一种缸内喷水的氢发动机及控制方法技术

本发明专利技术为一种缸内喷水氢燃料发动机及控制方法，具体涉及一种进气道喷氢与缸内喷水相结合的火花点火发动机及控制方法。该发动机包括进气系统、氢气供给系统、缸内喷水系统和电控系统。根据控制需求调节氢气供给系统的氢气减压阀和氢气喷射器的喷射脉宽，同时调节节气门开度，控制进气量，从而控制过量空气系数。ECU通过曲轴位置传感器和转速传感器判断曲轴位置和转速，并根据爆震传感器信号判断爆震的发生。根据爆震信号调节水泵压力和喷水器的脉宽，控制缸内燃烧。该发动机及控制方法可以消除氢发动机的爆震现象，降低氮氧化物排放，提高其工作范围。高其工作范围。高其工作范围。

【技术实现步骤摘要】
一种缸内喷水的氢发动机及控制方法


[0001]一种缸内喷水的氢发动机及控制方法，具体涉及一种进气道喷氢与缸内喷水相结合的火花点火发动机及控制方法，属于内燃机领域。

技术介绍

[0002]我国汽车保有量增速很快，能源需求不断增长，这就导致我国对外石油依赖程度持续增加，引起了能源安全的担忧，同时由于燃烧化石能源导致的污染物排放，正在受到社会的广泛关注。发展清洁能源技术对于实现可持续社会至关重要。
[0003]氢气是一种可再生燃料，来源广泛，具有良好的应用前景。氢气在发动机中燃烧之后的只有水和氮氧化物排放，这将大大降低汽车的碳排放水平，对于实现“碳中和”具有重要意义。研究表明，纯氢发动机在稀燃工况下可以实现较高的效率，但是由于其体积能量密度低，氢发动机在稀燃条件下的输出功率迅速下降。为了实现较高功率的输出，需要增加燃料供给，但是在较高氢气供给的情况下，氢发动机极易出现早燃、回火和爆震等异常燃烧现象，并且会增加氮氧化物排放，这限制了氢发动机的应用和推广。因此，解决氢发动机异常燃烧和控制氮氧化物排放具有重要意义。此前，有研究者提出采用进气道喷水策略降低异常燃烧问题，这种方式容易造成进气道积水，影响发动机使用寿命，并且采用进气道喷水难以精确控制喷水量和喷射时刻。
[0004]因此，本申请设计了一种进气道喷氢与缸内喷水相结合的火花点火发动机及控制方法，根据发动机运行工况适当调整喷氢和点火正时，并结合缸内喷水控制异常燃烧问题，拓展氢发动机的运行范围，并降低当氧化物排放水平。

