CN116696544A - 一种氢燃料发动机系统及其瞬态控制方法、车载系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种氢燃料发动机系统及其瞬态控制方法、车载系统，氢燃料发动机系统的进气管路与发动机的进气歧管连接；沿进气方向，进气管路上依次设置空气滤清器、第一增压器、中冷器和节气门；燃气喷射装置的气道喷射模块设置在进气歧管上，气道喷射模块的氢气喷嘴伸入进气歧管中；燃气喷射装置的缸内直喷模块设置在发动机上，缸内直喷模块的氢气喷嘴伸入发动机的气缸燃烧室中；设置在所述气缸燃烧室的点火口，用于对所述气缸燃烧室的点火；排气管路与发动机的排气歧管连接，沿排气方向，排气管路上依次设置第二增压器、λ传感器和氧化型催化转化器，可以解决氢燃料发动机排气温度低、增压能力差而导致的瞬态响应时间长的问题。

Description

一种氢燃料发动机系统及其瞬态控制方法、车载系统
技术领域
本发明实施例涉及氢燃料发动机技术领域，尤其涉及一种氢燃料发动机系统及其瞬态控制方法、车载系统。
背景技术
目前，面对环境保护与能源保护，行业内对排放法规和油耗法规日趋严格，氢气作为无碳的清洁能源，燃烧只产生水，可基本实现碳和污染物的零排放，因此，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采用稀薄燃烧策略，其具有热效率高、NOx排放低的优点。但由于稀薄燃烧的进气量为化学当量燃烧的2倍以上，发动机气缸内燃烧工质多，燃烧温度低，排气能量低，不利于推动涡轮做功。由于发动机气缸的进气压力难以建立，对于发动机的稳态性，进气压力低会导致稀燃程度低、动力性差；对于发动机的瞬态性能，排气温度较低会导致涡轮增压瞬态性能较差，使得目标动力性达成所耗费的时间较长，加速性能较差。
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。现有的氢燃料发动机设计通常参考乘用车发动机开发经验，通过性能及结构设计达成稳态动力性目标，瞬态通过采用电动+涡轮增压的两级增压措施提升。若参考乘用车发动机开发经验，瞬态响应需通过两级增压改善，会带来结构布置、控制复杂以及增加电动增压器的零件成本的问题。在电动化的市场背景下，未来氢燃料发动机多数以混动专用动力应用于新能源车辆，那么通过采用电动两级增压的解决方案会带来机舱难以布置、成本高等问题。
因此，优化氢燃料发动机的响应性能，同时保证燃烧稳定性、NOx排放和爆震性能均处于合理范围，是目前氢燃料发动机推广亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明提供了一种氢燃料发动机系统及其瞬态控制方法、车载系统，可以解决氢燃料发动机排气温度低、增压能力差而导致的瞬态响应时间长的问题
第一方面，本申请提供了一种氢燃料发动机系统，包括：
进气管路，与发动机的进气歧管连接；沿进气方向，所述进气管路上依次设置空气滤清器、第一增压器、中冷器和节气门；
燃气喷射装置，所述燃气喷射装置包括气道喷射模块或者缸内直喷模块，所述气道喷射模块设置在所述进气歧管上，所述气道喷射模块的氢气喷嘴伸入所述进气歧管中；所述缸内直喷模块设置在所述发动机上，所述缸内直喷模块的氢气喷嘴伸入所述发动机的气缸燃烧室中；
火花塞，所述火花塞设置在所述气缸燃烧室的点火口，用于对所述气缸燃烧室的点火；
排气管路，与所述发动机的排气歧管连接，沿排气方向，所述排气管路上依次设置第二增压器、λ传感器和氧化型催化转化器。
可选的，沿所述排气方向，在所述氧化型催化转化器之后，所述排气管路上还设置选择性催化还原装置。
可选的，沿所述排气方向，在所述氧化型催化转化器之后，所述排气管路上还设置NOx捕集装置。
可选的，所述氢燃料发动机系统还包括控制器；
所述排气管路上还设置选择性催化还原装置，所述控制器分别与所述空气滤清器、所述第一增压器、所述中冷器、所述节气门、所述气道喷射模块、所述火花塞、所述第二增压器、所述λ传感器、所述氧化型催化转化器和所述选择性催化还原装置连接；或者，所述排气管路上还设置NOx捕集装置，所述控制器分别与所述空气滤清器、所述第一增压器、所述中冷器、所述节气门、所述缸内直喷模块、所述火花塞、所述第二增压器、所述λ传感器、所述氧化型催化转化器和所述NOx捕集装置连接。
第二方面，本申请实施例还提供了一种氢燃料发动机系统的瞬态控制方法，所述瞬态控制方法包括：
