CN109854380A - 一种可实现氧气循环的氢氧涡轮发动机及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种可实现氧气循环的氢氧涡轮发动机及控制方法，具体内容涉及一种可实现氧气循环的氢氧涡轮发动机的燃料供给***、氧气循环方式及控制。该发动机通过氢气喷嘴和氧气喷嘴分别将氢气和氧气直接引入燃烧并使氢气在燃烧室中连续扩散燃烧，燃烧所产生的高温、高速气体依次推动一级涡轮和二级涡轮做功，并将动力从一级涡轮输出，利用二级涡轮发电驱动氧气泵，实现氧气回收利用，本发明摒弃了传统发动机机械效率偏低的曲柄连杆机构，提高了发动机效率，同时实现了多余氧气的循环使用，提高了整机的总体效率和氧气利用率，由于采用纯氢氧气燃烧，本发动机可实现燃烧过程的零排放运行。
Description
技术领域
本发明提供一种可实现氧气循环的氢氧涡轮发动机及控制方法，具体内容涉及一种可实现氧气循环的氢氧涡轮发动机的燃料供给***、氧气循环方式及控制。
背景技术
四冲程发动机通过燃料在燃烧室内燃烧推动活塞下行做功，进而通过曲柄连杆机构将活塞往复运动转换为曲轴旋转运动将轴功输出。由于活塞运行时需要克服上下止点处的惯性力，因而曲柄连杆机构的机械效率受到限制。
同时，从发动机排放角度出发，目前发动机排放控制中的难点在于控制NOx排放。虽然NOx排放可以通过机内和机外方式加以控制，但控制NOx的过程会导致发动机效率及动力性降低，以及整机成本增加等问题。发动机燃烧时NOx排放主要与空气中的N2相关，如果能够使燃烧时的氧化剂不含氮气，且采用无氮燃料燃烧，则发动机燃烧时的NOx排放势必为零，进而达到消除NOx排放的目的。
采用纯氧气配合燃料燃烧可以实现发动机零NOx的目标，但如果采用烃类燃料，仍然需要增加后处理***来对HC和CO等含碳排放进行进一步处理。
从目前常用发动机燃料来看，以纯氢气和纯氧气在缸内燃烧的发动机研究及产品鲜有报道，这主要是因为纯氢气和纯氧气在预混条件下的燃烧具有燃烧速度级快、爆发压力过高等问题。因此在发动机燃烧条件下，将氢气和氧气预混后燃烧会导致发动机热负荷和机械负荷的明显增加。更为重要的是，将氢气和氧气提前预混会明显增加混合气回火的风险，从而造成严重的安全隐患。此外，纯氢和纯氧在理论过量空气系数附近的燃烧速度极高，因此利用纯氢、纯氧方式燃烧的发动机应在稀燃条件下进行，以避免发动机热负荷、机械负荷过大，但稀燃时又会有大量氧气被排出，进而引发氧化剂浪费的问题。
发明内容
针对目前四冲程发动机曲柄连杆机构机械效率低、纯氢气和纯氧气预混燃烧回火及爆燃风险大、稀燃时氧化剂浪费等问题，本发明提供一种可实现氧气循环的氢氧涡轮发动机及控制方法。
本发明采用了如下技术方案：该发明中的可实现氧气循环的氢氧涡轮发动机包括安装在氢氧涡轮发动机本体26上的燃烧压力传感器5、火花塞6、一级涡轮19、二级涡轮18、安全阀23、液位传感器24、电控放水阀25，氢氧涡轮发动机本体26中的燃烧室与一级涡轮腔体30通过一级喉管21连接，一级涡轮腔体30与二级涡轮腔体31通过二级喉管22连接，氢气喷嘴27和氧气喷嘴28及其所连接的各自管路安装于燃烧室20内部，氧气导出管29安装于二级涡轮腔体31上，氧气导出管依次连接氧气压气机16、回氧流量计13、回氧减压器11及氧气预混箱10，二级涡轮18的输出端装有发电机17，发电机17与氧气泵16之间通过导线相连接进而为氧气泵16提供电能，氢气源1通过管路与氢气减压器2、氢气流量控制器3、氢气单向阀4及氢气喷嘴27相连接，氧气源15通过关于与第一氧气流量控制器14、氧气减压器12、氧气预混箱10、第二氧气流量控制器9、氧气单向阀8及氧气喷嘴10相连接；
电子控制单元7通过导线与电控放水阀25相连接，并通过发出防水信号a控制电控放水阀25的开闭；
