CN114183262A - 一种预燃室射流点火缸内直喷氢内燃机及控制方法 - Google Patents

一种预燃室射流点火缸内直喷氢内燃机及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种预燃室射流点火缸内直喷氢内燃机及其控制方法，具体涉及一种预燃室射流点火缸内直喷氢内燃机系统设计以及预燃室射流点火缸内直喷氢内燃机控制方法。本发明基于预燃室柴油机，把柴油机主燃烧室喷嘴替换为高压氢气直喷喷嘴，在柴油机预燃室安装高压氢气直喷喷嘴和火花塞，将预燃室柴油机改造为预燃室射流点火缸内直喷氢内燃机，实现了高压缩比、无节气门、耐受高爆压、射流点火、分层及扩散燃烧的缸内直喷氢内燃机应用；同时，本发明提出了一种主燃烧室的喷射策略和预燃室的喷射及点火策略，通过电控单元的具体控制实现了预燃室射流点火缸内直喷氢内燃机的高性能及整机的稳定运行。

Description

一种预燃室射流点火缸内直喷氢内燃机及控制方法
技术领域
本发明提出了一种预燃室射流点火缸内直喷氢内燃机及其控制方法，具体涉及一种预燃室射流点火缸内直喷氢内燃机系统设计以及预燃室射流点火缸内直喷氢内燃机控制方法，属于内燃机领域。
背景技术
全球变暖是一个严重的世界难题，而这种气候变暖很大程度上归因于在运输中使用化石燃料。尽管内燃机在运输领域目前仍然占据着全球主导地位，但是许多政策对燃料电池和电动汽车的支持压缩了内燃机的生存空间，内燃机急需取得根本性的技术突破，从而显著降低有害排放和对化石燃料的依赖。氢气因其具有清洁、持续再生等特点以及用于汽车发动机良好的燃烧性能，有望成为替代传统化石燃料作为车用内燃机的绝佳燃料，而备受人们广泛关注。
氢内燃机按照燃料的供给方式主要可以分为进气道喷射和缸内直喷。虽然进气道喷射氢内燃机的成本较低，但是氢气的体积密度小、点火能量低等特性使得进气道喷射氢内燃机容易发生早燃、回火、爆震等异常燃烧现象；成本较高的缸内直喷氢内燃机可以从根本上避免回火，并极大消除早燃和爆震发生的概率，为了提高缸内直喷氢内燃机的性能，众多研究人员提出晚喷、多次喷射、射流点火等喷射及燃烧策略。其中，射流点火是实现缸内直喷氢内燃机高性能低排放的极优选择，而具有预燃室的柴油机便是实现射流点火最佳选择。预燃室柴油机现今已基本淘汰，但是由于氢气优良的物化性质使预燃室柴油机成为了燃烧氢气的优秀载体，通过晚期喷射+缸内直接喷射氢气克服了进气道喷射氢气的空气置换效应，通过预燃室射流点火实现了主燃烧室氢-空气混合物的高性能点火，降低了热损失，提高了热效率。此外，射流点火+缸内直喷的耦合允许发动机以较低的燃空当量比运行，由于燃烧是从预燃室开始，只需要较少的燃料便可通过射流孔将预燃室中的热反应气体多点喷射到主燃烧室中，加速主燃烧室氢-空气的氧化放热。
综上所述，鉴于预燃室射流点火+缸内直喷氢气的优秀耦合效应，本发明基于预燃室柴油机，把柴油机主燃烧室喷嘴替换为高压氢气直喷喷嘴，在柴油机预燃室安装高压氢气直喷喷嘴和火花塞，将预燃室柴油机改造为预燃室射流点火缸内直喷氢内燃机，实现了高压缩比、无节气门、耐受高爆压、射流点火、分层及扩散燃烧的缸内直喷氢内燃机应用；同时，本发明提出了一种主燃烧室的喷射策略和预燃室的喷射及点火策略，通过电控单元的具体控制实现了预燃室射流点火缸内直喷氢内燃机的高性能及整机的稳定运行。
发明内容
