CN101975108A - 一种混氢、氧气的高辛烷值燃料点燃式内燃机及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种在高辛烷值燃料中混合氢气和氧气的点燃式内燃机及控制方法，具体内容涉及一种燃料中混合氢气和氧气的点燃式内燃机的燃料储存和供给系统、燃料比例分配及燃烧过程控制。该系统在保留原发动机主要机件及电子控制单元的基础上增加了一套氢、氧气随车制取、储存及供给装置。氢氧混合燃料电子控制单元(12)可以根据传感器信号c-h控制氢、氧气喷嘴的开启和关闭，使发动机根据不同工况运行在纯氢氧混合气、氢-氧-高辛烷值燃料混合气及纯高辛烷值燃料三种燃烧模式，因而大幅降低了高辛烷值燃料内燃机冷起动及怠速时的HC和CO排放，并提高了高辛烷值内燃机中、低负荷阶段的热效率和排放水平。

Description

一种混氢、氧气的高辛烷值燃料点燃式内燃机及控制方法

技术领域

点燃式内燃机主要燃用高辛烷值燃料，本发明提供一种在高辛烷值燃料中混合氢气和氧气的点燃式内燃机及控制方法，具体内容涉及一种燃料中混合氢气和氧气的点燃式内燃机的燃料储存和供给系统、燃料比例分配及燃烧过程控制。

背景技术

石油资源的不断减少和环境污染的日益严重使节能、减排成为了内燃机行业发展的必然趋势。氢能被普遍认为是内燃机最为理想的代用能源。与汽油等传统能源相比，氢气具有燃烧及扩散速度高、焠熄距离短等优良的燃烧与物化特性，因而氢发动机可以获得较传统内燃机更高的热效率。另一方面，氢气的点火能量低且燃烧界限宽，这也使氢发动机可以通过稀薄燃烧改善其排放性能。目前，氢发动机按供氢方式可以分为进气道喷射和缸内氢气直喷两种。由于氢气单位体积的能量密度低，所以采用进气道喷射方式供氢的发动机会产生功率降低的问题。而采用氢气直喷技术的发动机往往系统复杂，制造成本高。同时，纯氢发动机耗氢量大，但目前氢基础设施建设不完善，这也使氢发动机难以在短时间内迅速推广。

氢气在发动机上的另一种应用方式为氢与其他燃料所组成的混合燃料发动机。该技术在冷起动阶段采用纯氢，利用氢气点火能量低及不含碳的特点，有效地降低了点燃式发动机起动过程中的HC及CO排放；在小负荷阶段采用汽油-氢气混合燃烧，利用氢气优良的燃烧特性提高发动机部分负荷经济与排放性能；大负荷阶段采用纯汽油燃烧保证发动机动力性。该技术有效地提高了发动机热效率和排放性能，但加氢困难的问题仍然存在。

通过提高进气中氧气浓度，实现富氧燃烧也可以提高内燃机热效率。同时，增加空气中氧分数后，相同过量空气系数条件下，发动机可以加大循环燃料供应量，使内燃机动力性得到提高。但由于燃料在富氧环境下燃烧速度更快、火焰温度更高，因而富氧燃烧在大负荷工况会导致发动机过热及机件损坏等问题。另一方面，采用富氧燃烧需要随车携带氧气，而目前氧气加注存在困难。

发明内容

针对目前高辛烷值燃料火花点火内燃机存在热效率低、排放高的问题，为进一步提高点燃式内燃机的热效率和排放性能，本发明提供了一种新型的氢-氧-高辛烷值燃料混合燃料发动机及其控制方法。

本发明采用了如下技术方案：该发明中的混合氢气和氧气的高辛烷值燃料点燃式内燃机，包括原机的高辛烷值燃料点燃式内燃机电子控制单元13、内燃机、与内燃机相连通的内燃机进气歧管11、与内燃机进气歧管11相连通的内燃机进气总管10、以及点火模块16和火花塞17，内燃机电子控制单元(13)通过点火模块(16)控制安装在内燃机上的火花塞(17)发火时刻，高辛烷值燃料喷嘴(15)安装在发动机各缸进气歧管(11)中，此外，还包括制氢氧机23、与制氢氧机相连通的氢气储存罐1和氧气储存罐2、安装在氢气储存罐上的氢气罐压力传感器3、安装在氧气储存罐上的氧气罐压力传感器4、通过管路与氧气储存罐相连通的氧气喷嘴7、通过管路与氢气储存罐相连通的氢气喷嘴14、设置在氢气储存罐和氢气喷嘴的连通管路上的氢气供给管路电磁阀5、设置在氧气储存罐和氧气喷嘴之间的氧气供给管路电磁阀6、及氢氧混合燃料电子控制单元12，氧气喷嘴7连接在发动机进气总管11中，氢气喷嘴14安装在发动机各缸进气歧管11中；氢氧混合燃料电子控制单元12通过屏蔽电缆与内燃机发动机电子控制单元13进行通讯，获得节气门位置信号c、冷却液温度信号d、发动机转速信号e、氧传感器信号f、原机高辛烷值燃料喷射信号g及空气流量信号h。同时，氧混合燃料电子控制单元12通过屏蔽电缆与氢气罐压力传感器3及氧气罐压力传感器4相连，获得氢气罐压力信号n及氧气罐压力信号P。氢氧混合燃料电子控制单元12通过发出高辛烷值燃料喷嘴控制信号i，氢气喷嘴控制信号J及氧气喷嘴控制信号m，控制高辛烷值燃料喷嘴15、氢气喷嘴14及氧气喷嘴7的开启和关闭时刻，从而调整氢-氧混合气占总进气量的体积分数及混合气过量空气系数。同时，氢氧混合燃料电子控制单元12利用屏蔽线缆与氢气供给管路电磁阀5和氧气供给管路电磁阀6相连接，通过发出氢气供给管路电磁阀控制信号L和氧气供给管路电磁阀控制信号k打开和关闭氢、氧气供给管路。