电子控制单元7通过导线与液位传感器24相连接，并接收来自液位传感器24的液位信号b；
电子控制单元7通过导线与氢气流量控制器3相连接，并通过发出氢气流量控制信号c控制通过氢气流量控制器3进入燃烧室的氢气流量；
电子控制单元7通过导线与燃烧压力传感器5相连接，并接收来自燃烧压力传感器5的燃烧压力信号d；
电子控制单元7通过导线与火花塞6相连接，并通过发出点火信号e控制火花塞6跳火；
电子控制单元7通过导线与氧气泵16相连接，并通过发出氧气泵控制信号f控制氧气泵16起停；
电子控制单元7通过导线与第一氧气流量控制器14相连接，并通过发出第一氧气流量控制信号m控制通过第一氧气流量控制器14进入氧气预混箱10的流量；
电子控制单元7通过导线与回氧流量计13相连接，通过接收回氧流量信号n获得经氧气导出管29进入氧气预混箱10的氧气流量；
电子控制单元7通过导线与氧气流量控制器9相连接，并通过发出氧气流量控制信号k控制通过氧气流量控制器9进入燃烧室的氧气流量；
所述回氧减压器11和氧气减压器12的出口压力应设为同一数值；
所述氢气减压器2的出口压力应大于等于回氧减压器11和氧气减压器12的出口压力。
一种可实现氧气循环的氢氧涡轮发动机的控制方法，该方法包括以下步骤：
一种可实现氧气循环的氢氧涡轮发动机的控制方法主要包括发动机起动控制策略、燃烧过程控制策略及氧气循环供给控制策略
(1)发动机起动控制策略
电子控制单元7通过发出点火信号e控制火花塞6高频连续跳火；
电子控制单元7通过发出氢气流量控制信号c控制氢气流量控制器3将氢气以流速Hs进入燃烧室，Hs的流量大于0小于500L/min；
电子控制单元7通过停止发出氧气泵控制信号f使通过氧气导出管29进入氧气预混箱10的氧气流量为0；
电子控制单元7通过发出第一氧气流量控制信号m控制由第一氧气流量控制器14进入氧气预混箱的氧气流量为Oso，通过发出第二氧气流量控制信号k控制通过第二氧气流量控制器9进入燃烧室20的氧气流量为Oss，并使得Oso＝Oss，Oso和Oss流量均控制在0至2000L/min范围内；
同时，电子控制单元7通过氢气流量控制信号c、第一氧气流量控制信号m和第二氧气流量控制信号k使得2Hs≤Oss＝Oso≤4Hs，以满足氧气过量要求；
电子控制单元7在起动过程中监测来自燃烧压力传感器5的燃烧压力信号d，并根据燃烧压力信号d的变化增加Hs、Oso及Oss，直至燃烧压力信号d指示发动机起动成功，电子控制单元退出起动控制策略进入燃烧控制策略；燃烧压力信号d检测到发动机燃烧室20内的压力大于等于8bar，指示发动机起动成功；
(2)燃烧过程控制策略
A.正常燃烧条件下的燃料与氧化剂供给控制策略
在电子控制单元7根据燃烧压力信号d判定发动机起动成功，电子控制单元7停止发出点火信号e控制火花塞6停止跳火；
电子控制单元7通过发出氢气流量控制信号c控制氢气流量控制器3将氢气以流速Hc进入燃烧室，Hc的流量大于0小于2000L/min；
电子控制单元7通过发出氧气泵控制信号f是燃烧后剩余的氧气可以通过氧气导出管29进入氧气预混箱10，同时电子控制单元7通过接收来自回氧流量计13的回氧流量信号确定经氧气导出管29进入氧气预混箱10的氧气流量Oh；
电子控制单元7通过发出第一氧气流量控制信号m控制由第一氧气流量控制器14进入氧气预混箱的氧气流量为Oco，通过发出第二氧气流量控制信号k控制通过第二氧气流量控制器9进入燃烧室20的氧气流量为Ocs，并使得Oco+Oh＝Oss，Ocs流量均控制在0至8000L/min范围内；
同时，电子控制单元7通过氢气流量控制信号c、第一氧气流量控制信号m和第二氧气流量控制信号k使得2Hs≤Ocs，此时由氢气喷嘴27喷出的氢气处于连续扩散燃烧状态；
