CN115111025B - 直喷氢内燃机曲轴箱系统及具有其的车辆及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种直喷氢内燃机曲轴箱系统及具有其的车辆及控制方法，包括：曲轴箱；连通部，连通部与曲轴箱连通设置，连通部内设置有电子冷凝器；风机部，风机部的进口端与连通部的出口端连通设置，风机部的出口端通过补气管路与曲轴箱连通地设置；控制器，控制器与风机部电性连接，控制器用于控制风机部向曲轴箱内进行补气，以使曲轴箱内的压力位于预设区间。本申请采取风机部对曲轴箱系统进行换气。并且，以曲轴箱压力为目标进行闭环控制，消除曲轴箱污染物，提高曲轴箱的可靠性。

Description

直喷氢内燃机曲轴箱系统及具有其的车辆及控制方法

技术领域

本发明涉及曲轴箱技术领域，具体而言，涉及一种直喷氢内燃机曲轴箱系统及具有其的车辆及控制方法。

背景技术

直喷氢内燃机是氢能利用的前沿技术手段之一，但是直喷氢内燃机的曲轴箱排气污染物尚未被广泛关注，目前国内外的汽车厂家和研究机构普遍采用沿用汽油机的控制方式和方法。

现有技术中公开了一种油气分离器和文丘里原理的呼吸管的曲轴箱污染物的处理系统，包括：第一油气分离器、第一呼吸管、文丘里管、第二呼吸管。该发明所提供曲轴箱污染物的处理系统，在发动机处于小负荷工况下，由进气歧管形成负压，通过第一呼吸管将曲轴箱内的污染物抽吸出来；当发动机大负荷运行时，由文丘里管的喉部形成负压，通过第二呼吸管将曲轴箱内污染物快速抽吸出来，抽吸出来的污染物可随新鲜空气一起进入燃烧室燃烧，以解决曲轴箱污染物的排放问题，同时还能够减少机油稀释、第二呼吸管的堵塞。

现有技术中公开了一种油气分离器和文丘里原理的呼吸管的曲轴箱污染物的处理系统，包括：第一油气分离器、第一呼吸管、文丘里管、第二呼吸管。该发明所提供曲轴箱污染物的处理系统，在发动机处于小负荷工况下，由进气歧管形成负压，通过第一呼吸管将曲轴箱内的污染物抽吸出来；当发动机大负荷运行时，由文丘里管的喉部形成负压，通过第二呼吸管将曲轴箱内污染物快速抽吸出来，抽吸出来的污染物可随新鲜空气一起进入燃烧室燃烧，以解决曲轴箱污染物的排放问题，同时还能够减少机油稀释、第二呼吸管的堵塞。

现有技术中公开了另一种相关技术，用于减少气体发动机曲轴箱可燃气体积聚的装置，设于气体发动机进气管与发动机曲轴箱之间，所述气体发动机进气管的管路上设有增压器、多路回气管和冷凝器组成，当发动机运转时，通过增压器的抽吸力,将曲轴箱内多余的油气混合气体经过回气管和冷凝器的冷却，将混合气体中的水蒸气冷凝成液态的水进行分离， 剩余的气态混合物通过回气管同发动机进气混合重新进入气缸内参与燃烧。

上述相关技术主要是针对汽油机的曲轴箱污染物进行处理，或者降低气体发动机曲轴箱排出的污染物，并没有有效的解决直喷氢内燃机曲轴箱排出气体的有效处理方法。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种直喷氢内燃机曲轴箱系统及具有其的车辆及控制方法，以解决现有技术中曲轴箱有排气污染物的问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种直喷氢内燃机曲轴箱系统，包括：曲轴箱；连通部，连通部与曲轴箱连通设置，连通部内设置有电子冷凝器；风机部，风机部的进口端与连通部的出口端连通设置，风机部的出口端通过补气管路与曲轴箱连通地设置；控制器，控制器与风机部电性连接，控制器用于控制风机部向曲轴箱内进行补气，以使曲轴箱内的压力位于预设区间。

进一步地，曲轴箱内设置有微压传感器，控制器与微压传感器电性连接，微压传感器用于检测曲轴箱内的压力。

进一步地，直喷氢内燃机曲轴箱系统包括：排气后处理器，排气后处理器的进口端通过曲轴箱管路与风机的其中一个出气口连通地设置。

进一步地，排气后处理器为氧化型催化器。

进一步地，直喷氢内燃机曲轴箱系统包括：蒸发器，蒸发器的进口端通过冷凝水管路与连通部的其中一个出口连通地设置，其中，经电子冷凝器冷凝形成的液态水通过冷凝水管与蒸发器进行热交换。

