CN116085126A - 氢燃料发动机控制方法、氢燃料发动机系统、车辆 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种氢燃料发动机控制方法、氢燃料发动机系统、车辆。方法包括以下步骤：获取氢燃料发动机的扭矩信息、进气信息和排气信息，扭矩信息至少包括当前扭矩和需求扭矩，进气信息至少包括进气量和氢气喷射量，排气信息至少包括过量空气系数和预设系数范围；基于扭矩信息、进气信息和排气信息，调节进气量和氢气喷射量，以使氢燃料发动机的扭矩达到需求扭矩，其中，在调节过程中，氢燃料发动机的过量空气系数始终处于预设系数范围内。本发明解决了相关技术的过量空气系数波动大、NOx排放高的技术问题。

Description

氢燃料发动机控制方法、氢燃料发动机系统、车辆

技术领域

本发明涉及发动机控制领域，具体而言，涉及一种氢燃料发动机控制方法、氢燃料发动机系统、车辆。

背景技术

随着发动机新技术的不断应用，发动机台架试验方法和技术也需要不断创新，发动机试验越来越复杂，工作量成几何倍数增长，传统的手动试验已无法满足实际需求，试验自动化愈发得到工程测试人员的重视。

在发动机自动化试验中，最常用的一个控制变量就是发动机负荷。负荷参数并不是固定的，而是随试验需求的变化而变化，通常会有油门、相对充气量、扭矩、进气歧管压力等代表负荷的变量。不同的负荷参数所使用的控制方法也不同，现有技术中通常通过台架系统调节发动机的油门(节气门)实现负荷控制，但不同的负荷参数随油门开度的变化规律不同，在使用过程中需要根据负荷参数的类型分别进行油门控制器PID参数的调试，PID参数调试难度系数大且复杂，极易出现控制扩散不回归现象，导致发动机失控而引起发动机损坏。并且，如果是全新开发的增压发动机，负荷的控制通常会涉及到油门和增压器的控制，那么就会出现同时控制两个参数的问题，而台架系统只能对一个参数进行控制，不能同时控制两个参数，故现有的控制方法无法满足试验需求。在自动试验中，负荷的控制尤为重要，如果负荷控制不稳或不准，试验将无法进行。面向环境保护与能源保护，排放法规和油耗法规日趋严格。为应对碳中和和碳达峰，扩大碳中性燃料的使用势在必行。其中氢气作为无碳的清洁能源，燃烧只产生水，可实现碳和污染物的双近零排放，使用氢燃料发动机可推进碳中和进程。

当前氢燃料发动机基本均采用稀薄燃烧策略，虽然氢气燃烧仅产生水，但在高温、富氧状态下，会产生大量NOx排放。应对NOx排放有两种解决措施，一为超稀薄燃烧，降低燃烧温度至小于NOx生成的最低温度，NOx原排趋近于零；二为采用稀燃后处理措施，在排气管路上采用SCR(选择性催化还原技术)、LNT(NOx捕集装置)，保证NOx尾排满足法规要求，但结构布置复杂，再生策略及控制复杂，成本高。

目前国内外的氢燃料发动机均处于研究阶段，对于乘用车氢燃料发动机的产业化应用路线并未达成行业共识，其稳态及瞬态控制基本处于空白状态。无论采用上述哪种NOx排放解决方法，若瞬态控制不合理，会使稀薄燃烧程度(过量空气系数λ)有较大波动，λ较浓时，则导致燃烧温度高，NOx排放激剧增大。若采用方案1，会导致NOx排放超出法规限值，若采用方案2，会导致后处理装置需要频繁再生，控制复杂，成本增加，使用寿命缩短。

针对上述瞬态控制易出现过量空气系数波动大、NOx排放高的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

本发明实施例提供了一种氢燃料发动机控制方法、氢燃料发动机系统、车辆，以至少解决相关技术的过量空气系数波动大、NOx排放高的技术问题。

根据本发明实施例的一个方面，提供了一种氢燃料发动机控制方法，方法包括以下步骤：获取氢燃料发动机的扭矩信息、进气信息和排气信息，扭矩信息至少包括当前扭矩和需求扭矩，进气信息至少包括进气量和氢气喷射量，排气信息至少包括过量空气系数和预设系数范围；基于扭矩信息、进气信息和排气信息，调节进气量和氢气喷射量，以使氢燃料发动机的扭矩达到需求扭矩，其中，在调节过程中，氢燃料发动机的过量空气系数始终处于预设系数范围内。

可选地，排气信息还包括目标过量空气系数，方法还包括：基于扭矩信息、进气信息和预设系数范围，调节进气量和氢气喷射量，以使过量空气系数达到目标过量空气系数。

可选地，基于扭矩信息、进气信息和排气信息，调节进气量和氢气喷射量，包括：在确定需求扭矩大于当前扭矩的情况下，控制进气量增加，直至过量空气系数达到第一系数值；在确定过量空气系数达到第一系数值的情况下，控制氢气喷射量和进气量增加，直至过量空气系数达到第二系数值，其中，第二系数值大于或等于预设系数范围的下限值；在确定过量空气系数达到第二系数值的情况下，基于当前扭矩与需求扭矩的差值，生成控制指令集，控制指令集至少用于控制进气量增加，直至氢燃料发动机的扭矩达到需求扭矩、以及过量空气系数达到目标过量空气系数。

