CN115126592A - 一种氢气预燃室式发动机及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种氢气预燃室式发动机及其控制方法，包括发动机和预燃系统，发动机包括缸体、缸盖、活塞、进气道和排气道，缸体、缸盖和活塞之间形成主燃烧室，进气道和排气道与主燃烧室连通，进气道内设置有汽油喷嘴；预燃系统设置在主燃烧室内，包括护套，护套与发动机之间形成预燃室，护套上设有至少一个喷射孔，预燃室通过喷射孔与主燃烧室连通，预燃室内设置有火花塞和氢气喷嘴。与现有技术相比，本发明通过预燃室喷射氢气并点火，制造高温氢气火焰射流，点燃预燃室外的稀薄汽油混合气，形成稳定燃烧火焰，从而尽可能拓展发动机稀薄燃烧边界，节约燃油，提高发动机热效率。

Description

一种氢气预燃室式发动机及其控制方法

技术领域

本发明涉及发动机技术领域，尤其是涉及一种氢气预燃室式发动机及其控制方法。

背景技术

发动机的稀薄燃烧技术是提升发动机热效率的关键技术，预燃室式发动机在稀薄燃烧方面拥有更高的技术潜力，能够明显缩短主燃烧室混合气燃烧持续期，点燃超稀薄混合气，降低燃烧温度，减少NOx的排放，提高燃烧效率，降低发动机油耗。

在预燃室式发动机运行过程中，预燃室混合气点燃后形成的火焰锋面从预燃室表面的小孔流出，并点燃主燃室中的可燃混合气。燃烧室内的多个点火位置可使混合气更快且更充分地进行燃烧，从而在发动机小负荷需求的情况下进一步提升过量空气系数和燃油经济性。

近年来，混合动力发动机大力发展，结合预燃室射流点火技术可以大幅拓展稀薄燃烧极限，提升发动机经济性。目前，小缸径、高压缩比的汽油发动机逐渐成为混动发动机的设计方向，但是，较小的气缸直径和燃烧室空间会导致预燃室布置空间有限，而常规的液态石化类燃料在小空间的预燃室中喷射容易因为雾化不充分产生附壁油膜，多循环会导致预燃室内燃浓度过高、积炭、失火甚至堵孔无法产生火焰射流，从而带来不稳定燃烧等一系列问题。

现有技术中公开了多种预燃室式发动机结构和点火控制方法，如中国专利201080009601.9公开了一种预燃室式发动机控制方法，其主要目的是依据空气过剩率来避免发动机失火的情况，其预定公式为单一种类燃料喷射，未考虑掺混多燃料发动机的情况，且不包含多重稀释技术中利用废气稀释稀薄燃烧的可能性。中国专利202110767777.0公开了一种阀控射流点火系统，目的是通过进气阀控制进气质量保证稳定燃烧，预燃室燃料为汽油。中国专利201711057883.X公开了一种基于射流点火的发动机超高压缩比燃烧控制装置和方法，其控制方法是根据发动机的热负荷大小，在小负荷条件下，向进气道掺入氢气，在大负荷条件下，向进气道掺入氢气的同时使用EGR系统进行废气再循环处理，缺点是未涉及到氢气在预燃室内的点火射流。中国专利202111368728.6公开了一种用于发动机燃烧系统的预燃室、燃烧系统及工作方法，采用偏心圆筒结构的预燃室结构设计，引导压入预燃室的主燃烧室稀混合气在预燃室内形成纵向旋转滚流，促进稀混合气与预燃室内浓混合气的混合，增加预燃室内湍流强度，使点火时预燃室内混合气状况和流动情况满足可靠点火和快速燃烧的要求，缺点是不包含对失火、燃烧稳定性的针对性设计，且不涉及喷射配比控制和多燃料掺混。中国专利202110332792.2公开了一种预燃室热射流高能点火系统，主要涉及到预燃室各部件结构新型布置方式，通过预混腔来制备预燃室中的混合气，从而同时实现预燃室内混合气的均匀混合以及混合气量的精确控制；通过液压机构来控制预燃室气门的开启与关闭，实现气门控制机构的小型化以及灵活的预燃室喷油正时，缺点是不包含对燃料喷射的控制方法。中国专利202110290837.4公开了一种稀燃发动机热射流机构及其燃烧系统，通过对气体燃料热射流发动机机构进行改进，将进气道中燃料喷射器出口端的浓度较高的混合气单独提出，为可独立进气式的预燃室结构，通过凸轮轴、气门机构，供给至预燃室中，简化了热射流发动机预燃室内混合气的制备过程。中国专利202110525858.X公开了一种外部供气式预燃室射流点火系统，目的是降低预燃室内残余废气系数，从而提高射流点火稳定性，该发明有单独的预燃室供气系统。

