CN2937509Y

CN2937509Y - 一种氢气－汽油混合燃料发动机装置

Info

Publication number: CN2937509Y
Application number: CN 200620119111
Authority: CN
Inventors: 纪常伟
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2006-08-15
Filing date: 2006-08-15
Publication date: 2007-08-22
Anticipated expiration: 2016-08-15

Abstract

本实用新型涉及一种氢气－汽油混合燃料发动机装置，属于燃烧发动机技术领域。主要包括有电控汽油喷射与点火系统、电控氢气喷射与点火系统，电控氢气喷射与点火系统包括有氢气喷射和点火控制单元(50)、燃油喷油脉宽调节模块(51)、点火提前角调整模块(52)，燃油喷油脉宽调节模块51设置在电子控制单元(48)和燃油喷嘴之间并受氢气喷射和点火控制单元(50)的控制，点火提前角调整模块52设置在发动机电子控制单元48和点火模块45之间并受氢气喷射和点火控制单元50的控制。该发动机在冷起动和小负荷采用纯氢燃料，在中等负荷采用混氢燃料，大负荷采用纯汽油。本实用新型在冷起动和小负荷阶段时接近零排放，可达到欧4标准。

Description

一种氢气-汽油混合燃料发动机装置

技术领域

本实用新型提供一种氢气-汽油混合燃料发动机装置，属于燃烧发动机技术领域。

背景技术

环境保护和能源结构的变革是21世纪的两大主题，氢燃料以其在能源和环保两方面的独特优势将有望推动一个以它为标志的经济时代的到来。氢能以其清洁、高效、可再生被视为本世纪最具发展潜力的能源，而且现有燃烧石油燃料的汽车内燃机稍加改动就可以燃烧氢。此外，氢燃料用于汽车时也有诸多优点，例如，氢的单位质量发热量高于汽油；氢的火焰传播速度比石油燃料的火焰传播速度快得多。氢比汽油具有更宽的着火界限等。因此，氢能被认为是最具前景的汽车内燃机代用燃料。氢燃料点火能量小、易实现稀薄燃烧、可在宽广的工况内得到较好的燃油经济性，燃烧的主要产物是H₂O和比汽油机少得多的NO_x，不产生CO和HC及硫化物，只需采取降低NO_x排放的措施。

目前，用氢气作燃料的内燃机主要有以下几种方式：1、纯氢内燃机；2、氢/汽油双燃料内燃机；3、氢-汽油混合燃料内燃机。

纯氢内燃机几乎可实现零排放(只产生少量的氮氧化物)，但高负荷存在爆震、发动机功率受限且氢气大量供应困难、续驶里程短。纯氢内燃机的实现方式有两种：1)多点气道喷射纯氢内燃机，在电子控制单元的控制下，采用多个低压(3～5bar)氢气喷嘴将氢气喷入发动机的各个进气道，此种方式氢气与空气混合较好，发动机热效率较高，但输出功率较低，可以一定程度控制早燃和回火，美国福特公司的V10纯氢内燃机采用该供氢方式。2)缸内直喷纯氢内燃机，采用多个高压(30～80bar)氢气喷嘴在压缩冲程后期将氢气直接喷入发动机的各个气缸，此种方式氢气与空气混合较差，发动机热效率较低且系统复杂、成本高，但输出功率较高，可完全杜绝早燃和回火，德国宝马公司的750i氢/汽油双燃料内燃机采用该供氢方式。

氢/汽油双燃料内燃机可根据燃料的存贮状况灵活选择汽油和氢气进入纯汽油或纯氢气内燃机模式，由于纯氢模式运行，氢气消耗量很大，且加氢站较少，导致氢/汽油双燃料发动机大部分时间使用纯汽油，汽油机热效率较低和排放较高，由此可见，氢/汽油双燃料内燃机运行的经济性和环保性能一般。

