CN116006316A - 一种基于废热利用的氢发动机系统及车辆 - Google Patents
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Abstract
本方案涉及一种基于废热利用的氢发动机系统及车辆，在根据发动机的运行工况确定需要向发动机气缸内喷水时，通过控制第一电子分流阀的开度，使发动机的高温废气进入到喷水系统中将喷入到喷水系统中的水蒸发为高压蒸汽，所形成的高压蒸汽再同通过中冷器进入到喷水系统中的新鲜空气一起混合进入发动机气缸内参与发动机做功；参与水蒸发后的废气进入增压器中参与做功增压；在确定不需要向发动机气缸内喷水且曲轴箱油水分离系统需要油水分离时，通过控制第一电子分流阀和第二电子分流阀的开度，使发动机的高温废气还进入到曲轴箱油水分离系统中将油水混合液中的水蒸发为水蒸汽而排出；参与水蒸发后的废气进入增压器中参与做功增压。
Description
技术领域
本发明涉及氢燃料发动机进排气系统领域，更具体涉及一种基于废热利用的氢发动机系统及车辆。
背景技术
对于氢燃料发动机来说，由于氢燃料特性其在燃烧过程生成的水对发动机机油有很大稀释效应，进而弱化润滑系统功能，严重影响发动机使用寿命；此外，为最大发挥氢燃料燃烧性能，燃烧过程中会向缸内喷水，利用水比热容较大的物理特性，吸收缸内燃烧释放的热量，降低缸内燃烧温度，实现发动机低温燃烧，降低缸内换热损失，提高有效热效率。
CN113586229A中提供了一种缸内喷水的氢发动机及控制方法，通过根据工况需求调节控制过量空气系数，再根据爆震传感器信号调节水泵压力和喷水器的脉宽，控制缸内燃烧。其优势是可实现全工况不同压力下不同喷水量需求的精确控制，最大发挥液态水的大比热容特性控制发动机项更高效、高性能输出的燃烧环境，但液态水本身造成的壁面淬熄、机油稀释等严重问题，从而影响发动机寿命。
CN1178207A提供了一种氢发动机曲轴箱通风系统的油水气分离装置，通过在曲轴箱油底壳增设油水分离滤芯，并在分离成分别设置油和水的出口，最终完全实现油水分离。基于该发明方法能成功实现曲轴箱油水分离，有效改善润滑系统，提高发动机使用寿命，但该方法油水分离过程是一种被动式分离，无法对其实现精确控制。
发明内容
本发明实施例针对氢燃料发动机提供一种利用发动机高温废气的实现发动机喷水和曲轴箱油水分离的氢发动机系统及车辆，并提出相应的逻辑控制策略，基于喷水和曲轴箱油水分离雾化特性，通过高温废气的二次利用，提升氢燃料发动机燃烧性能，并显著改善润滑系统，提高发动机使用寿命。
本发明的技术方案为：
本发明提供了一种基于废热利用的氢发动机系统，包括：
控制器、增压器、中冷器、喷水系统、发动机和曲轴箱油水分离系统；
发动机的废气出口通过第一电子分流阀连通至所述喷水系统；
发动机的废气出口还通过第一电子分流阀和第二电子分流阀连通至所述曲轴箱油水分离系统和所述增压器；
喷水系统的废气出口通过节流阀连通至所述增压器；
在根据发动机的运行工况确定需要向发动机气缸内喷水时，所述控制器通过控制所述第一电子分流阀的开度，使所述发动机的高温废气进入到所述喷水系统中将喷入到喷水系统中的水蒸发为高压蒸汽，所形成的高压蒸汽再同通过所述中冷器进入到所述喷水系统中的新鲜空气一起混合进入发动机气缸内参与发动机做功；同时，所述控制器还通过控制通过所述节流阀的开度，使喷水系统中参与水蒸发后的废气进入所述增压器中参与做功增压；
在确定不需要向发动机气缸内喷水且曲轴箱油水分离系统需要油水分离时，所述控制器通过控制所述第一电子分流阀和所述第二电子分流阀的开度，使所述发动机的高温废气还进入到所述曲轴箱油水分离系统中将油水混合液中的水蒸发为水蒸汽而排出；曲轴箱油水分离系统中参与水蒸发后的废气进入所述增压器中参与做功增压；
在确定不需要向发动机气缸内喷水且曲轴箱油水分离系统不需要油水分离时，所述控制器通过控制所述第一电子分流阀和所述第二电子分流阀的开度，使所述发动机的高温废气不经过所述曲轴箱油水分离系统直接进入所述增压器中。
优选地，所述喷水系统包括：
进气管、水供给装置、废气加热室、高温蒸汽室和蒸汽喷射器；
所述高温蒸汽室设置在所述废气加热室内部；
所述进气管具有供新鲜空气导入的空气入口和连通至发动机气缸的空气出口；
所述废气加热室具有废气入口和废气出口；
在确定需要向发动机气缸内喷水时，所述控制器控制所述第一电子分流阀开启至与废气入口连通的状态，并根据发动机的运行工况对水供给装置向高温蒸汽室内的喷水流量进行控制，还根据发动机的运行工况对蒸汽喷射器的喷射脉宽和喷射流量进行控制，发动机的高温废气通过所述废气入口进入所述废气加热室中，水供给装置喷入高温蒸汽室中的水经过废气加热室中的高温废气加热后蒸发为高压蒸汽，形成的高压蒸汽再经由所述蒸汽喷射器喷射至所述进气管中与新鲜空气混合，再通过空气出口一同通入至发动机气缸内；同时，所述控制器还通过控制通过所述节流阀的开度，使废气加热室中参与水蒸发后的高温废气再通过所述废气出口导入至增压器中。
