CN110552805A - 一种氢气多次直喷内燃机燃烧控制系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种氢气多次直喷内燃机燃烧控制系统，包括进气增压系统，所述进气增压系统与中冷器通过管路连接，所述中冷器与进气管的一端连接，进气管的另一端与气缸的进气口相连，所述气缸的排气口与排气管的一端连接，排气管的分支通过电磁阀与冷却EGR的一端相连，冷却EGR的另一端与进气管的进气分支连接；还包括氢气储存设备，所述氢气储存设备与氢气发生设备连接，氢气发生设备与氢气喷射器连接，所述氢气喷射器伸入到气缸内，所述氢气储存设备和氢气发生设备由线路分别与ECU连接，所述ECU由线路分别与固定在气缸上的点火装置、固定在排气管分支上的电磁阀、固定在发动机飞轮上的曲轴转角传感器相连。采用多次喷射的方法，还可以满足氢内燃机不同功率需求的工况。

Description

一种氢气多次直喷内燃机燃烧控制系统和方法

技术领域

本发明涉及一种氢气多次直喷内燃机燃烧控制系统和方法，属于氢燃料发动机技术领域。

背景技术

以化石燃料为基础的全球能源供给方式面临越来越严峻挑战，使用化石燃料导致的环境污染问题受到社会普遍关注，排放法规日益严格。氢能是宇宙中分布最广泛、具有资源永久再生性的最清洁的能源，将氢能作为传统化石燃料的理想替代能源，是科学家们的共识。氢内燃机可以依赖成熟的内燃机工业体系，对氢纯度的要求低，超低排放，热效率更高，可以灵活利用其他燃料，不依赖贵金属材料等优点，使其成为未来车用动力的主要选择之一。与汽油等传统液体燃料以及甲烷等气体燃料相比，氢的独特特性使其成为内燃机应用中具有挑战性但前景广阔的燃料。

氢内燃机的应用价值取决于氢气的燃烧特性。相对化石燃料，氢气燃烧速度快，扩散性好，着火极限宽，点火能量低。但是，氢内燃机也面临燃烧循环变动，早燃、回火等异常燃烧问题，这影响了燃烧效率及排放性能。

针对氢内燃机燃烧控制，目前的研究主要集中在如何解决高热效率和高NOx排放的trade-off关系。理论上，氢燃烧产物只有水，不考虑因润滑油燃烧产生的极低的污染物，氢内燃机排气污染物中只有单一的NOx。围绕提高热效率和控制NOx排放，氢内燃机混合气控制逐渐从PFI（Port Fuel Injection）向DI（Direct Injection）喷射技术发展。由于氢气具有着火范围宽的特点，组织直喷氢内燃机燃烧时需要避免氢气不正常燃烧的情况。目前氢内燃机直喷技术主要以单次喷射为主，并直接喷射氢气进入气缸。

发明内容

目前氢内燃机直喷技术主要以单次喷射为主，并直接喷射氢气进入气缸。这种方式氢气混合时间短，相对而言混合均匀性差；同时氢气密度小，对喷射器要求高，要求能以较高的喷射压力将氢气喷射进入气缸，现有氢内燃机直喷技术控制策略简单，不易控制氢气喷射；另外单次喷射导致进入气缸内的氢气总量略少，不易提升功率密度。

本发明要解决的技术问题：改进直喷氢内燃机的喷射控制方法，改进氢气混合均匀性的方法提高氢气与空气的混合时间，使混合更充分燃烧更彻底，提升氢内燃机功率密度；通过改进控制氢气不正常燃烧的方法降低氢内燃机不正常燃烧现象发生的概率。

本发明的技术方案具体为：

一种氢气多次直喷内燃机燃烧控制系统，包括进气增压系统，所述进气增压系统与中冷器通过管路连接，所述中冷器与进气管的一端连接，进气管的另一端与气缸的进气口相连，所述气缸的排气口与排气管的一端连接，排气管的分支通过电磁阀与冷却EGR的一端相连，冷却EGR的另一端与进气管的进气分支连接；还包括氢气储存设备，所述氢气储存设备与氢气发生设备连接，氢气发生设备与氢气喷射器连接，所述氢气喷射器伸入到气缸内，所述氢气储存设备和氢气发生设备由线路分别与ECU连接，所述ECU由线路分别与固定在气缸上的点火装置、固定在排气管分支上的电磁阀、固定在发动机飞轮上的曲轴转角传感器相连。

