CN111997744B - 一种缸内喷水的纯氢氧燃料二冲程转子机及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明设计了一种缸内喷水的纯氢氧燃料二冲程转子机及其控制方法，具体涉及一种纯氢氧燃料进气道预混与缸内喷水相结合并回收利用尾气能量的二冲程转子机的控制方法。该装置中包括纯氢氧燃料预混与供给策略、二冲程缸内喷水控制燃烧策略以及尾气能量多次利用策略，本装置通过电控单元(14)、氧气流量控制器(8)、氢气流量控制器(10)、水喷孔、能量回收装置(20)等部件的综合控制，合理调控混合气成分和氧燃比，并通过调节喷水与点火正时控制缸内燃烧程度，利用能量回收装置分级利用高温尾气中的能量，在排放零污染的情况下，使转子机运行更加稳定，同时进一步提高了整机能量利用率。

Description

一种缸内喷水的纯氢氧燃料二冲程转子机及其控制方法
技术领域
本发明设计了一种缸内喷水的纯氢氧燃料二冲程转子机及其控制方法，具体涉及一种纯氢氧燃料进气道预混与缸内喷水相结合并回收利用尾气能量的二冲程转子机的控制方法，属于内燃机领域。
背景技术
转子发动机凭借其独特的几何设计和运动方式，使其相比于活塞机具有结构简单、体积小、质量轻、扭矩均匀、运行平稳等诸多优点，然而转子发动机排放污染物多、进排气性能不佳、尾气损失能量大的问题也不容忽视，由此可见，转子发动机存在较多待改进之处。
与传统四冲程转子机相比，转子机可实现二冲程运转，从性能上看，当偏心轴转速相同时，二冲程转子机的做功次数是四冲程转子机的两倍，转子机升功率更高，动力性更好；从结构上看，二冲程转子机结构并不复杂，在四冲程转子机基础上只需加装一套进排气及点火装置便可收获更佳的动力性。
氢气作为清洁能源拥有极高的火焰速度，较短的淬熄距离，宽泛的燃烧极限，很适合于在高速运转的转子机中燃烧，同时氧气作为氧化剂具有很好的助燃特性，纯氢氧气作为转子机燃料不仅可以提升转子机的动力性，还实现了尾气零污染。与此同时，对转子机加装缸内喷水装置可以合理控制纯氢氧气反应剧烈程度，有效改善燃烧剧烈等问题。
发明内容
本发明的目的是实现一种缸内喷水的纯氢氧燃料二冲程转子机及其控制方法，通过将纯氢氧燃料预混与供给策略、二冲程缸内喷水控制燃烧策略以及尾气能量多次利用策略三者结合，在排放零污染的情况下，使转子机运行更加稳定，进一步提高了整机能量利用率。
本发明采用如下技术方案：
一种缸内喷水的纯氢氧燃料二冲程转子机，其特征在于，包括转子机缸体(23)、偏心轴(24)、转子(25)，安装在转子机上的第一水喷孔(1)、第一火花塞(2)、第二水喷孔(31)、第二火花塞(30)，氢气罐(11)通过管路与氢气流量控制器(10)相连接，氧气罐(9)通过管路与氧气流量控制器(8)相连接，氢气与氧气在混合罐(7)中混合，混合气进入第一进气道(6)经过第一电磁阀(5)、第一阻燃阀(4)、第一进气门(3)进入燃烧室，同时混合气还可以通过第二进气道经第二电磁阀(29)、第二阻燃阀(28)、第二进气门(27)进入燃烧室，燃烧的尾气可以通过第一排气口(22)和第二排气口(26)分别经过第一排气道(21)和第二排气道(32)流入能量回收装置(20)，二次利用的尾气由排气总管(18)进入换热器(17)，第一储水罐(15)与低压水泵(16)经过管路与换热器(17)交互，再与第二储水罐(13)、高压水泵(12)相连接。
电子控制单元(14)通过导线分别与第一火花塞(2)、第二火花塞(30)相连，并分别发出第一火花控制信号(c)和第二火花控制信号(d)控制点火正时；
