CN113187605B - 一种燃用溶氢燃料的高压缩比发动机及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种燃用溶氢燃料的高压缩比发动机及控制方法，具体内容涉及溶氢燃料在高压缩比发动机上的燃烧控制。该发动机在保留原有高压缩比发动机及其必要零件的基础上增加了一套氢气与液体燃料混合与供给系统及一套燃油喷射与燃烧控制系统。通过电子控制单元控制溶解于液体燃料的氢气量，在启动及中小负荷条件下利用溶氢燃料中氢气闪急沸腾促进液体燃料破碎及火焰周围高浓度分布改善高压缩比发动机的喷雾与燃烧特性。在大负荷条件下，通过降低溶氢比例充分保证发动机的动力性。本发明为实现高压缩比发动机的节能减排提供了有效技术方案。

Description

一种燃用溶氢燃料的高压缩比发动机及控制方法
技术领域
本发明提供一种燃用溶氢柴油的高压缩比发动机及控制方法，具体内容涉及溶氢燃料在高压缩比发动机上的燃烧控制。
背景技术
高压缩比发动机具有做功能力强、可靠性好等特点，在重载、矿车、船舶及军用动力源等领域具有不可替代的优势。掺氢是改善高压缩比发动机燃烧，提高效率、降低排放的有效技术。高压缩比发动机通常采用燃油喷射压燃的着火方式，向高压缩比发动机掺氢的主要目的在于提高预混着火的燃料比例，进而降低扩散燃烧所引起的颗粒物排放。掺氢还可改善燃料着火与燃烧过程的反应路径，促进燃料的完全、快速燃烧。
现有技术中，氢气多是通过喷嘴从进气道进入气缸。对于高压缩比发动机而言其一般具有单缸大排量的特点，气道喷氢所形成预混氢空混合气中的氢气浓度很低，难以在高压油束附近形成高浓度分布规律，从而削弱了氢气对高压缩比发动机燃料燃烧过程的改善效果。现有技术中另一种实现高压缩比发动机掺氢燃烧的方式是通过高压喷嘴将氢气直接喷入气缸。该方式下氢气和主燃料可以分别通过各自的喷嘴或同一环形喷嘴中的不同燃料喷射通道独立喷入燃烧室，从而提高氢气在油束附近的浓度，其对燃烧的改善效果优于气道喷氢方式。
然而，受制于缸内高压及燃烧产生的颗粒物，以及气体燃料自身极差的润滑性，单一高压气体燃料喷嘴的可靠性和寿命一直没有得到有效解决。而环形喷嘴的气体喷射与液体燃料喷射过程相互独立，通过该类喷嘴喷出的氢气虽然可以改善液体燃料的燃烧反应路径，但并不能有效改善液体燃料自身的雾化、蒸发与混合过程。
将气体在高压条件下溶解于液体形成溶气燃料已经被证明可以利用气体低临界压力特性促进液体燃料喷雾所形成的液滴破碎过程，从而大幅缩短液体燃料的蒸发与混合时间，改善雾化质量。将氢气在高压条件下快速溶解于主燃料形成溶氢燃料对于改善高压缩比发动机的雾化与燃烧具有重要意义，其关键在于优化溶氢燃料在高压缩比发动机中的燃烧过程。
发明内容
针对目前溶氢燃料在高压缩比发动机中应用的问题，本发明提供一种燃用溶氢燃料的高压缩比发动机及控制方法。本发明在高压缩比发动机本体的基础上增加了一套氢气供给、氢气与燃油混合装置、火花塞、节气门、电子控制单元及相关管路的方式，实现氢气与高压燃料在混合阀中预混，将预混后的含氢燃料通入高压泵使氢气在高压条件下溶解于柴油，并通过调整氢气掺入比例控制氢气溶解度，防止高压泵出口处的气阻现象，将在高压泵中所形成的溶氢燃料通入喷油器实现溶氢燃料在燃烧室内的喷雾和燃烧，从而通过溶氢燃料技术优化高压缩比发动机喷雾与燃烧过程。
为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：
一种燃用溶氢燃料的高压缩比发动机,包括高压缩比发动机1，高压缩比发动机1本体上所安装的喷油器14及与喷油器14入口相连接的高压泵13，其特征在于增加了一套氢气与液体燃料混合与供给系统及一套燃油喷射与燃烧控制系统；
所述氢气与液体燃料混合与供给系统包括安装在高压泵13上的气液混合阀12，安装在液体燃料箱3上的供油口4通过管路与燃油流量计17相连接，燃油流量计与气液混合阀12之间通过管路连接，连接氢气瓶2与气液混合阀12的管路上依次安装有减压器6，氢气线性电磁阀9，高压泵入口氢气单向阀10及氢气流量计11，液体燃料箱3上方装有油箱入口氢气单向阀5，油箱入口氢气单向阀5通过管路连接在减压器6的出口位置；
