CN108825366B - 一种点燃式氢氧气转子发动机及控制方法 - Google Patents

一种点燃式氢氧气转子发动机及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种点燃式氢氧气转子发动机及控制方法，具体内容涉及一种纯氢氧气点燃式转子发动机的氢、氧气供给系统、氧气喷射与润滑油喷射控制。该系统在保留原机主要机件的基础上增加了燃烧电控单元(12)、润滑油喷嘴(16)、润滑油泵(17)、润滑油箱(18)、高压氧气喷嘴(7)和低压氧气喷嘴(10)。燃烧电控单元(12)可以根据需求功率信号(e)判定氧气喷射方式，在低功率条件下发动机采用气道喷氧以提高效率，在中高功率条件下发动机采用高压直喷氧气以避免回火。针对气体燃料转子机润滑困难的问题，燃烧电控单元可以根据发动机的实际负荷控制润滑油喷嘴(16)的喷射脉宽，保证发动机高效润滑。

Description

一种点燃式氢氧气转子发动机及控制方法
技术领域
本发明提供一种以纯氢气和纯氧气为工质的点燃式转子发动机及控制方法，具体内容涉及一种点燃式氢氧气转子发动机的氢、氧气供给系统和氧气喷射与燃烧过程控制。
背景技术
航天器等装置的动力系统以液氢为燃料，并将液氢转化为气态氢气后供燃料电池使用。由于液氢储存装置纯在氢气泄露问题，且燃料电池运行过程中会有多余氢气被排出，因而在采用上述动力方案的装置中存在大量剩余氢气。这部分剩余的氢气由于处于低压状态，难以被再次加压引入燃料电池使用，且对该部分氢气再次增压需要压气机消耗额外功。因此，在现有技术条件下，这部分多余的氢气难以被再次高效利用，造成了能源浪费。
此外，在航天器等特殊装置所运行的低压环境，甚至真空条件下，如果以发动机为动力装置，则发动机必须采用外接装置提供燃烧需要的氧化剂。也就是说，在上述特殊条件下，发动机的氧化剂需要由纯氧气提供。这意味着在真空或超低压条件下运行的发动机除了需要节约燃料消耗，还需要高效利用氧化剂完成缸内燃烧，避免对氧化剂的过渡消耗。
与活塞往复式四冲程发动机相比，转子发动机具有更高的功率密度及体积小、重量轻、零件数量少、易于维护保养等特点，这些特点使得转子机能够成为在航天器上使用的较好的高密度辅助动力装置。
从现有技术来看，关于纯氢转子机以空气为氧化剂的技术甚少，而转子发动机以纯氢气和纯氧气为工质的技术尚无相关报道。这主要是因为转子发动机自身结构的限制使得其通常需要在液体燃料中加入少量润滑油来保证发动机润滑，而在气体燃烧条件下，由于气体燃料与润滑油不能互溶，因而难以保证其有效润滑。同时在氢气和氧气预混的条件下，由于氢气在纯氧气中的燃烧极限极其宽广，因而在大功率条件下，氢氧预混的转子发动机容易出现进气行程回火的问题，这主要是因为在进气行程转入排气行程过程中，密封片会经过火花塞凹坑，从而使燃烧室内的高温气体和进气行程中的氢氧混合气在凹坑局部发生接触，从而引燃处于进气行程的氢氧混合气，使其出现回火的风险。
发明内容
针对目前以纯氢气和纯氧气为工质的转子发动机技术不成熟，大负荷条件下供气系统中高浓度氢气和氧气预混带来回火风险，以及气体燃料条件下转子机润滑困难等问题，本发明提供一种点燃式氢氧气转子发动机及其控制方法。
本发明采用了如下技术方案：该发明中的一种点燃式氢氧气转子发动机在包括原有转子机上固有的进气道1、曲轴2、转子机本体3、转子4、输出轴5、排气道6、原机电控单元13、火花塞9、功率需求踏板14及功率需求传感器15的基础上，增加了一个燃烧电控单元12，一套润滑控制系统及一套氧气喷射控制系统；
