氫氣-汽油混合燃料轉子發(fā)動機及控制方法
【專利摘要】一種氫氣-汽油混合燃料轉子發(fā)動機及控制方法，具體涉及一種氫氣-汽油混合燃料轉子發(fā)動機及控制裝置，屬于內燃機控制領域。主要包括電控汽油噴射系統(tǒng)、電控氫氣噴射系統(tǒng)與點火系統(tǒng)等。其優(yōu)點是可以內燃機現(xiàn)有的一些電控噴射技術應用到轉子發(fā)動機上，改善混合燃料轉子發(fā)動機在不同工況下的燃料噴射及控制。另外，氫氣特有的理化性質也可改善燃料的燃燒，降低油耗，同時降低有害物排放。該氫氣-汽油混合燃料轉子發(fā)動機及控制方法實現(xiàn)方式簡單易行、可靠穩(wěn)定，具有良好的發(fā)展前景。
【專利說明】氫氣-汽油混合燃料轉子發(fā)動機及控制方法

【技術領域】
[0001]本發(fā)明提供一種氫氣-汽油混合燃料轉子發(fā)動機及控制方法，具體涉及一種混合燃料轉子發(fā)動機的燃料供給、燃燒控制與運行方式，屬于內燃機控制領域。

【背景技術】
[0002]近年來，世界經(jīng)濟發(fā)展對各種資源的需求日益增多，以煤炭、化石燃料為主的能源消耗引起了越來越嚴重的環(huán)境問題和能源危機問題。因此，降低內燃機的油耗和排放已經(jīng)成為內燃機研究領域最為重要的研究方向之一。
[0003]轉子發(fā)動機是不同于往復式活塞機的一種內燃機，其優(yōu)點包括結構簡單、體積小、運轉平穩(wěn)、噪聲小等。目前，除了馬自達將其作為商業(yè)化的轎車發(fā)動機外，轉子發(fā)動機在一些特殊的場合也具有廣泛的應用前景，如小型發(fā)電機、移動電源、小型飛行器。目前，現(xiàn)有的轉子發(fā)動機存在以下缺點:(I)發(fā)動機內燃油與空氣混合不均勻，導致燃油霧化不好、油耗過大；(2)發(fā)動機內燃油與空氣的空燃比不能控制，導致發(fā)動機在怠速、加速、減速等工況下都不能良好地工作；(3)化油器式轉子發(fā)動機的轉速抗干擾能力差，當其在環(huán)境壓強變化時工作，則不能實現(xiàn)海拔補償和轉速閉環(huán)的控制。這些缺點嚴重影響轉子發(fā)動機的經(jīng)濟性、排放性，制約著其進一步發(fā)展和應用。隨著世界能源危機的日益加強和排放法規(guī)的不斷嚴格，對內燃機的代用燃料和節(jié)能減排的研究不斷成為內燃機行業(yè)的研究重點。由于油耗和排放較高，轉子發(fā)動機也面臨著節(jié)油減排的問題。
[0004]氫氣是一種理想的內燃機代用燃料，氫氣擴散速度、火焰?zhèn)鞑ニ俣群腿紵俣染哂谄停⑶揖哂悬c火能量低，著火界限寬等燃燒特性，所以利用氫氣可實現(xiàn)內燃機的快速啟動，在進氣時摻入適量的氫氣可以縮短內燃機的燃燒持續(xù)期，可以有效改善內燃機的熱效率并且降低HC和CO的排放。此外，由于氫氣的燃燒界限寬廣，點火能量較低，使得氫氣-汽油混合燃料轉子發(fā)動機能夠在稀薄燃燒模式下順利運行，可以進一步提高氫氣-汽油混合燃料轉子發(fā)動機的經(jīng)濟性，同時降低排放。紀常偉、汪碩峰等的研究表明，摻氫汽油機可有效改善混合燃料的燃燒，提高熱效率，并大大降低冷啟動、暖機、怠速和小負荷等工況時的排放。


【發(fā)明內容】

[0005]為了改善轉子發(fā)動機的燃燒及排放特性，本發(fā)明提出了一種關于氫氣-汽油混合燃料轉子發(fā)動機及控制方法。
