CN113389637B - 一种进气加湿质调节氢转子机及控制方法 - Google Patents

一种进气加湿质调节氢转子机及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明设计了一种进气加湿质调节氢转子机控制方法,具体涉及一种根据发动机转速与负荷调节过量空气系数与进气加湿程度从而抑制氢转子发动机回火同时实现高效率的方法。本发明以发动机空气流量信号、转速传感器输出信号及油门踏板位置信号为依据,判断发动机的目标运行工况,并结合氢气喷嘴、水喷嘴控制过量空气系数以及进气加湿程度从而实现高效无回火纯氢燃料转子发动机。

Description

一种进气加湿质调节氢转子机及控制方法
技术领域
一种进气加湿质调节氢转子机控制方法,具体涉及一种根据转子机转速与负荷调节过量空气系数与进气加湿程度从而抑制氢转子机回火同时提高效率的方法,属于内燃机领域。
背景技术
随着碳排放对环境带来的负面影响越来越大,实现“碳中和”和“碳达峰”逐渐成为各个国家在能源应用方面的首要目标。交通运输领域是高碳排放领域,因而减少该领域的碳排放就显得尤为重要。氢气是一种清洁的可再生能源,其凭借组成元素的优势,燃烧不会产生碳排放,是一种减碳的绝佳燃料,然而,氢气作为交通行业的替代燃料时,会导致动力性不足的问题。转子机是一款高动力性的特殊发动机,其可以弥补氢气作为燃料而引起的低动力性问题。故而,氢转子机是一款绝佳的动力系统。而氢气作为燃料还存在由于泵气损失导致的低负荷下效率低以及易回火的问题,这也极大地限制了氢作为内燃机燃料的应用。
因此,为解决上述问题,本申请设计一种进气加湿质调节氢转子机控制方法,根据运行工况选择不同的氢气供给以及加湿策略,在实现高效,高动力性的同时而不会引发回火问题。
发明内容
为了改善氢转子机回火以及低负荷下热效率低的问题,本申请提供一种氢转子机运行策略,实现高效的同时,保证无回火问题的发生。
本发明解决上述技术问题是通过以下技术方案解决的:
一种进气加湿质调节氢转子机控制方法,具体涉及一种根据发动机转速与负荷调节过量空气系数与进气加湿程度从而抑制氢转子机回火与提高效率的方法,包括:进气管路P1,其上依次串联有:空气滤清器1和空气体积流量传感器2;氢气供给管路P2,其上依次串联有:氢气罐3、压力调节阀4、氢气体积流量传感器5、阻火器6、氢气喷嘴7,氢气喷嘴7将氢气喷入空气体积流量传感器2后侧的进气管路P1内;水供给管路P3,其上依次串联有:水罐8,高压水泵9,水喷嘴10,水喷嘴10将高压水喷入进气管路P1,与空气、氢气形成新鲜混合气进入转子机11,经过一个循环后通过排气管路P4排入大气;此外,采用转速传感器12和油门踏板位置传感器13分别将第一信号A1和第二信号A2传入ECU E,ECU E根据第一信号A1和第二信号A2判断转子机所处运行工况,并根据空气体积流量传感器2传入的第五信号A5,分别输出第三信号A3和第四信号A4至水喷嘴10和氢气喷嘴7来调节过量空气系数和加湿程度。
氢气从氢气罐3中流出,依次流经压力调节阀4、氢气体积流量传感器5、阻火器6、氢气喷嘴7进入进气道P3,与通过空气滤清器1和空气体积流量传感器2的新鲜空气混合,随后两者的混合物与从水罐8中流出并通过高压水泵9,水喷嘴10进入气道的小液滴混合进入缸内,流经一循环后通过排气管路P4排入大气。
进气加湿质调节氢转子机包括以下控制过程:
转子发动机ECUE接收来自转速传感器12的第一信号A1、油门踏板位置传感器13的信号A2和空气体积流量传感器2的第五信号A5:
当有转速n产生时,此时为起动阶段,缸内温度较低,不会引发回火,并且为保证起动顺利,采取不加湿纯氢化学计量比燃烧,ECU E输出第三信号A3和第四信号A4,使得过量空气系数为λ=1,进气湿度H=0。
当发动机存在转速n且油门踏板开度A=0时,此时为怠速工况,不需要输出功率,仅需要保证发动机正常运行即可,采用不加湿超稀薄燃烧,ECU E输出第三信号A3和第四信号A4,使得过量空气系数λ=2,进气湿度H=0。
