CN111997745B - 一种掺氮氢的汽油燃料转子机及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

一种掺氮氢的汽油燃料转子机及其控制方法属于内燃机领域，具体涉及一种根据转子发动机转速信号调节缸内氢气直喷量和进气道氮气喷射量的控制方法。该装置以转子机转速传感器输出信号为依据，判断转子机的运转工况，并结合节气门(S1)、汽油喷嘴(3)、氮气喷嘴(8)、氢气喷嘴(12)调节不同转速下不同燃料的喷射时刻和喷射量，合理调控混合气成分和过量空气系数，在中低转速保证转子发动机良好动力性的同时，有效降低HC、CO排放量，在高转速运行时显著遏制NOx的生成。

Description

一种掺氮氢的汽油燃料转子机及其控制方法
技术领域
本发明设计了一种掺氮氢的汽油燃料转子机及其控制方法，具体涉及一种根据转子发动机转速信号调节缸内氢气直喷量和进气道氮气喷射量的控制方法，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，然而转子机特殊的几何结构又使其缸内存在较多狭小区域，不完全燃烧现象严重，增加了淬熄效应，导致碳氢排放较高，并且在高转速、大负荷运行时排放效果差的问题突出。
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，并且氢气中不含碳元素，作为掺混燃料使用可以有效降低HC、CO的生成。氮气作为空气的主要成分方便易得，在混合气总体积不变的情况下，掺加的氮气会使进气中空气含量减少，导致氧气浓度的降低，从而抑制NOx的生成，而氢气的掺加又有助于解决氧气浓度不足导致的不完全燃烧问题。
为改善转子发动机的燃烧与排放特性，本发明提出一种根据转子发动机转速信号调节缸内氢气直喷量和进气道氮气喷射量的控制方法，通过合理调控混合气的成分和过量空气系数，在中低转速保证转子发动机良好动力性的同时，有效降低HC、CO排放量，在高转速运行时显著遏制NOx的生成。
发明内容
本发明的目的是实现一种掺氮氢的汽油燃料转子机及其控制方法，通过转子发动机的转速信号调节缸内氢气直喷量和进气道氮气喷射量，合理调控混合气成分和过量空气系数，在不同工况下保证转子发动机良好动力性的同时有效遏制尾气污染物的生成。
一种掺氮氢的汽油燃料转子机，其特征在于：包括：进气管路(P1)，其上依次有：空气滤清器(1)、节气门(S1)、空气体积流量传感器(2)、汽油喷射支路(P2)，其上依次有：汽油喷嘴(3)、汽油体积流量控制器(4)、油泵(5)、汽油滤清器(6)、汽油油箱(7)，汽油喷射后在进气道与空气混合形成混合气，氮气喷射支路(P3)，其上依次有：氮气喷嘴(8)、氮气体积流量控制器(9)、氮气减压阀(10)、氮气储存罐(11)，氮气喷射后在进气道与汽油和空气混合形成混合气；氢气喷射管路(P4)，其上依次有：氢气喷嘴(12)、阻燃阀(13)、氢气体积流量控制器(14)、氢气减压阀(15)、氢气储存罐(16)，氢气采用缸内直喷，在缸内直接与汽油混合气混合；火花塞(17)、转速传感器(18)、ECU(E)，ECU(E)与氮气体积流量控制器(9)有信号(a)交互、与汽油体积流量控制器(4)有信号(b)交互、与空气体积流量传感器(2)有信号(c)交互、与节气门(S1)有信号(d)交互、与汽油喷嘴(3)有信号(e)交互、与氮气喷嘴(8)有信号(f)交互、与转速传感器(18)有信号(g)交互、与火花塞(17)有信号(h)交互、与氢气体积流量控制器(14)有信号(i)交互、与氢气喷嘴(12)有信号(j)交互。
本发明采用如下技术方案：
转子发动机ECU(E)接收转速传感器(18)的转速(n)信号：
当n＝0变为n≠0后的两秒内，此时为起动阶段，采用汽油启动，ECU(E)输出信号，节气门(S1)打开，汽油经汽油喷射支路(P2)喷射到进气道当中，调节使起动阶段缸内燃料与氧化剂按照化学当量比燃烧；同时，ECU(E)分别输出信号(a)和(i)至氮气体积流量控制器(9)和氢气体积流量控制器(14)，使氢气和氮气体积流量为0；
当0＜n＜2000rpm时，此时为低转速阶段，采用掺氢燃烧，ECU(E)输出信号(a)至氮气体积流量控制器(9)，使氮气体积流量为0，同时输出信号(i)至氢气体积流量控制器(14)，打开氢气减压阀(15)保证氢气喷嘴(12)喷射的氢气体积流量为进气过程结束时刻缸内混合气总体积量的2％；由于氢气在压缩过程中直接喷入缸内，因此氢气喷射量不挤占进气过程中通过进气道进入的空气及汽油的体积，直喷喷入缸内的氢气量以进气过程结束时刻缸内混合气总体积量为基准；其中，氢气体积百分比
Figure BDA0002590845640000021
