專利名稱：一種混氫、氧氣的高辛烷值燃料點燃式內燃機及控制方法
技術領域：
點燃式內燃機主要燃用高辛烷值燃料，本發明提供一種在高辛烷值燃料中混合氫 氣和氧氣的點燃式內燃機及控制方法，具體內容涉及一種燃料中混合氫氣和氧氣的點燃式 內燃機的燃料儲存和供給系統、燃料比例分配及燃燒過程控制。
背景技術：
石油資源的不斷減少和環境污染的日益嚴重使節能、減排成為了內燃機行業發展 的必然趨勢。氫能被普遍認為是內燃機最為理想的代用能源。與汽油等傳統能源相比，氫 氣具有燃燒及擴散速度高、悴熄距離短等優良的燃燒與物化特性，因而氫發動機可以獲得 較傳統內燃機更高的熱效率。另一方面，氫氣的點火能量低且燃燒界限寬，這也使氫發動機 可以通過稀薄燃燒改善其排放性能。目前，氫發動機按供氫方式可以分為進氣道噴射和缸 內氫氣直噴兩種。由于氫氣單位體積的能量密度低，所以采用進氣道噴射方式供氫的發動 機會產生功率降低的問題。而采用氫氣直噴技術的發動機往往系統復雜，制造成本高。同 時，純氫發動機耗氫量大，但目前氫基礎設施建設不完善，這也使氫發動機難以在短時間內 迅速推廣。氫氣在發動機上的另一種應用方式為氫與其他燃料所組成的混合燃料發動機。該 技術在冷起動階段采用純氫，利用氫氣點火能量低及不含碳的特點，有效地降低了點燃式 發動機起動過程中的HC及CO排放；在小負荷階段采用汽油-氫氣混合燃燒，利用氫氣優良 的燃燒特性提高發動機部分負荷經濟與排放性能；大負荷階段采用純汽油燃燒保證發動機 動力性。該技術有效地提高了發動機熱效率和排放性能，但加氫困難的問題仍然存在。通過提高進氣中氧氣濃度，實現富氧燃燒也可以提高內燃機熱效率。同時，增加空 氣中氧分數后，相同過量空氣系數條件下，發動機可以加大循環燃料供應量，使內燃機動力 性得到提高。但由于燃料在富氧環境下燃燒速度更快、火焰溫度更高，因而富氧燃燒在大負 荷工況會導致發動機過熱及機件損壞等問題。另一方面，采用富氧燃燒需要隨車攜帶氧氣， 而目前氧氣加注存在困難。
發明內容
針對目前高辛烷值燃料火花點火內燃機存在熱效率低、排放高的問題，為進一步 提高點燃式內燃機的熱效率和排放性能，本發明提供了一種新型的氫_氧_高辛烷值燃料 混合燃料發動機及其控制方法。本發明采用了如下技術方案該發明中的混合氫氣和氧氣的高辛烷值燃料點燃式 內燃機，包括原機的高辛烷值燃料點燃式內燃機電子控制單元13、內燃機、與內燃機相連通 的內燃機進氣歧管11、與內燃機進氣歧管11相連通的內燃機進氣總管10、以及點火模塊16 和火花塞17，內燃機電子控制單元(13)通過點火模塊(16)控制安裝在內燃機上的火花塞 (17)發火時刻，高辛烷值燃料噴嘴(15)安裝在發動機各缸進氣歧管(11)中，此外，還包括 制氫氧機23、與制氫氧機相連通的氫氣儲存罐1和氧氣儲存罐2、安裝在氫氣儲存罐上的氫氣罐壓力傳感器3、安裝在氧氣儲存罐上的氧氣罐壓力傳感器4、通過管路與氧氣儲存罐相 連通的氧氣噴嘴7、通過管路與氫氣儲存罐相連通的氫氣噴嘴14、設置在氫氣儲存罐和氫 氣噴嘴的連通管路上的氫氣供給管路電磁閥5、設置在氧氣儲存罐和氧氣噴嘴之間的氧氣 供給管路電磁閥6、及氫氧混合燃料電子控制單元12，氧氣噴嘴7連接在發動機進氣總管11 中，氫氣噴嘴14安裝在發動機各缸進氣歧管11中；氫氧混合燃料電子控制單元12通過屏 蔽電纜與內燃機發動機電子控制單元13進行通訊，獲得節氣門位置信號C、冷卻液溫度信 號d、發動機轉速信號e、氧傳感器信號f、原機高辛烷值燃料噴射信號g及空氣流量信號h。 同時，氧混合燃料電子控制單元12通過屏蔽電纜與氫氣罐壓力傳感器3及氧氣罐壓力傳感 器4相連，獲得氫氣罐壓力信號η及氧氣罐壓力信號P。氫氧混合燃料電子控制單元12通 過發出高辛烷值燃料噴嘴控制信號i，氫氣噴嘴控制信號J及氧氣噴嘴控制信號m，控制高 辛烷值燃料噴嘴15、氫氣噴嘴14及氧氣噴嘴7的開啟和關閉時刻，從而調整氫-氧混合氣 占總進氣量的體積分數及混合氣過量空氣系數。同時，氫氧混合燃料電子控制單元12利用 屏蔽線纜與氫氣供給管路電磁閥5和氧氣供給管路電磁閥6相連接，通過發出氫氣供給管 路電磁閥控制信號L和氧氣供給管路電磁閥控制信號k打開和關閉氫、氧氣供給管路。—種混合氫氣和氧氣的高辛烷值燃料點燃式內燃機的控制方法，該方法包括以下 步驟該控制方法按工況分為冷起動工況、怠速工況、中小負荷工況和高速、高負荷工 況；每循環進入發動機的氫氧混合氣占總進氣的體積分數α為α = (VH2+V02)/V02 公式 11)冷起動工況起動時，氫氧混合燃料電子控制單元12通過與原機電子控制單元13通訊獲取發 動機節氣門位置信號C、冷卻液溫度信號d及發動機轉速信號e，并根據氫氣罐壓力信號η 和氧氣罐壓力信號P判斷內燃機起動方式；當氫氣儲存罐和氧氣儲存罐的壓力均低于2. Obar時，氫氧混合燃料電子控制單 元12關閉氧氣噴嘴7和氫氣噴嘴14，并根據從原發動機電子控制單元13所獲得的原機高 辛烷值燃料噴射信號g控制高辛烷值燃料噴嘴15的開啟和關閉，使發動機按照原機起動方 式順利起動；當氫氣儲存罐壓力和氧氣儲存罐壓力均大于等于2. Obar時，氫氧混合燃料電子 控制單元12發出控制信號L、k打開氫氣供給管路電磁閥5和氧氣供給管路電磁閥6，根據 發動機起動轉速e、冷卻液溫度d和空氣流量信號h控制氫氣與氧氣噴嘴的噴氣脈寬，同時 通過將汽油噴射脈寬調整至零關閉高辛烷值燃料噴嘴15，使發動機以氫、氧混合氣方式起 動；在純氫氧混合氣起動方式下，氫氧混合燃料電子控制單元12通過與原機電子控制單元 13通訊獲得發動機冷卻液溫度信號d，并根據發動機不同冷卻液溫度T。