一种混合氢气和氧气的高辛烷值燃料点燃式内燃机的控制方法，该方法包括以下步骤：

该控制方法按工况分为冷起动工况、怠速工况、中小负荷工况和高速、高负荷工况；

每循环进入发动机的氢氧混合气占总进气的体积分数α为：

α＝(V_H2+V_O2)/V_O2    公式1

1)冷起动工况：

起动时，氢氧混合燃料电子控制单元12通过与原机电子控制单元13通讯获取发动机节气门位置信号c、冷却液温度信号d及发动机转速信号e，并根据氢气罐压力信号n和氧气罐压力信号P判断内燃机起动方式；

当氢气储存罐和氧气储存罐的压力均低于2.0bar时，氢氧混合燃料电子控制单元12关闭氧气喷嘴7和氢气喷嘴14，并根据从原发动机电子控制单元13所获得的原机高辛烷值燃料喷射信号g控制高辛烷值燃料喷嘴15的开启和关闭，使发动机按照原机起动方式顺利起动；

当氢气储存罐压力和氧气储存罐压力均大于等于2.0bar时，氢氧混合燃料电子控制单元12发出控制信号L、k打开氢气供给管路电磁阀5和氧气供给管路电磁阀6，根据发动机起动转速e、冷却液温度d和空气流量信号h控制氢气与氧气喷嘴的喷气脉宽，同时通过将汽油喷射脉宽调整至零关闭高辛烷值燃料喷嘴15，使发动机以氢、氧混合气方式起动；在纯氢氧混合气起动方式下，氢氧混合燃料电子控制单元12通过与原机电子控制单元13通讯获得发动机冷却液温度信号d，并根据发动机不同冷却液温度T_c调整氢氧混合气的喷射脉宽，具体如下：

根据冷却液温度，又分为如下4种情况：

I)在-50℃＝＜T_c＜-20℃时，氢氧混合燃料电子控制单元12)根据公式1计算并调整氢气和氧气喷嘴的喷射脉宽，使缸内氢氧混合气占总进气量的体积分数α保持在0.45～0.55之间；

II)在-20℃＝＜T_c＜-0℃时，氢氧混合燃料电子控制单元12)根据公式1计算并调整氢气和氧气喷嘴的喷射脉宽，使缸内氢氧混合气占总进气量的体积分数α保持在0.35～0.45之间；

III)在0℃＝＜T_c＜40℃时，氢氢氧混合燃料电子控制单元12)根据公式1计算并调整氢气和氧气喷嘴的喷射脉宽，使缸内氢氧混合气占总进气量的体积分数α保持在0.25～0.35之间；

IV)在40℃＝＜T_c时，氢氢氧混合燃料电子控制单元12)根据公式1计算并调整氢气和氧气喷嘴的喷射脉宽，使缸内氢氧混合气占总进气量的体积分数α保持在0.2～0.25之间；

2)怠速工况：氢氧混合燃料电子控制单元12)根据氢气罐压力信号n和氧气罐压力信号P判定发动机怠速时是否混入氢、氧气；

当氢气储存罐与氧气储存罐压力均低于2bar时，氢氧混合燃料电子控制单元12)关闭氢气与氧气喷嘴，打开制氢氧机23)开始制取氢、氧气，并根据原机高辛烷值燃料喷射信号g打开高辛烷值燃料喷嘴15)，此时内燃机怠速控制策略与原机相同；

在氢气储存罐压力和氧气储存罐均压力大于2bar时，氢氧混合燃料电子控制单元12)与原机电子控制单元13)通讯获得节气门位置信号c、冷却液温度信号d、发动机转速信号e、氧传感器信号f、原机高辛烷值燃料喷射信号g和空气流量信号h，并控制氢气供给管路电磁阀5)、氧气供给管路电磁阀6)、氧气喷嘴7)、氢气喷嘴14)和高辛烷值燃料喷嘴15)的开启和关闭，调整氢氧混合气在进气中的体积分数α和混合气过量空气系数λ_m，具体如下：

根据不同的冷却液温度T_c，又分为如下三个不同的过程：

I)在T_c＝＜20℃时，氢氧混合燃料电子控制单元12)通过调整氢气和氧气喷嘴的喷射脉宽，使氢氧混合气占总进气量的体积分数α保持在0.2～0.5之间，同时关闭高辛烷值燃料喷嘴15)，使发动机以氢-氧混合气模式暖机，该工况下采用开环控制，氢氧混合燃料电子控制单元12)不对混合气过量空气系数λ_m进行调整；

II)在20℃＜T_c＝＜80℃时，氢氧混合燃料电子控制单元12)通过调整氢气与氧气喷嘴的喷射脉宽，使α控制在0.015至0.03之间且α随水温的升高而降低，并且根据氧传感器信号f及原机高辛烷值燃料喷射信号g调整高辛烷值燃料的实际喷射脉宽，实现对混合气过量空气系数的闭环控制，并将混合气的过量空气系数λ_m控制在1.0；

III)在80℃＜T_c时，氢氧混合燃料电子控制单元12)通过调整氢气与氧气喷嘴的喷射脉宽，使α控制在0.015，并且根据氧传感器信号f及原机高辛烷值燃料喷射信号g调整高辛烷值燃料的实际喷射脉宽，使混合气过量空气系数保持在1.0；

3)在中、小负荷工况下，氢氧混合燃料电子控制单元12)调整氢-氧混合气占总进气量的体积分数α和混合气过量空气系数λ_m，使α和λ_m在不同的转速及负荷条件下分别控制在0.005～0.015和1.0。