在燃烧过程中，氢气和氧气分别通过氢气喷嘴27和氧气喷嘴28被连续送入燃烧室内，使燃料可以在燃烧室内连续燃烧，燃烧所形成的高温高压气体经一级喉管21加速后进入一级涡轮腔体30来推动一级涡轮19开始旋转，此时可以从一级涡轮19的旋转输出端将其旋转所产生的机械功输出，从而提供动力；一级涡轮腔体30内剩余的高压气体进一步经二级喉管22加速后推动二级涡轮18旋转，进而带动与二级涡轮18连接的发电机17旋转产生电能，发电机17通过导线将所产生的电能供给氧气泵16，使氧气泵16可以根据氧气泵控制信号决定是否起动；在氧气泵16可以得到发电机17所产生的电能的条件下，当氧气泵控制信号f为高电平时，氧气泵16起动；
B.停车控制策略
在发动机需要停车时，电子控制单元7通过停止发出氢气流量控制信号c关闭氢气流量控制器3，从而停止氢气进入燃烧，并通过停止发出第二氧气流量控制信号k和第一氧气流量控制信号m使第二氧气流量控制器9和第一氧气流量控制器14关闭停止氧气进入燃烧室，此时燃烧室内会由于缺少氢气燃料而停止燃烧，进而使高压燃气停止产生，发动机停车。
C.燃烧安全及产物中水的排放控制策略
为保证安全，二级涡轮腔体31中安装有安全阀23，安全阀23的起动压力Ps可以根据发动机本体设计强度的承受能力进行选择，并使1bar≤Ps≤1000MPa，当二级涡轮腔体31内燃气压力超过Ps时，超压燃气可以通过安全阀23排放到大气中；
燃烧过程中，电子控制单元7根据液位传感器24所发出的液位信号b判断二级涡轮腔体31中的水含量，当液位信号b所传来的液位超过防水液位Lf时，电子控制单元7通过发出放水信号a打开电控放水阀25，使二级涡轮腔体31内的水被排出，排水过程中电子控制单元7持续监测液位传感器24所发出的液位信号b，当水位低于停放液位Lt时，电子控制单元7通过停止放水信号a打关闭控放水阀25。Lf的选择应保证发动机内存蓄的水量不超过10L，且液位低于二级涡轮18下缘不少于10mm，Lb应小于Lf但要确保液位在达到Lb时发动机内剩余存蓄水量不少于200ml。
(3)氧气循环供给控制策略
电子控制单元7根据燃烧压力信号d判定燃烧状态，当检测到燃烧室20内的压力大于等于8bar时，电子控制单元7通过发出氧气泵控制信号f使氧气泵16可以利用发电机17所提供的电能将氧气经氧气导出管29、氧气泵16、回氧流量计13及回氧减压器11进入氧气预混箱10，进而与来自氧气源15的氧气在氧气预混箱10中预混后共同经第二氧气流量控制器9、氧气单向阀8和氧气喷嘴28进入燃烧室20，完成多余氧气的闭路循环利用。
本发明的有益效果是，针对传统发动机NOx控制成本高、曲柄连杆机构机械效率低、高氧浓度或纯氧发动机中燃烧剩余氧气难以有效循环利用的问题，本发明提供一种可实现氧气循环的氢氧涡轮发动机及控制方法。该发明中的发动机采用纯氢气在过量纯氧环境下扩散燃烧，消除了NOx、HC及CO排放的来源，从而可以实现零排放的目标，采用扩散燃烧方式避免了氢氧气预混所带来的混合气燃烧速度过高、爆发压力过大等问题，燃烧过程稳定、可控；燃烧产生的尾气直接驱动一、二级涡轮旋转做功，避免了曲柄连杆机构机械效率低的问题，进而提高了发动机的热效率；通过二级涡轮驱动发电机给氧气泵提供电能，从而使氧气泵可以将燃烧中剩余的氧气再次与新鲜氧气混合后进入预混箱，提高了氧气利用效率。
附图说明
图1本发明的结构和工作原理图
图中：1氢气源；2氢气减压器；3氢气流量控制器；4氢气单向阀；5燃烧压力传感器；6火花塞；7电子控制单元；8氧气单向阀；9第二氧气流量控制器；10氧气预混箱；11回氧减压器；12氧气减压器；13回氧流量计；14第一氧气流量控制器；15氧气源；16氧气泵；17发电机；18二级涡轮；19一级涡轮；20燃烧室；21一级喉管；22二级喉管；23安全阀；24液位传感器；25电控放水阀；26氢氧涡轮发动机本体；27氢气喷嘴；28氧气喷嘴；29氧气导出管；30一级涡轮腔体；31二级涡轮腔体
