專利名稱：一種氫氣－汽油混合燃料發(fā)動機(jī)及控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明提供一種氫氣-汽油混合燃料發(fā)動機(jī)及控制方法，具體涉及一種燃燒發(fā)動機(jī)的控制。
背景技術(shù)：
環(huán)境保護(hù)和能源結(jié)構(gòu)的變革是21世紀(jì)的兩大主題，氫燃料以其在能源和環(huán)保兩方面的獨特優(yōu)勢將有望推動一個以它為標(biāo)志的經(jīng)濟(jì)時代的到來。氫能以其清潔、高效、可再生被視為本世紀(jì)最具發(fā)展?jié)摿Φ哪茉?，而且現(xiàn)有燃燒石油燃料的汽車內(nèi)燃機(jī)稍加改動就可以燃燒氫。此外，氫燃料用于汽車時也有諸多優(yōu)點，例如，氫的單位質(zhì)量發(fā)熱量高于汽油；氫的火焰?zhèn)鞑ニ俣缺仁腿剂系幕鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣瓤斓枚唷浔绕途哂懈鼘挼闹鸾缦薜?。因此，氫能被認(rèn)為是最具前景的汽車內(nèi)燃機(jī)代用燃料。氫燃料點火能量小、易實現(xiàn)稀薄燃燒、可在寬廣的工況內(nèi)得到較好的燃油經(jīng)濟(jì)性，燃燒的主要產(chǎn)物是H2O和比汽油機(jī)少得多的NOx，不產(chǎn)生CO和HC及硫化物，只需采取降低NOx排放的措施。
目前，用氫氣作燃料的內(nèi)燃機(jī)主要有以下幾種方式1、純氫內(nèi)燃機(jī)；2、氫/汽油雙燃料內(nèi)燃機(jī)；3、氫-汽油混合燃料內(nèi)燃機(jī)。
純氫內(nèi)燃機(jī)幾乎可實現(xiàn)零排放(只產(chǎn)生少量的氮氧化物)，但高負(fù)荷存在爆震、發(fā)動機(jī)功率受限且氫氣大量供應(yīng)困難、續(xù)駛里程短。純氫內(nèi)燃機(jī)的實現(xiàn)方式有兩種1)多點氣道噴射純氫內(nèi)燃機(jī)，在電子控制單元的控制下，采用多個低壓(3～5bar)氫氣噴嘴將氫氣噴入發(fā)動機(jī)的各個進(jìn)氣道，此種方式氫氣與空氣混合較好，發(fā)動機(jī)熱效率較高，但輸出功率較低，可以一定程度控制早燃和回火，美國福特公司的V10純氫內(nèi)燃機(jī)采用該供氫方式。2)缸內(nèi)直噴純氫內(nèi)燃機(jī)，采用多個高壓(30～80bar)氫氣噴嘴在壓縮沖程后期將氫氣直接噴入發(fā)動機(jī)的各個氣缸，此種方式氫氣與空氣混合較差，發(fā)動機(jī)熱效率較低且系統(tǒng)復(fù)雜、成本高，但輸出功率較高，可完全杜絕早燃和回火，德國寶馬公司的750i氫/汽油雙燃料內(nèi)燃機(jī)采用該供氫方式。
氫/汽油雙燃料內(nèi)燃機(jī)可根據(jù)燃料的存貯狀況靈活選擇汽油和氫氣進(jìn)入純汽油或純氫氣內(nèi)燃機(jī)模式，由于純氫模式運行，氫氣消耗量很大，且加氫站較少，導(dǎo)致氫/汽油雙燃料發(fā)動機(jī)大部分時間使用純汽油，汽油機(jī)熱效率較低和排放較高，由此可見，氫/汽油雙燃料內(nèi)燃機(jī)運行的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性能一般。
氫-汽油混合燃料內(nèi)燃機(jī)將少量氫氣(占燃油能量10％以下)作為汽油添加劑混入空氣中，在氣缸內(nèi)與汽油混合燃燒，由于氫氣具有極低的點火能量(僅為汽油的1/10)和極高的擴(kuò)散速度(氫氣在空氣中的擴(kuò)散速度為汽油的8倍)，使得混氫燃燒與純汽油燃燒相比產(chǎn)生較高的熱效率和較低的排放，但是由于整個運行階段均為加氫燃燒，沒有純氫燃燒階段，因此，排放降低有限，特別是冷起動階段。氫-汽油混合燃料內(nèi)燃機(jī)的實現(xiàn)方式為在原電控汽油機(jī)或化油器汽油機(jī)的基礎(chǔ)上，增加一套進(jìn)氣管供氫裝置，利用進(jìn)氣管的真空度將氫氣吸入汽缸與汽油和空氣混合燃燒，吸入的氫氣量由進(jìn)氣真空度或電磁閥開度控制，由于在高負(fù)荷可能產(chǎn)生回火，因此，供氫量必須精確控制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有的純氫、氫/汽油雙燃料及氫-汽油混合燃料發(fā)動機(jī)存在的不足，提供了一種新型的氫-汽油混合燃料發(fā)動機(jī)及其控制方法。本系統(tǒng)在冷起動及小負(fù)荷時使用氫氣作為燃料、在中負(fù)荷時采用氫氣-汽油混合作為燃料、在大負(fù)荷時采用純汽油作為燃料，有效地降低了廢氣的排放量。