所述润滑控制系统包括润滑油箱18、与润滑油箱18相连接的润滑油泵17以及与润滑油泵17相连接的润滑油喷嘴16，润滑油喷嘴16安装在进气道1上；
所述氧气喷射控制系统包括一个高压氧气供给系统11、一个低压减压阀19、一个高压减压阀8，高压减压阀8与低压减压阀19分别通过管路与高压氧气供给系统11相连接，高压氧气喷嘴7安装在转子机本体3的缸壁上并与高压减压阀8相连接，高压氧气喷嘴7能够将高压氧气喷入到转子机本体3的燃烧室内，低压氧气喷嘴10安装在进气道1上并与低压减压阀19相连接，低压氧气喷嘴10能够将氧气喷入到进气道1内；所述燃烧电控单元12通过通讯线与原机电控单元13相连接，获得发动机实际输出功率信号a；
所述燃烧电控单元12通过屏蔽电缆与功率需求传感器15相连获得功率需求信号e；
所述燃烧电控单元12通过屏蔽电缆与润滑油喷嘴16相连，通过发出润滑油喷射信号f控制润滑油喷嘴16的开启和关闭；
所述燃烧电控单元12通过屏蔽电缆与低压氧气喷嘴10相连，通过发出低压氧气喷射信号b控制低压氧气喷嘴10的开启和关闭；
所述燃烧电控单元12通过屏蔽电缆与高压氧气喷嘴7相连，通过发出高压氧气喷射信号c控制高压氧气喷嘴7的开启和关闭；
所述燃烧电控单元12通过屏蔽电缆与火花塞9相连，通过发出点火信号d控制发动机点火；
一种点燃式氢氧气转子发动机的控制方法，该方法包括以下步骤：
一种点燃式氢氧气转子发动机的控制方法包括氧气喷射控制方法与润滑油喷射控制方法，具体如下；
1)一种点燃式氢氧气转子发动机的氧气喷射控制方法包括：
功率需求踏板(14)在运行过程中位置能改变，在其位置改变后功率需求传感器(15)获得当前期望的需求功率并将该需求功率通Pr过功率需求信号e发送给燃烧电控单元(12)，燃烧电控单元(12)在收到Pr信号后，将根据Pr的大小确定氧气的喷射位置；
当Pr≤10％Pm，Pm为该转速下发动机峰值功率，且Pr≤8kW时，燃烧电控单元(12)判定此时氢氧转子发动机处于小负荷工况，在上述条件下燃烧电控单元(12)通过发出低压氧气喷射信号b打开低压氧气喷嘴(10)，并使低压氧气喷嘴(10)的喷射脉宽ToL在1ms≤ToL≤6ms之间变化，且Tol随Pr的增加而增加，同时燃烧电控单元(12)通过停止发出高压氧气喷射信号c使高压氧气喷嘴(7)停止喷射，从而使氧气仅通过预混方式进入燃烧室；
当Pr>8kW或者Pr>10％Pm时，燃烧电控单元(12)判定此时氢氧转子发动机处于中负荷或大负荷工况，此时如果在进气道内喷射氧气则氢氧混合气在进气室内的回火风险增加，为充分避免混合气回火，上述条件下燃烧电控单元(12)通过停止发出低压氧气喷射信号b关闭低压氧气喷嘴(10)，并通过发出高压氧气喷射信号c控制高压氧气喷嘴(7)的喷射脉宽ToH在1ms≤ToH≤8ms之间变化，进而使氧气仅通过高压氧气喷嘴(7)直接进入燃烧室，进而避免氢氧预先混合而带来的回火可能性；
燃烧电控单元(12)在发动机运行过程中检测来自原机电控单元(13)的发动机实际输出功率信号a，获得发动机实际输出功率Pn，当Pn>120％Pr时，燃烧电控单元(12)通过发出高压氧气喷射信号c或者通过发出低压氧气喷射信号b使正在喷射氧气的高压氧气喷嘴(7)或者低压氧气喷嘴(10)的后一循环喷射脉宽较当前循环缩短0.5ms，直至Pn≤120％Pr后保持氧气喷射脉宽不再改变；当Pn<80％Pr时，燃烧电控单元(12)通过发出高压氧气喷射信号c或者通过发出低压氧气喷射信号b使正在喷射氧气的高压氧气喷嘴(7)或者低压氧气喷嘴(10)的后一循环喷射脉宽较当前循环延长0.5ms，直至Pn≥80％Pr后保持氧气喷射脉宽不再改变；
