CN114962040A - 直喷氢内燃机的标定方法及控制方法 - Google Patents

直喷氢内燃机的标定方法及控制方法 Download PDF

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CN114962040A CN202210595050.3A CN202210595050A CN114962040A CN 114962040 A CN114962040 A CN 114962040A CN 202210595050 A CN202210595050 A CN 202210595050A CN 114962040 A CN114962040 A CN 114962040A
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Abstract

本申请提供了直喷氢内燃机的标定方法，包括：在直喷氢内燃机输出轴的第一转速下，及氢气喷嘴在喷射开启角的初始值下，调整喷射脉宽至第一喷射脉宽，第一喷射脉宽下直喷氢内燃机排放的NOx达近零排放限值；在第一转速下、第一喷射脉宽下，调整氢气喷嘴的喷射开启角至第一喷射开启角，第一喷射开启角下的直喷氢内燃机排放的NOx超出近零排放限值；根据第一转速、第一喷射脉宽、和第一喷射开启角计算第一喷射结束角；根据第一转速、第一喷射结束角、和第二喷射脉宽计算第二喷射开启角。还提供了直喷氢内燃机的控制方法。本申请可以使直喷氢内燃机降低NOx排放，且维持较高的动力和热效率。

Description

直喷氢内燃机的标定方法及控制方法
技术领域
本发明涉及直喷氢内燃机领域，具体涉及直喷氢内燃机的标定方法及装置、直喷氢内燃机的控制方法及装置、计算设备。
背景技术
目前，在传统内燃机领域，化石燃料依然占据主要地位，化石燃料例如汽油、柴油等，其缺点是燃烧后的排放的碳污染物较多。而氢气作为一种清洁燃料，其碳排放为零，是比较理想的“绿色”燃料。因此，使用氢内燃机替代传统化石燃料内燃机是一种趋势，例如使用氢内燃机的车辆等交通工具。
对于缸内直喷氢内燃机(简称直喷氢内燃机)工作时，需将空气和氢气引入直喷氢内燃机的气缸，利用空气中的氧气使得氢气得以燃烧，也即直喷氢内燃机中为氢气和空气进行燃烧。其中，直喷氢内燃机燃烧时，氢气燃烧温度高，直喷氢内燃机的气缸内的燃烧温度最高可达2400K左右，高温环境会使直喷氢内燃机中的空气中的氮气和氧气发生反应，生成直喷氢内燃机的主要排放污染物NOx，直喷氢内燃机的NOx排放最高可达10000ppm，比其他燃料内燃机都高。因此降低直喷氢内燃机的NOx排放，并实现近零排放，使之成为真正意义上的“绿色、无污染”能源至关重要。
一种控制直喷氢内燃机NOx排放的有效的手段是采用稀薄燃烧，但稀燃后氢气喷射量减少，燃烧速度减缓，直喷氢内燃机的动力和热效率都大幅下降。因此，有待提供一种方案，使得使直喷氢内燃机即降低NOx排放，又可以维持较高的动力和热效率。
发明内容
为达到上述目的，本申请提供了一种直喷氢内燃机的标定方法及装置、直喷氢内燃机的控制方法及装置、计算设备，以使得使直喷氢内燃机即降低NOx排放，又可以维持较高的动力和热效率。
本申请第一方面提供了一种直喷氢内燃机的标定方法，所述直喷氢内燃机的气缸内伸入有氢气喷嘴，所述方法包括：
在直喷氢内燃机输出轴的第一转速下，及氢气喷嘴在喷射开启角的初始值下，调整氢气喷嘴的喷射脉宽至第一喷射脉宽，所述第一喷射脉宽下所述直喷氢内燃机排放的NOx达近零排放限值，所述第一喷射脉宽与直喷氢内燃机输出轴的第一转速下的第一负荷相对应；
在所述第一转速下、所述第一喷射脉宽下，调整氢气喷嘴的所述喷射开启角至第一喷射开启角，所述第一喷射开启角下的所述直喷氢内燃机排放的NOx超出所述近零排放限值；
根据所述第一转速、所述第一喷射脉宽、和所述第一喷射开启角计算第一喷射结束角；
根据所述第一转速、所述第一喷射结束角、和第二喷射脉宽计算第二喷射开启角，所述第二喷射脉宽与直喷氢内燃机输出轴的第一转速下的第二负荷相对应。
由上，根据上述方式对直喷氢内燃机的标定，得到的标定结果用于直喷氢内燃机的喷氢控制时，可以达到直喷氢内燃机在NOx近零排放，且保持较高的有效热效率，即保持较好的动力性和经济性。
作为第一方面的一种可能的实现方式，所述在直喷氢内燃机输出轴的第一转速下，及氢气喷嘴在喷射开启角的初始值下，调整氢气喷嘴的喷射脉宽至第一喷射脉宽，包括：在直喷氢内燃机输出轴的第一转速下，设定氢气喷嘴在喷射开启角的初始值为直喷氢内燃机10的进气门关闭时刻对应的曲轴转角，逐渐减小所述喷射脉宽并测量所述直喷氢内燃机排放的NOx；当测量的所述直喷氢内燃机排放的NOx达近零排放限值时，记录此时喷射脉宽为所述第一喷射脉宽。
作为第一方面的一种可能的实现方式，所述在所述第一转速下、所述第一喷射脉宽下，调整氢气喷嘴的所述喷射开启角至第一喷射开启角，包括：在所述第一转速下、所述第一喷射脉宽下，逐渐减小所述喷射开启角并测量所述直喷氢内燃机排放的NOx；当测量的所述直喷氢内燃机排放的NOx超过近零排放限值时，记录此时喷射开启角为所述第一喷射开启角。
作为第一方面的一种可能的实现方式，所述计算第一喷射结束角采用如下公式：
Figure BDA0003667540360000021