調整氫氧混合氣的 噴射脈寬，具體如下根據冷卻液溫度，又分為如下4種情況I)在-50°C = < Tc < -20°C時，氫氧混合燃料電子控制單元12)根據公式1計算 并調整氫氣和氧氣噴嘴的噴射脈寬，使缸內氫氧混合氣占總進氣量的體積分數α保持在 0. 45 0. 55之間；
II)在-20°C = < Tc < -0°C時，氫氧混合燃料電子控制單元12)根據公式1計算 并調整氫氣和氧氣噴嘴的噴射脈寬，使缸內氫氧混合氣占總進氣量的體積分數α保持在 0. 35 0. 45之間；III)在0°C = <T。<40°C時，氫氫氧混合燃料電子控制單元12)根據公式1計算 并調整氫氣和氧氣噴嘴的噴射脈寬，使缸內氫氧混合氣占總進氣量的體積分數α保持在 0. 25 0. 35之間；IV)在40°C = < Tc時，氫氫氧混合燃料電子控制單元12)根據公式1計算并調整 氫氣和氧氣噴嘴的噴射脈寬，使缸內氫氧混合氣占總進氣量的體積分數α保持在0.2 0. 25之間；2)怠速工況氫氧混合燃料電子控制單元12)根據氫氣罐壓力信號η和氧氣罐壓 力信號P判定發動機怠速時是否混入氫、氧氣；當氫氣儲存罐與氧氣儲存罐壓力均低于2bar時，氫氧混合燃料電子控制單元12) 關閉氫氣與氧氣噴嘴，打開制氫氧機23)開始制取氫、氧氣，并根據原機高辛烷值燃料噴射 信號g打開高辛烷值燃料噴嘴15)，此時內燃機怠速控制策略與原機相同；在氫氣儲存罐壓力和氧氣儲存罐均壓力大于2bar時，氫氧混合燃料電子控制單 元12)與原機電子控制單元13)通訊獲得節氣門位置信號C、冷卻液溫度信號d、發動機轉 速信號e、氧傳感器信號f、原機高辛烷值燃料噴射信號g和空氣流量信號h，并控制氫氣供 給管路電磁閥5)、氧氣供給管路電磁閥6)、氧氣噴嘴7)、氫氣噴嘴14)和高辛烷值燃料噴嘴 15)的開啟和關閉，調整氫氧混合氣在進氣中的體積分數α和混合氣過量空氣系數λω，具 體如下根據不同的冷卻液溫度Τ。，又分為如下三個不同的過程I)在Τ。=< 20°C時，氫氧混合燃料電子控制單元12)通過調整氫氣和氧氣噴嘴 的噴射脈寬，使氫氧混合氣占總進氣量的體積分數α保持在0. 2 0. 5之間，同時關閉高 辛烷值燃料噴嘴15)，使發動機以氫_氧混合氣模式暖機，該工況下采用開環控制，氫氧混 合燃料電子控制單元12)不對混合氣過量空氣系數入 ]進行調整；II)在20°C< Τ。=< 80°C時，氫氧混合燃料電子控制單元12)通過調整氫氣與氧 氣噴嘴的噴射脈寬，使α控制在0.015至0.03之間且α隨水溫的升高而降低，并且根據 氧傳感器信號f及原機高辛烷值燃料噴射信號g調整高辛烷值燃料的實際噴射脈寬，實現 對混合氣過量空氣系數的閉環控制，并將混合氣的過量空氣系數λ m控制在1. 0 ；III)在80°C< T。時，氫氧混合燃料電子控制單元12)通過調整氫氣與氧氣噴嘴 的噴射脈寬，使α控制在0.015，并且根據氧傳感器信號f及原機高辛烷值燃料噴射信號g 調整高辛烷值燃料的實際噴射脈寬，使混合氣過量空氣系數保持在1. 0 ；3)在中、小負荷工況下，氫氧混合燃料電子控制單元12)調整氫-氧混合氣占總進 氣量的體積分數α和混合氣過量空氣系數λω，使α和λ 1]]在不同的轉速及負荷條件下分 別控制在0. 005 0. 015和1. 0。4)在高速、高負荷工況下，氫氧混合燃料電子控制單元12)關閉氫氣供給管路電 磁閥5)和氧氣供給管路電磁閥6)及氧氣噴嘴7)和氫氣噴嘴14)，使發動機以純高辛烷值 燃料燃燒模式運行。所述高辛烷值燃料包括汽油、甲醇、乙醇、天然氣或液化石油氣。
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發明的有益效果是，針對高辛烷值燃料點燃式內燃機冷起動、怠速及中、小負荷條 件下汽油機油膜效應嚴重、缸內燃料燃燒不充分、HC和CO排放高的問題，提出利用車載制 氫氧機隨車制取氫、氧氣并通過氫氧混合氣改善點燃式內燃機機的經濟性與排放性。起動 時，發動機采用氫-氧混合氣配合稀薄燃燒方式起動，避免了起動時燃料消耗量大的問題， 并有效地降低了起動過程中HC與CO排放。在怠速和小負荷工況下，根據轉速和發動機負 荷調整氫氧混合氣占進氣的體積分數，利用氫_氧混合氣可以加速燃料燃燒和點火能量低 的優點提高發動機部分負荷條件下熱效率與排放水平。在高速、大負荷條件下，通過采用純 高辛烷值燃料燃燒，保證內燃機高速、大負荷時的動力性。本發明所用的車載制取氫氧及儲 存系統可以通過回收發電機多余電能制氫，提高了整機熱效率，并解決了車用氫氣和氧氣 的加注問題。所采用的發動機燃燒控制方式能夠根據發動機工況對氫氣、氧氣及高辛烷值 燃料噴射比例和混合氣過量空氣系數控制，可以實現純氫-氧混合氣燃燒、氫-氧-高辛烷 值燃料混合燃燒和純高辛烷值燃料燃燒的內燃機燃燒模式，提高了發動機起動、怠速和小 負荷時的性能，降低了燃油消耗率和有害排放，成為一種改善發動機經濟與排放性能的有 效技術手段。
