CN104234832A - 氢气-汽油混合燃料转子发动机及控制方法 - Google Patents

Abstract

一种氢气-汽油混合燃料转子发动机及控制方法，具体涉及一种氢气-汽油混合燃料转子发动机及控制装置，属于内燃机控制领域。主要包括电控汽油喷射系统、电控氢气喷射系统与点火系统等。其优点是可以内燃机现有的一些电控喷射技术应用到转子发动机上，改善混合燃料转子发动机在不同工况下的燃料喷射及控制。另外，氢气特有的理化性质也可改善燃料的燃烧，降低油耗，同时降低有害物排放。该氢气-汽油混合燃料转子发动机及控制方法实现方式简单易行、可靠稳定，具有良好的发展前景。

Description

氢气-汽油混合燃料转子发动机及控制方法

技术领域

本发明提供一种氢气-汽油混合燃料转子发动机及控制方法，具体涉及一种混合燃料转子发动机的燃料供给、燃烧控制与运行方式，属于内燃机控制领域。

背景技术

近年来，世界经济发展对各种资源的需求日益增多，以煤炭、化石燃料为主的能源消耗引起了越来越严重的环境问题和能源危机问题。因此，降低内燃机的油耗和排放已经成为内燃机研究领域最为重要的研究方向之一。

转子发动机是不同于往复式活塞机的一种内燃机，其优点包括结构简单、体积小、运转平稳、噪声小等。目前，除了马自达将其作为商业化的轿车发动机外，转子发动机在一些特殊的场合也具有广泛的应用前景，如小型发电机、移动电源、小型飞行器。目前，现有的转子发动机存在以下缺点：(1)发动机内燃油与空气混合不均匀，导致燃油雾化不好、油耗过大；(2)发动机内燃油与空气的空燃比不能控制，导致发动机在怠速、加速、减速等工况下都不能良好地工作；(3)化油器式转子发动机的转速抗干扰能力差，当其在环境压强变化时工作，则不能实现海拔补偿和转速闭环的控制。这些缺点严重影响转子发动机的经济性、排放性，制约着其进一步发展和应用。随着世界能源危机的日益加强和排放法规的不断严格，对内燃机的代用燃料和节能减排的研究不断成为内燃机行业的研究重点。由于油耗和排放较高，转子发动机也面临着节油减排的问题。

氢气是一种理想的内燃机代用燃料，氢气扩散速度、火焰传播速度和燃烧速度均高于汽油，并且具有点火能量低，着火界限宽等燃烧特性，所以利用氢气可实现内燃机的快速启动，在进气时掺入适量的氢气可以缩短内燃机的燃烧持续期，可以有效改善内燃机的热效率并且降低HC和CO的排放。此外，由于氢气的燃烧界限宽广，点火能量较低，使得氢气-汽油混合燃料转子发动机能够在稀薄燃烧模式下顺利运行，可以进一步提高氢气-汽油混合燃料转子发动机的经济性，同时降低排放。纪常伟、汪硕峰等的研究表明，掺氢汽油机可有效改善混合燃料的燃烧，提高热效率，并大大降低冷启动、暖机、怠速和小负荷等工况时的排放。

发明内容

为了改善转子发动机的燃烧及排放特性，本发明提出了一种关于氢气-汽油混合燃料转子发动机及控制方法。

本发明采用如下技术方案：

氢气-汽油混合燃料转子发动机及控制系统，包括氢气罐1、氢气管路开关2、氢气管路减压阀3、氢气流量计4、阻燃阀5、汽油箱6、汽油泵7、汽油流量计8、汽油喷嘴9、空气流量计10、氢气喷嘴11、标定计算机12、混合燃料电子控制单元13、火花塞式缸压传感器14、电荷放大器15、A/D转换器16、燃烧分析仪17、氧传感器18、空燃比分析仪19、尾气采样管20、法规排放分析仪21、尾气分析仪22、传感器传给HECU的数据信号a(所述的数据信号a包括偏心轴转速信号、节气门位置信号、空燃比信号)、HECU至标定计算机的通讯信号b1、标定计算机至HECU的控制信号b2。

