CN1488848A - 测定氢燃料内燃机的空气/燃料比的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明披露了一种计算氢燃料发动机中燃料空气比的方法和系统。基于来自排气温度传感器的信号测定燃料空气比。

Description

测定氢燃料内燃机的空气/燃料比的方法和系统
技术领域
本发明总体上涉及测定空气/燃料比的方法和系统，特别是，涉及测定氢燃料内燃机的空气/燃料比的方法和系统。
背景技术
如本领域所知的那样，经常要求测定内燃机中的空气/燃料比。在汽油燃料发动机中，通常使用排气氧气(EGO)传感器来测定燃料空气比。EGO传感器安装在发动机产生的排气流中。EGO传感器在发动机中的使用得到很好地发展，这种发动机按照空气燃料的化学计量比例操作，亦即按照这种比例，反应完成后空气中的燃料和氧气将会完全燃烧完毕。
同样如本领域所知的那样，过量的空气燃烧可能提供比化学计量燃烧更高的燃料效率。然而，对于稀混合气，传统的EGO传感器只提供有限的信息。在稀混合气的情况下，使用较宽范围或通用EGO(UEGO)传感器而不是EGO传感器。UEGO传感器能够测定浓混合气(超量燃料)和稀混合气以及化学计量混合气的燃料空气比。UEGO的一个缺点是，与通用EGO传感器相比价格更加昂贵，同时发展不完善。
同样如本领域所知的那样，在传感器暴露在排气流的表面上，EGO和UEGO传感器都具有珍贵的金属涂层。在传感器的表面发生催化反应，导致过量的燃料与过量的氧气发生反应。在本本领域中我们知道，例如，在化学计量汽油发动机中的燃烧效率小于100％，典型地小于97％。因此，从发动机中散发的气体含有一些未燃烧的燃料和氧气。根据排气的化学计量，在燃料或氧气中的一种消耗完之前，另一种先消耗完毕。EGO传感器提供一个信号，该信号实际上指出，在传感器表面发生反应后，在排气中是否存在过量的燃料或过量的氧气。UEGO传感器提供了一种信号，该信号与过量的燃料或过量的氧气的数量成比例。
同样如本领域所知的那样，一种以非常低的燃料空气比燃烧、因而产生很高的燃料效率的燃料是氢气。一种为人们所知的使用EGO或UEGO传感器从氢气燃烧中测定燃料空气比的情况是，由于氢气相比于排气中其它的气体，它的不平均的传播率导致了测定的偏差。尤其是，氢气作为一种非常小的分子，比排气中存在的其它原子(如N2，O2和H2O)更容易传播。因此，在EGO或UEGO传感器的珍贵的金属表面上，未燃烧的氢气与氧气发生催化反应，因此在EGO或UEGO传感器的附近消耗了排气中的氢气，同时也减少了这种排气中氧气的含量。相比多数气体的浓度，发生在传感器表面的这两种气体的较低的浓度使H2和O2从多数气体向传感器表面的传播。由于它的高扩散率，比O2更快地到达表面，因此使EGO或UEGO的信号发生偏差。特别是，结果是EGO或UEGO传感器显示一种比实际上存在于多数排气中的更多的混合气。
发明内容
本发明的发明者认识到需要一种便宜的、可靠替换物代替EGO或UEGO传感器，用来稀混合气燃烧的氢燃料发动机中的燃料空气比的。
根据本发明，提供一种方法，其中，将氢气和氧化剂引入内燃机中。氢气和氧化剂在内燃机中燃烧，同时燃烧的产物作为排气流从发动机中释放。这种方法在所述温度不依赖于发动机负载功率的基础上测定质量比。
因此，发明者发现因为发动机功率及温度可以用来测定汽油燃料发动机和氢燃料发动机的燃料空气比，就可以不依赖于发动机负载功率测定氧化剂-氢气比。