a.放水信号；b.液位信号；c.氢气流量控制信号；d.燃烧压力信号；e.点火信号；f.氧气泵控制信号；m.第一氧气流量控制信号；n.回氧流量信号；k.第二氧气流量控制信号
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
如图1所示，该可实现氧气循环的氢氧涡轮发动机，包括包括安装在氢氧涡轮发动机本体26上的燃烧压力传感器5、火花塞6、一级涡轮19、二级涡轮18、安全阀23、液位传感器24、电控放水阀25，氢氧涡轮发动机本体26中的燃烧室与一级涡轮腔体30通过一级喉管21连接，一级涡轮腔体30与二级涡轮腔体31通过二级喉管22连接，氢气喷嘴27和氧气喷嘴28及其所连接的各自管路安装于燃烧室20内部，氧气导出管29安装于二级涡轮腔体31上，氧气导出管依次连接氧气压气机16、回氧流量计13、回氧减压器11及氧气预混箱10，二级涡轮18的输出端装有发电机17，发电机17与氧气泵16之间通过导线相连接进而为氧气泵16提供电能，氢气源1通过管路与氢气减压器2、氢气流量控制器3、氢气单向阀4及氢气喷嘴27相连接，氧气源15通过关于与第一氧气流量控制器14、氧气减压器12、氧气预混箱10、第二氧气流量控制器9、氧气单向阀8及氧气喷嘴10相连接；
电子控制单元7通过导线与电控放水阀25相连接，并通过发出防水信号a控制电控放水阀25的开闭；
电子控制单元7通过导线与液位传感器24相连接，并接收来自液位传感器24的液位信号b；
电子控制单元7通过导线与氢气流量控制器3相连接，并通过发出氢气流量控制信号c控制通过氢气流量控制器3进入燃烧室的氢气流量；
电子控制单元7通过导线与燃烧压力传感器5相连接，并接收来自燃烧压力传感器5的燃烧压力信号d；
电子控制单元7通过导线与火花塞6相连接，并通过发出点火信号e控制火花塞6跳火；
电子控制单元7通过导线与氧气泵16相连接，并通过发出氧气泵控制信号f控制氧气泵16起停；
电子控制单元7通过导线与第一氧气流量控制器14相连接，并通过发出第一氧气流量控制信号m控制通过第一氧气流量控制器14进入氧气预混箱10的流量；
电子控制单元7通过导线与回氧流量计13相连接，通过接收回氧流量信号n获得经氧气导出管29进入氧气预混箱10的氧气流量；
电子控制单元7通过导线与氧气流量控制器9相连接，并通过发出氧气流量控制信号k控制通过氧气流量控制器9进入燃烧室的氧气流量；
所述回氧减压器11和氧气减压器12的出口压力应设为同一数值；
所述氢气减压器2的出口压力应大于等于回氧减压器11和氧气减压器12的出口压力。
一种可实现氧气循环的氢氧涡轮发动机的控制方法，该方法包括以下步骤：
一种可实现氧气循环的氢氧涡轮发动机的控制方法主要包括发动机起动控制策略、燃烧过程控制策略及氧气循环供给控制策略
(1)发动机起动控制策略
电子控制单元7通过发出点火信号e控制火花塞6高频连续跳火；
电子控制单元7通过发出氢气流量控制信号c控制氢气流量控制器3将氢气以流速Hs进入燃烧室，Hs的流量大于0小于500L/min；
电子控制单元7通过停止发出氧气泵控制信号f使通过氧气导出管29进入氧气预混箱10的氧气流量为0；
电子控制单元7通过发出第一氧气流量控制信号m控制由第一氧气流量控制器14进入氧气预混箱的氧气流量为Oso，通过发出第二氧气流量控制信号k控制通过第二氧气流量控制器9进入燃烧室20的氧气流量为Oss，并使得Oso＝Oss，Oso和Oss流量均控制在0至2000L/min范围内；
同时，电子控制单元7通过氢气流量控制信号c、第一氧气流量控制信号m和第二氧气流量控制信号k使得2Hs≤Oss＝Oso≤4Hs，以满足氧气过量要求；