其中，EOIn为所述第一喷射结束角，SOIn为所述第一喷射开启角，n1为所述第一转速，tn为所述第一喷射脉宽。
作为第一方面的一种可能的实现方式，所述计算第二喷射开启角采用如下公式：
Figure BDA0003667540360000022
其中，SOIn1为所述第二喷射开启角，EOIn为所述第一喷射结束角，n1为所述第一转速，tn1为所述第二喷射脉宽。
由上，在直喷氢内燃机输出轴第一转速下的不同负荷时，最佳喷射开启角会发生变化，但是最佳喷射结束角保持不变，因此标定过程可直接利用最佳喷射结束角，以及不同负荷工况点的近零排放最大喷射脉宽(即第二喷射脉宽)，直接计算该第一转速的不同负荷下的喷射开启角，避免了繁琐的标定扫略流程。
作为第一方面的一种可能的实现方式，还包括，在直喷氢内燃机输出轴的第二转速下，当进行标定时，根据所述第二转速、所述第一转速下的第一喷射结束角、和第二转速下的第一喷射脉宽计算第二转速下的第一喷射开启角。
由上，直喷氢内燃机输出轴不同转速和不同负荷下，最佳喷射开启角(即不同转速下的第一喷射开启角)会发生变化，但是最佳喷射结束角保持不变，因此标定过程可直接利用在第一转速下标定得到第一喷射结束角(即最佳喷射结束角)，以及不同转速工况点的近零排放最大喷射脉宽(例如第二转速下的第一喷射脉宽)，直接计算对应转速和负荷下的喷射开启角(例如第二转速下的第一喷射开启角)，避免了繁琐的标定扫略流程。
本申请第二方面提供了一种直喷氢内燃机的标定装置，所述直喷氢内燃机的气缸内伸入有氢气喷嘴，所述装置包括：
控制单元，用于在直喷氢内燃机输出轴的第一转速下，及氢气喷嘴在喷射开启角的初始值下，调整氢气喷嘴的喷射脉宽至第一喷射脉宽，所述第一喷射脉宽下所述直喷氢内燃机排放的NOx达近零排放限值，所述第一喷射脉宽与直喷氢内燃机输出轴的第一转速下的第一负荷相对应；
所述控制单元还用于在所述第一转速下、所述第一喷射脉宽下，调整氢气喷嘴的所述喷射开启角至第一喷射开启角，所述第一喷射开启角下的所述直喷氢内燃机排放的NOx超出所述近零排放限值；
计算单元，用于根据所述第一转速、所述第一喷射脉宽、和所述第一喷射开启角计算第一喷射结束角；
所述计算单元还用于根据所述第一转速、所述第一喷射结束角、和第二喷射脉宽计算第二喷射开启角，所述第二喷射脉宽与直喷氢内燃机输出轴的第一转速下的第二负荷相对应。
本申请第三方面提供了一种直喷氢内燃机的控制方法，其中，所述直喷氢内燃机的气缸内伸入有氢气喷嘴，所述方法包括：获取直喷氢内燃机输出轴的转速及负荷；根据所述转速及负荷，根据第一文件控制所述氢气喷嘴的喷射开启角、喷射脉宽或喷射结束角；所述第一文件中记录有根据第一方面所述直喷氢内燃机的标定方法得到的标定结果，所述标定结果包括：所述直喷氢内燃机输出轴的不同转速及不同负荷下对应的氢气喷嘴的喷射开启角、喷射脉宽或喷射结束角。
由上，在控制直喷氢内燃机过程中，根据第一方面所述直喷氢内燃机的标定方法得到的标定结果进行控制，可以达到直喷氢内燃机在NOx近零排放，且保持较高的有效热效率，即保持较好的动力性和经济性。
本申请第四方面提供了一种直喷氢内燃机的控制装置，其中，所述直喷氢内燃机的气缸内伸入有氢气喷嘴，所述装置包括：检测单元，用于获取直喷氢内燃机输出轴的转速及负荷；控制单元，用于根据所述转速及负荷，根据第一文件控制所述氢气喷嘴的喷射开启角、喷射脉宽或喷射结束角；所述第一文件中记录有根据第一方面所述直喷氢内燃机的标定方法得到的标定结果，所述标定结果包括：所述直喷氢内燃机输出轴的不同转速及不同负荷下对应的氢气喷嘴的喷射开启角、喷射脉宽或喷射结束角。
本申请第五方面提供了一种计算设备，其包括存储器和处理器，其中：存储器上存储有程序指令，所述程序指令当被处理器执行时使得所述处理器执行第一方面所述的直喷氢内燃机的标定方法，或者所述程序指令当被处理器执行时使得所述处理器执行第三方面所述的直喷氢内燃机的控制方法。
本申请第六方面提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有程序指令，所述程序指令当被计算机执行时使得所述计算机执行第一方面所述的直喷氢内燃机的标定方法，或者所述程序指令当被计算机执行时使得所述计算机执行第三方面所述的直喷氢内燃机的控制方法。
附图说明
图1为对直喷氢内燃机进行标定的原理图；
图2为直喷氢内燃机的标定方法的第一实施例的流程图；
图3为直喷氢内燃机的标定方法的第二实施例的流程图；
图4a为未采用本申请的标定方法标定后的直喷氢内燃机的热效率图；
图4b为采用本申请的标定方法标定的直喷氢内燃机的热效率图；
图5为直喷氢内燃机标定装置的结构性示意图；
图6为直喷氢内燃机的控制方法的流程图；
图7为直喷氢内燃机的控制装置的结构性示意图；
图8为计算设备的结构性示意图。
应理解，上述结构示意图中，各框图的尺寸和形态仅供参考，不应构成对本申请实施例的排他性的解读。结构示意图所呈现的各框图间的相对位置和包含关系，仅为示意性地表示各框图间的结构关联，而非限制本申请实施例的物理连接方式。
具体实施方式