进一步地，直喷氢内燃机曲轴箱系统包括：氢气源，氢气源的供氢管路与蒸发器相邻地设置以进行热交换作业。

进一步地，曲轴箱内的压力预设区间为P，其中，（-1）KPa≤P≤0。

根据本发明的另一方面，提供了一种车辆，包括直喷氢内燃机曲轴箱系统，直喷氢内燃机曲轴箱系统为上述的直喷氢内燃机曲轴箱系统。

根据本发明的另一方面，提供了一种喷氢内燃机曲轴箱系统的控制方法，方法用于上述的直喷氢内燃机曲轴箱系统，方法包括以下步骤：获取直喷氢内燃机曲轴箱内的压力信息；判断压力信息是否满足预设条件；在压力信息不满足预设条件的情况下，生成控制指令，控制指令用于控制风机部转动，以向直喷氢内燃机曲轴箱内进行补气，直至直喷氢内燃机曲轴箱内的压力信息满足预设条件。

进一步地，判断压力信息是否满足预设条件，包括：判断压力信息是否位于预设区间内，其中，预设区间为P，（-1）KPa≤P≤0。

进一步地，方法包括：当检测到曲轴箱内压力高于0KPa时，控制风机部进行正向调速，从曲轴箱内抽气保证曲轴箱内的压力满足预设条件，经过电子冷凝器除湿后，对气体进行二次增压，并经过曲轴箱管路将曲轴箱污染区引入发动机的排气系统内；当检测到曲轴箱内压力低于-1KPa时，控制器对风机部进行逆向调速，向曲轴箱内补充新鲜空气，保证曲轴箱内的压力满足预设条件。

应用本发明的技术方案，提供一种直喷氢内燃机曲轴箱系统，其连通部与曲轴箱连通设置，连通部内设置有电子冷凝器。风机部的进口端与连通部的出口端连通设置，风机部的出口端通过补气管路与曲轴箱连通地设置。控制器与风机部电性连接，控制器用于控制风机部向曲轴箱内进行补气，以使曲轴箱内的压力位于预设区间。本申请以曲轴箱压力为目标进行闭环控制，消除曲轴箱污染物,提高曲轴箱的可靠性。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了根据本发明的一种直喷氢内燃机曲轴箱系统的第一实施例的结构示意图；

图2是根据本发明实施例的一种直喷氢内燃机曲轴箱系统的控制方法的示意图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

1、曲轴箱；2、微压传感器；3、电子冷凝器；4、风机部；5、排气后处理器；6、蒸发器；7、氢气源；8、曲轴箱管路；9、冷凝水管路；10、补气管路。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的术语在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施方式例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

现在，将参照附图更详细地描述根据本申请的示例性实施方式。然而，这些示例性实施方式可以由多种不同的形式来实施，并且不应当被解释为只限于这里所阐述的实施方式。应当理解的是，提供这些实施方式是为了使得本申请的公开彻底且完整，并且将这些示例性实施方式的构思充分传达给本领域普通技术人员，在附图中，为了清楚起见，有可能扩大了层和区域的厚度，并且使用相同的附图标记表示相同的器件，因而将省略对它们的描述。

结合图1至图2所示，根据本申请的具体实施例，提供了一种直喷氢内燃机曲轴箱系统。

具体地，如图1所示，一种直喷氢内燃机曲轴箱系统，包括：曲轴箱1、连通部、风机部4和控制器。连通部与曲轴箱1连通设置，连通部内设置有电子冷凝器3。风机部4的进口端与连通部的出口端连通设置，风机部4的出口端通过补气管路10与曲轴箱1连通地设置。控制器与风机部4电性连接，控制器用于控制风机部4向曲轴箱1内进行补气，以使曲轴箱1内的压力位于预设区间。本实施例中风机部可以选用变频风机。

在本实施例中，采取风机部4对氢气内燃机曲轴箱系统进行补气，并以曲轴箱压力为目标进行闭环控制，同时能够消除曲轴箱污染物，并且摒弃传统乘用车复杂的曲轴箱通风管路系统，提高曲轴箱的可靠性。

进一步地，曲轴箱1内设置有微压传感器2，控制器与微压传感器2电性连接，微压传感器2用于检测曲轴箱1内的压力。这样设置可以检测曲轴箱内的压力，ECU以微压传感器2的测量值对曲轴箱内压力进行闭环控制，通过风机部4对曲轴箱1进行强制补气，以维持曲轴箱内的压力始终控制在固定的范围内，提高曲轴箱的稳定性。