本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案。本裝置主要包括有電控汽油噴射與點火系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要包括有發(fā)動機(jī)電子控制單元48，發(fā)動機(jī)電子控制單元48接收進(jìn)氣壓力信號14、進(jìn)氣溫度信號15、節(jié)氣門位置信號16、機(jī)油溫度信號17、發(fā)動機(jī)冷卻水溫度信號18、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速信號19、氧傳感器信號20、爆震傳感器信號21，發(fā)動機(jī)電子控制單元48控制燃油噴嘴的噴油脈寬，并通過點火模塊45控制火花塞。其特征在于還包括有電控氫氣噴射與點火系統(tǒng)，本系統(tǒng)主要包括有氫氣分配器5、氫氣噴射和點火控制單元50、燃油噴油脈寬調(diào)節(jié)模塊51、點火提前角調(diào)整模塊52，其中，氫氣分配器5依次通過氫氣噴嘴6、7、8、9，氫氣輸送管22與發(fā)動機(jī)各個汽缸的進(jìn)氣道相連，將氫氣輸送到靠近進(jìn)氣門處，以減少回火，氫氣分配器5的壓力信號49通過壓力傳感器輸入給氫氣噴射與點火控制單元50；氫氣噴射與點火控制單元50與發(fā)動機(jī)電子控制單元48相連并從發(fā)動機(jī)電子控制單元48獲取進(jìn)氣壓力信號14、發(fā)動機(jī)冷卻水溫度信號18、節(jié)氣門位置信號16；燃油噴油脈寬調(diào)節(jié)模塊51設(shè)置在發(fā)動機(jī)電子控制單元48和燃油噴嘴30、31、32、33之間，點火提前角調(diào)整模塊52設(shè)置在發(fā)動機(jī)電子控制單元48和點火模塊45之間，燃油噴油脈寬調(diào)節(jié)模塊51、點火提前角調(diào)整模塊52分別與氫氣噴射和點火控制單元50相連并受其控制。氫氣噴射與點火控制單元50根據(jù)上述信號控制噴氫嘴6、7、8、9的噴氫脈寬并通過點火提前角調(diào)整模塊52調(diào)整點火角，通過燃油噴油脈寬調(diào)節(jié)模塊51調(diào)節(jié)燃油噴嘴30、31、32、33的噴油脈寬。
針對如上所述的一種氫氣-汽油混合燃料發(fā)動機(jī)，采取了如下的控制方法，該方法是按如下過程進(jìn)行控制的1)發(fā)動機(jī)起動，發(fā)動機(jī)水溫做為冷起動的唯一控制信號。氫氣噴射與點火控制單元50通過發(fā)動機(jī)電子控制單元48獲取發(fā)動機(jī)冷卻水溫度信號18，如果發(fā)動機(jī)冷卻水溫低于40度，則氫氣噴射與點火控制單元50向燃油噴射脈寬調(diào)節(jié)模塊51發(fā)出指令，切斷電控單元48的噴油信號，即將其噴油脈寬調(diào)整為零，同時向氫氣噴嘴發(fā)出控制信號，使氫氣的噴射脈寬為每循環(huán)6～8ms，同時通過點火提前角調(diào)整模塊52調(diào)整點火角為原汽油機(jī)的點火角的20～30％，此時發(fā)動機(jī)處于純氫燃燒狀態(tài)。氫氣噴射與點火控制單元50實時獲取氫氣分配器壓力信號49，當(dāng)該壓力低于0.3MPa，則發(fā)動機(jī)自動切換到純汽油工作模式。