电子控制单元(14)通过导线分别与第一水喷孔(1)、第二水喷孔(31)相连，并分别发出第一水喷孔控制信号(a)和第二水喷孔控制信号(g)控制喷水正时和喷水脉宽；
电子控制单元(14)通过导线与氢气流量控制器(10)相连，并发出氢气流量控制器控制信号(f)控制流入到混合罐(7)的氢气质量流量；
电子控制单元(14)通过导线与氧气流量控制器(8)相连，并发出氧气流量控制器控制信号(h)控制流入到混合罐(7)的氧气质量流量；
电子控制单元(14)通过导线分别与第一电磁阀(5)、第二电磁阀(29)相连，并分别发出第一电磁阀控制信号(e)和第二电磁阀控制信号(b)控制第一电磁阀(5)、第二电磁阀(29)的开闭。
缸内喷水的纯氢氧燃料二冲程转子机包括以下控制过程：
包括纯氢氧燃料预混与供给策略、二冲程缸内喷水控制燃烧策略以及尾气能量多次利用策略；
(1)纯氢氧燃料预混与供给策略
该装置中氢气罐(11)和氧气罐(9)分别装有减压阀，在氢气与氧气燃料供给时保证氢气罐(11)和氧气罐(9)流出的燃料压力相等，防止氢气与氧气在混合罐(7)中混合时出现因压力不同而导致回流现象，并且保证从氢气罐(11)和氧气罐(9)输送至氢气流量控制器(10)与氧气流量控制器(8)的氢气与氧气压力在10～40bar范围内；转子机运转过程中，储存在氢气罐(11)和氧气罐(9)中的氢气与氧气以同等压力分别通过管路输送至氢气流量控制器(10)与氧气流量控制器(8)，电子控制单元(14)发出氢气流量控制器控制信号(f)控制流入到混合罐(7)的氢气质量流量为n，发出氧气流量控制器控制信号(h)控制流入到混合罐(7)的氧气质量流量为m；同时，电子控制单元(14)根据转子机运转转速不同调节混合气的理论氧氢比φmn，其中，理论氧氢比φmn定义为在纯氧气条件下使纯氢气能够完全燃烧时所消耗氧气量与氢气量的比值，满足条件：
Figure GDA0003579559730000031
转子机转速可分为低于怠速转速、怠速转速至额定转速、额定转速至最高转速几个阶段，当转子机转速低于怠速转速时，电子控制单元(14)发出氢气流量控制器控制信号(f)和氧气流量控制器控制信号(h)控制混合罐内混合气氧氢比维持在0.8～09；转速在怠速转速与额定转速之间时，控制混合罐内混合气氧氢比维持在1.1～1.3；转速在额定转速与最高转速之间时，控制混合罐内混合气氧氢比维持在0.9～1.1；电子控制单元(14)发出第一电磁阀控制信号(e)控制第一电磁阀(5)的开闭时刻与第一进气门(3)的开闭时刻相同，发出第二电磁阀控制信号(b)控制第二电磁阀(29)的开闭时刻与第二进气门(27)的开闭时刻相同；
(2)二冲程缸内喷水控制燃烧策略
该转子机相隔180°设置有两个火花塞，电子控制单元(14)判断转子经过上止点后，转子每转动一周内分别发出一次第一火花控制信号(c)和一次第二火花控制信号(d)，实现转子机以二冲程模式运转；其中，转子机上止点的定义是：转子处于气缸最小容积时的位置；下止点的定义是：转子处于气缸最大容积时的位置；因此，该转子机存在2个上止点与2个下止点位置；电子控制单元(14)通过发出火花控制信号控制点火时刻不早于对应每个上止点前5°转子转角且不晚于对应每个上止点后10°转子转角，从而实现二冲程转子机的点火控制；
采用二次喷水控制燃烧，根据转子机运转工况的不同，将转速分为低于怠速转速、怠速转速至额定转速、额定转速至最高转速三个范围；当转子机转速低于额定转速时，不采用第一次水喷射；当转子机转速处于额定转速与最高转速之间时，电子控制单元(14)发出水喷嘴控制信号，分别控制第一水喷孔(1)与第二水喷孔(31)的开闭，开启时刻设置在对应上止点前20°转子转角，喷水持续期在5～15°转子转角范围内；