优选地，所述喷水系统还包括：
一端深入至所述高温蒸汽室内的辅助加热装置，所述辅助加热装置与所述控制器连接；
所述控制器在确定需要向发动机气缸内喷水且所述高温蒸汽室内的实时温度Thi＜KTThi0时，控制所述辅助加热装置对所述高温蒸汽室的水进行辅助加热，直至确定高温蒸汽室内的实时温度Thi升高至≥KTThi0时，控制所述辅助加热装置停止加热；
其中，Thi0为高温蒸汽室内的目标温度；KT为水蒸汽温度管控系数，其值大于0且小于1。
优选地，所述喷水系统还包括：
布置在所述废气加热室外侧的泄压阀，所述泄压阀通过管道连接至所述高温蒸汽室内，所述泄压阀还与所述控制器连接；
所述控制器在确定高温蒸汽室内的实时压力Phi＞预先标定的高温蒸汽室内的最高压力Phi0时，控制泄压阀开启，直至高温蒸汽室内的实时压力Phi降低至小于或等于KPPhi0后，控制泄压阀关闭；
KP为水蒸汽压力管控系数，其值大于0且小于1。
优选地，所述水供给装置包括：
承装水的水箱，将所述水箱中的水泵出的电子水泵，将电子水泵泵出的水喷射至所述高温蒸汽室中的喷水器；
所述电子水泵和所述喷水器均与所述控制器连接；
所述控制器根据高温蒸汽室内的实时压力Phi来控制电子水泵的增压压力，并根据发动机的运行工况来对喷水器的喷水流量δQ进行控制，且喷水器的喷水流量与蒸汽喷射器的喷射流量相同。
优选地，所述曲轴箱油水分离系统包括：
曲轴箱油底壳，其内承装有油水混合液；
在所述曲轴箱油底壳顶部设置的将曲轴箱油底壳内形成的水蒸汽抽出的风扇，所述风扇与所述控制器连接；
贯穿在所述油水混合液的废气加热管，所述废气加热管具有与发动机的废气出口连通的废气加热管入口和将废气导入至增压器中的废气加热管出口；
在所述曲轴箱油底壳上还设置有对油水混合液的实时温度进行采集的温度传感器和对所述曲轴箱油底壳内的实时湿度进行采集的湿度传感器；
所述控制器在温度传感器到的曲轴箱油底壳内的实时温度The＜预设最小加热临界温度The0时，对所述第一电子分流阀和所述第二电子分流阀的开度进行控制，使发动机的全部高温废气通过废气加热管入口导入至所述废气加热管中；以及在曲轴箱油底壳内的实时温度The≥预设最小加热临界温度The0时，对所述第一电子分流阀和所述第二电子分流阀的开度进行控制，使发动机的全部高温废气不经过所述曲轴箱油水分离系统而直接导入增压器中；
所述控制器还在湿度传感器采集到的曲轴箱油底壳内的实时湿度Hhe＞预设最大临界湿度Hhe0时，控制风扇开启；以及在曲轴箱油底壳内的实时湿度Hhe≤预设最大临界湿度Hhe0时，控制风扇关闭。
优选地，若发动机工况MAP图中，发动机的运行工况处于预设负荷区域，则控制器确定需要向发动机气缸内喷水。
优选地，若根据发动机的运行工况确定需要向发动机气缸内喷水，控制器先控制第一电子分流阀按照预设开度开启使发动机的全部高温废气通入废气加热室中，根据高温蒸汽室内的实时压力Phi设定电子水泵的增压压力，根据发动机的运行工况设置喷水器向高温蒸汽室中的喷水流量，以及根据发动机的运行工况设置蒸汽喷射器的喷射脉宽和喷射流量；进一步地，
若高温蒸汽室内的实时温度Thi＜KTThi0，控制器控制节流阀的开度全开，并控制第一电子分流阀的开度完全开启至与废气入口连通的最大状态，使发动机的高温废气以最大流速全部导入废气加热室中；控制器还控制辅助加热装置对所述高温蒸汽室的水进行辅助加热；
在变化至KTThi0≤Thi＜Thi0之后，控制器控制节流阀和第一电子分流阀的开度减小，使发动机的高温废气慢速导入废气加热室中；控制器还控制辅助加热装置停止对所述高温蒸汽室的水进行辅助加热；
在变化至Thi0≤Thi之后，控制器控制第一电子分流阀关闭，停止向废气加热室中导入高温废气；
Thi0为高温蒸汽室内的目标温度；KT为水蒸汽温度管控系数，其值大于0且小于1。
本发明还提供了一种车辆，包括上述的基于废热利用的氢发动机系统。
本发明的有益效果为：基于喷水和曲轴箱油水分离雾化特性，通过高温废气的二次利用，提升氢燃料发动机燃烧性能，并显著改善润滑系统，提高发动机使用寿命。与现有技术相比，通过充分利用发动机废气余热，可实现氢燃料发动机进气道喷水蒸汽，避免了燃烧室喷水造成壁面淬熄问题；此外结合油与水不同蒸发温度临界点原理，通过控制废气流量和时间给曲轴箱油底壳的油水混合液加热，实现油水分离并排水的主动精确控制。
附图说明
图1为本实施例中基于废气利用的氢发动机系统的结构图；
图2为本实施例中喷水系统的原理图；
