CN107143421A - 一种电控缸内直喷二冲程氢内燃机及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明设计一种电控缸内直喷二冲程氢内燃机及控制方法，在保留传统二冲程内燃机简单结构的基础上，采用节气门及顶置式排气门来控制所述内燃机的进排气，增加了一套氢气直喷***和一个燃料喷射与点火电子控制单元。本发明实现了二冲程内燃机燃料供给和扫气过程的分离，克服了二冲程固有缺陷造成的短路损失，降低了二冲程内燃机的油耗；同时本发明以氢作为燃料，使得二冲程内燃机的排放物只有NOX，大大降低了二冲程内燃机的污染物排放。本发明能够实现电控缸内二冲程氢发动机在不同工况下调整出最佳的喷氢脉宽、喷氢提前角及点火提前角，有效抑制氢发动机固有的回火问题，同时降低NOX排放，满足全工况稳定运转的要求，具有创新性和应用前景。

Description

一种电控缸内直喷二冲程氢内燃机及控制方法
技术领域
本发明涉及内燃机领域，特别涉及一种电控缸内直喷二冲程氢内燃机及控制方法。
背景技术
二冲程内燃机具有升功率大、结构简单、重量轻、体积小、造价低、维护方便等优点，但由于其扫气不良和燃烧不稳定，造成未燃混合气直接短路逃逸，使得排放和燃油消耗增高，这极大地限制了二冲程内燃机经济性及排放性的提升。
氢气是一种具有优良燃烧特性的气体燃料，具有热值高、点火能量低、燃烧界限宽、火焰传播速度快、燃烧清洁等优点。氢气作为燃料应用于二冲程内燃机不需做较大改动，且能进一步提高压缩比和拓展二冲程内燃机的稀燃极限，同时可以降低二冲程内燃机循环变动以及污染物的排放。
缸内直喷是实现点燃式内燃机高效、清洁燃烧的有效方法，在燃料直喷条件下，内燃机充气效率、响应速度均明显提高。电控燃油缸内直喷技术改变原化油器供油为电子自动控制燃油喷射***，实现二冲程内燃机供油和扫气过程的分离，克服了二冲程固有缺陷造成的短路损失，从而降低油耗和排放，是解决二冲程汽油机问题最有效的途径之一。相关研究表明，二冲程内燃机采用电控缸内直喷***，在喷油量和喷油提前角以及点火提前角控制合适时，内燃机的油耗和排放可以接近于相同功率四冲程内燃机的水平。
发明内容：
针对目前二冲程内燃机HC、CO排放较高和经济性差的问题，本发明提供一种电控缸内直喷二冲程氢内燃机及控制方法。
本发明提供了如下技术方案：一种电控缸内直喷二冲程氢内燃机，在保留传统二冲程内燃机简单结构的基础上，采用节气门及顶置式排气门来控制所述内燃机的进排气，增加了一套氢气直喷***和一个燃料喷射与点火电子控制单元。
所述的氢气直喷***，其特征在于，包括氢气存储装置、气体燃料泵、气体燃料线性电磁阀、气体燃料流量与压力传感器、阻火器、氢气稳压轨、第一氢气喷嘴与第二氢气喷嘴；
所述氢气存储装置、气体燃料泵、气体燃料线性电磁阀、气体燃料流量与压力传感器、阻火器、氢气稳压轨及双氢气喷嘴之间均通过高压气体管路相连接；双氢气喷嘴直接安装在所述电控缸内直喷氢二冲程内燃机上。
所述的燃料喷射与点火电子控制单元，其特征在于，所述燃料喷射与点火电子控制单元与气体燃料泵相连接，通过气体燃料泵控制信号a控制泵的开闭；
所述燃料喷射与点火电子控制单元与气体流量和压力传感器相连接，获得氢气流量与压力信号b；
所述燃料喷射与点火电子控制单元与气体燃料线性电磁阀相连接，通过发出气体燃料线性电磁阀控制信号c控制气体燃料线性电磁阀的开度；