对于第二次水喷射，当转子机转速低于怠速转速时，不采用第二次水喷射；当转子机转速处于怠速转速与最高转速之间时，电子控制单元(14)发出水喷嘴控制信号，分别控制第一水喷孔(1)与第二水喷孔(31)的开闭，开启时刻设置在火花塞点火时刻后3～5°转子转角，第二次喷水持续期随转速的升高而成正比延长，持续期在10～30°转子转角范围内；
(3)尾气能量多次利用策略
转子机运转过程中的高温尾气经排气总管(18)流入能量回收装置(20)中，尾气依靠自身动能推动能量回收装置(20)中的机构做功，将动能转化为机械能；同时，能量回收装置(20)与偏心轴(24)相连接，将回收的能量传递给偏心轴；
通过能量回收装置(20)流出的尾气进一步经排气总管(18)流入换热器(17)高温端口，在换热器(17)内尾气将热量传递给低温水，吸收了尾气余热的低温水在低压水泵(16)的作用下泵入第二储水罐(13)，运转过程中，通过电子控制单元(14)的控制，第二储水罐(13)中的水经高压水泵(12)由水喷孔喷入燃烧室。
本发明的有益效果主要是：针对转子发动机运行时碳氢排放较高，氮氧化物控制难度大，纯氢氧燃料燃烧过于剧烈，尾气能量未利用等问题，本发明提供一种缸内喷水的纯氢氧燃料二冲程转子机及其控制方法。该发明中将传统四冲程转子机改进为二冲程转子机，有效提高了每循环做功次数与升功率等参数；同时该发明采用纯氢氧气作为燃料，并设计了喷水装置，在提高转子机动力性的同时有效控制燃烧剧烈程度，实现尾气零污染；本发明还通过对尾气能量的多次利用，进一步提高了整机能量利用率。
附图说明
图1.本发明的结构和工作原理
图1中：1第一水喷孔；2第一火花塞；3第一进气门；4第一阻燃阀；5第一电磁阀；6第一进气道；7混合罐；8氧气流量控制器；9氧气罐；10氢气流量控制器；11氢气罐；12高压水泵；13第二储水罐；14电控单元；15第一储水罐；16低压水泵；17换热器；18排气总管；19第二进气道；20能量回收装置；21第一排气道；22第一排气口；23缸体；24偏心轴；25转子；26第二排气口；27第二进气门；28第二阻燃阀；29第二电磁阀；30第二火花塞；31第二水喷孔；32第二排气道
a.第一水喷孔控制信号；b.第二电磁阀控制信号；c.第一火花塞控制信号；d.第二火花塞控制信号；e.第一电磁阀控制信号；f.氢气流量控制器控制信号；g.第二水喷孔控制信号；h.氧气流量控制信号
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所示，该装置包括转子机缸体(23)、偏心轴(24)、转子(25)，安装在转子机上的第一水喷孔(1)、第一火花塞(2)、第二水喷孔(31)、第二火花塞(30)，氢气罐(11)通过管路与氢气流量控制器(10)相连接，氧气罐(9)通过管路与氧气流量控制器(8)相连接，氢气与氧气在混合罐(7)中混合，混合气进入第一进气道(6)经过第一电磁阀(5)、第一阻燃阀(4)、第一进气门(3)进入燃烧室，同时混合气还可以通过第二进气道经第二电磁阀(29)、第二阻燃阀(28)、第二进气门(27)进入燃烧室，燃烧的尾气可以通过第一排气口(22)和第二排气口(26)分别经过第一排气道(21)和第二排气道(32)流入能量回收装置(20)，二次利用的尾气由排气总管(18)进入换热器(17)，第一储水罐(15)与低压水泵(16)经过管路与换热器(17)交互，再与第二储水罐(13)、高压水泵(12)相连接。
电子控制单元(14)通过导线分别与第一火花塞(2)、第二火花塞(30)相连，并分别发出第一火花控制信号(c)和第二火花控制信号(d)控制点火正时；
