一种复合喷射氢发动机及控制方法
阅读说明：本技术 一种复合喷射氢发动机及控制方法 (Compound hydrogen injection engine and control method ) 是由 纪常伟 辛固 汪硕峰 常珂 孟昊 杨金鑫 于 2021-08-02 设计创作，主要内容包括：本发明为一种复合喷氢发动机及控制方法,具体涉及一种进气道喷射与缸内直喷相结合的复合喷射氢发动机及控制方法。该发动机包括进气系统、高压供氢系统、低压供氢系统、缸内喷水系统和电控系统。根据发动机功率需求及工作状态调节直喷氢气和进气道喷氢比例,同时调节接气门开度控制进气量,从而控制发动机的功率输出。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发生。根据爆震信号调节水泵压力和喷水器的喷射脉宽,控制早燃、回火和爆震等异常燃烧问题。该发动机及控制方法可以实现发动机灵活的调节特性,并能消除氢发动机的爆震,降低氮氧化物排放,提高氢发动机的效率。(The invention relates to a compound hydrogen injection engine and a control method, in particular to a compound hydrogen injection engine combining air inlet channel injection and in-cylinder direct injection and a control method. The engine comprises an air inlet system, a high-pressure hydrogen supply system, a low-pressure hydrogen supply system, an in-cylinder water injection system and an electric control system. The proportion of direct injection hydrogen and air inlet channel injection hydrogen is adjusted according to the power requirement and the working state of the engine, and the air inlet opening is adjusted to control the air inlet amount, so that the power output of the engine is controlled. The ECU judges the position and the rotating speed of the crankshaft through a crankshaft position sensor and a rotating speed sensor, and judges the occurrence of knocking according to a signal of a knock sensor. And regulating the pressure of a water pump and the injection pulse width of a water sprayer according to the detonation signal, and controlling abnormal combustion problems such as pre-ignition, backfire and detonation. The engine and the control method can realize the flexible regulation characteristic of the engine, eliminate the knocking of the hydrogen engine, reduce the emission of nitrogen oxides and improve the efficiency of the hydrogen engine.)
技术领域
一种复合喷射氢发动机及控制方法，具体涉及一种进气道喷氢与缸内喷氢相结合的火花点火发动机及控制方法，属于内燃机领域。
背景技术
近年来，随着汽车保有量的迅速扩大，我国交通行业面临着“碳达峰”和“碳中和”的压力越来越大，并且汽车发动机燃烧化石燃料还会导致各种污染物的排放，导致的环境问题日益突出，发展可替代燃料技术正在受到广泛的关注。
氢气是一种可再生燃料，并且其来源广泛，可以通过电解水制取，能够起到“削峰平谷”的调节作用。氢气具有优良的燃烧特性，例如淬熄距离短、燃烧速度快、最小点火能量低和可燃极限宽等，因此氢气适合作为内燃机的燃料。