所述燃料喷射与点火电子控制单元与曲轴位置传感器相连接，获得曲轴位置及转速信号d；
所述燃料喷射与点火电子控制单元与节气门相连接，获得节气门位置信号e；
所述燃料喷射与点火电子控制单元与第一氢气喷嘴和第二氢气喷嘴；相连接，通过发出喷嘴控制信号f和h来控制第一氢气喷嘴与第二氢气喷嘴的开启和关闭；
所述燃料喷射与点火电子控制单元与火花塞相连接，通过发出点火信号g来控制火花塞的跳火；
一种电控缸内直喷二冲程氢内燃机的控制方法，该方法包括以下步骤：
当内燃机起动处于运行状态时，燃料喷射与点火电子控制单元根据曲轴位置与转速信号d及节气门位置信号e判断内燃机所处工况；燃料喷射与点火电子控制单元通过分析、判断和运算，根据预先标定的MAP图确定当前工况下所述二冲程氢内燃机的最佳氢气喷射脉宽、喷氢提前角和点火提前角。同时，燃料喷射与点火电子控制单元输出气体燃料泵控制信号a、气体燃料线性电磁阀控制信号b，以控制氢气稳压轨压力为Pi；输出最佳的氢气喷射脉宽、喷氢提前角和点火提前角控制信号，以精确控制氢气喷嘴和火花塞等执行元件的工作状态。
燃料喷射与点火电子控制单元对于内燃机所处工况的判断如下：当内燃机转速大于等于最低怠速转速且不大于4000rpm，节气门开度小于等于60％时，燃料喷射与点火电子控制单元判断内燃机所处工况为怠速及中小负荷；当内燃机转速大于4000rpm且节气门开度大于60％时，燃料喷射与点火电子控制单元判断内燃机处于高速及高负荷工况。
根据不同工况，燃料喷射与点火电子控制单元对所述内燃机的燃料喷射及点火进一步控制如下：
(1)怠速及中小负荷
在怠速及中小负荷工况下，燃料喷射与点火电子控制单元获得曲轴位置与转速信号d及节气门位置信号e，并通过分析、判断和运算，根据预先标定的MAP图确定该工况下最佳的喷射脉宽、喷氢提前角和点火提前角。燃料喷射与点火电子控制单元输出气体燃料泵控制信号a使气体燃料泵运转，将氢气稳压轨的压力控制在200bar，并获取氢气流量与压力信号b，检测气体管路氢气压力；输出气体燃料线性电磁阀控制信号b使气体燃料线性电磁阀全开；输出第一喷嘴控制信号f、第二喷嘴控制信号h及点火信号g来精确控制氢气喷嘴和火花塞等执行元件的工作状态。
喷氢策略控制如下：在怠速及中小负荷工况下，燃料喷射与点火电子控制单元获得曲轴位置与转速信号d及节气门位置信号e，并通过分析、判断和运算，根据预先标定的MAP图确定该工况下最佳的氢气喷射脉宽和喷氢提前角，满足发动机此时的氢气流量需求；当排气门关闭时，燃料喷射与点火电子控制单元通过发出喷嘴控制信号f及h使第一氢气喷嘴、第二氢气喷嘴轮换进行喷射。
(2)高速及高负荷工况
在高速及高负荷工况下，燃料喷射与点火电子控制单元获得曲轴位置与转速信号d及节气门位置信号e，并通过分析、判断和运算，根据预先标定的MAP图确定该工况下最佳的氢气喷射脉宽、喷氢提前角和点火提前角。燃料喷射与点火电子控制单元输出气体燃料泵控制信号a使气体燃料泵运转，控制氢气稳压轨的压力不小于250bar，并获取氢气流量与压力信号b，检测气体管路氢气压力；输出气体燃料线性电磁阀控制信号b使气体燃料线性电磁阀全开；输出第一喷嘴控制信号f、第二喷嘴控制信号h及点火信号g来精确控制氢气喷嘴和火花塞等执行元件的工作状态。