在Pr≤10％Pm且Pr≤8kW时，燃烧电控单元(12)通过发出点火信号d控制火花塞(9)的点火时刻Tig在大于等于上止点至上止点前30°曲轴转角内变化，表述是否能换一下，时刻和角度语言上不太对应且Tig随Pn的提高更加靠近上止点；在Pr>8kW或者Pr>10％Pm时，燃烧电控单元(12)通过发出点火信号d控制火花塞(9)的点火时刻Tig在大于等于上止点后10°至上止点前15°曲轴转角内变化，且Tig随Pn的提高更加推迟；
2)一种点燃式氢氧气转子发动机的润滑油喷射控制方法包括：
燃烧电控单元(12)根据功率需求信号e获得发动机当前实际输出功率Pn，并根据其标定数据读取到当前转速下发动机的最大功率Pm，燃烧电控单元(12)根据Pn和Pm的关系计算当前发动机的负荷率Lr，Lr＝Pn/Pm，燃烧电控单元(12)进一步根据Lr确定当前循环内的喷射脉宽TLu，并通过发出润滑油喷射信号f控制润滑油喷嘴(16)的喷射脉宽，使润滑油喷嘴(16)的喷射脉宽在1ms≤TLu≤8ms之间变化，且TLu随Lr的增加而增加。本发明的有益效果是，针对航天器等特殊条件下存在富氢气体，且空气密度低的问题，设计了以纯氢气和纯氧气为工质的转子发动机及其控制方法。本发明所提出的一种纯氢氧气转子发动机能够根据发动机功率变化改变氧气的喷射位置，在发动机处于小功率条件下运行时，采用气道喷氧来加强氢氧气混合时间，提高发动机效率，在中高功率条件下运行时，采用缸内氧气直喷消除氢氧气提前预混带来的回火风险。同时，针对气体燃料转子发动机润滑困难的问题，设计了气道喷射润滑油的结构及控制方法，保证了纯氢氧气转子发动机的高效、稳定润滑。
附图说明
图1本发明的结构和工作原理图
图中：1进气道；2曲轴；3转子机本体；4转子；5输出轴；6排气道；7高压氧气喷嘴；8高压减压阀；9火花塞；10低压减压阀；11高压氧气供给系统；12燃烧电控单元；13原机电控单元；14功率需求踏板；15功率需求传感器；16润滑油喷嘴；17润滑油泵；18润滑油箱
a.实际输出功率信号；b.低压氧气喷射信号；c.高压氧气喷射信号；d.点火信号；e.功率需求信号；f.润滑油喷射信号。
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，该点燃式氢氧气转子发动机，在包括原有转子机上固有的进气道1、曲轴2、转子机本体3、转子4、输出轴5、排气道6、原机电控单元13、火花塞9、功率需求踏板14及功率需求传感器15的基础上，增加了一个燃烧电控单元12，一套润滑控制系统及一套氧气喷射控制系统；
所述润滑控制系统包括润滑油箱18、与润滑油箱18相连接的润滑油泵17以及与润滑油泵17相连接的润滑油喷嘴16，润滑油喷嘴16安装在进气道1上；
所述氧气喷射控制系统包括一个高压氧气供给系统11、一个低压减压阀19、一个高压减压阀8，高压减压阀8与低压减压阀19分别通过管路与高压氧气供给系统11相连接，高压氧气喷嘴7安装在转子机本体3的缸壁上并与高压减压阀8相连接，高压氧气喷嘴7能够将高压氧气喷入到转子机本体3的燃烧室内，低压氧气喷嘴10安装在进气道1上并与低压减压阀19相连接，低压氧气喷嘴10能够将氧气喷入到进气道1内；所述燃烧电控单元12通过通讯线与原机电控单元13相连接，获得发动机实际输出功率信号a；
所述燃烧电控单元12通过屏蔽电缆与功率需求传感器15相连获得功率需求信号e；
所述燃烧电控单元12通过屏蔽电缆与润滑油喷嘴16相连，通过发出润滑油喷射信号f控制润滑油喷嘴16的开启和关闭；