圖1本發明的結構和工作原理中1氫氣儲存罐；2氧氣儲存罐；3氫氣罐壓力傳感器；4氧氣罐壓力傳感器；5 氫氣供給管路電磁閥；6氧氣供給管路電磁閥；7氧氣噴嘴；8節氣門；9進氣流量傳感器；10 內燃機進氣總管；11內燃機進氣歧管；12氫氧混合燃料電子控制單元；13原發動機電子控 制單元；14氫氣噴嘴；15高辛烷值燃料噴嘴；16點火模塊；17火花塞；18燃料泵；19汽油 箱；20內燃機排氣管；21曲軸；22內燃機活塞；23制氫氧機a.傳感器數據信號；b.點火角控制信號；C.節氣門位置信號；d.冷卻液溫度信 號；e.發動機轉速信號；f.氧傳感器信號；g原機高辛烷值燃料噴射脈寬信號；h.空氣流量 信號；i高辛烷值燃料噴嘴控制信號J.氫氣噴嘴控制信號；k.氧氣供給管路電磁閥4控制 信號；L.氫氣供給管路電磁閥控制信號；m.氧氣噴嘴控制信號；η.氫氣罐壓力信號；P.氧 氣罐壓力信號。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明作進一步說明如圖1所示，該氫-氧-高辛烷值燃料混合燃料內燃機，主要包括傳統火花點火內 燃機的電控系統和發動機本體，電控系統包括原發動機電子控制單元1，通過原發動機電子 控制單元13獲得原機傳感器數據信號a ；發動機本體包括節氣門8，進氣流量傳感器9，內 燃機進氣總管10，內燃機進氣岐管11，高辛烷值燃料噴嘴15，點火模塊16，火花塞17，燃料 泵18，燃料箱19，內燃機排氣管20，曲軸21，活塞22，原發動機電子控制單元13。通過原機 控制線纜與點火模塊16相連，根據發動機傳感器數據信號a控制火花塞17跳火。增加了 一套車載氫氧氣制取與儲存系統、氫氧混合燃料供給及噴射系統，該系統包括制氫氧機23、 與制氫氧機相連通的氫氣儲存罐1和氧氣儲存罐2、安裝在氫氣儲存罐上的氫氣罐壓力傳 感器3、安裝在氧氣儲存罐上的氧氣罐壓力傳感器4、通過管道與氧氣儲存罐相連通的氧氣噴嘴7、通過管道與氫氣儲存罐相連通的氫氣噴嘴14、設置在氫氣儲存罐和氫氣噴嘴之間 的連通管路上的氫氣供給管路電磁閥5、設置在氧氣儲存罐和氧氣噴嘴之間的連通管路上 氧氣供給管路電磁閥6、及氫氧混合燃料電子控制單元12，氧氣噴嘴7連接在發動機進氣總 管11中，氫氣噴嘴14安裝在發動機各缸進氣歧管11中。氫氧混合燃料電子控制單元12通 過屏蔽電纜與原發動機電子控制單元13進行通訊，獲得節氣門位置信號C、冷卻液溫度信 號d、發動機轉速信號e、氧傳感器信號f、原機高辛烷值燃料噴射信號g及空氣流量信號h。 同時，氧混合燃料電子控制單元12通過屏蔽電纜與氫氣罐壓力傳感器3及氧氣罐壓力傳感 器4相連，獲得氫氣罐壓力信號η及氧氣罐壓力信號P ；氫氧混合燃料電子控制單元12通 過發出高辛烷值燃料噴嘴控制信號i，氫氣噴嘴控制信號J及氧氣噴嘴控制信號m，控制高 辛烷值燃料噴嘴15、氫氣噴嘴14及氧氣噴嘴7的開啟和關閉時刻，從而調整氫-氧混合氣 占總進氣量的體積分數及混合氣過量空氣系數；同時，氫氧混合燃料電子控制單元12利用 屏蔽線纜與氫氣供給管路電磁閥5和氧氣供給管路電磁閥6相連接，通過發出氫氣供給管 路電磁閥控制信號L和氧氣供給管路電磁閥控制信號k打開和關閉氫、氧氣供給管路。為 避免氫、氧氣直接混合所導致的危險，本發明中氧氣噴嘴7連接在發動機進氣總管11中，氫 氣噴嘴14安裝在發動機各缸進氣歧管11中。從制氫氧機23所制得的氫氣與氧氣分別通 過不銹鋼管路與氫氣儲存罐1、氧氣儲存罐2、氫氣供給管路電磁閥5、氧氣供給管路電磁閥 6、氫氣噴嘴14和氧氣噴嘴7相連接。一種氫-氧-汽油混合燃料內燃機的控制方法如下每循環進入發動機的氫氧混合氣占總進氣的體積分數α為α = (VH2+V02)/V02公式 1氫氣與氧氣體積分數比αΗ2_。2α Η2_02 = VH2/V02公式 2其中，Vh2和\2分別為每循環進入發動機的氫氣與氧氣體積(L/cycle)。由于水 中氫、氧原子比為2 1，所以利用制氫氧機電解水制氫、氧氣時，任何工況下α H2,均可保 持在2 1，且所制得的氫、氧氣的摩爾比例為理論化學計量比。因此，在本發明所提供的 混合燃料供應策略下，發動機高辛烷值燃料_氫氣-氧氣-空氣混合氣的過量空氣系數入m 僅取決于高辛烷值燃料的過量空氣系數λ f。