4)在高速、高负荷工况下，氢氧混合燃料电子控制单元12)关闭氢气供给管路电磁阀5)和氧气供给管路电磁阀6)及氧气喷嘴7)和氢气喷嘴14)，使发动机以纯高辛烷值燃料燃烧模式运行。

所述高辛烷值燃料包括汽油、甲醇、乙醇、天然气或液化石油气。

发明的有益效果是，针对高辛烷值燃料点燃式内燃机冷起动、怠速及中、小负荷条件下汽油机油膜效应严重、缸内燃料燃烧不充分、HC和CO排放高的问题，提出利用车载制氢氧机随车制取氢、氧气并通过氢氧混合气改善点燃式内燃机机的经济性与排放性。起动时，发动机采用氢-氧混合气配合稀薄燃烧方式起动，避免了起动时燃料消耗量大的问题，并有效地降低了起动过程中HC与CO排放。在怠速和小负荷工况下，根据转速和发动机负荷调整氢氧混合气占进气的体积分数，利用氢-氧混合气可以加速燃料燃烧和点火能量低的优点提高发动机部分负荷条件下热效率与排放水平。在高速、大负荷条件下，通过采用纯高辛烷值燃料燃烧，保证内燃机高速、大负荷时的动力性。本发明所用的车载制取氢氧及储存系统可以通过回收发电机多余电能制氢，提高了整机热效率，并解决了车用氢气和氧气的加注问题。所采用的发动机燃烧控制方式能够根据发动机工况对氢气、氧气及高辛烷值燃料喷射比例和混合气过量空气系数控制，可以实现纯氢-氧混合气燃烧、氢-氧-高辛烷值燃料混合燃烧和纯高辛烷值燃料燃烧的内燃机燃烧模式，提高了发动机起动、怠速和小负荷时的性能，降低了燃油消耗率和有害排放，成为一种改善发动机经济与排放性能的有效技术手段。

附图说明

图1本发明的结构和工作原理图

图中：1氢气储存罐；2氧气储存罐；3氢气罐压力传感器；4氧气罐压力传感器；5氢气供给管路电磁阀；6氧气供给管路电磁阀；7氧气喷嘴；8节气门；9进气流量传感器；10内燃机进气总管；11内燃机进气歧管；12氢氧混合燃料电子控制单元；13原发动机电子控制单元；14氢气喷嘴；15高辛烷值燃料喷嘴；16点火模块；17火花塞；18燃料泵；19汽油箱；20内燃机排气管；21曲轴；22内燃机活塞；23制氢氧机

a.传感器数据信号；b.点火角控制信号；c.节气门位置信号；d.冷却液温度信号；e.发动机转速信号；f.氧传感器信号；g原机高辛烷值燃料喷射脉宽信号；h.空气流量信号；i高辛烷值燃料喷嘴控制信号；J.氢气喷嘴控制信号；k.氧气供给管路电磁阀4控制信号；L.氢气供给管路电磁阀控制信号；m.氧气喷嘴控制信号；n.氢气罐压力信号；P.氧气罐压力信号。

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，该氢-氧-高辛烷值燃料混合燃料内燃机，主要包括传统火花点火内燃机的电控系统和发动机本体，电控系统包括原发动机电子控制单元1，通过原发动机电子控制单元13获得原机传感器数据信号a；发动机本体包括节气门8，进气流量传感器9，内燃机进气总管10，内燃机进气岐管11，高辛烷值燃料喷嘴15，点火模块16，火花塞17，燃料泵18，燃料箱19，内燃机排气管20，曲轴21，活塞22，原发动机电子控制单元13。通过原机控制线缆与点火模块16相连，根据发动机传感器数据信号a控制火花塞17跳火。增加了一套车载氢氧气制取与储存系统、氢氧混合燃料供给及喷射系统，该系统包括制氢氧机23、与制氢氧机相连通的氢气储存罐1和氧气储存罐2、安装在氢气储存罐上的氢气罐压力传感器3、安装在氧气储存罐上的氧气罐压力传感器4、通过管道与氧气储存罐相连通的氧气喷嘴7、通过管道与氢气储存罐相连通的氢气喷嘴14、设置在氢气储存罐和氢气喷嘴之间的连通管路上的氢气供给管路电磁阀5、设置在氧气储存罐和氧气喷嘴之间的连通管路上氧气供给管路电磁阀6、及氢氧混合燃料电子控制单元12，氧气喷嘴7连接在发动机进气总管11中，氢气喷嘴14安装在发动机各缸进气歧管11中。氢氧混合燃料电子控制单元12通过屏蔽电缆与原发动机电子控制单元13进行通讯，获得节气门位置信号c、冷却液温度信号d、发动机转速信号e、氧传感器信号f、原机高辛烷值燃料喷射信号g及空气流量信号h。同时，氧混合燃料电子控制单元12通过屏蔽电缆与氢气罐压力传感器3及氧气罐压力传感器4相连，获得氢气罐压力信号n及氧气罐压力信号P；氢氧混合燃料电子控制单元12通过发出高辛烷值燃料喷嘴控制信号i，氢气喷嘴控制信号J及氧气喷嘴控制信号m，控制高辛烷值燃料喷嘴15、氢气喷嘴14及氧气喷嘴7的开启和关闭时刻，从而调整氢-氧混合气占总进气量的体积分数及混合气过量空气系数；同时，氢氧混合燃料电子控制单元12利用屏蔽线缆与氢气供给管路电磁阀5和氧气供给管路电磁阀6相连接，通过发出氢气供给管路电磁阀控制信号L和氧气供给管路电磁阀控制信号k打开和关闭氢、氧气供给管路。为避免氢、氧气直接混合所导致的危险，本发明中氧气喷嘴7连接在发动机进气总管11中，氢气喷嘴14安装在发动机各缸进气歧管11中。从制氢氧机23所制得的氢气与氧气分别通过不锈钢管路与氢气储存罐1、氧气储存罐2、氢气供给管路电磁阀5、氧气供给管路电磁阀6、氢气喷嘴14和氧气喷嘴7相连接。