获取当前时刻车载系统的初始扭矩、目标扭矩；
比较所述目标扭矩和所述初始扭矩的大小；
当所述目标扭矩大于所述初始扭矩，控制第一增压器增大发动机内的氢气燃气浓度，同时控制火花塞在第一点火角点火；
实时获取排气管路中的过量空气系数；
当所述过量空气系数小于或者等于所述目标扭矩对应的爆震边界值；控制第一增压器继续增大发动机气缸内的氢气燃气浓度，同时控制所述火花塞在第二点火角点火，以使所述车载系统由所述初始扭矩增大至所述目标扭矩；
其中，所述第一点火角小于所述目标扭矩对应的稳态点火角，所述目标扭矩对应的稳态点火角小于所述第二点火角。
可选的，氢燃料发动机系统包括燃气喷射装置，所述燃气喷射装置包括缸内直喷模块，所述发动机的一个工作周期包括吸气冲程、压缩冲程、做功冲程和排气冲程，在缸内升温加速阶段中，所述瞬态控制方法还包括：
在所述发动机的每个工作周期的做功冲程结束和排气冲程开启之前，控制缸内直喷模块向气缸燃烧室喷入氢气燃料，同时控制火花塞点火；
其中，所述缸内升温加速阶段指的是控制所述火花塞在第二点火角点火后所述车载系统的扭矩增大至所述目标扭矩持续的时间。
可选的，在所述缸内升温加速阶段，所述发动机包括多个依次进行的工作周期；
控制第一增压器继续增大发动机气缸内的氢气燃气浓度，同时控制所述火花塞在第二点火角点火，还包括：
同时控制所述火花塞在多个依次进行的工作周期中的第二点火角逐渐减小至所述目标扭矩对应的稳态点火角。
可选的，在所述车载系统由所述初始扭矩增大至所述目标扭矩后，所述瞬态控制方法还包括：
控制所述火花塞在所述目标扭矩对应的稳态点火角点火。
可选的，在控制第一增压器增大发动机气缸内的氢气燃气浓度，同时控制所述火花塞在第二点火角点火之后，所述瞬态控制方法还包括：
继续实时获取所述排气管路中的过量空气系数λ；
控制第一增压器和第二增加器的增压比例，以使所述过量空气系数λ稳定在所述目标扭矩对应的爆震边界值。
第三方面，本申请实施例还提供了一种车载系统，包括第一方面提供的所述的氢燃料发动机系统。
综上，本申请提供的氢燃料发动机系统，采用氢燃料发动机系统的瞬态控制方法，通过控制点火时刻、系统增压、氢气喷射等，改善瞬态响应性能，减少加速响应时间，同时还可以规避氢稀薄燃烧过量空气系数λ变化范围大带来的NOx排放高、燃烧稳定性差及爆震异常燃烧等问题。
附图说明
图1是本申请提供的一种氢燃料发动机系统的结构示意图；
图2是本申请提供的另一种氢燃料发动机系统的结构示意图；
图3是氢燃料发动机的NOx与过量空气系数λ的关系示意图；
图4是本申请提供的一种氢燃料发动机系统的瞬态控制方法示意图；
图5是本申请的氢燃料发动机系统的点火角与过量空气系数λ的对应关系；
图6是现有技术和本申请提供的发动机扭矩的瞬态响应时间的对照图；
图7是本申请提供的另一种氢燃料发动机系统的瞬态控制方法示意图；
图8是本申请的氢燃料发动机系统的点火角与过量空气系数λ的对应关系；
图9是现有技术和本申请提供的发动机扭矩的瞬态响应时间的对照图；
图10是本申请提供的发动机的工作周期中晚喷策略的示意图；
图11是本申请提供的一种氢燃料发动机系统的逻辑控制示意图；
图12是本申请提供的一种氢燃料发动机系统的逻辑控制示意图。
其中，附图说明为：
20-进气管路，21-空气滤清器，22-增压器，23-中冷器，24-节气门，11-进气歧管，41-气道喷射模块，42-缸内直喷模块，13-火花塞，14-排气歧管，30-排气管路，32-λ传感器，33-氧化型催化转化器，34-选择性催化还原装置，35-NOx捕集装置。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
本发明鉴于现有技术中所存在的上述问题中的一个或多个而提出的一种氢燃料发动机系统。图1是本申请提供的一种氢燃料发动机系统的结构示意图；
图2是本申请提供的另一种氢燃料发动机系统的结构示意图；图3是氢燃料发动机的NOx与过量空气系数λ的关系示意图。结合图1所示，本申请实施例提供的一种氢燃料发动机系统包括发动机10、进气管路20、排气管路30和燃气喷射装置40，进气管路20与发动机10的进气歧管11连接；沿进气方向(图中的箭头方向L1所示)，进气管路20上依次设置空气滤清器21、第一增压器22、中冷器23和节气门24；燃气喷射装置40包括气道喷射模块41，气道喷射模块41设置在进气歧管11上，气道喷射模块41的氢气喷嘴伸入进气歧管11中；火花塞13设置在气缸燃烧室12的点火口，用于对气缸燃烧室12的点火，排气管路30与发动机10的排气歧管14连接，沿排气方向(图中的箭头方向L2所示)，排气管路30上依次设置第二增压器31、λ传感器32和氧化型催化转化器33。