2)當(dāng)發(fā)動機(jī)冷卻水溫度高于40度時，氫氣噴射與點火控制單元50通過發(fā)動機(jī)電子控制單元48獲取節(jié)氣門位置信號16和進(jìn)氣壓力信號14判定發(fā)動機(jī)負(fù)荷率，對于不同的負(fù)荷率采用不同的控制方法i)當(dāng)負(fù)荷率處于0～30％時，氫氣噴射與點火控制單元50向燃油噴射脈寬調(diào)節(jié)模塊51發(fā)出指令，切斷電控單元48的噴油信號，即將其噴油脈寬調(diào)整為零，同時向氫氣噴嘴發(fā)出控制信號，使氫氣的噴射脈寬為每循環(huán)5～7ms，同時通過點火提前角調(diào)整模塊52調(diào)整點火角為原汽油機(jī)的點火角的20～30％，此時發(fā)動機(jī)仍處于純氫燃燒狀態(tài)。氫氣噴射與點火控制單元50實時獲取氫氣分配器壓力信號49，當(dāng)該壓力低于0.3MPa，則發(fā)動機(jī)自動切換到純汽油工作模式。
ii)當(dāng)負(fù)荷率處于31～70％時，氫氣噴射與點火控制單元50向燃油噴射脈寬調(diào)節(jié)模塊51發(fā)出指令修改燃油噴油脈寬為原汽油機(jī)的80～90％，同時向氫氣噴嘴發(fā)出控制信號，降低氫氣的噴氣脈寬為負(fù)荷率處于0～30％時的噴氣脈寬的10～20％，并向點火提前角調(diào)整模塊52發(fā)出指令，通過點火模塊45，減小點火角為原汽油機(jī)點火角的10～20％；此時，發(fā)動機(jī)處于混氫燃燒狀態(tài)，氫氣作為汽油添加劑使用，目的在于改善汽油的霧化和混合狀態(tài)，加快混合氣的燃燒速度，提高發(fā)動機(jī)整機(jī)的熱效率、進(jìn)一步降低排放。氫氣噴射與點火控制單元50實時獲取氫氣分配器壓力信號49，當(dāng)該壓力低于0.3MPa，則發(fā)動機(jī)自動切換到純汽油工作模式。
iii)在負(fù)荷率處于71～100％時，氫氣噴射與點火控制單元50向燃油噴射脈寬調(diào)節(jié)模塊51發(fā)出指令，修改燃油噴油脈寬為原汽油機(jī)的100％，向點火提前角調(diào)整模塊52發(fā)出指令，通過點火模塊45，設(shè)定點火角為原汽油機(jī)點火角的100％，同時向氫氣噴嘴發(fā)出控制信號，使氫氣的噴氣脈寬為零，此時，發(fā)動機(jī)處于純汽油燃燒狀態(tài)。
本發(fā)明的工作過程發(fā)動機(jī)起動(冷卻水溫低于40度)，采用純氫氣燃料，若不是上述冷起動狀態(tài)，則根據(jù)發(fā)動機(jī)負(fù)荷狀況，采用純氫或混氫或純汽油作為發(fā)動機(jī)燃料。發(fā)動機(jī)起動后，根據(jù)負(fù)荷率確定發(fā)動機(jī)采用的燃料。在小負(fù)荷(冷卻水溫大于40度，負(fù)荷率為0～30％)時采用純氫燃料，接近零排放；在中等負(fù)荷(冷卻水溫大于40度，負(fù)荷率為31～70％)采用混氫燃料，氫氣作為汽油添加劑混入空氣中，添加量為該運行狀態(tài)汽油能量的10％以下，實現(xiàn)高效、低排放；在大負(fù)荷(冷卻水溫大于40度，負(fù)荷率為71～100％)采用純汽油，排放與原汽油機(jī)相當(dāng)，確保高負(fù)荷發(fā)動機(jī)的動力性。負(fù)荷率定義為發(fā)動在某種工況下的功率與其所能發(fā)出的最大功率之比。在有氫氣作為燃料的狀態(tài)，判斷氫氣分配器的壓力，當(dāng)壓力低于0.3MPa時，則發(fā)動機(jī)切換至純汽油工作狀態(tài)。
由于車用發(fā)動機(jī)工況法測試70～90％的排放來自冷起動階段，因此，如能有效控制冷起動階段的排放，則車用汽油機(jī)可達(dá)到歐4排放標(biāo)準(zhǔn)，采用本發(fā)明提供的氫-汽油混合燃料發(fā)動機(jī)和控制方法，冷起動和小負(fù)荷階段使用純氫氣，接近零排放，車用發(fā)動機(jī)可達(dá)到歐4標(biāo)準(zhǔn)。