一种氢-氧-汽油混合燃料内燃机的控制方法如下：

每循环进入发动机的氢氧混合气占总进气的体积分数α为：

α＝(V_H2+V_O2)/V_O2            公式1

氢气与氧气体积分数比α_H2-O2

α_H2-O2＝V_H2/V_O2             公式2

其中，V_H2和V_O2分别为每循环进入发动机的氢气与氧气体积(L/cycle)。由于水中氢、氧原子比为2∶1，所以利用制氢氧机电解水制氢、氧气时，任何工况下α_H2-O2均可保持在2∶1，且所制得的氢、氧气的摩尔比例为理论化学计量比。因此，在本发明所提供的混合燃料供应策略下，发动机高辛烷值燃料-氢气-氧气-空气混合气的过量空气系数λ_m仅取决于高辛烷值燃料的过量空气系数λ_f。因此，

λ_m＝λ_f＝m_air/m_fAF_，st，f，    公式3

其中，m_air为每循环进入发动机空气质量(g/cycle)；m_f为每循环进入发动机汽油质量(g/cycle)；A_{F，st，f，}为高辛烷值燃料(汽油、甲醇、乙醇、天然气、液化石油气等)的理论空燃比。

氢氧混合燃料电子控制单元12获得原机高辛烷值燃料喷射信号g作为高辛烷值燃料的基本喷油量m_f，b，根据获得的氧传感器信号f作为修正喷油量m_f，c。在某一工况下，由氢氧混合燃料电子控制单元12所控制的发动机高辛烷值燃料实际喷射量m_f＝m_f，b+m_f，c。由于原发动机电子控制单元在出厂时已经对不同转速及节气门开度下的燃料喷射量进行了标定，因而在本发明所提供的控制策略下，氢氧混合燃料电子控制单元12不必对发动机高辛烷值燃料喷射量在不同工况下重新进行标定，而是只需根据氧传感器信号f对不同氢气、氧气混掺分数及发动机转速和节气门开度下调整修正喷油量m_f，c即可保证发动机在某一过量空气系数λ_m下运行，并实现对发动机过量空气系数λ_m的闭环控制。采用本发明所提供的高辛烷值燃料喷射控制策略可大幅降低氢气-氧气-高辛烷值燃料点燃式内燃机标定工作量及开发成本。

一种氢-氧-汽油混合燃料内燃机的控制策略可按工况分为冷起动工况、怠速工况、中、小负荷工况和高速、高负荷工况。

1)冷起动工况：为保证发动机起动成功，冷起动采用开环控制策略，起动过程中氢氧混合燃料电子控制单元12不检测氧传感器信号f。起动时，氢氧混合燃料电子控制单元12通过与原机电子控制单元13通讯获取发动机节气门位置信号c、冷却液温度信号d及发动机转速信号e，并根据氢气罐压力信号n和氧气罐压力信号P判断内燃机起动方式。当氢、氧气罐压力均低于2.0bar时，氢氧混合燃料电子控制单元12关闭氧气喷嘴7和氢气喷嘴14，并根据从原发动机电子控制单元13所获得的原机高辛烷值燃料喷射信号g控制高辛烷值燃料喷嘴15的开启和关闭，使发动机按照原机起动方式顺利起动。当氢氧气罐压力均大于等于2.0bar时，氢氧混合燃料电子控制单元12发出控制信号L、k打开电磁阀5、6，根据发动机起动转速e、冷却液温度信号d和空气流量信号h控制氢气与氧气喷嘴的喷气脉宽，同时通过将汽油喷射脉宽调整至零关闭高辛烷值燃料喷嘴15，使发动机以氢、氧混合气方式起动。在纯氢氧混合气起动方式下，氢氧混合燃料电子控制单元12通过与原机电子控制单元13通讯获得发动机冷却液温度信号d，并根据发动机不同冷却液温度(T_c)调整氢氧混合气的喷射脉宽，保证发动机在氢氧混合气条件下顺利起动。由于氢气可以避免液态燃料起动时的油膜效应，且氢气在常规空气中能够在过量空气系数为10的条件下燃烧，而富氧空气又能进一步拓展氢气的稀燃极限，因此氢-氧-汽油混合燃料发动机能够以稀薄燃烧方式起动。

根据冷却液温度，起动过程又分为如下4种情况：

I)在-50℃＝＜T_c＜-20℃时，氢氧混合燃料电子控制单元12根据T_c判定发动机处于超低温起动状态。为保证发动机顺利起动，应采用较浓的混合气。氢氧混合燃料电子控制单元12根据公式(1)计算并调整氢气和氧气喷嘴的喷射脉宽，使缸内氢氧混合气占总进气量的体积分数α保持在0.45～0.55之间，控制结果根据内燃机台架试验进行验证。

II)在-20℃＝＜T_c＜-0℃时，氢氧混合燃料电子控制单元12根据T_c判定发动机处于低温起动状态。为保证发动机顺利起动，应采用偏浓的混合气。氢氧混合燃料电子控制单元12根据式(1)计算并调整氢气和氧气喷嘴的喷射脉宽，使缸内氢氧混合气占总进气量的体积分数α保持在0.35～0.45之间，控制结果根据内燃机台架试验进行验证。

III)在0℃＝＜T_c＜40℃时，氢氧混合燃料电子控制单元12根据T_c判定发动机处于常温起动状态，可采用偏稀的混合气。氢氢氧混合燃料电子控制单元12根据式(1)计算并调整氢气和氧气喷嘴的喷射脉宽，使缸内氢氧混合气占总进气量的体积分数α保持在0.25～0.35之间，控制结果根据内燃机台架试验进行验证。