图3为氢燃料发动机的工况MAP图；
图4为本实施例中曲轴箱油水分离系统的正面结构示意图；
图5为本实施例中曲轴箱油水分离系统的横截面结构示意图；
图6为氢燃料发动机高温尾气的二次利用控制方法流程图；
图7为氢燃料发动机进气道喷水温度控制方法流程图；
图8为氢燃料发动机进气道水蒸汽喷射过程控制方法流程图；
图9为氢燃料发动机曲轴箱油水分离控制方法流程图；
本实施例中涉及相关符号含义说明如下：
1-增压器，2-中冷器，3-流量传感器，4-压力传感器，5-温度传感器，6-废气出口，7-喷水系统，8-空气入口，9-空气出口，10-废气入口，11-节流阀，12-发动机，13-第一电子分流阀，14-流量传感器，15-第二电子分流阀，16-流量传感器，17-废气加热管入口，18-曲轴箱除水系统，19-废气加热管出口，20-三通阀，21-废气加热室，22-电热泵，23-温度传感器，24-高温蒸汽室，25-温度传感器，26-压力传感器，27-喷水器，28-电子水泵，29-水箱，30-泄压阀，31-蒸汽喷射器，17-废气加热管入口，19-废气加热管出口，32-风扇，33-湿度传感器，34-温度传感器，35-废气加热管，36-油水混合液；
Ta：发动机进气中冷后温度，℃；
Te1：废气加热室中的实时温度，℃；
Thi：高温蒸汽室内的实时温度，℃；
Thi0：高温蒸汽室内的目标温度，℃；
The：油水混合液的实时温度，℃；
The0：油水混合液的上限温度，℃；
TO：润滑油蒸发温度，℃；
Pa：发动机进气中冷后压力，bar；
P0：大气压力，bar；
Phi：高温蒸汽室内的实时压力，bar；
Phi0：高温蒸汽室内的最高压力，bar；
Phm0：高温蒸汽室内的最低压力，bar；
Vhi：高温蒸汽室的容积，L；
Rhi：水蒸汽气体常数，J/(kg·K)
Qa：发动机进气流量，L/min；
Qhi：高温蒸汽室内的实时水蒸汽质量，L；
Qhi0：高温蒸汽室内的最大质量，L；
Qe1：流向喷水系统中的高温废气流量，L/min；
Qe2：流向曲轴箱油水分离系统中的高温废气流量，L/min；
δQ：单次喷射质量流量，L/min；
(δQ)max：水蒸汽最大单次喷射质量流量，L/min；
KT：水蒸汽温度管控系数；
KP：水蒸汽压力管控系数；
KQ：水蒸汽流量管控系数；
Hhe：曲轴箱油底壳内的实时湿度，hPa；
Hhe0：曲轴箱油底壳内的水蒸汽湿度满足排除的临界值，hPa。
具体实施方式
本发明实施例针对氢燃料发动机提供一种利用发动机高温废气的实现发动机喷水和曲轴箱油水分离的氢发动机系统，并提出相应的逻辑控制策略，基于喷水和油水分离雾化特性，通过高温废气的二次利用，提升氢燃料发动机燃烧性能，并显著改善润滑系统，提高发动机使用寿命。
针对整个氢发动机系统，如图1中的氢发动机喷水和曲轴箱除水系统结构图和图3中的发动机工况MAP图所示，整个系统由发动机12、喷水系统7、曲轴箱油水分离系统18三大系统组成。
具体来说，该系统包括：控制器、增压器1、中冷器2、喷水系统7、发动机12和曲轴箱油水分离系统18。如图1，发动机12的废气出口通过第一电子分流阀13连通至所述喷水系统7；发动机12的废气出口还通过第一电子分流阀13和第二电子分流阀15连通至所述曲轴箱油水分离系统18和所述增压器1；喷水系统7的废气出口6通过节流阀11连通至所述增压器1。
其中，在中冷器2和喷水系统7之间布置有流量传感器3、压力传感器4和温度传感器5。控制器可以根据流量传感器3、压力传感器4和温度传感器5采集的数据对进入的新鲜空气的流量、压力和温度进行监测与控制。控制器根据温度传感器5采集的数据确定发动机进气中冷后温度Ta，控制器根据压力传感器4采集的数据确定发动机进气中冷后压力Pa，控制器根据压力传感器3采集的数据确定发动机进气流量Qa。
在第一电子分流阀13和喷水系统7的废气入口10之间布置有流量传感器14，控制器可以根据该流量传感器14监测的数据来确定流向喷水系统7中的高温废气流量Qe1。
在第二电子分流阀15和曲轴箱油水分离系统18的废气加热管入口17之间布置有流量传感器16，控制器可以根据该流量传感器16监测的数据来确定流向曲轴箱油水分离系统18中的高温废气流量Qe2。
如图2，喷水系统7包括：进气管、水供给装置、废气加热室21、高温蒸汽室24和蒸汽喷射器31；所述高温蒸汽室24设置在废气加热室21内部；所述进气管具有供新鲜空气导入的空气入口8和连通至发动机气缸的空气出口9；所述废气加热室21具有废气入口10和废气出口6。
在废气加热室21中布置有温度传感器23，控制器可以根据温度传感器23来对废气加热室21中的实时温度信息进行检测。
