CN100572775C - 富氢混合气燃料发动机可燃混合气浓度控制方法及其控制装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种富氢混合气燃料发动机可燃混合气浓度控制方法及其控制装置，方法是：1)燃用富氢混合气燃料发动机可燃混合气浓度的控制满足：①在发动机所有工作工况范围内1.0≤λ≤1.5，实现可燃混合气稀薄燃烧；②发动机在常用工况40%～80%负荷时，1.2≤λ≤1.5；2)富氢混合气燃料发动机可燃混合气浓度采用“量调节”与“质调节”相结合的方法。即发动机在某一转速下，空负荷时，过量空气系数λ＝1.0～1.03；随着负荷的增大，富氢混合气浓度逐渐变稀，至70%～80%负荷中对应的一个值时，混合气浓度达到最稀，1.35≤λ≤1.5；当负荷继续增大到100%过程中，混合气浓度快速地由最稀变浓，至100%负荷时λ＝1.0～1.02。可燃混合气浓度控制装置可用蝶型加浓阀与差动传动机构或锥型加浓阀及其凸轮驱动机构。
Description
技术领域
本发明涉及一种富氢混合气燃料发动机可燃混合气浓度控制方法及其控制装置，属于发动机燃料供给系统。
背景技术
可燃混合气浓度是影响发动机动力性、经济性和排放的重要运行参数，其表示方法有“过量空气系数(λ)”和“空燃比(AF)”两种。
理想的可燃混合气浓度随发动机工况的变化关系，即混合气浓度控制策略是发动机产品开发的重要环节，也是发动机燃料供给系统的重要设计依据。混合气浓度控制策略与发动机性能要求、结构类型、使用的燃料和用途等有关，目前不同种类的发动机均有各自不同的混合气浓度控制策略。
例如，化油器式汽油机的可燃混合气是在缸外以预混合方式形成的，理想的过量空气系数λ随发动机工况的变化关系如图1所示，怠速时，要求λ≈0.6，发动机在一定的转速下由小负荷向中等负荷过渡时，要求λ逐渐增大至经济混合气，即λ≈1.1，由中等负荷变化到大全负荷时，要求λ减小至功率混合气，即λ≈0.88。以这种混合气浓度控制策略为特征的汽油机的主要特点是：①燃料供给系统结构简单、工作可靠；②混合气浓度为“量调节”方式，无法实现精确控制，动力性与经济性差且两者矛盾难以统一；③难以满足日益严格的排放法规要求。
又如，装有三元催化转换器的电控汽油喷射汽油机，由于只有在混合气的过量空气系数λ＝1.0附近时催化转换器对HC、CO和NOx的净化率才能同时达到最大，所以这种发动机的混合气浓度控制策略是在所有的工作范围内过量空气系数λ≈1.0，如图2所示。其特点是：①实现了空燃比的反馈精确控制；②动力性与经济性均较好；③在发动机气缸外有效控制了有害物质的排放。
上述发动机混合气浓度控制策略共同存在的问题是：①以汽油为燃料，没有摆脱对石油的过分依赖；①无法实现混合气稀薄燃烧，不能在发动机气缸内有效降低有害物质的排放。
随着石油资源的日益匮乏和排放法规的日趋严格，发动机领域研究人员一直在对包括醇类和氢能在内的新能源技术进行应用研究，其中乙醇改质技术是利用发动机余热将乙醇在特定的装置中进行改质得到富氢混合气，并在发动机缸内点燃作功。从已有的专利或研究资料看，这项技术的重点集中在利用发动机余热制备富氢混合气的硬件上，燃用富氢混合气燃料发动机混合气浓度的控制策略及其实现方法尚为空白。
本发明人自1983年起至今，先后对甲醇、液化石油气、压缩天然气、含水酒精等代用燃料在BJ492Q、CY6102、CY4102、DC6110、SH6114、BJ492和EQ6100等发动机上的应用技术进行了系统深入的研究，通过了技术鉴定，获得了“柴油机掺烧液化石油气燃料供给装置(ZL00 2 29897.X)”和“柴油机掺烧压缩天然气燃料供给装置(ZL 02 279417.4)”二项国家实用新型专利。