可选地，控制指令集包括第一控制指令和第二控制指令，在过量空气系数达到第二系数值的情况下，基于当前扭矩与需求扭矩的差值，生成控制指令集，包括：在差值满足第一预设条件的情况下，生成第一控制指令，第一控制指令用于控制进气量增加，直至氢燃料发动机的扭矩达到需求扭矩、以及过量空气系数达到目标过量空气系数；在差值满足第二预设条件的情况下，生成第二控制指令，第二控制指令用于控制进气量和氢气喷射量增加，直至氢燃料发动机的扭矩达到需求扭矩、以及过量空气系数达到目标过量空气系数。

可选地，方法还包括：控制氢气喷射量和进气量增加，直至过量空气系数达到第二系数值的过程中，氢燃料发动机的扭矩以第一速率增加；控制进气量和氢气喷射量增加，直至氢燃料发动机的扭矩达到需求扭矩、以及过量空气系数达到目标过量空气系数的过程中，氢燃料发动机的扭矩以第二速率增加；其中，第一速率大于第二速率。

可选地，第一预设条件为差值小于预设差值，和/或，第二预设条件为差值大于或等于预设差值。

根据本发明实施例的又一方面，还提供了一种氢燃料发动机系统，氢燃料发动机系统采用上述的氢燃料发动机控制方法进行控制，氢燃料发动机系统包括：获取模块，获取模块用于获取氢燃料发动机的扭矩信息、进气信息和排气信息，扭矩信息至少包括当前扭矩和需求扭矩，进气信息至少包括进气量和氢气喷射量，排气信息至少包括过量空气系数和预设系数范围；控制模块，控制模块用于基于扭矩信息、进气信息和排气信息，调节进气量和氢气喷射量，以使氢燃料发动机的扭矩达到需求扭矩，其中，在调节过程中，氢燃料发动机的过量空气系数始终处于预设系数范围内。

可选地，氢燃料发动机系统还包括：发动机本体，发动机本体上设置有进气歧管和排气歧管；进气管路，进气管路与进气歧管连接，进气管路上设置有空气滤清器、增压器、中冷器和节气门；排气管路，排气管路与排气歧管连接，排气管路上设置有λ传感器、氧化催化器，其中，λ传感器用于检测氢燃料发动机的过量空气系数；直喷供氢系统，直喷供氢系统设置于发动机本体上，直喷供氢系统的氢气喷嘴伸入发动机本体的燃烧室内；控制器，控制器与直喷供氢系统电性连接，通过调节控制器的氢气喷射脉宽，调节直喷供氢系统的氢气喷射量。

可选地，氢燃料发动机系统还包括：后处理器，后处理器设置于排气管路上，后处理器用于对氢燃料发动机产生的NOx废气进行再生处理。

根据本发明实施例的又一方面，还提供了一种车辆，包括氢燃料发动机系统，氢燃料发动机系统为上述的氢燃料发动机系统。

在本发明实施例中，获取氢燃料发动机的扭矩信息、进气信息和排气信息，扭矩信息至少包括当前扭矩和需求扭矩，进气信息至少包括进气量和氢气喷射量，排气信息至少包括过量空气系数和预设系数范围；基于扭矩信息、进气信息和排气信息，调节进气量和氢气喷射量，以使氢燃料发动机的扭矩达到需求扭矩，其中，在调节过程中，氢燃料发动机的过量空气系数始终处于预设系数范围内。本发明实施例在氢燃料发动机的扭矩调节过程中，始终将过量空气系数维持在预设系数范围内，避免了现有技术中发动机扭矩调节过程中过量空气系数波动较大的问题，使得过量空气系数保持平稳变动，设置预设系数范围为远离NOx高排放区域的系数范围，使得过量空气系数不进入NOx高排放区域，进而达到在扭矩调节过程中控制NOx排放量的目的，避免出现NOx排放过量的问题，实现NOx低排放甚至接近零排放的技术效果，本实施例的技术方案解决了相关技术的过量空气系数波动大、NOx排放高的技术问题。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，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是根据本发明其中一实施例的车辆的电子装置的硬件结构框图；

图2是根据本发明其中一可选实施例的氢燃料发动机控制方法的流程图；

图3是根据本发明其中一实施例的氢燃料发动机系统的结构框图；

图4是根据本发明其中一可选实施例的氢燃料发动机系统的结构示意图；

图5是根据本发明其中一可选实施例的氢燃料发动机系统的结构示意图；

图6是根据本发明其中一可选实施例的氢燃料发动机控制方法的流程图；

图7是根据本发明其中一可选实施例的氢燃料发动机的状态变化示意图；

图8是根据本发明其中一可选实施例的氢燃料发动机的扭矩-时间曲线图；

图9是根据本发明其中一可选实施例的氢燃料发动机的NOx排放-过量空气系数曲线图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

1、进气管路；2、空气滤清器；3、增压器；4、中冷器；5、节气门；6、进气歧管；7、直喷供氢系统；8、排气歧管；9、排气管路；10、λ传感器；11、氧化催化器；12、后处理器。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明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数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例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。

根据本发明其中一实施例，提供了一种氢燃料发动机控制方法的实施例，需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