综上所述，现有技术中有较多针对预燃室式发动机的研究，但在小缸径、高压缩比的汽油发动机方向上，尚未提出较好的设计来解决此类发动机工作时的附壁油膜、积碳、燃烧不稳定等一系列问题。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种氢气预燃室式发动机及其控制方法，通过预燃室喷射氢气并点火，制造高温氢气火焰射流，点燃预燃室外的稀薄汽油混合气，形成稳定燃烧火焰，从而尽可能拓展发动机稀薄燃烧边界，节约燃油，提高发动机热效率。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种氢气预燃室式发动机，包括发动机和预燃系统，所述发动机包括缸体、缸盖、活塞、进气道和排气道，缸体具有至少一个缸膛，缸盖设置在缸膛一端，所述活塞在缸膛内往复运动，缸体、缸盖和活塞之间形成主燃烧室，进气道和排气道与主燃烧室连通，进气道内设置有汽油喷嘴；

所述预燃系统设置在主燃烧室内，包括护套，所述护套与发动机之间形成预燃室，护套上设有至少一个喷射孔，预燃室通过喷射孔与主燃烧室连通，预燃室内设置有火花塞和氢气喷嘴。

进一步地，所述缸盖设置在缸膛的第一端，活塞可移动地布置在缸膛的第二端并沿缸膛的中心轴线在上止点和下止点之间往复运动，护套与缸盖的内端面之间形成预燃室。

进一步地，所述护套的底部位于上止点与缸盖之间。

进一步地，所述护套的底部位于上止点与下止点之间，所述活塞的端面上设有凹坑，当活塞运动至上止点时，护套与凹坑相配合。

进一步地，所述护套包括底座和腔壁，底座与缸盖相连，火花塞和氢气喷嘴设置在底座与缸盖之间，喷射孔设置在所述腔壁上。

进一步地，所述缸盖上设有连接板，火花塞和氢气喷嘴安装在所述连接板上，火花塞的点火处与氢气喷嘴的氢气喷射处相配合。

进一步地，所述底座为圆柱形结构，所述腔壁为半球形结构。

进一步地，所述进气道和排气道与进气系统和排气系统配合，所述进气系统还包括增压系统。

进一步地，所述进气道和排气道通过缸盖连通主燃烧室，二者设置在护套的两侧。

一种氢气预燃室式发动机的控制方法，用于控制上述的氢气预燃室式发动机，具体为：

在发动机工作过程中，实时计算循环瞬态当量比α_m，如果α_m∈[A₁，A₂]，则预燃室内氢气喷嘴的氢气喷射量不变，如果α_m＞A₂，则减少氢气喷射量，如果α_m＜A₁，则增大氢气喷射量，A₁和A₂为预设值的临界阈值，所述循环瞬态当量比的计算公式为：