[0006]本發(fā)明采用如下技術方案:
[0007]氫氣-汽油混合燃料轉子發(fā)動機及控制系統(tǒng)，包括氫氣罐1、氫氣管路開關2、氫氣管路減壓閥3、氫氣流量計4、阻燃閥5、汽油箱6、汽油泵7、汽油流量計8、汽油噴嘴9、空氣流量計10、氫氣噴嘴11、標定計算機12、混合燃料電子控制單元13、火花塞式缸壓傳感器14、電荷放大器15、A/D轉換器16、燃燒分析儀17、氧傳感器18、空燃比分析儀19、尾氣米樣管20、法規(guī)排放分析儀21、尾氣分析儀22、傳感器傳給HECU的數(shù)據(jù)信號a(所述的數(shù)據(jù)信號a包括偏心軸轉速信號、節(jié)氣門位置信號、空燃比信號)、HECU至標定計算機的通訊信號bl、標定計算機至HE⑶的控制信號b2。
[0008]汽油箱6中的汽油被汽油泵7抽出，通過油管進入汽油流量計8，之后進入汽油噴嘴9，在汽油噴嘴9開啟時向氣缸噴入汽油。氫氣罐I中氫氣經(jīng)過管路時，當氫氣管路開關2閉合時，高壓氫氣經(jīng)過氫氣管路減壓閥3后變?yōu)閴毫线m(3kPa以下)的氣體，通過測量流量的氫氣流量計4、阻燃閥5，到達氫氣噴嘴11，氫氣噴嘴11連接在進氣道處，在氫氣噴嘴11開啟時將氫氣噴射到進氣道中。傳感器傳給HE⑶13的數(shù)據(jù)a，首先通過HE⑶13，經(jīng)過處理之后的通訊信號bl傳送至標定計算12，標定計算機12經(jīng)過處理后傳出控制信號b2至HECUl3,之后將各種控制信號傳向傳感器對應的執(zhí)行器,控制氫氣噴射、汽油噴射、火花塞點火?；鸹ㄈ礁讐簜鞲衅?4采集的信號，經(jīng)電荷放大器15進行放大后進入A/D轉換器16、經(jīng)過轉換處理后進入燃燒分析儀17被分析。氧傳感器18采集的氧氣信號進入空燃比分析儀19作為空燃比分析的參數(shù)依據(jù)。尾氣采樣管20采集的尾氣，分為兩路分別進入法規(guī)排放分析儀21和尾氣分析儀22進行分析。
[0009]關于氫氣-汽油混合燃料轉子發(fā)動機及控制方法，包括如下控制過程:
[0010]I)轉子發(fā)動機進氣管噴氫裝置安裝在轉子發(fā)動機進氣道的進氣口的位置，通過HE⑶13控制其開啟與否。
[0011]2)純氫快速冷啟動氫氣-汽油混合燃料轉子發(fā)動機的方法。接通電源，使用測功機拖動轉子發(fā)動機，當轉速高于200rpm(本發(fā)明中轉速為偏心軸轉速)時轉子發(fā)動機火花塞開始點火。當轉速低于SOOrpm時，汽油噴嘴9和氫氣噴嘴11 一直關閉，當轉速等于SOOrpm時，HECU13將相應的氫氣噴射脈寬信號和噴射時刻信號傳遞給氫氣噴嘴11開始噴射氫氣，實現(xiàn)氫氣-汽油混合燃料轉子發(fā)動機的純氫快速啟動。
[0012]3)氫氣-汽油混合燃料轉子發(fā)動機的空燃比A/F調節(jié)方法，按公式A/F =Vair.P air/(VH2.P H2+Vgas.P gas)調節(jié)空燃比大小。(式中:A/F為空燃比，V也為空氣體積，Pai,為空氣密度，Vh2為氫氣體積，Ph2為氫氣密度，Vgas為汽油體積，Pgas為汽油密度。)當A/F偏離設定范圍時(本發(fā)明中空燃比A/F范圍設定為14.0-16.0)，HECU13會根據(jù)噴油量、噴氫量和進氣量進行計算，調節(jié)噴射脈寬信號和噴射時刻信號，使得空燃比A/F回復到合設定的范圍。當A/F小于14.0時，HECU13發(fā)出的控制信號減小噴射脈寬調節(jié)噴射時刻，使得噴油減少，A/F增大，直到14.7停止調節(jié)噴射脈寬信號和噴射時刻信號；當A/F大于16.7時，HECU13發(fā)出的控制信號會增大噴射脈寬調節(jié)噴射時刻，使得噴油增加，A/F減小，直到14.7停止調節(jié)噴射脈寬信號和噴射時刻信號