上述氢气多次直喷内燃烧控制系统，在排气管上安装有NOx浓度传感器、氧传感器和排气温度传感器，NOx浓度传感器、氧传感器和排气温度传感器分别与ECU连接。

一种氢气多次直喷内燃机燃烧控制方法，步骤如下：

（a）在气缸上安装氢气喷射器和点火装置，气缸进气管依次连接中冷器和进气增压系统，气缸进气管的分支和气缸排气管的分支之间设置有连通气管，在连通气管上设有冷却EGR和电磁阀，电磁阀与ECU连接，将氢气喷射器依次连通氢气发生器和氢气储存设备，氢气发生器和氢气储存设备分别与ECU连接，点火装置与ECU连接，在发动机飞轮壳上安装曲轴转角传感器，曲轴转角传感器与ECU连接；ECU根据曲轴转角传感器反馈的信息执行判断程序，当判断发动机在进气冲程阶段时,进气门打开并且排气门关闭之后即氢气预喷射阶段K预喷射氢气，也即排气门打开经过气门重叠角α之后开始进行预喷射氢气；

（b）ECU通过检测氢气发生设备中的压力和氢气流量，控制氢气储存设备向氢气发生设备提供氢气，同时ECU通过控制预喷射脉冲宽度J和预喷射阶段脉冲间隔M来控制氢气的喷射量，由氢气喷射器向气缸内喷射氢气，增加气缸中的氢气含量；

（c）在进气冲程阶段，进气增压系统、中冷器和冷却EGR共同工作：ECU发送指令至电磁阀，由电磁阀控制冷却EGR将排气管的废气通过排气管分支引入进气管再进入气缸中，中冷器降低经进气增压系统压缩后的新鲜空气的温度，冷却EGR和中冷器共同降低进入气缸内混合气体的温度；ECU根据曲轴转角传感器反馈的信息执行判断程序，当判断发动机达到压缩冲程阶段并满足主喷射条件时：主喷射开始，随后ECU控制氢气喷射器喷射，通过控制主喷射脉冲宽度L来控制氢气的喷射量，同时ECU控制点火装置点燃气缸内的混合气体，发动机进入膨胀做功冲程，并完成一次工作循环。

上述一种氢气多次直喷内燃机燃烧控制方法，在氢气预喷射阶段K，会进行多次脉冲宽度为预喷射脉宽J的喷射。

上述氢气多次直喷内燃机燃烧控制方法，预喷射脉冲宽度J小于预喷射阶段脉冲间隔M。

上述氢气多次直喷内燃机燃烧控制方法，主喷射脉宽L大于预喷射脉宽J。

上述氢气多次直喷内燃机燃烧控制方法，在排气管上安装NOx浓度传感器、氧传感器和排气温度传感器，NOx浓度传感器、氧传感器和排气温度传感器分别与ECU连接。

相对于现有技术而言，本发明的有益效果为：本发明提供了一种氢气多次直喷内燃机燃烧控制系统和方法，在进气冲程提前喷入氢气，并多次喷射增加氢气进入气缸的量，改善了氢气和空气混合的均匀性，增加燃烧时氢气的总量，提升了功率密度；在进气冲程阶段缸内温度低，提前喷入氢气，随后引入进气增压系统、中冷器和冷却EGR共同工作，降低燃烧温度，避免了氢气不正常燃烧的现象，同时具备了降低NOx排放的潜力；采用多次喷射的方法，还可以满足氢内燃机不同功率需求的工况。

