CN104863760B - 一种掺氢实现内燃机全节气门运行的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种掺氢实现内燃机全节气门运行的装置及控制方法，具体内容涉及稀薄燃烧、燃料控制与全节气门燃烧技术。该系统在保留内燃机本体全部零件的基础上增加了一套燃烧信息反馈装置及一台燃烧电控单元。燃烧电控单元可在内燃机运行时控制节气门保持全开，并通过调整燃料喷射脉宽使实际转矩与目标转矩相同，通过调整氢气喷射脉宽，控制内燃机循环变动，从而实使内燃机能够在部分负荷下以节气门全开状态稳定运行，消除了节气门处的节流损失，有效提高了内燃机热效率。

Description

一种掺氢实现内燃机全节气门运行的装置及方法
技术领域
本发明提供一种掺氢实现内燃机全节气门运行的装置及方法，具体内容涉及稀薄燃烧、燃料控制与全节气门燃烧技术。
背景技术
目前的点燃式内燃机节气门在部分负荷及怠速条件下需要部分开启，以保证燃料能够以某一固定空燃比稳定燃烧。但节气门部分开启会使内燃机泵气负功明显增加，从而降低内燃机在怠速及部分负荷条件下的热效率，内燃机在部分负荷下的能量损失大部分来自于泵气损失。
传统单一燃料汽油、天然气、液化石油气及甲醇等点燃式内燃机之所以在部分负荷条件下需要采用节气门部分开启的方式运行，其原因在于上述化石燃料的稀燃极限较窄，故需要通过减小节气门开度控制进气量，从而使内燃机在需要较低喷油量的低负荷条件下，燃料能够与较少的空气混合发生稳定燃烧。稀薄燃烧是实现内燃机高效、清洁运行的有效手段之一，但如果传统燃料内燃机采用稀燃方式运行，则平均指示压力的循环变动系数(CoVimep)会快速增加，而当CoVimep大于10％时，内燃机即达到稀燃极限，并产生失火现象，进而造成内燃机热效率快速降低。
氢气的稀燃极限约为汽油等传统化石燃料的5至10倍，且其较低的点火能量亦可保证掺氢后内燃机能够在宽广的稀燃条件下运行。氢气-空气混合气的能量密度低于汽油-空气混合气，因此调整氢气喷射脉宽和氢气-汽油-空气混合气的过量空气系数均能够在同一进气量下实现对内燃机转矩的调整。目前已有相关专利提出了掺氢内燃机的装置及方法，但现有的掺氢内燃机专利技术仍然需要靠节气门调整内燃机进气量，因此基于目前的掺氢内燃机相关专利无法实现掺氢内燃机的无节气门稳定运行，也无法降低掺氢内燃机部分负荷下的泵气损失。
发明内容
针对内燃机部分负荷下泵气损失高导致热效率下降的问题，本发明提供了一种掺氢实现内燃机全节气门运行的装置及方法。本发明可以通过调整节气门开度，使节气门在内燃机运行时始终处于全开状态，且通过调整基础燃料喷射脉宽使节气门全开条件下的内燃机实际输出转矩与目标转矩保持一致，并通过调整氢气喷射脉宽拓展内燃机稀燃极限，使掺氢后在全节气门条件下运行的内燃机始终保持在稀燃极限内稳定运行，从而通过掺氢实现了点燃式内燃机在全工况下的全节气门稳定运行。
为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：
一种掺氢实现内燃机全节气门运行的装置,在保留内燃机1、原机喷油器2、火花塞4、原机电控单元6及电子节气门8的基础上，增加了一个燃烧电控单元7、一个氢气喷嘴3及一套燃烧信息反馈装置；
所述的燃烧信息反馈装置包括缸压传感器5；
所述的燃烧电控单元7与原机电控单元6连接，获得目标转矩信号a、实际转矩信号b、凸轮轴位置信号c、曲轴位置信号d、原机点火信号j；
所述的燃烧电控单元7与缸压传感器5相连接获得缸压信号e；