因此，Xm=Xf = mair/mfAF, st, f, 公式 3其中，mair為每循環進入發動機空氣質量(g/cycle) ;mf為每循環進入發動機汽油 質量(g/cycle) ；AF,st,f,為高辛烷值燃料(汽油、甲醇、乙醇、天然氣、液化石油氣等)的理論 空燃比。氫氧混合燃料電子控制單元12獲得原機高辛烷值燃料噴射信號g作為高辛烷值 燃料的基本噴油量mf,b，根據獲得的氧傳感器信號f作為修正噴油量％,。。在某一工況下， 由氫氧混合燃料電子控制單元12所控制的發動機高辛烷值燃料實際噴射量％ = mf,b+mf,c0 由于原發動機電子控制單元在出廠時已經對不同轉速及節氣門開度下的燃料噴射量進行 了標定，因而在本發明所提供的控制策略下，氫氧混合燃料電子控制單元12不必對發動機 高辛烷值燃料噴射量在不同工況下重新進行標定，而是只需根據氧傳感器信號f對不同氫 氣、氧氣混摻分數及發動機轉速和節氣門開度下調整修正噴油量mf,。即可保證發動機在某 一過量空氣系數λ m下運行，并實現對發動機過量空氣系數λ m的閉環控制。采用本發明所
9提供的高辛烷值燃料噴射控制策略可大幅降低氫氣_氧氣_高辛烷值燃料點燃式內燃機標 定工作量及開發成本。一種氫-氧-汽油混合燃料內燃機的控制策略可按工況分為冷起動工況、怠速工 況、中、小負荷工況和高速、高負荷工況。1)冷起動工況為保證發動機起動成功，冷起動采用開環控制策略，起動過程中 氫氧混合燃料電子控制單元12不檢測氧傳感器信號f。起動時，氫氧混合燃料電子控制單 元12通過與原機電子控制單元13通訊獲取發動機節氣門位置信號C、冷卻液溫度信號d及 發動機轉速信號e，并根據氫氣罐壓力信號η和氧氣罐壓力信號P判斷內燃機起動方式。當 氫、氧氣罐壓力均低于2. Obar時，氫氧混合燃料電子控制單元12關閉氧氣噴嘴7和氫氣噴 嘴14，并根據從原發動機電子控制單元13所獲得的原機高辛烷值燃料噴射信號g控制高辛 烷值燃料噴嘴15的開啟和關閉，使發動機按照原機起動方式順利起動。當氫氧氣罐壓力均 大于等于2. Obar時，氫氧混合燃料電子控制單元12發出控制信號L、k打開電磁閥5、6，根 據發動機起動轉速e、冷卻液溫度信號d和空氣流量信號h控制氫氣與氧氣噴嘴的噴氣脈 寬，同時通過將汽油噴射脈寬調整至零關閉高辛烷值燃料噴嘴15，使發動機以氫、氧混合氣 方式起動。在純氫氧混合氣起動方式下，氫氧混合燃料電子控制單元12通過與原機電子控 制單元13通訊獲得發動機冷卻液溫度信號d，并根據發動機不同冷卻液溫度(T。)調整氫氧 混合氣的噴射脈寬，保證發動機在氫氧混合氣條件下順利起動。由于氫氣可以避免液態燃 料起動時的油膜效應，且氫氣在常規空氣中能夠在過量空氣系數為10的條件下燃燒，而富 氧空氣又能進一步拓展氫氣的稀燃極限，因此氫-氧-汽油混合燃料發動機能夠以稀薄燃 燒方式起動。根據冷卻液溫度，起動過程又分為如下4種情況I)在-50°C = < Τ。< _20°C時，氫氧混合燃料電子控制單元12根據T。判定發動機 處于超低溫起動狀態。為保證發動機順利起動，應采用較濃的混合氣。氫氧混合燃料電子 控制單元12根據公式(1)計算并調整氫氣和氧氣噴嘴的噴射脈寬，使缸內氫氧混合氣占總 進氣量的體積分數α保持在0.45 0.55之間，控制結果根據內燃機臺架試驗進行驗證。II)在-20°C = < Τ。< -0°C時，氫氧混合燃料電子控制單元12根據T。判定發動 機處于低溫起動狀態。為保證發動機順利起動，應采用偏濃的混合氣。氫氧混合燃料電子 控制單元12根據式(1)計算并調整氫氣和氧氣噴嘴的噴射脈寬，使缸內氫氧混合氣占總進 氣量的體積分數α保持在0.35 0.45之間，控制結果根據內燃機臺架試驗進行驗證。III)在0°C = < Τ。< 40°C時，氫氧混合燃料電子控制單元12根據T。判定發動機 處于常溫起動狀態，可采用偏稀的混合氣。氫氫氧混合燃料電子控制單元12根據式(1)計 算并調整氫氣和氧氣噴嘴的噴射脈寬，使缸內氫氧混合氣占總進氣量的體積分數α保持 在0. 25 0. 35之間，控制結果根據內燃機臺架試驗進行驗證。IV)在40°C = < Tc時，氫氧混合燃料電子控制單元12根據T。判定發動機處于熱 機起動狀態，應采用更稀的混合氣。氫氫氧混合燃料電子控制單元12根據式(1)計算并調 整氫氣和氧氣噴嘴的噴射脈寬，使缸內氫氧混合氣占總進氣量的體積分數α保持在0.2 0. 25之間，控制結果根據內燃機臺架試驗進行驗證。所述的超低溫、低溫、常溫和熱機起動的內燃機臺架試驗所采用的氫氧混合氣噴 射脈寬應保證發動機能夠在各種溫度條件下順利起動，不出現失火現象。氫-氧_汽油混