所述燃油喷射与燃烧控制系统包括安装在高压缩比发动机1本体进气道上的节气门8及进气温度与流量传感器7，安装在高压缩比发动机1本体上的火花塞15，以及电子控制单元16；
所述电子控制单元16通过读取高压缩比发动机原有电控单元数据的方式或者直接连接相应传感器的方式获得高压缩比发动机本体传感器所提供的踏板位置信号m，转速信号n，发动机启动信号g，发动机冷却液温度信号t及原机燃料喷射信号u；
所述电子控制单元16通过导线与氢气线性电磁阀9相连接，通过发出氢气电磁阀控制信号a控制氢气线性电磁阀9的开启位置，进而控制自氢气瓶2进入气液混合阀12的氢气流量；
所述电子控制单元16通过导线与燃油流量计17相连接，并通过获得燃油流量信号b得到进入气液混合阀12的液体燃料流量；
所述电子控制单元16通过导线与进气温度与流量传感器7相连接，并通过获得进气温度与流量信号c得到进入发动机的空气温度与流量；
所述电子控制单元16通过导线与氢气流量计11相连接，并通过获得氢气流量信号d得到进入气液混合阀12的氢气流量；
所述电子控制单元16通过导线与节气门8相连接，通过发出节气门开度控制信号e控制节气门8的开启位置，进而控制进入发动机的空气流量；
所述液体燃料箱3内装有高压缩比发动机所使用的液体燃料，包括柴油、生物柴油及柴油表征燃料；
所述高压缩比发动机1的压缩比不小于16.0；
所述减压器6的出口压力不低于10MPa；
所述减压器6连接至油箱氢气入口单向阀5的管路设计与连接减压器6至气液混合阀12的管路设计应保证进入气液混合阀12的氢气压力与液体燃料压力相等；
所述高压泵13安装在高压缩比发动机1上，由凸轮轴驱动，从高压泵13出口进入喷油器14的燃料压力不低于120MPa。
本发明中一种燃用溶氢燃料的高压缩比发动机的控制方法如下：
电子控制单元16中预先输入15℃环境温度条件下且在高压泵13所提供的出口压力条件下氢气在所用液体燃料中的最大溶解度FstH，为避免气阻现象的产生，电子控制单元16所控制的最大可用氢气溶解度FmH为85％FstH，电子控制单元16根据燃油流量信号b获得液体燃料流量ML(量纲：mol/s)，根据氢气流量信号d获得氢气流量MH(量纲：mol/s)，进而根据公式1计算得到实际氢气溶解度FacH，
FacH＝MH/(MH+ML) 公式1
电子控制单元16通过发出氢气电磁阀控制信号a控制氢气线性电磁阀9的开度调整氢气流量，并使FacH始终不大于FmH；
电子控制单元16根据原机燃料喷射信号u获得原机液体燃料喷射相位TYL及喷射脉宽DYL，通过发出燃料喷射控制信号g控制喷油器14的实际溶氢燃料喷射相位TAF和实际溶氢燃料喷射脉宽DAF；
一种燃用溶氢燃料的高压缩比发动机根据工况不同分为启动过程控制、低负荷控制、中负荷控制及高负荷控制四种并列的控制模式，为了清晰表达四种不同模式，对以下每种模式的说明采用标号(1)、(2)、(3)、(4)的方式标记，具体为：
(1)发动机启动过程控制
电子控制单元16收到发动机启动信号s后，进一步获得发动机冷却液温度信号t，并根据发动机冷却液温度判断发动机所处启动条件，当发动机冷却液温度小于0℃时，电子控制单元16判定发动机处于超低温启动状态，此时，电子控制单元16通过发出氢气电磁阀控制信号a使通过氢气线性电磁阀9进入气液混合阀12的氢气溶解度FacH与FmH相等，并通过发出点火信号f使火花塞15在上止点前10°曲轴转角点火，连续点火100个循环后电子控制单元停止发出点过信号f使火花塞15停止点火，通过发出燃料喷射控制信号g控制喷油器14的实际溶氢燃料喷射相位TAF与原机液体燃料喷射相位TYL相同，实际溶氢燃料喷射脉宽DAF不大于0.8DYL，电子控制单元16通过发出节气门开度控制信号e使节气门8的开度为10°，此时发动机处于超低温冷启动模式，通过使用最大氢气溶解度有效利用氢气在喷雾过程的闪急沸腾现象促进液体燃料破碎，并通过火花塞稳定点燃缸内混合气，保证超低温启动稳定；
