CN114526150A - 一种基于预燃室的射流点火氢氧内燃机及控制方法 - Google Patents

一种基于预燃室的射流点火氢氧内燃机及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种基于预燃室的射流点火氢氧内燃机及控制方法，具体内容涉及一种基于预燃室的射流点火氢氧内燃机的燃料供给系统、预燃室系统、尾气回收系统及控制方法。本发明中的氢气和氧气分别通过氢气喷嘴和氧气喷嘴进入预燃室，并被预燃室中的火花塞点燃，采用无进气道的设计避免了氢气氧气在进气道预混可能导致的回火现象；氢氧火焰在预燃室形成的高压推动更多的氢气和氧气通过射流孔进入主燃烧室，实现主燃烧室的扩散燃烧；尾气回收装置对尾气中的未燃氢气以及窜入曲轴箱中的氢气进行回收并重新注入氢罐，使其参与下一次发动机燃烧。本发明耦合了预燃室、射流点火、扩散燃烧及尾气回收系统，实现了氢氧内燃机高效稳定的运行。

Description

一种基于预燃室的射流点火氢氧内燃机及控制方法
技术领域
本发明提供一种基于预燃室的射流点火氢氧内燃机及控制方法，具体内容涉及一种基于预燃室的射流点火氢氧内燃机的燃料供给系统、射流点火系统、尾气回收系统及各自对应的控制方法，属于内燃机领域。
背景技术
液氢、液氧广泛应用于航天动力系统中，是未来载人登月、深空探测等长期在轨任务的首选推进剂。航天器等装置中的动力系统以液氢为燃料，并将其转化为气态氢气后供燃料电池使用。在实际运行过程中航天器的液氢装置会泄露部分氢气，且燃料电池工作时会将多余氢气排出，该部分氢气由于在太空中处于低压状态无法被再次引入燃料电池中加以利用。因此在上述动力方案的装置中存在氢气冗余问题亟需解决，应更换以发动机为航天器的动力系统装置，从而将该部分多余氢气再次高效利用避免造成能源浪费。
相比于地面条件或者大气层内航空飞行所处条件，在航天器所处于的太空条件下，缺乏氧气等助燃气体辅助燃料进行燃烧。这意味着若以发动机为航天器的动力系统装置，在低压条件下或者真空运行的发动机不仅要节约燃料的消耗，还必须要携带高效的氧化剂来完成缸内燃烧，且避免对氧化剂的过渡消耗以支撑并延长航天器等装置的稳定运行。氧气是目前使用最为广泛、高效的燃烧氧化剂，具有良好的助燃性。氢氧混合气的燃烧界限可以达到4％vol.至94％vol.之间，具有极宽的着火范围与极低的点火能量，氧气可以在太空条件下辅助实现氢气的稳定燃烧。此外，纯氢氧燃烧不产生任何其他有害排放。因此在这种特殊情况下，发动机的氧化剂需要由纯氧来提供。
如今氢发动机产业技术逐步成熟，现有的氢发动机能够以氢气为燃料稳定运行，但多是以空气为氧化剂的来源，利用空气中的氧气作为氧化剂使氢气燃烧。氢氧混合气的燃烧速度远高于氢空混合气的燃烧速度，这意味着若以纯氢和纯氧分别为发动机的燃料和氧化剂，会在缸内产生较高的爆发压力和温度，从而对机体安全造成潜在的风险。当氢气与氧气在汽缸中以化学计量条件下点燃，极高的燃烧速度会对缸内零件造成过高的机械负荷和热负荷，从而严重缩短发动机的寿命。此外，将氢气和氧气在进气道提前预混会明显增加混合气回火的风险，造成严重的安全隐患。这意味着氢氧内燃机需要采用有效的燃烧组织技术控制氢氧混合气的燃烧放热过程，避免由于过高的机械负荷和热负荷对内燃机造成破坏，并避免因氢气和氧气提前预混产生回火风险而带来的安全隐患。
发动机在富氢条件下工作后会有大量氢气未参与燃烧通过排气管排出。如果将排气门打开时的废气直接排入大气，则势必会造成大量的能源浪费。此外，由于在发动机工作时，存在部分未燃氢气经活塞环由汽缸窜入曲轴箱中，窜入曲轴箱中的该部分氢气需要回收加以重新利用。