本發(fā)動機(jī)有如下三種工作模式純汽油燃燒工作模式(冷卻水溫度大于40度，負(fù)荷率71～100％)在此工作模式下，燃油泵34把汽油從燃油箱36經(jīng)燃油濾清器35過濾后泵到燃油分配器24，分配器24內(nèi)的燃油壓力由燃油分配器油壓調(diào)節(jié)器25保持。汽油從原汽油機(jī)的電子控制單元48接收進(jìn)氣壓力信號14、進(jìn)氣溫度信號15、節(jié)氣門位置信號16、機(jī)油溫度信號17、冷卻水溫度信號18、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速信號19、氧傳感器信號20、爆震傳感器信號21，通過燃油噴油脈寬調(diào)節(jié)模塊51向燃油噴嘴30、燃油噴嘴31、燃油噴嘴32、燃油噴嘴33發(fā)出噴油控制信號26、27、28、29使發(fā)動機(jī)處于汽油噴射狀態(tài)，同時通過點火提前角調(diào)整模塊52控制點火模塊45向火花塞37、38、39、40分別發(fā)出點火信號41、42、43、44使發(fā)動機(jī)處于正常點火狀態(tài)。在純汽油工作模式時，燃油噴油脈寬調(diào)節(jié)模塊51、點火提前角調(diào)整模塊52只起信號導(dǎo)通作用，不對原汽油機(jī)發(fā)出的點火和噴油信號做任何修正。
汽油-氫氣混燒工作模式(冷卻水溫度大于40度，負(fù)荷率31～70％)在此工作模式下，原汽油機(jī)的電子控制單元48繼續(xù)按上述方式發(fā)出噴油和點火信號，氫氣噴射與點火控制單元50通過原汽油機(jī)的電子控制單元48獲得發(fā)動機(jī)冷卻水溫度信號18、節(jié)氣門位置信號16和進(jìn)氣壓力信號14，通過發(fā)動機(jī)冷卻水溫度和負(fù)荷率，判斷發(fā)動機(jī)是否應(yīng)處于混氫燃燒狀態(tài)。存貯在氫氣罐1內(nèi)高壓氫氣通過開關(guān)電磁閥2經(jīng)一級和二級復(fù)合減壓器3減壓至3～5Bar，經(jīng)開關(guān)電磁閥4輸送至氫氣分配器5，然后經(jīng)電控氫氣噴嘴6、7、8、9由氫氣輸送管22分別送至各個汽缸的進(jìn)氣門處。當(dāng)氫氣噴射和點火控制單元50按照實現(xiàn)設(shè)定的控制限值確定發(fā)動機(jī)應(yīng)處于混氫燃燒狀態(tài)時，即向燃油噴油脈寬調(diào)節(jié)模塊51發(fā)出燃油噴油脈寬調(diào)節(jié)指令，減少燃油噴油脈寬，向氫氣噴嘴6、7、8、9發(fā)出噴氫信號10、11、12、13，按發(fā)動機(jī)正時順序由氫氣輸送管22將氫氣分別噴入各缸的進(jìn)氣門處，向點火提前角調(diào)整模塊52發(fā)出指令，通過點火模塊45減小原機(jī)的點火角。
純氫氣燃燒工作模式(冷卻水溫度小于40度或冷卻水溫度大于40度且負(fù)荷率0～30％)在此工作模式下，存貯在氫氣罐1內(nèi)高壓氫氣通過開關(guān)電磁閥2經(jīng)一級和二級復(fù)合減壓器3減壓至3～5Bar，經(jīng)開關(guān)電磁閥4輸送至氫氣分配器5，然后經(jīng)電控氫氣噴嘴6、7、8、9由氫氣輸送管22分別送至各個汽缸的進(jìn)氣門處。氫氣噴射和點火控制單元50向燃油噴油脈寬調(diào)節(jié)模塊51發(fā)出燃油噴油脈寬調(diào)節(jié)指令，減少燃油噴油脈寬為零，向氫氣噴嘴6、7、8、9發(fā)出噴氫信號10、11、12、13，按發(fā)動機(jī)正時順序由氫氣輸送管22將氫氣分別噴入各缸的進(jìn)氣門處，向點火提前角調(diào)整模塊52發(fā)出指令，通過點火模塊45減小原機(jī)的點火角。
本發(fā)明的有益效果是，在冷起動時使用氫氣作為燃料，發(fā)動機(jī)即容易起動又不會產(chǎn)生HC、CO和NOx排放。在發(fā)動機(jī)中低負(fù)荷時，向進(jìn)氣道噴射少量氫氣可以改善汽油的霧化和混合，提高汽油在空氣中的燃燒速率，使汽油迅速、完全燃燒，進(jìn)一步提高發(fā)動機(jī)的熱效率并降低排放。在大負(fù)荷時，考慮到汽油機(jī)的動力性，采用純汽油工作模式。采用本發(fā)明的方法，汽油機(jī)將能夠達(dá)到歐4以上排放標(biāo)準(zhǔn)。此外，排氣中存在的微量未燃?xì)錃鈱⒂兄谌呋瘎┑倪€原和性能恢復(fù)。


圖1本發(fā)明的結(jié)構(gòu)和工作原理圖。