当电子控制单元16收到的发动机冷却液温度大于或者等于0℃且小于40℃时，电子控制单元判定发动机处于常温启动状态，电子控制单元16通过发出氢气电磁阀控制信号a使通过氢气线性电磁阀9进入气液混合阀12的氢气溶解度FacH等于0.8FmH，并通过发出点火信号f使火花塞15在上止点前5°曲轴转角点火，连续点火50个循环后电子控制单元停止发出点过信号f使火花塞15停止点火，通过发出燃料喷射控制信号g控制喷油器14的实际溶氢燃料喷射相位TAF与原机液体燃料喷射相位TYL相同，实际溶氢燃料喷射脉宽DAF不大于0.6DYL，电子控制单元16通过发出节气门开度控制信号e使节气门8的开度为15°，此时发动机处于常温启动模式，通过火花塞辅助点火保证发动机稳定起动，并减少火花塞辅助时间以避免缸内温升导致的压升率过高；
当电子控制单元16收到的发动机冷却液温度大于或者等于40℃时，电子控制单元判定发动机处于热机启动状态，电子控制单元16通过发出氢气电磁阀控制信号a使通过氢气线性电磁阀9进入气液混合阀12的氢气溶解度FacH等于0.6FmH，并通过停止发出点火信号f使火花塞15停止点火，通过发出燃料喷射控制信号g控制喷油器14的实际溶氢燃料喷射相位TAF与原机液体燃料喷射相位TYL相同，实际溶氢燃料喷射脉宽DAF不大于0.6DYL，电子控制单元16通过发出节气门开度控制信号e使节气门8的开度为45°，此时发动机处于热机启动模式，发动机以溶氢燃料扩散燃烧方式启动；
(2)低负荷控制策略
电子控制单元16根据踏板位置信号m判定负荷率，当负荷率小于20％时，电子控制单元16判定发动机工作在低负荷状态，此时电子控制单元16通过发出氢气电磁阀控制信号a使通过氢气线性电磁阀9进入气液混合阀12的氢气溶解度FacH等于0.6FmH，通过停止发出点火信号f使火花塞15停止点火，通过发出燃料喷射控制信号g控制喷油器14的实际溶氢燃料喷射相位TAF与原机液体燃料喷射相位TYL相同，实际溶氢燃料喷射脉宽DAF不小于0.7DYL，电子控制单元16通过发出节气门开度控制信号e使节气门8的开度不低于45°；
(3)中负荷控制策略
电子控制单元16根据踏板位置信号m判定负荷率，当负荷率大于或者等于20％并且小于70％时，电子控制单元16判定发动机工作在中等负荷状态，此时电子控制单元16通过发出氢气电磁阀控制信号a使通过氢气线性电磁阀9进入气液混合阀12的氢气溶解度FacH不大于0.5FmH且不小于0.3FmH，FacH随负荷的增加而降低，通过停止发出点火信号f使火花塞15停止点火，通过发出燃料喷射控制信号g控制喷油器14的实际溶氢燃料喷射相位TAF与原机液体燃料喷射相位TYL相同，实际溶氢燃料喷射脉宽DAF不小于0.8DYL，电子控制单元16通过发出节气门开度控制信号e使节气门8处于全开状态；
(4)低负荷控制策略
电子控制单元16根据踏板位置信号m判定负荷率，当负荷率大于或者等于70％时，电子控制单元16判定发动机工作在大负荷状态，此时电子控制单元16通过发出氢气电磁阀控制信号a使通过氢气线性电磁阀9进入气液混合阀12的氢气溶解度FacH不大于0.3FmH且随负荷率的增加而降低，在负荷率为100％时的FacH等于0，通过停止发出点火信号f使火花塞15停止点火，通过发出燃料喷射控制信号g控制喷油器14的实际溶氢燃料喷射相位TAF与原机液体燃料喷射相位TYL相同，实际溶氢燃料喷射脉宽DAF与DYL相等，电子控制单元16通过发出节气门开度控制信号e使节气门8处于全开状态。
本发明的有益效果是：针对现有掺氢高压缩比发动机存在的氢气利用效率低，对燃烧改善效果不佳以及难以改善燃料雾化品质的问题，本发明提供一种燃用溶氢燃料的高压缩比发动机及控制方法。该发动机在保留原有高压缩比发动机及其必要零件的基础上增加了一套氢气与液体燃料混合与供给系统及一套燃油喷射与燃烧控制系统。通过电子控制单元控制溶解于液体燃料的氢气量，并根据工况调整实际溶氢燃料中氢气的溶解度，在启动及中小负荷条件下利用溶氢燃料中氢气闪急沸腾促进液体燃料破碎及高浓度分布于扩散火焰周围的特点从物理与化学双维度改善高压缩比发动机的喷雾与燃烧特性。通过辅助安装火花塞与节气门，调整启动及小负荷条件下缸内燃料的着火模式与进气量，通过稳定的点燃模式在超低温及常温条件下促进发动机启动稳定性的改善，通过控制进气量调整参与预混燃料的燃料比例及缸内混合气温度。在大负荷条件下，通过降低溶氢比例充分保证发动机的动力性。本发明为实现高压缩比发动机的节能减排提供了有效技术方案。
附图说明
图1本发明的结构和工作原理图