所述燃烧电控单元12通过屏蔽电缆与低压氧气喷嘴10相连，通过发出低压氧气喷射信号b控制低压氧气喷嘴10的开启和关闭；
所述燃烧电控单元12通过屏蔽电缆与高压氧气喷嘴7相连，通过发出高压氧气喷射信号c控制高压氧气喷嘴7的开启和关闭；
所述燃烧电控单元12通过屏蔽电缆与火花塞9相连，通过发出点火信号d控制发动机点火；
一种点燃式氢氧气转子发动机的控制方法，该方法包括以下步骤：
一种点燃式氢氧气转子发动机的控制方法包括氧气喷射控制方法与润滑油喷射控制方法，具体如下；
1)一种点燃式氢氧气转子发动机的氧气喷射控制方法包括：
功率需求踏板(14)在运行过程中位置能改变，在其位置改变后功率需求传感器(15)获得当前期望的需求功率并将该需求功率通Pr过功率需求信号e发送给燃烧电控单元(12)，燃烧电控单元(12)在收到Pr信号后，将根据Pr的大小确定氧气的喷射位置；
当Pr≤10％Pm，Pm为该转速下发动机峰值功率，且Pr≤8kW时，燃烧电控单元(12)判定此时氢氧转子发动机处于小负荷工况，在上述条件下燃烧电控单元(12)通过发出低压氧气喷射信号b打开低压氧气喷嘴(10)，并使低压氧气喷嘴(10)的喷射脉宽ToL在1ms≤ToL≤6ms之间变化，且Tol随Pr的增加而增加，同时燃烧电控单元(12)通过停止发出高压氧气喷射信号c使高压氧气喷嘴(7)停止喷射，从而使氧气仅通过预混方式进入燃烧室；
当Pr>8kW或者Pr>10％Pm时，燃烧电控单元(12)判定此时氢氧转子发动机处于中负荷或大负荷工况，此时如果在进气道内喷射氧气则氢氧混合气在进气室内的回火风险增加，为充分避免混合气回火，上述条件下燃烧电控单元(12)通过停止发出低压氧气喷射信号b关闭低压氧气喷嘴(10)，并通过发出高压氧气喷射信号c控制高压氧气喷嘴(7)的喷射脉宽ToH在1ms≤ToH≤8ms之间变化，进而使氧气仅通过高压氧气喷嘴(7)直接进入燃烧室，进而避免氢氧预先混合而带来的回火可能性；
燃烧电控单元(12)在发动机运行过程中检测来自原机电控单元(13)的发动机实际输出功率信号a，获得发动机实际输出功率Pn，当Pn>120％Pr时，燃烧电控单元(12)通过发出高压氧气喷射信号c或者通过发出低压氧气喷射信号b使正在喷射氧气的高压氧气喷嘴(7)或者低压氧气喷嘴(10)的后一循环喷射脉宽较当前循环缩短0.5ms，直至Pn≤120％Pr后保持氧气喷射脉宽不再改变；当Pn<80％Pr时，燃烧电控单元(12)通过发出高压氧气喷射信号c或者通过发出低压氧气喷射信号b使正在喷射氧气的高压氧气喷嘴(7)或者低压氧气喷嘴(10)的后一循环喷射脉宽较当前循环延长0.5ms，直至Pn≥80％Pr后保持氧气喷射脉宽不再改变；
在Pr≤10％Pm且Pr≤8kW时，燃烧电控单元(12)通过发出点火信号d控制火花塞(9)的点火时刻Tig在大于等于上止点至上止点前30°曲轴转角内变化，表述是否能换一下，时刻和角度语言上不太对应且Tig随Pn的提高更加靠近上止点；在Pr>8kW或者Pr>10％Pm时，燃烧电控单元(12)通过发出点火信号d控制火花塞(9)的点火时刻Tig在大于等于上止点后10°至上止点前15°曲轴转角内变化，且Tig随Pn的提高更加推迟；
2)一种点燃式氢氧气转子发动机的润滑油喷射控制方法包括：