尤其是，因为以前在汽油动力的飞行器和赛车中利用了排气温度和化学计量之间的关系，发明者发现，对于氢燃料发动机，可以不依赖于发动机负载功率测定氧气-氢气比。在以前的工艺中，直到排气温度达到最大值时，才手工调整燃料空气比。然后，燃料空气比增加(更充足)。增加燃料空气比使之超过化学计量比的目的是，避免排气阀过热。实际上，燃料提供了一种冷却效果。由于很多原因，根据本发明，这种方法不同于以前的应用。首先，本方法使用氢燃料仅仅是因为化学计量和排气温度之间独特的关系，而这种关系是本发明的发明者发现的。特别是，对于氢燃料，燃料空气比与排气温度之间的关系不以来于发动机速度、发动机转矩、或者两者的乘积、发动机功率。其次，因为氢燃料燃烧时，排气温度和化学计量之间存在着一种独特的关系，本发明依靠这种关系来提供对燃料空气比的测定，这与以前的方法相反，以前的方法仅仅在相对的意义上使用温度来确定一种化学计量充足的工作状况，这对于发动机元件是无害的。
通过一种确定在内燃机中燃烧的燃料对于氧化剂的质量比的方法，可以克服以前方法的另一个缺点，该方法包括测定从发动机中排出的排气流的温度和在所述温度基础上计算质量比。在质量基础上，燃料包括大于90％的氢气。按照燃料的成分、氧化剂的成分、和排气再循环的数量，调整质量比。温度由热电偶、电热调节器、温差电堆、光学测定装置、或这些温度测定装置的任一种组合体来测定。
本发明的一个优点是，质量比的测定不依靠于发动机的转速和转矩。
本发明的一个优点是，在氢燃料发动机中燃料空气比的可靠的、无偏差的测定。在温度上燃料空气比的测定克服了EGO和UEGO传感器的信号偏差所带来的问题。
一个进一步的优点是，耐用的、便宜的、得到很好发展的温度测定硬件可以用来测定氢燃料发动机中燃料空气比。
本发明的另一个优点是，如果在发动机的排气装置中提供UEGO传感器，由本发明所测定的燃料空气比，可以与由UEGO所测定的燃料空气比来进行比较。这两种测定可以用来确定在温度测定装置或UEGO中的故障。另一种情况是，这两种测定可以在发动机计算机中校准常数，用来精确计算出来的燃料空气比结果。
对于本说明书的读者来说，本发明的其它优点以及目标和特征，将变得清楚。
附图说明
通过阅读一个实施例的例子，将完全理解此处所描述的优点，在该实施例中，本发明将得到很好的利用，这里称之为参照附图的具体
实施方式，其中：
图1是氢燃料发动机的示意图。
图2是排气温度作为燃料空气比的函数的曲线图，该燃料空气比是内燃机中碳氢化合物燃料燃烧的结果；以及
图3是排气温度作为燃料空气比的函数的曲线图，该燃料空气比是内燃机中氢燃料燃烧的结果。
具体实施方式
参考图1，图示的内燃机10具有多个气缸12，在这里为了理解具有三个气缸12，并且每个气缸中有一个火花塞14。通过进气管18向发动机10提供空气。通过控制节流阀20的位置来调节空气的传送。如示例地表示，燃料在吸入歧管16的上游进入，通过阀22控制其传送速率。可选地，燃料进入吸入歧管16的每个流道或者通过燃料喷射器直接传送进入气缸12。燃烧产物通过一个发动机排气装置从发动机中排出，排气装置包括排气歧管30和排气管34。温度传感器32沿着排气歧管30的每个流道安装。温度传感器36安装在排气管34中。传感器32提供各个气缸的温度信息，该信息可以用来检测气缸和气缸之间的差别，而传感器36提供发动机10的总体测定特性。
发动机10安装有一个排气再循环(EGR)系统24，该系统通过阀26连接发动机排气口和发动机进气口来调节EGR量。示例性所表示的发动机10包含一个排气成分传感器36、一个EGO或UEGO传感器。