IV)在40℃＝＜T_c时，氢氧混合燃料电子控制单元12根据T_c判定发动机处于热机起动状态，应采用更稀的混合气。氢氢氧混合燃料电子控制单元12根据式(1)计算并调整氢气和氧气喷嘴的喷射脉宽，使缸内氢氧混合气占总进气量的体积分数α保持在0.2～0.25之间，控制结果根据内燃机台架试验进行验证。

所述的超低温、低温、常温和热机起动的内燃机台架试验所采用的氢氧混合气喷射脉宽应保证发动机能够在各种温度条件下顺利起动，不出现失火现象。氢-氧-汽油混合燃料发动机起动成功的标志可设置为发动机连续5个循环的转速超过500转/分钟。起动成功后，氢氧混合燃料电子控制单元12控制发动机退出起动工况。

2)怠速工况：氢氧混合燃料电子控制单元12根据氢气罐压力信号n和氧气罐压力信号P判定发动机怠速时是否混入氢、氧气，当氢气与氧气罐压力均低于2bar时，氢氧混合燃料电子控制单元12关闭氢气与氧气喷嘴，打开制氢氧机23开始制取氢、氧气，并根据原机高辛烷值燃料喷射信号g打开高辛烷值燃料喷嘴15，此时内燃机怠速控制策略与原机相同。在氢、氧气管压力均大于2bar时，氢氧混合燃料电子控制单元12与原机电子控制单元13通讯获得节气门位置信号c、冷却液温度信号d、发动机转速信号e、氧传感器信号f、原机高辛烷值燃料喷射信号g和空气流量信号h，并控制氢气供给管路电磁阀5、氧气供给管路电磁阀6、氧气喷嘴7、氢气喷嘴14和高辛烷值燃料喷嘴15的开启和关闭，调整氢氧混合气在进气中的体积分数α和混合气过量空气系数λ_m。根据不同的冷却液温度T_c，氢-氧-高辛烷值燃料点燃式内燃机的怠速控制又分为如下三个不同的过程：

I)在T_c＝＜20℃时，发动机处于低温怠速暖机过程。由于此时缸内温度比较低，因而采用纯氢氧混合气及偏稀混合气的控制策略可以有效地控制发动机低温暖机时HC和CO排放，同时氢气较高的绝热火焰温度也有利于提高发动机暖机速度。在此工况下，氢氧混合燃料电子控制单元12通过调整氢气和氧气喷嘴的喷射脉宽，使氢氧混合气占总进气量的体积分数α保持在0.2～0.5之间，同时关闭高辛烷值燃料喷嘴15，使发动机以氢-氧混合气模式暖机，控制结果根据内燃机台架试验进行验证。

II)在20℃＜T_c＝＜80℃时，发动机处于正常怠速暖机过程。由于此时缸内温度升高，继续采用氢-氧混合气暖机会导致NOx排放增加，因而本工况下内燃机采用氢-氧-高辛烷值燃料混合燃烧方式。在此工况下，氢氧混合燃料电子控制单元12通过调整氢气与氧气喷嘴的喷射脉宽，使α控制在0.015～0.03之间附近，并且根据氧传感器信号f及原机高辛烷值燃料喷射信号g调整高辛烷值燃料的实际喷射脉宽，实现对混合气过量空气系数的闭环控制，并将混合气的过量空气系数λ_m控制在1.0附近，以保证此时发动机所产生的排放污染物能够被三元催化器处理，控制结果根据内燃机台架试验进行验证。

III)在80℃＜T_c时，发动机怠速暖机完成。在此工况下，氢氧混合燃料电子控制单元12通过调整氢气与氧气喷嘴的喷射脉宽，使α控制在0.015附近，并且根据氧传感器信号f及原机高辛烷值燃料喷射信号g调整高辛烷值燃料的实际喷射脉宽，使混合气过量空气系数保持在1.0附近，控制结果根据内燃机台架试验进行验证。

3)中、小负荷工况：氢氧混合燃料电子控制单元12根据氢气罐压力信号n和氧气罐压力信号P判定发动机在中、小负荷工况下时是否混入氢、氧气，当氢气与氧气罐压力均低于2bar时，氢氧混合燃料电子控制单元12关闭氢气与氧气喷嘴，并根据原机高辛烷值燃料喷射信号g打开高辛烷值燃料喷嘴15，此时内燃机控制策略与原机相同。在氢、氧气管压力均大于2bar时，氢氧混合燃料电子控制单元12根据从原机电子控制单元13获得的节气门位置信号c及发动机转速信号e判断发动机所处工况，当转速低于2500转/分钟并且节气门开度低于70度时，判定发动机处于中、小负荷工况。

在中、小负荷工况下，氢氧混合燃料电子控制单元12与原机电子控制单元13通讯获得节气门位置信号c、发动机转速信号e、氧传感器信号f及原机高辛烷值燃料喷射信号g及进气流量信号h，通过控制氧气喷嘴7、氢气喷嘴14及高辛烷值燃料喷嘴15的开启和关闭时刻，实时调整α、λ_m，使α和λ_m在不同的转速及负荷条件下分别控制在0.005～0.015和1.0附近。

4)高速、高负荷工况：

氢氧混合燃料电子控制单元12根据从原机电子控制单元13获得的节气门位置信号c及发动机转速信号e判断发动机所处工况，当转速高于2500转/分或节气门开度高于70度时，判定发动机处于高速、高负荷工况。

在高速、高负荷工况下，氢氧混合燃料电子控制单元12关闭电磁阀5、6及氧气喷嘴7和氢气喷嘴14，使发动机以纯高辛烷值燃料燃烧模式运行，保证发动机高速、高负荷是动力性，发动机动力性、经济性及排放性与原汽油机相当。