10合燃料發動機起動成功的標志可設置為發動機連續5個循環的轉速超過500轉/分鐘。起 動成功后，氫氧混合燃料電子控制單元12控制發動機退出起動工況。2)怠速工況氫氧混合燃料電子控制單元12根據氫氣罐壓力信號η和氧氣罐壓 力信號P判定發動機怠速時是否混入氫、氧氣，當氫氣與氧氣罐壓力均低于2bar時，氫氧 混合燃料電子控制單元12關閉氫氣與氧氣噴嘴，打開制氫氧機23開始制取氫、氧氣，并根 據原機高辛烷值燃料噴射信號g打開高辛烷值燃料噴嘴15，此時內燃機怠速控制策略與原 機相同。在氫、氧氣管壓力均大于2bar時，氫氧混合燃料電子控制單元12與原機電子控 制單元13通訊獲得節氣門位置信號C、冷卻液溫度信號d、發動機轉速信號e、氧傳感器信 號f、原機高辛烷值燃料噴射信號g和空氣流量信號h，并控制氫氣供給管路電磁閥5、氧氣 供給管路電磁閥6、氧氣噴嘴7、氫氣噴嘴14和高辛烷值燃料噴嘴15的開啟和關閉，調整氫 氧混合氣在進氣中的體積分數α和混合氣過量空氣系數λω。根據不同的冷卻液溫度Τ。， 氫-氧_高辛烷值燃料點燃式內燃機的怠速控制又分為如下三個不同的過程I)在Τ。=< 20°C時，發動機處于低溫怠速暖機過程。由于此時缸內溫度比較低， 因而采用純氫氧混合氣及偏稀混合氣的控制策略可以有效地控制發動機低溫暖機時HC和 CO排放，同時氫氣較高的絕熱火焰溫度也有利于提高發動機暖機速度。在此工況下，氫氧混 合燃料電子控制單元12通過調整氫氣和氧氣噴嘴的噴射脈寬，使氫氧混合氣占總進氣量 的體積分數α保持在0.2 0.5之間，同時關閉高辛烷值燃料噴嘴15，使發動機以氫-氧 混合氣模式暖機，控制結果根據內燃機臺架試驗進行驗證。II)在20°C< Τ。=< 80°C時，發動機處于正常怠速暖機過程。由于此時缸內 溫度升高，繼續采用氫_氧混合氣暖機會導致NOx排放增加，因而本工況下內燃機采用 氫-氧_高辛烷值燃料混合燃燒方式。在此工況下，氫氧混合燃料電子控制單元12通過調 整氫氣與氧氣噴嘴的噴射脈寬，使α控制在0.015 0.03之間附近，并且根據氧傳感器信 號f及原機高辛烷值燃料噴射信號g調整高辛烷值燃料的實際噴射脈寬，實現對混合氣過 量空氣系數的閉環控制，并將混合氣的過量空氣系數λω控制在1. 0附近，以保證此時發動 機所產生的排放污染物能夠被三元催化器處理，控制結果根據內燃機臺架試驗進行驗證。III)在80°C< Tc時，發動機怠速暖機完成。在此工況下，氫氧混合燃料電子控制 單元12通過調整氫氣與氧氣噴嘴的噴射脈寬，使α控制在0.015附近，并且根據氧傳感器 信號f及原機高辛烷值燃料噴射信號g調整高辛烷值燃料的實際噴射脈寬，使混合氣過量 空氣系數保持在1. 0附近，控制結果根據內燃機臺架試驗進行驗證。3)中、小負荷工況氫氧混合燃料電子控制單元12根據氫氣罐壓力信號η和氧氣 罐壓力信號P判定發動機在中、小負荷工況下時是否混入氫、氧氣，當氫氣與氧氣罐壓力均 低于2bar時，氫氧混合燃料電子控制單元12關閉氫氣與氧氣噴嘴，并根據原機高辛烷值燃 料噴射信號g打開高辛烷值燃料噴嘴15，此時內燃機控制策略與原機相同。在氫、氧氣管壓 力均大于2bar時，氫氧混合燃料電子控制單元12根據從原機電子控制單元13獲得的節氣 門位置信號c及發動機轉速信號e判斷發動機所處工況，當轉速低于2500轉/分鐘并且節 氣門開度低于70度時，判定發動機處于中、小負荷工況。在中、小負荷工況下，氫氧混合燃料電子控制單元12與原機電子控制單元13通訊 獲得節氣門位置信號C、發動機轉速信號e、氧傳感器信號f及原機高辛烷值燃料噴射信號 g及進氣流量信號h，通過控制氧氣噴嘴7、氫氣噴嘴14及高辛烷值燃料噴嘴15的開啟和關閉時刻，實時調整α、λω，使α和λ m在不同的轉速及負荷條件下分別控制在0.005 0. 015和1. 0附近。4)高速、高負荷工況氫氧混合燃料電子控制單元12根據從原機電子控制單元13獲得的節氣門位置信 號c及發動機轉速信號e判斷發動機所處工況，當轉速高于2500轉/分或節氣門開度高于 70度時，判定發動機處于高速、高負荷工況。在高速、高負荷工況下，氫氧混合燃料電子控制單元12關閉電磁閥5、6及氧氣噴 嘴7和氫氣噴嘴14，使發動機以純高辛烷值燃料燃燒模式運行，保證發動機高速、高負荷是 動力性，發動機動力性、經濟性及排放性與原汽油機相當。本發明的工作過程起動時，氫氧混合燃料電子控制單元12與原汽油機電子控制 單元13通訊，根據獲得的節氣門位置信號C、冷卻液溫度信號d、發動機轉速信號e、空氣流 量信號h、原機高辛烷值燃料噴射信號i、氫氣罐壓力信號η和氧氣罐壓力信號P判定發動 機起動方式。當氫、氧氣罐壓力均低于2. Obar時，氫氧混合燃料電子控制單元12關閉氧氣 噴嘴7和氫氣噴嘴14，并根據從原發動機電子控制單元13所獲得的原機高辛烷值燃料噴射 信號g控制高辛烷值燃料噴嘴15的開啟和關閉，使發動機按照原機起動方式順利起動。當 氫氧氣罐壓力均大于等于2. Obar時，氫氧混合燃料電子控制單元12發出控制信號L、k打 開電磁閥5、6，根據發動機起動轉速e、冷卻液溫度信號d和空氣流量信號h控制氫氣與氧 氣噴嘴的噴氣脈寬，同時通過將汽油噴射脈寬調整至零關閉高辛烷值燃料噴嘴15，使發動 機以氫、氧混合氣方式起動。