喷氢策略控制如下：在高速及高负荷工况下，燃料喷射与点火电子控制单元获得曲轴位置与转速信号d及节气门位置信号e，并通过分析、判断和运算，根据预先标定的MAP图确定该工况下最佳的氢气喷射脉宽和喷氢提前角，满足发动机此时的氢气流量需求；当排气门关闭时，燃料喷射与点火电子控制单元通过发出喷嘴控制信号f及h使第一氢气喷嘴、第二氢气喷嘴实现同时喷射。
当内燃机停车信号指示内燃机停车时，燃料喷射与点火电子控制单元通过发出气体燃料线性电磁阀控制信号b使气体燃料线性电磁阀处于关闭状态，通过发出气体燃料泵控制信号a使气体燃料泵停止运转，通过发出喷嘴控制信号f及h使氢气喷嘴的喷射脉宽置零来停止燃料喷射，并同时通过发出点火信号g使火花塞停止跳火，此时内燃机处于停车状态。
本发明的有益效果是：
1.本发明实现了二冲程内燃机燃料供给和扫气过程的分离，克服了二冲程固有缺陷造成的短路损失，降低了二冲程内燃机的油耗；同时本发明以氢作为燃料，使得二冲程内燃机的排放物只有NOX，大大降低了二冲程内燃机的污染物排放，具有一定的创新性和应用前景。
2.本发明实现了二冲程内燃机缸内直喷氢气，采用氢气分层稀薄燃烧技术可以提高二冲程内燃机燃烧效率、消除HC、CO等排放污染物并降低NOX的排放。
3.本发明采用双氢气喷嘴进行氢气的缸内直接喷射。怠速、低速及中、低负荷时，双氢气喷嘴轮换喷射；高速及高负荷时，双氢气喷嘴同时喷射，有效地解决了二冲程内燃机高速工况下氢气喷射时间较短、喷射量不足而导致的内燃机性能下降的问题。
4.利用本发明的方法能够实现二冲程氢内燃机在不同工况下调整出最佳的喷氢提前角、喷射脉宽及点火提前角，有效抑制氢内燃机固有的回火问题，同时降低NOX排放，满足全工况稳定运转的要求，具有一定的创新性和应用前景。
附图说明
图1为本发明的结构和工作原理图。
图中：1、氢气存储装置；2、气体燃料泵；3、气体燃料线性电磁阀；4、气体燃料流量与压力传感器；5、高压气体管路；6、阻火器；7、氢气稳压轨；8、第一氢气喷嘴；9、扫气口；10、连杆；11、曲轴及曲轴位置传感器；12、内燃机；13、节气门及节气门位置传感器；14、进气口；15、活塞；16、燃烧室；17、排气门；18、第二氢气喷嘴；19、火花塞；20、燃料喷射与点火电子控制单元；
a气体燃料泵控制信号；b气体燃料线性电磁阀控制信号；c氢气流量与压力信号；d曲轴位置及转速信号；e节气门位置信号；f第一喷嘴控制信号；g点火信号；h第二喷嘴控制信号。
图2为本发明的喷氢脉宽随内燃机转速、节气门开度变化MAP图。
图3为本发明的喷氢提前角随内燃机转速、节气门开度变化MAP图。
图4为本发明的点火提前角随内燃机转速、节气门开度变化MAP图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，一种电控缸内直喷二冲程氢内燃机，在保留传统二冲程内燃机简单结构的基础上，采用节气门13及顶置式排气门17来控制所述内燃机的进排气，增加了一套氢气直喷***和一个燃料喷射与点火电子控制单元20。
所述的氢气直喷***，其特征在于，包括氢气存储装置1、气体燃料泵2、气体燃料线性电磁阀3、气体燃料流量与压力传感器4、高压气体管路5、阻火器6、氢气稳压轨7、第一氢气喷嘴8和第二氢气喷嘴18；
所述氢气存储装置1、气体燃料泵2、气体燃料线性电磁阀3、气体燃料流量与压力传感器4、阻火器6、氢气稳压轨7、第一氢气喷嘴8和第二氢气喷嘴18之间均通过高压气体管路5相连接；第一氢气喷嘴8和第二氢气喷嘴18直接安装在所述电控缸内直喷氢二冲程内燃机上。