[0013]4)氫氣-汽油混合燃料轉子發(fā)動機的危險轉速停車方法，當氫氣-汽油混合燃料轉子發(fā)動機轉速大于12000rpm(原機的最高轉速，超過此轉速屬于危險轉速)時，HECU13會發(fā)出停止噴射控制信號至汽油噴嘴9、氫氣噴嘴11，停止點火信號至火花塞14，停止汽油噴射、氫氣噴射和火花塞點火。
[0014]氫氣-汽油混合燃料轉子發(fā)動機機的實現(xiàn)方式是在原化油器汽油轉子發(fā)動機的基礎上，增加一套進氣管噴氫裝置，利用進氣管的真空度將氫氣吸入汽缸與汽油和空氣混合燃燒，吸入的氫氣量由進氣真空度或電磁閥開度控制，由于在高負荷可能產(chǎn)生回火，因此，供氫量必須精確控制。
[0015]本發(fā)明的有益效果是，針對現(xiàn)有的汽油轉子發(fā)動機存在的冷啟動困難、高油耗和高排放的問題，提供了一種利用氫氣快速啟動及改善怠速、小負荷以上工況性能的氫氣-汽油混合燃料轉子發(fā)動機及控制方法。本系統(tǒng)在冷起動及怠速時使用氫氣作為燃料、在小負荷以上工況采用氫氣-汽油混合作為燃料，有效地降低了廢氣的排放量。此外本發(fā)明可以實現(xiàn)轉子發(fā)動機的空燃比A/F的調整，使其燃燒大大改善，有效降低油耗和排放。本發(fā)明的氫氣-汽油混合燃料轉子發(fā)動機也可實現(xiàn)當轉速過高時停止燃料噴射，進而安全停車。
[0016]氫氣-汽油混合燃料轉子發(fā)動機冷啟動及怠速工況采用純氫作為燃料，小負荷以上采用氫氣-汽油混合作為燃料，提高和改善轉子發(fā)動機的燃燒及排放性能是一條方便可行的技術路線，通過混合燃料電子控制單元HECU13對氫氣及汽油噴射脈寬及噴射時刻進行計算調整，并將數(shù)據(jù)傳遞到汽油噴嘴9和氫氣噴嘴11控制其噴射。提高轉子發(fā)動機在不同階段的性能，降低排放，是一種簡單易行的技術手段。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1本發(fā)明的結構和工作原理圖:
[0018]圖中:1氫氣罐、2氫氣管路開關、3氫氣管路減壓閥、4氫氣流量計、5阻燃閥、6汽油箱、7汽油泵、8汽油流量計、9汽油噴嘴、10空氣流量計、11氫氣噴嘴、12標定計算機、13混合燃料電子控制單兀、14火花塞式缸壓傳感器、15電荷放大器、16A/D轉換器、17燃燒分析儀、18氧傳感器、19空燃比分析儀、20尾氣采樣管、21法規(guī)排放分析儀、22尾氣分析儀、a傳感器傳給HE⑶的數(shù)據(jù)信號、b IHE⑶至標定計算機的通訊信號、b2標定計算機至HE⑶的控制信號。

【具體實施方式】
[0019]下面結合附圖和【具體實施方式】對于本發(fā)明做進一步的說明:
[0020]氫氣-汽油混合燃料轉子發(fā)動機及控制方法裝置，該裝置用于改善氫氣-汽油混合燃料轉子發(fā)動機的性能，包括氫氣罐1、氫氣管路開關2、氫氣管路減壓閥3、氫氣流量計