结合图2所示，本申请实施例提供的一种氢燃料发动机系统包括发动机10、进气管路20、排气管路30和燃气喷射装置40，进气管路20与发动机10的进气歧管11连接；沿进气方向L1，进气管路20上依次设置空气滤清器21、第一增压器22、中冷器23和节气门24；燃气喷射装置40包括缸内直喷模块42，缸内直喷模块42设置在发动机10上，缸内直喷模块42的氢气喷嘴伸入发动机10的气缸燃烧室12中；火花塞13设置在气缸燃烧室12的点火口，用于对气缸燃烧室12的点火，排气管路30与发动机10的排气歧管14连接，沿排气方向L2所示，排气管路30上依次设置第二增压器31、λ传感器32和氧化型催化转化器33。
示例性的，结合图1和图2所示，氢燃料发动机系统的发动机10为氢内燃机(Hydrogen Internal Combustion Engine，HICE)，也叫氢燃料发动机，以传统内燃机为基础，通过改变燃料供应系统、喷射系统以及燃料等，燃烧氢气产生动力，从而驱动车辆的行驶。可以简单的理解为烧氢气的发动机，其基本原理与普通的汽油或者柴油内燃机的原理一样，是基本的汽缸—活塞式的内燃机，发动机10的一个工作周期包括吸气冲程、压缩冲程、做功冲程和排气冲程，在一个工作周期的4个冲程完成化学能对机械能的转化。
发动机(汽油机)工作时，点火时刻对发动机的工作性能有很大的影响。点火指的是在发动机的一个工作周期中，在压缩冲程中，发动机的活塞运行至压缩上止点之前火花塞跳火，点燃燃烧室内的可燃混合气，活塞下行时为做功冲程。从点火时刻起到活塞到达压缩上止点，这段时间内发动机的曲轴转过的角度称为点火角，能使发动机获得最佳动力性、经济性和最佳排放时的点火角称为最佳点火角。其中，点火角的单位为：角度/°。
结合图1和图2中，进气管路20与发动机10的进气歧管11连接，用于向发动机10提供氢气燃料。
在进气管路20的进气方向上：空气滤清器21的作用是对氢气燃料进行过滤，滤除氢气燃料中灰尘、砂粒的作用，保证气缸中进入足量、清洁的气体；第一增压器22的作用是将氢气燃料在供入气缸之前预先压缩，提高发动机的进气密度，提高发动机的升功率；中冷器的作用是降低增压后的高温空气温度，以降低发动机的热负荷，提高进气量进而增加发动机的功率；节气门24是控制空气进入发动机的一道可控阀门，上接空气滤清器，下接发动机缸体，被称为是汽车发动机的咽喉。作为一个示例，第一增压器22采用涡轮增压，在其他实施例中，本申请的增压型式不局限于涡轮增压。
燃气喷射装置40可设置在发动机10的不同位置，结合图1所示，若采用气道喷射模块41，需将气道喷射模块41设置在发动机10的进气歧管11上，且气道喷射模块41的氢气喷嘴伸入进气歧管11中，在发动机10的工作周期中，火气道喷射模块41的氢气喷嘴直接向进气歧管11喷射氢气混合燃料，再经气缸燃烧室12的进气口(图中未示出)进入气缸燃烧室12中。结合图2所示，若采用缸内直喷模块42，需将缸内直喷模块42设置在发动机10上，且缸内直喷模块42的氢气喷嘴伸入发动机10的气缸燃烧室12中，在发动机10的工作周期中，火气道喷射模块41的氢气喷嘴直接向气缸燃烧室12喷射氢气混合燃料，可实现直接向气缸燃烧室12供给氢气燃料。
火花塞13设置在气缸燃烧室12的点火口，用于对气缸燃烧室12的点火，决定了气缸燃烧室12的点火时刻。
排气管路30与发动机10的排气歧管14连接，用于排放发动机10内的未完全燃烧的氢气燃料和燃烧产物。
沿排气管路30的排气方向上：第二增压器31用于将排气管路30的气体压缩，提高发动机的排气密度，提高发动机尾气排向。
λ传感器32是一款气体传感器，检测发动机废气中的氧含量，用于测量过量空气系数λ，过量空气系数亦称“过剩空气系数”、“空气过剩系数”，俗称“余气系数”，指实际供给燃料燃烧的空气量与理论空气量之比，是反映燃料与空气配合比的一个重要参数，常用符号“λ”表示。其值可借气体分析仪进行测量，本申请实施例中采用λ传感器32。在各种炉子或燃烧室中，为使燃料尽可能燃烧完全，实际供入的空气量总要大于理论空气量(其超出部分称为“过剩空气量”)，即过量空气系数必须大于1。结合燃烧理论与运行经验表明，λ过大或过小都对燃烧不利，亦即不同燃烧设备各有其最佳的过量空气系数值。其中，λ过大表示送风量过多，λ过小表示送风量过少。结合图3所示，根据氢燃料发动机的NOx(氮氧化物)排放机理，NOx随着过量空气系数λ的增大，先升高后降低，当λ≥2左右可达成较低的NOx排放水平。其中，横坐标为λ，纵坐标为NOX的含量，单位ppm：毫克/立方米。