应理解，本申请实施例提供的标定方案，包括直喷氢内燃机的标定方法及装置、直喷氢内燃机的控制方法及装置、计算设备及计算机可读存储介质等。由于这些技术方案解决问题的原理相同或相似，在如下具体实施例的介绍中，某些重复之处可能不再赘述，但应视为这些具体实施例之间已有相互引用，可以相互结合。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。如有不一致，以本说明书中所说明的含义或者根据本说明书中记载的内容得出的含义为准。另外，本文中所使用的术语只是为了描述本申请实施例的目的，不是旨在限制本申请。为了准确地对本申请中的技术内容进行叙述，以及为了准确地理解本发明，在对具体实施方式进行说明之前先对本说明书中所使用的术语给出如下的解释说明或定义：
1)氢内燃机：是指以氢气为燃料的内燃机，通过将氢气、空气混合后燃烧驱动活塞往复运动，活塞推动连杆、连杆带动曲轴转动，从而输出旋转动力的设备。区别于氢燃料电池，氢燃料电池是将氢气和氧气的化学能直接转换成电能的发电装置。
2)缸内直喷氢内燃机：简称直喷氢内燃机，其氢气喷嘴直接伸入氢内燃机的气缸内设置。相对应的是缸外喷射氢内燃机，缸外喷射氢内燃机的氢气喷嘴位于氢内燃机的气缸外，通常位于氢内燃机气缸的进气歧管内。
可以参见图1中示意性的示出的缸内直喷氢内燃机的示意图，其中，氢气喷嘴12伸入直喷该直喷氢内燃机10的气缸11内设置，空气由进气口进入气缸11，气缸11内的火花塞13点燃气缸11内混合的氢气和空气，推动活塞运动从而最终使直喷氢内燃机输出轴输出旋转动力，气缸11内混合气体燃烧后产生的废气经排气口排出。其中，直喷氢内燃机输出轴的转速与火花塞13间歇点燃的频率相关。
3)喷射开启角、喷射结束角、喷射脉宽。喷射开启角指开始向直喷氢内燃机气缸喷氢时，该直喷氢内燃机的活塞距上止点的位置所相当的曲轴转角，喷射结束角指终止向直喷氢内燃机气缸喷氢时，该直喷氢内燃机的活塞距上止点的位置所相当的曲轴转角。喷射开启角和喷射结束角可以用来表示直喷氢内燃机工作过程中，在每个喷氢周期内控制氢喷射的起始时刻和结束时刻。喷射脉宽指的是控制氢喷射器每次喷氢的时间长度，即完成一次氢喷射的起始时刻到结束时刻的时间长度。
4)上止点前(before top dead center，BTDC)：或称为上死点前，其中，上止点指活塞顶离曲轴中心最大距离时的位置。
本申请实施例用于对直喷氢内燃机进行标定，其中，该直喷氢内燃机可以是应用于交通工具、并作为交通工具的动力输出设备，该动力输出设备可以是发动机，该交通工具例如车辆、船舶、飞行器等。不难理解，该直喷氢内燃机也可以应用于其他需要动力的装置，例如泵、发电机等。本申请实施例标定的目的，是使得直喷氢内燃机处于在近零NOx排放条件下，能够有较好的动力性和经济性，也即，即要实现直喷氢内燃机的NOx的低排放(如近零排放)，又确保直喷氢内燃机有较好的热效率，其中热效率可以反应直喷氢内燃机动力性和经济性。本申请实施例所标定的参数，包括直喷氢内燃机输出轴在不同转速及不同负荷工况点下，氢气喷嘴的喷射开启角、喷射脉宽或喷射结束角。当使用本申请实施例对直喷氢内燃机进行标定后，则可以记录所标定的参数，并在该直喷氢内燃机工作时，可以使用所记录的参数对直喷氢内燃机在其输出轴不同转速及不同负荷的工况点的氢喷射进行控制。下面将结合附图对本申请进行详细介绍。
如图1示意性的示出了对直喷氢内燃机进行标定的原理图，图1中示出了直喷氢内燃机10，以及设置在氢燃料输入管路上的氢气流量计21，设置在直喷氢内燃机10输出轴侧的测功机22，设置在排气侧的NOx检测器23，还示出了用于控制氢气喷嘴12喷射过程的电子控制系统30。下面对图1各部件进行介绍：
氢气流量计21用于测量氢燃料输入管路上氢气流量，氢气流量计21可以是差压式流量计、转子式流量计、节流式流量计、电磁流量计、超声式流量计等。
测功机22用来测量直喷氢内燃机的输出功率，测功机22可以测量的参数包括直喷氢内燃机输出轴的转矩、转速，并据此可进一步确定其输出功率，以及计算出有效热效率BTE(BTE，Brake Thermal Efficiency，用来表示热效率)、负荷BMEP(BMEP，Brake MeanEffective Pressure，用来表示平均有效压力)。
NOx检测器23用来检测直喷氢内燃机排气中的NOx的含量，NOx检测器23可以包括NOx传感器或NOx排放分析仪等。
电子控制系统30与各氢气喷嘴12信号连接，控制各氢气喷嘴的喷射开启角、喷射脉宽(喷射脉宽结束时对应喷射结束角)，标定过程中，可以通过电子控制系统30调整氢气喷嘴12的喷射开启角、喷射脉宽或喷射结束角，并对这些参数进行记录。
下面，结合图1示出的原理图以及图2示出的流程图，对本申请的直喷氢内燃机的标定方法的第一实施例进行介绍，包括以下步骤：
S10：在直喷氢内燃机输出轴的第一转速下，及氢气喷嘴在喷射开启角的初始值(该初始值也可称为初始喷射开启角)下，调整氢气喷嘴的喷射脉宽至第一喷射脉宽(第一喷射脉宽也可称为最大喷射脉宽)，所述第一喷射脉宽下所述直喷氢内燃机排放的NOx达近零排放限值，所述第一喷射脉宽与直喷氢内燃机输出轴的第一转速下的第一负荷相对应。
在一些实施例中，本步骤可以具体包括：在直喷氢内燃机输出轴的第一转速下，设定氢气喷嘴在喷射开启角的初始值为直喷氢内燃机10的进气门关闭时刻对应的曲轴转角，逐渐减小所述喷射脉宽并测量所述直喷氢内燃机排放的NOx；当测量的所述直喷氢内燃机排放的NOx达近零排放限值时，记录此时喷射脉宽为所述第一喷射脉宽。
S20：在所述第一转速下、所述第一喷射脉宽下，调整氢气喷嘴的所述喷射开启角至第一喷射开启角(第一喷射开启角也可称为最佳喷射开启角)，所述第一喷射开启角下的所述直喷氢内燃机排放的NOx超出所述近零排放限值。