附图说明

图1是本发明系统原理图。

图2是图1中所示气缸的局部示意图。

图3是本发明氢气直喷多次喷射过程示意图。

图4是多脉冲喷射原理图。

图5是本发明工作步骤的流程图。

具体实施方式

如图1-2所示，一种氢气多次直喷内燃机燃烧控制系统包括：进气增压系统1，所述进气增压系统1与中冷器2通过管路连接，中冷器2与进气管3的一端连接，进气管3的另一端与气缸4的进气口41相连，所述气缸4的排气口42与排气管5的一端连接，排气管5的分支51通过电磁阀15与冷却EGR 6的一端相连，冷却EGR 6的另一端与进气管3的进气分支31连接，从排气管5分支51处引入废气通过冷却EGR6冷却后经由进气分支31进入进气管3，并与经由进气增压系统1提供的新鲜空气在进气管3混合后进入气缸4，降低进气过程中气缸内温度和氧气含量，同时容易引入更多的空气，使气缸内的工质混合更加充分；还包括氢气储存设备7，氢气储存设备7与氢气发生设备8连接，氢气发生设备8与氢气喷射器9连接，所述氢气喷射器9伸入到气缸4内，氢气储存设备7和氢气发生设备8通过线路分别与ECU 10连接，所述氢气储存设备7和氢气发生设备8中的氢气由ECU10控制，ECU10控制氢气发生设备中的氢气通过管路到达氢气喷射器9，所述氢气喷射器9固定在气缸4上，氢气喷射器9的喷射嘴向气缸4喷射氢气；所述ECU10由线路分别与固定在气缸4上的点火装置11、固定在排气管5分支51上的电磁阀15、固定在发动机飞轮上的曲轴转角传感器14、安装在排气管5上的NOx浓度传感器12、安装在排气管5上的氧传感器16、安装在排气管5上的排气温度传感器17相连，ECU10接收氢气储存设备、氢气发生设备、电磁阀、曲轴转角传感器的信息，同时发送指令到点火装置和氢气发生设备，氢气发生设备的氢气通过氢气喷射装置向气缸内喷气或停喷，并与点火装置结合完成点火或熄火程序。

在发动机进气冲程阶段前，由ECU 10根据发动机曲轴转角位置判断发动机所在的工作冲程。在进气冲程阶段，进气门打开，排气门关闭，此时由ECU 10发送指令并由氢气喷射器9向气缸4内喷射适量氢气，增加氢气和空气的混合时间，改善混合均匀性，增加氢气内燃机功率密度；在随后的压缩冲程终了阶段，由ECU 10发送指令并由氢气喷射器9向气缸4内再次喷入大量氢气，形成浓混合气的状况，完成一个工作循环的多次喷射。由于在进气阶段就进行了氢气的第一次喷射，此时气缸4内压力小，对喷射压力要求小，气缸4内温度低而不易产生不正常燃烧，并且从进气冲程到压缩冲程，氢气和空气的混合时间增加，混合气更加均匀，在后续压缩过程中可以充分燃烧，有利燃烧污染物NOx排放量的降低。由电磁阀15控制的冷却EGR 6可将废气管5的废气通过废气管分支51经冷却后引入进气管3再进入气缸4中，中冷器2可降低经进气增压系统1压缩后的新鲜空气的温度，冷却EGR 6和中冷器2共同降低了进入气缸4内混合气体的温度；ECU 10通过检测氢气发生设备8的压力和流量，控制氢气储存设备7向氢气发生设备8提供氢气并由氢气喷射器9向气缸4内喷射氢气，增加气缸4中的氢气含量。在进气冲程阶段，进气增压系统1、中冷器2和冷却EGR6共同工作：ECU 10发送指令至电磁阀15，由电磁阀15控制冷却EGR 6将废气管5的废气通过废气管分支51引入进气管3再进入气缸4中，中冷器2降低经进气增压系统1压缩后的新鲜空气的温度，冷却EGR6和中冷器2共同降低进入气缸4内混合气体的温度；ECU 10通过检测氢气发生设备8中的压力和氢气流量，控制氢气储存设备7向氢气发生设备8提供氢气，同时ECU 10通过控制预喷射脉冲宽度J和预喷射阶段脉冲间隔M，来控制氢气发生设备8向氢气喷射器输入氢气的喷射量，由氢气喷射器9向气缸4内喷射氢气，增加气缸4中的氢气含量。在降低进气温度的同时也增加了氢气的进气量，避免了提前喷入气缸4的氢气不正常燃烧，同时有助于提高氢气喷射量和发动机的功率密度。