该方法实施例可以在车辆中包含存储器和处理器的电子装置或者类似的运算装置中执行。以运行在车辆的电子装置上为例，如图1所示，车辆的电子装置可以包括一个或多个处理器102(处理器可以包括但不限于中央处理器(CPU)、图形处理器(GPU)、数字信号处理(DSP)芯片、微处理器(MCU)、可编程逻辑器件(FPGA)、神经网络处理器(NPU)、张量处理器(TPU)、人工智能(AI)类型处理器等的处理装置)和用于存储数据的存储器104。可选地，上述车辆的电子装置还可以包括用于通信功能的传输设备106、输入输出设备108以及显示器110。本领域普通技术人员可以理解，图1所示的结构仅为示意，其并不对上述车辆的电子装置的结构造成限定。例如，车辆的电子装置还可包括比上述结构描述更多或者更少的组件，或者具有与上述结构描述不同的配置。

存储器104可用于存储计算机程序，例如，应用软件的软件程序以及模块，如本发明实施例中的信息处理方法对应的计算机程序，处理器102通过运行存储在存储器104内的计算机程序，从而执行各种功能应用以及数据处理，即实现上述的信息处理方法。存储器104可包括高速随机存储器，还可包括非易失性存储器，如一个或者多个磁性存储装置、闪存、或者其他非易失性固态存储器。在一些实例中，存储器104可进一步包括相对于处理器102远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至移动终端。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。

传输设备106用于经由一个网络接收或者发送数据。上述的网络具体实例可包括移动终端的通信供应商提供的无线网络。在一个实例中，传输设备106包括一个网络适配器(Network Interface Controller，简称为NIC)，其可通过基站与其他网络设备相连从而可与互联网进行通讯。在一个实例中，传输设备106可以为射频(Radio Frequency，简称为RF)模块，其用于通过无线方式与互联网进行通讯。

显示器110可以例如触摸屏式的液晶显示器(LCD)。该液晶显示器可使得用户能够与移动终端的用户界面进行交互。在一些实施例中，上述移动终端具有图形用户界面(GUI)，用户可以通过触摸触敏表面上的手指接触和/或手势来与GUI进行人机交互，此处的人机交互功能可选的包括如下交互：创建网页、绘图、文字处理、制作电子文档、游戏、视频会议、即时通信、收发电子邮件、通话界面、播放数字视频、播放数字音乐和/或网络浏览等，用于执行上述人机交互功能的可执行指令被配置/存储在一个或多个处理器可执行的计算机程序产品或可读存储介质中。

本实施例中提供了一种运行于上述车辆的电子装置的氢燃料发动机控制方法，图2是根据本发明其中一实施例的氢燃料发动机控制方法的流程图，如图2所示，该流程包括如下步骤：

步骤S21，获取氢燃料发动机的扭矩信息、进气信息和排气信息，扭矩信息至少包括当前扭矩和需求扭矩，进气信息至少包括进气量和氢气喷射量，排气信息至少包括过量空气系数和预设系数范围；

具体地，在步骤S21中，当前扭矩为氢燃料发动机实时输出扭矩，进气量为氢燃料发动机的实时进气量，氢气喷射量为氢燃料发动机的实时氢气喷射量，过量空气系数为氢燃料发动机的实时监测获得的过量空气系数，预设系数范围为预先试验获得的NOx排放高的λ(过量空气系数)边界数值与燃烧稳定边界之间的λ的数值范围，根据氢气燃烧生成NOx的排放机理，定义了不同扭矩的NOx排放高的λ边界数值；根据超稀薄燃烧稳定性，定义不同扭矩下燃烧稳定边界。

步骤S22，基于扭矩信息、进气信息和排气信息，调节进气量和氢气喷射量，以使氢燃料发动机的扭矩达到需求扭矩，其中，在调节过程中，氢燃料发动机的过量空气系数始终处于预设系数范围内。

具体地，在步骤S22中，将过量空气系数维持在NOx排放高的λ边界数值与燃烧稳定边界之间，可有效降低NOx排放。

通过上述步骤，获取氢燃料发动机的扭矩信息、进气信息和排气信息，扭矩信息至少包括当前扭矩和需求扭矩，进气信息至少包括进气量和氢气喷射量，排气信息至少包括过量空气系数和预设系数范围；基于扭矩信息、进气信息和排气信息，调节进气量和氢气喷射量，以使氢燃料发动机的扭矩达到需求扭矩，其中，在调节过程中，氢燃料发动机的过量空气系数始终处于预设系数范围内。本发明实施例在氢燃料发动机的扭矩调节过程中，始终将过量空气系数维持在预设系数范围内，避免了现有技术中发动机扭矩调节过程中过量空气系数波动较大的问题，使得过量空气系数保持平稳变动，设置预设系数范围为远离NOx高排放区域的系数范围，使得过量空气系数不进入NOx高排放区域，进而达到在扭矩调节过程中控制NOx排放量的目的，避免出现NOx排放过量的问题，实现NOx低排放甚至接近零排放的技术效果，本实施例的技术方案解决了相关技术的过量空气系数波动大、NOx排放高的技术问题。