在一些实施例中，本步骤可以具体包括：在所述第一转速下、所述第一喷射脉宽下，逐渐减小所述喷射开启角，即逐渐推迟喷射开启角，并测量所述直喷氢内燃机排放的NOx；当测量的所述直喷氢内燃机排放的NOx超过近零排放限值时，记录此时喷射开启角为所述第一喷射开启角。
其中，当喷射脉宽保持为第一喷射脉宽不变时，推迟喷射开启角可以提升动力性和经济性，但是过于推迟会导致NOx排放增加，因此通过本步骤扫略后得到最佳喷射开启角，即所述第一喷射开启角。
S30：根据所述第一转速、所述第一喷射脉宽、和所述第一喷射开启角计算第一喷射结束角(第一喷射结束角也可称为最佳喷射结束角)。
在一些实施例中，第一喷射结束角可以采用如下公式计算：
Figure BDA0003667540360000061
其中，EOIn为所述第一喷射结束角，SOIn为所述第一喷射开启角，n1为所述第一转速，tn为所述第一喷射脉宽。
S40：根据所述第一转速、所述第一喷射结束角、和第二喷射脉宽计算第二喷射开启角，所述第二喷射脉宽与直喷氢内燃机输出轴的第一转速下的第二负荷相对应。
在一些实施例中，第二喷射开启角可以采用如下公式计算：
Figure BDA0003667540360000062
其中，SOIn1为所述第二喷射开启角，EOIn为所述第一喷射结束角，n1为所述第一转速，tn1为所述第二喷射脉宽。
其中，在直喷氢内燃机输出轴第一转速下的不同负荷时，最佳喷射开启角会发生变化，但是最佳喷射结束角保持不变，因此标定过程可直接利用最佳喷射结束角，以及不同负荷工况点的近零排放最大喷射脉宽(即第二喷射脉宽)，直接计算该第一转速的不同负荷下的喷射开启角，避免了繁琐的标定扫略流程。
上述步骤S10-S40以直喷氢内燃机输出轴的第一转速下的标定为例进行描述，当标定完该第一转速后，可以调整至另一转速继续进行标定，直到完成各个所要标定的转速下的直喷氢内燃机的参数标定，不再赘述。
在一些实施例中，直喷氢内燃机输出轴不同转速和不同负荷下，最佳喷射开启角(即不同转速下的第一喷射开启角)会发生变化，但是最佳喷射结束角保持不变，因此标定过程可直接利用在第一转速下标定得到第一喷射结束角(即最佳喷射结束角)，以及不同转速工况点的近零排放最大喷射脉宽(例如第二转速下的第一喷射脉宽)，直接计算对应转速和负荷下的喷射开启角(例如第二转速下的第一喷射开启角)，避免了繁琐的标定扫略流程。例如，在直喷氢内燃机输出轴的第二转速下，当进行标定时，可以根据所述第二转速、所述第一转速下的第一喷射结束角EOIn、和第二转速下的第一喷射脉宽，计算第二转速下的第一喷射开启角。
其中，在执行本申请实施例的直喷氢内燃机的标定方法后，可以得到标定结果，该标定结果的内容包括：该直喷氢内燃机输出轴的不同转速及不同负荷下，对应的氢气喷嘴的喷射开启角、喷射脉宽或喷射结束角。其中，标定过程中直喷氢内燃机输出轴的转速及负荷可以基于测功机测量的参数获得，喷射开启角、喷射脉宽或喷射结束角可以从控制氢气喷嘴的电子控制系统获得。
为了能够更好的理解本申请，下面进一步参见图1的原理图和图3示出的流程图，对本申请的直喷氢内燃机的标定方法的第二实施例进行介绍。其中，该标定过程中，主要标定的参数包括：氢气喷嘴12的喷射开启角SOI，其度量单位为°CA(°CA为曲轴转角的度量单位，1°CA表示曲轴转动360度中的一度，通常以活塞运动到上止点时为0°CA)；氢气喷嘴12的喷射脉宽t，其度量单位为ms；直喷氢内燃机10的输出轴转速n，其度量单位为r/min。该图3示出的第二实施例的标定方法包括以下步骤：
S110：设置直喷氢内燃机10输出轴的要标定的转速n1。以及依据最新排放法规或行业标准确定出NOx的近零排放限值SNOx，其度量单位为ppm。
S115：通过电子控制系统30设定氢气喷嘴12的初始参数，包括设定氢气喷嘴12的初始喷射开启角为直喷氢内燃机10的进气门关闭时刻对应的曲轴转角SOIi，其度量单位为°CA BTDC，设定氢气喷嘴12的初始喷射脉宽为ti，其度量单位为ms。
S120：通过测功机22测量直喷氢内燃机10输出轴转速，并据此调整直喷氢内燃机10输出轴至标定转速n1。保持直喷氢内燃机10输出轴位于标定转速n1下稳定运转，然后读取当前NOx检测器23所检测的直喷氢内燃机10排气中的NOx的浓度数值Ci，其度量单位为ppm。
S125：判断所检测的NOx的浓度数值Ci与SNOx的大小，以确定直喷氢内燃机10是否达到NOx近零排放。具体的，若Ci>SNOx，表示当前工况点直喷氢内燃机10未达到NOx近零排放，执行步骤S130；若Ci<SNOx，表示当前工况点直喷氢内燃机10达到NOx近零排放，记录此时的喷射脉宽为tn(该tn也可称为最大喷射脉宽)，并执行步骤S135。
S130：通过电子控制系统30将氢气喷嘴12的喷射脉宽进行调整，本实施例中，将喷射脉宽ti减小，并返回步骤S120。
由上的步骤，当直喷氢内燃机10未达到NOx近零排放时，可通过重复执行步骤S120-S130，不断调整喷射脉宽，并且在每次调整喷射脉宽后，待NOx检测器23数值稳定后，再次读取此时NOx传感器的数值，并重新与SNOx比较，直到该数值小于SNOx。
S135：在当前喷射脉宽为tn下，获得当前工况点直喷氢内燃机10的相关参数，参数包括测功机22测得的直喷氢内燃机10输出轴当前转速n1，测功机22测得的直喷氢内燃机10当前输出功率P1，氢气流量计21测得的氢气质量流量