所述的燃料喷射与点火电子控制单元20，其特征在于，所述燃料喷射与点火电子控制单元与气体燃料泵2相连接，通过气体燃料泵控制信号a控制泵的开闭；
所述燃料喷射与点火电子控制单元20与气体流量和压力传感器4相连接，获得氢气流量与压力信号b；
所述燃料喷射与点火电子控制单元20与气体燃料线性电磁阀3相连接，通过发出气体燃料线性电磁阀控制信号c控制气体燃料线性电磁阀的开度；
所述燃料喷射与点火电子控制单元20与曲轴位置传感器11相连接，获得曲轴位置及转速信号d；
所述燃料喷射与点火电子控制单元20与节气门及节气门位置传感器13相连接，获得节气门位置信号e；
所述燃料喷射与点火电子控制单元20与第一氢气喷嘴8、第二氢气喷嘴18相连接，通过发出喷嘴控制信号f和h来控制第一氢气喷嘴8、第二氢气喷嘴18的开启和关闭；
所述燃料喷射与点火电子控制单元20与火花塞19相连接，通过发出点火信号g来控制火花塞的跳火；
一种电控缸内直喷二冲程氢内燃机的控制方法，该方法包括以下步骤：
当内燃机起动处于运行状态时，燃料喷射与点火电子控制单元根据曲轴位置与转速信号d及节气门位置信号e判断内燃机所处工况；燃料喷射与点火电子控制单元通过分析、判断和运算，根据预先标定的MAP图确定当前工况下所述二冲程氢内燃机的最佳氢气喷射脉宽、喷氢提前角和点火提前角。同时，燃料喷射与点火电子控制单元输出气体燃料泵控制信号、气体燃料线性电磁阀控制信号，以控制氢气稳压轨压力为Pi；输出最佳的氢气喷射脉宽、喷氢提前角和点火提前角控制信号，以精确控制氢气喷嘴和火花塞等执行元件的工作状态。
燃料喷射与点火电子控制单元对于内燃机所处工况的判断如下：当内燃机转速大于等于最低怠速转速且不大于4000rpm，节气门开度小于等于60％时，燃料喷射与点火电子控制单元判断内燃机所处工况为怠速及中小负荷；当内燃机转速大于4000rpm且节气门开度大于等于60％时，燃料喷射与点火电子控制单元判断内燃机处于高速及高负荷工况。
根据不同工况，燃料喷射与点火电子控制单元对所述内燃机的燃料喷射及点火进一步控制如下：
(1)怠速及中小负荷
在怠速及中小负荷工况下，燃料喷射与点火电子控制单元获得曲轴位置与转速信号d及节气门位置信号e，并通过分析、判断和运算，根据预先标定的如图2、3、4所示的MAP图确定该工况下最佳的氢气喷射脉宽、喷氢提前角和点火提前角。燃料喷射与点火电子控制单元输出气体燃料泵控制信号a使气体燃料泵运转，将氢气稳压轨的压力控制在200bar，并获取氢气流量与压力信号b，检测气体管路氢气压力；输出气体燃料线性电磁阀控制信号b使气体燃料线性电磁阀全开；输出第一喷嘴控制信号f、第二喷嘴控制信号h及点火信号g来精确控制氢气喷嘴和火花塞等执行元件的工作状态。
喷氢策略控制如下：在怠速及中小负荷工况下，燃料喷射与点火电子控制单元获得曲轴位置与转速信号d及节气门位置信号e，并通过分析、判断和运算，根据预先标定的如图2、3、4所示的MAP图确定该工况下最佳的氢气喷射脉宽和喷氢提前角，满足发动机此时的氢气流量需求；当排气门关闭时，燃料喷射与点火电子控制单元通过发出喷嘴控制信号f及h使第一氢气喷嘴、第二氢气喷嘴轮换进行喷射。
(2)高速及高负荷工况