4、阻燃閥5、汽油箱6、汽油泵7、汽油流量計8、汽油噴嘴9、空氣流量計10、氫氣噴嘴11、標定計算機12、混合燃料電子控制單元13、火花塞式缸壓傳感器14、電荷放大器15、A/D轉換器16、燃燒分析儀17、氧傳感器18、空燃比分析儀19、尾氣采樣管20、法規(guī)排放分析儀21、尾氣分析儀22、a傳感器傳給HECU的數(shù)據(jù)信號(所述數(shù)據(jù)信號包括偏心軸轉速信號、節(jié)氣門位置信號、空燃比信號)、HE⑶至標定計算機的通訊信號bl、標定計算機至HE⑶的控制信號b2。
[0021]汽油箱6中的汽油被汽油泵7抽出，通過油管進入汽油流量計8，之后進入汽油噴嘴9，在汽油噴嘴9開啟時向氣缸噴入汽油；氫氣罐I中的氫氣經(jīng)過管路時，當氫氣管路開關2閉合時，高壓氫氣經(jīng)過氫氣管路減壓閥3后變?yōu)閴毫Φ陀?kPa的低壓氣體，通過測量流量的氫氣流量計4、阻燃閥5，氫氣噴嘴11。阻燃閥5是防止氫氣回火所設的裝置，氫氣噴嘴11是專門設計的符合噴射此氫氣-汽油混合燃料轉子發(fā)動機的氫氣噴嘴，連接在進氣管靠近進氣道處，將氫氣噴射到進氣道中；傳感器傳給HE⑶13的數(shù)據(jù)a，首先通過HE⑶13，經(jīng)過處理之后的通訊信號bl傳送至標定計算12，標定計算機12經(jīng)過處理后傳出控制信號b2至HECU13,之后將各種控制信號傳向傳感器對應的執(zhí)行器,進而控制氫氣噴射、汽油噴射和火花塞點火。
[0022]上述裝置對冷起動及怠速工況等作了如下實驗:
[0023]實驗在一臺Z160F轉子發(fā)動機上進行，按圖1所示加裝氫氣_汽油混合燃料轉子發(fā)動機及控制裝置，用一臺日本堀場株式會社生產(chǎn)的Horiba-7100DEGR排放分析儀，分別測量內燃機各個運行工況下的HC、CO和NOx排放。
[0024]啟動轉子發(fā)動機測控系統(tǒng)，慢慢提高測功機轉速，測功機拖動轉子發(fā)動機慢慢轉動。在轉速等于800rpm時，HECU13將相應的氫氣噴射脈寬信號和噴射時刻信號傳遞給氫氣噴嘴11開始噴射氫氣，實現(xiàn)了氫氣-汽油混合燃料轉子發(fā)動機的純氫快速啟動，隨后轉速繼續(xù)提高進入怠速工況。
[0025]發(fā)動機轉速大于1200rpm時，怠速工況結束，HE⑶13控制汽油噴嘴9向進氣道噴射汽油，氫氣與汽油混合進入進氣道，在氣缸內與汽油混合燃燒。觀測此時排放物數(shù)值和原機進行比較。
[0026]當空燃比A/F偏離本發(fā)明設定的范圍時，HE⑶13通過計算后，調整噴射脈寬信號和噴射時刻信號，使得空燃比A/F回復到設定的范圍。當A/F小于14.0時，HECU13發(fā)出的控制信號會減小噴射脈寬調整噴射時刻，使得噴油減少，A/F增大直到14.7停止調整噴射脈寬信號和噴射時刻信號；當A/F大于16.7時，HECU13發(fā)出的控制信號會增大噴射脈寬調整噴射時刻，使得噴油增加，A/F減小直到14.7停止調整噴射脈寬信號和噴射時刻信號。
[0027]當氫氣-汽油混合燃料轉子發(fā)動機轉速大于12000rpm(原機的最高轉速,超過此轉速屬于危險轉速)時，汽油噴嘴9和氫氣噴嘴11收到了停止噴射信號，火花塞14收到停止點火信號，停止了汽油噴射、氫氣噴射和火花塞點火，同時測控系統(tǒng)報警，按下測控系統(tǒng)急停按鈕，實現(xiàn)了安全停車。