温度传感器32和36在这里为，例如，热电偶、电热调节器、光学检测器、或任何其它适于安装在排气管中并且能够在1000℃左右的范围内测定温度的温度测定装置。
继续参考图1，提供一个电子控制单元(ECU)40来控制发动机10。ECU40有一个微处理器46，称为中央处理器(CPU)，CPU与内存管理单元(MMU)48相互通讯。MMU48控制数据在计算机可读存储介质中的传送并向中央处理器CPU46传送数据或从CPU46中取出数据。优选地，计算机可读存储介质包括，例如，只读存储器(ROM)58、随机存储器(RAM)56、和持续存储器(KAM)54中的易失存储器和永久性存储器。当CPU46发生故障时，KAM54可以用来存储不同的操作变量。使用任何已知内存装置，可以实现计算机可读存储介质，例如PROM(可编程只读存储器)、EPROM(电子PROM)、EEPROM(电子可擦除PROM)，闪存、或任何其它电气、磁场、光学、或能存储数据的组合内存装置，其中有些可以表示由CPU46使用来控制发动机或安装有发动机10的车辆的可执行指令。计算机可读存储介质还可以包括软盘、光盘驱动器、硬盘、和类似物。CPU46通过一个输入/输出(I/O)接口44与不同的传感器和调节器进行通讯。在CPU46的控制下，通过I/O接口44进行驱动的例子有：燃料喷射定时、燃料注入率、燃料喷射持续时间、节流阀20的位置、火花塞14点火的定时、EGR系统24中阀的位置，等等。传感器42和经I/O接口52的输入通讯显示发动机速度、车辆速度、冷却液温度、歧管压力、踏板位置、节流阀20位置、空气温度、排气温度、和大量空气的流速。一些ECU40结构不包括MMU48。如果不使用MMU48，那么CPU46管理数据并直接与ROM58、RAM56和KAM54连接起来。当然，本发明能够利用一个以上的CPU46来提供发动机控制，并且根据特定的应用，ECU40可能包括多个与MMU48或CPU46连接在一起的ROM58、RAM56和KAM54。
图2图示了对于诸如汽油、甲烷、柴油等的碳氢化合物燃料的由传感器36测定的排气温度60和燃料空气比62的一种典型的关系。在一种化学计量比中，(图2中虚线64)，排气温度60为最大值，或近似为最大值。当混合气从最大值处增加或减少时，排气温度60减小。如图2所示，排气温度60还与发动机功率密切相关。单独的排气温度不能用来测定燃料空气比。作为一个例子，图2中，Tx与曲线66在x1点相交，与曲线67在x2点相交，与曲线68在x3点相交。曲线66、67、68表示不同的功率。从点x1、x2、x3处画垂线，与横坐标交于点fax1、fax2、fax3。因此，除非功率已知，单独的温度不能确定唯一的燃料空气比。相反，对于燃料空气比，Tx会产生多个值，其中，fax1、fax2、fax3只是三个例子。
对于氢燃料的发动机，如果收集那些与被用来显示图2的数据相似的数据，结果如图3所述，由传感器36测定的排气温度作为纵坐标，燃料空气比72作为横坐标。虚线74表示空气燃料的化学计量比，这条虚线产生近似最大排气温度。图2中碳氢化合物燃料的结果和图3中氢燃料的结果的很重要的区别是，对于后者，排气温度仅仅在很小的程度上依赖于发动机功率。因此，最大功率时的曲线76和最小功率时的曲线78差不多是相同的。温度Ty大约在燃料空气比为fay的y点与曲线76和78相交。重要的一点是它不依靠于发动机功率产生了燃料空气比的单一值。功率与速度和转矩相关。因此，速度和转矩的变化会使功率发生变化。