当前的氢发动机主要采用进气道喷氢，与空气进行预混之后供入气缸，但是在较高的当量比时面临着早燃、回火和爆震等异常燃烧现象，限制了氢发动机的实际应用。并且在较高当量比下运行时，氢发动机的氮氧化物排放水平急剧升高。控制异常燃烧的技术主要是采用EGR(废气再循环)策略，但是EGR策略会导致进气温度升高，降低气缸容积效率，导致功率和效率下降。此前的研究者提出采用缸内直喷氢气策略，以此消除回火问题，由于需要较高的喷射压力，导致氢气瓶压力降低到氢气喷射压力之后便无法继续满足供氢要求，在相同储氢条件下，缸内直喷相较于进气道喷射降低了续驶里程。
针对氢发动机面临的问题，本发明提出一种进气道喷射与缸内直喷相结合的氢发动机，根据节气门开度信号，调节直喷氢气和进气道喷氢，并结合缸内喷水控制爆震，实现氢发动机良好的动力响应，高效的动力输出及较低的氮氧化物排放水平。
发明内容
针对纯氢发动机存在的问题，本发明解决的技术问题是，提出了一种复合喷射氢发动机及控制方法，该发动机及控制方法可以实现氢发动机全工况稳定工作而不出现异常燃烧现象，同时降低氮氧化物排放。
本发明解决所述技术问题采用的技术方案是：
一种复合喷射氢发动机包括：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；低压氢气供应系统，其上依次串联有氢气瓶、低压氢气减压阀、低压氢气流量传感器、进气道氢气喷射器；高压氢气供应系统，其上依次串联氢气瓶、高压氢气减压阀、高压氢气流量传感器、缸内直喷氢气喷射器；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；控制系统，包括ECU、火花塞、曲轴位置传感器、转速传感器、爆震传感器。
ECU分别与空气流量传感器、节气门、低压氢气减压阀、低压氢气流量传感器、进气道氢气喷射器、高压氢气减压阀、高压氢气流量传感器、缸内直喷氢气喷射器、高压水泵、水流量传感器、水喷射器、火花塞、曲轴位置传感器、转速传感器、爆震传感器有信号交互；
ECU通过导线与节气门和空气流量传感器相连接，空气流量传感器监测空气流量并将信号反馈给ECU，通过发出节气门控制信号控制节气门的开度，以调节进入发动机气缸的进气量；
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；
ECU通过导线与低压氢气减压阀相连接，并根据节气门控制信号调节低压氢气减压阀，以控制进气道氢气喷射器处的喷射压力；
ECU通过导线与低压氢气流量传感器和进气道氢气喷射器相连，ECU根据节气门控制信号和曲轴位置信号调节进气道氢气喷射器的喷射时刻和喷射脉宽，并通过低压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；
ECU通过导线与低压氢气减压阀相连接，并根据节气门控制信号调节低压氢气减压阀，以控制进气道氢气喷射器处的喷射压力；
ECU通过导线与高压氢气减压阀和缸内直喷氢气喷射器相连，ECU根据节气门控制信号和曲轴位置信号调节缸内直喷氢气喷射器的喷射时刻和喷射脉宽，并通过高压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；
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；
ECU通过导线与高压水泵相连，并根据发动机转速及节气门开度信号调节高压水泵的输出压力，以调节水喷射器处的喷射压力；
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；
ECU通过导线与火花塞相连接，并根据节气门开度信号、曲轴位置传感器信号、转速传感器信号和爆震传感器信号调节点火时刻。
一种复合喷射氢发动机的控制方法主要包括发动机的燃料供给策略和燃烧控制策略，其特征在于：
(1)燃料供给策略
a.启动工况
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，采用进气道喷射策略，ECU控制低压氢气减压阀和进气道氢气喷射器和节气门，调节氢气供给量和空气量，并根据低压氢气流量传感器和空气流量传感器进行反馈调节，保持燃烧过量空气系数λ＝1；
b.怠速工况
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，采取进气道喷氢策略，ECU控制低压氢气减压阀和进气道氢气喷射器和节气门，调节氢气供给量和空气量，并根据低压氢气流量传感器和空气流量传感器进行反馈调节，保持燃烧过量空气系数λ＝1.5；
c.低速低负荷工况
ECU(13)接受转速传感器(20)的信号，当转速n怠速+50＜n＜2×n怠速，且发动机功率需求P<30％×P额，此时为低速低负荷工况，采用进气道喷氢策略，ECU根据节气门开度信号控制低压氢气减压阀和进气道氢气喷射器，调节低压氢气供给量，并根据低压氢气流量传感器进行反馈调节；