所述的燃烧电控单元7与火花塞4相连接并通过发出点火信号f控制点火角；
所述的燃烧电控单元7与氢气喷嘴3相连接并通过发出氢气喷射信号g控制氢气喷射脉宽；
所述的燃烧电控单元7与原机喷油器2相连接并通过发出燃料喷射信号h控制基础燃料喷射脉宽；
所述的燃烧电控单元7与电子节气门8相连接并通过发出节气门控制信号n控制节气门开度；
所述的基础燃料包括点燃式内燃机常用的汽油、天然气、液化石油气、甲醇及乙醇等碳氢燃料。
本发明中一种掺氢实现内燃机全节气门运行的装置控制方法如下：
(1)燃烧电控单元7在内燃机运行时通过发出控制信号n使电子节气门8处于全开状态；
(2)燃烧电控单元7根据目标转矩信号a和实际转矩信号b发出燃料喷射信号h控制原机喷油器2的喷射脉宽，当目标转矩低于实际转矩时，燃烧电控单元7通过发出燃料喷射信号h降低原机喷油器2的喷射脉宽，从而使内燃机转矩降低，直至实际转矩与目标转矩相同；当目标转矩等于实际转矩时，燃烧电控单元7通过发出燃料喷射信号h保持原机喷油器2的喷射脉宽不变；当目标转矩大于实际转矩时，燃烧电控单元7通过发出燃料喷射信号h增加原机喷油器2的喷射脉宽，从而使内燃机转矩增加，直至实际转矩与目标转矩相同。
(3)在调整原机喷油器2的喷射脉宽过程中，燃烧电控单元7同时根据缸压传感器5传送的缸压信号e及从原机电控单元6获得的凸轮轴位置信号c及曲轴位置信号d计算平均指示压力的循环变动系数CoVimep，并根据CoVimep的计算结果通过发出氢气喷射信号g控制氢气喷嘴3的喷射脉宽，当CoVimep小于或等于10％时，燃烧电控单元7通过发出氢气喷射信号g使氢气喷嘴3的喷射脉宽保持不变；当CoVimep大于10％时，燃烧电控单元7通过发出氢气喷射信号g使氢气喷嘴3的喷射脉宽逐渐增加，优化的在下一循环较本循环增加5％，直至CoVimep小于或等于10％。
(4)燃烧电控单元7根据从原机电控单元6获得的原机点火信号j发出点火信号f使火花塞4跳火，并使点火角与原机相同。
公式1
Pi,N＝∫P dV 公式2
公式1中，P为从缸压传感器5获得的缸压，Pi,N为第N个循环的平均指示有效压力，为自第一个循环起M个循环内平均指示有效压力的均值，第一个循环即燃烧电控单元7对燃料喷射信号h开始进行调整的第一个循环，设置M不小于100；内燃机缸内容积V与曲轴转角的关系在燃烧电控单元7中根据内燃机本体结构预先设置，燃烧电控单元7根据凸轮轴位置信号c判定活塞上止点位置，根据曲轴位置信号d判定活塞与曲轴转角的关系，进而使燃烧电控单元能够依据内燃机基础运动学原理计算V随曲轴转角的变化。
本发明的有益效果是：针对传统点燃式内燃机怠速及部分负荷下由于节气门部分开启所导致的泵气损失，本发明利用掺氢拓展点燃式内燃机稀燃极限，在节气门全开的条件下，通过控制燃料和氢气的喷射利用稀薄燃烧方式实现内燃机负荷控制，达到了部分负荷及怠速条件下内燃机无节气门运行的目的，从而消除了由于节气门部分开启所导致的节流损失。通过燃烧反馈系统实时计算平均指示压力的循环变动系数，通过调整氢气喷射脉宽保证了稀燃条件下内燃机运行的稳定性，实现了内燃机的高效、清洁、稳定运行。
附图说明
图1本发明的结构和工作原理图
图中：1内燃机；2原机喷油器；3氢气喷嘴；4火花塞；5缸压传感器；6原机电控单元；7燃烧电控单元；8电子节气门
a.目标转矩信号；b.实际转矩信号；c.凸轮轴位置信号；d.曲轴位置信号；e.缸压信号；f.原机点火信号；g.氢气喷射信号；h.燃料喷射信号；n.节气门控制信号