汽油箱6中的汽油被汽油泵7抽出，通过油管进入汽油流量计8，之后进入汽油喷嘴9，在汽油喷嘴9开启时向气缸喷入汽油。氢气罐1中氢气经过管路时，当氢气管路开关2闭合时，高压氢气经过氢气管路减压阀3后变为压力合适(3kPa以下)的气体，通过测量流量的氢气流量计4、阻燃阀5，到达氢气喷嘴11，氢气喷嘴11连接在进气道处，在氢气喷嘴11开启时将氢气喷射到进气道中。传感器传给HECU13的数据a，首先通过HECU13，经过处理之后的通讯信号b1传送至标定计算12，标定计算机12经过处理后传出控制信号b2至HECU13，之后将各种控制信号传向传感器对应的执行器，控制氢气喷射、汽油喷射、火花塞点火。火花塞式缸压传感器14采集的信号，经电荷放大器15进行放大后进入A/D转换器16、经过转换处理后进入燃烧分析仪17被分析。氧传感器18采集的氧气信号进入空燃比分析仪19作为空燃比分析的参数依据。尾气采样管20采集的尾气，分为两路分别进入法规排放分析仪21和尾气分析仪22进行分析。

关于氢气-汽油混合燃料转子发动机及控制方法，包括如下控制过程：

1)转子发动机进气管喷氢装置安装在转子发动机进气道的进气口的位置,通过HECU13控制其开启与否。

2)纯氢快速冷启动氢气-汽油混合燃料转子发动机的方法。接通电源，使用测功机拖动转子发动机，当转速高于200rpm(本发明中转速为偏心轴转速)时转子发动机火花塞开始点火。当转速低于800rpm时，汽油喷嘴9和氢气喷嘴11一直关闭，当转速等于800rpm时，HECU13将相应的氢气喷射脉宽信号和喷射时刻信号传递给氢气喷嘴11开始喷射氢气，实现氢气-汽油混合燃料转子发动机的纯氢快速启动。

3)氢气-汽油混合燃料转子发动机的空燃比A/F调节方法，按公式A/F＝V_air·ρ_air/(V_H2·ρ_H2+V_gas·ρ_gas)调节空燃比大小。(式中：A/F为空燃比，V_air为空气体积，ρ_air为空气密度，V_H2为氢气体积，ρ_H2为氢气密度，V_gas为汽油体积，ρ_gas为汽油密度。)当A/F偏离设定范围时(本发明中空燃比A/F范围设定为14.0-16.0)，HECU13会根据喷油量、喷氢量和进气量进行计算，调节喷射脉宽信号和喷射时刻信号，使得空燃比A/F回复到合设定的范围。当A/F小于14.0时，HECU13发出的控制信号减小喷射脉宽调节喷射时刻，使得喷油减少，A/F增大，直到14.7停止调节喷射脉宽信号和喷射时刻信号；当A/F大于16.7时，HECU13发出的控制信号会增大喷射脉宽调节喷射时刻，使得喷油增加，A/F减小，直到14.7停止调节喷射脉宽信号和喷射时刻信号

4)氢气-汽油混合燃料转子发动机的危险转速停车方法，当氢气-汽油混合燃料转子发动机转速大于12000rpm(原机的最高转速，超过此转速属于危险转速)时，HECU13会发出停止喷射控制信号至汽油喷嘴9、氢气喷嘴11，停止点火信号至火花塞14，停止汽油喷射、氢气喷射和火花塞点火。

氢气-汽油混合燃料转子发动机机的实现方式是在原化油器汽油转子发动机的基础上，增加一套进气管喷氢装置，利用进气管的真空度将氢气吸入汽缸与汽油和空气混合燃烧，吸入的氢气量由进气真空度或电磁阀开度控制，由于在高负荷可能产生回火，因此，供氢量必须精确控制。