氧化型催化转化器33简称DOC(Diesel Oxidation Catalyst，DOC)，是安装在发动机排气管路中，通过氧化反应，将发动机排气中的一氧化碳(CO)和碳氢化合物(HC)转化成无害的水(H20)和二氧化碳(CO2)的装置。
在上述实施例的基础上，结合图1和图2所示，沿排气方向L2，在氧化型催化转化器33之后，排气管路30上还设置选择性催化还原装置34。
一些实施例中，选择性催化还原装置34利用选择性催化还原法(SelectiveCatalytic Reduction，SCR)，安装在发动机排气系统中，在催化剂的作用下，利用还原剂(如NH3、液氨、尿素)来“有选择性”地与烟气中的NOx反应并生成无毒无污染的N2和H2O，从而减小排气污染。
在上述实施例的基础上，继续结合图1和图2所示，沿排气方向(图中的箭头方向L2所示)，在氧化型催化转化器33之后，排气管路30上还设置NOx捕集装置35。
一些实施例中，NOx捕集装置35可以采用稀氮氧化物捕集器(Lean Nox Trap，LNT)，LNT是一种通过吸附减少稀燃内燃机氮氧化物(NO和NO2)排放的装置，应用于汽车中，可以对NOX捕集和释放以及对NOX进行还原，达到净化NOX的目的。
在其他实施例中，在氧化型催化转化器33之后，排气管路30上还可以设置比较常用的后处理技术，例如微粒捕集技术(Diesel Particulate Filter，DPF)等，对排气管路30中的污染气体后处理，降低排气污染。
在上述实施例的基础上，继续结合图1和图2所示，第一增压器22和第二增压器通过轴承连接。
在上述实施例的基础上，氢燃料发动机系统还包括控制器(图中未示出)；在图1中，控制器分别与空气滤清器21、第一增压器22、中冷器23、节气门24、气道喷射模块41、火花塞13、第二增压器31、λ传感器32和氧化型催化转化器33连接，进一步在图1中，控制器还和选择性催化还原装置34或者NOx捕集装置35连接；或者，在图2中，控制器分别与空气滤清器21、第一增压器22、中冷器23、节气门24、缸内直喷模块42、火花塞13、第二增压器31、λ传感器32和氧化型催化转化器33连接，进一步在图2中，控制器还和选择性催化还原装置34或者NOx捕集装置35连接。
其中，控制器可以是车载系统的主控制器、上位机等，微处理可以是中央处理器(Central Processing Unit，CPU)，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)、现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Rray，FPGA)或者其它可编程逻辑器件、晶体管逻辑器件等中的硬件部件或者其任意组合。
现有技术中当中，在实际车辆行驶过程中，当车辆的目标扭矩增加时，通常直接增加发动机的氢气喷射量，按照目标扭矩对应的稳态最优点火角，控制火花塞点火，采用这种点火方法，存在着发动机的排气温度偏低、增压能力差、升高缓慢，导致增压能力和动力性提升速度慢以及瞬态响应时间较长的问题。
基于此，在上述实施例提供的氢燃料发动机系统的基础上，本发明实施例还提供了一种氢燃料发动机系统的瞬态控制方法，用于控制上述实施例提供的氢燃料发动机系统，本申请通过控制点火时刻、系统增压、氢气喷射等，改善瞬态响应性能，减少加速响应时间，同时还可以规避氢稀薄燃烧过量空气系数λ变化范围大带来的NOx排放高、燃烧稳定性差及爆震异常燃烧等问题。
图4是本申请提供的一种氢燃料发动机系统的瞬态控制方法示意图；图5是本申请的氢燃料发动机系统的点火角与过量空气系数λ的对应关系；图6是现有技术和本申请提供的发动机扭矩的瞬态响应时间的对照图。结合图1-图6所示，发明实施例提供的氢燃料发动机系统的瞬态控制方法包括：
S101、获取当前时刻车载系统的初始扭矩和目标扭矩。
其中，车载发动机的扭矩(Torque)是发动机从曲轴端输出的力矩，是发动机性能评估的主要指数之一，单位为：N·m，牛米。在发动机功率在固定的条件下，扭矩与发动机转速成反比关系，转速越快扭矩越小，转速越慢扭矩越大，扭矩代表力量，转速是速度，扭矩大小反映了汽车在一定范围内的负载能力，扭矩越大代表力越大。