氢-汽油混合燃料内燃机将少量氢气(占燃油能量10％以下)作为汽油添加剂混入空气中，在气缸内与汽油混合燃烧，由于氢气具有极低的点火能量(仅为汽油的1/10)和极高的扩散速度(氢气在空气中的扩散速度为汽油的8倍)，使得混氢燃烧与纯汽油燃烧相比产生较高的热效率和较低的排放，但是由于整个运行阶段均为加氢燃烧，没有纯氢燃烧阶段，因此，排放降低有限，特别是冷起动阶段。氢-汽油混合燃料内燃机的实现方式为在原电控汽油机或化油器汽油机的基础上，增加一套进气管供氢装置，利用进气管的真空度将氢气吸入汽缸与汽油和空气混合燃烧，吸入的氢气量由进气真空度或电磁阀开度控制，由于在高负荷可能产生回火，因此，供氢量必须精确控制。

实用新型内容

本实用新型针对现有的纯氢、氢/汽油双燃料及氢-汽油混合燃料发动机存在的不足，提供了一种新型的氢-汽油混合燃料发动机及其控制方法。本系统在冷起动及小负荷时使用氢气作为燃料、在中负荷时采用氢气-汽油混合作为燃料、在大负荷时采用纯汽油作为燃料，有效地降低了废气的排放量。

本实用新型采用了如下技术方案。本装置主要包括有电控汽油喷射与点火系统，该系统主要包括有发动机电子控制单元48，发动机电子控制单元48接收进气压力信号14、进气温度信号15、节气门位置信号16、机油温度信号17、发动机冷却水温度信号18、发动机转速信号19、氧传感器信号20、爆震传感器信号21，发动机电子控制单元48控制燃油喷嘴的喷油脉宽，并通过点火模块45控制火花塞。其特征在于：还包括有电控氢气喷射与点火系统，本系统主要包括有氢气分配器5、氢气喷射和点火控制单元50、燃油喷油脉宽调节模块51、点火提前角调整模块52，其中，氢气分配器5依次通过氢气喷嘴6、7、8、9，氢气输送管22与发动机各个汽缸的进气道相连，将氢气输送到靠近进气门处，以减少回火，氢气分配器5的压力信号49通过压力传感器输入给氢气喷射与点火控制单元50；氢气喷射与点火控制单元50与发动机电子控制单元48相连并从发动机电子控制单元48获取进气压力信号14、发动机冷却水温度信号18、节气门位置信号16；燃油喷油脉宽调节模块51设置在发动机电子控制单元48和燃油喷嘴30、31、32、33之间，点火提前角调整模块52设置在发动机电子控制单元48和点火模块45之间，燃油喷油脉宽调节模块51、点火提前角调整模块52分别与氢气喷射和点火控制单元50相连并受其控制。氢气喷射与点火控制单元50根据上述信号控制喷氢嘴6、7、8、9的喷氢脉宽并通过点火提前角调整模块52调整点火角，通过燃油喷油脉宽调节模块51调节燃油喷嘴30、31、32、33的喷油脉宽。

针对如上所述的一种氢气-汽油混合燃料发动机，采取了如下的控制方法：

1)发动机起动，发动机水温做为冷起动的唯一控制信号。氢气喷射与点火控制单元50通过发动机电子控制单元48获取发动机冷却水温度信号18，如果发动机冷却水温低于40度，则氢气喷射与点火控制单元50向燃油喷射脉宽调节模块51发出指令，切断电控单元48的喷油信号，即将其喷油脉宽调整为零，同时向氢气喷嘴发出控制信号，使氢气的喷射脉宽为每循环6～8ms，同时通过点火提前角调整模块52调整点火角为原汽油机的点火角的20～30％，此时发动机处于纯氢燃烧状态。氢气喷射与点火控制单元50实时获取氢气分配器压力信号49，当该压力低于0.3MPa，则发动机自动切换到纯汽油工作模式。