发明内容
本发明的目的是针对燃用富氢混合气燃料发动机提出了以稀薄燃烧为主要特征的混合气浓度控制策略，并设计了“量调节”与“质调节”相结合的富氢混合气燃料发动机可燃混合气浓度控制装置。
本发明的技术方案：本发明的富氢混合气燃料发动机可燃混合气浓度控制方法在于：
1)燃用富氢混合气燃料发动机可燃混合气浓度的控制满足：
①在发动机所有工作工况范围内1.0≤λ≤1.5，实现可燃混合气稀薄燃烧；
②发动机在常用工况40％～80％负荷时，1.2≤λ≤1.5；
2)富氢混合气燃料发动机可燃混合气浓度采用“量调节”与“质调节”相结合的方法进行控制。
所述的富氢混合气燃料发动机可燃混合气浓度控制方法，发动机在某一转速下，空负荷时，过量空气系数λ＝1.0～1.03；随着负荷的增大，富氢混合气浓度逐渐变稀，至70％～80％负荷中对应的一个值时，混合气浓度达到最稀，1.35≤λ≤1.5；当负荷继续增大到100％过程中，混合气浓度快速地由最稀变浓，至100％负荷时λ＝1.0～1.02。从空负荷到中等偏大负荷，λ随负荷的变化率较小，发动机的功率调节主要是通过增加进入气缸的可燃混合气总量来实现，接近于“量调节”，而从中等偏大负荷至全负荷，λ随负荷的变化率较大，发动机的功率调节主要是通过增大进入气缸的可燃混合气浓度来实现，接近于“质调节”。
一种富氢混合气燃料发动机可燃混合气浓度控制装置，包括混合器及其空气进气口、富氢混合气燃料进气管、可燃混合气出口、混合器混合腔中的节气门。其特征在于：在富氢混合气燃料进气管1-1c内安装蝶型加浓阀1-3，节气门1-11的摇臂1-10和蝶型加浓阀1-3的摇臂1-4分别与差动传动机构的传动销钉1-8a、1-8b连接；传动销钉1-8a、1-8b分别穿过差动传动机构的拉板1-6上的滑槽1-7a、1-7b；传动弹簧1-9的一端与控制销钉1-8a连接，另一端固定在拉板1-6上与油门踏板相连的一端1-13上；拉板1-6的另一端有回位弹簧1-5；在摇臂1-4一侧安装有蝶型加浓阀1-3起始位置调整螺钉1-12，另一侧安装蝶型加浓阀1-3最大开度限位螺钉1-2。
另一种富氢混合气燃料发动机混合气浓度控制装置，包括混合器及其空气进气口、富氢混合气燃料进气口、可燃混合气出口、混合器混合腔中的节气门，其特征在于：在富氢混合气燃料进气口处安装富氢混合气燃料控制器，燃料控制器内由阀座2-3、隔板2-4分割成A、B、C三个腔室；腔室A与混合器的富氢混合气燃料进口2-1c相通，腔室B有所述的富氢混合气燃料进气口2-17；阀座2-3上安装锥型加浓阀2-2；腔室C内安装锥型加浓阀的驱动机构；锥型加浓阀2-2的阀杆穿过隔板2-4与滚轮体2-6连接，滚轮体2-6与隔板2-4之间有回位弹簧2-5；滚轮体2-6抵于驱动机构的凸轮2-8上，凸轮2-8固定在凸轮轴2-7上，凸轮轴2-7的一端安装差动联轴器的主动盘2-15，凸轮轴2-7的另一端从腔室C伸出，与油门踏板的摇臂2-18连接；控制器2外壳与摇臂2-18之间的凸轮轴上安装有节气门轴回位弹簧2-9；差动联轴器的从动盘2-12安装在节气门轴2-10的一端，主动盘2-15上有两个传动销钉2-161和2-162，从动盘2-12上对应开有两个周向滑槽2-131和2-132，两个传动弹簧2-141和2-142分别安装在两个周向滑槽2-131和2-132中，主动盘2-15的两个传动销钉2-161和2-162分别插入从动盘2-12的两个周向滑槽2-131和2-132沿其旋转方向的末端中并与两个传动弹簧2-141和2-142的一端抵紧。