图3中，温度Tz与曲线76和78在点z1和z2处相交，这两点分别在化学计量的低燃料侧和高燃料侧。这个潜在的混淆不是本方法的实际限制，因为实际上当燃烧氢燃料时，正常的燃料空气比的工作范围是大约在空气燃料化学计量比为0.2-0.8之间，如图3表示点划线80和82之间的工作范围。当燃料空气比接近化学计量比时，氢燃料的燃烧效率的优点消失。另外，在不希望的失去控制的情况下，在燃料空气比接近化学计量比时，氢气就自动点火。由于这些原因，就限制操作在燃料空气比小于大约0.8的化学计量燃料空气比时进行。
在以上讨论的例子中，空气是氧化剂。然而，本发明可以使用其它的氧化剂，例如富氧空气。图3的燃料是氢气。只要燃料主要是氢气，亦即，总量少于10％的碳氢化合物，本发明就可以得到很好的利用。碳氢化合物不纯的结果是，使图3的曲线76和78发生偏离，因此减少了根据本发明的燃料空气比的测定精度。
图2和图3中存在一种假设，涉及到燃烧事件的相位调整(关于发动机旋转角度)。燃烧事件的定时、相位调整有效地影响了由发动机产生的功率数及排气温度。在火花点火发动机中，关于产生最大转矩的最佳相位的定时，称为MBT定时，此处MBT指用于最佳转矩的最小点火提前角。类似地，在气缸中，控制条件使发动机在均匀载荷、压缩点火发动机中产生最大转矩。图2和图3中表示了控制点火定时来提供最大转矩。另外，图2和图3将MBT定时应用到适当延迟的点火定时。可以发展依靠于点火定时的一组曲线来解释点火定时的影响。另外，在定时点火的基础上修改图3的曲线或在ECU40的查找表中存储相应的数据。
图2和图3表示，不存在排气再循环(EGR)。然而，本领域一般技术人员知道，因为EGR是一种燃烧稀释剂，使得排气温度降低。随着点火定时对排气温度的影响，根据本发明，可以根据EGR的容量来修改这种方法。
在前述的讨论中，因为空气是燃烧系统的一种普通的氧化剂，所以使用了术语燃料空气比。如果使用另一种氧化剂，如富氧空气，此处所描述的方法也适用。然而，图2和图3中的曲线依赖于氧化剂的类型。为了使本发明适应其他的氧化剂，使用了一个氧化剂类型的校正系数。
根据本发明的燃料空气比的测定，典型地，使用ECU40来提供一个反馈信号，该反馈信号至少以两种模式来表现燃料空气比的反馈控制：首先，它可以用来提供一个预期的燃料空气比，其次，它可以用来保证燃料空气比是在预期的工作范围之内，这个范围是在大约0.2-0.8的化学计量燃料空气比的范围内。
如以上所讨论的，在一种实施例中，在发动机排气装置中安装UEGO传感器38。在这种可选方案中，根据温度传感器36的信号和UEGO传感器38的信号可以计算燃料空气比。在这两个信号的基础上，可以确定是否其中一个传感器处于故障状态。另外，这两个信号可以用来提高测定的精度。特别是，可以更新ECU40中的校正常数来反映这两个信号所提供的附加信息。
尽管描述了实施本发明的几个例子，但是本领域技术人员可以理解实现本发明的另一些可替换的设计和实施例。因此，以上所描述的实施例旨在解释本发明，可以在以下权利要求书的范围内修改这些实施例。

Claims (35)

1.一种方法，包括：
在内燃机中燃烧一种包括氢气和氧化剂的燃料，产生排气流，所述排气流从发动机中排放出去；
测定排气流的温度；及
根据独立于发动机负载功率的所述测定温度测定提供给发动机的燃料和提供给发动机的氧化剂的质量比。
2.如权利要求1中的方法，其特征在于，所述燃料包括其质量超过90％的氢气。
3.如权利要求1中的方法，其特征在于，所述氧化剂是空气。
4.如权利要求1中的方法，进一步包括在氧化剂成分的基础上调整质量比。
