CN109681349B - 一种压升率可控的零排放质调节氢发动机及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种压升率可控的零排放质调节氢发动机及其控制方法。本发明以发动机转速信号(a1)、发动机压升率信号(a2)为控制依据，通过控制单元(13)在发动机(11)达到目标转速后对第一阀门(14)，第二阀门(15)及氢气流量控制器(3)、氧气流量控制器(7)、氩气流量控制器(19)的控制，实现了所述发动机(11)尾气中氧化剂的回收以及缸内燃烧压升率的控制，有效提高了所述发动机氧化剂利用率、热效率及燃烧的平稳性。由于本发明采用清洁氧化剂，克服了传统氢气发动机进气中氮气在缸内高温环境中生成氮氧化物(NOx)的缺点；因此实现了发动机零排放。

Description

一种压升率可控的零排放质调节氢发动机及其控制方法
技术领域
本发明提供一种压升率可控的零排放质调节氢发动机控制方法，属于发动机领域。
背景技术
氢气作为发动机的燃料具有良好的燃烧特性：氢燃料比所有化石燃料、化工燃料和生物燃料的发热值都要高，氢燃料的低热值是汽油的2.7 倍；其点火能量约为汽油的1/10，极易点燃，具有良好的起动性；其着火界限很，可实现稀薄燃烧；其火焰传播速度大约为汽油的8倍；氢的自燃温度较天然气和汽油都要高，有利于提高压缩比，提高氢发动机的热效率。
氢发动机是用氢气为燃料，将氢气的化学能经过燃烧转化成为机械能的新型发动机。在传统的汽油机中，燃料与空气以接近化学计量空燃比的比例形成可燃混合气并燃烧，燃烧产物包括CO、二氧化碳(CO2)及(碳氢化合物)HC，汽缸中的燃烧高温足以使缸内空气中的部分氮气(N2)发生氧化，生成(氮氧化物)NOx。与此相比，氢燃料发动机则几乎不产生CO、CO及HC污染物，仅产生来自空气的NOx。因此，如何控制氢发动机NOx排放是实现氢发动机零排放的关键所在。
将空气中的氮气用惰性气体(如氩气)替代，利用氩/氧混合气作为氢发动机的氧化剂可以实现氢发动机的零排放。因此，本发明提出了一种压升率可控的零排放质调节氢发动机控制方法，在实现氢发动机零排放的基础上，保证了发动机的顺利起动，调节了发动机在运行过程中缸内的压升率，在保证发动机燃烧平稳性的基础上，实现了发动机起动后对排气中多余氧化剂的回收利用。
发明内容
本发明的目的是为解决氢发动机NOx排放较高的问题，提供一种压升率可控的零排放质调节氢发动机控制方法，在实现氢发动机零排放的基础上，保证了发动机的顺利起动，调节了发动机在运行过程中缸内的压升率，在保证发动机燃烧平稳性的基础上，实现了发动机起动后对排气中多余氧化剂的回收利用。
本发明采用如下技术方案：
氢气瓶(1)、氢气瓶减压阀(2)、氢气流量控制器(3)、氢气进气管路(4)与发动机(11)依次串联连接，氧气瓶(5)、氧气瓶减压阀(6)、氧气流量控制器(7)、氧气进气管(8)和混气装置(9)依次串联连接，混气装置(9)通过氧气进气管(10)与发动机(11)串联连接，第一阀门 (14)通过排气管(12)与发动机(11)串联连接，氧气回路管(21)与第一阀门(14)上游排气管(12)相连接，冷却装置(16)和第二阀门(15) 通过氧气回路管(21)与混气装置(9)串联连接，氩气瓶(17)、氩气瓶减压阀(18)、氩气流量控制器(19)、氩气进气管路(20)和混气装置(9) 串联连接，电控单元(13)接收发动机转速信号(a1)、发动机压升率信号 (a2)、氢气流量信号(b)、氧气流量信号(c)、氩气流量信号(f)并控制氢气流量控制器(3)、氧气流量控制器(7)、氩气流量控制器(19)、第一阀门开闭(d)和第二阀门开闭(e)。
利用如上所述发动机，其特征在于：
当发动机(11)起动后，控制单元(13)接收发动机转速信号(a1)、氢气流量信号(b)、氧气流量信号(c)，当发动机转速低于怠速转速N时，控制单元(13)通过氢气流量控制器(3)、氧气流量控制器(7)控制进入缸内的氢气和氧气流量使得起动阶段缸内燃料完全燃烧。同时，控制单元(13)打开第一阀门(14)并关闭第二阀门(15)，使得尾气经由排气管(12)排至大气。