Figure BDA0003667540360000081
并根据上述参数，计算当前工况点直喷氢内燃机10的有效热效率BTE1、负荷BMEP1(其中，BMEP表示平均有效压力)。
本实施例中，当前工况点直喷氢内燃机10的有效热效率BTE1的度量单位为％，其由下述公式(1)进行计算。该公式(1)中，由于氢气燃烧后生成水蒸气，故氢气取低热值120MJ/kg。
Figure BDA0003667540360000082
其中，P1为测得的直喷氢内燃机10当前输出功率，其度量单位为kW；
Figure BDA0003667540360000083
为测得的氢气质量流量，其度量单位为kg/h。公式里，由于质量流量是每小时，kw是每s，1h＝3600s，故使用3600进行度量适配。
本实施例中，当前工况点的负荷BMEP1的度量单位为MPa，其由下述公式(2)进行计算。
Figure BDA0003667540360000084
其中，V为直喷氢内燃机10的单缸排量，其度量单位为L；i为直喷氢内燃机10的缸数；n1为测得的直喷氢内燃机10输出轴当前转速。
然后，经由下述步骤S140-S160，对当前工况点直喷氢内燃机10进行标定优化。
S140：通过电子控制系统30的控制，保持上述喷射脉宽为tn不变，调整氢气喷嘴12的喷射开启角，本实施例中，推迟该喷射开启角，也即，将喷射开启角减小。
S145：待直喷氢内燃机10稳定运转后，再次获得直喷氢内燃机10的相关参数，包括调整喷射开启角后测得或计算得到的直喷氢内燃机10的输出功率、有效热效率，以及由NOx检测器23测得的排放的NOx的浓度值CSOI1。部分参数的获得方式可以参考步骤S135，不再赘述。
这里需说明的是，标定过程中，对比喷射开启角调整前后的实验数据可以发现，喷射开启角减小后直喷氢内燃机10的功率和有效热效率均有提升，这是因为氢气密度小，大量氢气更晚喷入缸内，压缩能量损失减少。
S150：判断步骤S145中所测得的排放的NOx的浓度值CSOI1与SNOx的大小，以判断直喷氢内燃机10的排放是否达到NOx的近零排放。具体的，若CSOI1<SNOx，则返回步骤S140以再次推迟的氢气喷嘴12喷射开启角；若CSOI1＝SNOx，则执行步骤S155。
S155：将此时的喷射开启角记录为最小喷射开启角，记为SOIn。
需要说明的是，当执行到本步骤后，如果继续推迟喷射开启角，则缸内氢气-空气混合气形成时间变短，容易出现局部过稀和局部过浓区域，其中浓区将生成大量NOx排放，反而无法实现近零排放要求，因此将CSOI1＝SNOx时所对应的喷射开启角记为最小喷射开启角，该最小喷射开启角可满足氢气与空气混合均匀性的需求。
S160：根据最小喷射开启角SOIn计算此工况点的喷射结束角EOIn，这里也可称为此工况点的最佳喷射结束角，其度量单位为°CA BTDC。其中，所述喷射结束角EOIn可由下述公式(3)计算：
Figure BDA0003667540360000085
其中，n1为测得的直喷氢内燃机10输出轴的转速，其度量单位为r/min，tn为喷射脉宽，其度量单位为ms。其中，公式里的6代表一转对应6°曲轴转角，即360°除以一分钟的60s。1000是用于将ms变为s，适配度量单位用。
另外，还可以记录或计算此工况点的测得的直喷氢内燃机10的输出功率、有效热效率和负荷等其他参数。关于直喷氢内燃机10的有效热效率和负荷的计算，可参考前述步骤S135，不再赘述。
S165：然后，可以对直喷氢内燃机10的输出轴n1转速下负荷较低的工况点进行标定，以得到该输出轴n1转速下，不同氢气喷射脉宽对应的各喷射开启角。下面以氢气喷射脉宽调整至为tn1为例对本步骤进行说明，具体如下：
保持直喷氢内燃机10的输出轴转速n1不变，减少氢气喷射脉宽至tn1，由于供氢量减少，负荷下降，同时缸内燃烧温度下降，NOx排放相应降低，故此工况也能实现近零排放。其中，此工况下的负荷可以参考上述公式(2)计算，其中当前输出功率可以通过测功机22测得。此工况的喷射开启角SOIn1可依据下述公式(4)计算：
Figure BDA0003667540360000091
其中，EOIn使用步骤S160得到的最佳喷射结束角，即在本步骤计算不同氢气喷射脉宽对应的各喷射开启角，始终保持喷射结束角不变。
通过上述步骤S110-S165，完成了直喷氢内燃机10输出轴转速为n1工况点的标定，可以获得在该n1转速下的最佳喷射结束角，以各个喷射脉宽(即各负荷)下的喷射开启角。
而后，可以将直喷氢内燃机10输出轴转速调整至要标定的其他转速，继续进行直喷氢内燃机10输出轴在其他转速工况点的标定，直到完成所有转速下的标定。下面以直喷氢内燃机10输出轴转速调整至n2进行标定为例，进行简述：
首先，借助于测功机22的测量，调整直喷氢内燃机10输出轴转速至n2，然后参考步骤S115-S125，依然设置氢气喷嘴12喷射开启角为SOIi，并找到满足近零排放时的喷射脉宽tn2。此工况点下，最佳性能点对应的氢气喷嘴12的喷射结束角与直喷氢内燃机10输出轴n1转速时计算得到的EOIn保持相同。但由于转速和喷射脉宽都发生变化，喷射开启角SOIn2可由公式(5)计算得到：
Figure BDA0003667540360000092