根據不同的冷卻液溫度T。，控制氫氣和氧氣噴嘴14與7的開 啟與關閉，混合氣氫氧混合氣占總進氣量的體積分數α控制在0.2 0.55之間，并隨溫度 Tc的升高而降低。起動后，發動機進入怠速工況，氫氧混合燃料電子控制單元12獲得原機 電子控制單元13節氣門位置信號C、冷卻液溫度信號d、發動機轉速信號e、氧傳感器信號 f、原機高辛烷值燃料噴射脈寬信號g、空氣流量信號h、氫氣罐壓力信號η和氧氣罐壓力信 號P，當冷卻液溫度低于20°C時，采用氫-氧混合氣暖機，以降低HC及CO排放；氫氧混合燃 料電子控制單元12通過控制氫氣及氧氣噴嘴的開啟和關閉調整氫氧混合氣占總進氣量的 體積分數，使其隨T。的升高而減少；當冷卻液溫度高于20°C時，采用氫-氧-高辛烷值燃料 混合模式燃燒，氫氧混合燃料電子控制單元12根據冷卻液溫度調整氫氧混合氣占進氣體 積分數α，使α在0.015至0.03之間變化，并隨Τ。的升高而減小，氫氧混合燃料電子控制 單元12同時根據氧傳感器信號f對高辛烷值燃料的噴射量進行閉環控制，使氫-氧-高辛 烷值燃料混合氣的過量空氣系數保持在理論過量空氣系數附近。中、小負荷工況下，內燃機 采用氫_氧_高辛烷值燃料混合燃燒模式運行，氫氧混合燃料電子控制單元12根據節氣門 位置信號C、冷卻液溫度信號d、發動機轉速信號e、空氣流量信號h、原機高辛烷值燃料噴射 信號i、氫氣罐壓力信號η和氧氣罐壓力信號P，控制氧氣噴嘴7、氫氣噴嘴14和高辛烷值燃 料噴嘴15的開啟和關閉，使α在0.005至0.015之間變化，并隨轉速和節氣門開度的增加 而減小，同時根據氧傳感器信號f通過調整高辛烷值燃料噴射脈寬對氫-氧-汽油-高辛 烷值燃料混合氣的過量空氣系數λ m進行閉環控制，使λ ^呆持在理論值。高速、大負荷工 況下，內燃機采用純汽油燃燒模式運行，氫氧混合燃料電子控制單元12根據原機高辛烷值 燃料噴射信號i和氧傳感器信號f控制數據控制高辛烷值燃料噴嘴15的開啟和關閉，使發 動機性能與原機相同。
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本實施例對各種工況進行了如下實驗實驗所用發動機為直列四缸1. 6升多點電控噴射汽油機，按照圖1所示改造成 氫-氧_高辛烷值燃料混合燃料點燃式內燃機。實驗用高辛烷值燃料為市售93#汽油，氫 氧混合氣由車用制氫氧機提供。使用HOriba-7100DEGR型排放儀測量各實驗工況下發動機 三元催化器安前的HC、C0及NOx排放。由于在發動機高速、高負荷階段采用純汽油燃燒，其 燃燒與排放性能與純汽油機相當。因此，本實驗僅在起動、怠速和中等負荷階段進行。1)起動實驗(冷卻液溫度為27°C )氫氧混合燃料電子控制單元12首先根據氫氣罐壓力信號η和氧氣罐壓力信號P 判斷內燃機以氫-氧混合氣模式起動，之后通過與原機電子控制單元13通訊獲得的轉速和 冷卻水溫度信號判斷發動機是否處于起動工況并確定起動時氫氧混合氣的噴射脈寬。實驗 時的環境溫度為27°C，氫氧混合燃料電子控制單元12控制汽油噴射脈寬為0ms，從而關閉 汽油噴嘴，氫氣噴嘴噴射脈寬為7ms，氧氣噴嘴噴射脈寬為3. 5ms，使氫-氧混合氣與空氣在 進氣道內混合后吸入內燃機進氣道。同時，由原機電子控制單元13按原機標定程序自動調 整火花塞17的發火時刻。按照上述方法，內燃機可以順利起動。利用尾氣分析儀測量得到 的發動機起動過程HC排放為7ppm，C0為12ppm，N0x為51ppm。而相同條件下，采用汽油作 為單一燃料起動發動機時，HC排放為923ppm，CO排放為3136ppm，NOx為43ppm。這是因為 在氫_氧氣起動條件下，發動機HC和CO排放主要來源于機油蒸發，而非汽油起動時燃料的 不充分燃燒，因而采用純氫氧混合氣起動發動機可以大幅降低起動時的HC及CO排放。由 于氫氣的火焰傳播速度和燃燒溫度高速汽油，加之富氧燃燒也會導致溫度升高，因而采用 氫氧混合氣起動發動機時，NOx排放會有小幅增加。2)怠速試驗(轉速790轉/分鐘，冷卻液溫度87V，節氣門開度0度)氫氧混合燃料電子控制單元12根據冷卻液溫度和節氣門開度判定發動機處于正 常怠速工況。根據發動機空氣流量信號h確定氧氣和氫氣噴嘴的噴射脈寬，使氫氧混合氣 占總進氣的體積分數α為0.015，同時根據氧傳感器信號對汽油噴射脈寬進行閉環控制， 使λω保持在1.00。實驗結果表明，在冷卻液溫度為87°C的條件下，采用上述控制策略，發動機怠速可 以穩定在(790士5)轉/分鐘的范圍內。利用尾氣分析系統測量得到的發動機HC排放為 387ppm, CO為544ppm，NOx排放為142ppm。而相同冷卻液溫度和怠速轉速下，純汽油機的 HC排放為623ppm，CO為781ppm，NOx為104ppm。這主要是摻入氫氧混合氣后，由于氫氣的 點火能量低，因此氫-氧-汽油混合氣較純汽油更容易被點燃，并快速、充分地燃燒，從而減 少了怠速過程中的HC和CO排放。