d.低速中大负荷工况
ECU接受转速传感器的信号，当转速n怠速+50＜n＜2×n怠速，且发动机功率需求P≥30％×P额，此时为低速中大负荷工况，采用缸内直喷氢气策略。ECU根据节气门开度信号控制高压氢气减压阀和缸内直喷氢气喷射器，调节高压氢气供给量，并根据高压氢气流量传感器(6)进行反馈调节；
e.中高速工况
ECU接受转速传感器的信号，当转速2×n怠速≤n，此时为中高速工况，采用进气道喷射与缸内直喷相结合的氢气供给策略。ECU根据节气门开度信号控制低压氢气减压阀和进气道氢气喷射器，调节低压氢气供给量，并根据低压氢气流量传感器进行反馈调节；ECU根据节气门开度信号控制高压氢气减压阀和缸内直喷氢气喷射器，调节高压氢气供给量，并根据高压氢气流量传感器进行反馈调节；根据发动机的节气门传感器信号，调节进气道喷氢与缸内直喷氢气的比例β，随着节气门传感器信号的增加，β从0调控到50％；
其中，n怠速为发动机标定怠速转速，P额为发动机额定功率；
β＝m缸内直喷/(m进气道+m缸内直喷)，式中，m缸内直喷、m进气道分别为缸内直喷氢气和进气道喷氢的质量流量；
燃烧过程混合物过量空气系数式中，其中mair、分别为新鲜空气质量流量和总氢气质量流量，为氢气的化学计量空燃比；
(2)燃烧控制策略
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；
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，直到不产生爆震；
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。
本发明的有益之处是，相对于单一的进气道喷射或缸内直喷，本发明采用进气道与缸内直喷相结合的复合喷射策略，能够根据发动机工况灵活调节喷射策略，既可以保证良好的动力响应特性，又可以避免仅使用缸内直喷的高压喷射带来的续航里程降低问题。同时考虑了在高负荷工况下提高当量比带来的爆震、早燃和回火等异常燃烧问题，使用缸内注水消除异常燃烧并能有效降低氮氧化物排放。
附图说明
通过对结合附图所示出的实施方式进行详细说明，本发明的上述以及其他特征将更加明显。
图1为本发明一种复合喷射氢发动机及控制方法工作示意图。
图中，进气系统(P1)：空气流量传感器(9)、节气门(8)、空气滤清器(7)；低压氢气供应系统(P2)：氢气瓶(1)、低压氢气减压阀(3)、低压氢气流量传感器(4)、进气道氢气喷射器(11)；高压氢气供应系统(P3)：氢气瓶(2)、高压氢气减压阀(5)、高压氢气流量传感器(6)、缸内直喷氢气喷射器(12)；缸内喷水系统(P4)：水箱(19)、高压水泵(18)、水流量传感器(17)、水喷射器(16)；控制系统(P5)：ECU(13)、火花塞(15)、曲轴位置传感器(10)、转速传感器(20)、爆震传感器(14)。
具体实施方式
下面结合实施例及附图进一步解释本发明，但并不以此作为对本申请保护范围的限定。
一种复合喷射氢发动机包括：进气系统(P1)，其上依次串联有空气流量传感器(9)、节气门(8)、空气滤清器(7)；低压氢气供应系统(P2)，其上依次串联有氢气瓶(1)、低压氢气减压阀(3)、低压氢气流量传感器(4)、进气道氢气喷射器(11)；高压氢气供应系统(P3)，其上依次串联氢气瓶(2)、高压氢气减压阀(5)、高压氢气流量传感器(6)、缸内直喷氢气喷射器(12)；缸内喷水系统(P4)，其上依次串联有水箱(19)、高压水泵(18)、水流量传感器(17)、水喷射器(16)；控制系统(P5)，包括ECU(13)、火花塞(15)、曲轴位置传感器(10)、转速传感器(20)、爆震传感器(14)。
ECU(13)分别与空气流量传感器(9)、节气门(8)、低压氢气减压阀(3)、低压氢气流量传感器(4)、进气道氢气喷射器(11)、高压氢气减压阀(5)、高压氢气流量传感器(6)、缸内直喷氢气喷射器(12)、高压水泵(18)、水流量传感器(17)、水喷射器(16)、火花塞(15)、曲轴位置传感器(10)、转速传感器(20)、爆震传感器(14)有信号交互；
ECU(13)通过导线与节气门(8)和空气流量传感器(9)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(9)监测空气流量并将信号反馈给ECU(13)，以调节进入发动机气缸的进气量；
ECU(13)通过导线与转速传感器(20)和曲轴位置传感器(10)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；
ECU(13)通过导线与低压氢气减压阀(3)相连接，并根据节气门控制信号调节低压氢气减压阀(3)，以控制进气道氢气喷射器(11)处的喷射压力；
ECU(13)通过导线与低压氢气流量传感器(3)和进气道氢气喷射器(11)相连，ECU(13)根据节气门控制信号和曲轴位置信号调节进气道氢气喷射器(11)的喷射时刻和喷射脉宽，并通过低压氢气流量传感器(4)的反馈信号进行修正，以保证过量空气系数稳定；