其中，直喷氢内燃机10输出轴在n2转速下其余负荷工况点与n1转速下标定方法相同，可参见步骤S165，不再赘述。
依据上述描述的标定方法，可对直喷氢内燃机10输出轴不同转速、不同负荷工况点进行扫略，可以实现直喷氢内燃机的NOx排放在近零的限值内最大动力和最高效率下的参数标定。
下面以具体的实验结果对本申请方案的效果进行说明，实验中，SNOx取20ppm，以满足目前最严排放法规和行业标准的限制，标定计算得到的最佳喷射结束角EOIn为80°CABTDC。图4a为未采用本申请的标定方法标定后的直喷氢内燃机的热效率图，图4b为采用本申请的标定方法标定的直喷氢内燃机的热效率图，这两个图对比可以看出，直喷氢内燃机采用本申请标定后的参数后，在不同转速、负荷下，直喷氢内燃机的有效热效率有显著提升，反应出了动力性和经济性的显著提升。
如图5所示，本申请实施例还提供了相应的一种直喷氢内燃机的标定装置，关于该装置的有益效果或解决的技术问题，可以参见与各装置分别对应的方法中的描述，或者参见发明内容中的描述，此处仅进行简述。该实施例中的标定装置，可以用于实现上述的标定方法中的各可选实施例。
如图5示出的直喷氢内燃机的标定装置100，包括：
控制单元110，用于在直喷氢内燃机输出轴的第一转速下，及氢气喷嘴在喷射开启角的初始值下，调整氢气喷嘴的喷射脉宽至第一喷射脉宽，所述第一喷射脉宽下所述直喷氢内燃机排放的NOx达近零排放限值，所述第一喷射脉宽与直喷氢内燃机输出轴的第一转速下的第一负荷相对应；
所述控制单元110还用于在所述第一转速下、所述第一喷射脉宽下，调整氢气喷嘴的所述喷射开启角至第一喷射开启角，所述第一喷射开启角下的所述直喷氢内燃机排放的NOx超出所述近零排放限值。
在一些实施例中，所述控制单元110具体用于实现上述步骤S10-S20以及其各实施例。
计算单元120，用于根据所述第一转速、所述第一喷射脉宽、和所述第一喷射开启角计算第一喷射结束角；
所述计算单元120还用于根据所述第一转速、所述第一喷射结束角、和第二喷射脉宽计算第二喷射开启角，所述第二喷射脉宽与直喷氢内燃机输出轴的第一转速下的第二负荷相对应。
在一些实施例中，所述计算单元120具体用于实现上述步骤S30-S40以及其各实施例。
如图6所述，本申请实施例还提供了一种直喷氢内燃机的控制方法，包括：
S210：获取直喷氢内燃机输出轴的转速及负荷。
S220：根据所述转速及负荷，根据第一文件控制所述氢气喷嘴的喷射开启角、喷射脉宽或喷射结束角。所述第一文件中记录有根据前述直喷氢内燃机的标定方法得到的标定结果，所述标定结果至少包括：所述直喷氢内燃机输出轴的不同转速及不同负荷下对应的氢气喷嘴的喷射开启角、喷射脉宽或喷射结束角。
如图7所述，本申请实施例还提供了一种直喷氢内燃机的控制装置，该直喷氢内燃机的控制装置200包括：
检测单元210，用于获取直喷氢内燃机输出轴的转速及负荷。
控制单元220，用于根据所述转速及负荷，根据第一文件控制所述氢气喷嘴的喷射开启角、喷射脉宽或喷射结束角；所述第一文件中记录有根据前述直喷氢内燃机的标定方法得到的标定结果，所述标定结果包括：所述直喷氢内燃机输出轴的不同转速及不同负荷下对应的氢气喷嘴的喷射开启角、喷射脉宽或喷射结束角。
图8是本申请实施例提供的一种计算设备900的结构性示意性图。如图8所示，该计算设备900包括：处理器910、存储器920、通信接口930。
应理解，图8所示的计算设备900中的通信接口930可以用于与其他设备之间进行通信，具体可以包括一个或多个收发电路或接口电路。
其中，该处理器910可以与存储器920连接。该存储器920可以用于存储该程序代码和数据。因此，该存储器920可以是处理器910内部的存储单元，也可以是与处理器910独立的外部存储单元，还可以是包括处理器910内部的存储单元和与处理器910独立的外部存储单元的部件。
可选的，计算设备900还可以包括总线。其中，存储器920、通信接口930可以通过总线与处理器910连接。总线可以是外设部件互连标准(Peripheral ComponentInterconnect，PCI)总线或扩展工业标准结构(Extended Industry StandardArchitecture，EISA)总线等。所述总线可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。为便于表示，图8中采用了一条无箭头的线表示，但并不表示仅有一根总线或一种类型的总线。
应理解，在本申请实施例中，该处理器910可以采用中央处理单元(centralprocessing unit，CPU)。该处理器还可以是其它通用处理器、数字信号处理器(digitalsignal processor，DSP)、专用集成电路(application specific integrated circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(field programmable gate Array，FPGA)或者其它可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。或者该处理器910采用一个或多个集成电路，用于执行相关程序，以实现本申请实施例所提供的技术方案。