一种预燃室射流点火缸内直喷氢内燃机，包括进气管路P1，其上依次有空气滤清器2、进气流量传感器3、进气温度传感器4、进气压力传感器5、进气稳压腔室6；排气管路P2，其上依次有排气稳压腔室17、排气温度传感器18、NOx浓度传感器19、NSR催化系统20；供氢管路P3，其上依次有主燃烧室高压氢气直喷喷嘴13、预燃室高压氢气直喷喷嘴14、阻燃阀21、氢气流量传感器22、减压阀23；高压氢罐1、预燃室缸内直喷氢内燃机7、曲轴信号传感器8、缸内压力传感器9、预燃室10、过量空气系数传感器11、缸内温度传感器12、预燃室火花塞15、转速信号传感器16、电控单元ECU24；
所述电控单元ECU24接收氢气流量信号a、进气流量信号b、进气温度信号c、进气压力信号d、曲轴信号e、缸内压力信号f、缸内温度信号j、过量空气系数信号k、转速信号l、排气温度信号m、NOx浓度信号n；发出缸内氢气喷射信号g、预燃室氢气喷射信号h、火花塞信号i、NSR催化信号o；
预燃室射流点火缸内直喷氢内燃机及其控制方法：
所述高压氢罐1可以提供35MPa以上的高压氢气；所述主燃烧室高压氢气直喷喷嘴13和预燃室高压氢气直喷喷嘴14最大可以提供30MPa的喷射压力；
新鲜空气由进气管路P1依次经过空气滤清器2、进气流量传感器3、进气温度传感器4、进气压力传感器5、进气稳压腔室6进入预燃室缸内直喷氢内燃机7，电控单元ECU24通过接收进气流量信号b、进气温度信号c、进气压力信号d、曲轴信号e、转速信号l计算得到氢气喷射脉宽；高压氢气由供氢管路P3依次经过减压阀23、氢气流量传感器22、阻燃阀21进入主燃烧室高压氢气直喷喷嘴13和预燃室高压氢气直喷喷嘴14；电控单元ECU24基于氢气喷射脉宽并调整喷射正时，通过发出缸内氢气喷射信号g使主燃烧室高压氢气直喷喷嘴13在上止点完成喷氢；电控单元ECU24在进气阀关闭时刻发出预燃室氢气喷射信号h控制预燃室高压氢气直喷喷嘴14喷氢，电控单元ECU24通过过量空气系数信号监测预燃室中的过量空气系数，当预燃室中的过量空气系数等于1时，电控单元ECU24发出预燃室氢气喷射信号h控制预燃室高压氢气直喷喷嘴14结束喷氢；在上止点前5°CA，电控单元ECU24通过火花塞信号i控制预燃室火花塞15点火，预燃室10通过射流引燃主燃烧室的氢气；排气阶段，废气由排气管路P2依次经过排气稳压腔室17、排气温度传感器18、NOx浓度传感器19、NSR催化系统20排出燃烧室，电控单元ECU接收NOx浓度信号n并发出NSR催化信号o控制NSR催化系统20对NOx的吸附和脱附。
本发明的有益效果主要是：本发明基于预燃室柴油机，把柴油机主燃烧室喷嘴替换为高压氢气直喷喷嘴，在柴油机预燃室安装高压氢气直喷喷嘴和火花塞，将预燃室柴油机改造为预燃室射流点火缸内直喷氢内燃机，实现了高压缩比、无节气门、耐受高爆压、射流点火、分层及扩散燃烧的缸内直喷氢内燃机应用；同时，本发明提出了一种主燃烧室的喷射策略和预燃室的喷射及点火策略，通过电控单元的具体控制实现了预燃室射流点火缸内直喷氢内燃机的高性能及整机的稳定运行。
附图说明
图1.一种预燃室射流点火缸内直喷氢内燃机示意图
