一种氢/氨双燃料发动机及控制方法
阅读说明：本技术 一种氢/氨双燃料发动机及控制方法 (Hydrogen/ammonia dual-fuel 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：一种氢/氨双燃料发动机及控制方法。本发明为一种氨氢发动机及其控制方法,具体涉及一种根据发动机工况调节氢气和氨气掺混比的发动机及控制方法,目的是实现高效率和高功率输出并控制爆震。主要包括进气系统、氢气供给系统、氨气供给系统和控制系统。ECU通过曲轴位置传感器、转速传感器判断曲轴位置和转速,并根据爆震传感器判断爆震的发生,根据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时刻和喷射脉宽,同时调节氨气供给系统的氨气减压阀和氨气喷射器的喷射时刻和喷射脉宽,从而确定氨氢混合比例。该发动机及控制方法可以消除氢发动机爆震现象,提高其工作范围。(A hydrogen/ammonia dual-fuel engine and a control method. The invention relates to an ammonia-hydrogen engine and a control method thereof, in particular to an engine and a control method for adjusting the mixing ratio of hydrogen and ammonia according to the working condition of the engine, aiming at realizing high efficiency and high power output and controlling detonation. The device mainly comprises an air inlet system, a hydrogen supply system, an ammonia supply system and a control system. The ECU judges the position and the rotating speed of the crankshaft through the crankshaft position sensor and the rotating speed sensor, judges the occurrence of knocking according to the knocking sensor, adjusts the injection time and the injection pulse width of a hydrogen pressure reducing valve and a hydrogen injector of a hydrogen supply system according to requirements, and adjusts the injection time and the injection pulse width of an ammonia pressure reducing valve and an ammonia injector of an ammonia supply system at the same time, so that the ammonia-hydrogen mixing proportion is determined. The engine and the control method can eliminate the knocking phenomenon of the hydrogen engine and improve the working range of the hydrogen engine.)
技术领域
一种掺氨氢发动机及其控制方法，具体涉及一种氢/氨双燃料活塞发动机及其控制方法，属于内燃机领域。
背景技术
随着经济社会的不断发展，环境问题日益突出。发展清洁能源技术对于实现可持续社会至关重要。我国石油匮乏，但是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。
氢气是一种可再生燃料，在发动机中燃烧之后的只有水和氮氧化物排放，因此越来越受到社会的关注。研究发现，纯氢发动机在稀燃工况下可以实现较高的效率，但采用稀燃导致输出功率迅速下降，研究表明相对于汽油发动机的峰值功率下降50％。为了实现较高功率的输出，需要增加燃料供给，但是输入燃料较多时，氢发动机极易出现早燃、回火和爆震等异常燃烧现象，这限制了氢发动机的应用和推广。
控制氢发动机异常燃烧的方式之一是掺混不同性质的燃料，改变混合燃料的燃烧性质。氨气是一种成熟的化工产品，它既是一种优良的储氢介质，同时也可以作为燃料直接燃烧，与氢气一样不含碳原子。氨气具有与氢气截然相反的物理化学特性，例如最小点火能量高、层流火焰速度慢、可燃极限窄等。
针对氢氨发动机，此前的专利主要是将氨作为主燃料，把氢气作为燃烧促进剂使用，而较少的考虑在以氢为主燃料的发动机中使用氨气作为抑制剂，从而提高氢发动机的功率输出并控制其异常燃烧问题。