但NOx排放在摻入氫氧混合氣有略有增加。3)中負荷試驗(轉速1800轉/分，冷卻液溫度90°C，節氣門開度35度)氫氧混合燃料電子控制單元12根據所得到的空氣進氣流量信號h控制氫、氧氣的 噴射脈寬，使氫氧混合氣占進氣體積分數α為0.006，并調整對汽油噴射脈寬進行閉環控 制，使氫-氧-汽油混合氣的過量空氣系數保持在理論值。實驗結果表明，在內燃機轉速為2000轉/分鐘，冷卻液溫度為90°C，節氣門開度為 35度的條件下，按上述控制策略采用氫-氧_汽油混合燃燒后，發動機HC排放約為203ppm， CO為347ppm，N0x為525ppm。而采用汽油為單一燃料的發動機在相同工況下所測得的HC排 放為459ppm，CO為572ppm，NOx為402ppm。發動機比燃油消耗率由純汽油機的291g/(kW.h)下降至采用氫-氧-汽油混合燃燒策略時的256g/(kW.h)。原因是氫氣較高的擴散速度 促進了缸內混合氣均勻程度的提高，同時氧氣的加入也改善了燃料的燃燒范圍并提高了燃 燒溫度，從而使得相同中負荷工況下，采用氫-氧-汽油混合燃料發動機的比燃油消耗率較 汽油機明顯降低。另一方面，氫氣的加入擠占了一部分進氣體積，從而使得相同過量空氣系 數條件下汽油的比例有所降低，這也是造成加入氫氧混合氣后發動機HC和CO減少的原因 之一。 上述的內燃機臺架實驗結果表明，采用本發明提供的一種氫-氧-高辛烷值燃料 混合燃料點燃式內燃機及控制方法，可以在冷起動階段實現稀燃起動，并有效抑制起動階 段發動機HC和CO排放的產生；在怠速和中、小負荷階段，通過在進氣中混入氫氧混合氣，可 以有效地提高發動機部分負荷經濟性，并降低HC與CO排放；高速、大負荷階段采用純汽油 燃燒可以保證發動機動力性，其燃燒與排放性能與原汽油機相當。由于氫氣的火焰溫度較 高，而摻氧又會導致燃料燃燒速度加快，因而混入氫、氧氣后發動機NOx排放略有上升。該 技術將為車用內燃機達到歐5以上排放標準提供一條有效的技術途徑。
權利要求
一種混合氫氣和氧氣的高辛烷值燃料點燃式內燃機，包括原機的高辛烷值燃料點燃式內燃機電子控制單元(13)、內燃機、與內燃機相連通的內燃機進氣歧管(11)、與內燃機進氣歧管(11)相連通的內燃機進氣總管(10)、以及點火模塊(16)和火花塞(17)，內燃機電子控制單元(13)通過點火模塊(16)控制安裝在內燃機上的火花塞(17)發火時刻，高辛烷值燃料噴嘴(15)安裝在發動機各缸進氣歧管(11)中，其特征在于還包括制氫氧機(23)、與制氫氧機相連通的氫氣儲存罐(1)和氧氣儲存罐(2)、安裝在氫氣儲存罐上的氫氣罐壓力傳感器(3)、安裝在氧氣儲存罐上的氧氣罐壓力傳感器(4)、通過管道與氧氣儲存罐相連通的氧氣噴嘴(7)、通過管道與氫氣儲存罐相連通的氫氣噴嘴(14)、設置在氫氣儲存罐和氫氣噴嘴的連通管路上的氫氣供給管路電磁閥(5)、設置在氧氣儲存罐和氧氣噴嘴之間的氧氣供給管路電磁閥(6)、及氫氧混合燃料電子控制單元(12)，氧氣噴嘴(7)連接在發動機進氣總管(11)中，氫氣噴嘴(14)安裝在發動機各缸進氣歧管(11)中；氫氧混合燃料電子控制單元(12)通過屏蔽電纜與內燃機發動機電子控制單元(13)進行通訊，獲得節氣門位置信號(c)、冷卻液溫度信號(d)、發動機轉速信號(e)、氧傳感器信號(f)、原機高辛烷值燃料噴射信號(g)及空氣流量信號(h)；同時，氧混合燃料電子控制單元(12)通過屏蔽電纜與氫氣罐壓力傳感器(3)及氧氣罐壓力傳感器(4)相連，獲得氫氣罐壓力信號(n)及氧氣罐壓力信號(P)；氫氧混合燃料電子控制單元(12)通過發出高辛烷值燃料噴嘴控制信號(i)，氫氣噴嘴控制信號(J)及氧氣噴嘴控制信號(m)，分別控制高辛烷值燃料噴嘴(15)、氫氣噴嘴(14)及氧氣噴嘴(7)的開啟和關閉時刻，從而調整氫 氧混合氣占總進氣量的體積分數及混合氣過量空氣系數；同時，氫氧混合燃料電子控制單元(12)利用屏蔽線纜與氫氣供給管路電磁閥(5)和氧氣供給管路電磁閥(6)相連接，通過發出氫氣供給管路電磁閥控制信號(L)和氧氣供給管路電磁閥控制信號(k)打開和關閉氫、氧氣供給管路。
2.如根據權利要求1所述的一種混合氫氣和氧氣的高辛烷值燃料點燃式內燃機的控 制方法，其特征在于，該方法包括以下步驟該控制方法按工況分為冷起動工況、怠速工況、中小負荷工況和高速、高負荷工況； 每循環進入發動機的氫氧混合氣占總進氣的體積分數α為 α = (vH2+V02)/V02公式 1上式中VH2和N02分別為每循環進入發動機的氫氣與氧氣體積，單位為L/cycle ； 1)冷起動工況起動時，氫氧混合燃料電子控制單元(12)根據氫氣罐壓力信號(η)和氧氣罐壓力信號 (P)判斷內燃機起動方式當氫氣儲存罐和氧氣儲存罐的壓力均低于2. Obar時，氫氧混合燃料電子控制單元(12)關閉氧氣噴嘴(7)和氫氣噴嘴(14)，并根據從原發動機電子控制單元(13)所獲得的 原機高辛烷值燃料噴射信號(g)控制高辛烷值燃料噴嘴(15)的開啟和關閉，使發動機按照 原機起動方式順利起動；當氫氣儲存罐壓力和氧氣儲存罐壓力均大于等于2. Obar時，氫氧混合燃料電子控制 單元(12)發出控制信號打開氫氣供給管路電磁閥(5)和氧氣供給管路電磁閥(6)，通過 將汽油噴射脈寬調整至零關閉高辛烷值燃料噴嘴(15)，使發動機以氫、氧混合氣方式起動； 在純氫氧混合氣起動方式下，氫氧混合燃料電子控制單元(12)通過與原機電子控制單元(13)通訊獲得發動機冷卻液溫度信號(d)，并根據發動機不同冷卻液溫度(T。)