5.如权利要求1中的方法，其特征在于，发动机具有至少一个气缸，并且在每个气缸中安装一个火花塞，进一步包括：
测定最佳转矩点火正时的最小点火提前角；及在点火正时的基础上，为了获得最佳转矩，指令所述火花塞处于所述最小点火提前角上。
6.如权利要求5中的方法，进一步包括在相对于所述最佳转矩点火正时的最小点火提前角的所述点火正时的基础上调整质量比的步骤。
7.如权利要求1中的方法，其特征在于，不依靠于发动机功率测定质量比。
8.如权利要求1中的方法，其特征在于，发动机具有排气再循环系统，该系统将发动机的排气口连接在发动机的进气口上，该方法进一步包括基于向发动机进气口循环的排气量调整质量比的步骤。
9.如权利要求1中的方法，进一步包括：
将质量比与预定的最小质量比和预定的最大质量比相比；
当质量比小于所述预定的最小质量比时，使质量比增加；以及
当质量比大于所述预定的最大质量比时，使质量比减小。
10.一种方法，包括：
将氢气和氧化剂引入内燃机中；
当质量比小于化学计量质量比时，测定氢气对于氧化剂的质量比，氢气和氧化剂在内燃机中燃烧，燃烧产物作为排气流从发动机中排出；
测定排气流的温度；以及
根据所述独立于发动机负载功率的温度计算质量比。
11.如权利要求10中的方法，其特征在于，发动机具有一个排气再循环系统，该系统通过排气循环阀将发动机排气口与发动机进气口连接起来，进一步包括：
根据在所述排气再循环系统中循环的排气量校正质量比；以及
根据燃烧的开始时间修正质量比。
12.如权利要求10中的方法，进一步包括：
测定预期的空气燃料质量比；
基于所述预期的空气燃料质量比和质量比的差值计算一个误差质量比；并且
基于所述的误差控制空气进入发动机。
13.一种用于当质量比小于化学计量质量比时测定氢燃料相对于空气的质量比的系统，氢燃料和空气在内燃机中燃烧，包括：
至少一个温度测定装置，安装在连接于发动机的排气装置中，所述装置提供一个显示从发动机排出的排气流的温度的信号；及
一个电子控制单元，操作上连接在发动机和所述温度测定装置上，所述电子控制单元根据来自所述温度测定装置的所述信号测定质量比。
14.如权利要求13中的系统，其特征在于，所述排气装置包括，一个排气歧管和一个连接在所述排气歧管的下游上的排气管，并且所述温度测定装置安装在所述排气管中。
15.如权利要求13中的系统，其特征在于，发动机至少有一个气缸，所述排气装置包括一个排气管和一个排气歧管，该排气歧管进一步包括一个用于每一个所述气缸的排气流道，所述温度测定装置安装在每个所述排气流道中，从每个所述温度测定装置上产生的所述信号显示相应气缸的质量比。
16.如权利要求15中的系统，其特征在于，所述电子控制单元根据特定气缸所显示的质量比调节传送到所述特定气缸的燃料量。
17.如权利要求13中的系统，其特征在于，所述温度传感器是热电偶、热电堆、电热调节器和光学温度测定装置中的一种。
18.如权利要求13中的系统，进一步包括：
连接在发动机上的进气口；
连接在所述进气口上的氢气供应管；以及
安装在所述氢气供应管中的氢气阀，它操作上连接于所述电子控制单元，其中所述氢气阀的位置被反馈控制以从发动机提供预期的转矩。
19.如权利要求18中的系统，进一步包括，安装在所述进气口中的节流阀，它操作上连接于所述电子控制单元，其中，所述节流阀的位置被反馈控制以在所述排气流中提供预期的质量比。
20.如权利要求13中的系统，进一步包括：
连接在发动机上的进气口；以及
安装在所述进气口上的节流阀，它操作上连接于所述电子控制单元，其中，所述节流阀的位置被反馈控制以从发动机中提供预期的转矩。