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，本实施例中的一种掺氢实现内燃机全节气门运行的装置，在保留内燃机1、原机喷油器2、火花塞4、原机电控单元6及电子节气门8的基础上，增加了一个燃烧电控单元7、一个氢气喷嘴3及一套燃烧信息反馈装置；
所述的燃烧信息反馈装置包括缸压传感器5；
所述的燃烧电控单元7与原机电控单元6连接，获得目标转矩信号a、实际转矩信号b、凸轮轴位置信号c、曲轴位置信号d、原机点火信号j；
所述的燃烧电控单元7与缸压传感器5相连接获得缸压信号e；
所述的燃烧电控单元7与火花塞4相连接并通过发出点火信号f控制点火角；
所述的燃烧电控单元7与氢气喷嘴3相连接并通过发出氢气喷射信号g控制氢气喷射脉宽；
所述的燃烧电控单元7与原机喷油器2相连接并通过发出燃料喷射信号h控制基础燃料喷射脉宽；
所述的燃烧电控单元7与电子节气门8相连接并通过发出节气门控制信号n控制节气门开度；
所述的基础燃料包括点燃式内燃机常用的汽油、天然气、液化石油气、甲醇及乙醇等碳氢燃料。
本发明中一种掺氢实现内燃机全节气门运行的装置控制方法如下：
(1)燃烧电控单元7在内燃机运行时通过发出控制信号n使电子节气门8处于全开状态；
(2)燃烧电控单元7根据目标转矩信号a和实际转矩信号b发出燃料喷射信号h控制原机喷油器2的喷射脉宽，当目标转矩低于实际转矩时，燃烧电控单元7通过发出燃料喷射信号h降低原机喷油器2的喷射脉宽，从而使内燃机转矩降低，直至实际转矩与目标转矩相同；当目标转矩等于实际转矩时，燃烧电控单元7通过发出燃料喷射信号h保持原机喷油器2的喷射脉宽不变；当目标转矩大于实际转矩时，燃烧电控单元7通过发出燃料喷射信号h增加原机喷油器2的喷射脉宽，从而使内燃机转矩增加，直至实际转矩与目标转矩相同。
(3)在调整原机喷油器2的喷射脉宽过程中，燃烧电控单元7同时根据缸压传感器5传送的缸压信号e及从原机电控单元6获得的凸轮轴位置信号c及曲轴位置信号d计算平均指示压力的循环变动系数CoVimep，并根据CoVimep的计算结果通过发出氢气喷射信号g控制氢气喷嘴3的喷射脉宽，当CoVimep小于或等于10％时，燃烧电控单元7通过发出氢气喷射信号g使氢气喷嘴3的喷射脉宽保持不变；当CoVimep大于10％时，燃烧电控单元7通过发出氢气喷射信号g使氢气喷嘴3的喷射脉宽在下一循环较本循环增加5％，直至CoVimep小于或等于10％。
(4)燃烧电控单元7根据从原机电控单元6获得的原机点火信号j发出点火信号f使火花塞4跳火，并使点火角与原机相同。
公式1
Pi,N＝∫P dV 公式2
公式1中，P为从缸压传感器5获得的缸压，Pi,N为第N个循环的平均指示有效压力，为自第一个循环起M个循环内平均指示有效压力的均值，第一个循环即燃烧电控单元7对燃料喷射信号h开始进行调整的第一个循环，设置M不小于100；内燃机缸内容积V与曲轴转角的关系在燃烧电控单元7中根据内燃机本体结构预先设置，燃烧电控单元7根据凸轮轴位置信号c判定活塞上止点位置，根据曲轴位置信号d判定活塞与曲轴转角的关系，进而使燃烧电控单元能够依据内燃机基础运动学原理计算V随曲轴转角的变化。
在发动机实验台架上以一台1.6L掺氢汽油机为例对上述装置及策略的实际效果进行了验证，实验结果表明，在所进行的汽油机1400rpm负荷特性试验中，采用上述策略可以实现负荷特性中从最低转矩至最高转矩全范围的无节气门运行，在1400rpm条件下，所选取的30Nm、50Nm、70Nm、90Nm、110Nm共计5种转矩条件下，采用上述装置与方法的掺氢汽油机热效率较原机平均提高15.1％。