图中：1高压缩比发动机；2氢气瓶；3液体燃料箱；4供油口；5油箱氢气入口单向阀；6减压器；7进气温度与流量传感器；8节气门；9氢气线性电磁阀；10高压泵入口氢气单向阀；11氢气流量计；12气液混合阀；13高压泵；14喷油器；15火花塞；16电子控制单元；17燃油流量计
a.氢气电磁阀控制信号；b.燃油流量信号；c.进气温度与流量信号；d.氢气流量信号；e.节气门开度控制信号；f.点火信号；g.燃料喷射控制信号；m.踏板位置信号；n.转速信号；s.发动机启动信号；t.发动机冷却液温度信号；u.原机燃料喷射信号
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
如图1所示，本实施例中的一种燃用溶氢燃料的高压缩比发动机,包括高压缩比发动机1，高压缩比发动机1本体上所安装的喷油器14及与喷油器14入口相连接的高压泵13，其特征在于增加了一套氢气与液体燃料混合与供给系统及一套燃油喷射与燃烧控制系统；
所述氢气与液体燃料混合与供给系统包括安装在高压泵13上的气液混合阀12，安装在液体燃料箱3上的供油口4通过管路与燃油流量计17相连接，燃油流量计与气液混合阀12之间通过管路连接，连接氢气瓶2与气液混合阀12的管路上依次安装有减压器6，氢气线性电磁阀9，高压泵入口氢气单向阀10及氢气流量计11，液体燃料箱3上方装有油箱入口氢气单向阀5，油箱入口氢气单向阀5通过管路连接在减压器6的出口位置；
所述燃油喷射与燃烧控制系统包括安装在高压缩比发动机1本体进气道上的节气门8及进气温度与流量传感器7，安装在高压缩比发动机1本体上的火花塞15，以及电子控制单元16；
所述电子控制单元16通过读取高压缩比发动机原有电控单元数据的方式或者直接连接相应传感器的方式获得高压缩比发动机本体传感器所提供的踏板位置信号m，转速信号n，发动机启动信号g，发动机冷却液温度信号t及原机燃料喷射信号u；
所述电子控制单元16通过导线与氢气线性电磁阀9相连接，通过发出氢气电磁阀控制信号a控制氢气线性电磁阀9的开启位置，进而控制自氢气瓶2进入气液混合阀12的氢气流量；
所述电子控制单元16通过导线与燃油流量计17相连接，并通过获得燃油流量信号b得到进入气液混合阀12的液体燃料流量；
所述电子控制单元16通过导线与进气温度与流量传感器7相连接，并通过获得进气温度与流量信号c得到进入发动机的空气温度与流量；
所述电子控制单元16通过导线与氢气流量计11相连接，并通过获得氢气流量信号d得到进入气液混合阀12的氢气流量；
所述电子控制单元16通过导线与节气门8相连接，通过发出节气门开度控制信号e控制节气门8的开启位置，进而控制进入发动机的空气流量；
所述液体燃料箱3内装有高压缩比发动机所使用的液体燃料，包括柴油、生物柴油及柴油表征燃料；
所述高压缩比发动机1的压缩比不小于16.0；
所述减压器6的出口压力不低于10MPa；
所述减压器6连接至油箱氢气入口单向阀5的管路设计与连接减压器6至气液混合阀12的管路设计应保证进入气液混合阀12的氢气压力与液体燃料压力相等；
所述高压泵13安装在高压缩比发动机1上，由凸轮轴驱动，从高压泵13出口进入喷油器14的燃料压力不低于120MPa。
本发明中一种燃用溶氢燃料的高压缩比发动机的控制方法如下：
电子控制单元16中预先输入15℃环境温度条件下且在高压泵13所提供的出口压力条件下氢气在所用液体燃料中的最大溶解度FstH，为避免气阻现象的产生，电子控制单元16所控制的最大可用氢气溶解度FmH为85％FstH，电子控制单元16根据燃油流量信号b获得液体燃料流量ML(量纲：mol/s)，根据氢气流量信号d获得氢气流量MH(量纲：mol/s)，进而根据公式1计算得到实际氢气溶解度FacH，
FacH＝MH/(MH+ML) 公式1
电子控制单元16通过发出氢气电磁阀控制信号a控制氢气线性电磁阀9的开度调整氢气流量，并使FacH始终不大于FmH；
电子控制单元16根据原机燃料喷射信号u获得原机液体燃料喷射相位TYL及喷射脉宽DYL，通过发出燃料喷射控制信号g控制喷油器14的实际溶氢燃料喷射相位TAF和实际溶氢燃料喷射脉宽DAF；
一种燃用溶氢燃料的高压缩比发动机根据工况不同分为启动过程控制、低负荷控制、中负荷控制及高负荷控制四种控制模式，具体为：