本发明的有益效果是，针对现有的汽油转子发动机存在的冷启动困难、高油耗和高排放的问题，提供了一种利用氢气快速启动及改善怠速、小负荷以上工况性能的氢气-汽油混合燃料转子发动机及控制方法。本系统在冷起动及怠速时使用氢气作为燃料、在小负荷以上工况采用氢气-汽油混合作为燃料，有效地降低了废气的排放量。此外本发明可以实现转子发动机的空燃比A/F的调整，使其燃烧大大改善，有效降低油耗和排放。本发明的氢气-汽油混合燃料转子发动机也可实现当转速过高时停止燃料喷射，进而安全停车。

氢气-汽油混合燃料转子发动机冷启动及怠速工况采用纯氢作为燃料，小负荷以上采用氢气-汽油混合作为燃料，提高和改善转子发动机的燃烧及排放性能是一条方便可行的技术路线，通过混合燃料电子控制单元HECU13对氢气及汽油喷射脉宽及喷射时刻进行计算调整，并将数据传递到汽油喷嘴9和氢气喷嘴11控制其喷射。提高转子发动机在不同阶段的性能，降低排放，是一种简单易行的技术手段。

附图说明

图1本发明的结构和工作原理图：

图中：1氢气罐、2氢气管路开关、3氢气管路减压阀、4氢气流量计、5阻燃阀、6汽油箱、7汽油泵、8汽油流量计、9汽油喷嘴、10空气流量计、11氢气喷嘴、12标定计算机、13混合燃料电子控制单元、14火花塞式缸压传感器、15电荷放大器、16A/D转换器、17燃烧分析仪、18氧传感器、19空燃比分析仪、20尾气采样管、21法规排放分析仪、22尾气分析仪、a传感器传给HECU的数据信号、b1HECU至标定计算机的通讯信号、b2标定计算机至HECU的控制信号。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对于本发明做进一步的说明：

氢气-汽油混合燃料转子发动机及控制方法装置，该装置用于改善氢气-汽油混合燃料转子发动机的性能，包括氢气罐1、氢气管路开关2、氢气管路减压阀3、氢气流量计4、阻燃阀5、汽油箱6、汽油泵7、汽油流量计8、汽油喷嘴9、空气流量计10、氢气喷嘴11、标定计算机12、混合燃料电子控制单元13、火花塞式缸压传感器14、电荷放大器15、A/D转换器16、燃烧分析仪17、氧传感器18、空燃比分析仪19、尾气采样管20、法规排放分析仪21、尾气分析仪22、a传感器传给HECU的数据信号(所述数据信号包括偏心轴转速信号、节气门位置信号、空燃比信号)、HECU至标定计算机的通讯信号b1、标定计算机至HECU的控制信号b2。

汽油箱6中的汽油被汽油泵7抽出，通过油管进入汽油流量计8，之后进入汽油喷嘴9，在汽油喷嘴9开启时向气缸喷入汽油；氢气罐1中的氢气经过管路时，当氢气管路开关2闭合时，高压氢气经过氢气管路减压阀3后变为压力低于3kPa的低压气体，通过测量流量的氢气流量计4、阻燃阀5，氢气喷嘴11。阻燃阀5是防止氢气回火所设的装置，氢气喷嘴11是专门设计的符合喷射此氢气-汽油混合燃料转子发动机的氢气喷嘴，连接在进气管靠近进气道处，将氢气喷射到进气道中；传感器传给HECU13的数据a，首先通过HECU13，经过处理之后的通讯信号b1传送至标定计算12，标定计算机12经过处理后传出控制信号b2至HECU13，之后将各种控制信号传向传感器对应的执行器，进而控制氢气喷射、汽油喷射和火花塞点火。

上述装置对冷起动及怠速工况等作了如下实验：

实验在一台Z160F转子发动机上进行，按图1所示加装氢气-汽油混合燃料转子发动机及控制装置，用一台日本堀场株式会社生产的Horiba-7100DEGR排放分析仪，分别测量内燃机各个运行工况下的HC、CO和NO_x排放。