2)当发动机冷却水温度高于40度时，氢气喷射与点火控制单元50通过发动机电子控制单元48获取节气门位置信号16和进气压力信号14判定发动机负荷率，对于不同的负荷率采用不同的控制方法：

i)当负荷率处于0～30％时，氢气喷射与点火控制单元50向燃油喷射脉宽调节模块51发出指令，切断电控单元48的喷油信号，即将其喷油脉宽调整为零，同时向氢气喷嘴发出控制信号，使氢气的喷射脉宽为每循环5～7ms，同时通过点火提前角调整模块52调整点火角为原汽油机的点火角的20～30％，此时发动机仍处于纯氢燃烧状态。氢气喷射与点火控制单元50实时获取氢气分配器压力信号49，当该压力低于0.3MPa，则发动机自动切换到纯汽油工作模式。

ii)当负荷率处于31～70％时，氢气喷射与点火控制单元50向燃油喷射脉宽调节模块51发出指令修改燃油喷油脉宽为原汽油机的80～90％，同时向氢气喷嘴发出控制信号，降低氢气的喷气脉宽为负荷率处于0～30％时的喷气脉宽的10～20％，并向点火提前角调整模块52发出指令，通过点火模块45，减小点火角为原汽油机点火角的10～20％；此时，发动机处于混氢燃烧状态，氢气作为汽油添加剂使用，目的在于改善汽油的雾化和混合状态，加快混合气的燃烧速度，提高发动机整机的热效率、进一步降低排放。氢气喷射与点火控制单元50实时获取氢气分配器压力信号49，当该压力低于0.3MPa，则发动机自动切换到纯汽油工作模式。

iii)在负荷率处于71～100％时，氢气喷射与点火控制单元50向燃油喷射脉宽调节模块51发出指令，修改燃油喷油脉宽为原汽油机的100％，向点火提前角调整模块52发出指令，通过点火模块45，设定点火角为原汽油机点火角的100％，同时向氢气喷嘴发出控制信号，使氢气的喷气脉宽为零，此时，发动机处于纯汽油燃烧状态。

本实用新型的工作过程：发动机起动(冷却水温低于40度)，采用纯氢气燃料，若不是上述冷起动状态，则根据发动机负荷状况，采用纯氢或混氢或纯汽油作为发动机燃料。发动机起动后，根据负荷率确定发动机采用的燃料。在小负荷(冷却水温大于40度，负荷率为0～30％)时采用纯氢燃料，接近零排放；在中等负荷(冷却水温大于40度，负荷率为31～70％)采用混氢燃料，氢气作为汽油添加剂混入空气中，添加量为该运行状态汽油能量的10％以下，实现高效、低排放；在大负荷(冷却水温大于40度，负荷率为71～100％)采用纯汽油，排放与原汽油机相当，确保高负荷发动机的动力性。负荷率定义为发动在某种工况下的功率与其所能发出的最大功率之比。在有氢气作为燃料的状态，判断氢气分配器的压力，当压力低于0.3MPa时，则发动机切换至纯汽油工作状态。

由于车用发动机工况法测试70～90％的排放来自冷起动阶段，因此，如能有效控制冷起动阶段的排放，则车用汽油机可达到欧4排放标准，采用本实用新型提供的氢-汽油混合燃料发动机和控制方法，冷起动和小负荷阶段使用纯氢气，接近零排放，车用发动机可达到欧4标准。

本发动机有如下三种工作模式：

纯汽油燃烧工作模式(冷却水温度大于40度，负荷率71～100％)：在此工作模式下，燃油泵34把汽油从燃油箱36经燃油滤清器35过滤后泵到燃油分配器24，分配器24内的燃油压力由燃油分配器油压调节器25保持。汽油从原汽油机的电子控制单元48接收进气压力信号14、进气温度信号15、节气门位置信号16、机油温度信号17、冷却水温度信号18、发动机转速信号19、氧传感器信号20、爆震传感器信号21，通过燃油喷油脉宽调节模块51向燃油喷嘴30、燃油喷嘴31、燃油喷嘴32、燃油喷嘴33发出喷油控制信号26、27、28、29使发动机处于汽油喷射状态，同时通过点火提前角调整模块52控制点火模块45向火花塞37、38、39、40分别发出点火信号41、42、43、44使发动机处于正常点火状态。在纯汽油工作模式时，燃油喷油脉宽调节模块51、点火提前角调整模块52只起信号导通作用，不对原汽油机发出的点火和喷油信号做任何修正。

