，9是空氣濾清器，10是油門踏板，11是空氣流量計(jì)。Q表示進(jìn)氣量。
具體實(shí)施例方式結(jié)合圖3和圖5介紹本發(fā)明的具體控制過程。
1、在發(fā)動(dòng)機(jī)怠速及小負(fù)荷(0-30％額定負(fù)荷)時(shí)，由節(jié)氣門開度控制發(fā)動(dòng)機(jī)的功率。此時(shí)進(jìn)行量調(diào)節(jié)，即當(dāng)油門踏板在0-30％范圍內(nèi)變化時(shí)(油門踏板位置表示負(fù)荷的大小)，節(jié)氣門開度對(duì)應(yīng)在0-100％范圍內(nèi)變化。油門位置傳感器將表示負(fù)荷大小的信號(hào)傳送給ECU(電控單元)，并依此計(jì)算出合適的噴油量，同時(shí)確定節(jié)氣門開度，使混合氣控制在最低穩(wěn)定濃度Φ0，具體值由實(shí)驗(yàn)標(biāo)定確定。
2、中負(fù)荷(30％-70％額定負(fù)荷)時(shí)，節(jié)氣門保持在100％的開度。此時(shí)功率進(jìn)入質(zhì)調(diào)節(jié)，ECU根據(jù)不同的負(fù)荷信號(hào)精確計(jì)算氫的噴射量，使混合氣濃度控制在Φ0-0.7之間隨負(fù)荷大小線性地變化。此時(shí)在過量空氣條件下，燃燒速度及功率輸出完全由噴入的氫氣量決定。隨著負(fù)荷增加(從30％到70％)不斷提高氫氣的供給量，以控制混合氣濃度線性增加。
3、高負(fù)荷(70％負(fù)荷—額定負(fù)荷)時(shí)，節(jié)氣門依然保持全開，此時(shí)，氫的噴射量由與進(jìn)氣量相關(guān)的化學(xué)當(dāng)量決定，當(dāng)量比保持定值1。功率輸出由廢氣再循環(huán)率來控制，即，ECU根據(jù)負(fù)荷信號(hào)計(jì)算EGR率的大小，利用EGR的比例來控制有效充量，以實(shí)現(xiàn)輸出功率的調(diào)節(jié)。
本發(fā)明旨在提出一種氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒控制系統(tǒng)及其控制策略。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是用現(xiàn)代精確控制技術(shù)，分三步，分別由節(jié)氣門、燃料噴射量、EGR控制氫氣-空氣混合氣的濃度，達(dá)到最低排放要求和理想的功率輸出的燃燒控制。
權(quán)利要求
1.本發(fā)明涉及一種氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒控制系統(tǒng)，其特征在于燃燒控制系統(tǒng)的構(gòu)成有空氣濾清器、空氣流量計(jì)、進(jìn)氣管、節(jié)氣門及進(jìn)氣門構(gòu)成進(jìn)氣系統(tǒng)；氫氣噴射器和火花塞安裝在缸蓋上，噴嘴將氫噴在進(jìn)氣門之前的氣道中隨空氣一起進(jìn)入燃燒室或直接噴入燃燒室，由火花塞在合適的相位角將混合氣點(diǎn)燃；適量燃燒廢氣引入進(jìn)氣系統(tǒng)，引入量由EGR控制閥控制；ECU(發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元)是整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)，相關(guān)信號(hào)(比如缸內(nèi)壓力、進(jìn)氣壓力、空氣流量、曲軸凸輪軸轉(zhuǎn)速及其相位等)輸入ECU，經(jīng)過ECU計(jì)算輸出節(jié)氣門開度、EGR控制閥開度、噴射持續(xù)期及點(diǎn)火時(shí)刻等控制信號(hào)。
2.如權(quán)利要求1所述的一種氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒控制系統(tǒng)，其特征在于整個(gè)系統(tǒng)的工作過程是發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，空氣經(jīng)濾清器進(jìn)入進(jìn)氣總管，流經(jīng)空氣流量計(jì)并計(jì)量進(jìn)氣量，并將進(jìn)氣量信號(hào)傳給ECU。在怠速和30％額定負(fù)荷以下時(shí)，節(jié)氣門接受ECU的指令控制氣缸進(jìn)氣量的大小，噴嘴在ECU的控制下噴射氫氣，使混合氣控制在最低穩(wěn)定濃度Ф0。在活塞的壓縮上止點(diǎn)附近火花塞在ECU的控制下點(diǎn)燃混合氣。在30％-70％額定負(fù)荷時(shí)節(jié)氣門全開，ECU根據(jù)油門踏板信號(hào)判斷負(fù)荷的大小，并指令噴嘴噴射一定量的氫氣，使混合氣濃度控制在Ф0到0.7之間。在70％負(fù)荷以上時(shí)，節(jié)氣門依然保持全開，氫氣的噴射量控制在保證氫氣的當(dāng)量比為1，EGR閥在ECU的控制下調(diào)節(jié)EGR率，調(diào)整氣缸的有效工作容積，從而控制發(fā)動(dòng)機(jī)功率的輸出和NO生成量。
3.如權(quán)利要求1所述的一種氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒控制系統(tǒng)，其特征在于燃燒控制系統(tǒng)可分為三個(gè)控制范圍(1)在怠速和30％負(fù)荷下，發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)當(dāng)運(yùn)轉(zhuǎn)在非常低的燃空比Ф0下，并且要用節(jié)氣門控制發(fā)動(dòng)機(jī)的功率輸出。因?yàn)檫^稀的混合氣將會(huì)是燃燒速度降低，合適的燃空比范圍是0.2-0.3。具體的燃空比值Ф0要根據(jù)實(shí)驗(yàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行標(biāo)定。這時(shí)的燃空比既能使NO的排放量極低又能保證發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到良好的經(jīng)濟(jì)性。(2)在30％-70％負(fù)荷下，混和氣濃度隨負(fù)荷大小在Ф0到0.7之間調(diào)整。這時(shí)節(jié)氣門全開，發(fā)動(dòng)機(jī)功率輸出由混合氣濃度控制，在達(dá)到NO排放要求的情況下保證足夠的動(dòng)力輸出。(3)在70％負(fù)荷以上時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)當(dāng)在當(dāng)量燃空比下運(yùn)轉(zhuǎn)，而功率輸出則由廢氣再循環(huán)(EGR)率控制。隨著燃空比增加，燃燒效率降低很小。所以，我們用EGR的控制方法能有效地增大混合氣熱容，降低燃燒溫度，從而控制NO生成量。
全文摘要
本發(fā)明旨在提出一種氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒控制系統(tǒng)及其控制策略，其優(yōu)點(diǎn)是用現(xiàn)代精確控制技術(shù)，分三步，分別由節(jié)氣門、噴油量、EGR控制氫氣－空氣混合氣的濃度。(1)在怠速和30％額定負(fù)荷下，發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)當(dāng)運(yùn)轉(zhuǎn)在非常低的燃空比Φ
文檔編號(hào)F02D43/00GK1644899SQ200510000259
公開日2005年7月27日 申請(qǐng)日期2005年1月7日 優(yōu)先權(quán)日2005年1月7日
發(fā)明者劉福水, 劉興華 申請(qǐng)人:北京理工大學(xué)