本发明的工作过程：起动时，氢氧混合燃料电子控制单元12与原汽油机电子控制单元13通讯，根据获得的节气门位置信号c、冷却液温度信号d、发动机转速信号e、空气流量信号h、原机高辛烷值燃料喷射信号i、氢气罐压力信号n和氧气罐压力信号P判定发动机起动方式。当氢、氧气罐压力均低于2.0bar时，氢氧混合燃料电子控制单元12关闭氧气喷嘴7和氢气喷嘴14，并根据从原发动机电子控制单元13所获得的原机高辛烷值燃料喷射信号g控制高辛烷值燃料喷嘴15的开启和关闭，使发动机按照原机起动方式顺利起动。当氢氧气罐压力均大于等于2.0bar时，氢氧混合燃料电子控制单元12发出控制信号L、k打开电磁阀5、6，根据发动机起动转速e、冷却液温度信号d和空气流量信号h控制氢气与氧气喷嘴的喷气脉宽，同时通过将汽油喷射脉宽调整至零关闭高辛烷值燃料喷嘴15，使发动机以氢、氧混合气方式起动。根据不同的冷却液温度T_c，控制氢气和氧气喷嘴14与7的开启与关闭，混合气氢氧混合气占总进气量的体积分数α控制在0.2～0.55之间，并随温度T_c的升高而降低。起动后，发动机进入怠速工况，氢氧混合燃料电子控制单元12获得原机电子控制单元13节气门位置信号c、冷却液温度信号d、发动机转速信号e、氧传感器信号f、原机高辛烷值燃料喷射脉宽信号g、空气流量信号h、氢气罐压力信号n和氧气罐压力信号P，当冷却液温度低于20℃时，采用氢-氧混合气暖机，以降低HC及CO排放；氢氧混合燃料电子控制单元12通过控制氢气及氧气喷嘴的开启和关闭调整氢氧混合气占总进气量的体积分数，使其随T_c的升高而减少；当冷却液温度高于20℃时，采用氢-氧-高辛烷值燃料混合模式燃烧，氢氧混合燃料电子控制单元12根据冷却液温度调整氢氧混合气占进气体积分数α，使α在0.015至0.03之间变化，并随T_c的升高而减小，氢氧混合燃料电子控制单元12同时根据氧传感器信号f对高辛烷值燃料的喷射量进行闭环控制，使氢-氧-高辛烷值燃料混合气的过量空气系数保持在理论过量空气系数附近。中、小负荷工况下，内燃机采用氢-氧-高辛烷值燃料混合燃烧模式运行，氢氧混合燃料电子控制单元12根据节气门位置信号c、冷却液温度信号d、发动机转速信号e、空气流量信号h、原机高辛烷值燃料喷射信号i、氢气罐压力信号n和氧气罐压力信号P，控制氧气喷嘴7、氢气喷嘴14和高辛烷值燃料喷嘴15的开启和关闭，使α在0.005至0.015之间变化，并随转速和节气门开度的增加而减小，同时根据氧传感器信号f通过调整高辛烷值燃料喷射脉宽对氢-氧-汽油-高辛烷值燃料混合气的过量空气系数λ_m进行闭环控制，使λ_m保持在理论值。高速、大负荷工况下，内燃机采用纯汽油燃烧模式运行，氢氧混合燃料电子控制单元12根据原机高辛烷值燃料喷射信号i和氧传感器信号f控制数据控制高辛烷值燃料喷嘴15的开启和关闭，使发动机性能与原机相同。

本实施例对各种工况进行了如下实验：

实验所用发动机为直列四缸1.6升多点电控喷射汽油机，按照图1所示改造成氢-氧-高辛烷值燃料混合燃料点燃式内燃机。实验用高辛烷值燃料为市售93#汽油，氢氧混合气由车用制氢氧机提供。使用Horiba-7100DEGR型排放仪测量各实验工况下发动机三元催化器安前的HC、CO及NOx排放。由于在发动机高速、高负荷阶段采用纯汽油燃烧，其燃烧与排放性能与纯汽油机相当。因此，本实验仅在起动、怠速和中等负荷阶段进行。

1)起动实验(冷却液温度为27℃)

氢氧混合燃料电子控制单元12首先根据氢气罐压力信号n和氧气罐压力信号P判断内燃机以氢-氧混合气模式起动，之后通过与原机电子控制单元13通讯获得的转速和冷却水温度信号判断发动机是否处于起动工况并确定起动时氢氧混合气的喷射脉宽。实验时的环境温度为27℃，氢氧混合燃料电子控制单元12控制汽油喷射脉宽为0ms，从而关闭汽油喷嘴，氢气喷嘴喷射脉宽为7ms，氧气喷嘴喷射脉宽为3.5ms，使氢-氧混合气与空气在进气道内混合后吸入内燃机进气道。同时，由原机电子控制单元13按原机标定程序自动调整火花塞17的发火时刻。按照上述方法，内燃机可以顺利起动。利用尾气分析仪测量得到的发动机起动过程HC排放为7ppm，CO为12ppm，NOx为51ppm。而相同条件下，采用汽油作为单一燃料起动发动机时，HC排放为923ppm，CO排放为3136ppm，NOx为43ppm。这是因为在氢-氧气起动条件下，发动机HC和CO排放主要来源于机油蒸发，而非汽油起动时燃料的不充分燃烧，因而采用纯氢氧混合气起动发动机可以大幅降低起动时的HC及CO排放。由于氢气的火焰传播速度和燃烧温度高速汽油，加之富氧燃烧也会导致温度升高，因而采用氢氧混合气起动发动机时，NOx排放会有小幅增加。

2)怠速试验(转速：790转/分钟，冷却液温度87℃，节气门开度0度)