21.如权利要求20中的系统，进一步包括：
连接于所述进气口的氢气供应管；以及
安装在所述氢气供应管中的氢气阀，它操作上连接于所述电子控制单元，其中，所述氢气阀的位置被反馈控制以在所述排气流中提供预期的质量比。
22.如权利要求21中的系统，其特征在于，所述预期的质量比在所述化学计量质量比大约为0.2的最小质量比和所述化学计量质量比大约为0.8的最大质量比之间。
23.一种用于当第一质量比小于化学计量质量比时测定氢燃料相对于空气的第一质量比的系统，氢燃料和空气在内燃机中燃烧，包括：
至少一个温度测定装置，该装置安装在连接于发动机的排气装置中，所述装置提供一个显示从发动机中排出的排气流的温度的信号；以及
操作上连接于发动机和所述温度测定装置的电子控制单元，所述电子控制单元根据来自所述温度测定装置的并且独立于发动机操作转矩或速度的所述信号测定第一质量比。
24.如权利要求23中的系统，其特征在于，所述排气装置包括，一个排气歧管、一个连接在所述排气歧管上的排气管，并且所述温度测定装置安装在所述排气管中。
25.如权利要求23中的系统，其特征在于，发动机具有至少一个气缸，所述排气装置包括一个排气管和一个排气歧管，该排气歧管进一步包括一个用于每一个所述气缸的排气流道，所述测定装置安装在每个所述排气流道之中，来自每个所述温度测定装置的信号显示相应气缸的第一质量比。
26.如权利要求25中的系统，其特征在于，所述电子控制单元根据在特定气缸中显示的第一质量比调整传送到所述特定气缸的燃料量。
27.如权利要求23中的系统，其特征在于，所述温度传感器是热电偶、热电堆、电热调节器和光学温度测定装置中的一种。
28.如权利要求23中的系统，进一步包括：
连接在发动机上的进气口；
连接在所述进气口上的氢气供应管；以及
安装在所述氢气供应管中的氢气阀，它操作上连接于所述电子控制单元，其中，所述氢气阀的位置被反馈控制以从发动机提供预期的转矩。
29.如权利要求28中的系统，进一步包括安装在所述进气口中的节流阀，它操作上连接在所述电子控制单元上，其中，所述节流阀的位置被反馈控制以在所述排气流中提供预期的质量比。
30.如权利要求23中的系统，进一步包括：
连接在发动机上的进气口；以及
安装在所述进气口中的节流阀，它操作上连接于所述电子控制单元，其中，所述节流阀的位置被反馈控制以从发动机中提供预期的转矩。
31.如权利要求30中的系统，进一步包括：
连接在所述进气口上的氢气供应管；以及
安装在所述氢气供应管中的氢气阀，它操作上连接于所述电子控制单元，其中，所述氢气阀的位置被反馈控制以在所述排气流中提供预期的质量比。
32.如权利要求31中的系统，其特征在于，所述预期的质量比在所述化学计量质量比大约为0.2的最小质量比和所述化学计量质量比大约为0.8的最大质量比之间。
33.如权利要求23中的系统，进一步包括一个通用排气氧气传感器，该排气氧气传感器安装在所述发动机排气装置中并且连接于所述电子控制单元，其中，根据来自所述通用排气氧气传感器的信号测定第二质量比。
34.如权利要求33中的系统，其特征在于，所述电子控制单元将所述第一和第二质量比进行对比，并且根据所述对比确定所述通用排气氧气传感器和所述温度传感器之一是否发生故障状态。
35.如权利要求33中的系统，其特征在于，所述电子控制单元将所述第一和第二质量比进行对比，并且根据所述对比在所述电子控制中更新校正常数。
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