CN114109588B - 一种基于射流点火的氢转子机及控制方法 - Google Patents

一种基于射流点火的氢转子机及控制方法 Download PDF

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Abstract

一种基于射流点火的氢转子机及控制方法，属于内燃机领域，具体涉及转子机氢气缸内直接供给以及结构优化的方法，以实现氢转子机的良好性能。本发明通过增加预燃室以及射流点火的方法，减少转子机自身存在的漏气现象，同时，通过射流点火克服转子机点火差点缺点。此外，通过采用缸内直喷氢气，提高缸内充量，减少氢转子机中出现的回火、早燃等异常燃烧现象，以实现氢转子机的良好性能。

Description

一种基于射流点火的氢转子机及控制方法
技术领域
本发明设计了一种基于射流点火的氢转子机及控制方法，具体涉及一种转子机氢气缸内直接供给以及结构优化的方法，属于内燃机领域。
背景技术
随着温室效应愈发严重，如何减少碳排放，实现“碳中和”以及“碳达峰”逐渐成为人们关注的重点。交通行业是全球碳排放的重点行业，尤其是汽车排放，因此减少汽车碳排放成为亟待解决的重要问题。氢燃料转子发动机已经被证明是一款兼顾高动力性和低排放性的十分有前景的动力装置。然而，由于自身结构的问题，转子机火花塞孔使得缸间存在较严重的漏气问题，特别是对于小分子以及焠熄距离短的氢气，缸间泄漏问题更加严重，会导致性能降低，甚至引发缸间火焰泄漏从而引发后一缸早燃以及进气道回火。此外，火花塞孔处流动弱，点火环境差也对转子机性能产生负面影响。
为解决上述问题，提出一种基于射流点火的氢转子机及控制方法。通过将火花塞孔改变为预燃室，极大地避免了缸间窜气。同时，采用预燃室直接供给氢气，避免了回火等异常燃烧问题。此外，预燃室的采用可以强化点火，从而消除转子机因点火环境差而引发的性能恶化的问题。基于上述技术手段以实现高性能氢转子机动力系统。
发明内容
为了减少氢转子机漏气、消除异常燃烧以及改善点火性能，本发明设计了一种基于射流点火的氢转子机及控制方法，具体涉及一种转子机氢气缸内直接供给以及结构优化的方法，包括：进气道(1)、进气流量传感器(2)、进气口(3)、ECU(4)、火花塞(5)、氢气喷嘴(6)、预燃室(7)、阻火器(8)、氢气滤清器(9)、减压阀(10)、氢气罐(11)、排气口(12)、转速传感器(13)。此外，进气流量传感器(2)将第一信号(A1)传递至ECU(4)；ECU(4)传出第二信号(A2)至火花塞(5)和第三信号(A3)至氢气喷嘴(6)；转速传感器(13)将第四信号(A4)传递至ECU(4)。
基于射流点火的氢转子机及控制方法，其包括以下特征：
a)采用预燃室射流点火，通过两个半径为1mm的孔来进行气体交换与火焰传播，从而实现无缸间火焰传播。受转子运动的限制，传统转子机火花塞置于缸体内，从而当转子径向密封片划过火花塞孔时，会使得两缸连通，从而导致位于做功冲程的气缸中的火焰传至后一进气冲程中，从而引发早燃甚至回火。
b)采用预燃室射流点火，通过强制供给燃料，以改善转子机点火氛围差的缺点。此外，通过强化点火，缩短火焰传播时间，减少爆震风险。传统转子机火花塞孔处受流动限制，气体交换弱，易导致较差点火环境。
c)采用氢气缸内直接供给。氢气体积热值较低，若采用进气道供给氢气会造成发动机动力性降低，因此采用氢气缸内直接供给，以增加进缸充量，从而实现更高的动力性。
d)采用氢气缸内直接供给。氢气点火能量低，易被缸内热点点燃而引发回火，因此通过氢气缸内直接供给，消除气道供给氢气引起的早燃和回火这类异常燃烧。
e)采用根据转子机转速调节过量空气系数，以实现高效运行。
具体控制过程如下：
转子发动机ECU(E)接收来自转速传感器(13)的第四信号(A4)和进气流量传感器(2)的第一信号(A1)，获得当前转速n和空气流量Vair：
当转速0≤n＜800时，此时为起动工况，为保证顺利起动，选择加浓燃烧。ECU(4)根据当前空气流量Vair，输出第三信号(A3)至氢气喷嘴(6)，使过量空气系数λ＝0.8。
当转速n＝800时，此时为怠速工况，无动力输出，选择稀薄燃烧。ECU(4)根据当前空气流量Vair，输出第三信号(A3)至氢气喷嘴(6)，使过量空气系数λ＝2.0。