圖中1氫氣罐；2開關(guān)電磁閥1；3一級減壓器；4開關(guān)電磁閥2；5氫氣分配器；6氫氣噴嘴1；7氫氣噴嘴2；8氫氣噴嘴3；9氫氣噴嘴4；10氫氣噴嘴1控制信號；11氫氣噴嘴2控制信號；12氫氣噴嘴3控制信號；13氫氣噴嘴4控制信號；14進(jìn)氣壓力信號；15進(jìn)氣溫度信號；16節(jié)氣門位置信號；17機(jī)油溫度信號；18冷卻水溫度信號19發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速信號；20氧傳感器信號；21爆震傳感器信號；22氫氣輸送管；23進(jìn)氣管；24燃油分配器25燃油分配器油壓調(diào)節(jié)器；26燃油噴嘴1控制信號；27燃油噴嘴2控制信號；28燃油噴嘴3控制信號；29燃油噴嘴3控制信號；30燃油噴嘴1；31燃油噴嘴2；32燃油噴嘴3；33燃油噴嘴4；34燃油泵；35燃油濾清器；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缸點火信號；42第3缸點火信號；43第2缸點火信號；44第1缸點火信號；45點火模塊；46發(fā)動機(jī)氣缸體；47排氣管；48發(fā)動機(jī)電子控制單元；49氫氣分配器壓力信號；50氫氣噴射和點火控制單元；51燃油噴油脈寬調(diào)節(jié)模塊；52點火提前角調(diào)整模塊。
具體實施例方式
下面結(jié)合圖1說明本實施例。
本裝置主要包括有電控汽油噴射與點火系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要包括有發(fā)動機(jī)電子控制單元48，發(fā)動機(jī)電子控制單元48接收進(jìn)氣壓力信號14、進(jìn)氣溫度信號15、節(jié)氣門位置信號16、機(jī)油溫度信號17、發(fā)動機(jī)冷卻水溫度信號18、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速信號19、氧傳感器信號20、爆震傳感器信號21，發(fā)動機(jī)電子控制單元48控制燃油噴嘴1、燃油噴嘴2、燃油噴嘴3、燃油噴嘴4噴油脈寬，并通過點火模塊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。本裝置還包括有電控氫氣噴射與點火系統(tǒng)，本系統(tǒng)主要包括有氫氣分配器5、氫氣噴射和點火控制單元50、燃油噴油脈寬調(diào)節(jié)模塊51、點火提前角調(diào)整模塊52，其中，氫氣分配器5通過氫氣噴嘴1、氫氣噴嘴2、氫氣噴嘴3、氫氣噴嘴4和氫氣輸送管22與發(fā)動機(jī)各個汽缸的進(jìn)氣道相連，氫氣分配器5的壓力信號通過壓力傳感器輸入給氫氣噴射和點火控制單元50；氫氣噴射與點火控制單元50與發(fā)動機(jī)電子控制單元48相連并從發(fā)動機(jī)電子控制單元48提取進(jìn)氣壓力信號14、發(fā)動機(jī)冷卻水溫度信號18、節(jié)氣門位置信號16，氫氣噴射與點火控制單元50控制噴氫嘴的噴氫脈寬；燃油噴油脈寬調(diào)節(jié)模塊51設(shè)置在發(fā)動機(jī)電子控制單元48和燃油噴嘴之間，點火提前角調(diào)整模塊52設(shè)置在發(fā)動機(jī)電子控制單元48和點火模塊45之間，燃油噴油脈寬調(diào)節(jié)模塊51、點火提前角調(diào)整模塊52分別與氫氣噴射和點火控制單元50相連并受其控制。
本實施例中的發(fā)動機(jī)為1臺1.6升直列4缸雙頂置凸輪軸電控汽油機(jī)，按圖1所示改造成汽油-氫混合燃料發(fā)動機(jī)，未安裝催化轉(zhuǎn)換器。