电子控制单元7在起动过程中监测来自燃烧压力传感器5的燃烧压力信号d，并根据燃烧压力信号d的变化增加Hs、Oso及Oss，直至燃烧压力信号d指示发动机起动成功，电子控制单元退出起动控制策略进入燃烧控制策略；燃烧压力信号d检测到发动机燃烧室20内的压力大于等于8bar，指示发动机起动成功；
(2)燃烧过程控制策略
A.正常燃烧条件下的燃料与氧化剂供给控制策略
在电子控制单元7根据燃烧压力信号d判定发动机起动成功，电子控制单元7停止发出点火信号e控制火花塞6停止跳火；
电子控制单元7通过发出氢气流量控制信号c控制氢气流量控制器3将氢气以流速Hc进入燃烧室，Hc的流量大于0小于2000L/min；
电子控制单元7通过发出氧气泵控制信号f是燃烧后剩余的氧气可以通过氧气导出管29进入氧气预混箱10，同时电子控制单元7通过接收来自回氧流量计13的回氧流量信号确定经氧气导出管29进入氧气预混箱10的氧气流量Oh；
电子控制单元7通过发出第一氧气流量控制信号m控制由第一氧气流量控制器14进入氧气预混箱的氧气流量为Oco，通过发出第二氧气流量控制信号k控制通过第二氧气流量控制器9进入燃烧室20的氧气流量为Ocs，并使得Oco+Oh＝Oss，Ocs流量均控制在0至8000L/min范围内；
同时，电子控制单元7通过氢气流量控制信号c、第一氧气流量控制信号m和第二氧气流量控制信号k使得2Hs≤Ocs，此时由氢气喷嘴27喷出的氢气处于连续扩散燃烧状态；
在燃烧过程中，氢气和氧气分别通过氢气喷嘴27和氧气喷嘴28被连续送入燃烧室内，使燃料可以在燃烧室内连续燃烧，燃烧所形成的高温高压气体经一级喉管21加速后进入一级涡轮腔体30来推动一级涡轮19开始旋转，此时可以从一级涡轮19的旋转输出端将其旋转所产生的机械功输出，从而提供动力；一级涡轮腔体30内剩余的高压气体进一步经二级喉管22加速后推动二级涡轮18旋转，进而带动与二级涡轮18连接的发电机17旋转产生电能，发电机17通过导线将所产生的电能供给氧气泵16，使氧气泵16可以根据氧气泵控制信号决定是否起动；在氧气泵16可以得到发电机17所产生的电能的条件下，当氧气泵控制信号f为高电平时，氧气泵16起动；
B.停车控制策略
在发动机需要停车时，电子控制单元7通过停止发出氢气流量控制信号c关闭氢气流量控制器3，从而停止氢气进入燃烧，并通过停止发出第二氧气流量控制信号k和第一氧气流量控制信号m使第二氧气流量控制器9和第一氧气流量控制器14关闭停止氧气进入燃烧室，此时燃烧室内会由于缺少氢气燃料而停止燃烧，进而使高压燃气停止产生，发动机停车。
C.燃烧安全及产物中水的排放控制策略
为保证安全，二级涡轮腔体31中安装有安全阀23，安全阀23的起动压力Ps可以根据发动机本体设计强度的承受能力进行选择，并使1bar≤Ps≤1000MPa，当二级涡轮腔体31内燃气压力超过Ps时，超压燃气可以通过安全阀23排放到大气中；
燃烧过程中，电子控制单元7根据液位传感器24所发出的液位信号b判断二级涡轮腔体31中的水含量，当液位信号b所传来的液位超过防水液位Lf时，电子控制单元7通过发出放水信号a打开电控放水阀25，使二级涡轮腔体31内的水被排出，排水过程中电子控制单元7持续监测液位传感器24所发出的液位信号b，当水位低于停放液位Lt时，电子控制单元7通过停止放水信号a打关闭控放水阀25。Lf的选择应保证发动机内存蓄的水量不超过10L，且液位低于二级涡轮18下缘不少于10mm，Lb应小于Lf但要确保液位在达到Lb时发动机内剩余存蓄水量不少于200ml。
(3)氧气循环供给控制策略