本发明的优点：本发明的富氢混合气燃料发动机混合气浓度控制策略的主要优点是：①发动机所有工作范围内1.0≤λ≤1.5，且在常用工况(40％～80％负荷)时，1.2≤λ≤1.5，实现了混合气稀薄燃烧；②在发动机气缸内有效地抑制了污染物的产生，其中，NOx的排放量较之同型汽油机平均下降80％以上，远低于当前最严格排放法规的限制值，接近于“零污染”。
本发明的显著特征在于：
①发现了富氢混合气燃料发动机混合气浓度控制策略，实现了发动机常用工况范围内的混合气稀薄燃烧，填补了该研究领域的空白；
②设计了富氢混合气燃料发动机混合气浓度控制策略的控制装置。该控制装置采用“量调节”和“质调节”相结合的方法实现了富氢混合气燃料发动机混合气浓度控制策略，且该控制装置以机械方式为主要特征，结构简单、工作可靠；
③可为以酒精为代表的可再生能源在传统发动机上的应用提供技术支持。
附图说明
图1是化油器式汽油机过量空气系数λ随发动机工况的变化关系图。
图2是电控汽油喷射汽油机过量空气系数λ随发动机工况的变化关系图。
图3是本发明的方法对使用富氢混合气燃料时，发动机过量空气系数λ的控制图。
图4是本发明一种富氢混合气燃料过量空气系数λ控制装置示意图。
图5是本发明第二种富氢混合气燃料过量空气系数λ控制装置示意图。
图6是第二种控制装置从动盘2-12结构示意图。
图7是第二种控制装置主动盘2-15结构示意图。
图8是第二种控制装置凸轮2-8结构示意图。
图9本发明发动机负荷与过量空气系数的关系。
具体实施方式
1.控制策略依据：
富氢混合气燃料的特点是，火焰传播速度快，允许采用较稀的混合气；辛烷值高，允许有较高的压缩比；体积热值和分子变更系数最小，有明显的挤占空气效应。因此其热效率较高，最高燃烧温度较低，有利于减少NOx的排放量，但发动机的动力性会有所下降。
经过大量的试验研究，并综合考虑发动机的动力、经济和排放等性能，确定富氢混合气燃料发动机混合气浓度的控制曲线如图3所示，图9本发明发动机负荷与过量空气系数的关系：
1)燃用富氢混合气燃料发动机可燃混合气浓度的控制满足：
①在发动机所有工作工况范围内1.0≤λ≤1.5，实现可燃混合气稀薄燃烧；
②发动机在常用工况40％～80％负荷时，1.2≤λ≤1.5；
2)富氢混合气燃料发动机可燃混合气浓度采用“量调节”与“质调节”相结合的方法进行控制。
发动机在某一转速下，空负荷时，过量空气系数λ＝1.0～1.03；随着负荷的增加，富氢混合气浓度逐渐变稀，至70％～80％负荷时，混合气浓度达到最稀，1.35≤λ≤1.5；当负荷由70％～80％增到100％过程中，混合气浓度快速地由最稀变浓，至100％负荷时λ＝1.0～1.02。
图4是一种过量空气系数λ控制装置示意图：装置包括混合器及其空气进气口1-1a、富氢混合气燃料进气管1-1c、可燃混合气出口1-1b、混合器1-1混合腔中的节气门1-11，在富氢混合气燃料进气管1-1c内安装蝶型加浓阀1-3，节气门1-11的摇臂1-10和蝶型加浓阀1-3的摇臂1-4分别与差动传动机构的传动销钉1-8a、1-8b连接；传动销钉1-8a、1-8b分别穿过差动传动机构的拉板1-6上的滑槽1-7a、1-7b；传动弹簧1-9的一端与控制销钉1-8a连接，另一端固定在拉板1-6上与油门踏板相连的一端1-13上；拉板1-6的另一端有回位弹簧1-5；在摇臂1-4一侧安装有蝶型加浓阀1-3起始位置调整螺钉1-12，另一侧安装蝶型加浓阀1-3最大开度限位螺钉1-2。装配时，各部件之间的相对位置关系应满足设计要求，其中蝶型加浓阀1-3的起始位置可通过其调整螺钉1-12进行调整并依靠自身的回位弹簧保持。