1)冷起動實驗(冷卻水溫度小于40度)氫氣噴射與點火控制單元50通過發(fā)動機(jī)電子控制單元48獲取發(fā)動機(jī)冷卻水溫度信號18，如水溫低于40度，則發(fā)動機(jī)按冷起動控制要求，使用純氫氣起動。在發(fā)動機(jī)水溫為20℃的條件下，進(jìn)行冷起動實驗，用一臺AVLDiGas4000排放儀，測量冷起動過程的HC、CO和NOx排放，該冷起動階段全部使用氫氣。電控單元50向燃油噴射脈寬調(diào)節(jié)模塊51發(fā)出指令，切斷電控單元48的噴油信號(即將其噴油脈寬調(diào)整為零)，同時向氫氣噴嘴6、7、8、9發(fā)出控制信號10、11、12、13，使氫氣的噴射脈寬為每循環(huán)7ms并向點火提前角調(diào)整模塊52發(fā)出指令，設(shè)定點火角為原汽油機(jī)的點火角的20％，此時發(fā)動機(jī)處于純氫燃燒狀態(tài)。實驗結(jié)果表明，與原純汽油機(jī)相比，純氫發(fā)動機(jī)冷起動的HC排放由原機(jī)的724ppm下降到4ppm，降低99.4％；CO由原機(jī)的0.33％下降到0％，降低100％；NOx由原機(jī)的50ppm上升到72ppm，增加44％。
2)小負(fù)荷實驗(冷卻水溫度大于40度，負(fù)荷率0～30％)
在發(fā)動機(jī)水溫為85℃的條件下，進(jìn)行小負(fù)荷實驗，用一臺AVL DiGas4000排放儀，測量發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為1500rpm，負(fù)荷率為30％的的HC、CO和NOx排放，該小負(fù)荷階段全部使用氫氣。電子控制單元50通過節(jié)氣門位置信號16判定發(fā)動機(jī)負(fù)荷率處于30％時，電控單元50向燃油噴射脈寬調(diào)節(jié)模塊51發(fā)出指令，切斷電控單元48的噴油信號(即將其噴油脈寬調(diào)整為零)，同時向氫氣噴嘴6、7、8、9發(fā)出控制信號10、11、12、13，使氫氣的噴射脈寬為每循環(huán)6ms并向點火提前角調(diào)整模塊52發(fā)出指令，設(shè)定點火角為原汽油機(jī)的點火角的15％，此時發(fā)動機(jī)處于純氫燃燒狀態(tài)。實驗結(jié)果表明，與原純汽油機(jī)相比，純氫發(fā)動機(jī)小負(fù)荷的HC排放由原機(jī)的520ppm下降到2ppm，降低99％；CO由原機(jī)的0.28％下降到0％，降低100％；NOx由原機(jī)的453ppm上升到627ppm，增加85％。
3)中等負(fù)荷混氫實驗(冷卻水溫度大于40度，負(fù)荷率31～70％)在發(fā)動機(jī)水溫為85℃以上的條件下，進(jìn)行中等負(fù)荷實驗，用一臺AVLDiGas4000排放儀，測量發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為2000rpm，負(fù)荷率為70％的HC、CO和NOx排放，該中等負(fù)荷階段使用汽油和氫氣的混和氣。電子控制單元50通過節(jié)氣門位置信號16判定發(fā)動機(jī)負(fù)荷率處于70％時，電控單元50向燃油噴射脈寬調(diào)節(jié)模塊51發(fā)出指令，調(diào)整噴油脈寬為原汽油機(jī)噴油脈寬的90％，同時向氫氣噴嘴6、7、8、9發(fā)出控制信號10、11、12、13，使氫氣的噴射脈寬為每循環(huán)1.5ms并向點火提前角調(diào)整模塊52發(fā)出指令，設(shè)定點火角為原汽油機(jī)的點火角的85％，此時發(fā)動機(jī)處于混氫燃燒狀態(tài)。實驗結(jié)果表明，與原純汽油機(jī)相比，該種混合燃料發(fā)動機(jī)的HC排放由原機(jī)的720ppm下降到330ppm，降低54％；CO由原機(jī)的0.54％下降到0.31％，降低42％；NOx由原機(jī)的700ppm增加到920ppm，增加31％，比油耗由原機(jī)的258g/(kW.h)下降到238g/(kW.h)，降低7.6％。原因是氫氣極高的擴(kuò)善速率、極低的點火能量、寬廣的燃燒界限、極快的燃燒速率使得氫氣-汽油-空氣混合氣，燃燒得更快、更完全，產(chǎn)生更低的排放和比油耗。當(dāng)電子控制單元50通過電子控制單元48獲取氫氣分配器壓力信號49，當(dāng)該壓力低于0.3MPa，則發(fā)動機(jī)完全切換到純汽油工作模式。