当转速0≤n<7000r/min且油门踏板开度A≠0时,此时为部分负荷或全负荷运行工况,为了保证高效,降低泵气损失,取消节气门并采用质调节,同时,由于随着质调节过程中过量空气系数接近化学计量比以及转速的提高,会引发回火问题,并且越靠近化学计量比以及转速越高,产生回火的可能性就越大,故而应有更高的加湿程度来抑制其燃烧。采用加湿质调节燃烧。过量空气系数在1≤λ<2之间。并根据过量空气系数λ与转速n选择当前工况下的进气湿度,当前工况下进气湿度H=0.15*n/7000+0.15*(2-λ)。
当发动机转速n≥7000r/min时,此时转速过高,转子机热负荷过高,为保证安全性,ECU E输出第四信号A4,停止供给氢气,当转速n≤6500时,重新恢复氢气供给。
其中,过量空气系数λ=Vair/(VH2*2.38),Vair(SLM)为空气的体积流量,VH2(SLM)为氢气的体积流量。进气湿度H=mH2O/(mH2O+mair),mH2O为水的质量流量,mair为空气的质量流量,mair=Vair*1.293kg/m3
附图说明
图1.本发明的结构工作原理图
图1中:进气管路P1:空气滤清器1和空气体积流量传感器2;氢气供给管路P2:氢气罐3、压力调节阀4、氢气体积流量传感器5、阻火器6、氢气喷嘴7;水供给管路P3:水罐8,高压水泵9,水喷嘴10;转子机11;排气管路P4;此外,空气体积流量传感器2、转速传感器12和油门踏板位置传感器13分别将五信号A5、第一信号A1和第二信号A2传入ECU,ECU E分别输出第三信号A3和第四信号A4至水喷嘴10和氢气喷嘴7。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明:
包括:进气管路P1,其上依次串联有:空气滤清器1和空气体积流量传感器2;氢气供给管路P2,其上依次串联有:氢气罐3、压力调节阀4、氢气体积流量传感器5、阻火器6、氢气喷嘴7,氢气喷嘴7将氢气喷入空气体积流量传感器2后侧的进气管路P1内;水供给管路P3,其上依次串联有:水罐8,高压水泵9,水喷嘴10,水喷嘴10将高压水喷入进气管路P1,与空气、氢气形成新鲜混合气进入转子机11,经过一个循环后通过排气管路P4排入大气;此外,采用转速传感器12和油门踏板位置传感器13分别将第一信号A1和第二信号A2传入ECUE,ECU E根据第一信号A1和第二信号A2判断转子机所处运行工况,并根据空气体积流量传感器2传入的第五信号A5,分别输出第三信号A3和第四信号A4至水喷嘴10和氢气喷嘴7来调节过量空气系数和加湿程度。
转子机ECU E来自转速传感器12的第一信号A1、油门踏板位置传感器13的信号A2和空气体积流量传感器2的第五信号A5:
当有转速n产生时,此时为起动阶段,缸内温度较低,不会引发回火,并且为保证起动顺利,采取不加湿纯氢化学计量比燃烧,ECU E输出第三信号A3和第四信号A4,使得过量空气系数为λ=1.5,进气湿度H=0。
当发动机存在转速n且油门踏板开度A=0时,此时为怠速工况,不需要输出功率,仅需要维持发动机自身运行即可,故而,为节约能源采用不加湿超稀薄燃烧,ECU E输出第三信号A3和第四信号A4,使得过量空气系数λ=2,进气湿度H=0。
当转速0≤n<7000r/min且油门踏板开度A≠0时,此时为部分负荷或全负荷运行工况,为了保证高效,降低泵气损失,取消节气门并采用质调节,同时随着运行过程中过量空气系数接近化学计量比以及转速的提高,会引发回火现象,并且越靠近化学计量比以及转速越高,产生回火的可能性就越大,故而应有更高的加湿程度来抑制其燃烧。因而,采用加湿质调节燃烧。为保证动力性,确保过量空气系数在1≤λ<2之间,并根据过量空气系数λ与转速n选择当前工况下的进气湿度,当前工况下选择的进气湿度H=0.15*n/7000+0.15*(2-λ),进气湿度H最大值取到0.3是为了保证可以正常燃烧,而不至于湿度过高而导致缸内火焰无法正常传播。
当发动机转速n≥7000r/min时,此时转速过高,从而会引发氢转子机热负荷过高问题,为保证安全性,需使转速降低,ECU E输出第四信号A4,停止供给氢气,当转速n≤6500时,重新恢复氢气供给。
其中,过量空气系数λ=Vair/(VH2*2.38),Vair(SLM)为空气的体积流量,VH2(SLM)为氢气的体积流量。进气湿度H=mH2O/(mH2O+mair),mH2O为水的质量流量,mair为空气的质量流量,mair=Vair*1.293kg/m3