图中：1、高压氢罐，P1、进气管路，2、空气滤清器，3、进气流量传感器，4、进气温度传感器，5、进气压力传感器，6、进气稳压腔室，7、预燃室缸内直喷氢内燃机，8、曲轴信号传感器，9、缸内压力传感器，10、预燃室，11、过量空气系数传感器，12、缸内温度传感器，13、主燃烧室高压氢气直喷喷嘴，14、预燃室高压氢气直喷喷嘴，15、预燃室火花塞，16、转速信号传感器，P2、排气管路，17、排气稳压腔室，18、排气温度传感器，19、NOx浓度传感器，20、NSR催化系统，P3、供氢管路，21、阻燃阀，22、氢气流量传感器，23、减压阀，24、电控单元ECU；
a、氢气流量信号，b、进气流量信号，c、进气温度信号，d、进气压力信号，e、曲轴信号，f、缸内压力信号，g、缸内氢气喷射信号，h、预燃室氢气喷射信号，i、火花塞信号，j、缸内温度信号，k、过量空气系数信号，l、转速信号，m、排气温度信号，n、NOx浓度信号，o、NSR催化信号。
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：
所述高压氢罐(1)可以提供35MPa以上的高压氢气；所述主燃烧室高压氢气直喷喷嘴(13)和预燃室高压氢气直喷喷嘴(14)最大可以提供30MPa的喷射压力；
新鲜空气由进气管路(P1)依次经过空气滤清器(2)、进气流量传感器(3)、进气温度传感器(4)、进气压力传感器(5)、进气稳压腔室(6)进入预燃室缸内直喷氢内燃机(7)，电控单元ECU(24)通过接收进气流量信号b、进气温度信号c、进气压力信号d、曲轴信号e、转速信号l计算得到氢气喷射脉宽；高压氢气由供氢管路(P3)依次经过减压阀(23)、氢气流量传感器(22)、阻燃阀(21)进入主燃烧室高压氢气直喷喷嘴(13)和预燃室高压氢气直喷喷嘴(14)；电控单元ECU(24)基于氢气喷射脉宽并调整喷射正时，通过发出缸内氢气喷射信号g使主燃烧室高压氢气直喷喷嘴(13)在上止点完成喷氢；电控单元ECU(24)在进气阀关闭时刻发出预燃室氢气喷射信号h控制预燃室高压氢气直喷喷嘴(14)喷氢，电控单元ECU(24)通过过量空气系数信号监测预燃室中的过量空气系数，当预燃室中的过量空气系数等于1时，电控单元ECU(24)发出预燃室氢气喷射信号h控制预燃室高压氢气直喷喷嘴(14)结束喷氢；在上止点前5°CA，电控单元ECU(24)通过火花塞信号i控制预燃室火花塞(15)点火，预燃室(10)通过射流引燃主燃烧室的氢气；排气阶段，废气由排气管路(P2)依次经过排气稳压腔室(17)、排气温度传感器(18)、NOx浓度传感器(19)、NSR催化系统(20)排出燃烧室，电控单元ECU接收NOx浓度信号n并发出NSR催化信号o控制NSR催化系统(20)对NOx的吸附和脱附。

Claims (2)

1.一种预燃室射流点火缸内直喷氢内燃机，其特征在于：包括进气管路(P1)，其上依次有空气滤清器(2)、进气流量传感器(3)、进气温度传感器(4)、进气压力传感器(5)、进气稳压腔室(6)；排气管路(P2)，其上依次有排气稳压腔室(17)、排气温度传感器(18)、NOx浓度传感器(19)、NSR催化系统(20)；供氢管路(P3)，其上依次有主燃烧室高压氢气直喷喷嘴(13)、预燃室高压氢气直喷喷嘴(14)、阻燃阀(21)、氢气流量传感器(22)、减压阀(23)；还包括有高压氢罐(1)、预燃室缸内直喷氢内燃机(7)、曲轴信号传感器(8)、缸内压力传感器(9)、预燃室(10)、过量空气系数传感器(11)、缸内温度传感器(12)、预燃室火花塞(15)、转速信号传感器(16)、电控单元ECU(24)；
所述电控单元ECU(24)与氢气流量传感器(21)相连接并获得氢气流量信号a；