电子控制单元(14)通过导线分别与第一水喷孔(1)、第二水喷孔(31)相连，并分别发出第一水喷孔控制信号(a)和第二水喷孔控制信号(g)控制喷水正时和喷水脉宽；
电子控制单元(14)通过导线与氢气流量控制器(10)相连，并发出氢气流量控制器控制信号(f)控制流入到混合罐(7)的氢气质量流量；
电子控制单元(14)通过导线与氧气流量控制器(8)相连，并发出氧气流量控制器控制信号(h)控制流入到混合罐(7)的氧气质量流量；
电子控制单元(14)通过导线分别与第一电磁阀(5)、第二电磁阀(29)相连，并分别发出第一电磁阀控制信号(e)和第二电磁阀控制信号(b)控制第一电磁阀(5)、第二电磁阀(29)的开闭。
缸内喷水的纯氢氧燃料二冲程转子机包括以下控制过程：
包括纯氢氧燃料预混与供给策略、二冲程缸内喷水控制燃烧策略以及尾气能量多次利用策略；
(1)纯氢氧燃料预混与供给策略
该装置中氢气罐(11)和氧气罐(9)分别装有减压阀，在氢气与氧气燃料供给时保证氢气罐(11)和氧气罐(9)流出的燃料压力相等，防止氢气与氧气在混合罐(7)中混合时出现因压力不同而导致回流现象，并且保证从氢气罐(11)和氧气罐(9)输送至氢气流量控制器(10)与氧气流量控制器(8)的氢气与氧气压力在10～40bar范围内；转子机运转过程中，储存在氢气罐(11)和氧气罐(9)中的氢气与氧气以同等压力分别通过管路输送至氢气流量控制器(10)与氧气流量控制器(8)，电子控制单元(14)发出氢气流量控制器控制信号(f)控制流入到混合罐(7)的氢气质量流量为n，发出氧气流量控制器控制信号(h)控制流入到混合罐(7)的氧气质量流量为m；同时，电子控制单元(14)根据转子机运转转速不同调节混合气的理论氧氢比φmn，其中，理论氧氢比φmn定义为在纯氧气条件下使纯氢气能够完全燃烧时所消耗氧气量与氢气量的比值，满足条件：
Figure GDA0003579559730000061
转子机转速可分为低于怠速转速、怠速转速至额定转速、额定转速至最高转速几个阶段，当转子机转速低于怠速转速时，电子控制单元(14)发出氢气流量控制器控制信号(f)和氧气流量控制器控制信号(h)控制混合罐内混合气氧氢比维持在0.8～09；转速在怠速转速与额定转速之间时，控制混合罐内混合气氧氢比维持在1.1～1.3；转速在额定转速与最高转速之间时，控制混合罐内混合气氧氢比维持在0.9～1.1；电子控制单元(14)发出第一电磁阀控制信号(e)控制第一电磁阀(5)的开闭时刻与第一进气门(3)的开闭时刻相同，发出第二电磁阀控制信号(b)控制第二电磁阀(29)的开闭时刻与第二进气门(27)的开闭时刻相同；
(2)二冲程缸内喷水控制燃烧策略
该转子机相隔180°设置有两个火花塞，电子控制单元(14)判断转子经过上止点后，转子每转动一周内分别发出一次第一火花控制信号(c)和一次第二火花控制信号(d)，实现转子机以二冲程模式运转；其中，转子机上止点的定义是：转子处于气缸最小容积时的位置；下止点的定义是：转子处于气缸最大容积时的位置；因此，该转子机存在2个上止点与2个下止点位置；电子控制单元(14)通过发出火花控制信号控制点火时刻不早于对应每个上止点前5°转子转角且不晚于对应每个上止点后10°转子转角，从而实现二冲程转子机的点火控制；
采用二次喷水控制燃烧，根据转子机运转工况的不同，将转速分为低于怠速转速、怠速转速至额定转速、额定转速至最高转速三个范围；当转子机转速低于额定转速时，不采用第一次水喷射；当转子机转速处于额定转速与最高转速之间时，电子控制单元(14)发出水喷嘴控制信号，分别控制第一水喷孔(1)与第二水喷孔(31)的开闭，开启时刻设置在对应上止点前20°转子转角，喷水持续期在5～15°转子转角范围内；