如图2，喷水系统7还包括：一端深入至所述高温蒸汽室24内的辅助加热装置，所述辅助加热装置与所述控制器连接；布置在所述废气加热室21外侧的泄压阀30，所述泄压阀30通过管道连接至所述高温蒸汽室24内，所述泄压阀30还与所述控制器连接。
如图2，水供给装置包括：承装水的水箱29，将所述水箱29中的水泵出的电子水泵28，将电子水泵28泵出的水喷射至所述高温蒸汽室24中的喷水器27；所述电子水泵28和所述喷水器27均与所述控制器连接。
如图4和图5，曲轴箱油水分离系统18包括：曲轴箱油底壳，其内承装有油水混合液36；在所述曲轴箱油底壳顶部设置的将曲轴箱油底壳内形成的水蒸汽抽出的风扇32，所述风扇32与所述控制器连接；贯穿在所述油水混合液36的废气加热管35，所述废气加热管35具有与发动机12的废气出口连通的废气加热管入口17和将废气导入至增压器1中的废气加热管出口19；在所述曲轴箱油底壳上还设置有对油水混合液36的实时温度进行采集的温度传感器34和对所述曲轴箱油底壳内的实时湿度进行采集的湿度传感器33。
具体来说，送入发动机12的新鲜空气是经中冷器2后通过空气入口8进入到喷水系统7中，在喷水系统7内与喷水系统7中形成的高温水蒸汽汇合后由空气出口9处流出，然后流向发动机12内参与做功。高温水蒸汽在喷水系统中的形成原理为：发动机12的高温废气从废气入口10进入到废气加热室21中，在废气加热室21内与高温蒸汽室24经过对流传热的方式将高温蒸汽室24内的水加热至高温水蒸汽，然后高温废气经废气出口6流出，其中可通过电子节流阀11和第一电子分流阀13对其导入废气加热室21的高温废气进行流量和流速的控制。此外，根据需求，发动机12的高温废气在第一电子分流阀13的调解下经废气加热管入口17流进曲轴箱油水分离系统18参与除水，然后经废气加热管出口19流出，所有高温废气最终在三通阀20处汇合，然后进入增压器1中参与做功增压。考虑高温废气经喷水系统7和曲轴箱油水分离系统18二次利用后能量有所减少，流出高温废气具体是否满足涡轮增压系统需进一步结合发动机目标开发需求而定，本发明实施例中的发动机增压系统不限于采用涡轮增压，当系统评估采用涡轮增压不满足性能需求时可直接由电子增压替代。
针对喷水系统7，如图2喷水系统结构图所示，水箱29中的水通过电子水泵28泵出，再依靠喷水器27向高温蒸汽室24内喷水，高温蒸汽室24内的水经废气加热室21中的高温废气对流加热后形成高压蒸汽由蒸汽喷射器31喷入进气管中跟新鲜空气混合进入发动机12的缸内参与发动机12做工，电热泵22用于部分工况喷水需求量大或者废气加热力度不足的情况下加速高温蒸汽室24的内部加热。其中高温蒸汽室24处于废气加热室21内部，高温蒸汽室24的材料要求耐高温，详细温度界限根据废气温度设定，高温蒸汽室24的形状和表面结构设计原则满足提高管道换热系数，从而尽可能提高加热性能；废气加热室21的外表面材料要求采用保温型材料，尽量减少热损失；水供给装置根据需求保障高温蒸汽室24内水量的供给，蒸汽喷射器31则按照发动机工况MAP需求将高温蒸汽室24内形成的高压水蒸汽向进气管中喷射，泄压阀30用于限制高温蒸汽室24内的水蒸汽压力。
详细工作原理为控制器根据发动机需求控制高温蒸汽室24内水蒸汽的温度、压力和质量流量实现其室内气体达到动态平衡。
具体操作方式为预先规定高温蒸汽室24内的目标温度Thi0，考虑目标蒸汽喷入缸内要尽可能利用水的气化潜热性质，要求Thi0温度不能太高，其具体数值需结合废气加热室21中的实时温度Tel(控制器根据在废气加热室21中布置的温度传感器23采集的数据得到该温度)而定，结合发动机运行过程中水蒸汽的温度处于动态稳定，因此设定高温蒸汽室24内的实时温度Thi(控制器通过在高温蒸汽室24内布置的温度传感器25来对该数据进行采集)范围如下：
100℃≤KTThi0＜Thi≤Thi0
其中，水蒸汽温度管控系数KT是用于基于废气加热策略设置的温度可变动范围系数，其详细数值需依赖于具体发动机开发标定和实际废气传热量而决定，其数值满足在0＜KT＜1。根据氢发动机排放数据可知，其尾气温度高达300℃甚至部分负荷达到500℃以上，因此完全满足废气加热需求，确保Thi0可控。
为了保证高温蒸汽室24内的水蒸汽满足发动机不同工况下的稳定输出，对其室内的实时压力Phi(控制器通过在高温蒸汽室24内布置的压力传感器26来对该数据进行采集)和实时水蒸汽质量Qhi有一定限制要求。其中高温蒸汽室24的实时压力Phi不能超过高温蒸汽室24常规运行下所承受的极限值Phi0，且要求蒸汽喷射器31的单次喷射后满足高温蒸汽室24内的实时压力Phi和实时水蒸汽质量Qhi变化不大，因此，综合高温蒸汽室24内的实时压力Phi、实时水蒸汽质量Qhi和实时温度Thi满足如下关系式：
PhiVhi＝QhiRhiThi