因此，本发明设计了一种基于预燃室的射流点火氢氧内燃机及控制方法。通过增设预燃室，将氢气和氧气直接喷入预燃室，合理高效地组织并控制氢氧混合气的燃烧放热过程，避免了过高的机械负荷和热负荷对发动机造成破坏，同时避免了氢气氧气提前预混带来的回火现象。此外，采用尾气回收装置将排气管中的未燃氢气与窜入曲轴箱中的未燃氢气进行回收利用，极大地避免了氢气能源的浪费。
发明内容
目前以纯氢气和纯氧气为工质的发动机技术尚未成熟，纯氢气和纯氧气以化学计量比混合后在发动机缸内点燃时的爆发压力和温度过高，将氢气和氧气在进气道提前预混会明显增加发动机回火的风险，同时考虑到发动机在富氢工况下燃烧后会有大量未燃氢气通过排气管排出，且由于曲轴箱窜气致使曲轴箱内存有部分未燃氢气，本发明提供一种基于预燃室的射流点火氢氧内燃机及控制方法。
本发明采用了如下技术方法：
一种基于预燃室的射流点火的氢氧内燃机包括：氧气供给管路(P1)，其上依次串联有氧气罐(1)、抽气泵(2)、氧气稳压腔(3)、氧气流量传感器(4)、氧气喷嘴(8)；氢气供给管路(P2)，其上依次串联有氢气罐(15)、抽气泵(14)、氢气稳压腔(13)、氢气流量传感器(12)、氢气喷嘴(11)；氢气回收管路(P3)，其上依次串联有冷凝器(18)、水箱(19)、抽气泵(20)；氢氧内燃机(5)、曲轴信号传感器(6)、预燃室(7)、火花塞(10)、排气门电磁阀(16)、排气门(17)、转速信号传感器(21)、负荷信号传感器(22)、电控单元ECU(23)。
所述电控单元ECU(23)与第一抽气泵(2)相连接并获得第一抽气信号a；
所述电控单元ECU(23)与曲轴信号传感器(6)相连接并获得曲轴信号b；
所述电控单元ECU(23)与氧气流量传感器(4)相连接并获取氧气流量信号c；
所述电控单元ECU(23)与氧气喷嘴(8)相连接并通过氧气喷射信号d控制氧气喷嘴(8)的开闭；
所述电控单元ECU(23)与火花塞(10)相连接并通过火花塞信号e控制火花塞的放电；
所述电控单元ECU(23)与氢气喷嘴(11)相连接并通过氢气喷射信号f控制氢气喷嘴(11)的开闭；
所述电控单元ECU(23)与排气门电磁阀(16)相连接，发出排气门开闭信号g控制排气门(17)的开启和关闭；
所述电控单元ECU(23)与氢气流量传感器(12)相连接并获取氢气流量信号h；
所述电控单元ECU(23)与转速信号传感器(21)相连接并获得转速信号i；
所述电控单元ECU(23)与负荷信号传感器(22)相连接并获取负荷信号j；
所述电控单元ECU(23)与第二抽气泵(14)相连接并获得第二抽气信号k；
所述电控单元ECU(23)与第三抽气泵(20)相连接并获得第三抽气信号l。
一种基于预燃室的射流点火氢氧内燃机的控制方法，主要包括发动机燃烧控制策略及尾气回收策略。
(1)燃烧控制策略
电控单元ECU(23)通过第二抽气信号k启动第二抽气泵(14)，第二抽气泵(14)将氢气从氢气罐(15)中抽取出来，氢气由供氢管路(P2)依次经过第二抽气泵(14)、氢气稳压腔(13)、氢气流量传感器(12)进入氢气喷嘴(11)；电控单元ECU(23)通过接收转速信号i、曲轴信号b、负荷信号j计算出氢氧内燃机(5)所需的循环供氢量及其对应的喷氢脉宽；当处于上止点后20度曲轴转角时，电控单元ECU(23)基于氢气喷射脉宽发出氢气喷射信号f使氢气喷嘴(11)处于开启状态，氢气喷嘴(11)持续喷出氢气；氢气通过氢气喷嘴(11)进入预燃室(7)，预燃室(7)设有射流孔，喷入预燃室(7)内的氢气通过射流孔进入主燃烧室；循环喷氢量喷射完毕时，电控单元ECU(23)通过氢气喷射信号f控制氢气喷嘴(11)使其处于闭合状态；电控单元ECU(23)所控制的氢气喷嘴(11)应在曲轴每转1周时开启和关闭一次；