在高速及高负荷工况下，燃料喷射与点火电子控制单元获得曲轴位置与转速信号d及节气门位置信号e，并通过分析、判断和运算，根据预先标定的如图2、3、4所示的MAP图确定该工况下最佳的氢气喷射脉宽、喷氢提前角和点火提前角。燃料喷射与点火电子控制单元输出气体燃料泵控制信号a使气体燃料泵运转，将氢气稳压轨的压力控制在250bar，并获取氢气流量与压力信号b，检测气体管路氢气压力；输出气体燃料线性电磁阀控制信号b使气体燃料线性电磁阀全开；输出第一喷嘴控制信号f、第二喷嘴控制信号h及点火信号g来精确控制氢气喷嘴和火花塞等执行元件的工作状态。
在理想的情况下，氢气不应该在扫气门关闭之前进行喷射，这样会造成喷射时间较短。同时，当二冲程氢内燃机处于急加速工况时，为了防止回火应及时减少喷氢持续时间。因此，喷氢策略控制如下：在高速及高负荷工况下，燃料喷射与点火电子控制单元获得曲轴位置与转速信号d及节气门位置信号e，并通过分析、判断和运算，根据预先标定的如图2、3、4所示的MAP图确定该工况下最佳的氢气喷射脉宽和喷氢提前角，满足发动机此时的氢气流量需求；当排气门关闭时，燃料喷射与点火电子控制单元通过发出喷嘴控制信号f及h使第一氢气喷嘴、第二氢气喷嘴实现同时喷射。
当内燃机停车信号指示内燃机停车时，燃料喷射与点火电子控制单元通过发出气体燃料线性电磁阀控制信号b使气体燃料线性电磁阀处于关闭状态，通过发出气体燃料泵控制信号a使气体燃料泵停止运转，通过发出喷嘴控制信号f及h使氢气喷嘴的喷射脉宽置零来停止燃料喷射，并同时通过发出点火信号g使火花塞停止跳火，此时内燃机处于停车状态。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种电控缸内直喷二冲程氢内燃机，其特征在于，采用节气门及顶置式排气门来控制所述内燃机的进排气，并增加了一套氢气直喷***和一个燃料喷射与点火电子控制单元；
所述的氢气直喷***，包括氢气存储装置、气体燃料泵、气体燃料线性电磁阀、气体燃料流量与压力传感器、阻火器、氢气稳压轨、第一氢气喷嘴、第二氢气喷嘴；
所述氢气存储装置、气体燃料泵、气体燃料线性电磁阀、气体燃料流量与压力传感器、阻火器、氢气稳压轨及双氢气喷嘴之间均通过高压气体管路相连接；第一氢气喷嘴、第二氢气喷嘴直接安装在所述电控缸内直喷氢二冲程内燃机气缸盖上；
所述燃料喷射与点火电子控制单元与气体燃料泵相连接，通过气体燃料泵控制信号a控制泵的开闭；
所述燃料喷射与点火电子控制单元与气体流量和压力传感器相连接，获得氢气流量与压力信号b；
所述燃料喷射与点火电子控制单元与气体燃料线性电磁阀相连接，通过发出气体燃料线性电磁阀控制信号c控制气体燃料线性电磁阀的开度；
所述燃料喷射与点火电子控制单元与曲轴位置传感器相连接，获得曲轴位置及转速信号d；
所述燃料喷射与点火电子控制单元与节气门及节气门位置传感器相连接，获得节气门位置信号e；
所述燃料喷射与点火电子控制单元与第一氢气喷嘴、第二氢气喷嘴相连接，通过发出喷嘴控制信号f和h来控制第一氢气喷嘴、第二氢气喷嘴开启和关闭；
所述燃料喷射与点火电子控制单元与火花塞相连接，通过发出点火信号g来控制火花塞的跳火。
2.控制如根据权利要求1所述的内燃机的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