可选地，排气信息还包括目标过量空气系数，在步骤S22中，方法还包括：

步骤S23，基于扭矩信息、进气信息和预设系数范围，调节进气量和氢气喷射量，以使过量空气系数达到目标过量空气系数。

需要说明的是，在步骤S23中，目标过量空气系数可以为预先设置的数值，例如经过预先试验获得的在不同扭矩下对应的最优的过量空气系数，将过量空气系数达到目标过量空气系数可以使得氢燃料发动机处于最佳运行状态、NOx排放最优状态。目标过量空气系数也可以为氢燃料发动机在运行过程中基于多个信息计算获得，例如，氢燃料发动机可基于当前环境温度、当前发动机扭矩、氢燃料发动机系统内各部件运行状况、用户需求信息等进行综合计算分析，得到最终的目标过量空气系数，这样设置可使得过量空气系数的调节、NOx排放更符合用户需求。

在步骤S21-步骤S23中，本领域技术人员应当明白的是，“氢燃料发动机的扭矩达到需求扭矩”、“过量空气系数达到目标过量空气系数”不一定指扭矩值等于需求扭矩、过量空气系数等于目标过量空气系数，氢燃料发动机的扭矩与过量空气系数的波动在一定误差范围内时，也可以认为氢燃料发动机的扭矩达到需求扭矩、过量空气系数达到目标过量空气系数。例如，当氢燃料发动机的扭矩相对需求扭矩进行0.005％的波动时，也可以判定氢燃料发动机的扭矩已经达到需求扭矩，举例来说，当需求扭矩为500N·m时，氢燃料发动机的扭矩稳定在497.5N·m～502.5N·m内时，即可认为氢燃料发动机的扭矩已达到需求扭矩，过量空气系数同理。误差范围可以根据车型、发动机型号结构、用户需求、车辆工况信息等进行调整。

可选地，基于扭矩信息、进气信息和排气信息，调节进气量和氢气喷射量，包括：

步骤S221，在确定需求扭矩大于当前扭矩的情况下，控制进气量增加，直至过量空气系数达到第一系数值；

本领域技术人员应当明白的是，当单独增加进气量、氢气喷射量维持不变时，过量空气系数将持续增大，在步骤S221中单独增加进气量以增大过量空气系数，可为后续增大氢气喷射量时产生的过量空气系数波动提供富余空间，即在氢气喷射量快速增大、扭矩大幅增加时，过量空气系数将减小，由于步骤S221中已将过量空气系数增大至第一系数值，过量空气系数不会迅速波动导致超出预设系数范围，有效保证了扭矩过程中的NOx排放效果。

优选地，为使得过量空气系数快速达到第一系数值，进气量增加原进气量(此处的原进气量指步骤S221中进气量开始增加前的进气量)的两倍。

步骤S222，在确定过量空气系数达到第一系数值的情况下，控制氢气喷射量和进气量增加，直至过量空气系数达到第二系数值，其中，第二系数值大于或等于预设系数范围的下限值；

本领域技术人员应当明白的是，在步骤S222中，单独增加氢气喷射量将使得扭矩快速增加、过量空气系数快速降低，此时同时增加进气量，可以减缓过量空气系数的降低速率，将过量空气系数维持在预设系数范围内，避免NOx排放过量。

步骤S223，在确定过量空气系数达到第二系数值的情况下，基于当前扭矩与需求扭矩的差值，生成控制指令集，控制指令集至少用于控制进气量增加，直至氢燃料发动机的扭矩达到需求扭矩、以及过量空气系数达到目标过量空气系数。

通过步骤S221-步骤S223，首先保证氢气喷射量不变、单独增加进气量，以提高过量空气系数；然后同时增加进气量与氢气喷射量，使得扭矩大幅提升，同时保证过量空气系数大于或等于预设系数范围的下限值；最后基于当前扭矩与需求扭矩的差值，控制进气量增加，直至氢燃料发动机的扭矩达到需求扭矩、以及过量空气系数达到目标过量空气系数。在步骤S221-步骤S223中，过量空气系数始终处于预设系数范围内，有效降低了NOx排放。

可选地，在步骤S223中，控制指令集包括第一控制指令和第二控制指令，在过量空气系数达到第二系数值的情况下，基于当前扭矩与需求扭矩的差值，生成控制指令集，包括：

步骤S2231，在差值满足第一预设条件的情况下，生成第一控制指令，第一控制指令用于控制进气量增加，直至氢燃料发动机的扭矩达到需求扭矩、以及过量空气系数达到目标过量空气系数；

本领域技术人员应当明白的是，步骤S2231中，差值满足第一预设条件的情况下，仅控制进气量增加，此时氢燃料发动机的扭矩不再变化、过量空气系数持续增大。第一预设条件可以为差值为零(即当前扭矩等于需求扭矩)，也可以为差值处于一定数值范围内(例如差值小于0.001N·m),可选地，第一预设条件还可以为根据氢燃料发动机的运行状况、车辆工况、用户需求等信息综合分析后的评判条件。

步骤S2232，在差值满足第二预设条件的情况下，生成第二控制指令，第二控制指令用于控制进气量和氢气喷射量增加，直至氢燃料发动机的扭矩达到需求扭矩、以及过量空气系数达到目标过量空气系数。

本领域技术人员应当明白的是，步骤S2232中，进气量和氢气喷射量增加，氢燃料发动机的扭矩增大、过量空气系数增大，可选地，第二预设条件可以为，均可以根据氢燃料发动机的运行状况、车辆工况、用户需求等信息进行调整。