瞬态响应时间是指系统在某一信号输入作用下，其系统输出量从初始状态到稳定状态的时间。瞬态响应也称动态响应或过度或暂态响应。本申请中瞬态时间指的是车载系统的扭矩由初始扭矩切换至目标扭矩，发动机总的工作时间。
作为一个实施例，当汽车在行驶过程中，氢燃料发动机系统的控制器实时获取当前时刻车载系统的初始扭矩F0和车载系统接收到的需要切换的目标扭矩F1，同时获取系统中设置的目标扭矩F1稳定状态对应的稳态点火角θ0，稳态点火角为发动机保持目标扭矩F1稳定运行的点火角最优值，即最佳点火角。
S102、比较目标扭矩和初始扭矩的大小。
S103、当目标扭矩大于初始扭矩，控制第一增压器增大发动机内的氢气燃气浓度，同时控制火花塞在第一点火角点火。
需要说明的是，本申请实施例附图5、图6、图9和图10中①为汽车行驶过程中的初始状态；③为汽车行驶过程中的目标状态；②为汽车行驶过程由状态①切换至状态③的中间态状态。初始状态为发动机以初始扭矩F0对应的初始点火角点火，汽车以初始扭矩F0稳定行驶；目标状态为发动机以预设扭矩F1对应的稳态点火角点火θ0，汽车以目标扭矩F1稳定行驶；中间状态为汽车从初始扭矩F0切换至目标扭矩F1的中间态。
本申请将现有技术和本申请参照对比进行说明，附图中黑色实线代表本申请实施例，附图中灰色虚线代表现有技术，本申请如图中黑色箭头所示，在初始状态①至中间状态②，发动机以第一点火角点火θ1，在中间状态②至目标状态③，发动机以第二点火角点火θ2，其中，θ1＜θ0＜θ2。
具体的，结合图1、图2、图5、图6所示，控制器在初始状态①下，比较当前时刻车载系统的初始扭矩F0和目标扭矩F1的大小，当T1＞T0，说明此时车载系统扭矩增加，车载系统需要更大的负载能力。如图中黑色箭头指示，发动机由状态①→②的第一瞬态响应T1时间内，控制器控制进气管路20上的第一增压器22增压，增大气道喷射模块41或者缸内直喷模块42的氢气喷射量，增加发动机10内的氢气燃气浓度，同时控制火花塞13在发动机的活塞运行至压缩上止点之前的第一点火角点火θ1点火，点燃气缸燃烧室12内的可燃混合气。在第一瞬态响应时间T1内设置第一点火角点火θ1＜稳态点火角点火θ0，即发动机的一个工作周期中，在增加氢气喷射量的同时，推迟点火角，通过推迟点火角可以提升在气缸燃烧室12内的可燃混合浓度，在点火后，提高排气温度，加速发动机增压能力的提升，从而加快扭矩的提升，缩短瞬态响应时间。
S104、实时获取排气管路中的过量空气系数。
需要说明的是，步骤101和步骤104可同时进行，本申请实施例并没有限制先后顺序。
S105、当过量空气系数小于或者等于目标扭矩对应的爆震边界值，控制第一增压器继续增大发动机气缸内的氢气燃气浓度，同时控制火花塞在第二点火角点火，以使车载系统由初始扭矩增大至目标扭矩。
进一步，结合图5中黑色实线①→②→③所示，λ传感器32实时测量排气管道30中的过量空气系数λ，通过第一增压器22控制进气管路20进气量，在黑色实线①→②状态下，将过量空气系数λ加浓至爆震/NOx高排放边界值λ1，如图中黑色实线状态②所对应的λ1，λ1≥2。结合图6所示，发动机由黑色箭头指示的状态②切换至状态③的第二瞬态响应T2时间内，此时进一步控制第一增压器22增加喷氢质量，继续增大气道喷射模块41或者缸内直喷模块42的氢气喷射量，继续增加发动机10内的氢气燃气浓度，同时控制火花塞13在发动机的活塞运行至压缩上止点之前的第二点火角点火θ2点火，点燃气缸燃烧室12内的可燃混合气。在第二瞬态响应时间T2内设置第二点火角点火θ2＞稳态点火角点火θ0，即发动机的一个工作周期中，在增加氢气喷射量的同时，提前点火角至目标扭矩的稳态点火角最优值，由于第一瞬态响应时间T1内推迟点火角已获得了较高的排气温度，并已建立较高的增压能力/进气压力，当在第二瞬态响应时间T2内提前点火角，相同工质的做功能力提高，扭矩迅速提高，瞬态响应速度快，如图6中黑色实线②→③所示。
结合图6黑色实线①→②→③和灰色虚线①→②→③所示，相比于现有技术，本申请通过在切换目标扭矩的第一瞬态响应时间T1内推迟点火角，在第二瞬态响应时间T2内提前点火角，在汽车由初始扭矩F0切换至目标扭矩F1的瞬态响应时间T0的第一瞬态响应时间T1内，可迅速提高氢燃料发动机的排气温度、增压能力以及缩短切换至目标扭矩F1的瞬态响应时间T0，其中，T0＝T1+T2。