其中，[κ]为循环工况修正系数，V为气缸容积，P为进气压力，k_e为废弃稀释率，k_p为增压系数，b_e为循环喷油量，a₁为汽油燃料当量修正系数，b_H为循环喷氢量，a_H为氢气燃烧当量修正系数。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)针对掺混多燃料的发动机，本申请通过预燃室喷射氢气并点火，制造高温氢气火焰射流，点燃预燃室外的稀薄汽油混合气，形成稳定燃烧火焰，从而尽可能拓展发动机稀薄燃烧边界，节约燃油，提高发动机热效率。

(2)现有设计中一般将预燃室设计在缸盖外部(上部)，与主燃烧室之间仅通过狭窄小孔道连接，由于这种结构需要将预燃室外置占用更多布置空间，不适用于小缸径的发动机，本申请通过改变缸盖结构，将预燃室布置在主燃烧室之内，有效提高了空间利用率，普适性高，迎合了现代发动机高速化、小型化的发展趋势，适用于各种小缸径发动机设计。

(3)通过循环瞬态当量比控制预燃室中氢气的喷射量，有效避免氢气过多导致的泄露或氢气过少导致的燃烧不稳定，提高了发动机的工作稳定性。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

附图标记：1、主燃烧室，2、活塞，3、预燃室，4、汽油喷嘴，5、进气道，6、排气道，301、氢气喷嘴，302、火花塞。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程。应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。该部分的描述只针对几个典型的实施例，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。相同或相近的现有技术手段与实施例中的一些技术特征进行相互替换也在本发明描述和保护的范围内。

此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，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、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件。

实施例1：

一种氢气预燃室式发动机，如图1所示，包括发动机和预燃系统，发动机包括缸体、缸盖、活塞2、进气道5和排气道6，缸体具有至少一个缸膛，缸盖设置在缸膛一端，活塞2在缸膛内往复运动，缸体、缸盖和活塞2之间形成主燃烧室1，进气道5和排气道6与主燃烧室1连通，进气道5内设置有汽油喷嘴4；进气道5和排气道6与车辆的进气系统和排气系统配合，进气系统还包括增压系统；进气道5和排气道6通过缸盖连通主燃烧室1，二者设置在护套的两侧。

预燃系统设置在主燃烧室1内，包括护套，护套与发动机之间形成预燃室3，护套上设有至少一个喷射孔，预燃室3通过喷射孔与主燃烧室1连通，预燃室3内设置有火花塞302和氢气喷嘴301。

缸盖设置在缸膛的第一端，活塞2可移动地布置在缸膛的第二端并沿缸膛的中心轴线在上止点和下止点之间往复运动，护套与缸盖的内端面之间形成预燃室3。在一种实施方式下，护套的底部位于上止点与缸盖之间，活塞2的往复运动与护套互不影响。在一种实施方式下。护套的底部位于上止点与下止点之间，活塞2的端面上设有凹坑，当活塞2运动至上止点时，护套与凹坑相配合，这样可以减小发动机和预燃系统的整体体积。

本实施例中，护套包括底座和腔壁，底座与缸盖相连，火花塞302和氢气喷嘴301设置在底座与缸盖之间，喷射孔设置在腔壁上，具体的，缸盖上设有连接板，火花塞302和氢气喷嘴301通过螺栓连接、焊接等方式安装在连接板上，火花塞302的点火处与氢气喷嘴301的氢气喷射处相配合，能够点燃氢气喷嘴301中喷射的氢气。其中，底座为圆柱形结构，底座与缸盖之间形成的空间中安装火花塞302和氢气喷嘴301，腔壁为半球形结构。

本发明的工作原理如下：预燃室3中氢气喷嘴301喷射氢气，进气道5中汽油喷嘴4为PEI汽油喷嘴4，由PFI汽油喷嘴4及进气系统(可包含增压系统)进行进气道5喷射配气，伴随进气门关闭、压缩行程活塞2上移，预燃室3内氢气喷嘴301开始喷射氢气，火花塞302完成点火形成火焰射流从预燃室3内喷出高温火焰至主燃烧室1内，高温火焰点燃主燃烧室1内混合气，完成发动机做功循环。