燃烧电控单元(12)根据功率需求信号e获得发动机当前实际输出功率Pn，并根据其标定数据读取到当前转速下发动机的最大功率Pm，燃烧电控单元(12)根据Pn和Pm的关系计算当前发动机的负荷率Lr，Lr＝Pn/Pm，燃烧电控单元(12)进一步根据Lr确定当前循环内的喷射脉宽TLu，并通过发出润滑油喷射信号f控制润滑油喷嘴(16)的喷射脉宽，使润滑油喷嘴(16)的喷射脉宽在1ms≤TLu≤8ms之间变化，且TLu随Lr的增加而增加。
本实施例对各种工况进行了如下实验：
实验所用转子发动机按照图1所示改造成点燃式氢氧气转子发动机。本实验在发动机功率为5kW和20kW两种需求功率条件下进行。
(1)5kW需求功率实验
燃烧电控单元12通过检测功率需求信号e获得当前发动机需求功率Pr＝5kW，根据输入在燃烧电控单元内的数据判定该转速条件下发动机最大功率为60kW，此时燃烧电控单元12判定发动机处于功率运行条件，此时燃烧电控单元12通过发出低压氧气喷射信号b打开低压氧气喷嘴10使氧气低压喷嘴的喷射脉宽控制为3.7ms，燃烧电控单元12通过发出点火信号d控制火花塞9的点火时刻为上止点前15.6°，燃烧电控单元12通过发出润滑油喷射信号f控制润滑油喷嘴16的喷射脉宽为2ms，燃烧电控单元12根据实际输出功率信号a检测到当前发动机实际功率为4.8kW，保持上述状态运行发动机24小时，未见发动机出现润滑不良问题；
(2)20kW需求功率实验
燃烧电控单元12通过检测功率需求信号e获得当前发动机需求功率Pr＝20kW，直接判定采用氧气直喷方式将氧气送入燃烧室。此时，烧电控单元12通过发出高压氧气喷射信号c使高压氧气喷嘴7的喷射脉宽保持在2.7ms，燃烧电控单元12通过发出点火信号d控制火花塞9的点火时刻为上止点前4.2°，燃烧电控单元12通过发出润滑油喷射信号f控制润滑油喷嘴16的喷射脉宽为3.5ms，燃烧电控单元12根据实际输出功率信号a检测到当前发动机实际功率为20.4kW，保持上述状态运行发动机24小时，未见发动机出现润滑不良问题。

Claims (2)

1.一种点燃式氢氧气转子发动机，包括原有转子机上固有的进气道(1)、曲轴(2)、转子机本体(3)、转子(4)、输出轴(5)、排气道(6)、原机电控单元(13)、火花塞(9)、功率需求踏板(14)及功率需求传感器(15)，还包括了一个燃烧电控单元(12)，一套润滑控制系统及一套氧气喷射控制系统；
所述润滑控制系统包括润滑油箱(18)、与润滑油箱(18)相连接的润滑油泵(17)以及与润滑油泵(17)相连接的润滑油喷嘴(16)，润滑油喷嘴(16)安装在进气道(1)上；
所述氧气喷射控制系统包括一个高压氧气供给系统(11)、一个低压减压阀(19)、一个高压减压阀(8)，高压减压阀(8)与低压减压阀(19)分别通过管路与高压氧气供给系统(11)相连接，高压氧气喷嘴(7)安装在转子机本体(3)的缸壁上并与高压减压阀(8)相连接，高压氧气喷嘴(7)能够将高压氧气喷入到转子机本体(3)的燃烧室内，低压氧气喷嘴(10)安装在进气道(1)上并与低压减压阀(19)相连接，低压氧气喷嘴(10)能够将氧气喷入到进气道(1)内；所述燃烧电控单元(12)通过通讯线与原机电控单元(13)相连接，获得发动机实际输出功率信号a；
所述燃烧电控单元(12)通过屏蔽电缆与功率需求传感器(15)相连获得功率需求信号e；
所述燃烧电控单元(12)通过屏蔽电缆与润滑油喷嘴(16)相连，通过发出润滑油喷射信号f控制润滑油喷嘴(16)的开启和关闭；
所述燃烧电控单元(12)通过屏蔽电缆与低压氧气喷嘴(10)相连，通过发出低压氧气喷射信号b控制低压氧气喷嘴(10)的开启和关闭；
所述燃烧电控单元(12)通过屏蔽电缆与高压氧气喷嘴(7)相连，通过发出高压氧气喷射信号c控制高压氧气喷嘴(7)的开启和关闭；