当2000≤n＜5000rpm时，此时为中转速阶段，采用掺氢燃烧，ECU(E)输出信号(a)至氮气体积流量控制器(9)，使氮气体积流量为0，同时输出信号(i)至氢气体积流量控制器(14)，保证氢气喷嘴(12)喷射的氢气体积流量为总混合气体积的4％；其中，氢气体积百分比
Figure BDA0002590845640000022
当5000≤n＜10000 rpm时，此时为高转速阶段，采用掺氢和掺氮燃烧，ECU(E)输出信号(i)至氢气体积流量控制器(14)，调节喷射的氢气体积流量为总混合气体积的4％；ECU(E)输出信号(a)至氮气体积流量控制器(9)，打开氮气减压阀(10)保证氮气喷嘴(18)喷射的氮气体积流量为总混合气体积的2％；其中，氢气体积百分比
Figure BDA0002590845640000031
氮气体积百分比
Figure BDA0002590845640000032
当n≥10000rpm时，此时转速过高，为保证安全性，采用汽油燃烧，ECU(E)分别输出信号(a)和(i)至氮气体积流量控制器(9)和氢气体积流量控制器(14)，使供给氢气和氮气体积流量为0。
本发明的有益效果主要是：针对转子发动机运行时不完全燃烧现象严重，导致碳氢排放较高，并且在高转速、大负荷运行时排放效果差的问题，采用根据转子机运转不同转速，选择性掺混氢气和氮气合理调控混合气的成分和过量空气系数的方法，在保证转子机良好动力性的同时，有效遏制尾气污染物的生成。
附图说明
图1.本发明的结构和工作原理
图1中：进气管路(P1)，其上依次有：空气滤清器(1)、节气门(S1)、空气体积流量传感器(2)、汽油喷射支路(P2)，其上依次有：汽油喷嘴(3)、汽油体积流量控制器(4)、油泵(5)、汽油滤清器(6)、汽油油箱(7)，氮气喷射支路(P3)，其上依次有：氮气喷嘴(8)、氮气体积流量控制器(9)、氮气减压阀(10)、氮气储存罐(11)；氢气喷射管路(P4)，其上依次有：氢气喷嘴(12)、阻燃阀(13)、氢气体积流量控制器(14)、氢气减压阀(15)、氢气储存罐(16)；火花塞(17)、转速信号传感器(18)、ECU(E)，ECU(E)与氮气体积流量控制器(9)有信号(a)交互、与汽油体积流量控制器(4)有信号(b)交互、与空气体积流量传感器(2)有信号(c)交互、与节气门(S1)有信号(d)交互、与汽油喷嘴(3)有信号(e)交互、与氮气喷嘴(8)有信号(f)交互、与转速传感器(18)有信号(g)交互、与火花塞(17)有信号(h)交互、与氢气体积流量控制器(14)有信号(i)交互、与氢气喷嘴(12)有信号(j)交互。
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：
转子发动机ECU(E)接收转速传感器(18)的转速(n)信号：
当n＝0变为n≠0后的两秒内，此时为起动阶段，采用汽油启动，ECU(E)输出信号，节气门(S1)打开，汽油经汽油喷射支路(P2)喷射到进气道当中，调节使起动阶段缸内燃料与氧化剂按照化学当量比燃烧；同时，ECU(E)分别输出信号(a)和(i)至氮气体积流量控制器(9)和氢气体积流量控制器(14)，使氢气和氮气体积流量为0；
当0＜n＜2000rpm时，此时为低转速阶段，采用掺氢燃烧，ECU(E)输出信号(a)至氮气体积流量控制器(9)，使氮气体积流量为0，同时输出信号(i)至氢气体积流量控制器(14)，打开氢气减压阀(15)保证氢气喷嘴(12)喷射的氢气体积流量为进气过程结束时刻缸内混合气总体积量的2％；由于氢气在压缩过程中直接喷入缸内，因此氢气喷射量不挤占进气过程中通过进气道进入的空气及汽油的体积，直喷喷入缸内的氢气量以进气过程结束时刻缸内混合气总体积量为基准；其中，氢气体积百分比
Figure BDA0002590845640000041
当2000≤n＜5000rpm时，此时为中转速阶段，采用掺氢燃烧，ECU(E)输出信号(a)至氮气体积流量控制器(9)，使氮气体积流量为0，同时输出信号(i)至氢气体积流量控制器(14)，保证氢气喷嘴(12)喷射的氢气体积流量为总混合气体积的4％；其中，氢气体积百分比
Figure BDA0002590845640000042
当5000≤n＜10000 rpm时，此时为高转速阶段，采用掺氢和掺氮燃烧，ECU(E)输出信号(i)至氢气体积流量控制器(14)，调节喷射的氢气体积流量为总混合气体积的4％；ECU(E)输出信号(a)至氮气体积流量控制器(9)，打开氮气减压阀(10)保证氮气喷嘴(18)喷射的氮气体积流量为总混合气体积的2％；其中，氢气体积百分比
Figure BDA0002590845640000043
氮气体积百分比
Figure BDA0002590845640000044
当n≥10000rpm时，此时转速过高，为保证安全性，采用汽油燃烧，ECU(E)分别输出信号(a)和(i)至氮气体积流量控制器(9)和氢气体积流量控制器(14)，使供给氢气和氮气体积流量为0。