电子控制单元7根据燃烧压力信号d判定燃烧状态，当检测到燃烧室20内的压力大于等于8bar时，电子控制单元7通过发出氧气泵控制信号f使氧气泵16可以利用发电机17所提供的电能将氧气经氧气导出管29、氧气泵16、回氧流量计13及回氧减压器11进入氧气预混箱10，进而与来自氧气源15的氧气在氧气预混箱10中预混后共同经第二氧气流量控制器9、氧气单向阀8和氧气喷嘴28进入燃烧室20，完成多余氧气的闭路循环利用。
本实施例对各种工况进行了如下实验：
实验发动机为按照图1所制造的可实现氧气循环的氢氧涡轮发动机，实验时，将一级涡轮19的输出端与实验台架的测功机输入轴相连接，通过测功机测试经一级涡轮19所输出的转速和功率。在该测试***上进行了如下实验：
(1)发动机起动实验
向电子控制单元7发出起动指令后，电子控制单元7通过发出点火信号e控制火花塞6高频连续跳火，同时电子控制单元7通过发出氢气流量控制信号c控制氢气流量控制器3将氢气以流速30L/min进入燃烧室20；
电子控制单元7通过停止发出氧气泵控制信号f使通过氧气导出管29进入氧气预混箱10的氧气流量为0；
电子控制单元7通过发出第一氧气流量控制信号m控制由第一氧气流量控制器14进入氧气预混箱的氧气流量为70L/min，通过发出第二氧气流量控制信号k控制通过第二氧气流量控制器9进入燃烧室20的氧气流量为70L/min；
电子控制单元7在起动过程中监测来自燃烧压力传感器5的燃烧压力信号d由起动前的1bar提高至12bar，根据该信号，电子控制单元7判断发动机起动成功，并转入燃烧控制策略。
(2)正常工况实验
电子控制单元7通过发出氢气流量控制信号c控制氢气流量控制器3将氢气以流速Hc进入燃烧室，Hc的流量为200L/min；
电子控制单元7通过发出氧气泵控制信号f是燃烧后剩余的氧气可以通过氧气导出管29进入氧气预混箱10，同时电子控制单元7通过接收来自回氧流量计13的回氧流量信号确定经氧气导出管29进入氧气预混箱10的氧气流量Oh为105L/min；
电子控制单元7通过发出第一氧气流量控制信号m控制由第一氧气流量控制器14进入氧气预混箱的氧气流量为Oco，将Oco控制在395L/min，通过发出第二氧气流量控制信号k控制通过第二氧气流量控制器9进入燃烧室20的氧气流量为Ocs，并使得Ocs流量为500L/min；
在燃烧过程中，氢气和氧气分别通过氢气喷嘴27和氧气喷嘴28被连续送入燃烧室内，使燃料可以在燃烧室内连续燃烧，燃烧所形成的高温高压气体经一级喉管21加速后进入一级涡轮腔体30来推动一级涡轮19开始旋转，通过与一级涡轮19相连接的测功机对发动机性能进行测试，测得当前实验工况下一级涡轮转速为8530r/min，功率为65.3kW。
电子控制单元7通过发出氧气泵控制信号f使氧气泵16可以利用发电机17所提供的电能将氧气经氧气导出管29、氧气泵16、回氧流量计13及回氧减压器11进入氧气预混箱10，进而与来自氧气源15的氧气在氧气预混箱10中预混后共同经第二氧气流量控制器9、氧气单向阀8和氧气喷嘴28进入燃烧室20，完成多余氧气的闭路循环利用，实验中经经氧气导出管29所回收的氧气流量测得为
105L/min。
上述的内燃机台架实验结果表明，采用本发明提供的一种可实现氧气循环的氢氧涡轮发动机能够在纯氢氧气对流扩散火焰燃烧条件下稳定运行，并证明通过采用本发明所提供的氧气回收***能够对燃烧过程中的过量氧气进行有效回收利用。该技术降为清洁燃料氢发动机的节能、减排提供了一条有效的技术途径。
Claims (2)