因此，本申请设计了一种以氢/氨为燃料的双燃料发动机及控制方法，根据发动机运行工况适当调整燃料比例和工作参数，从而控制异常燃烧问题，拓展氢发动机的运行区间，实现氢发动机高功率输出。
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，提出了一种氢/氨双燃料发动机及控制方法，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。
本发明解决所述技术问题采用的技术方案是：
一种氢/氨双燃料发动机包括：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；氨气供给系统，其上依次串联有氨气瓶、氨气减压阀、氨气流量传感器、氨气喷射器；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。
ECU分别与氢气减压阀、氢气流量传感器、氢气喷射器、氨气减压阀、氨气流量传感器、氨气喷射器、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；
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；
ECU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，为控制燃料喷射时刻和脉宽提供数据参考；
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，以调节氢气喷射器处的喷射压力；
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；
ECU通过导线与爆震传感器相连接，根据爆震传感器的输出线号判断爆震是否发生；
ECU通过导线与氨气减压阀相连接，并根据节气门控制信号及爆震信号调节氨气减压阀，以调节氨气喷射器处的喷射压力；
ECU通过导线与氨气流量传感器和氨气喷射器，ECU根据节气门控制信号和曲轴位置信号调节氨气喷射器的喷射时刻和喷射脉宽，并通过氨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。
一种氢/氨双燃料发动机的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，其特征在于：
(1)燃料供给策略
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、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，以保证燃烧过量空气系数λ＝1；同时，ECU控制氨气流量减压阀关闭，使氨气流量为0。
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，以保证燃烧过量空气系数λ＝1.5；同时，ECU控制氨气流量减压阀关闭，使氨气流量为0；
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，采取氢/氨双燃料策略，ECU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；同时，ECU控制氨气流量减压阀，并根据节气门传感器开度信号和爆震信号调节氨气流量；
其中，燃烧过程混合物过量空气系数式中，mair、分别为进气质量流量、氨气质量流量和氢气的质量流量，分别为氨气和氢气的化学计量空燃比。
(2)节气门控制策略
ECU根据节气门开度信号调节节气门开度K；
ECU所控制的K应满足以下条件：
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；
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；
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；
当转速n＝0时，发动机停止工作，K＝0％。
(3)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，直到将点火正时推迟至压缩上止点；
ECU接收爆震传感器的信号，若推迟点火正时至上止点仍不能消除爆震，则ECU控制氨气减压阀和氨气喷射器，控制氨气喷射量，由0逐渐增大，直到爆震消除，则在该工况下维持当前氨气喷射量不变。
本发明的有益之处在于，针对氢发动机在较多燃料供给时出现的异常燃烧问题，通过添加氨改变混合燃料的燃烧特性，从而实现
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为本发明一种氢/氨双燃料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(10)、节气门(9)、空气滤清器(8)；氨气供给系统(P2)：氨气瓶(1)、氨气减压阀(3)、氨气流量传感器(4)氨气喷射器(12)；氢气供应系统(P3)：氢气瓶(2)、氢气减压阀(5)、氢气流量传感器(6)、阻火器(7)、氢气喷射器(13)；控制系统(P4)：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)。