图4所示过量空气系数控制装置的工作原理是：
①发动机高怠速运转时，油门踏板处自由状态，节气门1-11接近关闭，蝶型加浓阀1-3处在设定的起始位置，富氢混合气经加浓阀1-3被吸入混合器1-1，并在此与空气混合后经节气门1-11进入气缸，此时可燃混合气的过量空气系数λ＝1.01～1.03；
②随着负荷的增加，油门踏板带动拉板1-6向左平移，传动弹簧1-9受到拉伸，并通过销钉和节气门轴摇臂1-10带动节气门1-11绕其轴线转动，同时因销钉1-8b可相对于拉板在右侧滑槽中自由移动，蝶型加浓阀1-3保持起始位置不变。随着节气门1-11的开度的增大，进入气缸的空气和富氢混合气流量均增加，但空气的增长速率大于富氢混合气燃料的增长速率，可燃混合气逐渐变稀，至75％负荷左右时，节气门1-11的开度达到最大，拉板1-6右侧滑槽相对于销钉1-8b的自由行程消失，此时可燃混合气的过量空气系数λ＝1.35～1.50。这一阶段的混合气浓度调节方式类似于化油器式汽油机，为“量调节”；
③随着负荷的进一步增加，拉板1-6继续向左平移，节气门1-11保持全开位置不变，拉板1-6通过摇臂1-4带动蝶型加浓阀1-3绕其轴线转动，蝶型加浓阀1-3的开度逐渐增大。此时，被吸入气缸的富氢混合气燃料量因碟阀的节流阻力减小而增加，同时因发动机转速、节气门开度不变以及富氢混合气的挤占作用，进入气缸的空气量有所减少，可燃混合气以较快速度变浓，至100％负荷时可燃混合气的过量空气系数λ＝1.0～1.02。这一阶段的混合气浓度调节方式类似于传统的柴油机，为“质调节”；
④发动机负荷减小，松开油门踏板，拉板1-6、节气门1-11和蝶型加浓阀1-3在各自回位弹簧的作用下沿上述路径退回到相应位置，可燃混合气的过量空气系数λ亦变化为相应的值。
图5是本发明第二种富氢混合气燃料过量空气系数λ控制装置示意图。图6是从动盘2-12结构示意图。图7是主动盘2-15结构示意图。图8是凸轮2-8结构示意图。
如图所示，这种过量空气系数控制装置包括混合器及其空气进气口2-1a、富氢混合气燃料进气口2-17、可燃混合气出口2-1b、混合器混合腔中的节气门2-11，在富氢混合气燃料进气口处安装富氢混合气燃料控制器，燃料控制器内由阀座2-3、隔板2-4分隔成A、B、C三个腔室；腔室A与混合器的富氢混合气燃料进口2-1c相通，腔室B有富氢混合气燃料的进气口2-17；阀座2-3上安装锥型加浓阀2-2；腔室C内安装锥型加浓阀的驱动机构；锥型加浓阀2-2的阀杆穿过隔板2-4与滚轮体2-6连接，滚轮体2-6与隔板2-4之间有回位弹簧2-5；滚轮体2-6抵于驱动机构的凸轮2-8上，凸轮2-8固定在凸轮轴2-7上，凸轮轴2-7的一端安装差动联轴器的主动盘2-15；凸轮轴2-7的另一端从腔室C伸出，与油门踏板的摇臂2-18连接；差动联轴器的从动盘2-12安装在节气门门轴1-14的一端，主动盘2-15上有两个传动销钉2-161和2-162，从动盘2-12上对应开有两个周向滑槽2-131和2-132，两个传动弹簧2-141、和2-142分别安装在周向滑槽2-131和2-132中，主动盘2-15的两个传动销钉2-161和2-162分别插入从动盘2-12的两个周向滑槽2-131和2-132的旋转方向的末端中与两个传动弹簧2-141和2-142的一端抵紧。2-9是节气门轴回位弹簧、2-10是节气门轴、2-18是油门踏板摇臂。