当转速800＜n≤8000时，此时为动力输出工况，为保证动力性与经济性，选择化学计量比燃烧。ECU(4)根据当前空气流量Vair，输出第三信号(A3)至氢气喷嘴(6)，使过量空气系数λ＝1.0。
当转速n＞8000时，此时为危险转速工况，为保证安全性，选择停止燃料供给，ECU(4)输出第三信号(A3)至氢气喷嘴(6)，使氢气流量VH2＝0，并在1秒后恢复燃料供给。
过量空气系数λ＝Vair/(VH2*2.38)。其中，Vair为空气体积流量(SLM)，VH2为氢气体积流量(SLM)。
附图说明
图1.本发明的结构工作原理图
图2.局部放大图
图1中：进气道(1)、进气流量传感器(2)、进气口(3)、ECU(4)、火花塞(5)、氢气喷嘴(6)、预燃室(7)、阻火器(8)、氢气滤清器(9)、减压阀(10)、氢气罐(11)、排气口(12)、转速传感器(13)。此外，进气流量传感器(2)将第一信号(A1)传递至ECU(4)；ECU(4)传出第二信号(A2)至火花塞(5)和第三信号(A3)至氢气喷嘴(6)；转速传感器(13)将第四信号(A4)传递至ECU(4)。
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：
包括：进气道(1)、进气流量传感器(2)、进气口(3)、ECU(4)、火花塞(5)、氢气喷嘴(6)、预燃室(7)、阻火器(8)、氢气滤清器(9)、减压阀(10)、氢气罐(11)、排气口(12)、转速传感器(13)。此外，进气流量传感器(2)将第一信号(A1)传递至ECU(4)；ECU(4)传出第二信号(A2)至火花塞(5)和第三信号(A3)至氢气喷嘴(6)；转速传感器(13)将第四信号(A4)传递至ECU(4)。
基于射流点火的氢转子机及控制方法，其包括以下特征：
a)受转子运动的限制，传统转子机火花塞必须放置于缸体内，以不阻碍转子旋转。然而，当转子径向密封片划过火花塞孔时，会使得两燃烧室连通，从而导致位于做功冲程的前一燃烧室中的火焰传至后一位于进气冲程的燃烧室中，从而引起早燃甚至回火。故而，为解决上述问题，采用预燃室射流点火，氢气的焠熄距离为0.6mm左右，因此设定两个半径为1mm的孔来进行气体交换与火焰传播，通过减少火花塞孔径从而实现无缸间火焰传播以及减少缸间窜气。
b)传统转子机火花塞孔处受流动限制，气体交换弱，易导致较差点火环境。故而，为解决上述问题，采用预燃室射流点火，通过强制供给燃料，以改善转子机点火氛围差的缺点。此外，通过强化点火，缩短火焰传播时间，减少爆震风险。
c)氢气体积热值较低，若采用进气道供给氢气会造成发动机动力性降低。故而，为解决上述问题，采用氢气缸内直接供给，以增加进缸充量，从而实现更高的动力性。
d)氢气点火能量低，气道喷射的氢气易被缸内热点点燃而引发回火。故而，为解决上述问题，采用氢气缸内直接供给，消除气道供给氢气引起的早燃和回火这类异常燃烧。
e)采用根据转子机转速调节过量空气系数，以实现高效运行。
具体控制过程如下：
转子发动机ECU(E)接收来自转速传感器(13)的第四信号(A4)和进气流量传感器(2)的第一信号(A1)，获得当前转速n和空气流量Vair：
当转速0≤n＜800时，此时为起动工况，为保证顺利起动，选择加浓燃烧。ECU(4)根据当前空气流量Vair，输出第三信号(A3)至氢气喷嘴(6)，使过量空气系数λ＝0.8。
当转速n＝800时，此时为怠速工况，无动力输出，选择稀薄燃烧。ECU(4)根据当前空气流量Vair，输出第三信号(A3)至氢气喷嘴(6)，使过量空气系数λ＝2.0。
当转速800＜n≤8000时，此时为动力输出工况，为保证动力性与经济性，选择化学计量比燃烧。ECU(4)根据当前空气流量Vair，输出第三信号(A3)至氢气喷嘴(6)，使过量空气系数λ＝1.0。
当转速n＞8000时，此时为危险转速工况，为保证安全性，选择停止燃料供给，ECU(4)输出第三信号(A3)至氢气喷嘴(6)，使氢气流量VH2＝0，并在1秒后恢复燃料供给。
过量空气系数λ＝Vair/(VH2*2.38)。其中，Vair为空气体积流量(SLM)，VH2为氢气体积流量(SLM)。