需要说明的是，第一瞬态响应时间T1和第二瞬态响应时间T2内发动机均循环进行了多个工作周期。
综上，本申请实施例提供的氢燃料发动机系统的瞬态控制方法，基于氢燃料发动机系统，通过调整点火时刻、系统增压、氢气喷射的控制，可以改善瞬态响应性能，减少加速响应时间，同时还可以规避氢稀薄燃烧过量空气系数变化范围大带来的NOx排放高、燃烧稳定性差及爆震异常燃烧等问题。
图7是本申请提供的另一种氢燃料发动机系统的瞬态控制方法示意图；图8是本申请的氢燃料发动机系统的点火角与过量空气系数λ的对应关系；图9是现有技术和本申请提供的发动机扭矩的瞬态响应时间的对照图；图10是本申请提供的发动机的工作周期中晚喷策略的示意图。其中，图8中，横坐标为发动机的曲轴转角，左侧纵坐标为气缸燃烧室的缸压，右侧纵坐标为燃烧放热率。
在上述实施例的基础上，结合图2、图7-图9所示，针对缸内直喷模块41的氢燃料发动机系统，本发明实施例还提供了一种氢燃料发动机系统的瞬态控制方法，该瞬态控制方法包括：
S201、获取当前时刻车载系统的初始扭矩和目标扭矩。
继续结合上述实施例步骤101中解释。
S202、比较目标扭矩和初始扭矩的大小。
S203、当目标扭矩大于初始扭矩，控制第一增压器增大发动机内的氢气燃气浓度，同时控制火花塞在第一点火角点火。
具体的，继续结合图1、图2、图5、图6以及上述实施例步骤102和103所示。
S204、实时获取排气管路30中的过量空气系数。
需要说明的是，步骤201和步骤204可同时进行，本申请实施例并没有限制先后顺序。
S205、当过量空气系数小于或者等于目标扭矩对应的爆震边界值，控制第一增压器继续增大发动机气缸内的氢气燃气浓度，同时控制火花塞在第二点火角点火；在发动机的每个工作周期的做功冲程结束和排气冲程开启之前，控制缸内直喷模块向气缸燃烧室喷入氢气燃料，同时控制火花塞点火，以使车载系统由初始扭矩增大至目标扭矩。
进一步，结合图2和图8中黑色实线①→②→③所示，λ传感器32实时测量排气管道30中的过量空气系数λ，通过第一增压器22控制进气管路20进气量，在黑色实线①→②状态下，使得过量空气系数λ加浓至爆震/NOx高排放边界值λ1，如图8中黑色实线状态②所对应的λ1，λ1≥2。
其中，缸内升温加速阶段是指控制火花塞在第二点火角点火后车载系统的扭矩增大至目标扭矩持续的时间，即第二瞬态响应时间。发动机的一个工作周期包括吸气冲程、压缩冲程、做功冲程和排气冲程，通常每个工作周期火花塞点火一次。在结合图8-图9所示，发动机由黑色虚线箭头指示的状态②切换至状态③的时间内，在发动机各个工作周期内，控制第一增压器22增加喷氢质量，继续增大气道喷射模块41或者缸内直喷模块42的氢气喷射量，继续增加发动机10内的氢气燃气浓度，同时控制火花塞13在发动机各个工作周期活塞运行至压缩上止点之前的第二点火角点火θ2点火，第一次点燃气缸燃烧室12内的可燃混合气；同时在发动机的每个工作周期内，在做功冲程结束和排气冲程开启之前控制火花塞第二次点火，如图8和图9中状态②切换至状态③黑色虚线箭头所示，可也称为晚喷。进一步结合图11所示，本申请通过增加晚喷氢气质量，增加发动机每个工作周期火花塞点火次数，可迅速提高排气温度，快速建立增压压力/进气压力，实现扭矩快速提升至目标扭矩值。由于第二次点火氢气喷量小，不影响主燃过程，结合图11所示，虽然总的λ由于喷氢质量的增加而减小，但主燃过程的燃烧稳定性和爆震状态未受影响。
采用发动机在每个工作周期中火花塞二次点火的方式，可以将状态②切换至状态③的第二瞬态响应时间T2缩短至T2’，T2’＜T2。结合图11的黑色实线①→②→③和黑色实-虚线①→②→③’所示，增加火花塞第二次点火，可迅速提高氢燃料发动机的排气温度、增压能力，并且再次缩短切换至目标扭矩的瞬态响应时间T0’，即T0’＝T1+T2’，T0’＜T0。
在上述实施例的基础上，在缸内升温加速阶段，发动机包括多个依次进行的工作周期。在步骤S205中，本申请针对第二瞬态响应时间内发动机的每个工作周期，本申请实施例还提供的瞬态控制方法还包括：
同时控制火花塞在多个依次进行的工作周期中的第二点火角逐渐减小至目标扭矩对应的稳态点火角。