启动转子发动机测控系统，慢慢提高测功机转速，测功机拖动转子发动机慢慢转动。在转速等于800rpm时，HECU13将相应的氢气喷射脉宽信号和喷射时刻信号传递给氢气喷嘴11开始喷射氢气，实现了氢气-汽油混合燃料转子发动机的纯氢快速启动，随后转速继续提高进入怠速工况。

发动机转速大于1200rpm时，怠速工况结束，HECU13控制汽油喷嘴9向进气道喷射汽油，氢气与汽油混合进入进气道，在气缸内与汽油混合燃烧。观测此时排放物数值和原机进行比较。

当空燃比A/F偏离本发明设定的范围时，HECU13通过计算后，调整喷射脉宽信号和喷射时刻信号，使得空燃比A/F回复到设定的范围。当A/F小于14.0时，HECU13发出的控制信号会减小喷射脉宽调整喷射时刻，使得喷油减少，A/F增大直到14.7停止调整喷射脉宽信号和喷射时刻信号；当A/F大于16.7时，HECU13发出的控制信号会增大喷射脉宽调整喷射时刻，使得喷油增加，A/F减小直到14.7停止调整喷射脉宽信号和喷射时刻信号。

当氢气-汽油混合燃料转子发动机转速大于12000rpm(原机的最高转速，超过此转速属于危险转速)时，汽油喷嘴9和氢气喷嘴11收到了停止喷射信号，火花塞14收到停止点火信号，停止了汽油喷射、氢气喷射和火花塞点火，同时测控系统报警，按下测控系统急停按钮，实现了安全停车。

本发明的氢气-汽油混合燃料转子发动机装置的性能主要体现在经济性、排放性和动力性三个方面。经济性通过油耗体现，当汽油机中掺入体积分数10％的氢后，降低油耗30％，可见本发明的氢气-汽油混合燃料转子发动机相比于原机其经济性有较大的提高；排放性，用一台日本堀场株式会社生产的Horiba-7100DEGR排放分析仪，分别测量氢气-汽油混合燃料转子发动机在各个运行工况下污染物排放。纯氢冷启动和纯氢怠速时，污染物排放基本为零；小负荷以上工况，掺入10％的氢后,HC降低50％、CO降低34％、NO_x降低80％。可见，使用本发明的氢气-汽油混合燃料转子发动机后排放较原机大幅降低；动力性方面，同等燃油条件下，本发明的氢气-汽油混合燃料转子发动机的其动力性无明显变化。

通过对氢气-汽油混合燃料转子发动机冷启动、怠速及小负荷以上工况的性能进行试验，其结果表明，采用本发明提供氢气-汽油混合燃料转子发动机及控制方法，可以实现转子发动机快速冷启动，有效地改善转子发动机在冷起动、怠速、小负荷以上工况的燃烧，同时降低排放。该技术将为改善转子发动机的燃油消耗提供一条有效的技术途径。

Claims (5)

1.一种氢气-汽油混合燃料转子发动机，其特征在于：包括氢气罐(1)、氢气管路开关(2)、氢气管路减压阀(3)、氢气流量计(4)、阻燃阀(5)、汽油箱(6)、汽油泵(7)、汽油流量计(8)、汽油喷嘴(9)、空气流量计(10)、氢气喷嘴(11)、标定计算机(12)、混合燃料电子控制单元(13)、火花塞式缸压传感器(14)、电荷放大器(15)、A/D转换器(16)、燃烧分析仪(17)、氧传感器(18)、空燃比分析仪(19)、尾气采样管(20)、法规排放分析仪(21)、尾气分析仪(22)、传感器传给HECU的数据信号a、HECU至标定计算机的通讯信号b1、标定计算机至HECU的控制信号b2，所述的数据信号a包括偏心轴转速信号、节气门位置信号、空燃比信号；火花塞式缸压传感器(14)、电荷放大器(15)、A/D转换器(16)、燃烧分析仪(17)，氧传感器(18)、空燃比分析仪(19)、尾气采样管(20)、法规排放分析仪(21)、尾气分析仪(22)； 

