CN109707504B - 一种零排放氢发动机及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明设计一种零排放氢发动机及其控制方法。本发明以发动机转速信号(a1)和发动机燃烧循环变动系数信号(a2)为控制依据，通过控制单元(13)在发动机稳定运行后对第一阀门(14)和第二阀门(15)的控制，实现了所述发动机(11)尾气中氧气的回收，可以有效提高所述发动机(11)氧化剂利用率。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

一种零排放氢发动机及其控制方法
技术领域
本发明提供一种零排放氢发动机控制方法，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，燃烧产物包括一氧化碳(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。
将空气中的氮气去除，利用纯氧作为氢发动机的氧化剂可以实现氢发动机的零排放。因此，本发明提出了一种零排放氢发动机控制方法，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，并实现了发动机起动后对排气中多余氧气的回收利用。
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，提供一种零排放氢发动机控制方法，利用本发明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和平稳运行，并实现了发动机起动后对排气中多余氧气的回收利用。
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)、氧气进气管路(8)与混气装置(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)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(17)与第一阀门(14)上游排气管(12)相连接，第二阀门(15)、冷却装置(16)通过氧气回路管(17)与混气装置(9)串联连接；电控单元(13)接收发动机转速信号(a1)、发动机燃烧循环变动系数信号(a2)、氢气流量信号(b)、氧气流量信号(c)并控制氢气流量控制器(3)、氧气流量控制器(7)、第一阀门开闭(d)和第二阀门开闭(e)。
利用如上所述发动机的方法，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)、发动机燃烧循环变动系数(a2)、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或发动机燃烧循环变动系数不低于设定值10％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)、发动机燃烧循环变动系数信号(a2)、氢气流量信号(b)、氧气流量信号(c)，当发动机转速不低于怠速转速N且发动机燃烧循环变动系数低于设定值10％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达到目标转速后的缸内燃料完全燃烧，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(17)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，后经由氧气进气总管(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(17)设置第二阀门(15)，当发动机顺利起动并运行稳定后，通过控制第一阀门(14)和第二阀门(15)开闭使得尾气可以经过氧气回路管(17)和氧气进气总管(10)回到发动机(11)重复利用，提高了所述发动机中氧化剂的使用率。
本装置在实现所述发动机零排放前提下，避免了过早的氧气回收开启时刻对发动机起动过程的影响，也避免了该回收策略对发动机运行稳定性的影响，保证了所述发动机的顺利起燃和平稳运行，从而提高了所述发动机的起动稳定性和运行稳定性。并在此基础上，通过燃料与氧化剂稀燃燃烧配合氧气回收策略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、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)，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)、氧气进气管路(8)、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)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(17)与第一阀门(14)上游排气管(12)相连接，第二阀门(15)、冷却装置(16)通过氧气回路管(17)与混气装置(9)串联连接；电控单元(13)接收发动机转速信号(a)、氢气流量信号(b)、氧气流量信号(c)并控制氢气流量控制器(3)、氧气流量控制器(7)、第一阀门(14)和第二阀门(15)。
当发动机(11)起动后，控制单元(13)接收发动机转速信号(a1)、发动机燃烧循环变动系数信号(a2)、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或发动机燃烧循环变动系数不低于设定值10％时，此时，可认为发动机尚未起动完成或者发动机燃烧循环变动系数较大(发动机运行不稳定)，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(11)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)、发动机燃烧循环变动系数信号(a2)、氢气流量信号(b)、氧气流量信号(c)，当发动机转速不低于设定目标转速N且发动机燃烧循环变动系数低于设定值10％。此时，可认为发动机起动完成或者发动机燃烧循环变动系数较小(发动机运行稳定)，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发动机起动成功后的缸内燃料与氧化剂按照稀薄燃烧模式进行燃烧，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(17)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，后经由氧气进气总管(10)进入发动机燃烧。

Claims (1)

1.一种零排放氢发动机，该发动机包括：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）与混气装置（9）依次串联连接，混气装置（9）通过氧气进气总管（10）与发动机（11）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（17）与第一阀门（14）上游排气管（12）相连接，第二阀门（15）、冷却装置（16）通过氧气回路管（17）与混气装置（9）串联连接；控制单元（13）接收发动机转速信号（a1）、发动机燃烧循环变动系数（a2）、氢气流量信号（b）、氧气流量信号（c）并控制氢气流量控制器（3）、氧气流量控制器（7）、第一阀门开闭信号（d）和第二阀门开闭信号（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）、发动机燃烧循环变动系数信号（a2）、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或发动机燃烧循环变动系数不低于设定值10%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）、发动机燃烧循环变动系数信号（a2）、氢气流量信号（b）、氧气流量信号（c），当发动机转速不低于怠速转速N且发动机燃烧循环变动系数低于设定值10%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达到目标转速后的缸内燃料完全燃烧；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（17）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，后经由氧气进气总管（10）进入发动机燃烧。
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