具体的，继续结合图2、图7-图10所示，第一瞬态响应时间T1和第二瞬态响应时间T2’内发动机均循环进行了多个工作周期，当发动机由状态①切换至②，λ传感器32实时测量排气管道30中的过量空气系数λ加浓至爆震/NOx高排放边界值λ1，在发动机进行状态②至状态③的第二瞬态响应T2’内，在结合图8和图9所示，发动机由黑色虚线箭头指示的状态②切换至状态③的时间内，在发动机各个工作周期内，控制第一增压器22增加喷氢质量，继续增大气道喷射模块41或者缸内直喷模块42的氢气喷射量，继续增加发动机10内的氢气燃气浓度，同时控制火花塞13在发动机各个工作周期活塞运行至压缩上止点之前的第二点火角点火θ2逐渐减小至目标扭矩对应的稳态点火角点火，第一次点燃气缸燃烧室12内的可燃混合气；同时在发动机的每个工作周期内，在做功冲程结束和排气冲程开启之前控制火花塞第二次点火，可以使车载系统由初始扭矩迅速增大至目标扭矩，从而压缩初始扭矩增大至目标扭矩的瞬态响应时间。
S206继续实时获取排气管路中的过量空气系数λ。
S207控制第一增压器和第二增加器的增压比例，以使过量空气系数λ稳定在目标扭矩对应的爆震边界值。
具体的，结合图1和图2所示，λ传感器32实时测量排气管道30中的过量空气系数λ，在过量空气系数λ加浓至爆震/NOx高排放边界值λ1之后，通过第一增压器22控制进气管路20和第二增加器31的增压比例，控制尽量和排气量，结合图5和图8所述，使过量空气系数λ稳定在目标扭矩对应的爆震边界值，使得发动机具有较低的NOx排放水平。
在上述实施例的基础上，在步骤S105后，本申请实施例还提供的瞬态控制方法还包括：
控制火花塞在目标扭矩对应的稳态点火角点火，以维持发动机在目标扭矩的稳定。
图11是本申请提供的一种氢燃料发动机系统的逻辑控制示意图。
结合图1-图11所示，下面列举一个具体实施例，以说明本申请实施例提供的氢燃料发动机系统的瞬态控制方法，如何在车辆行驶过程增加扭矩，减小瞬态响应时间，氢燃料发动机系统的瞬态控制方法包括：
S11、检测当前时刻整车扭矩需求、实时测量过量空气系数λ，当前发动机运行状态为①，跳转至步骤S12。其中，扭矩需求为目标扭矩。
S12、判断整车目标扭矩是否增大，若是，跳转至S13；若否，跳转至S15。
具体的，判断目标扭矩是否大于当前时刻的初始扭矩。
S13、增加喷氢质量，推迟点火角，调节增压控制加浓过量空气系数λ，目标为过量空气系数λ加浓至爆震边界值λ1，即目标状态②，跳转至S14。
具体的，推迟点火角指的是控制火花塞13在发动机的活塞运行至压缩上止点之前的第一点火角点火θ1点火。
S14、增加氢气质量，提前点火角，调节增压、喷氢质量控制λ，目标为λ稳定在爆震边界值λ1，点火角提前至稳态最优值，扭矩提升至目标值③，跳转至S12。
具体的，提前点火角指的是控制火花塞13在发动机的活塞运行至压缩上止点之前的第二点火角点火θ2点火。
S15、结束。
图12是本申请提供的一种氢燃料发动机系统的逻辑控制示意图。
结合图2、图8-图12所示，若采用缸内直喷模块42，本申请实施例提供的氢燃料发动机系统的瞬态控制方法包括：
S21、检测当前时刻整车扭矩需求、实时过量空气系数λ，当前发动机运行状态为①，跳转至S22。其中，扭矩需求为目标扭矩。
S22、判断整车目标扭矩是否增大，若是，跳转至S23；若否，跳转至S27。
具体的，判断目标扭矩是否大于当前时刻的初始扭矩。
S23、推迟点火角，增加喷氢质量，调节增压控制加浓λ，目标为λ加浓至爆震边界值，即目标状态②，跳转至S24。
具体的，推迟点火角指的是控制火花塞13在发动机的活塞运行至压缩上止点之前的第一点火角点火θ1点火。
S24、增加主喷的喷氢质量，增加晚喷的喷氢质量，逐步提前点火角，目标为点火角提前至稳态最优值，扭矩提升至目标值③，跳转至S5。
具体的，在发动机的每个工作周期内，提前点火角指的是控制火花塞13在发动机的活塞运行至压缩上止点之前的第二点火角点火θ2点火，
S25、判断扭矩是否达成目标值③，若是，跳转至S26；若否，跳转至S24。
S26、取消晚喷策略，跳转至S22。
S27、结束。
采用上述实施例提供的氢燃料发动机系统的瞬态控制方法，可以实现λ监测、增压器、火花塞、氢气喷射的瞬态控制，在车载系统的扭矩增大时，缩短扭矩增大的瞬态时间。
基于同样的发明构思，本发明实施例还提供了一种车载系统。该车载系统包括上述实施方式提供的一种氢燃料发动机系统，采用上述实施例提供氢燃料发动机系统的瞬态控制方法控制扭矩。因此，该车载系统也具有上述实施方式中的氢燃料发动机系统所具有的有益效果，相同之处可参照上文对氢燃料发动机系统以及氢燃料发动机系统的瞬态控制方法的解释说明进行理解，下文不再赘述。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明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、相互组合和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种氢燃料发动机系统，其特征在于，包括：