ECU(13)通过导线与低压氢气减压阀(3)相连接，并根据节气门控制信号调节低压氢气减压阀(3)，以控制进气道氢气喷射器(11)处的喷射压力；
ECU(13)通过导线与高压氢气减压阀(5)和缸内直喷氢气喷射器(12)相连，ECU(13)根据节气门控制信号和曲轴位置信号调节缸内直喷氢气喷射器(12)的喷射时刻和喷射脉宽，并通过高压氢气流量传感器(6)的反馈信号进行修正，以保证过量空气系数稳定；
ECU(13)通过导线与爆震传感器(14)相连接，根据爆震传感器(14)的输出信号判断爆震是否发生；
ECU(13)通过导线与高压水泵(18)相连，并根据发动机转速及节气门开度信号调节高压水泵的输出压力，以调节水喷射器处的喷射压力；
ECU(13)通过导线与水流量传感器(17)和水喷射器(16)，ECU(13)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；
ECU(13)通过导线与火花塞(15)相连接，并根据节气门开度信号、曲轴位置传感器信号、转速传感器信号和爆震传感器信号调节点火时刻。
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和燃烧控制策略。
(1)燃料供给策略
a.启动工况
ECU(13)接受转速传感器(20)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，采用进气道喷射策略，ECU(13)控制低压氢气减压阀(3)和进气道氢气喷射器(11)和节气门(8)，调节氢气供给量和空气量，并根据低压氢气流量传感器(4)和空气流量传感器(9)反馈信号进行修正，保持燃烧过量空气系数λ＝1；
b.怠速工况
ECU(13)接受转速传感器(20)的信号，当转速n怠速-50<n<n怠速+50时，此时为怠速工况，采取进气道喷氢策略，ECU(13)控制低压氢气减压阀(3)和进气道氢气喷射器(11)和节气门(8)，调节氢气供给量和空气量，并根据低压氢气流量传感器(4)和空气流量传感器(9)进行反馈调节，保持燃烧过量空气系数λ＝1.5；
c.低速低负荷工况
ECU(13)接受转速传感器(20)的信号，当转速n怠速+50＜n＜2×n怠速，且发动机功率需求P<30％×P额，此时为低速低负荷工况，采用进气道喷氢策略，ECU(13)根据节气门开度信号控制低压氢气减压阀(3)和进气道氢气喷射器(11)，调节低压氢气供给量，并根据低压氢气流量传感器(4)进行反馈调节；
d.低速中大负荷工况
ECU(13)接受转速传感器(20)的信号，当转速n怠速+50＜n＜2×n怠速，且发动机功率需求P≥30％×P额，此时为低速中大负荷工况，采用缸内直喷氢气策略。ECU(13)根据节气门开度信号控制高压氢气减压阀(5)和缸内直喷氢气喷射器(12)，调节高压氢气供给量，并根据高压氢气流量传感器(6)的反馈信号进行修正，以保证过量空气系数稳定；
e.中高速工况
ECU(13)接受转速传感器(20)的信号，当转速2×n怠速≤n，此时为中高速工况，采用进气道喷射与缸内直喷相结合的氢气供给策略。ECU(13)根据节气门开度信号控制低压氢气减压阀(3)和进气道氢气喷射器(11)，调节低压氢气供给量，并根据低压氢气流量传感器(4)的反馈信号进行修正，以保证过量空气系数稳定；ECU(13)根据节气门开度信号控制高压氢气减压阀(5)和缸内直喷氢气喷射器(12)，调节高压氢气供给量，并根据高压氢气流量传感器(6)的反馈信号进行修正，以保证过量空气系数稳定；根据发动机的节气门传感器信号，调节进气道喷氢与缸内直喷氢气的比例β，随着节气门信号的增加，β从0调控到50％；
其中，n怠速为发动机标定怠速转速，P额为发动机额定功率；
β＝m缸内直喷/(m进气道+m缸内直喷)，式中，m缸内直喷、m进气道分别为缸内直喷氢气和进气道喷氢的质量流量；
燃烧过程混合物过量空气系数式中，其中mair、分别为新鲜空气质量流量和总氢气质量流量，为氢气的化学计量空燃比；
(2)燃烧控制策略
ECU(13)接收爆震传感器(14)的信号，若爆震传感器(14)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；
ECU(13)接收爆震传感器(14)的信号，若爆震传感器(14)判断发生爆震，则ECU(14)控制火花塞(16)推迟点火时刻，直到不产生爆震；
若推迟点火至上止点仍不能消除爆震，则ECU(13)控制高压水泵(18)和水喷射器(16)，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；
本发明未述及之处适用于现有技术。
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