汽油-氢气混烧工作模式(冷却水温度大于40度，负荷率31～70％)：在此工作模式下，原汽油机的电子控制单元48继续按上述方式发出喷油和点火信号，氢气喷射与点火控制单元50通过原汽油机的电子控制单元48获得发动机冷却水温度信号18、节气门位置信号16和进气压力信号14，通过发动机冷却水温度和负荷率，判断发动机是否应处于混氢燃烧状态。存贮在氢气罐1内高压氢气通过开关电磁阀2经一级和二级复合减压器3减压至3～5Bar，经开关电磁阀4输送至氢气分配器5，然后经电控氢气喷嘴6、7、8、9由氢气输送管22分别送至各个汽缸的进气门处。当氢气喷射和点火控制单元50按照实现设定的控制限值确定发动机应处于混氢燃烧状态时，即向燃油喷油脉宽调节模块51发出燃油喷油脉宽调节指令，减少燃油喷油脉宽，向氢气喷嘴6、7、8、9发出喷氢信号10、11、12、13，按发动机正时顺序由氢气输送管22将氢气分别喷入各缸的进气门处，向点火提前角调整模块52发出指令，通过点火模块45减小原机的点火角。

纯氢气燃烧工作模式(冷却水温度小于40度或冷却水温度大于40度且负荷率0～30％)：在此工作模式下，存贮在氢气罐1内高压氢气通过开关电磁阀2经一级和二级复合减压器3减压至3～5Bar，经开关电磁阀4输送至氢气分配器5，然后经电控氢气喷嘴6、7、8、9由氢气输送管22分别送至各个汽缸的进气门处。氢气喷射和点火控制单元50向燃油喷油脉宽调节模块51发出燃油喷油脉宽调节指令，减少燃油喷油脉宽为零，向氢气喷嘴6、7、8、9发出喷氢信号10、11、12、13，按发动机正时顺序由氢气输送管22将氢气分别喷入各缸的进气门处，向点火提前角调整模块52发出指令，通过点火模块45减小原机的点火角。

本实用新型的有益效果是，在冷起动时使用氢气作为燃料，发动机即容易起动又不会产生HC、CO和NO_x排放。在发动机中低负荷时，向进气道喷射少量氢气可以改善汽油的雾化和混合，提高汽油在空气中的燃烧速率，使汽油迅速、完全燃烧，进一步提高发动机的热效率并降低排放。在大负荷时，考虑到汽油机的动力性，采用纯汽油工作模式。采用本实用新型的方法，汽油机将能够达到欧4以上排放标准。此外，排气中存在的微量未燃氢气将有助于三元催化剂的还原和性能恢复。

附图说明

图1本实用新型的结构和工作原理图。

图中 1氢气罐；2开关电磁阀1；3一级减压器；4开关电磁阀2；5氢气分配器；6氢气喷嘴1；7氢气喷嘴2；8氢气喷嘴3；9氢气喷嘴4；10氢气喷嘴1控制信号；1 1氢气喷嘴2控制信号；12氢气喷嘴3控制信号；13氢气喷嘴4控制信号；14进气压力信号；15进气温度信号；16节气门位置信号；17机油温度信号；18冷却水温度信号；19发动机转速信号；20氧传感器信号；21爆震传感器信号；22氢气输送管；23进气管；24燃油分配器；25燃油分配器油压调节器；26燃油喷嘴1控制信号；27燃油喷嘴2控制信号；28燃油喷嘴3控制信号；29燃油喷嘴3控制信号；30燃油喷嘴1；31燃油喷嘴2；32燃油喷嘴3；33燃油喷嘴4；34燃油泵；35燃油滤清器；36燃油箱；37第4缸火花塞；38第3缸火花塞；39第2缸火花塞；40第1缸火花塞；41第4缸点火信号；42第3缸点火信号；43第2缸点火信号；44第1缸点火信号；45点火模块；46发动机气缸体；47排气管；48发动机电子控制单元；49氢气分配器压力信号；50氢气喷射和点火控制单元；51燃油喷油脉宽调节模块；52点火提前角调整模块。