[0028]本發(fā)明的氫氣-汽油混合燃料轉子發(fā)動機裝置的性能主要體現(xiàn)在經(jīng)濟性、排放性和動力性三個方面。經(jīng)濟性通過油耗體現(xiàn)，當汽油機中摻入體積分數(shù)10%的氫后，降低油耗30%，可見本發(fā)明的氫氣-汽油混合燃料轉子發(fā)動機相比于原機其經(jīng)濟性有較大的提高；排放性，用一臺日本堀場株式會社生產(chǎn)的Horiba-7100DEGR排放分析儀，分別測量氫氣-汽油混合燃料轉子發(fā)動機在各個運行工況下污染物排放。純氫冷啟動和純氫怠速時，污染物排放基本為零；小負荷以上工況，摻入10%的氫后，HC降低50%、CO降低34%、NOx降低80%?？梢?，使用本發(fā)明的氫氣-汽油混合燃料轉子發(fā)動機后排放較原機大幅降低；動力性方面，同等燃油條件下，本發(fā)明的氫氣-汽油混合燃料轉子發(fā)動機的其動力性無明顯變化。
[0029]通過對氫氣-汽油混合燃料轉子發(fā)動機冷啟動、怠速及小負荷以上工況的性能進行試驗，其結果表明，采用本發(fā)明提供氫氣-汽油混合燃料轉子發(fā)動機及控制方法，可以實現(xiàn)轉子發(fā)動機快速冷啟動，有效地改善轉子發(fā)動機在冷起動、怠速、小負荷以上工況的燃燒，同時降低排放。該技術將為改善轉子發(fā)動機的燃油消耗提供一條有效的技術途徑。
【權利要求】
1.一種氫氣-汽油混合燃料轉子發(fā)動機，其特征在于:包括氫氣罐(I)、氫氣管路開關(2)、氫氣管路減壓閥(3)、氫氣流量計(4)、阻燃閥(5)、汽油箱(6)、汽油泵(7)、汽油流量計(8)、汽油噴嘴(9)、空氣流量計(10)、氫氣噴嘴(11)、標定計算機(12)、混合燃料電子控制單兀(13)、火花塞式缸壓傳感器(14)、電荷放大器(15)、A/D轉換器(16)、燃燒分析儀(17)、氧傳感器(18)、空燃比分析儀(19)、尾氣采樣管(20)、法規(guī)排放分析儀(21)、尾氣分析儀(22)、傳感器傳給HECU的數(shù)據(jù)信號a、HECU至標定計算機的通訊信號bl、標定計算機至HECU的控制信號b2，所述的數(shù)據(jù)信號a包括偏心軸轉速信號、節(jié)氣門位置信號、空燃比信號；火花塞式缸壓傳感器(14)、電荷放大器(15)、A/D轉換器(16)、燃燒分析儀(17),氧傳感器(18)、空燃比分析儀(19)、尾氣采樣管(20)、法規(guī)排放分析儀(21)、尾氣分析儀(22)； 汽油箱出)中的汽油被汽油泵(7)抽出，通過油管進入汽油流量計(8)，之后進入汽油噴嘴(9)，在汽油噴嘴(9)開啟時向氣缸噴入汽油；氫氣罐(I)中氫氣經(jīng)過管路時，當氫氣管路開關(2)閉合時，高壓氫氣經(jīng)過氫氣管路減壓閥(3)后變?yōu)閴毫线m的氣體，所述的壓力合適是指的壓力在3kPa以下；通過測量流量的氫氣流量計(4)、阻燃閥(5)，到達氫氣噴嘴(11)，氫氣噴嘴(11)連接在進氣道處，在氫氣噴嘴(11)開啟時將氫氣噴射到進氣道中；傳感器傳給HE⑶(13)的數(shù)據(jù)a，首先通過HE⑶(13)，經(jīng)過處理之后的通訊信號bl傳送至標定計算(12)，標定計算機(12)經(jīng)過處理后傳出