CN102518531A - 一种进气道喷射氢内燃机的燃料供应装置及其控制策略 - Google Patents

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Abstract

本发明的涉及一种进气道喷射氢内燃机的燃料供应装置及其控制策略。整个系统的组成及其工作过程为：发动机控制单元6(ECU)根据当前的转速和负荷需求，按照发动机台架标定的表格计算出所需的喷氢量，氢轨压力传感器5位于氢轨3和4的上游管道，向ECU反馈回当前的压力数值，由喷氢量和氢轨压力即可决定所需的喷氢脉宽。接着根据发动机的转速从ECU内部的表格查询喷氢脉宽的许可范围，并据此决定喷氢的时刻。此时ECU要判断单喷氢阀在脉宽许可范围内的最大喷氢脉宽是否能满足喷氢量的要求，若满足则仅使第一喷嘴1工作；若不满足则使开启第二喷嘴2，并计算出其所需的喷射脉宽。

Description

一种进气道喷射氢内燃机的燃料供应装置及其控制策略
技术领域
本发明涉及一种氢气发动机的燃料供应装置和控制方法，其技术方案是每个气缸使用两个电磁阀喷嘴来提供足够的氢气，依据氢气压力波动的情况来决定氢气喷射脉宽的补偿值，实现空燃比的精确控制。 
背景技术
随着排放法规的日益严格和石油燃料减少带来的压力，内燃机研究人员一直在寻找清洁的、可循环利用的替代燃料。以氢气作为燃料，其完全燃烧的产物是水，没有传统石油燃料所产生的CO、HC和碳烟等污染物，其唯一的排放物为燃烧高温下氧气和氮气所产生的氮氧化物。此外由于全球变暖问题越来越受到关注，减少二氧化碳等温室气体排放成为各国的共识。以氢为燃料的内燃机完全不产生二氧化碳排放，因此近年来对国际上广泛开展了对氢内燃机的研究工作。 
氢内燃机的燃料供给有缸内直喷和进气道喷射两种，后者由于结构简单，可靠性好，成本低，应用容易而成为目前最接近实用化的燃料供给手段。进气道喷射容易出现回火，往往是由于混合气在进气门刚刚打开时碰到回流的高温废气而发生意外点燃引起的，故必须精确控制喷氢的角度在一定的范围内，以避免在高温废气回流时在气门处形成合适浓度的混合气。由于氢气的密度十分低，在高转速大负荷时每循环需要喷射的体积流量很大，而由于要控制氢气喷射在一定的角度内，脉宽不可以无限制的增加，必须在规定的角度范围内，故一个喷氢阀难以满足要求，需要增加额外的喷氢阀。氢气喷射处于临界状态，出口速度超过当地音速，一般是进气流速的几倍到十几倍，其对进气过程的扰动和两个喷嘴之间的气流喷射扰动不可忽视。故喷嘴的位置和喷射的次序及氢气量都需要按照一定的策略，以优化进气过程。 
在喷射过程中，氢气的体积流量变化剧烈，导致氢轨内压力的波动十 分明显，特别是在车辆减速时，发动机处于倒拖状态而停止氢气喷射，由于惯性作用氢轨压力会有一定升高，使得下次喷射氢气量增大而造成燃空比失控。鉴于压力直接影响到喷射氢气的计量，故需要根据压力对经过标定的基准喷射脉宽进行修正。修正的方法既要有足够的精度，也要考虑到脉宽的限制范围，同时硬件实施必须简单、可靠和低成本。 
发明内容
本发明的目的是要提出一种进气道喷射氢内燃机的燃料供应装置及策略，在保证发动机安全稳定的无回火运行的同时，满足高转速大负荷时的大体积流量的氢气喷射的要求，并能够根据氢轨的压力对喷氢脉宽进行适当修正。 
本发明一种进气道喷射氢内燃机的燃料供应装置，包括：安装于进气歧管上端的第一喷嘴(1)，其喷射方向正对气门，位于进气歧管下端靠近气道的第二喷嘴(2)，其喷射方向与进气道流线呈一定角度，位于两个氢轨(3，4)上游的压力传感器(5)，用于向发动机控制单元(ECU)反馈压力信号，发动机控制单元根据压力信号调整第一喷嘴的喷氢脉宽，实现燃空比的精确控制，喷氢脉宽的变化有上限，所述上限根据喷氢提前角而确定，其中所述控制装置控制所述第二喷嘴在所述第一喷嘴的喷氢脉宽超出所述上限时开启喷射。 
优选的是，所述第一和第二喷嘴的喷射脉宽都由标定好的目标值和根据压力修正的补偿值决定。 
优选的是，两个氢气气轨分别在第一和第二喷嘴的后方，其具有一定的容积能够最大限度的减小压力的波动。 
优选的是，第一喷嘴和第二喷嘴2的喷射的起始和结束角度都必须在一定的范围内，以减小回火的可能性，该范围根据发动机转速的不同而调整。 
根据本发明的另一方面，提出了一种进气道喷射氢的内燃机的燃料供应装置的控制方法，所述燃料供给装置包括：安装于进气歧管上端的第一喷嘴(1)，其喷射方向正对气门，位于进气歧管下端靠近气道的第二喷嘴 (2)，其喷射方向与进气道流线呈一定角度，位于两个氢轨(3，4)上游的压力传感器(5)，用于向发动机控制单元(ECU)反馈压力信号，所述方法包括：首先第一喷嘴喷射氢，发动机控制单元根据压力信号调整第一喷嘴的喷氢脉宽，实现燃空比的精确控制，喷氢脉宽的变化有上限，所述上限根据喷氢提前角而确定，当所述第一喷嘴的喷氢脉宽超出所述上限时，所述发动机控制单元控制第二喷嘴开启喷射。 
优选的是，是有且只有一个压力传感器，位于两个氢轨上游的管道上。 
优选的是，两个氢气气轨分别在第一和第二喷嘴的后方，其具有一定的容积能够最大限度的减小压力的波动。 
优选的是，所述第一和第二喷嘴的喷射脉宽都由标定好的目标值和根据压力修正的补偿值决定。 
优选的是，第一喷嘴和第二喷嘴2的喷射的起始和结束角度都必须在一定的范围内，以减小回火的可能性，该范围根据发动机转速的不同而调整。 
附图说明
图1所示是氢发动机双阀进气道喷射系统结构组成及原理简图。 
图2是氢气压力和喷射脉宽的修正关系曲线示意图。 
图3是发动机无回火运行的喷射角度范围示意图。 
具体实施方式
如图1所示，本发明的系统组成包括了安装于进气歧管上方的一组氢气第一喷嘴1和位于进气歧管下方进气道附近的一组氢气第二喷嘴2。其中第一喷嘴1的喷射方向正对气门，第二喷嘴2的喷射方向与进气管流线呈α度角。在氢气喷嘴的后面为氢气气轨3和4，气轨具有一定的容积以最大限度消除气压的波动。在两个气轨的上游装有一个氢气压力传感器5，传感器将氢气压力信号转换为电压信号并传送给发动机控制单元(ECU)6。 
具体的控制过程为：通过台架试验和数值计算，可以得到不同转速下的氢气喷射范围和不同脉宽下压力对喷氢量的影响，进而将氢气喷射范围 与压力对喷氢脉宽的线性修正关系做成数据表格写入到ECU中。ECU根据发动机当前的转速、对负荷的需求和空气流量，计算出所需的燃料喷射量。接着根据压力传感器5反馈的氢气当前压力，换算成单个喷氢阀所需的喷氢脉宽，再判断如果只有氢气第一喷嘴1是否可以满足流量要求和喷氢范围的限制，若满足则仅使用第一喷嘴1，反之则计算第二喷嘴2所需的喷射脉宽，并启动第二喷嘴2来辅助喷射。 
图2是氢气压力和喷射脉宽的修正关系曲线示意图。图为喷氢脉宽为k毫秒(k＝1，2，……允许的最大值kmax)时的喷氢压力与氢气质量流量的关系，横坐标为氢气压力，纵坐标为氢气的质量流量，氢气的质量流量和压力之间在所标定的范围内呈线性的关系。 
图3是发动机无回火运行的喷射角度范围示意图。横坐标为发动机的转速，纵坐标为曲轴转角。图中的两条曲线分别为喷氢角度的上限和下限，即在这一曲轴转角范围内喷氢可以最大限度的消除回火。若喷氢持续期超过这一范围，则有可能引发回火。 