该存储器920可以包括只读存储器和随机存取存储器，并向处理器910提供指令和数据。处理器910的一部分还可以包括非易失性随机存取存储器。例如，处理器910还可以存储设备类型的信息。
在计算设备900运行时，所述处理器910执行所述存储器920中的计算机执行指令执行上述方法的任一操作步骤以及其中任一可选的实施例。
应理解，根据本申请实施例的计算设备900可以对应于执行根据本申请各实施例的方法中的相应主体，并且计算设备900中的各个模块的上述和其它操作和/或功能分别为了实现本实施例各方法的相应流程，为了简洁，在此不再赘述。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统、装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统、装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。
所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
本申请实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时用于上述方法，该方法包括上述各个实施例所描述的方案中的至少之一。
本申请实施例的计算机存储介质，可以采用一个或多个计算机可读的介质的任意组合。计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或者计算机可读存储介质。计算机可读存储介质例如可以是，但不限于，电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、光纤、便携式紧凑磁盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。在本文件中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。
计算机可读的信号介质可以包括在基带中或者作为载波一部分传播的数据信号，其中承载了计算机可读的程序代码。这种传播的数据信号可以采用多种形式，包括但不限于电磁信号、光信号或上述的任意合适的组合。计算机可读的信号介质还可以是计算机可读存储介质以外的任何计算机可读介质，该计算机可读介质可以发送、传播或者传输用于由指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用的程序。
计算机可读介质上包含的程序代码可以用任何适当的介质传输，包括、但不限于无线、电线、光缆、RF等等，或者上述的任意合适的组合。
可以以一种或多种程序设计语言或其组合来编写用于执行本申请操作的计算机程序代码，所述程序设计语言包括面向对象的程序设计语言—诸如Java、Smalltalk、C++，还包括常规的过程式程序设计语言—诸如“C”语言或类似的程序设计语言。程序代码可以完全地在用户计算机上执行、部分地在用户计算机上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算机上部分在远程计算机上执行、或者完全在远程计算机或服务器上执行。在涉及远程计算机的情形中，远程计算机可以通过任意种类的网络，包括局域网(LAN)或广域网(WAN)，连接到用户计算机，或者，可以连接到外部计算机(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。
另外，说明书和权利要求书中的词语“第一、第二、第三等”或模块A、模块B、模块C等类似用语，仅用于区别类似的对象，不代表针对对象的特定排序，可以理解地，在允许的情况下可以互换特定的顺序或先后次序，以使这里描述的本申请实施例能够以除了在这里图示或描述的以外的顺序实施。
在上述的描述中，所涉及的表示步骤的标号，如S110、S120……等，并不表示一定会按此步骤执行，在允许的情况下可以互换前后步骤的顺序，或同时执行。
说明书和权利要求书中使用的术语“包括”不应解释为限制于其后列出的内容；它不排除其它的元件或步骤。因此，其应当诠释为指定所提到的所述特征、整体、步骤或部件的存在，但并不排除存在或添加一个或更多其它特征、整体、步骤或部件及其组群。因此，表述“包括装置A和B的设备”不应局限为仅由部件A和B组成的设备。
本说明书中提到的“一个实施例”或“实施例”意味着与该实施例结合描述的特定特征、结构或特性包括在本申请的至少一个实施例中。因此，在本说明书各处出现的用语“在一个实施例中”或“在实施例中”并不一定都指同一实施例，但可以指同一实施例。此外，在一个或多个实施例中，能够以任何适当的方式组合各特定特征、结构或特性，如从本公开对本领域的普通技术人员显而易见的那样。
注意，上述仅为本申请的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本申请不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本申请的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本申请进行了较为详细的说明，但是本申请不仅仅限于以上实施例，在不脱离本申请构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，均属于本申请保护范畴。