锥型加浓阀2-2为常开阀，其初始开度和运动规律由凸轮2-8控制，凸轮2-8工作段为D-E-F弧面，其中D-E段为圆形弧面，E-F段为变矢径弧面。装配时，各部件之间的相对位置关系应满足设计要求。
图5所示过量空气系数控制装置工作原理与图4所示控制装置的工作原理基本相似。(发动机转速不变)
①负荷由0增大到75％左右时，踩下油门踏板，凸轮轴2-7、凸轮2-8和差动联轴器主动盘2-15沿图示方向转动，此时凸轮由D点旋转至E点，锥型加浓阀2-2保持初始开度不变，同时联轴器主动盘2-15通过传动销钉2-16和传动弹簧2-14带动从动盘2-12及节气门轴同向转动，节气门开度由最小逐渐增大至全开。可燃混合气的过量空气系数λ由1.01～1.03逐渐增大至1.35～1.50，这一阶段的混合气浓度调节方式为“量调节”；
②负荷由75％左右增大到100％时，继续踩下油门踏板，节气门保持全开状态不变，同时主动盘2-15、凸轮轴2-7和凸轮2-8因传动弹簧2-14可进一步压缩而继续旋转，凸轮弧面矢径增大，加浓阀2-2开度随之增加，被吸入缸内的富氢混合气燃料增多，可燃混合气的过量空气系数λ由1.35～1.50以较快速度减小至1.0左右，实现可燃混合气浓度的“质调节”；
③负荷减小时，松开油门踏板，节气门2-10、锥型加浓阀2-2等回位，可燃混合气的过量空气系数λ亦变化为相应的值。
富氢混合气燃料发动机过量空气系数λ控制装置不限于以上所述。
本发明所指的富氢混合气燃料可来源于酒精等生物质能。
实例
本发明人利用含水酒精重整后得到的富氢混合气为燃料，采用上述过量空气系数控制装置，将传统的EQ6100电控汽油喷射汽油机改装成汽油-含水酒精重整气两用燃料发动机，并进行了大量的发动机台架试验，试验结果表明：
1.实现了上述富氢混合气浓度控制策略，在发动机所有工作范围内实现了稀薄燃烧(如图9所示)；
2.在发动机气缸内有效地抑制了污染物的产生，其中，NOx的排放量较之同型汽油机平均下降80％以上，远低于当前最严格排放法规的限制值；
3.与同型汽油机相比，发动机的动力性会有所下降。
Claims (3)
1.一种富氢混合气燃料发动机可燃混合气浓度控制方法，其特征在于：
1)燃用富氢混合气燃料发动机可燃混合气浓度的控制满足：
①在发动机所有工作工况范围内1.0≤λ≤1.5，实现可燃混合气稀薄燃烧；
②发动机在常用工况40％～80％负荷时，1.2≤λ≤1.5；
2)富氢混合气燃料发动机可燃混合气浓度采用“量调节”与“质调节”相结合的方法进行控制：即发动机在某一转速下，空负荷时，过量空气系数λ＝1.0～1.03；随着负荷的增大，富氢混合气浓度逐渐变稀，至70％～80％负荷中对应的一个值时，混合气浓度达到最稀，1.35≤λ≤1.5；当负荷继续增大到100％过程中，混合气浓度快速地由最稀变浓，至100％负荷时λ＝1.0～1.02。
2.用于权利要求1所述方法的一种富氢混合气燃料发动机可燃混合气浓度控制装置，包括混合器及其空气进气口、富氢混合气燃料进气管、可燃混合气出口、混合器混合腔中的节气门，其特征在于：在富氢混合气燃料进气管(1-1c)内安装蝶型加浓阀(1-3)，节气门(1-11)的摇臂(1-10)和蝶型加浓阀(1-3)的摇臂(1-4)分别与差动传动机构的节气门传动销钉(1-8a)、蝶型加浓阀传动销钉(1-8b)连接；节气门传动销钉(1-8a)、蝶型加浓阀传动销钉(1-8b)分别穿过差动传动机构的拉板(1-6)上的节气门传动销钉滑槽(1-7a)、蝶型加浓阀传动销钉滑槽(1-7b)；传动弹簧(1-9)的一端与节气门传动销钉(1-8a)连接，另一端固定在拉板(1-6)上与油门踏板相连的一端(1-13)上；拉板(1-6)的另一端有回位弹簧(1-5)；在蝶型加浓阀摇臂(1-4)的一侧安装有蝶型加浓阀(1-3)起始位置调整螺钉(1-12)，另一侧安装蝶型加浓阀(1-3)最大开度限位螺钉(1-2)。