Phm0≤KPPhi0≤Phi≤Phi0
Phm0＞Pa
Qhi＜Qhi0
其中Phi0是在安全运行下所设定的高温蒸汽室24内的最高压力；KP作为水蒸汽压力管控系数，用于限定高温蒸汽室24在安全运行下所设定的最低压力，其数值满足在0＜Kp＜1；Phm0为在安全运行下所设定的高温蒸汽室24内的最低压力，其大小跟发动机进气中冷后压力Pa相关；Vhi是高温蒸汽室24的容积；Pa是发动机进气中冷后压力；Rhi是水蒸汽气体常数，Qhi0为高温蒸汽室内的最大质量，高温蒸汽室24内的实时水蒸汽质量Qhi在满足跟高温蒸汽室24内的实时温度Thi和高温蒸汽室24内的实时压力Phi关系的同时需要求蒸汽喷射器31单次喷射后满足高温蒸汽室24的实时水蒸汽质量Qhi变化不大，即Qhi值满足如下：
Qhi≥KQ(δQ)max
其中，(δQ)max是发动机在不同工况下蒸汽喷射器31的水蒸汽最大单次喷射质量流量，其大小需结合发动机目标开发需求而定；KQ为水蒸汽流量管控系数，其大小跟蒸汽喷射器31的最大喷射脉宽和喷水器27的单次喷水量经高温加热至Thi的时间相关，需通过标定确认，0＜KQ＜1。同时，为了满足高温蒸汽室24内的实时水蒸汽质量Qhi平衡，要求喷水器27跟蒸汽喷射器31的单次喷射量在设计开发过程中保持一致，即两喷射器的单次喷射质量流量均为δQ。
针对曲轴箱油水分离系统18，如图4和5所示。废气加热管35布置在曲轴箱油底壳底部，且尽量保持管道在油水混合液36中，具体位置需根据发动机润滑系统设计开发要求而定。详细工作原理为基于润滑油和水的蒸发临界温度不同(润滑油蒸发温度TO高于水蒸发温度(100℃))，通过控制高温废气的流量经过废气加热管35对曲轴箱油底壳中的油水混合液36加热，要求加热后油水混合液的实时温度The(通过在所述曲轴箱油底壳上设置的温度传感器34对所述曲轴箱油底壳内的实时温度进行采集)满足：
100℃＜The≤The0＜TO
考虑对润滑油的保护作用，其油水混合液36的上限温度The0须小于润滑油蒸发温度TO，其中废气加热管35的材料需采用导热性高的材料，布置结构需结合空间结构最大化提高管道换热系数，从而尽可能提高加热性能。
油水混合液36经加热后水因蒸发导致润滑油分离，曲轴箱油底壳内因增加高温水蒸汽导致曲轴箱油底壳内的实时压力Phe高于大气压力P0，即：
Phe＞P0
水蒸汽通过压力差排出，此外，为便于将曲轴箱内更多水蒸汽排除，设置一个风扇32，风扇32的安装位置尽量设置在曲轴箱油底壳顶部侧面，避免跟油水混合液36产生干涉。借助风扇32助力吹扫箱内多余水蒸汽，通过曲轴箱油底壳内的实时湿度Hhe(通过在所述曲轴箱油底壳上设置的湿度传感器33对所述曲轴箱油底壳内的实时湿度Hhe进行采集)控制风扇32的开启和关闭，判断条件为：
Hhe＞Hhe0
其中Hhe0为曲轴箱油底壳内的水蒸汽湿度满足排除的临界值，其作为最低开启风扇对应曲轴箱空气湿度的条件，具体大小需结合发动机开发目标和曲轴箱内实际情况标定而定。
针对上述系统，结合图6-图9发动机尾气利用控制、喷水控制和曲轴箱油水分离控制方法进一步详细说明，具体如下。
图3为氢燃料发动机的工况MAP图，图中各工况区域边界需进一步根据实际发动机开发需求而定，其中：区域A：低速负荷区，该区域对喷水无需求；区域B：中高速、中高负荷区域，该区域对喷水有需求；区域C：低负荷区域，该区域对喷水无需求首先，针对根据发动机运行过程中喷水和曲轴箱油水分离的需求，评估发动机废气利用的控制策略。图中，区域B即为本实施例中所涉及到的预设负荷区域。若在发动机工况MAP图中，发动机的运行工况处于预设负荷区域，则控制器确定需要向发动机气缸内喷水。
如图6，本发明利用上述系统来实现对发动机高温尾气的二次利用控制具体过程为：
S101：考虑喷水过程对利用废气加热的需求的优先级更高，因此明确发动机高温废气利用以满足喷水系统中的蒸汽加热为主，其次满足曲轴箱油水分离功能需求。
S102：控制器查找发动机工况MAP图，根据发动机的运行工况，判定是否需要启动向喷水系统7中喷水的策略，若是进入S103，反之进入S105；其中，若发动机工况MAP图中，发动机的运行工况处于预设负荷区域，则控制器确定需要向发动机气缸内喷水。
S103：根据喷水策略判定第一电子分流阀13和第二电子分流阀15是否需要将所有高温废气全部导向喷水系统7的废气加热室21，若是则进入S104，反之进入S106。
S104：高温尾气只满足喷水系统7的蒸汽加热需求，控制器继续执行喷水策略，返回S102。控制器执行喷水策略的具体过程为：控制器通过控制第一电子分流阀13的开度，使发动机12的高温废气全部进入到喷水系统7的废气加热室21中将喷入到喷水系统7的高温蒸汽室24中的水蒸发为高压蒸汽，所形成的高压蒸汽再同通过中冷器2进入到喷水系统7的进气管中的新鲜空气一起混合进入发动机气缸内参与发动机做功；同时，控制器还通过控制通过节流阀11的开度，使喷水系统7的废气加热室21中参与水蒸发后的废气通过三通管20进入增压器1中参与做功增压。