当发动机(11)起动后，控制单元(13)接收发动机转速信号(a1)、发动机压升率信号(a2)、氢气流量信号(b)、氧气流量信号(c)、氩气流量信号(f)，当发动机转速不低于怠速转速N且发动机压升率低于设定目标值M(M为早燃发生时刻的最大压升率)时，控制单元(13)关闭第一阀门(14)并打开第二阀门(15)，使排气管(12)中的尾气经过冷却装置(16)将所含水蒸气冷凝后通过氧气回路管(21)进入混气装置(9) 中与氧气瓶(5)中通过氧气进气管(8)进入混气装置(9)的氧气混合，后经由氧气进气管(10)进入发动机燃烧。
当发动机(11)起动后，控制单元(13)接收发动机转速信号(a1)、发动机压升率信号(a2)、氢气流量信号(b)、氧气流量信号(c)、氩气流量信号(f)，当发动机转速不低于怠速转速N且发动机压升率不低于设定目标值M时，控制单元(13)控制氩气流量控制器(19)使得氩气进入混合装置(9)中并按照一定速率L(0＜L≤10L/min内任意数值)逐渐增加氩气流量直到发动机压升率低于设定目标值M后，控制单元(13)停止继续增加氩气量并保持当前氩气流量。同时，控制单元(13)关闭第一阀门 (14)并打开第二阀门(15)，使排气管(12)中的尾气经过冷却装置(16) 将所含水蒸气冷凝后通过氧气回路管(21)进入混气装置(9)中与氧气瓶(5)中通过氧气进气管(8)进入混气装置(9)的氧气混合，后经由氧气进气管(10)进入发动机燃烧。
本发明的有益效果是，根据权利要求所述，通过在排气管(12)上设置第一阀门(14)在氧气回路管(21)设置第二阀门(15)，当发动机顺利起动后并运行平稳后，通过控制第一阀门(14)和第二阀门(15)的开闭，实现了尾气中氧化剂的回收利用；通过氩气体积分数的增加控制发动机(11)缸内压升率，避免了氢发动机燃烧压升率太高的现象，避免了缸内粗暴燃烧，提高了所述发动机运行过程的平稳性。
本装置在实现所述发动机零排放前提下，避免了过早的氧化剂回收开启时刻对发动机起动过程的影响，保证了所述发动机的顺利起燃，从而提高了所述发动机的起动稳定性。并在此基础上，通过排气管(12)中氧化剂再回收策略，进一步提高了所述发动机的经济性。
附图说明
图1.本发明的结构和工作原理图
图中：1、氢气瓶，2、氢气减压阀，3、氢气流量控制器，4、氢气进气管，5、氧气瓶，6、氧气减压阀，7、氧气流量控制器，8、氧气进气管， 9、混气装置，10、氧气进气总管，11、发动机，12、排气管，13、电控单元，14、第一阀门，15、第二阀门，16、冷却装置，17、氩气瓶，18、氩气瓶减压阀，19、氩气流量控制器，20、氩气进气管路，21、氧气回路管
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：
如图1包括：氢气瓶(1)、氢气瓶减压阀(2)、氢气流量控制器(3)、氢气进气管路(4)与发动机(11)依次串联连接，氧气瓶(5)、氧气瓶减压阀(6)、氧气流量控制器(7)、氧气进气管(8)和混气装置(9)依次串联连接，混气装置(9)通过氧气进气管(10)与发动机(11)串联连接，第一阀门(14)通过排气管(12)与发动机(11)串联连接，氧气回路管 (21)与第一阀门(14)上游排气管(12)相连接，冷却装置(16)和第二阀门(15)通过氧气回路管(21)与混气装置(9)串联连接，氩气瓶 (17)、氩气瓶减压阀(18)、氩气流量控制器(19)、氩气进气管路(20) 和混气装置(9)串联连接，电控单元(13)接收发动机转速信号(a1)、发动机压升率信号(a2)、氢气流量信号(b)、氧气流量信号(c)、氩气流量信号(f)并控制氢气流量控制器(3)、氧气流量控制器(7)、氩气流量控制器(19)、第一阀门开闭(d)和第二阀门开闭(e)。
当发动机(11)起动后，控制单元(13)接收发动机转速信号(a1)、氢气流量信号(b)、氧气流量信号(c)，当发动机转速低于怠速转速N时，此时，可认为发动机11已顺利起动，可以开启氧化剂再回收策略，因此，控制单元(13)通过氢气流量控制器(3)、氧气流量控制器(7)控制进入缸内的氢气和氧气流量使得起动阶段缸内燃料完全燃烧。此时，避免了所述发动机在起动阶段未结束的时候，氧化剂再回收策略对发动机(11) 的影响，保证了所述发动机的顺利起燃。同时，控制单元(13)打开第一阀门(14)并关闭第二阀门(15)，使得尾气经由排气管(12)排至大气。