3.用于权利要求1所述方法的另一种富氢混合气燃料发动机可燃混合气浓度控制装置，包括混合器及其空气进气口、富氢混合气燃料进气口、可燃混合气出口、混合器混合腔中的节气门，其特征在于：在富氢混合气燃料进气口处安装富氢混合气燃料控制器，燃料控制器内由阀座(2-3)、隔板(2-4)分割成A、B、C三个腔室；腔室A与混合器的富氢混合气燃料进口(2-1c)相通，腔室B有所述富氢混合气燃料的进气口(2-17)；阀座(2-3)上安装锥型加浓阀(2-2)；腔室C内安装锥型加浓阀的驱动机构；锥型加浓阀(2-2)的阀杆穿过隔板(2-4)与滚轮体(2-6)连接，滚轮体(2-6)与隔板(2-4)之间有回位弹簧(2-5)；滚轮体(2-6)抵于驱动机构的凸轮(2-8)上，凸轮(2-8)固定在凸轮轴(2-7)上，凸轮轴(2-7)的一端安装差动联轴器的主动盘(2-15)，凸轮轴(2-7)的另一端从腔室(C)伸出，与油门踏板的摇臂(2-18)连接；控制器外壳与摇臂(2-18)之间的凸轮轴上安装有节气门轴回位弹簧(2-9)；差动联轴器的从动盘(2-12)安装在节气门轴(2-10)的一端，主动盘(2-15)上有两个传动销钉(2-161、2-162)，从动盘(2-12)上对应开有两个周向滑槽(2-131、2-132)，两个传动弹簧(2-141、2-142)分别安装在两个周向滑槽(2-131、2-132)中，主动盘(2-15)的两个传动销钉(2-161、2-162)分别插入从动盘(2-12)的两个周向滑槽(2-131、2-132)沿其旋转方向的末端中，并与两个传动弹簧(2-141、2-142)的一端抵紧。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| EE01 | Entry into force of recordation of patent licensing contract |
Assignee: Dongfeng Shiye (Shiyan) Auto Industrial Co., Ltd. Assignor: Wuhan University of Technology| Dongfeng Motor Corporation Contract record no.: 2011420000238 Denomination of invention: Fuel engines combustible hydrogen-rich gaseous mixture concentration control method and its control device Granted publication date: 20091223 License type: Exclusive License Open date: 20080709 Record date: 20110901 |
|
| C17 | Cessation of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20091223 Termination date: 20140102 |