Claims (9)

1.一种进气道喷射氢内燃机的燃料供应装置，包括：
安装于进气歧管上端的第一喷嘴(1)，其喷射方向正对气门，
位于进气歧管下端靠近气道的第二喷嘴(2)，其喷射方向与进气道流线呈一定角度，
位于两个氢轨(3，4)上游的压力传感器(5)，用于向发动机控制单元(ECU)反馈压力信号，
发动机控制单元根据压力信号调整第一喷嘴的喷氢脉宽，实现燃空比的精确控制，喷氢脉宽的变化有上限，所述上限根据喷氢提前角而确定，其中所述控制装置控制所述第二喷嘴在所述第一喷嘴的喷氢脉宽超出所述上限时开启喷射。
2.根据权利要求1所述的燃料供应装置，其特征在于，所述第一和第二喷嘴的喷射脉宽都由标定好的目标值和根据压力修正的补偿值决定。
3.根据权利要求1所述的燃料供应装置，其特征在于，两个氢气气轨分别在第一和第二喷嘴的后方，其具有一定的容积能够最大限度的减小压力的波动。
4.根据权利要求1所述的燃料供应装置，其特征在于，第一喷嘴和第二喷嘴2的喷射的起始和结束角度都必须在一定的范围内，以减小回火的可能性，该范围根据发动机转速的不同而调整。
5.一种进气道喷射氢的内燃机的燃料供应装置的控制方法，所述燃料供给装置包括：安装于进气歧管上端的第一喷嘴(1)，其喷射方向正对气门，位于进气歧管下端靠近气道的第二喷嘴(2)，其喷射方向与进气道流线呈一定角度，位于两个氢轨(3，4)上游的压力传感器(5)，用于向发动机控制单元(ECU)反馈压力信号，所述方法包括：
首先第一喷嘴喷射氢，
发动机控制单元根据压力信号调整第一喷嘴的喷氢脉宽，实现燃空比的精确控制，喷氢脉宽的变化有上限，所述上限根据喷氢提前角而确定，当所述第一喷嘴的喷氢脉宽超出所述上限时，所述发动机控制单元控制第二喷嘴开启喷射。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，是有且只有一个压力传感器，位于两个氢轨上游的管道上。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，两个氢气气轨分别在第一和第二喷嘴的后方，其具有一定的容积能够最大限度的减小压力的波动。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述第一和第二喷嘴的喷射脉宽都由标定好的目标值和根据压力修正的补偿值决定。
9.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，第一喷嘴和第二喷嘴2的喷射的起始和结束角度都必须在一定的范围内，以减小回火的可能性，该范围根据发动机转速的不同而调整。
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