通过步骤S2231和步骤S2232，差值满足不同条件时，对应的控制策略不同，使得扭矩调节更合理、过量空气系数调整更准确，且节省发动机部件能耗。

可选地，方法还包括：

在步骤S222中，在控制氢气喷射量和进气量增加，直至过量空气系数达到第二系数值的过程中，氢燃料发动机的扭矩以第一速率增加；

需要说明的是，在步骤S222中，同时增加氢气喷射量和进气量，达到的效果是氢燃料发动机的扭矩以第一速率增加、过量空气系数降低至第二系数值，为实现这一技术效果，可采取氢气喷射量的增量远大于进气量的增量的方式，或者，氢气喷射量的增率远大于进气量的增率的方式，例如，令氢气喷射量增加原氢气喷射量(此处的原氢气喷射量指在步骤S222中开始增加氢气喷射量前的氢气喷射量)的两倍，进气量增加原进气量(此处的原进气量指步骤S221完成后，且步骤S222中进气量开始增加前的进气量)的一倍。

在步骤S2232中，控制进气量和氢气喷射量增加，直至氢燃料发动机的扭矩达到需求扭矩、以及过量空气系数达到目标过量空气系数的过程中，氢燃料发动机的扭矩以第二速率增加；

其中，第一速率大于第二速率。

需要说明的是，在步骤S2232中，同时增加氢气喷射量和进气量，达到的效果是氢燃料发动机的扭矩以第二速率增加、过量空气系数增加至目标过量空气系数，为实现这一技术效果，可采取氢气喷射量的增量与进气量的增量相同的方式，或者，氢气喷射量的增率与进气量的增率相同的方式，例如，令氢气喷射量增加原氢气喷射量(此处的原氢气喷射量指在步骤S2232中开始增加氢气喷射量前的氢气喷射量)的一倍，进气量增加原进气量(此处的原进气量指步骤S222完成后，且步骤S2232中进气量开始增加前的进气量)的一倍。

通过上述步骤，氢燃料发动机的扭矩在步骤S222中进行大幅增加，经过步骤S222后的扭矩与需求扭矩的差值已经较小，在步骤S2232中减小扭矩的增加速率，使得扭矩的变化较为缓慢，便于检测扭矩的细小变化，实现对扭矩的精准监测，避免扭矩增加过快而超过需求扭矩，增加后续调整工作，也减少零件工作，避免过多的零件磨损，同时，氢气喷射量的增量或增率减小也使得过量空气系数的变化较慢，便于调整过量空气系数至目标过量空气系数。

可选地，在步骤S2231和步骤S2232中，第一预设条件为差值小于预设差值，和/或，第二预设条件为差值大于或等于预设差值。当差值较小时，可以认为此时扭矩已经满足需求，即氢燃料发动机输出的扭矩已经达到需求扭矩，此时仅控制进气量增加，以快速将过量空气系数增加至目标过量空气系数，以使得车辆具有较好的NOx排放效果；当差值较大时，此时需要氢气喷射量以将扭矩提升至需求扭矩，单独提升氢气喷射量将导致过量空气系数减小，此时同时增加进气量，可以使得过量空气系数增大，以使得在调节过程中过量空气系数始终处于预设系数范围内，避免NOx排放过量，在调节过程中，通过控制氢气喷射量和进气量的增量、增率等参数，可以使得过量空气系数与发动机的输出扭矩同时达到目标值(即目标过量空气系数、需求扭矩)，本领域技术人员应当明白的是，过量空气系数与发动机的输出扭矩的调节时间在此不作限定，可以同时达到目标值、也可以先后达到目标值。

具体地，预设差值可以为固定的具体数值，例如5N·m、1N·m、0.5N·m、0.1N·m、0.05N·m、0.01N·m等，也可以为需求扭矩的固定比例值，例如，预设差值可以为需求扭矩的5％、1％、0.5％、0.1％、0.05％、0.01％等。

根据本发明实施例的又一方面，还提供了一种氢燃料发动机系统，氢燃料发动机系统采用上述的氢燃料发动机控制方法进行控制。

图3是根据本发明其中一实施例的一种氢燃料发动机的结构框图，如图3所示，氢燃料发动机系统包括：获取模块30，获取模块30用于获取氢燃料发动机的扭矩信息、进气信息和排气信息，扭矩信息至少包括当前扭矩和需求扭矩，进气信息至少包括进气量和氢气喷射量，排气信息至少包括过量空气系数和预设系数范围；控制模块32，控制模块32用于基于扭矩信息、进气信息和排气信息，调节进气量和氢气喷射量，以使氢燃料发动机的扭矩达到需求扭矩，其中，在调节过程中，氢燃料发动机的过量空气系数始终处于预设系数范围内。

应用本实施例中的氢燃料发动机系统，获取模块30用于获取氢燃料发动机的扭矩信息、进气信息和排气信息，扭矩信息至少包括当前扭矩和需求扭矩，进气信息至少包括进气量和氢气喷射量，排气信息至少包括过量空气系数和预设系数范围；控制模块32用于基于扭矩信息、进气信息和排气信息，调节进气量和氢气喷射量，以使氢燃料发动机的扭矩达到需求扭矩，其中，在调节过程中，氢燃料发动机的过量空气系数始终处于预设系数范围内。本发明实施例在氢燃料发动机的扭矩调节过程中，始终将过量空气系数维持在预设系数范围内，避免了现有技术中发动机扭矩调节过程中过量空气系数波动较大的问题，使得过量空气系数保持平稳变动，设置预设系数范围为远离NOx高排放区域的系数范围，使得过量空气系数不进入NOx高排放区域，进而达到在扭矩调节过程中控制NOx排放量的目的，避免出现NOx排放过量的问题，实现NOx低排放甚至接近零排放的技术效果，本实施例的技术方案解决了相关技术的过量空气系数波动大、NOx排放高的技术问题。