Claims (2)

1.一种掺氢实现内燃机全节气门运行的装置,该装置包括内燃机(1)、原机喷油器(2)、火花塞(4)、原机电控单元(6)及电子节气门(8)和一个氢气喷嘴(3)；
该装置还包括一个燃烧电控单元(7)和缸压传感器(5)；燃烧电控单元(7)与原机电控单元(6)连接，获得目标转矩信号(a)、实际转矩信号(b)、凸轮轴位置信号(c)、曲轴位置信号(d)、原机点火信号(j)；
所述的燃烧电控单元(7)与火花塞(4)相连接并通过发出点火信号(f)控制点火角；
所述的燃烧电控单元(7)与氢气喷嘴(3)相连接并通过发出氢气喷射信号(g)控制氢气喷射脉宽；
所述的燃烧电控单元(7)与原机喷油器(2)相连接并通过发出燃料喷射信号(h)控制基础燃料喷射脉宽；
所述的燃烧电控单元(7)与电子节气门(8)相连接并通过发出节气门控制信号(n)控制节气门开度；
所述的燃烧电控单元(7)与缸压传感器(5)相连接获得缸压信号(e)；
其特征在于：1)燃烧电控单元(7)在内燃机运行时通过发出控制信号(n)使电子节气门(8)处于全开状态；
2)燃烧电控单元(7)根据目标转矩信号(a)和实际转矩信号(b)发出燃料喷射信号(h)控制原机喷油器(2)的喷射脉宽，当目标转矩低于实际转矩时，燃烧电控单元(7)通过发出燃料喷射信号(h)降低原机喷油器(2)的喷射脉宽，从而使内燃机转矩降低，直至实际转矩与目标转矩相同；当目标转矩等于实际转矩时，燃烧电控单元(7)通过发出燃料喷射信号(h)保持原机喷油器(2)的喷射脉宽不变；当目标转矩大于实际转矩时，燃烧电控单元(7)通过发出燃料喷射信号(h)增加原机喷油器(2)的喷射脉宽，从而使内燃机转矩增加，直至实际转矩与目标转矩相同；
3)在调整原机喷油器(2)的喷射脉宽过程中，燃烧电控单元(7)同时根据缸压传感器(5)传送的缸压信号(e)及从原机电控单元(6)获得的凸轮轴位置信号(c)及曲轴位置信号(d)计算平均指示压力的循环变动系数CoVimep，并根据CoVimep的计算结果通过发出氢气喷射信号(g)控制氢气喷嘴(3)的喷射脉宽，当CoVimep小于或等于10％时，燃烧电控单元(7)通过发出氢气喷射信号(g)使氢气喷嘴(3)的喷射脉宽保持不变；当CoVimep大于10％时，燃烧电控单元(7)通过发出氢气喷射信号(g)使氢气喷嘴(3)的喷射脉宽逐渐增加，直至CoVimep小于或等于10％；
4)燃烧电控单元(7)根据从原机电控单元(6)获得的原机点火信号(j)发出点火信号(f)使火花塞(4)跳火，并使点火角与原机相同；
Pi,N＝∫PdV 公式(2)
公式(1)中，P为从缸压传感器(5)获得的缸压，Pi,N为第N个循环的平均指示有效压力，为自第一个循环起M个循环内平均指示有效压力的均值，第一个循环即燃烧电控单元(7)对燃料喷射信号(h)开始进行调整的第一个循环，设置M不小于100；内燃机缸内容积V与曲轴转角的关系在燃烧电控单元(7)中根据内燃机本体结构预先设置，燃烧电控单元(7)根据凸轮轴位置信号(c)判定活塞上止点位置，根据曲轴位置信号(d)判定活塞与曲轴转角的关系，进而使燃烧电控单元能够依据内燃机基础运动学原理计算V随曲轴转角的变化。
2.根据权利要求1所述的一种掺氢实现内燃机全节气门运行的装置的控制方法，其特征在于：
燃烧电控单元(7)通过发出氢气喷射信号(g)使氢气喷嘴(3)的喷射脉宽在下一循环较本循环增加5％。
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