氢氧混合燃料电子控制单元12根据冷却液温度和节气门开度判定发动机处于正常怠速工况。根据发动机空气流量信号h确定氧气和氢气喷嘴的喷射脉宽，使氢氧混合气占总进气的体积分数α为0.015，同时根据氧传感器信号对汽油喷射脉宽进行闭环控制，使λ_m保持在1.00。

实验结果表明，在冷却液温度为87℃的条件下，采用上述控制策略，发动机怠速可以稳定在(790±5)转/分钟的范围内。利用尾气分析系统测量得到的发动机HC排放为387ppm，CO为544ppm，NOx排放为142ppm。而相同冷却液温度和怠速转速下，纯汽油机的HC排放为623ppm，CO为781ppm，NOx为104ppm。这主要是掺入氢氧混合气后，由于氢气的点火能量低，因此氢-氧-汽油混合气较纯汽油更容易被点燃，并快速、充分地燃烧，从而减少了怠速过程中的HC和CO排放。但NOx排放在掺入氢氧混合气有略有增加。

3)中负荷试验(转速：1800转/分，冷却液温度90℃，节气门开度：35度)

氢氧混合燃料电子控制单元12根据所得到的空气进气流量信号h控制氢、氧气的喷射脉宽，使氢氧混合气占进气体积分数α为0.006，并调整对汽油喷射脉宽进行闭环控制，使氢-氧-汽油混合气的过量空气系数保持在理论值。

实验结果表明，在内燃机转速为2000转/分钟，冷却液温度为90℃，节气门开度为35度的条件下，按上述控制策略采用氢-氧-汽油混合燃烧后，发动机HC排放约为203ppm，CO为347ppm，NOx为525ppm。而采用汽油为单一燃料的发动机在相同工况下所测得的HC排放为459ppm，CO为572ppm，NOx为402ppm。发动机比燃油消耗率由纯汽油机的291g/(kW.h)下降至采用氢-氧-汽油混合燃烧策略时的256g/(kW.h)。原因是氢气较高的扩散速度促进了缸内混合气均匀程度的提高，同时氧气的加入也改善了燃料的燃烧范围并提高了燃烧温度，从而使得相同中负荷工况下，采用氢-氧-汽油混合燃料发动机的比燃油消耗率较汽油机明显降低。另一方面，氢气的加入挤占了一部分进气体积，从而使得相同过量空气系数条件下汽油的比例有所降低，这也是造成加入氢氧混合气后发动机HC和CO减少的原因之一。

上述的内燃机台架实验结果表明，采用本发明提供的一种氢-氧-高辛烷值燃料混合燃料点燃式内燃机及控制方法，可以在冷起动阶段实现稀燃起动，并有效抑制起动阶段发动机HC和CO排放的产生；在怠速和中、小负荷阶段，通过在进气中混入氢氧混合气，可以有效地提高发动机部分负荷经济性，并降低HC与CO排放；高速、大负荷阶段采用纯汽油燃烧可以保证发动机动力性，其燃烧与排放性能与原汽油机相当。由于氢气的火焰温度较高，而掺氧又会导致燃料燃烧速度加快，因而混入氢、氧气后发动机NOx排放略有上升。该技术将为车用内燃机达到欧5以上排放标准提供一条有效的技术途径。

Claims (3)

1.一种混合氢气和氧气的高辛烷值燃料点燃式内燃机，包括原机的高辛烷值燃料点燃式内燃机电子控制单元(13)、内燃机、与内燃机相连通的内燃机进气歧管(11)、与内燃机进气歧管(11)相连通的内燃机进气总管(10)、以及点火模块(16)和火花塞(17)，内燃机电子控制单元(13)通过点火模块(16)控制安装在内燃机上的火花塞(17)发火时刻，高辛烷值燃料喷嘴(15)安装在发动机各缸进气歧管(11)中，其特征在于：还包括制氢氧机(23)、与制氢氧机相连通的氢气储存罐(1)和氧气储存罐(2)、安装在氢气储存罐上的氢气罐压力传感器(3)、安装在氧气储存罐上的氧气罐压力传感器(4)、通过管道与氧气储存罐相连通的氧气喷嘴(7)、通过管道与氢气储存罐相连通的氢气喷嘴(14)、设置在氢气储存罐和氢气喷嘴的连通管路上的氢气供给管路电磁阀(5)、设置在氧气储存罐和氧气喷嘴之间的氧气供给管路电磁阀(6)、及氢氧混合燃料电子控制单元(12)，氧气喷嘴(7)连接在发动机进气总管(11)中，氢气喷嘴(14)安装在发动机各缸进气歧管(11)中；氢氧混合燃料电子控制单元(12)通过屏蔽电缆与内燃机发动机电子控制单元(13)进行通讯，获得节气门位置信号(c)、冷却液温度信号(d)、发动机转速信号(e)、氧传感器信号(f)、原机高辛烷值燃料喷射信号(g)及空气流量信号(h)；同时，氧混合燃料电子控制单元(12)通过屏蔽电缆与氢气罐压力传感器(3)及氧气罐压力传感器(4)相连，获得氢气罐压力信号(n)及氧气罐压力信号(P)；氢氧混合燃料电子控制单元(12)通过发出高辛烷值燃料喷嘴控制信号(i)，氢气喷嘴控制信号(J)及氧气喷嘴控制信号(m)，分别控制高辛烷值燃料喷嘴(15)、氢气喷嘴(14)及氧气喷嘴(7)的开启和关闭时刻，从而调整氢-氧混合气占总进气量的体积分数及混合气过量空气系数；同时，氢氧混合燃料电子控制单元(12)利用屏蔽线缆与氢气供给管路电磁阀(5)和氧气供给管路电磁阀(6)相连接，通过发出氢气供给管路电磁阀控制信号(L)和氧气供给管路电磁阀控制信号(k)打开和关闭氢、氧气供给管路。