需要说明的是，上述各个模块是可以通过软件或硬件来实现的，对于后者，可以通过以下方式实现，但不限于此：上述模块均位于同一处理器中；或者，上述各个模块以任意组合的形式分别位于不同的处理器中。

可选地，如图4和图5所示，氢燃料发动机系统还包括发动机本体、进气管路1、排气管路9、直喷供氢系统7和控制器，发动机本体上设置有进气歧管6和排气歧管8；进气管路1与进气歧管6连接，进气管路1上设置有空气滤清器2、增压器3、中冷器4和节气门5；排气管路9与排气歧管8连接，排气管路9上设置有λ传感器10、氧化催化器11，其中，λ传感器10用于检测氢燃料发动机的过量空气系数；直喷供氢系统7设置于发动机本体上，直喷供氢系统7的氢气喷嘴伸入发动机本体的燃烧室内；控制器与直喷供氢系统7电性连接，通过调节控制器的氢气喷射脉宽，调节直喷供氢系统7的氢气喷射量。

本实施例中的氢燃料发动机系统，通过设置λ传感器10实现对λ(即过量空气系数)的监测，通过对直喷供氢系统7的控制，可以调节氢燃料发动机内的氢气喷射量，通过设置增压器3，调节增压器3的进气压力即可实现对氢燃料发动机的进气量的调节，λ传感器10、增压器3、直喷供氢系统7的设置实现了对氢燃料发动机系统的瞬态控制和瞬态监测，支撑实现前述的氢燃料发动机控制方法，并且，采用前述氢燃料发动机控制方法控制本实施例的氢燃料发动机系统，确保动态过程中无NOx排放，从而无需设置单独的尾气处理装置，降低成本和结构难度。

需要说明的是，在本实施例中，控制器包含前述的获取模块30和控制模块32，控制器可以为车辆总控制器，也可以为单独设置于发动机本体上的发动机控制器，还可以将部分的控制器设置于发动机本体上、另一部分的控制器设置在车辆总控制器中内，例如，将获取模块30设置于发动机本体上、控制模块32设置于车辆总控制器中内。可选地，控制器还可以包括更多模块，例如执行模块、通信模块、显示模块，执行模块可以用于实现具体的执行动作，例如用于调节增压器3的电路设置、机械结构设置等，通信模块用于实现车辆内部通信或车辆与外部设备的通信，通信模块可采用无线或有线等多种方式进行通信，例如，通信模块可以用于将车辆数据实时传递至用户设备中，便于用户查看了解车辆运行状况、尾气排放状况等，用户设备可以为手机、平板、电脑、智能手表等设备，显示模块用于展示车辆状况、发动机状态信息等，例如，显示模块可以为车辆内部的显示屏，显示屏可以实时显示过量空气系数、车速、NOx排放信息，以便于用户实时获取信息、发现车辆异常和发动机状态异常等问题并采取相应措施。

具体地，在本申请的一个示范性实施例中，进气管路1上沿进气方向依次设置空气滤清器2、增压器3、中冷器4和节气门5，排气管路9上沿排气方向依次设置λ传感器10、氧化催化器11。增压器3可为任一型式，如涡轮增压、电动增压或机械增压等。本实施例中的氢燃料发动机系统采取缸内直喷的喷射方式，但本实施例中的氢燃料发动机系统也可以为气道喷射和双喷系统。

可选地，如图5所示，氢燃料发动机系统还包括后处理器12，后处理器12设置于排气管路9上，后处理器12用于对氢燃料发动机产生的NOx废气进行再生处理。通过设置后处理器12，降低氢燃料发动机系统的NOx废气排放，使得氢燃料发动机系统的NOx排尾符合相关法律法规。

具体地，在本申请的一个示范性实施例中，后处理器12为SCR(选择性催化还原装置)或LNT(NOx捕集装置)等NOx后处理装置。

将上述实施例中的氢燃料发动机控制方法应用于具有后处理器12的氢燃料发动机系统时，通过对λ(即过量空气系数)的持续控制，使得λ始终处于预设系数范围内，避免λ发生较大波动，将λ控制在远离高NOx排放区域的范围内，使得NOx排放量始终较低，后处理器12进行尾气后处理，氢燃料发动机的NOx排放接近于零，满足排放要求，同时对λ的控制也可以降低后处理器12的再生频次，减小后处理器12的尺寸，延长使用寿命，降低生产制造成本。

根据本发明实施例的又一方面，还提供了一种氢燃料发动机控制方法的优选实施例，为便于理解该实施例，对本实施例中的氢燃料发动机的NOx排放机理解释如下：

如图9所示，横轴为λ(即过量空气系数)值，纵轴为NOx排放量，NOx随着过量空气系数λ的增大，先升高后降低，在λ≥2.5左右基本可实现NOx的零排放，当瞬态λ从2.5加浓到1.6，NOx排放将增加数千倍，此时NOx排放不能满足排放法规的要求。在实际车辆行驶过程中，若扭矩需求增加，单纯增加氢气喷射量易导致过浓，产生大量NOx。