Claims (1)

1.一种掺氮氢的汽油燃料转子机，包括：
进气管路(P1)，其上依次有：空气滤清器(1)、节气门(S1)、空气体积流量传感器(2)；
汽油喷射支路(P2)，其上依次有：汽油喷嘴(3)、汽油体积流量控制器(4)、油泵(5)、汽油滤清器(6)、汽油油箱(7)，汽油喷射后在进气道与空气混合形成混合气；
氮气喷射支路(P3)，其上依次有：氮气喷嘴(8)、氮气体积流量控制器(9)、氮气减压阀(10)、氮气储存罐(11)，氮气喷射后在进气道与汽油和空气混合形成混合气；
氢气喷射管路(P4)，其上依次有：氢气喷嘴(12)、阻燃阀(13)、氢气体积流量控制器(14)、氢气减压阀(15)、氢气储存罐(16)，氢气采用缸内直喷，在缸内直接与汽油混合气混合；
火花塞(17)、转速传感器(18)、ECU；
ECU与氮气体积流量控制器(9)有信号a交互、与汽油体积流量控制器(4)有信号b交互、与空气体积流量传感器(2)有信号c交互、与节气门有信号d交互、与汽油喷嘴(3)有信号e交互、与氮气喷嘴(8)有信号f交互、与转速传感器(18)有信号g交互、与火花塞(17)有信号h交互、与氢气体积流量控制器(14)有信号i交互、与氢气喷嘴(12)有信号j交互；
其特征在于控制方法如下：
转子发动机ECU接收转速传感器(18)的转速n信号：
当n＝0变为n≠0后的两秒内，此时为起动阶段，采用汽油启动，ECU输出信号，节气门打开，汽油经汽油喷射支路(P2)喷射到进气道当中，调节使起动阶段缸内燃料与氧化剂按照化学当量比燃烧；同时，ECU分别输出信号a和i至氮气体积流量控制器(9)和氢气体积流量控制器(14)，使氢气和氮气体积流量为0；
当0＜n＜2000rpm时，此时为低转速阶段，采用掺氢燃烧，ECU输出信号a至氮气体积流量控制器(9)，使氮气体积流量为0，同时输出信号i至氢气体积流量控制器(14)，打开氢气减压阀(15)保证氢气喷嘴(12)喷射的氢气体积流量为进气过程结束时刻缸内混合气总体积量的2％；由于氢气在压缩过程中直接喷入缸内，因此氢气喷射量不挤占进气过程中通过进气道进入的空气及汽油的体积，直喷喷入缸内的氢气量以进气过程结束时刻缸内混合气总体积量为基准；其中，氢气体积百分比
Figure FDA0003495997160000021
Figure FDA0003495997160000022
为燃烧室内氢气的体积，Vair为燃烧室内空气的体积，V汽油为燃烧室内汽油的体积；
当2000≤n＜5000rpm时，此时为中转速阶段，采用掺氢燃烧，ECU输出信号a至氮气体积流量控制器(9)，使氮气体积流量为0，同时输出信号i至氢气体积流量控制器(14)，保证氢气喷嘴(12)喷射的氢气体积流量为总混合气体积的4％；其中，氢气体积百分比
Figure FDA0003495997160000023
当5000≤n＜10000rpm时，此时为高转速阶段，采用掺氢和掺氮燃烧，ECU输出信号i至氢气体积流量控制器(14)，调节喷射的氢气体积流量为总混合气体积的4％；ECU输出信号a至氮气体积流量控制器(9)，打开氮气减压阀(10)保证氮气喷嘴(18)喷射的氮气体积流量为总混合气体积的2％；其中，氢气体积百分比
Figure FDA0003495997160000024
氮气体积百分比
Figure FDA0003495997160000025
Figure FDA0003495997160000026
为燃烧室内氮气的体积；
当n≥10000rpm时，此时转速过高，为保证安全性，采用汽油燃烧，ECU分别输出信号a和i至氮气体积流量控制器9和氢气体积流量控制器14，使供给氢气和氮气体积流量为0。
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