一种氢气多次直喷内燃机燃烧控制方法具有以下具体步骤：

如图3所示，A代表进气门打开，B代表进气门关闭，C代表排气门打开，D代表排气门关闭，E代表上止点，F代表下止点，G代表预喷氢气阶段，α代表气门重叠角。

如图4所示，J代表预喷射脉冲宽度，M代表预喷射阶段脉冲间隔，K代表N次多脉冲预喷射阶段，L代表主喷射脉宽，Q代表多脉冲喷射定时，P代表主喷角。

如图1-5，在气缸4上安装氢气喷射器9和点火装置11，气缸进气管3依次连接中冷器2和进气增压系统1，气缸进气管3的分支31和气缸排气管5的分支51之间设置有连通气管，在连通气管上设有冷却EGR 6和电磁阀15，电磁阀与ECU 10连接，将氢气喷射器9依次连通氢气发生设备8和氢气储存设备7，氢气发生设备8和氢气储存设备7分别与ECU 10连接，点火装置11与ECU 10连接，在发动机飞轮壳上安装曲轴转角传感器14，曲轴转角传感器14与ECU 10连接。

本发明还在排气管上安装NOx浓度传感器12、氧传感器16和排气温度传感器17，NOx浓度传感器12、氧传感器16和排气温度传感器17分别与ECU 10连接。发动机的控制单元ECU 根据发动机工况、NOx浓度传感器12、氧传感器16、排气温度传感器17、曲轴转角传感器以及其他传感器采集的工作参数，调整内然机氢气直喷的时间和喷射脉宽，以满足不同的功率需求，其他传感器包括设置在进气管上的朝气流量传感器、进气压力传感器、进气温度传感器以及固定在气缸缸体内的发动机水温传感器中的至少一种，这些传感器均与ECU连接。

开始阶段首先由ECU 10根据曲轴转角传感器14反馈的信息执行判断程序，当判断出发动机在进气冲程阶段时，在气缸进气门打开A并且排气门关闭D之后即氢气预喷射阶段K预喷射氢气，也即排气门打开 C后，经过气门重叠角α之后开始进行预喷射氢气。

ECU 10通过检测氢气发生设备8中的压力和氢气流量，控制氢气储存设备7向氢气发生设备8提供氢气，同时ECU 10通过控制预喷射脉冲宽度J和预喷射阶段脉冲间隔M来控制氢气的喷射量，由氢气喷射器9向气缸4内喷射氢气，增加气缸4中的氢气含量；在氢气预喷射阶段K会有多次脉冲宽度为预喷射脉冲宽度J的喷射过程，而且预喷射脉冲宽度J小于预喷射阶段脉冲间隔M，主喷射脉宽L大于预喷射脉宽J。

在进气冲程阶段，预喷射氢气一方面可以减少因气门重叠角α存在，排气温度相对较高导致的氢气过早燃烧现象；另一方面，进气增压系统1、中冷器2和冷却EGR 6共同工作降低了气缸4内混合气体的温度，ECU 10控制氢气喷射器9向气缸4内喷射氢气增加了气缸4中氢气的含量，在降低进气温度的同时也增加了氢气的进气量，避免了提前喷入气缸4的氢气不正常燃烧，同时使气缸4内的工质混合更加充分，进而有助于提高氢气喷射量和发动机的功率密度。

再由ECU 10根据曲轴转角传感器14反馈的信息执行判断程序，当判断发动机达到压缩冲程并满足主喷射条件时，主喷射开始，随后ECU 10控制氢气喷射器9喷射，并通过控制主喷射脉冲宽度L控制氢气的喷射量，同时ECU 10控制点火装置11点燃气缸4内的混合气体，发动机进入膨胀做功冲程，并完成一次工作循环。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明整体构思前提下，还可以作出若干改变和改进，这些也应该视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种氢气多次直喷内燃机燃烧控制系统，其特征在于：包括进气增压系统（1），所述进气增压系统（1）与中冷器（2）通过管路连接，所述中冷器（2）与进气管（3）的一端连接，进气管（3）的另一端与气缸（4）的进气口（41）相连，所述气缸（4）的排气口（42）与排气管（5）的一端连接，排气管（5）的分支（51）通过电磁阀（15）与冷却EGR（6）的一端相连，冷却EGR（6）的另一端与进气管（3）的进气分支（31）连接；还包括氢气储存设备（7），所述氢气储存设备（7）与氢气发生设备（8）连接，氢气发生设备（8）与氢气喷射器（9）连接，所述氢气喷射器（9）伸入到气缸（4）内，所述氢气储存设备（7）和氢气发生设备（8）由线路分别与ECU（10）连接，所述ECU（10）由线路分别与固定在气缸（4）上的点火装置（11）、固定在排气管（5）分支（51）上的电磁阀（15）、固定在发动机飞轮上的曲轴转角传感器（14）相连。