在本实施例中，根据氢气燃烧生成NOx的排放机理，定义了不同扭矩的NOx排放高的λ边界数值；根据超稀薄燃烧稳定性，定义不同扭矩下燃烧稳定边界，将λ维持在NOx排放高的λ边界数值与燃烧稳定边界之间，可有效降低NOx排放，本实施例中的NOx排放高的λ边界数值与燃烧稳定边界之间的λ的数值范围，即前述实施例中的预设系数范围。

如图6所示，本实施例中的氢燃料发动机控制方法包括如下步骤：

步骤一，检测整车的需求扭矩、过量空气系数λ，确定当前发动机运行状态为①，跳转至步骤二；

步骤二，判断整车的需求扭矩是否增大，若是，跳转至步骤三；若否，跳转至步骤六；

本领域技术人员应当明白的是，整车的需求扭矩增大即是指需求扭矩相比于氢燃料发动机的当前扭矩较大，需要增加氢燃料发动机的扭矩。

步骤三，调节增压控制，提高进气压力，从而提高进气量，目标为λ达到目标值，即状态②，跳转至步骤四；

需要说明的是，步骤三中的目标值即前述的第一系数值，在步骤三中，保证氢气喷射量不变，通过增压等途径增加进气量，提高缸内λ。

步骤四，增加氢气喷射脉宽，从而增加氢气喷射量，提升扭矩，目标为λ达到NOx生成的边界限值，即状态③，跳转至步骤五；

需要说明的是，步骤四中，可以仅增加氢气喷射量，也可以同时增大氢气喷射量和进气量，氢气喷射量的增加大于进气量的增加，步骤四的主要目的是大幅提高扭矩，在步骤四中，λ持续减小，λ应始终保持不小于NOx生成的边界限值。

步骤五，调节增压控制，提高进气压力，适当增加氢气喷射脉宽，目标为达成需求扭矩，即状态④，跳转至步骤二；

具体地，在步骤五中，根据氢燃料发动机当前已达成的扭矩与需求扭矩的差值，决定只增加进气量或者同时增加进气量与氢气喷射量，达到需求扭矩及目标λ。

步骤六，结束。

在上述方法步骤中，瞬态过程的λ切换、扭矩提升及气量的变化如图7和图8所示，当需求扭矩增大，首先保证氢气喷射量不变，通过增压等途径增加进气量，提高缸内λ，然后增加氢气喷射量，使扭矩大幅提升，同时保证λ＞NOx生产的边界值。最后根据达成的扭矩与需求扭矩的差值，同时增加进气量与氢气喷射量，或者只增加进气量(根据差值决定)，达到需求扭矩及目标λ，从而达到瞬态扭矩提升过程中无NOx生成的目标。本实施例的方案以扭矩提升、λ-NOx生成边界值为关键参数，将扭矩提升过程分为4个阶段，通过增压、氢气喷射的调节，实现4个阶段的目标值，从而实现动态过程中无NOx排放的技术效果。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到根据上述实施例的方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献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(如ROM/RAM、磁碟、光盘)中，包括若干指令用以使得一台终端设备(可以是手机，计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。

本发明的实施例还提供了一种存储介质，该存储介质中存储有计算机程序，其中，该计算机程序被设置为运行时执行上述任一项方法实施例中的步骤。

可选地，在本实施例中，上述存储介质可以被设置为存储用于执行以下步骤的计算机程序：

步骤S1，获取氢燃料发动机的扭矩信息、进气信息和排气信息，扭矩信息至少包括当前扭矩和需求扭矩，进气信息至少包括进气量和氢气喷射量，排气信息至少包括过量空气系数和预设系数范围；

步骤S2，基于扭矩信息、进气信息和排气信息，调节进气量和氢气喷射量，以使氢燃料发动机的扭矩达到需求扭矩，其中，在调节过程中，氢燃料发动机的过量空气系数始终处于预设系数范围内。

可选地，在本实施例中，上述存储介质可以包括但不限于：U盘、只读存储器(Read-Only Memory，简称为ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，简称为RAM)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储计算机程序的介质。

本发明的实施例还提供了一种处理器，该处理器被设置为运行计算机程序以执行上述任一项方法实施例中的步骤。

可选地，在本实施例中，上述处理器可以被设置为通过计算机程序执行以下步骤：

步骤S1，获取氢燃料发动机的扭矩信息、进气信息和排气信息，扭矩信息至少包括当前扭矩和需求扭矩，进气信息至少包括进气量和氢气喷射量，排气信息至少包括过量空气系数和预设系数范围；

步骤S2，基于扭矩信息、进气信息和排气信息，调节进气量和氢气喷射量，以使氢燃料发动机的扭矩达到需求扭矩，其中，在调节过程中，氢燃料发动机的过量空气系数始终处于预设系数范围内。

本发明的实施例还提供了一种车辆，包括氢燃料发动机系统，氢燃料发动机系统为上述的氢燃料发动机系统，且，氢燃料发动机系统采用上述实施例中的氢燃料发动机控制方法进行控制。

可选地，本实施例中的具体示例可以参考上述实施例及可选实施方式中所描述的示例，本实施例在此不再赘述。

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

在本发明的上述实施例三中，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。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的技术内容，可通过其它的方式实现。其中，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，可以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，单元或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。