(1)发动机启动过程控制
电子控制单元16收到发动机启动信号s后，进一步获得发动机冷却液温度信号t，并根据发动机冷却液温度判断发动机所处启动条件，当发动机冷却液温度小于0℃时，电子控制单元16判定发动机处于超低温启动状态，此时，电子控制单元16通过发出氢气电磁阀控制信号a使通过氢气线性电磁阀9进入气液混合阀12的氢气溶解度FacH与FmH相等，并通过发出点火信号f使火花塞15在上止点前10°曲轴转角点火，连续点火100个循环后电子控制单元停止发出点过信号f使火花塞15停止点火，通过发出燃料喷射控制信号g控制喷油器14的实际溶氢燃料喷射相位TAF与原机液体燃料喷射相位TYL相同，实际溶氢燃料喷射脉宽DAF不大于0.8DYL，电子控制单元16通过发出节气门开度控制信号e使节气门8的开度为10°，此时发动机处于超低温冷启动模式，通过使用最大氢气溶解度有效利用氢气在喷雾过程的闪急沸腾现象促进液体燃料破碎，并通过火花塞稳定点燃缸内混合气，保证超低温启动稳定；
当电子控制单元16收到的发动机冷却液温度大于或者等于0℃且小于40℃时，电子控制单元判定发动机处于常温启动状态，电子控制单元16通过发出氢气电磁阀控制信号a使通过氢气线性电磁阀9进入气液混合阀12的氢气溶解度FacH等于0.8FmH，并通过发出点火信号f使火花塞15在上止点前5°曲轴转角点火，连续点火50个循环后电子控制单元停止发出点过信号f使火花塞15停止点火，通过发出燃料喷射控制信号g控制喷油器14的实际溶氢燃料喷射相位TAF与原机液体燃料喷射相位TYL相同，实际溶氢燃料喷射脉宽DAF不大于0.6DYL，电子控制单元16通过发出节气门开度控制信号e使节气门8的开度为15°，此时发动机处于常温启动模式，通过火花塞辅助点火保证发动机稳定起动，并减少火花塞辅助时间以避免缸内温升导致的压升率过高；
当电子控制单元16收到的发动机冷却液温度大于或者等于40℃时，电子控制单元判定发动机处于热机启动状态，电子控制单元16通过发出氢气电磁阀控制信号a使通过氢气线性电磁阀9进入气液混合阀12的氢气溶解度FacH等于0.6FmH，并通过停止发出点火信号f使火花塞15停止点火，通过发出燃料喷射控制信号g控制喷油器14的实际溶氢燃料喷射相位TAF与原机液体燃料喷射相位TYL相同，实际溶氢燃料喷射脉宽DAF不大于0.6DYL，电子控制单元16通过发出节气门开度控制信号e使节气门8的开度为45°，此时发动机处于热机启动模式，发动机以溶氢燃料扩散燃烧方式启动；
(2)低负荷控制策略
电子控制单元16根据踏板位置信号m判定负荷率，当负荷率小于20％时，电子控制单元16判定发动机工作在低负荷状态，此时电子控制单元16通过发出氢气电磁阀控制信号a使通过氢气线性电磁阀9进入气液混合阀12的氢气溶解度FacH等于0.6FmH，通过停止发出点火信号f使火花塞15停止点火，通过发出燃料喷射控制信号g控制喷油器14的实际溶氢燃料喷射相位TAF与原机液体燃料喷射相位TYL相同，实际溶氢燃料喷射脉宽DAF不小于0.7DYL，电子控制单元16通过发出节气门开度控制信号e使节气门8的开度不低于45°；
(3)中负荷控制策略
电子控制单元16根据踏板位置信号m判定负荷率，当负荷率大于或者等于20％并且小于70％时，电子控制单元16判定发动机工作在中等负荷状态，此时电子控制单元16通过发出氢气电磁阀控制信号a使通过氢气线性电磁阀9进入气液混合阀12的氢气溶解度FacH不大于0.5FmH且不小于0.3FmH，FacH随负荷的增加而降低，通过停止发出点火信号f使火花塞15停止点火，通过发出燃料喷射控制信号g控制喷油器14的实际溶氢燃料喷射相位TAF与原机液体燃料喷射相位TYL相同，实际溶氢燃料喷射脉宽DAF不小于0.8DYL，电子控制单元16通过发出节气门开度控制信号e使节气门8处于全开状态；
(4)高负荷控制策略
电子控制单元16根据踏板位置信号m判定负荷率，当负荷率大于或者等于70％时，电子控制单元16判定发动机工作在大负荷状态，此时电子控制单元16通过发出氢气电磁阀控制信号a使通过氢气线性电磁阀9进入气液混合阀12的氢气溶解度FacH不大于0.3FmH且随负荷率的增加而降低，在负荷率为100％时的FacH等于0，通过停止发出点火信号f使火花塞15停止点火，通过发出燃料喷射控制信号g控制喷油器14的实际溶氢燃料喷射相位TAF与原机液体燃料喷射相位TYL相同，实际溶氢燃料喷射脉宽DAF与DYL相等，电子控制单元16通过发出节气门开度控制信号e使节气门8处于全开状态。