1.一种可实现氧气循环的氢氧涡轮发动机，其特征在于：包括安装在氢氧涡轮发动机本体上的燃烧压力传感器(5)、火花塞(6)、一级涡轮(19)、二级涡轮(18)、安全阀(23)、液位传感器(24)、电控放水阀(25)，氢氧涡轮发动机本体(26)中的燃烧室与一级涡轮腔体(30)通过一级喉管(21)喉管(21)连接，一级涡轮腔体(30)与二级涡轮腔体(31)通过二级喉管(22)连接，氢气喷嘴(27)和氧气喷嘴(28)及其所连接的各自管路安装于燃烧室(20)内部，氧气导出管(29)安装于二级涡轮腔体(31)上，氧气导出管依次连接氧气压气机(16)、回氧流量计(13)、回氧减压器(11)及氧气预混箱(10)，二级涡轮(18)的输出端装有发电机(17)，发电机(17)与氧气泵(16)之间通过导线相连接进而为氧气泵(16)提供电能，氢气源(1)通过管路与氢气减压器(2)、氢气流量控制器(3)、氢气单向阀(4)及氢气喷嘴(27)相连接，氧气源(15)通过与第一氧气流量控制器(14)、氧气减压器(12)、氧气预混箱(10)、第二氧气流量控制器(9)、氧气单向阀(8)及氧气喷嘴(28)相连接；
电子控制单元(7)通过导线与电控放水阀(25)相连接，并通过发出防水信号a控制电控放水阀(25)的开闭；
电子控制单元(7)通过导线与液位传感器(24)相连接，并接收来自液位传感器(24)的液位信号b；
电子控制单元(7)通过导线与氢气流量控制器(3)相连接，并通过发出氢气流量控制信号c控制通过氢气流量控制器(3)进入燃烧室的氢气流量；
电子控制单元(7)通过导线与燃烧压力传感器(5)相连接，并接收来自燃烧压力传感器(5)的燃烧压力信号d；
电子控制单元(7)通过导线与火花塞(6)相连接，并通过发出点火信号e控制火花塞(6)跳火；
电子控制单元(7)通过导线与氧气泵(16)相连接，并通过发出氧气泵控制信号f控制氧气泵(16)起停；
电子控制单元(7)通过导线与第一氧气流量控制器(14)相连接，并通过发出第一氧气流量控制信号m控制通过第一氧气流量控制器(14)进入氧气预混箱(10)的流量；
电子控制单元(7)通过导线与回氧流量计(13)相连接，通过接收回氧流量信号n获得经氧气导出管(29)进入氧气预混箱(10)的氧气流量；
电子控制单元(7)通过导线与氧气流量控制器(9)相连接，并通过发出第二氧气流量控制信号k控制通过氧气流量控制器(9)进入燃烧室的氧气流量；
所述回氧减压器(11)和氧气减压器(12)的出口压力应设为同一数值；
所述氢气减压器(2)的出口压力应大于等于回氧减压器(11)和氧气减压器(12)的出口压力。
2.应用如权利要求1所述的一种可实现氧气循环的氢氧涡轮发动机的控制方法，其特征在于，该方法包括发动机起动控制策略、燃烧过程控制策略及氧气循环供给控制策略
(1)发动机起动控制策略
电子控制单元(7)通过发出点火信号e控制火花塞(6)连续跳火；
电子控制单元(7)通过发出氢气流量控制信号c控制氢气流量控制器(3)将氢气以流速Hs进入燃烧室，Hs的流量大于0小于500L/min；
电子控制单元(7)通过停止发出氧气泵控制信号f使通过氧气导出管(29)进入氧气预混箱(10)的氧气流量为0；
电子控制单元(7)通过发出第一氧气流量控制信号m控制由第一氧气流量控制器(14)进入氧气预混箱的氧气流量为Oso，通过发出第二氧气流量控制信号k控制通过第二氧气流量控制器(9)进入燃烧室(20)的氧气流量为Oss，并使得Oso＝Oss，Oso和Oss流量均控制在0至2000L/min范围内；
同时，电子控制单元(7)通过氢气流量控制信号c、第一氧气流量控制信号m和第二氧气流量控制信号k使得2Hs≤Oss＝Oso≤4Hs，以满足氧气过量要求；
电子控制单元(7)在起动过程中监测来自燃烧压力传感器(5)的燃烧压力信号d，并根据燃烧压力信号d的变化增加Hs、Oso及Oss，直至燃烧压力信号d检测到发动机燃烧室(20)内的压力大于等于8bar，表明发动机起动成功，电子控制单元退出起动控制策略进入燃烧控制策略；
(2)燃烧过程控制策略
A.正常燃烧条件下的燃料与氧化剂供给控制策略
在电子控制单元(7)根据燃烧压力信号d判定发动机起动成功后，电子控制单元(7)停止发出点火信号e控制火花塞(6)停止跳火；