在本申请的另一实施例中，直喷氢内燃机曲轴箱系统包括：排气后处理器5，排气后处理器5的进口端通过曲轴箱管路8与风机部4的其中一个出气口连通地设置。使得从曲轴箱内排出的气体进行燃烧处理。本实施例中的排气后处理器5选用为氧化型催化器（DOC）排气后处理器。

进一步地，排气后处理器5为氧化型催化器。使得曲轴箱内排出的气体进行充分的燃烧处理。

在本申请的另一实施例中，直喷氢内燃机曲轴箱系统包括：蒸发器6，蒸发器6的进口端通过冷凝水管路9与连通部的其中一个出口连通地设置，其中，经电子冷凝器3冷凝形成的液态水通过冷凝水管路9与蒸发器6进行热交换。将冷凝的水流入蒸发器内，使得在蒸发器内进行热交换，保证可靠性。

进一步地，直喷氢内燃机曲轴箱系统包括：氢气源7，氢气源7的供氢管路与蒸发器6相邻地设置以进行热交换作业，这样设置能够保证管路中的氢气的温度始终处于安全使用温度值范围内，有效提高了该系统的可靠性。

具体地，曲轴箱1内的压力预设区间为P，其中，（-1）KPa≤P≤0。这样设置主要起到保护作用，保证了曲轴箱的可靠性与安全性，也防止出现热排气倒流入曲轴箱系统之类的事故。

在本申请的另一实施例中，曲轴箱内布置一个微压传感器，用来检测曲轴箱内实时压力。发动机启动后，曲轴箱的气体通过风机部4上行，经过电子冷凝器3将水蒸气进行分离，水通过管路进入蒸发器内。脱水后的曲轴箱气体，通过风机部4进一步增压后通过管路进入到排气后处理器5中进行燃烧。ECU以微压传感器2的测量值对曲轴箱内压力进行闭环控制，通过风机部4对1曲轴箱进行强制补气，以维持曲轴箱内的压力始终控制在0~(-1)KPa内。

如图1所示，由于曲轴箱内压力是动态平衡的过程，采取稳压腔体的设计保证微压传感器的精度，同时也避免受到飞溅机油的干扰，对灵敏度造成影响。直喷氢发动机的排气后处理器采取选择性催化还原系统（SCR），所以必须提前将通风气体内的水蒸气分离，避免进入排气管理内使催化器产生水热反应，同时也要避免水蒸气进入机油盘内，造成机油乳化现象。分离后的水进入氢气管路的蒸发器内，弥补高压氢气减压成低压氢气的过程中需要大量吸热。直喷经过脱水后的曲轴箱通风气体，通过变频风机增压后排入发动机排气管路内，随气流进入氧化型催化器（DOC）的排气后处理器内，少量未燃氢气在氧化型催化器（DOC）的排气后处理器内发生氧化反应生产成气态水，氧化反应放出的热量提升排气温度，使选择性催化还原系统更容易达到的起燃温度。其他曲轴箱污染物中的CO经过氧化变成CO2，NOx通过SCR系统被还原成N2和水，排入大气中。

上述实施例中的直喷氢内燃机曲轴箱系统，可以用于车辆技术领域，即根据本发明的另一方面，提供了一种车辆，包括直喷氢内燃机曲轴箱系统，直喷氢内燃机曲轴箱系统为上述的直喷氢内燃机曲轴箱系统。这样设置实现一种通过变频风机主动式的曲轴箱控制系统，将曲轴箱污染物通过冷凝器除湿后、排气后处理器进行无害化处理，使得车辆行驶时降低有害气体的排放。

根据本发明的另一方面，提供了一种直喷氢内燃机曲轴箱系统的控制方法，方法用于上述的直喷氢内燃机曲轴箱系统，方法包括以下步骤：获取直喷氢内燃机曲轴箱内的压力信息；判断压力信息是否满足预设条件；在压力信息不满足预设条件的情况下，生成控制指令，控制指令用于控制风机部转动，以向直喷氢内燃机曲轴箱内进行补气，直至直喷氢内燃机曲轴箱内的压力信息满足预设条件。

进一步地，判断压力信息是否满足预设条件，包括：判断压力信息是否位于预设区间内，其中，预设区间为P，（-1）KPa≤P≤0。这样设置保证曲轴箱内的压力平衡。

具体地，方法包括：当检测到曲轴箱内压力高于0KPa时，控制风机部进行正向调速，从曲轴箱内抽气保证曲轴箱内的压力满足预设条件，经过电子冷凝器除湿后，对气体进行二次增压，并经过曲轴箱管路将曲轴箱污染区引入发动机的排气系统内。当检测到曲轴箱内压力低于-1KPa时，控制器对风机部进行逆向调速，向曲轴箱内补充新鲜空气，保证曲轴箱内的压力满足预设条件。这样设置可以保持曲轴箱内的压力平衡。