S105：控制器依据曲轴箱油水分离控制策略判定是否需要执行曲轴箱油水分离，若是则进入S106，反之进入S107。具体来说，控制器在温度传感器34到的曲轴箱油底壳内的实时温度The＜预设最小加热临界温度The0时，判定需要执行曲轴箱油水分离。在曲轴箱油底壳内的实时温度The≥预设最小加热临界温度The0，控制器判定不需要执行曲轴箱油水分离。
S106：控制第二电子分流阀15，将流入高温废气全部导入废气加热管35，执行曲轴箱油水分离策略，再返回S102。执行曲轴箱油水分离策略的具体过程为：对所述第一电子分流阀13和所述第二电子分流阀15的开度进行控制，使发动机12的全部高温废气通过废气加热管入口1导入至废气加热管35中
S107：控制第二电子分流阀15，将流入高温废气全部直接流向增压机1，返回S102，发动机高温废气的二次利用控制策略执行完毕。
针对上述喷水策略的具体实现，具体包括高温蒸汽室内的温度、压力与喷水质量控制的控制和喷水过程的控制。
如图7，关于高温蒸汽室24内的温度、压力与喷水质量控制方面，具体控制方式如下：
S201：规定高温蒸汽室内的高压水蒸汽的目标温度Thi0、目标压力Phi0、水蒸汽温度管控系数KT、水蒸汽压力管控系数KP，启动发动机12，第一电子分流阀13以预设开度开启，按比例向废气加热室21输送高温废气，保持高温废气通过对流换热给高温蒸汽室24加热。
S202：判断是否满足高温蒸汽室24内的实时温度Thi≤KTThi0，若是则进入S203，反之进入S204；
S203：控制器控制节流阀11保持全开，并控制第一电子分流阀13将高温废气全部导入废气加热室21中，保持高温废气以最大流速通过高温蒸汽室24外壁，保持高速换热量，再返回S202；
S204：若满足KTThi0＜Thi≤Thi0，则进入S206，反之进入S205；
S205：控制器调节第一电子分流阀13的开度，停止高温废气流向废气加热室24，返回202；
S206：调节节流阀11和第一电子分流阀13的开度，保持少量高温废气慢速通过高温蒸汽腔24外壁，维持换热量，进入S207；
S207：判断高温蒸汽室24内的实时压力Phi≤预先标定的高温蒸汽室24内的最高压力Phi0，若是则返回S202，反之说明室内压力超过预设上限值，进入S208；
S208：开启泄压阀30，直至高温蒸汽室24内的实时压力Phi降低至KPPhi0后，关闭泄压阀30，返回S202，高温蒸汽室24内的控制策略执行完毕。
如图8，关于蒸汽室喷水过程的具体控制实施方式如下：
S301：查看高温蒸汽室24的实时压力Phi，并以此设定电子水泵28增压压力为Phi，基于工况需求确定喷水量，通过喷水器27向高温蒸汽室24中喷入δQ，进入S302；
S302：查找发动机工况MAP图，确定发动机的运行工况在中高负荷区间，判定是否执行喷水计划，若是则进入S304，反之进入S303；
S303：喷水器27保持预喷水状态，返回S302；
S304：确认高温蒸汽室24内的实时温度Thi是否达到预订要求，若满足KTThi0＜Thi≤Thi0则进入S306，若满足Thi＜KTThi0则进入S305；
S305：启动电热泵22，辅助高温废气，加速高温蒸汽室24的水蒸汽加热，使室内温度快速升高至KTThi0，返回S302；
S306：根据工况需求通过控制蒸汽喷射器31的喷射脉宽向进气管中喷射高压蒸汽，喷射流量为δQ，进入S307；
S307：将蒸汽喷射器31的蒸汽喷射信号同步反馈至喷水器27，完成对高温蒸汽室24的水量补给，返回S302，高温蒸汽室24的喷水过程的具体控制策略执行完毕。
最后，如图9，关于曲轴箱油水分离，实现除水的具体实施方式如下：
S401：规定曲轴箱油底壳内的油水混合液的上限温度(预设最小加热临界温度)The0和水蒸汽湿度满足排除的临界值(预设最大临界湿度)Hhe0，进入S42；
S402：判定The≥The0，确定油水混合液状态，若是则进入S406，反之进入S403；
S403：打开分第二电子分流阀15，让高温废气持续流通废气加热管35，给油水混合液36加热，进入S404；
S404：继续判定The≥The0，确定曲轴箱油底壳中的油水混合液状态，若是进入S405，反之返回S403；
S405：关闭第二电子分流阀15，停止废气供给，返回S402；
S406：判定Hhe＞Hhe0，确定曲轴箱油底壳中的湿度状态，若是进入S407，反之返回S402；