所述电控单元ECU(24)与进气流量传感器(3)相连接并获得进气流量信号b；
所述电控单元ECU(24)与进气温度传感器(4)相连接并获得进气温度信号c；
所述电控单元ECU(24)与进气压力传感器(5)相连接并获得进气压力信号d；
所述电控单元ECU(24)与曲轴信号传感器(8)相连接并获得曲轴信号e；
所述电控单元ECU(24)与缸内压力传感器(19)相连接并获得缸内压力信号f；
所述电控单元ECU(24)与主燃烧室高压氢气直喷喷嘴(12)相连接并通过缸内氢气喷射信号g控制主燃烧室高压氢气直喷喷嘴的开闭；
所述电控单元ECU(24)与预燃室高压氢气直喷喷嘴(13)相连接并通过预燃室氢气喷射信号h控制预燃室高压氢气直喷喷嘴的开闭；
所述电控单元ECU(24)与预燃室火花塞(14)相连接并通过火花塞信号i控制预燃室火花塞的放电；
所述电控单元ECU(24)与缸内温度传感器(11)相连接并获得缸内温度信号j；
所述电控单元ECU(24)与过量空气系数传感器(11)相连接并获得过量空气系数信号k；
所述电控单元ECU(24)与转速信号传感器(15)相连接并获得转速信号l；
所述电控单元ECU(24)与排气温度传感器(17)相连接并获得排气温度信号m；
所述电控单元ECU(24)与NOx浓度传感器(18)相连接并获得NOx浓度信号n；
所述电控单元ECU(24)与NSR催化系统(19)相连接并通过NSR催化信号o控制NSR催化系统对NOx的吸附和脱附。
2.应用如权利要求1所述的一种预燃室射流点火缸内直喷氢内燃机的方法，其特征在于：
高压氢罐(1)提供35MPa以上的高压氢气；所述主燃烧室高压氢气直喷喷嘴(13)和预燃室高压氢气直喷喷嘴(14)最大可以提供30MPa的喷射压力；
新鲜空气由进气管路(P1)依次经过空气滤清器(2)、进气流量传感器(3)、进气温度传感器(4)、进气压力传感器(5)、进气稳压腔室(6)进入预燃室缸内直喷氢内燃机(7)，电控单元ECU(24)通过接收进气流量信号b、进气温度信号c、进气压力信号d、曲轴信号e、转速信号l计算得到氢气喷射脉宽；高压氢气由供氢管路(P3)依次经过减压阀(23)、氢气流量传感器(22)、阻燃阀(21)进入主燃烧室高压氢气直喷喷嘴(13)和预燃室高压氢气直喷喷嘴(14)；电控单元ECU(24)基于氢气喷射脉宽并调整喷射正时，通过发出缸内氢气喷射信号g使主燃烧室高压氢气直喷喷嘴(13)在上止点完成喷氢；电控单元ECU(24)在进气阀关闭时刻发出预燃室氢气喷射信号h控制预燃室高压氢气直喷喷嘴(14)喷氢，电控单元ECU(24)通过过量空气系数信号监测预燃室中的过量空气系数，当预燃室中的过量空气系数等于1时，电控单元ECU(24)发出预燃室氢气喷射信号h控制预燃室高压氢气直喷喷嘴(14)结束喷氢；在上止点前5°CA，电控单元ECU(24)通过火花塞信号i控制预燃室火花塞(15)点火，预燃室(10)通过射流引燃主燃烧室的氢气；排气阶段，废气由排气管路(P2)依次经过排气稳压腔室(17)、排气温度传感器(18)、NOx浓度传感器(19)、NSR催化系统(20)排出燃烧室，电控单元ECU接收NOx浓度信号n并发出NSR催化信号o控制NSR催化系统(20)对NOx的吸附和脱附。
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