电控单元ECU(23)通过第一抽气信号a启动第一抽气泵(2)，第一抽气泵(2)将氧气从氧气罐(1)中抽取出来，氧气由供氧管路(P1)依次经过第一抽气泵(2)、氧气稳压腔(3)、氧气流量传感器(4)进入氧气喷嘴(8)；电控单元ECU(23)通过接收转速信号i、曲轴信号b、负荷信号j计算出氢氧内燃机(5)所需的循环供氧量及其对应的喷氧脉宽；在上止点前60度曲轴转角时，电控单元ECU(23)基于氧气喷射脉宽发出氧气喷射信号d使氧气喷嘴(8)处于开启状态，氧气喷嘴(8)持续喷出氧气，在上止点前完成喷氧过程；氧气通过氧气喷嘴(8)进入预燃室(7)，并与预燃室(7)内的氢气混合；循环喷氧量喷射完毕时，电控单元ECU(23)通过氧气喷射信号d控制氧气喷嘴(8)使其处于闭合状态；氢气和氧气的循环体积比为7:3；电控单元ECU(23)所控制的氧气喷嘴(8)应在曲轴每转1周时开启和关闭一次；
在上止点前30度曲轴转角，电控单元ECU(23)通过发出点火信号e触发火花塞(10)跳火，利用火花塞(10)跳火所提供的初始能量点燃预燃室内氢气和氧气的混合气。预燃室(7)内氢气快速燃烧，氢氧火焰在预燃室(7)形成高压工况，推动更多的氢气和氧气通过射流孔进入主燃烧室实现扩散燃烧，并引燃主燃烧室的氢气；电控单元ECU(23)所控制的火花塞(10)跳火过程应在曲轴每转1周时跳火一次。
(2)尾气回收策略
电控单元ECU(23)通过发出排气门开闭信号g控制排气门电磁阀(16)的通电或断电，进而控制排气门(17)的运动。电控单元ECU(23)通过发出排气门开闭信号g控制排气门(17)的运动，使其在下止点前20度曲轴转角处开启，在上止点后20度曲轴转角处关闭。电控单元ECU(23)所控制的排气门(17)应在曲轴每转1周时开启和关闭各一次；
在排气门(17)开启后，发动机缸内燃烧后的尾气由排气管道排出经由冷凝器(18)，尾气中的水蒸气经过冷凝器(18)后变为液态水进入水箱(19)进行储存。电控单元ECU(23)发出第三抽气信号l控制第三抽气泵(20)的开启，使由排气管道排出经由冷凝器(18)冷凝后的剩余未燃氢气通过第三抽气泵(20)泵入氢气罐(15)中；同时将窜入曲轴箱的氢气通过第三抽气泵(20)泵入氢气罐(15)中，避免氢气在曲轴箱内的积累以影响润滑油的寿命。通过第三抽气泵(20)泵入氢气罐(15)中的氢气，继续进入供氢管路(P2)参与发动机下一次燃烧。
本发明的有益效果主要是：本发明提出了一种基于预燃室的射流点火氢氧内燃机及控制方法，具体内容涉及一种基于预燃室的射流点火氢氧内燃机的燃料供给系统、预燃室系统、尾气回收系统及控制方法。本发明中的氢气和氧气分别通过氢气喷嘴和氧气喷嘴进入预燃室，并被预燃室中的火花塞点燃，采用无进气道的设计避免了氢气氧气在进气道预混可能导致的回火现象；氢氧火焰在预燃室形成的高压推动更多氢气和氧气通过射流孔进入主燃烧室，实现主燃烧室的扩散燃烧；尾气回收装置对尾气中的未燃氢气以及窜入曲轴箱中的氢气进行回收并重新注入氢罐，使其参与下一次发动机燃烧。本发明耦合了预燃室、射流点火、扩散燃烧及尾气回收系统，实现了氢氧内燃机高效稳定的运行。