现有技术中，预燃室发动机液体燃油喷射脉宽均在0.5ms以下，属于高速小流量喷射，其控制难度极高，空气、EGR、残余废气比率过高都会影响预燃室3内油气混合及点火射流强度，从而导致气缸内着火延迟期长、火焰传播缓慢、高转速发动机工况放热率下降、动力性差等问题。本发明使用氢气喷射产生预燃室3射流火焰引燃缸内汽油混合气，氢气属于低能量密度气体燃料，在预燃室3内可以利用高压大流量进行喷射，氢气燃烧速度极快，且可燃范围宽、火焰温度高，有利于形成可点燃缸内稀薄气体的射流火焰；此外，氢本身不含碳，预燃室3内燃烧无碳烟生成，因此可以完全避开内部积炭导致的预燃室3无法产生着火射流等问题。

氢气本身不含碳、易着火(可燃当量比范围极宽)，火焰温度高、传播速度快，有限空间内容易被点燃制造的高温氢气火焰射流，且不会产生积炭，能够点燃预燃室3外的稀薄汽油混合气，形成稳定的缸内燃烧火焰，从而尽可能拓展发动机稀薄燃烧边界，节约燃油，提高发动机热效率。

此外，预燃室3内的氢气喷射体积较小，需要控制其喷射流量在合理范围内，为了保证氢气喷射后正常着火燃烧且预燃室3内不会产生氢气不完全燃烧的泄漏现象，需要根据循环采集的发动机数据计算出循环瞬态当量比来进行逻辑判断控制，本申请提供一种氢气预燃室式发动机的控制方法，用于控制上述的氢气预燃室式发动机，具体为：

在发动机工作过程中，实时计算循环瞬态当量比α_m，如果α_m∈[A₁，A₂]，则预燃室3内氢气喷嘴301的氢气喷射量不变，如果α_m＞A₂，则减少氢气喷射量，防止氢气泄漏，如果α_m＜A₁，则增大氢气喷射量，保证射流火焰顺利点燃缸内混合气，维持稳定燃烧，A₁和A₂为预设值的临界阈值，可以通过发动机出厂稳态工况标定及相关发动机台架试验确定二者的具体值，循环瞬态当量比的计算公式为：

其中，[κ]为循环工况修正系数，通过发动机出厂稳态工况标定获知；

V为气缸容积，即发动机的缸膛容积，可根据发动机的出厂参数获知；

P为进气压力，通过进气压力传感器实时采集获知；

k_e为废弃稀释率，通过发动机出厂稳态工况标定获知；

k_p为增压系数，通过发动机出厂稳态工况标定获知；

b_e为循环喷油量，通过发动机出厂稳态工况标定获知；

a₁为汽油燃料当量修正系数，通过发动机出厂稳态工况标定获知；

b_H为循环喷氢量，通过发动机出厂稳态工况标定获知；

a_H为氢气燃烧当量修正系数，通过发动机出厂稳态工况标定获知。

需要注意的是，本申请可在软件和/或软件与硬件的组合体中被实施，例如，可采用专用集成电路(ASIC)、通用目的计算机或任何其他类似硬件设备来实现。在一个实施例中，本申请的软件程序可以通过处理器执行以实现上文所述步骤或功能。同样地，本申请的软件程序(包括相关的数据结构)可以被存储到计算机可读记录介质中，例如，RAM存储器，磁或光驱动器或软磁盘及类似设备。另外，本申请的一些步骤或功能可采用硬件来实现，例如，作为与处理器配合从而执行各个步骤或功能的电路。