4)大等負(fù)荷純汽油燃燒實驗(冷卻水溫度大于40度，負(fù)荷率71～100％)在發(fā)動機(jī)水溫為85℃以上的條件下，進(jìn)行大負(fù)荷實驗，用一臺AVLDiGas4000排放儀，測量發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為2000rpm，負(fù)荷率為90％的HC、CO和NOx排放，該中等負(fù)荷階段使用純汽油。電子控制單元50通過節(jié)氣門位置信號16判定發(fā)動機(jī)負(fù)荷率處于90％時，電控單元50向燃油噴射脈寬調(diào)節(jié)模塊51發(fā)出指令，調(diào)整噴油脈寬為原汽油機(jī)噴油脈寬的100％，同時向氫氣噴嘴6、7、8、9發(fā)出控制信號10、11、12、13，使氫氣的噴射脈寬為0并向點火提前角調(diào)整模塊52發(fā)出指令，設(shè)定點火角為原汽油機(jī)的點火角的100％，此時發(fā)動機(jī)處于純汽油燃燒狀態(tài)。實驗結(jié)果表明，此時的HC、CO和NOx排放分別為640ppm，4.3％和823ppm。
上述的發(fā)動機(jī)臺架試驗結(jié)果表明，采用本發(fā)明提供的氫氣-汽油混合燃料發(fā)動機(jī)及控制方法，可以在冷起動和小負(fù)荷階段HC和CO接近零排放，在中等負(fù)荷HC和CO排放和油耗較大幅度降低，大負(fù)荷與原機(jī)狀態(tài)一致。由實驗可以看出純氫燃燒和混氫燃燒NOx排放均有較大幅度增加，原因是氫燃燒速度太快，短時產(chǎn)生較高的缸內(nèi)溫度，導(dǎo)致NOx排放增加。該技術(shù)將為普通汽油機(jī)滿足歐4以上排放標(biāo)準(zhǔn)提供一條有效的技術(shù)途徑，同時也對氫能在車輛上的逐步應(yīng)用提供借鑒。
權(quán)利要求
1.一種氫氣-汽油混合燃料發(fā)動機(jī)，主要包括有電控汽油噴射與點火系統(tǒng)，本系統(tǒng)主要包括有發(fā)動機(jī)電子控制單元(48)，發(fā)動機(jī)電子控制單元(48)接收進(jìn)氣壓力信號(14)、節(jié)氣門位置信號(16)、發(fā)動機(jī)冷卻水溫度信號(18)，發(fā)動機(jī)電子控制單元(48)控制燃油噴嘴的噴油脈寬，并通過點火模塊(45)控制火花塞，其特征在于還包括有電控氫氣噴射與點火系統(tǒng)，本系統(tǒng)主要包括有氫氣分配器(5)、氫氣噴射和點火控制單元(50)、燃油噴油脈寬調(diào)節(jié)模塊(51)、點火提前角調(diào)整模塊(52)，其中，氫氣分配器(5)依次通過氫氣噴嘴、氫氣輸送管(22)與發(fā)動機(jī)各個汽缸的進(jìn)氣道相連，氫氣分配器(5)的壓力信號(49)通過壓力傳感器輸入給氫氣噴射與點火控制單元(50)；氫氣噴射與點火控制單元(50)與發(fā)動機(jī)電子控制單元(48)相連并從發(fā)動機(jī)電子控制單元(48)獲取進(jìn)氣壓力信號(14)、發(fā)動機(jī)冷卻水溫度信號(18)、節(jié)氣門位置信號(16)，氫氣噴射和點火控制單元(50)控制噴氫嘴的噴氫脈寬；燃油噴油脈寬調(diào)節(jié)模塊(51)設(shè)置在發(fā)動機(jī)電子控制單元(48)和燃油噴嘴之間，點火提前角調(diào)整模塊(52)設(shè)置在發(fā)動機(jī)電子控制單元(48)和點火模塊(45)之間，燃油噴油脈寬調(diào)節(jié)模塊(51)、點火提前角調(diào)整模塊(52)分別與氫氣噴射和點火控制單元(50)相連并受其控制。