具体实施方式

下面结合图1说明本实施例。

本装置主要包括有电控汽油喷射与点火系统，该系统主要包括有发动机电子控制单元48，发动机电子控制单元48接收进气压力信号14、进气温度信号15、节气门位置信号16、机油温度信号17、发动机冷却水温度信号18、发动机转速信号19、氧传感器信号20、爆震传感器信号21，发动机电子控制单元48控制燃油喷嘴1、燃油喷嘴2、燃油喷嘴3、燃油喷嘴4喷油脉宽，并通过点火模块45控制第一缸火花塞、第二缸火花塞、第三缸火花塞、第四缸火花塞。本装置还包括有电控氢气喷射与点火系统，本系统主要包括有氢气分配器5、氢气喷射和点火控制单元50、燃油喷油脉宽调节模块51、点火提前角调整模块52，其中，氢气分配器5通过氢气喷嘴1、氢气喷嘴2、氢气喷嘴3、氢气喷嘴4和氢气输送管22与发动机各个汽缸的进气道相连，氢气分配器5的压力信号通过压力传感器输入给氢气喷射和点火控制单元50；氢气喷射与点火控制单元50与发动机电子控制单元48相连并从发动机电子控制单元48提取进气压力信号14、发动机冷却水温度信号18、节气门位置信号16，氢气喷射与点火控制单元50控制喷氢嘴的喷氢脉宽；燃油喷油脉宽调节模块51设置在发动机电子控制单元48和燃油喷嘴之间，点火提前角调整模块52设置在发动机电子控制单元48和点火模块45之间，燃油喷油脉宽调节模块51、点火提前角调整模块52分别与氢气喷射和点火控制单元50相连并受其控制。

本实施例中的发动机为1台1.6升直列4缸双顶置凸轮轴电控汽油机，按图1所示改造成汽油-氢混合燃料发动机，未安装催化转换器。

1)冷起动实验(冷却水温度小于40度)

氢气喷射与点火控制单元50通过发动机电子控制单元48获取发动机冷却水温度信号18，如水温低于40度，则发动机按冷起动控制要求，使用纯氢气起动。在发动机水温为20℃的条件下，进行冷起动实验，用一台AVLDiGas4000排放仪，测量冷起动过程的HC、CO和NO_x排放，该冷起动阶段全部使用氢气。电控单元50向燃油喷射脉宽调节模块51发出指令，切断电控单元48的喷油信号(即将其喷油脉宽调整为零)，同时向氢气喷嘴6、7、8、9发出控制信号10、11、12、13，使氢气的喷射脉宽为每循环7ms并向点火提前角调整模块52发出指令，设定点火角为原汽油机的点火角的20％，此时发动机处于纯氢燃烧状态。实验结果表明，与原纯汽油机相比，纯氢发动机冷起动的HC排放由原机的724ppm下降到4ppm，降低99.4％；CO由原机的0.33％下降到0％，降低100％；NO_x由原机的50ppm上升到72ppm，增加44％。

2)小负荷实验(冷却水温度大于40度，负荷率0～30％)

在发动机水温为85℃的条件下，进行小负荷实验，用一台AVL DiGas4000排放仪，测量发动机转速为1500rpm，负荷率为30％的的HC、CO和NO_x排放，该小负荷阶段全部使用氢气。电子控制单元50通过节气门位置信号16判定发动机负荷率处于30％时，电控单元50向燃油喷射脉宽调节模块51发出指令，切断电控单元48的喷油信号(即将其喷油脉宽调整为零)，同时向氢气喷嘴6、7、8、9发出控制信号10、11、12、13，使氢气的喷射脉宽为每循环6ms并向点火提前角调整模块52发出指令，设定点火角为原汽油机的点火角的15％，此时发动机处于纯氢燃烧状态。实验结果表明，与原纯汽油机相比，纯氢发动机小负荷的HC排放由原机的520ppm下降到2ppm，降低99％；CO由原机的0.28％下降到0％，降低100％；NO_x由原机的453ppm上升到627ppm，增加85％。

3)中等负荷混氢实验(冷却水温度大于40度，负荷率31～70％)