当内燃机起动处于运行状态时，燃料喷射与点火电子控制单元根据曲轴位置与转速信号d及节气门位置信号e判断内燃机所处工况；燃料喷射与点火电子控制单元通过分析、判断和运算，通过预先标定的MAP图确定当前工况下所述二冲程氢内燃机的氢气喷射脉宽、喷氢提前角和点火提前角；同时，燃料喷射与点火电子控制单元输出气体燃料泵控制信号a、气体燃料线性电磁阀控制信号b，以控制氢气稳压轨压力为Pi；输出最佳的氢气喷射脉宽、喷氢提前角和点火提前角控制信号，以精确控制氢气喷嘴和火花塞的工作状态；
当内燃机转速大于等于最低怠速转速且不大于4000rpm，节气门开度小于等于60％时，燃料喷射与点火电子控制单元判断内燃机所处工况为怠速及中小负荷；当内燃机转速大于4000rpm且节气门开度大于60％时，燃料喷射与点火电子控制单元判断内燃机处于高速及高负荷工况；
根据不同工况，燃料喷射与点火电子控制单元对所述内燃机的燃料喷射及点火进一步控制如下：
(1)怠速及中小负荷
在怠速及中小负荷工况下，燃料喷射与点火电子控制单元获得曲轴位置与转速信号d及节气门位置信号e，并通过分析、判断和运算，根据预先标定的MAP图确定该工况下最佳的喷射脉宽、喷氢提前角和点火提前角；燃料喷射与点火电子控制单元输出气体燃料泵控制信号a使气体燃料泵运转，将氢气稳压轨的压力控制在200bar，并获取氢气流量与压力信号c，检测气体管路氢气压力；输出气体燃料线性电磁阀控制信号b使气体燃料线性电磁阀全开；输出第一喷嘴控制信号f、第二喷嘴控制信号h及点火信号g来精确控制氢气喷嘴和火花塞的工作状态；
喷氢策略控制如下：在怠速及中小负荷工况下，燃料喷射与点火电子控制单元获得曲轴位置与转速信号d及节气门位置信号e，并通过分析、判断和运算，根据预先标定的MAP图确定该工况下最佳的氢气喷射脉宽和喷氢提前角，满足发动机此时的氢气流量需求；当排气门关闭时，燃料喷射与点火电子控制单元通过发出喷嘴控制信号f及h使第一氢气喷嘴、第二氢气喷嘴轮换进行喷射；
(2)高速及高负荷工况
在高速及高负荷工况下，燃料喷射与点火电子控制单元获得曲轴位置与转速信号d及节气门位置信号e，并通过分析、判断和运算，根据预先标定的MAP图确定该工况下最佳的喷射脉宽、喷氢提前角和点火提前角；燃料喷射与点火电子控制单元输出气体燃料泵控制信号a使气体燃料泵运转，使得氢气稳压轨的压力不小于250bar，并获取氢气流量与压力信号b，检测气体管路氢气压力；输出气体燃料线性电磁阀控制信号b使气体燃料线性电磁阀全开；输出第一喷嘴控制信号f、第二喷嘴控制信号h及点火信号g来精确控制氢气喷嘴和火花塞的工作状态；
喷氢策略控制如下：在高速及高负荷工况下，燃料喷射与点火电子控制单元获得曲轴位置与转速信号d及节气门位置信号e，并通过分析、判断和运算，根据预先标定的MAP图确定该工况下最佳的氢气喷射脉宽和喷氢提前角，满足发动机此时的氢气流量需求；当排气门关闭时，燃料喷射与点火电子控制单元通过发出喷嘴控制信号f及h使第一氢气喷嘴、第二氢气喷嘴实现同时喷射；
当内燃机停车信号指示内燃机停车时，燃料喷射与点火电子控制单元通过发出气体燃料线性电磁阀控制信号b使气体燃料线性电磁阀处于关闭状态，通过发出气体燃料泵控制信号a使气体燃料泵停止运转，通过发出喷嘴控制信号f及h使氢气喷嘴的喷射脉宽置零来停止燃料喷射，并同时通过发出点火信号g使火花塞停止跳火，此时内燃机处于停车状态。
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