所述燃烧电控单元(12)通过屏蔽电缆与火花塞(9)相连，通过发出点火信号d控制发动机点火。
2.应用于权利要求1所述的一种点燃式氢氧气转子发动机的控制方法，其特征在于，包括氧气喷射控制方法与润滑油喷射控制方法，具体如下；
1)一种点燃式氢氧气转子发动机的氧气喷射控制方法包括：
功率需求踏板(14)在运行过程中位置能改变，在其位置改变后功率需求传感器(15)获得当前期望的需求功率并将该需求功率Pr通过功率需求信号e发送给燃烧电控单元(12)，燃烧电控单元(12)在收到Pr信号后，将根据Pr的大小确定氧气的喷射位置；
当Pr≤10％Pm，Pm为当前转速下发动机峰值功率，且Pr≤8kW时，燃烧电控单元(12)判定此时氢氧转子发动机处于小负荷工况，在上述条件下燃烧电控单元(12)通过发出低压氧气喷射信号b打开低压氧气喷嘴(10)，并使低压氧气喷嘴(10)的喷射脉宽ToL在1ms≤ToL≤6ms之间变化，且Tol随Pr的增加而增加，同时燃烧电控单元(12)通过停止发出高压氧气喷射信号c使高压氧气喷嘴(7)停止喷射，从而使氧气仅通过预混方式进入燃烧室；
当Pr>8kW或者Pr>10％Pm时，燃烧电控单元(12)判定此时氢氧转子发动机处于中负荷或大负荷工况，此时如果在进气道内喷射氧气则氢氧混合气在进气室内的回火风险增加，为充分避免混合气回火，上述条件下燃烧电控单元(12)通过停止发出低压氧气喷射信号b关闭低压氧气喷嘴(10)，并通过发出高压氧气喷射信号c控制高压氧气喷嘴(7)的喷射脉宽ToH在1ms≤ToH≤8ms之间变化，进而使氧气仅通过高压氧气喷嘴(7)直接进入燃烧室，进而避免氢氧预先混合而带来的回火可能性；
燃烧电控单元(12)在发动机运行过程中检测来自原机电控单元(13)的发动机实际输出功率信号a，获得发动机实际输出功率Pn，当Pn>120％Pr时，燃烧电控单元(12)通过发出高压氧气喷射信号c或者通过发出低压氧气喷射信号b使正在喷射氧气的高压氧气喷嘴(7)或者低压氧气喷嘴(10)的后一循环喷射脉宽较当前循环缩短0.5ms，直至Pn≤120％Pr后保持氧气喷射脉宽不再改变；当Pn<80％Pr时，燃烧电控单元(12)通过发出高压氧气喷射信号c或者通过发出低压氧气喷射信号b使正在喷射氧气的高压氧气喷嘴(7)或者低压氧气喷嘴(10)的后一循环喷射脉宽较当前循环延长0.5ms，直至Pn≥80％Pr后保持氧气喷射脉宽不再改变；
在Pr≤10％Pm且Pr≤8kW时，燃烧电控单元(12)通过发出点火信号d控制火花塞(9)的点火时刻Tig在上止点至上止点前30°曲轴转角内变化，且Tig随Pn的提高更加靠近上止点；在Pr>8kW或者Pr>10％Pm时，燃烧电控单元(12)通过发出点火信号d控制火花塞(9)的点火时刻Tig在上止点后10°至上止点前15°曲轴转角内变化，且Tig随Pn的提高更加推迟；
2)一种点燃式氢氧气转子发动机的润滑油喷射控制方法包括：
燃烧电控单元(12)根据功率需求信号e获得发动机当前实际输出功率Pn，并根据其标定数据读取到当前转速下发动机的最大功率Pm，燃烧电控单元(12)根据Pn和Pm的关系计算当前发动机的负荷率Lr，Lr＝Pn/Pm，燃烧电控单元(12)进一步根据Lr确定当前循环内的喷射脉宽TLu，并通过发出润滑油喷射信号f控制润滑油喷嘴(16)的喷射脉宽，使润滑油喷嘴(16)的喷射脉宽在1ms≤TLu≤8ms之间变化，且TLu随Lr的增加而增加。
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