S407：启动风扇32，助力曲轴箱油底壳中的高温水蒸汽排出曲轴箱油底壳，进入S408；
S408：继续判定Hhe＞Hhe0，确定曲轴箱湿度状态，若是返回S407，反之进入S409；
S409：关闭风扇32，返回S402，曲轴箱除水具体控制策略执行完毕。
由上述步骤可以确定，在确定不需要向发动机气缸内喷水且曲轴箱油水分离系统18需要油水分离时，所述控制器通过控制所述第一电子分流阀13和所述第二电子分流阀15的开度，使发动机12的高温废气还进入到所述曲轴箱油水分离系统18中将油水混合液中的水蒸发为水蒸汽而排出；曲轴箱油水分离系统18中参与水蒸发后的废气进入所述增压器1中参与做功增压；在确定不需要向发动机气缸内喷水且曲轴箱油水分离系统18不需要油水分离时，所述控制器通过控制所述第一电子分流阀13和所述第二电子分流阀15的开度，使所述发动机12的高温废气不经过所述曲轴箱油水分离系统18直接进入所述增压器1中。
与现有技术相比，本发明上述实施例，通过充分利用发动机废气余热，可实现氢燃料发动机进气道喷水蒸汽，避免了燃烧室喷水造成壁面淬熄问题；此外结合油与水不同蒸发温度临界点原理，通过控制废气流量和时间给曲轴箱油底壳的油水混合液加热，实现油水分离并排水的主动精确控制。
Claims (9)
1.一种基于废热利用的氢发动机系统，其特征在于，包括：
控制器、增压器(1)、中冷器(2)、喷水系统(7)、发动机(12)和曲轴箱油水分离系统(18)；
发动机(12)的废气出口通过第一电子分流阀(13)连通至所述喷水系统(7)；
发动机(12)的废气出口还通过第一电子分流阀(13)和第二电子分流阀(15)连通至所述曲轴箱油水分离系统(18)和所述增压器(1)；
喷水系统(7)的废气出口(6)通过节流阀(11)连通至所述增压器(1)；
在根据发动机的运行工况确定需要向发动机气缸内喷水时，所述控制器通过控制所述第一电子分流阀(13)的开度，使所述发动机(12)的高温废气进入到所述喷水系统(7)中将喷入到喷水系统(7)中的水蒸发为高压蒸汽，所形成的高压蒸汽再同通过所述中冷器(2)进入到所述喷水系统(7)中的新鲜空气一起混合进入发动机气缸内参与发动机做功；同时，所述控制器还通过控制通过所述节流阀(11)的开度，使喷水系统(7)中参与水蒸发后的废气进入所述增压器(1)中参与做功增压；
在确定不需要向发动机气缸内喷水且曲轴箱油水分离系统(18)需要油水分离时，所述控制器通过控制所述第一电子分流阀(13)和所述第二电子分流阀(15)的开度，使所述发动机(12)的高温废气还进入到所述曲轴箱油水分离系统(18)中将油水混合液中的水蒸发为水蒸汽而排出；曲轴箱油水分离系统(18)中参与水蒸发后的废气进入所述增压器(1)中参与做功增压；
在确定不需要向发动机气缸内喷水且曲轴箱油水分离系统(18)不需要油水分离时，所述控制器通过控制所述第一电子分流阀(13)和所述第二电子分流阀(15)的开度，使所述发动机(12)的高温废气不经过所述曲轴箱油水分离系统(18)直接进入所述增压器(1)中。
2.根据权利要求1所述的基于废热利用的氢发动机系统，其特征在于，所述喷水系统(7)包括：
进气管、水供给装置、废气加热室(21)、高温蒸汽室(24)和蒸汽喷射器(31)；
所述高温蒸汽室(24)设置在所述废气加热室(21)内部；
所述进气管具有供新鲜空气导入的空气入口(8)和连通至发动机气缸的空气出口(9)；
所述废气加热室(21)具有废气入口(10)和废气出口(6)；
在确定需要向发动机气缸内喷水时，所述控制器控制所述第一电子分流阀(13)开启至与废气入口(10)连通的状态，并根据发动机的运行工况对水供给装置向高温蒸汽室(24)内的喷水流量进行控制，还根据发动机的运行工况对蒸汽喷射器(31)的喷射脉宽和喷射流量进行控制，发动机(12)的高温废气通过所述废气入口(10)进入所述废气加热室(21)中，水供给装置喷入高温蒸汽室(24)中的水经过废气加热室(21)中的高温废气加热后蒸发为高压蒸汽，形成的高压蒸汽再经由所述蒸汽喷射器(31)喷射至所述进气管中与新鲜空气混合，再通过空气出口(9)一同通入至发动机气缸内；同时，所述控制器还通过控制通过所述节流阀(11)的开度，使废气加热室(21)中参与水蒸发后的高温废气再通过所述废气出口(6)导入至增压器(1)中。
3.根据权利要求2所述的基于废热利用的氢发动机系统，其特征在于，所述喷水系统(7)还包括：
一端深入至所述高温蒸汽室(24)内的辅助加热装置，所述辅助加热装置与所述控制器连接；
所述控制器在确定需要向发动机气缸内喷水且所述高温蒸汽室(24)内的实时温度Thi＜KTThi0时，控制所述辅助加热装置对所述高温蒸汽室(24)的水进行辅助加热，直至确定高温蒸汽室内的实时温度Thi升高至≥KTThi0时，控制所述辅助加热装置停止加热；