如图2所示，以曲轴箱内压力为控制对象，采取微压传感器实时测量曲轴箱内的压力，通过ECU进行闭环控制变频风机的流量，来实现曲轴箱内压力的动态稳定。控制系统工作时为闭环工作，即变频器设定一个目标量，从传感器的实测数据与目标量的差值获得反馈量；当反馈量小于目标量，变频器给出频率上升信号使频率升高，风机转速随之上升。反之变频器给出频率下降信号使频率降低，风机转速随之下降。该控制方法仅新增一个微压传感器，成本低易于实现。控制上采取变频电路控制，显著优于PID控制器，不易出现超调和震荡，是一种兼顾解决曲轴箱排放和氢气内燃机安全的电气化有效措施。通过电气化的控制方式替代传统机械式压差控制方式，以氢气内燃机曲轴箱压力为目标进行闭环控制，发动机运行全工况满足最佳要求。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位（旋转90度或处于其他方位），并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

除上述以外，还需要说明的是在本说明书中所谈到的“一个实施例”、“另一个实施例”、“实施例”等，指的是结合该实施例描述的具体特征、结构或者特点包括在本申请概括性描述的至少一个实施例中。在说明书中多个地方出现同种表述不是一定指的是同一个实施例。进一步来说，结合任一实施例描述一个具体特征、结构或者特点时，所要主张的是结合其他实施例来实现这种特征、结构或者特点也落在本发明的范围内。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种直喷氢内燃机曲轴箱系统，其特征在于，包括：

曲轴箱（1）；

连通部，所述连通部与所述曲轴箱（1）连通设置，所述连通部内设置有电子冷凝器（3）；

风机部（4），所述风机部（4）的进口端与所述连通部的出口端连通设置，所述风机部（4）的出口端通过补气管路（10）与所述曲轴箱（1）连通地设置；

控制器，所述控制器与所述风机部（4）电性连接，所述控制器用于控制所述风机部（4）向所述曲轴箱（1）内进行补气，以使所述曲轴箱（1）内的压力位于预设区间；

排气后处理器（5），所述排气后处理器（5）的进口端通过曲轴箱管路（8）与所述风机部（4）的其中一个出气口连通地设置，所述排气后处理器（5）为氧化型催化器；

蒸发器（6），所述蒸发器（6）的进口端通过冷凝水管路（9）与所述连通部的其中一个出口连通地设置，其中，经所述电子冷凝器（3）冷凝形成的液态水通过所述冷凝水管路（9）与所述蒸发器（6）进行热交换；

氢气源（7），所述氢气源（7）的供氢管路与所述蒸发器（6）相邻地设置以进行热交换作业。

2.根据权利要求1所述的直喷氢内燃机曲轴箱系统，其特征在于，所述曲轴箱（1）内设置有微压传感器（2），所述控制器与所述微压传感器（2）电性连接，所述微压传感器（2）用于检测所述曲轴箱（1）内的压力。

3.根据权利要求1所述的直喷氢内燃机曲轴箱系统，其特征在于，所述曲轴箱（1）内的压力预设区间为P，其中，（-1）KPa≤P≤0。

4.一种车辆，包括直喷氢内燃机曲轴箱系统，其特征在于，所述直喷氢内燃机曲轴箱系统为权利要求1至3中任一项所述的直喷氢内燃机曲轴箱系统。

5.一种直喷氢内燃机曲轴箱系统的控制方法，所述方法用于控制权利要求1至4中任一项所述的直喷氢内燃机曲轴箱系统，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

获取直喷氢内燃机曲轴箱内的压力信息；

判断所述压力信息是否满足预设条件；

在所述压力信息不满足预设条件的情况下，生成控制指令，所述控制指令用于控制风机部转动，以向所述直喷氢内燃机曲轴箱内进行补气，直至所述直喷氢内燃机曲轴箱内的压力信息满足所述预设条件。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，判断所述压力信息是否满足预设条件，包括：

判断所述压力信息是否位于预设区间内，其中，所述预设区间为P，（-1）KPa≤P≤0。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法包括：

当检测到曲轴箱内压力高于0KPa时，控制所述风机部进行正向调速，从曲轴箱内抽气保证曲轴箱内的压力满足预设条件，经过电子冷凝器除湿后，对气体进行二次增压，并经过曲轴箱管路将曲轴箱污染区引入发动机的排气系统内；

当检测到曲轴箱内压力低于-1KPa时，控制器对风机部进行逆向调速，向曲轴箱内补充新鲜空气，保证曲轴箱内的压力满足预设条件。

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