进气管路，与发动机的进气歧管连接；沿进气方向，所述进气管路上依次设置空气滤清器、第一增压器、中冷器和节气门；
燃气喷射装置，包括气道喷射模块或者缸内直喷模块，所述气道喷射模块设置在所述进气歧管上，所述气道喷射模块的氢气喷嘴伸入所述进气歧管中；所述缸内直喷模块设置在所述发动机上，所述缸内直喷模块的氢气喷嘴伸入所述发动机的气缸燃烧室中；
火花塞，设置在所述气缸燃烧室的点火口，用于对所述气缸燃烧室的点火；
排气管路，与所述发动机的排气歧管连接；沿排气方向，所述排气管路上依次设置第二增压器、λ传感器和氧化型催化转化器。
2.根据权利要求1所述的氢燃料发动机系统，其特征在于，沿所述排气方向，在所述氧化型催化转化器之后，所述排气管路上还设置选择性催化还原装置。
3.根据权利要求1所述的氢燃料发动机系统，其特征在于，沿所述排气方向，在所述氧化型催化转化器之后，所述排气管路上还设置NOx捕集装置。
4.根据权利要求1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控制器；
所述排气管路上还设置选择性催化还原装置，所述控制器分别与所述空气滤清器、所述第一增压器、所述中冷器、所述节气门、所述气道喷射模块、所述火花塞、所述第二增压器、所述λ传感器、所述氧化型催化转化器和所述选择性催化还原装置连接；或者，所述排气管路上还设置NOx捕集装置，所述控制器分别与所述空气滤清器、所述第一增压器、所述中冷器、所述节气门、所述缸内直喷模块、所述火花塞、所述第二增压器、所述λ传感器、所述氧化型催化转化器和所述NOx捕集装置连接。
5.一种氢燃料发动机系统的瞬态控制方法，其特征在于，所述瞬态控制方法包括：
获取当前时刻车载系统的初始扭矩、目标扭矩；
比较所述目标扭矩和所述初始扭矩的大小；
当所述目标扭矩大于所述初始扭矩，控制第一增压器增大发动机内的氢气燃气浓度，同时控制火花塞在第一点火角点火；
实时获取排气管路中的过量空气系数；
当所述过量空气系数小于或者等于所述目标扭矩对应的爆震边界值；控制第一增压器继续增大发动机气缸内的氢气燃气浓度，同时控制所述火花塞在第二点火角点火，以使所述车载系统由所述初始扭矩增大至所述目标扭矩；
其中，所述第一点火角小于所述目标扭矩对应的稳态点火角，所述目标扭矩对应的稳态点火角小于所述第二点火角。
6.根据权利要求5所述的瞬态控制方法，其特征在于，氢燃料发动机系统包括燃气喷射装置，所述燃气喷射装置包括缸内直喷模块，所述发动机的一个工作周期包括吸气冲程、压缩冲程、做功冲程和排气冲程，在缸内升温加速阶段中，所述瞬态控制方法还包括：
在所述发动机的每个工作周期的做功冲程结束和排气冲程开启之前，控制缸内直喷模块向气缸燃烧室喷入氢气燃料，同时控制火花塞点火；
其中，所述缸内升温加速阶段指的是控制所述火花塞在第二点火角点火后所述车载系统的扭矩增大至所述目标扭矩持续的时间。
7.根据权利要求6所述的瞬态控制方法，其特征在于，在所述缸内升温加速阶段，所述发动机包括多个依次进行的工作周期；
控制第一增压器继续增大发动机气缸内的氢气燃气浓度，同时控制所述火花塞在第二点火角点火，还包括：
同时控制所述火花塞在多个依次进行的工作周期中的第二点火角逐渐减小至所述目标扭矩对应的稳态点火角。
8.根据权利要求7所述的瞬态控制方法，其特征在于，在所述车载系统由所述初始扭矩增大至所述目标扭矩后，所述瞬态控制方法还包括：
控制所述火花塞在所述目标扭矩对应的稳态点火角点火。
9.根据权利要求5所述的瞬态控制方法，其特征在于，在控制第一增压器增大发动机气缸内的氢气燃气浓度，同时控制所述火花塞在第二点火角点火之后，所述瞬态控制方法还包括：
继续实时获取所述排气管路中的过量空气系数λ；
控制第一增压器和第二增加器的增压比例，以使所述过量空气系数λ稳定在所述目标扭矩对应的爆震边界值。
10.一种车载系统，其特征在于，包括权利要求1-5所述的氢燃料发动机系统。
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