技术实现思路

[0005]针对纯氢发动机存在的问题，本专利技术解决的技术问题是，提出了一种缸内喷水的氢发动机及控制方法，该发动机及控制方法可以实现发动机全工况工作而不出现异常燃烧现象。
[0006]本专利技术解决所述技术问题采用的技术方案是：
[0007]一种缸内喷水的氢发动机包括：进气系统，其上依次串联有空气流量传感器、节气门、空气滤清器；缸内喷水系统，其上依次串联有水箱、高压水泵、水流量传感器、水喷射器；氢气供应系统，其上依次串联有氢气瓶、氢气减压阀、氢气流量传感器、阻火器、氢气喷射器；电控系统，包括ECU、火花塞、曲轴位置传感器、转速传感器、爆震传感器。
[0008]ECU分别与氢气减压阀、氢气流量传感器、氢气喷射器、高压水泵、水流量传感器、水喷射器、曲轴位置传感器、转速传感器、火花塞和爆震传感器有信号交互；
[0009]ECU通过导线与节气门和空气流量传感器相连接，并通过发出节气门控制信号控制节气门的开度，空气流量传感器监测空气流量并将信号反馈给ECU，以调节进入发动机气缸的进气量；
[0010]ECU通过导线与转速传感器和曲轴位置传感器相连，以判断发动机转速和压缩上
止点位置，为控制氢气和水喷射时刻和脉宽提供数据参考；
[0011]ECU通过导线与氢气减压阀相连接，并根据节气门控制信号调节氢气减压阀，以调控制氢气喷射器处的喷射压力；
[0012]ECU通过导线与氢气流量传感器和氢气喷射器相连，ECU根据节气门控制信号和曲轴位置信号调节氢气喷射器的喷射时刻和喷射脉宽，并通过氢气流量传感器的反馈信号进行修正，以保证过量空气系数稳定；
[0013]ECU通过导线与爆震传感器相连接，根据爆震传感器的输出信号判断爆震是否发生；
[0014]ECU通过导线与高压水泵相连，并根据发动机状态调整供水压力，以调节水喷射器处的喷射压力；
[0015]ECU通过导线与水流量传感器和水喷射器，ECU根据爆震信号和曲轴位置信号调节水喷射器的喷射时刻和喷射脉宽，并通过水流量传感器的反馈信号进行修正，以保证过量空气系数稳定；
[0016]ECU通过导线与火花塞相连接，并根据节气门开度信号、曲轴位置信号、转速信号和爆震信号调节点火时刻。
[0017]一种缸内喷水的氢发动机及控制方法主要包括发动机的燃料供给策略、节气门控制策略和燃烧控制策略。
[0018](1)燃料供给策略
[0019]ECU接受转速传感器的信号，当转速n＝0变为n≠0时，此时为启动工况，为了顺利启动，采取纯氢加浓策略，ECU控制氢气减压阀和氢气喷射器和节气门，调节氢气供给量和空气量，并根据氢气流量传感器和空气流量传感器的反馈信号进行修正，保持燃烧过量空气系数λ＝1。
[0020]ECU接受转速传感器的信号，当转速n
怠速
‑
50<n<n
怠速
+50时，此时为怠速工况，为了节省燃料，采取纯氢稀燃策略，ECU控制氢气减压阀和氢气喷射器和节气门，调节氢气供给量和空气量，并根据氢气流量传感器和空气流量传感器的反馈信号进行修正，保持燃烧过量空气系数λ＝1.5。
[0021]ECU接受转速传感器的信号，当转速n
怠速
+50＜n时，此时为正常工作工况，ECU根据节气门传感器信号控制氢气减压阀、氢气喷射器，调节氢气供给量，并根据氢气流量传感器的反馈信号进行修正，以保证过量空气系数稳定；
[0022]其中，n
怠速
为发动机标定怠速转速；
[0023]燃烧过程混合物过量空气系数式中，m
air
、分别为新鲜空气质量流量和氢气质量流量，为氢气的化学计量空燃比；
[0024](2)节气门控制策略
[0025]ECU根据节气门传感器信号调节节气门开度K；
[0026]ECU所控制的K应满足以下条件：
[0027]当转速n＝0变为n≠0时，此时为启动工况，ECU控制节气门K＝100％，以保证发动机迅速启动；
[0028]当转速n
怠速
‑
50<n<n
怠速
+50时，此时为怠速工况，ECU控制节气门0＜K＜10，在保证发
动机转速平稳的前提下，尽可能将节气门开度调节至最大；
[0029]当转速n
怠速
+50＜n时，此时为正常工作工况，ECU控制节气门10＜K≤100；
[0030]当转速n＝0时，发动机停止工作，K＝0％；
[0031](3)燃烧控制策略
[0032]ECU接收爆震传感器的信号，若爆震传感器判断没有爆震发生，则ECU根据扭矩需求控制火花塞点火，使点火时刻保持在最佳点火角；
[0033]ECU接收爆震传感器的信号，若爆震传感器判断发生爆震，则ECU控制火花塞推迟点火时刻，直至将点火时刻推迟至压缩上止点；
[0034]若推迟点火至上止点仍不能消除爆震，则ECU控制高压水泵和水喷射器，通过调节喷射脉宽控制水喷射量，由0逐渐增大，直到爆震消除，则在该工况下维持当前水喷射量不变。
[0035]本专利技术的有益之处为，采用进气道喷氢和缸内喷水相结合策略，可以满足车辆发动机宽泛的功率范围，通过喷水控制缸内异常燃烧，使氢发动机在大负荷工况下仍能正常工作。采用缸内喷水可以精确控制喷水量和喷射时刻，并本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种缸内喷水的氢发动机，其特征在于：包括进气系统(P1)、氢气供给系统(P2)、缸内喷水系统(P3)和电控系统(P4)；所述的进气系统(P1)，其特征在于，进气系统(P1)依次串联有空气流量传感器(10)、节气门(9)、空气滤清器(8)；所述的氢气供给系统(P2)，其特征在于，氢气供给系统(P2)依次串联有氢气瓶(1)、氢气减压阀(3)、氢气流量传感器(4)、阻火器(7)、氢气喷射器(12)；所述的缸内喷水系统(P3)，其上依次串联有水箱(2)、高压水泵(5)、水流量传感器(6)、水喷射器(13)；所述的电控系统(P4)，其包括ECU(14)、火花塞(16)、曲轴位置传感器(11)、转速传感器(17)、爆震传感器(15)；所述的电控系统(P4)，其特征在于，ECU(14)分别与氢气减压阀(3)、氢气流量传感器(4)、氢气喷射器(12)、高压水泵(3)、水流量传感器(4)、水喷射器(13)、曲轴位置传感器(11)、转速传感器(17)、火花塞(16)和爆震传感器(15)有信号交互；所述的信号交互，其特征在于，ECU(14)通过导线与节气门(9)和空气流量传感器(10)相连接，并通过发出节气门控制信号控制节气门的开度，空气流量传感器(10)监测空气流量并将信号反馈给ECU(14)，以调节进入发动机气缸的新鲜空气量；所述的信号交互，其特征在于，ECU(14)通过导线与转速传感器(17)和曲轴位置传感器(11)相连，以判断发动机转速和压缩上止点位置，为控制氢气和水喷射时刻和脉宽提供数据参考；所述的信号交互，其特征在于，ECU(14)通过导线与氢气减压阀(3)相连接，并根据节气门控制信号调节氢气减压阀(3)，以调控制氢气喷射器(12)处的喷射压力；所述的信号交互，其特征在于，ECU(14)通过导线与氢气流量传感器(4)和氢气喷射器(12)相连，ECU根据节气门控制信号和曲轴位置信号调节氢气喷射器(12)的喷射时刻和喷射脉宽，并通过氢气流量传感器(4)的反馈信号进行修正，以保证过量空气系数稳定；所述的信号交互，其特征在于，ECU(14)通过导线与爆震传感器(15)相连接，根据爆震传感器(15)的输出信号判断爆震是否发生；所述的信号交互，其特征在于，ECU(14)通过导线与高压水泵(5)相连，并根据发动机状态调整供水压力，以调节水喷射器处的喷射压力；所述的信号交互，其特征在于，ECU通过导线与水流量传感器(6)和水喷射器(13)，ECU(14)根据爆震信号和曲轴位置信号调节水喷射器的喷射时刻和喷射脉宽；所述的信号交互，其特征在于，ECU(14)通过导线与火花塞(16)相连接，并根据节气门开度信号、曲轴位置信号、转速信号和爆震信号调节点火时刻。2.应用如权利要求1所述的一种缸内喷水的氢发动机及控制方法，该方法包括燃料供给策略、节气门控制策...

【专利技术属性】
技术研发人员：纪常伟，辛固，汪硕峰，常珂，孟昊，杨金鑫，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：