电子控制单元(7)通过发出氢气流量控制信号c控制氢气流量控制器(3)将氢气以流速Hc进入燃烧室，Hc的流量大于0小于2000L/min；
电子控制单元(7)通过发出氧气泵控制信号f是燃烧后剩余的氧气通过氧气导出管(29)进入氧气预混箱(10)，同时电子控制单元(7)通过接收来自回氧流量计(13)的回氧流量信号确定经氧气导出管(29)进入氧气预混箱(10)的氧气流量Oh；
电子控制单元(7)通过发出第一氧气流量控制信号m控制由第一氧气流量控制器(14)进入氧气预混箱的氧气流量为Oco，通过发出第二氧气流量控制信号k控制通过第二氧气流量控制器(9)进入燃烧室(20)的氧气流量为Ocs，并使得Oco+Oh＝Ocs，Ocs流量均控制在0至8000L/min范围内；
同时，电子控制单元(7)通过氢气流量控制信号c、第一氧气流量控制信号m和第二氧气流量控制信号k使得2Hs≤Ocs，此时由氢气喷嘴(27)喷出的氢气处于连续扩散燃烧状态；
在燃烧过程中，氢气和氧气分别通过氢气喷嘴(27)和氧气喷嘴(28)被连续送入燃烧室内，使燃料在燃烧室内连续燃烧，燃烧所形成的高温高压气体经一级喉管(21)喉管(21)加速后进入一级涡轮腔体(30)来推动一级涡轮(19)开始旋转，此时从一级涡轮(19)的旋转输出端将其旋转所产生的机械功输出，从而提供动力；一级涡轮腔体(30)内剩余的高压气体进一步经二级喉管(22)加速后推动二级涡轮(18)旋转，进而带动与二级涡轮(18)连接的发电机(17)旋转产生电能，发电机(17)通过导线将所产生的电能供给氧气泵(16)，在氧气泵(16)能得到发电机(17)所产生的电能的条件下，当氧气泵控制信号f为高电平时，氧气泵(16)起动；B.停车控制策略
在发动机需要停车时，电子控制单元(7)通过停止发出氢气流量控制信号c关闭氢气流量控制器(3)，从而停止氢气进入燃烧，并通过停止发出第二氧气流量控制信号k和第一氧气流量控制信号m使第二氧气流量控制器(9)和第一氧气流量控制器(14)关闭停止氧气进入燃烧室，此时燃烧室内会由于缺少氢气燃料而停止燃烧，进而使高压燃气停止产生，发动机停车；
C.燃烧安全及产物中水的排放控制策略
二级涡轮腔体(31)中安装有安全阀(23)，并使1bar≤Ps≤1000MPa，当二级涡轮腔体(31)内燃气压力超过Ps时，超压燃气通过安全阀(23)排放到大气中；
燃烧过程中，电子控制单元(7)根据液位传感器(24)所发出的液位信号b判断二级涡轮腔体(31)中的水含量，当液位信号b所传来的液位超过防水液位Lf时，电子控制单元(7)通过发出放水信号a打开电控放水阀(25)，使二级涡轮腔体(31)内的水被排出，排水过程中电子控制单元(7)持续监测液位传感器(24)所发出的液位信号b，当水位低于停放液位Lt时，电子控制单元(7)通过停止放水信号a打关闭控放水阀25；Lf的选择应保证发动机内存蓄的水量不超过10L，且液位低于二级涡轮(18)下缘不少于10mm，Lb应小于Lf但要确保液位在达到Lb时发动机内剩余存蓄水量不少于200ml；
(3)氧气循环供给控制策略
电子控制单元(7)根据燃烧压力信号d判定发动机燃烧状态，当检测到燃烧室(20)内的压力大于等于8bar时，如何判断？电子控制单元(7)通过发出氧气泵控制信号f使氧气泵(16)利用发电机(17)所提供的电能将氧气经氧气导出管(29)、氧气泵(16)、回氧流量计(13)及回氧减压器(11)进入氧气预混箱(10)，进而与来自氧气源(15)的氧气在氧气预混箱(10)中预混后共同经第二氧气流量控制器(9)、氧气单向阀(8)和氧气喷嘴(28)进入燃烧室(20)，完成多余氧气的闭路循环利用。
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