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，在本发明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。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的单元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，本发明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全部或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(可为个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本发明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、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种氢燃料发动机控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

获取氢燃料发动机的扭矩信息、进气信息和排气信息，所述扭矩信息至少包括当前扭矩和需求扭矩，所述进气信息至少包括进气量和氢气喷射量，所述排气信息至少包括过量空气系数和预设系数范围；

基于所述扭矩信息、所述进气信息和所述排气信息，调节所述进气量和所述氢气喷射量，以使所述氢燃料发动机的扭矩达到所述需求扭矩，其中，在调节过程中，所述氢燃料发动机的过量空气系数始终处于所述预设系数范围内。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述排气信息还包括目标过量空气系数，所述方法还包括：

基于所述扭矩信息、所述进气信息和所述预设系数范围，调节所述进气量和所述氢气喷射量，以使所述过量空气系数达到所述目标过量空气系数。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，基于所述扭矩信息、所述进气信息和所述排气信息，调节所述进气量和所述氢气喷射量，包括：

在确定所述需求扭矩大于所述当前扭矩的情况下，控制所述进气量增加，直至所述过量空气系数达到第一系数值；

在确定所述过量空气系数达到所述第一系数值的情况下，控制所述氢气喷射量和所述进气量增加，直至所述过量空气系数达到第二系数值，其中，所述第二系数值大于或等于所述预设系数范围的下限值；

在确定所述过量空气系数达到所述第二系数值的情况下，基于所述当前扭矩与所述需求扭矩的差值，生成控制指令集，所述控制指令集至少用于控制所述进气量增加，直至所述氢燃料发动机的扭矩达到所述需求扭矩、以及所述过量空气系数达到所述目标过量空气系数。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述控制指令集包括第一控制指令和第二控制指令，在所述过量空气系数达到所述第二系数值的情况下，基于所述当前扭矩与所述需求扭矩的差值，生成控制指令集，包括：

在所述差值满足第一预设条件的情况下，生成所述第一控制指令，所述第一控制指令用于控制所述进气量增加，直至所述氢燃料发动机的扭矩达到所述需求扭矩、以及所述过量空气系数达到所述目标过量空气系数；

在所述差值满足第二预设条件的情况下，生成所述第二控制指令，所述第二控制指令用于控制所述进气量和所述氢气喷射量增加，直至所述氢燃料发动机的扭矩达到所述需求扭矩、以及所述过量空气系数达到所述目标过量空气系数。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

控制所述氢气喷射量和所述进气量增加，直至所述过量空气系数达到第二系数值的过程中，所述氢燃料发动机的扭矩以第一速率增加；

控制所述进气量和所述氢气喷射量增加，直至所述氢燃料发动机的扭矩达到所述需求扭矩、以及所述过量空气系数达到所述目标过量空气系数的过程中，所述氢燃料发动机的扭矩以第二速率增加；

其中，所述第一速率大于所述第二速率。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述第一预设条件为所述差值小于预设差值，和/或，所述第二预设条件为所述差值大于或等于所述预设差值。

7.一种氢燃料发动机系统，其特征在于，所述氢燃料发动机系统采用权利要求1-6中任一项所述的氢燃料发动机控制方法进行控制，所述氢燃料发动机系统包括：

获取模块，所述获取模块用于获取氢燃料发动机的扭矩信息、进气信息和排气信息，所述扭矩信息至少包括当前扭矩和需求扭矩，所述进气信息至少包括进气量和氢气喷射量，所述排气信息至少包括过量空气系数和预设系数范围；

控制模块，所述控制模块用于基于所述扭矩信息、所述进气信息和所述排气信息，调节所述进气量和所述氢气喷射量，以使所述氢燃料发动机的扭矩达到所述需求扭矩，其中，在调节过程中，所述氢燃料发动机的过量空气系数始终处于所述预设系数范围内。

8.根据权利要求7所述的氢燃料发动机系统，其特征在于，所述氢燃料发动机系统还包括：

发动机本体，所述发动机本体上设置有进气歧管(6)和排气歧管(8)；

进气管路(1)，所述进气管路(1)与所述进气歧管(6)连接，所述进气管路(1)上设置有空气滤清器(2)、增压器(3)、中冷器(4)和节气门(5)；

排气管路(9)，所述排气管路(9)与所述排气歧管(8)连接，所述排气管路(9)上设置有λ传感器(10)、氧化催化器(11)，其中，所述λ传感器(10)用于检测所述氢燃料发动机的所述过量空气系数；

直喷供氢系统(7)，所述直喷供氢系统(7)设置于所述发动机本体上，所述直喷供氢系统(7)的氢气喷嘴伸入所述发动机本体的燃烧室内；

控制器，所述控制器与所述直喷供氢系统(7)电性连接，通过调节所述控制器的氢气喷射脉宽，调节所述直喷供氢系统(7)的所述氢气喷射量。

9.根据权利要求8所述的氢燃料发动机系统，其特征在于，所述氢燃料发动机系统还包括：

后处理器(12)，所述后处理器(12)设置于所述排气管路(9)上，所述后处理器(12)用于对所述氢燃料发动机产生的NOx废气进行再生处理。

10.一种车辆，包括氢燃料发动机系统，其特征在于，所述氢燃料发动机系统为权利要求7-9中任一项所述的氢燃料发动机系统。

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