2.針對權(quán)利要求1所述的一種氫氣-汽油混合燃料發(fā)動機(jī)，采取了如下的控制方法，其特征在于，該方法是按如下過程進(jìn)行控制的1)發(fā)動機(jī)起動，發(fā)動機(jī)水溫作為冷起動的唯一控制信號；氫氣噴射與點火控制單元(50)通過發(fā)動機(jī)電子控制單元(48)獲取發(fā)動機(jī)冷卻水溫度信號(18)，如果發(fā)動機(jī)冷卻水溫低于(40)度，則氫氣噴射與點火控制單元(50)向燃油噴射脈寬調(diào)節(jié)模塊(51)發(fā)出指令，切斷電控單元(48)的噴油信號，即將其噴油脈寬調(diào)整為零，同時向氫氣噴嘴發(fā)出控制信號，使氫氣的噴射脈寬為每循環(huán)6～8ms，同時通過點火提前角調(diào)整模塊(52)調(diào)整點火角為原汽油機(jī)的點火角的20～30％，此時發(fā)動機(jī)處于純氫燃燒狀態(tài)；氫氣噴射與點火控制單元(50)實時獲取氫氣分配器壓力信號(49)，當(dāng)該壓力低于0.3MPa，則發(fā)動機(jī)自動切換到純汽油工作模式；2)當(dāng)發(fā)動機(jī)冷卻水溫度高于40度時，氫氣噴射與點火控制單元(50)通過發(fā)動機(jī)電子控制單元(48)獲取節(jié)氣門位置信號(16)和進(jìn)氣壓力信號(14)判定發(fā)動機(jī)負(fù)荷率，對于不同的負(fù)荷率采用不同的控制方法i)當(dāng)負(fù)荷率處于0～30％時，氫氣噴射與點火控制單元(50)向燃油噴射脈寬調(diào)節(jié)模塊(51)發(fā)出指令，切斷電控單元(48)的噴油信號，即將其噴油脈寬調(diào)整為零，同時向氫氣噴嘴發(fā)出控制信號，使氫氣的噴射脈寬為每循環(huán)5～7ms，同時通過點火提前角調(diào)整模塊(52)調(diào)整點火角為原汽油機(jī)的點火角的20～30％，此時發(fā)動機(jī)仍處于純氫燃燒狀態(tài)；氫氣噴射與點火控制單元(50)實時獲取氫氣分配器壓力信號(49)，當(dāng)該壓力低于0.3MPa，則發(fā)動機(jī)自動切換到純汽油工作模式。ii)當(dāng)負(fù)荷率處于31～70％時，氫氣噴射與點火控制單元(50)向燃油噴射脈寬調(diào)節(jié)模塊(51)發(fā)出指令修改燃油噴油脈寬為原汽油機(jī)的80～90％，同時向氫氣噴嘴發(fā)出控制信號，降低氫氣的噴氣脈寬為負(fù)荷率處于0～30％時的噴氣脈寬的10～20％，并向點火提前角調(diào)整模塊(52)發(fā)出指令，通過點火模塊(45)，減小點火角為原汽油機(jī)點火角的10～20％；氫氣噴射與點火控制單元(50)實時獲取氫氣分配器壓力信號(49)，當(dāng)該壓力低于0.3MPa，則發(fā)動機(jī)自動切換到純汽油工作模式。iii)在負(fù)荷率處于71～100％時，氫氣噴射與點火控制單元(50)向燃油噴射脈寬調(diào)節(jié)模塊(51)發(fā)出指令，修改燃油噴油脈寬為原汽油機(jī)的100％，向點火提前角調(diào)整模塊(52)發(fā)出指令，通過點火模塊(45)，設(shè)定點火角為原汽油機(jī)點火角的100％，同時向氫氣噴嘴發(fā)出控制信號，使氫氣的噴氣脈寬為零，此時，發(fā)動機(jī)處于純汽油燃燒狀態(tài)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種氫氣－汽油混合燃料發(fā)動機(jī)及其控制方法，屬于燃燒發(fā)動機(jī)控制領(lǐng)域。主要包括有電控汽油噴射與點火系統(tǒng)、電控氫氣噴射與點火系統(tǒng)，電控氫氣噴射與點火系統(tǒng)包括有氫氣噴射和點火控制單元(50)、燃油噴油脈寬調(diào)節(jié)模塊(51)、點火提前角調(diào)整模塊(52)，燃油噴油脈寬調(diào)節(jié)模塊51設(shè)置在電子控制單元(48)和燃油噴嘴之間并受氫氣噴射和點火控制單元(50)的控制，點火提前角調(diào)整模塊52設(shè)置在發(fā)動機(jī)電子控制單元48和點火模塊45之間并受氫氣噴射和點火控制單元50的控制。該發(fā)動機(jī)在冷起動和小負(fù)荷采用純氫燃料，在中等負(fù)荷采用混氫燃料，大負(fù)荷采用純汽油。本發(fā)明在冷起動和小負(fù)荷階段時接近零排放，可達(dá)到歐4標(biāo)準(zhǔn)。
文檔編號F02D43/00GK1904329SQ20061008928
公開日2007年1月31日 申請日期2006年8月15日 優(yōu)先權(quán)日2006年8月15日
發(fā)明者紀(jì)常偉 申請人:北京工業(yè)大學(xué)