本实施例对各种工况进行了如下实验：
实验所用高压缩比发动机按照图1所示改造成燃用溶氢燃料的高压缩比发动机。实验时所使用的燃料为柴油。发动机启动试验在实验室温度为23℃条件下进行，发动机不同负荷的实验在转速为1200rpm条件下进行。为对比溶氢燃料的燃烧效果，实验前首先在同样的工况下对未做任何动的高压缩比柴油机进行了测试，以便比较相关结果。
(1)启动实验
电子控制单元16收到的发动机冷却液温度为23℃，由此判定发动机处于常温启动状态，电子控制单元16通过发出氢气电磁阀控制信号a使通过氢气线性电磁阀9进入气液混合阀12的氢气溶解度FacH等于0.8FmH，并通过发出点火信号f使火花塞15在上止点前5°曲轴转角点火，连续点火50个循环后电子控制单元停止发出点过信号f使火花塞15停止点火，通过发出燃料喷射控制信号g控制喷油器14的实际溶氢燃料喷射相位TAF与原机液体燃料喷射相位TYL相同，实际溶氢燃料喷射脉宽DAF为0.52DYL，电子控制单元16通过发出节气门开度控制信号e使节气门8的开度为15°，此时测得发动机自首循环喷油开始的前100个连续循环内，HC、CO和PM排放较原机在同等条件下分别降低32.3％、19.6％和37.9％；
(2)低负荷实验
电子控制单元16根据踏板位置信号m得到发动机实际负荷率为15.3％，判定发动机工作在低负荷状态，此时电子控制单元16通过发出氢气电磁阀控制信号a使通过氢气线性电磁阀9进入气液混合阀12的氢气溶解度FacH等于0.6FmH，通过停止发出点火信号f使火花塞15停止点火，通过发出燃料喷射控制信号g控制喷油器14的实际溶氢燃料喷射相位TAF与原机液体燃料喷射相位TYL相同，实际溶氢燃料喷射脉宽DAF为0.58DYL，电子控制单元16通过发出节气门开度控制信号e使节气门8的开度为41.4°，该工况下测得发动机有效热效率较原机相对提高17.5％，HC、CO和PM排放较原机在同等条件下分别降低27.6％、12.2％和28.4％；
(3)中负荷实验
电子控制单元16根据踏板位置信号m得到发动机负荷率为50.2％，判定发动机工作在中等负荷状态，此时电子控制单元16通过发出氢气电磁阀控制信号a使通过氢气线性电磁阀9进入气液混合阀12的氢气溶解度FacH为0.40FmH，通过停止发出点火信号f使火花塞15停止点火，通过发出燃料喷射控制信号g控制喷油器14的实际溶氢燃料喷射相位TAF与原机液体燃料喷射相位TYL相同，实际溶氢燃料喷射脉宽DAF为0.75DYL，电子控制单元16通过发出节气门开度控制信号e使节气门8处于全开状态，该工况下测得发动机有效热效率较原机相对提高12.1％，HC、CO和PM排放较原机在同等条件下分别降低13.0％、7.2％和24.7％；
(4)高负荷实验
电子控制单元16根据踏板位置信号m得到负荷率为79.6％，判定发动机工作在大负荷状态，此时电子控制单元16通过发出氢气电磁阀控制信号a使通过氢气线性电磁阀9进入气液混合阀12的氢气溶解度FacH为0.17FmH，通过停止发出点火信号f使火花塞15停止点火，通过发出燃料喷射控制信号g控制喷油器14的实际溶氢燃料喷射相位TAF与原机液体燃料喷射相位TYL相同，实际溶氢燃料喷射脉宽DAF与DYL相等，电子控制单元16通过发出节气门开度控制信号e使节气门8处于全开状态，该工况下测得发动机有效热效率较原机相对提高7.7％，HC、CO和PM排放较原机在同等条件下分别降低9.8％、8.1％和27.0％。

Claims (1)

1.一种燃用溶氢燃料的高压缩比发动机,包括高压缩比发动机(1)，高压缩比发动机(1)本体上所安装的喷油器(14)及与喷油器(14)入口相连接的高压泵(13)，增加了一套氢气与液体燃料混合与供给系统及一套燃油喷射与燃烧控制系统；