对于第二次水喷射，当转子机转速低于怠速转速时，不采用第二次水喷射；当转子机转速处于怠速转速与最高转速之间时，电子控制单元(14)发出水喷嘴控制信号，分别控制第一水喷孔(1)与第二水喷孔(31)的开闭，开启时刻设置在火花塞点火时刻后3～5°转子转角，第二次喷水持续期随转速的升高而成正比延长，持续期在10～30°转子转角范围内；
(3)尾气能量多次利用策略
转子机运转过程中的高温尾气经排气总管(18)流入能量回收装置(20)中，尾气依靠自身动能推动能量回收装置(20)中的机构做功，将动能转化为机械能；同时，能量回收装置(20)与偏心轴(24)相连接，将回收的能量传递给偏心轴；
通过能量回收装置(20)流出的尾气进一步经排气总管(18)流入换热器(17)高温端口，在换热器(17)内尾气将热量传递给低温水，吸收了尾气余热的低温水在低压水泵(16)的作用下泵入第二储水罐(13)，运转过程中，通过电子控制单元(14)的控制，第二储水罐(13)中的水经高压水泵(12)由水喷孔喷入燃烧室。

Claims (1)

1.一种缸内喷水的纯氢氧燃料二冲程转子机的控制方法，其特征在于，该方法所用装置包括：转子机缸体(23)、偏心轴(24)、转子(25)，安装在转子机上的第一水喷孔(1)、第一火花塞(2)、第二水喷孔(31)、第二火花塞(30)，氢气罐(11)通过管路与氢气流量控制器(10)相连接，氧气罐(9)通过管路与氧气流量控制器(8)相连接，氢气与氧气在混合罐(7)中混合，混合气进入第一进气道(6)经过第一电磁阀(5)、第一阻燃阀(4)、第一进气门(3)进入燃烧室，同时混合气还通过第二进气道经第二电磁阀(29)、第二阻燃阀(28)、第二进气门(27)进入燃烧室，燃烧的尾气通过第一排气口(22)和第二排气口(26)分别经过第一排气道(21)和第二排气道(32)流入能量回收装置(20)，二次利用的尾气由排气总管(18)进入换热器(17)，第一储水罐(15)与低压水泵(16)经过管路与换热器(17)交互，再与第二储水罐(13)、高压水泵(12)相连接；
电子控制单元(14)通过导线分别与第一火花塞(2)、第二火花塞(30)相连，并分别发出第一火花控制信号(c)和第二火花控制信号(d)控制点火正时；
电子控制单元(14)通过导线分别与第一水喷孔(1)、第二水喷孔(31)相连，并分别发出第一水喷孔控制信号(a)和第二水喷孔控制信号(g)控制喷水正时和喷水脉宽；
电子控制单元(14)通过导线与氢气流量控制器(10)相连，并发出氢气流量控制器控制信号(f)控制流入到混合罐(7)的氢气质量流量；
电子控制单元(14)通过导线与氧气流量控制器(8)相连，并发出氧气流量控制器控制信号(h)控制流入到混合罐(7)的氧气质量流量；
电子控制单元(14)通过导线分别与第一电磁阀(5)、第二电磁阀(29)相连，并分别发出第一电磁阀控制信号(e)和第二电磁阀控制信号(b)控制第一电磁阀(5)、第二电磁阀(29)的开闭；
包括纯氢氧燃料预混与供给策略、二冲程缸内喷水控制燃烧策略以及尾气能量多次利用策略；
1)纯氢氧燃料预混与供给策略