其中，Thi0为高温蒸汽室(24)内的目标温度；KT为水蒸汽温度管控系数，其值大于0且小于1。
4.根据权利要求2所述的基于废热利用的氢发动机系统，其特征在于，所述喷水系统(7)还包括：
布置在所述废气加热室(21)外侧的泄压阀(30)，所述泄压阀(30)通过管道连接至所述高温蒸汽室(24)内，所述泄压阀(30)还与所述控制器连接；
所述控制器在确定高温蒸汽室(24)内的实时压力Phi＞预先标定的高温蒸汽室(24)内的最高压力Phi0时，控制泄压阀(30)开启，直至高温蒸汽室(24)内的实时压力Phi降低至小于或等于KPPhi0后，控制泄压阀(30)关闭；
KP为水蒸汽压力管控系数，其值大于0且小于1。
5.根据权利要求2所述的基于废热利用的氢发动机系统，其特征在于，所述水供给装置包括：
承装水的水箱(29)，将所述水箱(29)中的水泵出的电子水泵(28)，将电子水泵(28)泵出的水喷射至所述高温蒸汽室(24)中的喷水器(27)；
所述电子水泵(28)和所述喷水器(27)均与所述控制器连接；
所述控制器根据高温蒸汽室(24)内的实时压力Phi来控制电子水泵(28)的增压压力，并根据发动机的运行工况来对喷水器(27)的喷水流量δQ进行控制，且喷水器(27)的喷水流量与蒸汽喷射器(31)的喷射流量相同。
6.根据权利要求1所述的基于废热利用的氢发动机系统，其特征在于，所述曲轴箱油水分离系统(18)包括：
曲轴箱油底壳，其内承装有油水混合液(36)；
在所述曲轴箱油底壳顶部设置的将曲轴箱油底壳内形成的水蒸汽抽出的风扇(32)，所述风扇(32)与所述控制器连接；
贯穿在所述油水混合液(36)的废气加热管(35)，所述废气加热管(35)具有与发动机(12)的废气出口连通的废气加热管入口(17)和将废气导入至增压器(1)中的废气加热管出口(19)；
在所述曲轴箱油底壳上还设置有对油水混合液(36)的实时温度进行采集的温度传感器(34)和对所述曲轴箱油底壳内的实时湿度进行采集的湿度传感器(33)；
所述控制器在温度传感器(34)到的曲轴箱油底壳内的实时温度The＜预设最小加热临界温度The0时，对所述第一电子分流阀(13)和所述第二电子分流阀(15)的开度进行控制，使发动机(12)的全部高温废气通过废气加热管入口(1)导入至所述废气加热管(35)中；以及在曲轴箱油底壳内的实时温度The≥预设最小加热临界温度The0时，对所述第一电子分流阀(13)和所述第二电子分流阀(15)的开度进行控制，使发动机(12)的全部高温废气不经过所述曲轴箱油水分离系统(18)而直接导入增压器(1)中；
所述控制器还在湿度传感器(33)采集到的曲轴箱油底壳内的实时湿度Hhe＞预设最大临界湿度Hhe0时，控制风扇(32)开启；以及在曲轴箱油底壳内的实时湿度Hhe≤预设最大临界湿度Hhe0时，控制风扇(32)关闭。
7.根据权利要求1所述的基于废热利用的氢发动机系统，其特征在于，
若发动机工况MAP图中，发动机的运行工况处于预设负荷区域，则控制器确定需要向发动机气缸内喷水。
8.根据权利要求2所述的基于废热利用的氢发动机系统，其特征在于，
若根据发动机的运行工况确定需要向发动机气缸内喷水，控制器先控制第一电子分流阀(13)按照预设开度开启使发动机(12)的全部高温废气通入废气加热室(21)中，根据高温蒸汽室(24)内的实时压力Phi设定电子水泵(28)的增压压力，根据发动机的运行工况设置喷水器(27)向高温蒸汽室(24)中的喷水流量，以及根据发动机的运行工况设置蒸汽喷射器(31)的喷射脉宽和喷射流量；进一步地，
若高温蒸汽室(24)内的实时温度Thi＜KTThi0，控制器控制节流阀(11)的开度全开，并控制第一电子分流阀(13)的开度完全开启至与废气入口(10)连通的最大状态，使发动机(12)的高温废气以最大流速全部导入废气加热室(21)中；控制器还控制辅助加热装置对所述高温蒸汽室(24)的水进行辅助加热；
在变化至KTThi0≤Thi＜Thi0之后，控制器控制节流阀(11)和第一电子分流阀(13)的开度减小，使发动机(12)的高温废气慢速导入废气加热室(21)中；控制器还控制辅助加热装置停止对所述高温蒸汽室(24)的水进行辅助加热；
在变化至Thi0≤Thi之后，控制器控制第一电子分流阀(13)关闭，停止向废气加热室(21)中导入高温废气；
Thi0为高温蒸汽室(24)内的目标温度；KT为水蒸汽温度管控系数，其值大于0且小于1。
9.一种车辆，其特征在于，包括权利要求1至8任一项所述的基于废热利用的氢发动机系统。
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