調整氫氧混合氣的噴射脈寬，具體如下根據冷卻液溫度，又分為如下四種情況1)在_501= <1；<-201時，氫氧混合燃料電子控制單元(12)根據公式1計算 并調整氫氣和氧氣噴嘴的噴射脈寬，使缸內氫氧混合氣占總進氣量的體積分數α保持在 0. 45 0. 55之間；II)在-201= <1；<-01時，氫氧混合燃料電子控制單元(12)根據公式1計算 并調整氫氣和氧氣噴嘴的噴射脈寬，使缸內氫氧混合氣占總進氣量的體積分數α保持在 0. 35 0. 45之間；III)在01= <1；<401時，氫氫氧混合燃料電子控制單元(12)根據公式1計算 并調整氫氣和氧氣噴嘴的噴射脈寬，使缸內氫氧混合氣占總進氣量的體積分數α保持在 0. 25 0. 35之間；IV)在40°C= < Τ。時，氫氫氧混合燃料電子控制單元(12)根據公式1計算并調整氫 氣和氧氣噴嘴的噴射脈寬，使缸內氫氧混合氣占總進氣量的體積分數α保持在0. 2 0. 25 之間；2)怠速工況當氫氣儲存罐與氧氣儲存罐壓力均低于2bar時，氫氧混合燃料電子控制單元(12)關 閉氫氣與氧氣噴嘴，打開制氫氧機(23)開始制取氫、氧氣，并根據原機高辛烷值燃料噴射 信號(g)打開高辛烷值燃料噴嘴(15)，此時內燃機怠速控制策略與原機相同；在氫氣儲存罐壓力和氧氣儲存罐壓力均大于2bar時，氫氧混合燃料電子控制單元 (12)與原機電子控制單元(13)通訊獲得冷卻液溫度信號(d)并控制氫氣供給管路電磁閥 (5)、氧氣供給管路電磁閥(6)、氧氣噴嘴(7)、氫氣噴嘴(14)和高辛烷值燃料噴嘴(15)的 開啟和關閉，調整氫氧混合氣在進氣中的體積分數α和混合氣過量空氣系數λω，具體如 下根據不同的冷卻液溫度Τ。，又分為如下三個不同的過程I)在Τ。=<20°C時，氫氧混合燃料電子控制單元(12)通過調整氫氣和氧氣噴嘴的噴 射脈寬，使氫氧混合氣占總進氣量的體積分數α保持在0. 2 0. 5之間，同時關閉高辛烷 值燃料噴嘴(15)，使發動機以氫_氧混合氣模式暖機，該工況下采用開環控制，氫氧混合燃 料電子控制單元(12)不對混合氣過量空氣系數入 1進行調整；II)在20°C<Tc =< 80°C時，氫氧混合燃料電子控制單元(12)通過調整氫氣與氧氣 噴嘴的噴射脈寬，使α控制在0.015 0.03之間，并且根據氧傳感器信號(f)及原機高辛 烷值燃料噴射信號(g)調整高辛烷值燃料的實際噴射脈寬，實現對混合氣過量空氣系數的 閉環控制，并將混合氣的過量空氣系數λω控制在1.0 ；III)在80°C<T。時，氫氧混合燃料電子控制單元(12)通過調整氫氣與氧氣噴嘴的噴 射脈寬，使α控制在0. 015，并且根據氧傳感器信號f及原機高辛烷值燃料噴射信號g調整 高辛烷值燃料的實際噴射脈寬，使混合氣過量空氣系數保持在1. 0 ；3)在中、小負荷工況下，氫氧混合燃料電子控制單元(12)調整氫-氧混合氣占總進 氣量的體積分數α和混合氣過量空氣系數λω，在不同的轉速及負荷條件下，使α控制在 0. 005 0. 015，Xm 控制在 1. 0。4)在高速、高負荷工況下，氫氧混合燃料電子控制單元(12)關閉氫氣供給管路電磁閥(5)和氧氣供給管路電磁閥(6)及氧氣噴嘴(7)和氫氣噴嘴(14)，使發動機以純高辛烷值 燃料燃燒模式運行。
3.根據權利要求2所述的一種氫-氧-汽油混合燃料內燃機及控制方法，其特征在于 所述高辛烷值燃料包括汽油、甲醇、乙醇、天然氣或液化石油氣。
全文摘要
本發明提供一種在高辛烷值燃料中混合氫氣和氧氣的點燃式內燃機及控制方法，具體內容涉及一種燃料中混合氫氣和氧氣的點燃式內燃機的燃料儲存和供給系統、燃料比例分配及燃燒過程控制。該系統在保留原發動機主要機件及電子控制單元的基礎上增加了一套氫、氧氣隨車制取、儲存及供給裝置。氫氧混合燃料電子控制單元(12)可以根據傳感器信號c-h控制氫、氧氣噴嘴的開啟和關閉，使發動機根據不同工況運行在純氫氧混合氣、氫-氧-高辛烷值燃料混合氣及純高辛烷值燃料三種燃燒模式，因而大幅降低了高辛烷值燃料內燃機冷起動及怠速時的HC和CO排放，并提高了高辛烷值內燃機中、低負荷階段的熱效率和排放水平。
文檔編號F02D41/04GK101975108SQ20101051549
公開日2011年2月16日 申請日期2010年10月15日 優先權日2010年10月15日
發明者張擘, 汪碩峰, 紀常偉 申請人:北京工業大學