2.根据权利要求1所述的氢气多次直喷内燃烧控制系统，其特征在于：在排气管（5）上安装有NOx浓度传感器（12）、氧传感器（16）和排气温度传感器（17），NOx浓度传感器（12）、氧传感器（16）和排气温度传感器（17）分别与ECU连接。

3.一种氢气多次直喷内燃机燃烧控制方法，其特征在于：步骤如下：

（a）在气缸（4）上安装氢气喷射器（9）和点火装置（11），气缸进气管（3）依次连接中冷器（2）和进气增压系统（1），气缸进气管（3）的分支（31）和气缸排气管（5）的分支（51）之间设置有连通气管，在连通气管上设有冷却EGR（6）和电磁阀（15），电磁阀与ECU（10）连接，将氢气喷射器（9）依次连通氢气发生器（8）和氢气储存设备（7），氢气发生器（8）和氢气储存设备（7）分别与ECU（10）连接，点火装置（11）与ECU（10）连接，在发动机飞轮壳上安装曲轴转角传感器（14），曲轴转角传感器（14）与ECU（10）连接；ECU（10）根据曲轴转角传感器（14）反馈的信息执行判断程序，当判断发动机在进气冲程阶段时,进气门打开并且排气门关闭之后即氢气预喷射阶段K预喷射氢气，也即排气门打开经过气门重叠角α之后开始进行预喷射氢气；

（b）ECU（10）通过检测氢气发生设备（8）中的压力和氢气流量，控制氢气储存设备（7）向氢气发生设备（8）提供氢气，同时ECU（10）通过控制预喷射脉冲宽度J和预喷射阶段脉冲间隔M来控制氢气的喷射量，由氢气喷射器（9）向气缸（4）内喷射氢气，增加气缸（4）中的氢气含量；

（c）在进气冲程阶段，进气增压系统（1）、中冷器（2）和冷却EGR（6）共同工作：ECU（10）发送指令至电磁阀（15），由电磁阀（15）控制冷却EGR（6）将排气管（5）的废气通过排气管分支（51）引入进气管（3）再进入气缸（4）中，中冷器（2）降低经进气增压系统（1）压缩后的新鲜空气的温度，冷却EGR（6）和中冷器（2）共同降低进入气缸（4）内混合气体的温度；

（d）ECU（10）根据曲轴转角传感器反馈的信息执行判断程序，当判断发动机达到压缩冲程阶段并满足主喷射条件时：主喷射开始，随后ECU（10）控制氢气喷射器（9）喷射，通过控制主喷射脉冲宽度L来控制氢气的喷射量，同时ECU（10）控制点火装置（11）点燃气缸（4）内的混合气体，发动机进入膨胀做功冲程，并完成一次工作循环。

4.根据权利要求3所述的氢气多次直喷内燃机燃烧控制方法，其特征在于：在氢气预喷射阶段K，会进行多次脉冲宽度为预喷射脉宽J的喷射。

5.根据权利要求3所述的氢气多次直喷内燃机燃烧控制方法，其特征在于：预喷射脉冲宽度J小于预喷射阶段脉冲间隔M。

6.根据权利要求3所述的氢气多次直喷内燃机燃烧控制方法，其特征在于：主喷射脉宽L大于预喷射脉宽J。

7.根据权利要求3所述的氢气多次直喷内燃机燃烧控制方法，其特征在于：在排气管上安装NOx浓度传感器（12）、氧传感器（16）和排气温度传感器（17），NOx浓度传感器（12）、氧传感器（16）和排气温度传感器（17）分别与ECU（10）连接。