附图说明
图1基于预燃室的射流点火氢氧内燃机示意图
图中：氧气供给管路(P1)、氧气罐(1)、第一抽气泵(2)、氧气稳压腔(3)、氧气流量传感器(4)、氧气喷嘴(8)、氢气供给管路(P2)、氢气罐(15)、第二抽气泵(14)、氢气稳压腔(13)、氢气流量传感器(12)、氢气喷嘴(11)、氢气回收管路(P3)、冷凝器(18)、水箱(19)、第三抽气泵(20)、氢氧内燃机(5)、曲轴信号传感器(6)、预燃室(7)、火花塞(10)、排气门电磁阀(16)、排气门(17)、转速信号传感器(21)、负荷信号传感器(22)、电控单元ECU(23)；
第一抽气信号a、曲轴信号b、氧气流量信号c、氧气喷射信号d、火花塞信号e、氢气喷射信号f、排气门开闭信号g、氢气流量信号h、转速信号i、第二抽气信号j、第三抽气信号k。
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：
(1)燃烧控制策略
电控单元ECU(23)通过第二抽气信号k启动第二抽气泵(14)，第二抽气泵(14)将氢气从氢气罐(15)中抽取出来，氢气由供氢管路(P2)依次经过第二抽气泵(14)、氢气稳压腔(13)、氢气流量传感器(12)进入氢气喷嘴(11)；电控单元ECU(23)通过接收转速信号i、曲轴信号b、负荷信号j计算出氢氧内燃机(5)所需的循环供氢量及其对应的喷氢脉宽；当处于上止点后20度曲轴转角时，电控单元ECU(23)基于氢气喷射脉宽发出氢气喷射信号f使氢气喷嘴(11)处于开启状态，氢气喷嘴(11)持续喷出氢气；氢气通过氢气喷嘴(11)进入预燃室(7)，预燃室(7)设有射流孔，喷入预燃室(7)内的氢气通过射流孔进入主燃烧室；循环喷氢量喷射完毕时，电控单元ECU(23)通过氢气喷射信号f控制氢气喷嘴(11)使其处于闭合状态；电控单元ECU(23)所控制的氢气喷嘴(11)应在曲轴每转1周时开启和关闭一次；
电控单元ECU(23)通过第一抽气信号a启动第一抽气泵(2)，第一抽气泵(2)将氧气从氧气罐(1)中抽取出来，氧气由供氧管路(P1)依次经过第一抽气泵(2)、氧气稳压腔(3)、氧气流量传感器(4)进入氧气喷嘴(8)；电控单元ECU(23)通过接收转速信号i、曲轴信号b、负荷信号j计算出氢氧内燃机(5)所需的循环供氧量及其对应的喷氧脉宽；在上止点前60度曲轴转角时，电控单元ECU(23)基于氧气喷射脉宽发出氧气喷射信号d使氧气喷嘴(8)处于开启状态，氧气喷嘴(8)持续喷出氧气，在上止点前完成喷氧过程；氧气通过氧气喷嘴(8)进入预燃室(7)，并与预燃室(7)内的氢气混合；循环喷氧量喷射完毕时，电控单元ECU(23)通过氧气喷射信号d控制氧气喷嘴(8)使其处于闭合状态；氢气和氧气的循环体积比为7:3；电控单元ECU(23)所控制的氧气喷嘴(8)应在曲轴每转1周时开启和关闭一次；
在上止点前30度曲轴转角，电控单元ECU(23)通过发出点火信号e触发火花塞(10)跳火，利用火花塞(10)跳火所提供的初始能量点燃预燃室内氢气和氧气的混合气。预燃室(7)内氢气快速燃烧，氢氧火焰在预燃室(7)形成高压工况，推动更多的氢气和氧气通过射流孔进入主燃烧室实现扩散燃烧，并引燃主燃烧室的氢气；电控单元ECU(23)所控制的火花塞(10)跳火过程应在曲轴每转1周时跳火一次。
(2)尾气回收策略