汽油箱(6)中的汽油被汽油泵(7)抽出，通过油管进入汽油流量计(8)，之后进入汽油喷嘴(9)，在汽油喷嘴(9)开启时向气缸喷入汽油；氢气罐(1)中氢气经过管路时，当氢气管路开关(2)闭合时，高压氢气经过氢气管路减压阀(3)后变为压力合适的气体，所述的压力合适是指的压力在3kPa以下；通过测量流量的氢气流量计(4)、阻燃阀(5)，到达氢气喷嘴(11)，氢气喷嘴(11)连接在进气道处，在氢气喷嘴(11)开启时将氢气喷射到进气道中；传感器传给HECU(13)的数据a，首先通过HECU(13)，经过处理之后的通讯信号b1传送至标定计算(12)，标定计算机(12)经过处理后传出控制信号b2至HECU(13)，之后将各种控制信号传向传感器对应的执行器，控制氢气喷射、汽油喷射、火花塞点火；火花塞式缸压传感器(14)采集的信号，经电荷放大器(15)进行放大后进入A/D转换器(16)、经过转换处理后进入燃烧分析仪(17)被分析；氧传感器(18)采集的氧气信号进入空燃比分析仪(19)作为空燃比分析的参数依据；尾气采样管(20)采集的尾气分为两路分别法规排放分析仪(21)和尾气分析仪(22)进行尾气分析。 

2.根据权利要求1所述的氢气-汽油混合燃料转子发动机，其特征在于：其进气管喷氢装置中，所述的转子发动机进气管喷氢装置安装在转子发动机进气道的进气口的位置,通过HECU(13)控制其开启与否。 

3.根据权利要求1所述的氢气-汽油混合燃料转子发动机的纯氢快速冷启 动方法，其特征在于：使用测功机拖动转子发动机，当转速高于200rpm时转子发动机火花塞开始点火。当转速低于800rpm时，汽油喷嘴(9)和氢气喷嘴(11)一直关闭，当转速等于800rpm时，HECU(13)将相应的氢气喷射脉宽信号和喷射时刻信号传递给氢气喷嘴(11)开始喷射氢气，实现氢气-汽油混合燃料转子发动机的纯氢快速启动。 

4.根据权利要求3所述的氢气-汽油混合燃料转子发动机的纯氢快速冷启动方法，其特征在于：所述的氢气-汽油混合燃料转子发动机的空燃比A/F调节策略为：按公式A/F＝V_air·ρ_air/(V_H2·ρ_H2+V_gas·ρ_gas)调节空燃比大小；式中：A/F为空燃比，V_air为空气体积，ρ_air为空气密度，V_H2为氢气体积，ρ_H2为氢气密度，V_gas为汽油体积，ρ_gas为汽油密度；当A/F偏离设定范围时，HECU(13)会根据喷油量、喷氢量和进气量进行计算，调节喷射脉宽信号和喷射时刻信号，使得空燃比A/F回复到设定的范围，所述的空燃比A/F的设定范围为14.0-16.0；当A/F小于14.0时，HECU(13)发出的控制信号减小喷射脉宽调节喷射时刻，使得喷油减少，A/F增大，直到14.7停止调节喷射脉宽信号和喷射时刻信号；当A/F大于16.0时，HECU(13)发出的控制信号会增大喷射脉宽调节喷射时刻，使得喷油增加，A/F减小，直到14.7停止调节喷射脉宽信号和喷射时刻信号。 

5.根据权利要求1所述的氢气-汽油混合燃料转子发动机的危险转速停车方法，其特征在于：当氢气-汽油混合燃料转子发动机转速大于12000rpm时，HECU(13)会发出停止喷射控制信号至汽油喷嘴(9)、氢气喷嘴(11)，停止点火信号至火花塞(14)，停止汽油喷射、氢气喷射和火花塞点火；所述的12000rpm为原机的最高转速，超过此转速属于危险转速。