控制信號b2至HE⑶(13)，之后將各種控制信號傳向傳感器對應的執(zhí)行器，控制氫氣噴射、汽油噴射、火花塞點火；火花塞式缸壓傳感器(14)采集的信號，經(jīng)電荷放大器(15)進行放大后進入A/D轉換器(16)、經(jīng)過轉換處理后進入燃燒分析儀(17)被分析；氧傳感器(18)采集的氧氣信號進入空燃比分析儀(19)作為空燃比分析的參數(shù)依據(jù)；尾氣采樣管(20)采集的尾氣分為兩路分別法規(guī)排放分析儀(21)和尾氣分析儀(22)進行尾氣分析。
2.根據(jù)權利要求1所述的氫氣-汽油混合燃料轉子發(fā)動機，其特征在于:其進氣管噴氫裝置中，所述的轉子發(fā)動機進氣管噴氫裝置安裝在轉子發(fā)動機進氣道的進氣口的位置，通過HE⑶(13)控制其開啟與否。
3.根據(jù)權利要求1所述的氫氣-汽油混合燃料轉子發(fā)動機的純氫快速冷啟動方法，其特征在于:使用測功機拖動轉子發(fā)動機，當轉速高于200rpm時轉子發(fā)動機火花塞開始點火。當轉速低于SOOrpm時，汽油噴嘴(9)和氫氣噴嘴(11) 一直關閉，當轉速等于SOOrpm時，HECU(13)將相應的氫氣噴射脈寬信號和噴射時刻信號傳遞給氫氣噴嘴(11)開始噴射氫氣，實現(xiàn)氫氣-汽油混合燃料轉子發(fā)動機的純氫快速啟動。
4.根據(jù)權利要求3所述的氫氣-汽油混合燃料轉子發(fā)動機的純氫快速冷啟動方法，其特征在于:所述的氫氣-汽油混合燃料轉子發(fā)動機的空燃比A/F調節(jié)策略為:按公式A/F = Vair.P air/(VH2.P H2+Vgas.P gas)調節(jié)空燃比大小；式中:A/F為空燃比，Vair為空氣體積，P air為空氣密度，Vh2為氫氣體積，P H2為氫氣密度，Vgas為汽油體積，P gas為汽油密度；當A/F偏離設定范圍時，HECU(13)會根據(jù)噴油量、噴氫量和進氣量進行計算，調節(jié)噴射脈寬信號和噴射時刻信號，使得空燃比A/F回復到設定的范圍，所述的空燃比A/F的設定范圍為14.0-16.0 ;當A/F小于14.0時，HECU (13)發(fā)出的控制信號減小噴射脈寬調節(jié)噴射時刻，使得噴油減少，A/F增大，直到14.7停止調節(jié)噴射脈寬信號和噴射時刻信號；當A/F大于16.0時，HECU (13)發(fā)出的控制信號會增大噴射脈寬調節(jié)噴射時刻，使得噴油增加，A/F減小，直到14.7停止調節(jié)噴射脈寬信號和噴射時刻信號。
5.根據(jù)權利要求1所述的氫氣-汽油混合燃料轉子發(fā)動機的危險轉速停車方法，其特征在于:當氫氣-汽油混合燃料轉子發(fā)動機轉速大于12000印111時，冊(^(13)會發(fā)出停止噴射控制信號至汽油噴嘴(9)、氫氣噴嘴(11)，停止點火信號至火花塞(14)，停止汽油噴射、氫氣噴射和火花塞點火；所述的12000rpm為原機的最高轉速,超過此轉速屬于危險轉速。
【文檔編號】F02D19/08GK104234832SQ201410458967
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年9月10日 優(yōu)先權日:2014年9月10日
【發(fā)明者】紀常偉, 蘇騰, 汪碩峰, 張擘, 馮雨 申請人:北京工業(yè)大學