电控单元ECU(23)通过发出排气门开闭信号g控制排气门电磁阀(16)的通电或断电，进而控制排气门(17)的运动。电控单元ECU(23)通过发出排气门开闭信号g控制排气门(17)的运动，使其在下止点前20度曲轴转角处开启，在上止点后20度曲轴转角处关闭。电控单元ECU(23)所控制的排气门(17)应在曲轴每转1周时开启和关闭各一次；
在排气门(17)开启后，发动机缸内燃烧后的尾气由排气管道排出经由冷凝器(18)，尾气中的水蒸气经过冷凝器(18)后变为液态水进入水箱(19)进行储存。电控单元ECU(23)发出第三抽气信号l控制第三抽气泵(20)的开启，使由排气管道排出经由冷凝器(18)冷凝后的剩余未燃氢气通过第三抽气泵(20)泵入氢气罐(15)中；同时将窜入曲轴箱的氢气通过第三抽气泵(20)泵入氢气罐(15)中，避免氢气在曲轴箱内的积累以影响润滑油的寿命。通过第三抽气泵(20)泵入氢气罐(15)中的氢气，继续进入供氢管路(P2)参与发动机下一次燃烧。
图中：氧气供给管路(P1)、氧气罐(1)、第一抽气泵(2)、氧气稳压腔(3)、氧气流量传感器(4)、氧气喷嘴(8)、氢气供给管路(P2)、氢气罐(15)、第二抽气泵(14)、氢气稳压腔(13)、氢气流量传感器(12)、氢气喷嘴(11)、氢气回收管路(P3)、冷凝器(18)、水箱(19)、第三抽气泵(20)、氢氧内燃机(5)、曲轴信号传感器(6)、预燃室(7)、火花塞(10)、排气门电磁阀(16)、排气门(17)、转速信号传感器(21)、负荷信号传感器(22)、电控单元ECU(23)；
第一抽气信号a、曲轴信号b、氧气流量信号c、氧气喷射信号d、火花塞信号e、氢气喷射信号f、排气门开闭信号g、氢气流量信号h、转速信号i、第二抽气信号j、第三抽气信号k。

Claims (2)

1.一种基于预燃室的射流点火氢氧内燃机，其特征在于包括：氧气供给管路(P1)，其上依次串联有氧气罐(1)、第一抽气泵(2)、氧气稳压腔(3)、氧气流量传感器(4)、氧气喷嘴(8)；氢气供给管路(P2)，其上依次串联有氢气罐(15)、第二抽气泵(14)、氢气稳压腔(13)、氢气流量传感器(12)、氢气喷嘴(11)；氢气回收管路(P3)，其上依次串联有冷凝器(18)、水箱(19)、第三抽气泵(20)；氢氧内燃机(5)、曲轴信号传感器(6)、预燃室(7)、火花塞(10)、排气门电磁阀(16)、排气门(17)、转速信号传感器(21)、负荷信号传感器(22)、电控单元ECU(23)；
所述电控单元ECU(23)与第一抽气泵(2)相连接并通过第一抽气信号a控制第一抽气泵(2)；
所述电控单元ECU(23)与曲轴信号传感器(6)相连接并获得曲轴信号b；
所述电控单元ECU(23)与氧气流量传感器(4)相连接并获取氧气流量信号c；
所述电控单元ECU(23)与氧气喷嘴(8)相连接并通过氧气喷射信号d控制氧气喷嘴(8)的开闭；
所述电控单元ECU(23)与火花塞(10)相连接并通过火花塞信号e控制火花塞的放电；
所述电控单元ECU(23)与氢气喷嘴(11)相连接并通过氢气喷射信号f控制氢气喷嘴(11)的开闭；
所述电控单元ECU(23)与排气门电磁阀(16)相连接，通过排气门开闭信号g控制排气门(17)的开启和关闭；
所述电控单元ECU(23)与氢气流量传感器(12)相连接并获取氢气流量信号h；
所述电控单元ECU(23)与转速信号传感器(21)相连接并获得转速信号i；
所述电控单元ECU(23)与负荷信号传感器(22)相连接并获取负荷信号j；
所述电控单元ECU(23)与第二抽气泵(14)相连接并通过第二抽气信号k控制第一抽气泵(14)；