Claims (1)

1.一种进气加湿质调节氢转子机控制方法,所应用装置包括:进气管路(P1),其上依次串联有:空气滤清器(1)和空气体积流量传感器(2);氢气供给管路(P2),其上依次串联有:氢气罐(3)、压力调节阀(4)、氢气体积流量传感器(5)、阻火器(6)、氢气喷嘴(7),氢气喷嘴(7)将氢气喷入空气体积流量传感器(2)后侧的进气管路(P1)内;水供给管路(P3),其上依次串联有:水罐(8),高压水泵(9),水喷嘴(10),水喷嘴(10)将高压水喷入进气管路(P1),与空气、氢气形成新鲜混合气进入转子机(11),经过一个循环后通过排气管路(P4)排入大气;此外,采用转速传感器(12)和油门踏板位置传感器(13)分别将第一信号(A1)和第二信号(A2)传入ECU(E),ECU(E)根据第一信号(A1)和第二信号(A2)判断转子机所处运行工况,并根据空气体积流量传感器(2)传入的第五信号(A5),分别输出第三信号(A3)和第四信号(A4)至水喷嘴(10)和氢气喷嘴(7)来调节过量空气系数和加湿程度;
其特征在于:
当有转速n产生时,此时为起动阶段,采取不加湿纯氢化学计量比燃烧,ECU(E)输出第三信号(A3)和第四信号(A4),使得过量空气系数为λ=1,进气湿度H=0;
当发动机存在转速n且油门踏板开度A=0时,此时为怠速工况,采用不加湿超稀薄燃烧,ECU(E)输出第三信号(A3)和第四信号(A4),使得过量空气系数λ=2,进气湿度H=0;
当转速0≤n<7000r/min且油门踏板开度A≠0时,此时为部分负荷或全负荷运行工况,采用加湿燃烧,并根据所受负载调节可以维持正常运行的过量空气系数λ,使得过量空气系数在1≤λ<2之间;并根据过量空气系数λ与转速n选择当前工况下的进气湿度,当前工况下进气湿度H=0.15*n/7000+0.15*(2-λ);
当发动机转速n≥7000r/min时,此时转速过高,转子机热负荷过高,为保证安全性,ECU(E)输出第四信号(A4),使得氢气喷嘴(7)停止供给氢气,当转速n≤6500时,重新恢复氢气供给;
其中,过量空气系数λ=Vair/(VH2*2.38),Vair为空气的体积流量,VH2为氢气的体积流量;进气湿度H=mH2O/(mH2O+mair),mH2O为水的质量流量,mair为空气的质量流量,mair=Vair*1.293kg/m3
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