当发动机(11)起动后，控制单元(13)接收发动机转速信号(a1)、发动机压升率信号(a2)、氢气流量信号(b)、氧气流量信号(c)、氩气流量信号(f)，当发动机转速不低于怠速转速N且发动机压升率低于设定目标值M(M为早燃发生时刻的最大压升率)时，此时，可认为发动机运行状态稳定，因此，控制单元(13)关闭第一阀门(14)并打开第二阀门(15)，使排气管(12)中的尾气经过冷却装置(16)将所含水蒸气冷凝后通过氧气回路管(21)进入混气装置(9)中与氧气瓶(5)中通过氧气进气管(8) 进入混气装置(9)的氧气混合，后经由氧气进气管(10)进入发动机燃烧。
当发动机(11)起动后，控制单元(13)接收发动机转速信号(a1)、发动机压升率信号(a2)、氢气流量信号(b)、氧气流量信号(c)、氩气流量信号(f)，当发动机转速不低于怠速转速N且发动机压升率不低于设定目标值M时，此时，发动机压升率高于发生早燃限制，因此，控制单元(13) 控制氩气流量控制器(19)使得氩气进入混合装置(9)中并按照一定速率L(0＜L≤10L/min内任意数值)逐渐增加氩气流量直到发动机压升率低于设定目标值M后，控制单元(13)停止继续增加氩气量并保持当前氩气流量。同时，控制单元(13)关闭第一阀门(14)并打开第二阀门(15)，使排气管(12)中的尾气经过冷却装置(16)将所含水蒸气冷凝后通过氧气回路管(21)进入混气装置(9)中与氧气瓶(5)中通过氧气进气管(8) 进入混气装置(9)的氧气混合，后经由氧气进气管(10)进入发动机燃烧。

Claims (1)

1.控制一种压升率可控的零排放质调节氢发动机的方法，该发动机具体结构为：氢气瓶(1)、氢气瓶减压阀(2)、氢气流量控制器(3)、氢气进气管路(4)与发动机(11)依次串联连接，氧气瓶(5)、氧气瓶减压阀(6)、氧气流量控制器(7)、氧气进气管(8)和混气装置(9)依次串联连接，混气装置(9)通过氧气进气管(10)与发动机(11)串联连接，第一阀门(14)通过排气管(12)与发动机(11)串联连接，氧气回路管(21)与第一阀门(14)上游排气管(12)相连接，冷却装置(16)和第二阀门(15)通过氧气回路管(21)与混气装置(9)串联连接，氩气瓶(17)、氩气瓶减压阀(18)、氩气流量控制器(19)、氩气进气管路(20)和混气装置(9)串联连接，电控单元(13)接收发动机转速信号(a1)、发动机压升率信号(a2)、氢气流量信号(b)、氧气流量信号(c)、氩气流量信号(f)并控制氢气流量控制器(3)、氧气流量控制器(7)、氩气流量控制器(19)、第一阀门开闭(d)和第二阀门开闭(e)；
其特征在于：
当发动机(11)起动后，控制单元(13)接收发动机转速信号(a1)、氢气流量信号(b)、氧气流量信号(c)，当发动机转速低于怠速转速N时，控制单元(13)通过氢气流量控制器(3)、氧气流量控制器(7)控制进入缸内的氢气和氧气流量使得起动阶段缸内燃料完全燃烧；同时，控制单元(13)打开第一阀门(14)并关闭第二阀门(15)，使得尾气经由排气管(12)排至大气；
当发动机(11)起动后，控制单元(13)接收发动机转速信号(a1)、发动机压升率信号(a2)、氢气流量信号(b)、氧气流量信号(c)、氩气流量信号(f)，当发动机转速不低于怠速转速N且发动机压升率低于设定目标值M时，M为早燃发生时刻的最大压升率，控制单元(13)关闭第一阀门(14)并打开第二阀门(15)，使排气管(12)中的尾气经过冷却装置(16)将所含水蒸气冷凝后通过氧气回路管(21)进入混气装置(9)中与氧气瓶(5)中通过氧气进气管(8)进入混气装置(9)的氧气混合，后经由氧气进气管(10)进入发动机燃烧；
当发动机(11)起动后，控制单元(13)接收发动机转速信号(a1)、发动机压升率信号(a2)、氢气流量信号(b)、氧气流量信号(c)、氩气流量信号(f)，当发动机转速不低于怠速转速N且发动机压升率不低于设定目标值M时，控制单元(13)控制氩气流量控制器(19)使得氩气进入混合装置(9)中并按照一定速率L逐渐增加氩气流量直到发动机压升率低于设定目标值M后，其中L为0＜L≤10L/min内任意数值，控制单元(13)停止继续增加氩气量并保持当前氩气流量；同时，控制单元(13)关闭第一阀门(14)并打开第二阀门(15)，使排气管(12)中的尾气经过冷却装置(16)将所含水蒸气冷凝后通过氧气回路管(21)进入混气装置(9)中与氧气瓶(5)中通过氧气进气管(8)进入混气装置(9)的氧气混合，后经由氧气进气管(10)进入发动机燃烧。
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