所述电控单元ECU(23)与第三抽气泵(20)相连接并通过第一抽气信号l控制第一抽气泵(20)。
2.控制如权利要求1所述的一种基于预燃室的射流点火氢氧内燃机的方法，其特征在于：
(1)燃烧控制策略
电控单元ECU(23)通过第二抽气信号k启动第二抽气泵(14)，第二抽气泵(14)将氢气从氢气罐(15)中抽取出来，氢气由供氢管路(P2)依次经过第二抽气泵(14)、氢气稳压腔(13)、氢气流量传感器(12)进入氢气喷嘴(11)；电控单元ECU(23)通过接收转速信号i、曲轴信号b、负荷信号j计算出氢氧内燃机(5)所需的循环供氢量及其对应的喷氢脉宽；当处于上止点后20度曲轴转角时，电控单元ECU(23)基于氢气喷射脉宽发出氢气喷射信号f使氢气喷嘴(11)处于开启状态，氢气喷嘴(11)持续喷出氢气；氢气通过氢气喷嘴(11)进入预燃室(7)，预燃室(7)设有射流孔，喷入预燃室(7)内的氢气通过射流孔进入主燃烧室；循环喷氢量喷射完毕时，电控单元ECU(23)通过氢气喷射信号f控制氢气喷嘴(11)使其处于闭合状态；电控单元ECU(23)所控制的氢气喷嘴(11)应在曲轴每转1周时开启和关闭一次；
电控单元ECU(23)通过第一抽气信号a启动第一抽气泵(2)，第一抽气泵(2)将氧气从氧气罐(1)中抽取出来，氧气由供氧管路(P1)依次经过第一抽气泵(2)、氧气稳压腔(3)、氧气流量传感器(4)进入氧气喷嘴(8)；电控单元ECU(23)通过接收转速信号i、曲轴信号b、负荷信号j计算出氢氧内燃机(5)所需的循环供氧量及其对应的喷氧脉宽；在上止点前60度曲轴转角时，电控单元ECU(23)基于氧气喷射脉宽发出氧气喷射信号d使氧气喷嘴(8)处于开启状态，氧气喷嘴(8)持续喷出氧气，在上止点前完成喷氧过程；氧气通过氧气喷嘴(8)进入预燃室(7)，并与预燃室(7)内的氢气混合；循环喷氧量喷射完毕时，电控单元ECU(23)通过氧气喷射信号d控制氧气喷嘴(8)使其处于闭合状态；氢气和氧气的循环体积比例7:3；电控单元ECU(23)所控制的氧气喷嘴(8)应在曲轴每转1周时开启和关闭一次；
在上止点前30度曲轴转角，电控单元ECU(23)通过发出点火信号e触发火花塞(10)跳火，利用火花塞(10)跳火所提供的初始能量点燃预燃室内氢气和氧气的混合气；电控单元ECU(23)所控制的火花塞(10)跳火过程应在曲轴每转1周时跳火一次；
(2)尾气回收策略
电控单元ECU(23)通过发出排气门开闭信号g控制排气门电磁阀(16)的通电或断电，进而控制排气门(17)的运动；电控单元ECU(23)通过发出排气门开闭信号g控制排气门(17)的运动，使其在下止点前20度曲轴转角处开启，在上止点后20度曲轴转角处关闭；电控单元ECU(23)所控制的排气门(17)应在曲轴每转1周时开启和关闭各一次；
在排气门(17)开启后，发动机缸内燃烧后的尾气由排气管道排出经由冷凝器(18)，尾气中的水蒸气经过冷凝器(18)后变为液态水进入水箱(19)进行储存；电控单元ECU(23)发出第三抽气信号l控制第三抽气泵(20)的开启，使由排气管道排出经由冷凝器(18)冷凝后的剩余未燃氢气通过第三抽气泵(20)泵入氢气罐(15)中；同时将窜入曲轴箱的氢气通过第三抽气泵(20)泵入氢气罐(15)中；通过第三抽气泵(20)泵入氢气罐(15)中的氢气，继续进入供氢管路(P2)参与发动机下一次燃烧。
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