2.如根据权利要求1所述的一种混合氢气和氧气的高辛烷值燃料点燃式内燃机的控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

该控制方法按工况分为冷起动工况、怠速工况、中小负荷工况和高速、高负荷工况；

每循环进入发动机的氢氧混合气占总进气的体积分数α为：

α＝(V_H2+V_O2)/V_O2            公式1

上式中：V_H2和V_O2分别为每循环进入发动机的氢气与氧气体积，单位为L/cycle；

1)冷起动工况：

起动时，氢氧混合燃料电子控制单元(12)根据氢气罐压力信号(n)和氧气罐压力信号(P)判断内燃机起动方式：

当氢气储存罐和氧气储存罐的压力均低于2.0bar时，氢氧混合燃料电子控制单元(12)关闭氧气喷嘴(7)和氢气喷嘴(14)，并根据从原发动机电子控制单元(13)所获得的原机高辛烷值燃料喷射信号(g)控制高辛烷值燃料喷嘴(15)的开启和关闭，使发动机按照原机起动方式顺利起动；

当氢气储存罐压力和氧气储存罐压力均大于等于2.0bar时，氢氧混合燃料电子控制单元(12)发出控制信号打开氢气供给管路电磁阀(5)和氧气供给管路电磁阀(6)，通过将汽油喷射脉宽调整至零关闭高辛烷值燃料喷嘴(15)，使发动机以氢、氧混合气方式起动；在纯氢氧混合气起动方式下，氢氧混合燃料电子控制单元(12)通过与原机电子控制单元(13)通讯获得发动机冷却液温度信号(d)，并根据发动机不同冷却液温度(T_c)调整氢氧混合气的喷射脉宽，具体如下：

根据冷却液温度，又分为如下四种情况：

I)在-50℃＝＜T_c＜-20℃时，氢氧混合燃料电子控制单元(12)根据公式1计算并调整氢气和氧气喷嘴的喷射脉宽，使缸内氢氧混合气占总进气量的体积分数α保持在0.45～0.55之间；

II)在-20℃＝＜T_c＜-0℃时，氢氧混合燃料电子控制单元(12)根据公式1计算并调整氢气和氧气喷嘴的喷射脉宽，使缸内氢氧混合气占总进气量的体积分数α保持在0.35～0.45之间；

III)在0℃＝＜T_c＜40℃时，氢氢氧混合燃料电子控制单元(12)根据公式1计算并调整氢气和氧气喷嘴的喷射脉宽，使缸内氢氧混合气占总进气量的体积分数α保持在0.25～0.35之间；

IV)在40℃＝＜T_c时，氢氢氧混合燃料电子控制单元(12)根据公式1计算并调整氢气和氧气喷嘴的喷射脉宽，使缸内氢氧混合气占总进气量的体积分数α保持在0.2～0.25之间；

2)怠速工况：

当氢气储存罐与氧气储存罐压力均低于2bar时，氢氧混合燃料电子控制单元(12)关闭氢气与氧气喷嘴，打开制氢氧机(23)开始制取氢、氧气，并根据原机高辛烷值燃料喷射信号(g)打开高辛烷值燃料喷嘴(15)，此时内燃机怠速控制策略与原机相同；

在氢气储存罐压力和氧气储存罐压力均大于2bar时，氢氧混合燃料电子控制单元(12)与原机电子控制单元(13)通讯获得冷却液温度信号(d)并控制氢气供给管路电磁阀(5)、氧气供给管路电磁阀(6)、氧气喷嘴(7)、氢气喷嘴(14)和高辛烷值燃料喷嘴(15)的开启和关闭，调整氢氧混合气在进气中的体积分数α和混合气过量空气系数λ_m，具体如下：

根据不同的冷却液温度T_c，又分为如下三个不同的过程：

I)在T_c＝＜20℃时，氢氧混合燃料电子控制单元(12)通过调整氢气和氧气喷嘴的喷射脉宽，使氢氧混合气占总进气量的体积分数α保持在0.2～0.5之间，同时关闭高辛烷值燃料喷嘴(15)，使发动机以氢-氧混合气模式暖机，该工况下采用开环控制，氢氧混合燃料电子控制单元(12)不对混合气过量空气系数λ_m进行调整；

II)在20℃＜T_c＝＜80℃时，氢氧混合燃料电子控制单元(12)通过调整氢气与氧气喷嘴的喷射脉宽，使α控制在0.015～0.03之间，并且根据氧传感器信号(f)及原机高辛烷值燃料喷射信号(g)调整高辛烷值燃料的实际喷射脉宽，实现对混合气过量空气系数的闭环控制，并将混合气的过量空气系数λ_m控制在1.0；

III)在80℃＜T_c时，氢氧混合燃料电子控制单元(12)通过调整氢气与氧气喷嘴的喷射脉宽，使α控制在0.015，并且根据氧传感器信号f及原机高辛烷值燃料喷射信号g调整高辛烷值燃料的实际喷射脉宽，使混合气过量空气系数保持在1.0；

3)在中、小负荷工况下，氢氧混合燃料电子控制单元(12)调整氢-氧混合气占总进气量的体积分数α和混合气过量空气系数λ_m，在不同的转速及负荷条件下，使α控制在0.005～0.015，λ_m控制在1.0。

4)在高速、高负荷工况下，氢氧混合燃料电子控制单元(12)关闭氢气供给管路电磁阀(5)和氧气供给管路电磁阀(6)及氧气喷嘴(7)和氢气喷嘴(14)，使发动机以纯高辛烷值燃料燃烧模式运行。

3.根据权利要求2所述的一种氢-氧-汽油混合燃料内燃机及控制方法，其特征在于：所述高辛烷值燃料包括汽油、甲醇、乙醇、天然气或液化石油气。