所述氢气与液体燃料混合与供给系统包括安装在高压泵(13)上的气液混合阀(12)，安装在液体燃料箱(3)上的供油口(4)通过管路与燃油流量计(17)相连接，燃油流量计与气液混合阀(12)之间通过管路连接，连接氢气瓶(2)与气液混合阀(12)的管路上依次安装有减压器(6)，氢气线性电磁阀(9)，高压泵入口氢气单向阀(10)及氢气流量计(11)，液体燃料箱(3)上方装有油箱入口氢气单向阀(5)，油箱入口氢气单向阀(5)通过管路连接在减压器(6)的出口位置；
所述燃油喷射与燃烧控制系统包括安装在高压缩比发动机(1)本体进气道上的节气门(8)及进气温度与流量传感器(7)，安装在高压缩比发动机(1)本体上的火花塞(15)，以及电子控制单元(16)；
所述电子控制单元(16)通过读取高压缩比发动机原有电控单元数据的方式或者直接连接相应传感器的方式获得高压缩比发动机本体传感器所提供的踏板位置信号(m)，转速信号(n)，发动机启动信号(g)，发动机冷却液温度信号(t)及原机燃料喷射信号(u)；
所述电子控制单元(16)通过导线与氢气线性电磁阀(9)相连接，通过发出氢气电磁阀控制信号(a)控制氢气线性电磁阀(9)的开启位置，进而控制自氢气瓶(2)进入气液混合阀(12)的氢气流量；
所述电子控制单元(16)通过导线与燃油流量计(17)相连接，并通过获得燃油流量信号(b)得到进入气液混合阀(12)的液体燃料流量；
所述电子控制单元(16)通过导线与进气温度与流量传感器(7)相连接，并通过获得进气温度与流量信号(c)得到进入发动机的空气温度与流量；
所述电子控制单元(16)通过导线与氢气流量计(11)相连接，并通过获得氢气流量信号(d)得到进入气液混合阀(12)的氢气流量；
所述电子控制单元(16)通过导线与节气门(8)相连接，通过发出节气门开度控制信号(e)控制节气门(8)的开启位置，进而控制进入发动机的空气流量；
所述液体燃料箱(3)内装有高压缩比发动机所使用的液体燃料，包括柴油、生物柴油及柴油表征燃料；
所述高压缩比发动机(1)的压缩比不小于16.0；
所述减压器(6)的出口压力不低于10MPa；
所述减压器(6)连接至油箱氢气入口单向阀(5)的管路设计与连接减压器(6)至气液混合阀(12)的管路设计应保证进入气液混合阀(12)的氢气压力与液体燃料压力相等；
所述高压泵(13)安装在高压缩比发动机(1)上，由凸轮轴驱动，从高压泵(13)出口进入喷油器(14)的燃料压力不低于120MPa；
其特征在于：
电子控制单元(16)中预先输入15℃环境温度条件下且在高压泵(13)所提供的出口压力条件下氢气在所用液体燃料中的最大溶解度FstH，为避免气阻现象的产生，电子控制单元16所控制的最大可用氢气溶解度FmH为85％FstH，电子控制单元(16)根据燃油流量信号(b)获得液体燃料流量ML，根据氢气流量信号(d)获得氢气流量MH，进而根据公式1计算得到实际氢气溶解度FacH，
FacH＝MH/(MH+ML) 公式1
电子控制单元(16)通过发出氢气电磁阀控制信号(a)控制氢气线性电磁阀(9)的开度调整氢气流量，并使FacH始终不大于FmH；
电子控制单元(16)根据原机燃料喷射信号(u)获得原机液体燃料喷射相位TYL及喷射脉宽DYL，通过发出燃料喷射控制信号(g)控制喷油器(14)的实际溶氢燃料喷射相位TAF和实际溶氢燃料喷射脉宽DAF；
一种燃用溶氢燃料的高压缩比发动机根据工况不同分为启动过程控制、低负荷控制、中负荷控制及高负荷控制四种并列的控制模式，表达四种不同模式，对以下每种模式的说明采用标号(1)、(2)、(3)、(4)的方式标记，具体为：
(1)发动机启动过程控制
电子控制单元(16)收到发动机启动信号(s)后，进一步获得发动机冷却液温度信号(t)，并根据发动机冷却液温度判断发动机所处启动条件，当发动机冷却液温度小于0℃时，电子控制单元(16)判定发动机处于超低温启动状态，此时，电子控制单元(16)通过发出氢气电磁阀控制信号(a)使通过氢气线性电磁阀(9)进入气液混合阀(12)的氢气溶解度FacH与FmH相等，并通过发出点火信号(f)使火花塞(15)在上止点前10°曲轴转角点火，连续点火100个循环后电子控制单元停止发出点过信号(f)使火花塞(15)停止点火，通过发出燃料喷射控制信号(g)控制喷油器(14)的实际溶氢燃料喷射相位TAF与原机液体燃料喷射相位TYL相同，实际溶氢燃料喷射脉宽DAF不大于0.8DYL，电子控制单元(16)通过发出节气门开度控制信号(e)使节气门(8)的开度为10°，此时发动机处于超低温冷启动模式，通过使用最大氢气溶解度有效利用氢气在喷雾过程的闪急沸腾现象促进液体燃料破碎，并通过火花塞稳定点燃缸内混合气，保证超低温启动稳定；