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。
一种氢/氨双燃料发动机包括：进气系统(P1)，其上依次串联有空气流量传感器(10)、节气门(9)、空气滤清器(8)；氨气供给系统(P2)，其上依次串联有氨气瓶(1)、氨气减压阀(3)、氨气流量传感器(4)、氨气喷射器(12)；氢气供应系统(P3)，其上依次串联有氢气瓶(2)、氢气减压阀(5)、氢气流量传感器(6)、阻火器(7)、氢气喷射器(13)；ECU(14)，在其上火花塞(16)、曲轴位置传感器(11)、转速传感器(17)、爆震传感器(15)与其有信号交互。
ECU(14)通过导线与节气门(9)和空气流量传感器(6)相连接，并通过发出节气门控制信号控制节气门(9)的开度，空气流量传感器(6)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进气量；
ECU(14)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，为控制燃料喷射时刻和脉宽提供数据参考；
ECU(14)通过导线与氢气减压阀(5)相连接，并根据节气门控制信号调节氢气减压阀(5)，以调节氢气喷射器(13)处的喷射压力；
ECU(14)通过导线与氢气流量传感器(6)和氢气喷射器(13)，ECU根据节气门控制信号和曲轴位置信号调节氢气喷射器(13)的喷射时刻和喷射脉宽，并通过氢气流量传感器(6)的反馈信号进行修正，以保证过量空气系数稳定；
ECU(14)通过导线与爆震传感器(15)相连接，根据爆震传感器(15)的输出线号判断爆震是否发生；
ECU(14)通过导线与氨气减压阀(3)相连接，并根据节气门控制信号调节氨气减压阀(3)，以调节氨气喷射器(12)处的喷射压力；
ECU(14)通过导线与氨气流量传感器(6)和氨气喷射器(13)，ECU根据节气门控制信号和曲轴位置信号调节氨气喷射器(12)的喷射时刻和喷射脉宽，并通过氨气流量传感器(6)的反馈信号进行修正，以保证过量空气系数稳定；
ECU(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。
一种氢/氨双燃料发动机的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。
(1)燃料供给策略
ECU(14)接受转速传感器(17)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，采取纯氢浓燃策略，ECU(14)控制氢气减压阀(5)和氢气喷射器(13)和节气门(9)，调节氢气供给量和空气量，并根据氢气流量传感器(6)和空气流量传感器(10)的反馈信号进行修正，以保证燃烧过量空气系数λ＝1，同时，ECU(14)控制氨气流量减压阀(3)关闭，使氨气流量为0；
ECU(14)接受转速传感器(17)的信号，所以当转速n怠速-50＜n＜n怠速+50时为怠速工况，为了节省燃料，采取纯氢稀燃策略，ECU(14)控制氢气减压阀(5)和氢气喷射器(13)和节气门(9)，调节氢气供给量和空气量，并根据氢气流量传感器(6)和空气流量传感器(10)的反馈信号进行修正，以保证燃烧过量空气系数λ＝1.5，同时，ECU(14)控制氨气流量减压阀(3)关闭，使氨气流量为0；
ECU(14)接受转速传感器(17)的信号，当转速n怠速+50＜n时，此时为正常工作工况，采取氢/氨双燃料策略，ECU(14)控制氢气减压阀(5)、氢气喷射器(13)，调节氢气供给量，并根据氢气流量传感器(6)的反馈信号进行修正，以保证过量空气系数稳定；同时，ECU(14)控制氨气流量减压阀(3)，并根据节气门传感器开度信号和爆震信号调节氨气流量；
其中，n怠速为发动机标定怠速转速；
燃烧过程混合物过量空气系数式中，mair、分别为进气质量流量、氨气质量流量和氢气的质量流量，分别为氨气和氢气的化学计量空燃比。
(2)节气门控制策略
ECU(14)根据节气门传感器开度信号调节节气门(9)开度K；
ECU(14)所控制的K应满足以下条件：
当转速n＝0变为n≠0时，此时为启动工况，ECU(14)控制节气门(9)K＝100％；
当转速n怠速-50＜n＜n怠速+50时，此时为怠速工况，ECU(14)控制节气门(9)0＜K＜10；
当转速n怠速+50＜n时，此时为正常工作工况，ECU(14)控制节气门(9)10＜K≤100；
当转速n＝0时，发动机停止工作，K＝0％；
(3)燃烧控制策略
ECU(14)接收爆震传感器(15)的信号，若没有产生爆震，则ECU(14)调整火花塞(16)点火正时，使点火时刻保持在最佳点火角；
ECU(14)接收爆震传感器(15)的信号，若产生爆震，则ECU(14)控制火花塞(16)推迟点火时刻，直到将点火正时推迟至压缩上止点；
ECU(14)接收爆震传感器(15)的信号，若推迟点火正时至上止点仍不能消除爆震，ECU(14)控制氨气减压阀(3)和氨气喷射器(12)，控制氨气喷射量，由0逐渐增大，直到消除爆震，则在该工况下维持当前氨气喷射量不变。
本发明未述及之处适用于现有技术。
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