另外，本申请的一部分可被应用为计算机程序产品，例如计算机程序指令，当其被计算机执行时，通过该计算机的操作，可以调用或提供根据本申请的方法和/或技术方案。而调用本申请的方法的程序指令，可能被存储在固定的或可移动的记录介质中，和/或通过广播或其他信号承载媒体中的数据流而被传输，和/或被存储在根据所述程序指令运行的计算机设备的工作存储器中。在此，根据本申请的一个实施例包括一个装置，该装置包括用于存储计算机程序指令的存储器和用于执行程序指令的处理器，其中，当该计算机程序指令被该处理器执行时，触发该装置运行基于前述根据本申请的多个实施例的方法和/或技术方案。

这里本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。实施例中所涉及的效果或优点可因多种因素干扰而可能不能在实施例中体现，对于效果或优点的描述不用于对实施例进行限制。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其它形式、结构、布置、比例，以及用其它组件、材料和部件来实现。在不脱离本发明范围和精神的情况下，可以对这里所披露的实施例进行其它变形和改变。

Claims (10)

1.一种氢气预燃室式发动机，其特征在于，包括发动机和预燃系统，所述发动机包括缸体、缸盖、活塞、进气道和排气道，缸体具有至少一个缸膛，缸盖设置在缸膛一端，所述活塞在缸膛内往复运动，缸体、缸盖和活塞之间形成主燃烧室，进气道和排气道与主燃烧室连通，进气道内设置有汽油喷嘴；

所述预燃系统设置在主燃烧室内，包括护套，所述护套与发动机之间形成预燃室，护套上设有至少一个喷射孔，预燃室通过喷射孔与主燃烧室连通，预燃室内设置有火花塞和氢气喷嘴。

2.根据权利要求1所述的一种氢气预燃室式发动机，其特征在于，所述缸盖设置在缸膛的第一端，活塞可移动地布置在缸膛的第二端并沿缸膛的中心轴线在上止点和下止点之间往复运动，护套与缸盖的内端面之间形成预燃室。

3.根据权利要求2所述的一种氢气预燃室式发动机，其特征在于，所述护套的底部位于上止点与缸盖之间。

4.根据权利要求2所述的一种氢气预燃室式发动机，其特征在于，所述护套的底部位于上止点与下止点之间，所述活塞的端面上设有凹坑，当活塞运动至上止点时，护套与凹坑相配合。

5.根据权利要求2所述的一种氢气预燃室式发动机，其特征在于，所述护套包括底座和腔壁，底座与缸盖相连，火花塞和氢气喷嘴设置在底座与缸盖之间，喷射孔设置在所述腔壁上。

6.根据权利要求5所述的一种氢气预燃室式发动机，其特征在于，所述缸盖上设有连接板，火花塞和氢气喷嘴安装在所述连接板上，火花塞的点火处与氢气喷嘴的氢气喷射处相配合。

7.根据权利要求5所述的一种氢气预燃室式发动机，其特征在于，所述底座为圆柱形结构，所述腔壁为半球形结构。

8.根据权利要求1所述的一种氢气预燃室式发动机，其特征在于，所述进气道和排气道与进气系统和排气系统配合，所述进气系统还包括增压系统。

9.根据权利要求1所述的一种氢气预燃室式发动机，其特征在于，所述进气道和排气道通过缸盖连通主燃烧室，二者设置在护套的两侧。

10.一种氢气预燃室式发动机的控制方法，其特征在于，用于控制如权利要求1-9中任一所述的氢气预燃室式发动机，具体为：

在发动机工作过程中，实时计算循环瞬态当量比α_m，如果α_m∈[A₁，A₂]，则预燃室内氢气喷嘴的氢气喷射量不变，如果α_m＞A₂，则减少氢气喷射量，如果α_m＜A₁，则增大氢气喷射量，A₁和A₂为预设值的临界阈值，所述循环瞬态当量比的计算公式为：

其中，[κ]为循环工况修正系数，V为气缸容积，P为进气压力，k_e为废弃稀释率，k_p为增压系数，b_e为循环喷油量，a₁为汽油燃料当量修正系数，b_H为循环喷氢量，a_H为氢气燃烧当量修正系数。

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