在发动机水温为85℃以上的条件下，进行中等负荷实验，用一台AVLDiGas4000排放仪，测量发动机转速为2000rpm，负荷率为70％的HC、CO和NO_x排放，该中等负荷阶段使用汽油和氢气的混和气。电子控制单元50通过节气门位置信号16判定发动机负荷率处于70％时，电控单元50向燃油喷射脉宽调节模块51发出指令，调整喷油脉宽为原汽油机喷油脉宽的90％，同时向氢气喷嘴6、7、8、9发出控制信号10、11、12、13，使氢气的喷射脉宽为每循环1.5ms并向点火提前角调整模块52发出指令，设定点火角为原汽油机的点火角的85％，此时发动机处于混氢燃烧状态。实验结果表明，与原纯汽油机相比，该种混合燃料发动机的HC排放由原机的720ppm下降到330ppm，降低54％；CO由原机的0.54％下降到0.31％，降低42％；NO_x由原机的700ppm增加到920ppm，增加31％，比油耗由原机的258g/(kW.h)下降到238g/(kW.h)，降低7.6％。原因是氢气极高的扩善速率、极低的点火能量、宽广的燃烧界限、极快的燃烧速率使得氢气-汽油-空气混合气，燃烧得更快、更完全，产生更低的排放和比油耗。当电子控制单元50通过电子控制单元48获取氢气分配器压力信号49，当该压力低于0.3MPa，则发动机完全切换到纯汽油工作模式。

4)大等负荷纯汽油燃烧实验(冷却水温度大于40度，负荷率71～100％)

在发动机水温为85℃以上的条件下，进行大负荷实验，用一台AVLDiGas4000排放仪，测量发动机转速为2000rpm，负荷率为90％的HC、CO和NO_x排放，该中等负荷阶段使用纯汽油。电子控制单元50通过节气门位置信号16判定发动机负荷率处于90％时，电控单元50向燃油喷射脉宽调节模块51发出指令，调整喷油脉宽为原汽油机喷油脉宽的100％，同时向氢气喷嘴6、7、8、9发出控制信号10、11、12、13，使氢气的喷射脉宽为0并向点火提前角调整模块52发出指令，设定点火角为原汽油机的点火角的100％，此时发动机处于纯汽油燃烧状态。实验结果表明，此时的HC、CO和NO_x排放分别为640ppm，4.3％和823ppm。

上述的发动机台架试验结果表明，采用本实用新型提供的氢气-汽油混合燃料发动机及控制方法，可以在冷起动和小负荷阶段HC和CO接近零排放，在中等负荷HC和CO排放和油耗较大幅度降低，大负荷与原机状态一致。由实验可以看出纯氢燃烧和混氢燃烧NO_x排放均有较大幅度增加，原因是氢燃烧速度太快，短时产生较高的缸内温度，导致NO_x排放增加。该技术将为普通汽油机满足欧4以上排放标准提供一条有效的技术途径，同时也对氢能在车辆上的逐步应用提供借鉴。

Claims

1、一种氢气-汽油混合燃料发动机装置，主要包括有电控汽油喷射与点火系统，本系统主要包括有发动机电子控制单元(48)，发动机电子控制单元(48)接收进气压力信号(14)、节气门位置信号(16)、发动机冷却水温度信号(18)，发动机电子控制单元(48)控制燃油喷嘴的喷油脉宽，并通过点火模块(45)控制火花塞，其特征在于：还包括有电控氢气喷射与点火系统，本系统主要包括有氢气分配器(5)、氢气喷射和点火控制单元(50)、燃油喷油脉宽调节模块(51)、点火提前角调整模块(52)，其中，氢气分配器(5)依次通过氢气喷嘴、氢气输送管(22)与发动机各个汽缸的进气道相连，氢气分配器(5)的压力信号(49)通过压力传感器输入给氢气喷射与点火控制单元(50)；氢气喷射与点火控制单元(50)与发动机电子控制单元(48)相连并从发动机电子控制单元(48)获取进气压力信号(14)、发动机冷却水温度信号(18)、节气门位置信号(16)，氢气喷射和点火控制单元(50)控制喷氢嘴的喷氢脉宽；燃油喷油脉宽调节模块(51)设置在发动机电子控制单元(48)和燃油喷嘴之间，点火提前角调整模块(52)设置在发动机电子控制单元(48)和点火模块(45)之间，燃油喷油脉宽调节模块(51)、点火提前角调整模块(52)分别与氢气喷射和点火控制单元(50)相连并受其控制。