Claims (2)

1.一种基于射流点火的氢转子机，其特征在于，包括：进气道(1)、进气流量传感器(2)、进气口(3)、ECU(4)、火花塞(5)、氢气喷嘴(6)、预燃室(7)、阻火器(8)、氢气滤清器(9)、减压阀(10)、氢气罐(11)、排气口(12)、转速传感器(13)；进气流量传感器(2)将第一信号(A1)传递至ECU(4)；ECU(4)传出第二信号(A2)至火花塞(5)和第三信号(A3)至氢气喷嘴(6)；转速传感器(13)将第四信号(A4)传递至ECU(4)；
a)采用预燃室射流点火，通过两个半径为1mm的孔来进行气体交换与火焰传播，从而实现无缸间火焰传播；
b)采用预燃室射流点火，通过强制供给燃料，以改善转子机点火氛围差的缺点；
c)采用氢气缸内直接供给氢气，以增加进缸充量，
d)采用氢气缸内直接供给氢气；通过氢气缸内直接供给，消除气道供给引起的早燃和回火这类异常燃烧；
e)采用根据转子机转速调节过量空气系数。
2.控制如权利要求1所述的一种基于射流点火的氢转子机，其特征在于，具体控制过程如下：
转子发动机ECU(E)接收来自转速传感器(13)的第四信号(A4)和进气流量传感器(2)的第一信号(A1)，获得当前转速n和空气流量Vair：
当转速0≤n＜800时，此时为起动工况，选择加浓燃烧；ECU(4)根据当前空气流量Vair，输出第三信号(A3)至氢气喷嘴(6)，使过量空气系数λ＝0.8；
当转速n＝800时，此时为怠速工况，无动力输出，选择稀薄燃烧；ECU(4)根据当前空气流量Vair，输出第三信号(A3)至氢气喷嘴(6)，使过量空气系数λ＝2.0；
当转速800＜n≤8000时，此时为动力输出工况，为保证动力性与经济性，选择化学计量比燃烧；ECU(4)根据当前空气流量Vair，输出第三信号(A3)至氢气喷嘴(6)，使过量空气系数λ＝1.0；
当转速n＞8000时，此时为危险转速工况，选择停止燃料供给，ECU(4)输出第三信号(A3)至氢气喷嘴(6)，使氢气流量VH2＝0，并在1秒后恢复燃料供给；
过量空气系数λ＝Vair/(VH2*2.38)；其中，Vair为空气体积流量(SLM)，VH2为氢气体积流量(SLM)。
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