该装置中氢气罐(11)和氧气罐(9)分别装有减压阀，在氢气与氧气燃料供给时保证氢气罐(11)和氧气罐(9)流出的燃料压力相等，防止氢气与氧气在混合罐(7)中混合时出现因压力不同而导致回流现象，并且保证从氢气罐(11)和氧气罐(9)输送至氢气流量控制器(10)与氧气流量控制器(8)的氢气与氧气压力在10～40bar范围内；转子机运转过程中，储存在氢气罐(11)和氧气罐(9)中的氢气与氧气以同等压力分别通过管路输送至氢气流量控制器(10)与氧气流量控制器(8)，电子控制单元(14)发出氢气流量控制器控制信号(f)控制流入到混合罐(7)的氢气质量流量为n，发出氧气流量控制器控制信号(h)控制流入到混合罐(7)的氧气质量流量为m；同时，电子控制单元(14)根据转子机运转转速不同调节混合气的理论氧氢比Φmn，其中，理论氧氢比Φmn定义为在纯氧气条件下使纯氢气能够完全燃烧时所消耗氧气量与氢气量的比值，满足条件：
Figure FDA0003579559720000021
转子机转速分为低于怠速转速、怠速转速至额定转速、额定转速至最高转速几个阶段，当转子机转速低于怠速转速时，电子控制单元(14)发出氢气流量控制器控制信号(f)和氧气流量控制器控制信号(h)控制混合罐内混合气氧氢比维持在0.8～0.9；转速在怠速转速与额定转速之间时，控制混合罐内混合气氧氢比维持在1.1～1.3；转速在额定转速与最高转速之间时，控制混合罐内混合气氧氢比维持在0.9～1.1；电子控制单元(14)发出第一电磁阀控制信号(e)控制第一电磁阀(5)的开闭时刻与第一进气门(3)的开闭时刻相同，发出第二电磁阀控制信号(b)控制第二电磁阀(29)的开闭时刻与第二进气门(27)的开闭时刻相同；
2)二冲程缸内喷水控制燃烧策略
该转子机相隔180°设置有两个火花塞，电子控制单元(14)判断转子经过上止点后，转子每转动一周内分别发出一次第一火花控制信号(c)和一次第二火花控制信号(d)，实现转子机以二冲程模式运转；其中，转子机上止点的定义是：转子处于气缸最小容积时的位置；下止点的定义是：转子处于气缸最大容积时的位置；因此，该转子机存在2个上止点与2个下止点位置；电子控制单元(14)通过发出火花控制信号控制点火时刻不早于对应每个上止点前5°转子转角且不晚于对应每个上止点后10°转子转角，从而实现二冲程转子机的点火控制；
采用二次喷水控制燃烧，根据转子机运转工况的不同，将转速分为低于怠速转速、怠速转速至额定转速、额定转速至最高转速三个范围；当转子机转速低于额定转速时，不采用第一次水喷射；当转子机转速处于额定转速与最高转速之间时，电子控制单元(14)发出水喷嘴控制信号，分别控制第一水喷孔(1)与第二水喷孔(31)的开闭，开启时刻设置在对应上止点前20°转子转角，喷水持续期在5～15°转子转角范围内；
对于第二次水喷射，当转子机转速低于怠速转速时，不采用第二次水喷射；当转子机转速处于怠速转速与最高转速之间时，电子控制单元(14)发出水喷嘴控制信号，分别控制第一水喷孔(1)与第二水喷孔(31)的开闭，开启时刻设置在火花塞点火时刻后3～5°转子转角，第二次喷水持续期随转速的升高而成正比延长，持续期在10～30°转子转角范围内；
3)尾气能量多次利用策略
转子机运转过程中的高温尾气经排气总管(18)流入能量回收装置(20)中，尾气依靠自身动能推动能量回收装置(20)中的机构做功，将动能转化为机械能；同时，能量回收装置(20)与偏心轴(24)相连接，将回收的能量传递给偏心轴；
通过能量回收装置(20)流出的尾气进一步经排气总管(18)流入换热器(17)高温端口，在换热器(17)内尾气将热量传递给低温水，吸收了尾气余热的低温水在低压水泵(16)的作用下泵入第二储水罐(13)，运转过程中，通过电子控制单元(14)的控制，第二储水罐(13)中的水经高压水泵(12)由水喷孔喷入燃烧室。
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