当电子控制单元(16)收到的发动机冷却液温度大于或者等于0℃且小于40℃时，电子控制单元(16)判定发动机处于常温启动状态，电子控制单元(16)通过发出氢气电磁阀控制信号(a)使通过氢气线性电磁阀(9)进入气液混合阀(12)的氢气溶解度FacH等于0.8FmH，并通过发出点火信号(f)使火花塞(15)在上止点前5°曲轴转角点火，连续点火50个循环后电子控制单元停止发出点过信号(f)使火花塞(15)停止点火，通过发出燃料喷射控制信号(g)控制喷油器(14)的实际溶氢燃料喷射相位TAF与原机液体燃料喷射相位TYL相同，实际溶氢燃料喷射脉宽DAF不大于0.6DYL，电子控制单元(16)通过发出节气门开度控制信号(e)使节气门(8)的开度为15°，此时发动机处于常温启动模式，通过火花塞辅助点火保证发动机稳定起动，并减少火花塞辅助时间以避免缸内温升导致的压升率过高；
当电子控制单元(16)收到的发动机冷却液温度大于或者等于40℃时，电子控制单元判定发动机处于热机启动状态，电子控制单元(16)通过发出氢气电磁阀控制信号(a)使通过氢气线性电磁阀(9)进入气液混合阀(12)的氢气溶解度FacH等于0.6FmH，并通过停止发出点火信号(f)使火花塞(15)停止点火，通过发出燃料喷射控制信号(g)控制喷油器(14)的实际溶氢燃料喷射相位TAF与原机液体燃料喷射相位TYL相同，实际溶氢燃料喷射脉宽DAF不大于0.6DYL，电子控制单元(16)通过发出节气门开度控制信号(e)使节气门(8)的开度为45°，此时发动机处于热机启动模式，发动机以溶氢燃料扩散燃烧方式启动；
(2)低负荷控制策略
电子控制单元(16)根据踏板位置信号(m)判定负荷率，当负荷率小于20％时，电子控制单元(16)判定发动机工作在低负荷状态，此时电子控制单元(16)通过发出氢气电磁阀控制信号(a)使通过氢气线性电磁阀(9)进入气液混合阀(12)的氢气溶解度FacH等于0.6FmH，通过停止发出点火信号(f)使火花塞(15)停止点火，通过发出燃料喷射控制信号(g)控制喷油器(14)的实际溶氢燃料喷射相位TAF与原机液体燃料喷射相位TYL相同，实际溶氢燃料喷射脉宽DAF不小于0.7DYL，电子控制单元(16)通过发出节气门开度控制信号(e)使节气门(8)的开度不低于45°；
(3)中负荷控制策略
电子控制单元(16)根据踏板位置信号(m)判定负荷率，当负荷率大于或者等于20％并且小于70％时，电子控制单元(16)判定发动机工作在中等负荷状态，此时电子控制单元(16)通过发出氢气电磁阀控制信号(a)使通过氢气线性电磁阀(9)进入气液混合阀(12)的氢气溶解度FacH不大于0.5FmH且不小于0.3FmH，FacH随负荷的增加而降低，通过停止发出点火信号(f)使火花塞(15)停止点火，通过发出燃料喷射控制信号(g)控制喷油器(14)的实际溶氢燃料喷射相位TAF与原机液体燃料喷射相位TYL相同，实际溶氢燃料喷射脉宽DAF不小于0.8DYL，电子控制单元(16)通过发出节气门开度控制信号(e)使节气门(8)处于全开状态；
(4)低负荷控制策略
电子控制单元(16)根据踏板位置信号(m)判定负荷率，当负荷率大于或者等于70％时，电子控制单元(16)判定发动机工作在大负荷状态，此时电子控制单元(16)通过发出氢气电磁阀控制信号(a)使通过氢气线性电磁阀(9)进入气液混合阀(12)的氢气溶解度FacH不大于0.3FmH且随负荷率的增加而降低，在负荷率为100％时的FacH等于0，通过停止发出点火信号(f)使火花塞(15)停止点火，通过发出燃料喷射控制信号(g)控制喷油器(14)的实际溶氢燃料喷射相位TAF与原机液体燃料喷射相位TYL相同，实际溶氢燃料喷射脉宽DAF与DYL相等，电子控制单元(16)通过发出节气门开度控制信号(e)使节气门(8)处于全开状态。
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