Claims (10)

1.一种直喷氢内燃机的标定方法，其特征在于，所述直喷氢内燃机的气缸内伸入有氢气喷嘴，所述方法包括：
在直喷氢内燃机输出轴的第一转速下，及氢气喷嘴在喷射开启角的初始值下，调整氢气喷嘴的喷射脉宽至第一喷射脉宽，所述第一喷射脉宽下所述直喷氢内燃机排放的NOx达近零排放限值，所述第一喷射脉宽与直喷氢内燃机输出轴的第一转速下的第一负荷相对应；
在所述第一转速下、所述第一喷射脉宽下，调整氢气喷嘴的所述喷射开启角至第一喷射开启角，所述第一喷射开启角下的所述直喷氢内燃机排放的NOx超出所述近零排放限值；
根据所述第一转速、所述第一喷射脉宽、和所述第一喷射开启角计算第一喷射结束角；
根据所述第一转速、所述第一喷射结束角、和第二喷射脉宽计算第二喷射开启角，所述第二喷射脉宽与直喷氢内燃机输出轴的第一转速下的第二负荷相对应。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在直喷氢内燃机输出轴的第一转速下，及氢气喷嘴在喷射开启角的初始值下，调整氢气喷嘴的喷射脉宽至第一喷射脉宽，包括：
在直喷氢内燃机输出轴的第一转速下，设定氢气喷嘴在喷射开启角的初始值为直喷氢内燃机的进气门关闭时刻对应的曲轴转角，逐渐减小所述喷射脉宽并测量所述直喷氢内燃机排放的NOx；
当测量的所述直喷氢内燃机排放的NOx达近零排放限值时，记录此时喷射脉宽为所述第一喷射脉宽。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在所述第一转速下、所述第一喷射脉宽下，调整氢气喷嘴的所述喷射开启角至第一喷射开启角，包括：
在所述第一转速下、所述第一喷射脉宽下，逐渐减小所述喷射开启角并测量所述直喷氢内燃机排放的NOx；
当测量的所述直喷氢内燃机排放的NOx超过近零排放限值时，记录此时喷射开启角为所述第一喷射开启角。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述计算第一喷射结束角采用如下公式：
Figure FDA0003667540350000011
其中，EOIn为所述第一喷射结束角，SOIn为所述第一喷射开启角，n1为所述第一转速，tn为所述第一喷射脉宽。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述计算第二喷射开启角采用如下公式：
Figure FDA0003667540350000012
其中，SOIn1为所述第二喷射开启角，EOIn为所述第一喷射结束角，n1为所述第一转速，tn1为所述第二喷射脉宽。
6.根据权利要求1-5任一所述的方法，其特征在于，还包括，在直喷氢内燃机输出轴的第二转速下：
根据所述第二转速、所述第一转速下的第一喷射结束角、和第二转速下的第一喷射脉宽计算第二转速下的第一喷射开启角。
7.一种直喷氢内燃机的标定装置，其特征在于，所述直喷氢内燃机的气缸内伸入有氢气喷嘴，所述装置包括：
控制单元，用于在直喷氢内燃机输出轴的第一转速下，及氢气喷嘴在喷射开启角的初始值下，调整氢气喷嘴的喷射脉宽至第一喷射脉宽，所述第一喷射脉宽下所述直喷氢内燃机排放的NOx达近零排放限值，所述第一喷射脉宽与直喷氢内燃机输出轴的第一转速下的第一负荷相对应；
所述控制单元还用于在所述第一转速下、所述第一喷射脉宽下，调整氢气喷嘴的所述喷射开启角至第一喷射开启角，所述第一喷射开启角下的所述直喷氢内燃机排放的NOx超出所述近零排放限值；
计算单元，用于根据所述第一转速、所述第一喷射脉宽、和所述第一喷射开启角计算第一喷射结束角；
所述计算单元还用于根据所述第一转速、所述第一喷射结束角、和第二喷射脉宽计算第二喷射开启角，所述第二喷射脉宽与直喷氢内燃机输出轴的第一转速下的第二负荷相对应。
8.一种直喷氢内燃机的控制方法，其中，所述直喷氢内燃机的气缸内伸入有氢气喷嘴，其特征在于，所述方法包括：
获取直喷氢内燃机输出轴的转速及负荷；
根据所述转速及负荷，根据第一文件控制所述氢气喷嘴的喷射开启角、喷射脉宽或喷射结束角；所述第一文件中记录有根据权利要求1-6任一项所述直喷氢内燃机的标定方法得到的标定结果，所述标定结果包括：所述直喷氢内燃机输出轴的不同转速及不同负荷下对应的氢气喷嘴的喷射开启角、喷射脉宽或喷射结束角。
9.一种直喷氢内燃机的控制装置，其中，所述直喷氢内燃机的气缸内伸入有氢气喷嘴，其特征在于，所述装置包括：
检测单元，用于获取直喷氢内燃机输出轴的转速及负荷；
控制单元，用于根据所述转速及负荷，根据第一文件控制所述氢气喷嘴的喷射开启角、喷射脉宽或喷射结束角；所述第一文件中记录有根据权利要求1-6任一项所述直喷氢内燃机的标定方法得到的标定结果，所述标定结果包括：所述直喷氢内燃机输出轴的不同转速及不同负荷下对应的氢气喷嘴的喷射开启角、喷射脉宽或喷射结束角。
10.一种计算设备，其特征在于，其包括存储器和处理器，其中：
存储器上存储有程序指令，所述程序指令当被处理器执行时使得所述处理器执行权利要求1-6任一项所述的直喷氢内燃机的标定方法，或者所述程序指令当被处理器执行时使得所述处理器执行权利要求8所述的直喷氢内燃机的控制方法。
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