CN113513418B - 一种无回火氢氨双燃料零碳转子机控制方法 - Google Patents

一种无回火氢氨双燃料零碳转子机控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明设计了一种无回火氢氨双燃料零碳转子机控制方法，具体涉及一种以氢气和氨气两种燃料结合燃烧以消除氢转子机回火问题的控制方法。本发明以发动机转速传感器和进气压力传感器为信号，判断转子机的运转情况，选择适合当前工况的氢氨掺混比例以抑制无回火现象的出现，实现高动力性高安全性的零碳排放转子机。

Description

一种无回火氢氨双燃料零碳转子机控制方法
技术领域
本发明设计了一种无回火氢氨双燃料零碳转子机控制方法，具体涉及一种以氢气和氨气两种燃料结合燃烧以消除氢转子机回火问题的控制方法，属于内燃机领域。
背景技术
随着温室气体的大量排放，对全球的气候造成了许多负面影响，全球变暖、冰川融化等由温室气体排放而引发的气候问题严重影响着世界人民的正常生活，特别地，交通行业是全球碳排放的重要组成领域，因此如何减少交通行业碳排放成为亟待解决的重要问题。氢气是一种不含碳元素的可再生能源，其燃烧不会产生碳排放，因此是一种极佳的替代燃料，但是氢气作为燃料存在动力性弱的问题。转子发动机是一种高动力性的内燃机，其可以很好地弥补氢气作为内燃机燃料导致动力性不足的问题。因此氢转子机是一款十分有前景的动力***。然而氢转子机存在严重的回火问题，这极大地限制了其广泛应用。
因此，基于上手问题，本申请设计了一种无回火氢氨双燃料零碳转子机控制方法，通过根据不同工况进气中掺混不同比例氨气来抑制氢转子机的回火现象，同时，由于氨气的组成元素不含有碳元素，与纯氢转子机一样，同样可以实现零碳排放。本申请基于上述技术手段以实现高动力性无回火零碳排放的氢转子机动力***。
发明内容
为了改善氢转子机回火的问题，同时保持其“零碳”排放，本发明设计了一种无回火氢氨双燃料零碳转子机控制方法，具体涉及一种以氢气和氨气两种燃料结合燃烧以消除氢转子机回火问题的控制方法，包括：进气管路(P1)，其上依次串联有：空气滤清器(1)、空气体积流量传感器(2)、节气门(12)和进气压力传感器(13)；氢气供给管路(P2)，其上依次串联有：氢气罐(3)、氢气减压阀(4)、氢气体积流量计(5)、阻火器(6)和氢气喷嘴(7)，氢气通过氢气喷嘴(7)进入进气管路(P1)；氨气供给管路(P3)，其上依次串联有：氨气罐(8)、氨气减压阀(9)、氨气体积流量计(10)和氨气喷嘴(11)，氨气通过氨气喷嘴(11)进入进气管路(P1)；氨气、氢气与新鲜空气在节气门(12)前混合，后一起进入转子机(14)，经历一个运转循环后通过排气管路(P4)进入大气。此外，转子机ECU(E)接收来自转速传感器(15)的第一信号(A1)、进气压力传感器(13)的第二信号(A2)和空气体积流量传感器(2)的第五信号(A5)；ECU(E)输出第三信号(A3)至氨气喷嘴(11)和输出第四信号(A4)至氢气喷嘴(7)。
氢气与氨气分别通过氢气供给管路(P2)和氨气供给管路(P3)进入进气管路(P1)与新鲜空气混合，三者混合物流进转子机(14)中，在转子机(14)中经历一个循环后通过排气管路(P4)进入大气。
无回火氢氨双燃料转子机控制方法包括以下控制过程：
转子发动机ECU(E)接收来自转速传感器(15)的第一信号(A1)获得转速n(r/min)和进气压力传感器(13)的第二信号(A2)获得进气压力P(kPa)：
当转子机转速n由n＝0变为n≠0时，此时为起动阶段，由于氢气极易燃，无需加浓起动，因而选择纯氢稀薄燃烧。ECU(E)根据空气体积流量传感器(2)的第五信号(A5)，输出第四信号(A4)至氢气喷嘴，使过量空气系数λ＝1.5。起动阶段维持3秒。
当转子机转速0<n≤2000r/min，此时为低速运行阶段，此时转子机热负荷较低，无回火现象发生，不选择掺氨燃烧，同时为保证动力性，选择纯氢化学计量比燃烧。ECU(E)根据空气体积流量传感器(2)的第五信号(A5)，输出第四信号(A4)至氢气喷嘴，使过量空气系数λ＝1。
当转子机转速2000r/min＜n≤4000r/min，此时为中速运行阶段，此时存在回火现象，选择掺氨燃烧，同时为保证动力性，选择氢氨双燃料化学计量比燃烧。ECU(E)根据空气体积流量传感器(2)的第五信号(A5)，输出第四信号(A4)至氢气喷嘴和输出第三信号(A3)至氨气喷嘴(11)，使过量空气系数λ＝1。氢氨的掺混比例M的控制逻辑为M＝0.1*((n-2000)/2000+P/100)。
当转子机转速4000r/min＜n≤8000r/min，此时为高速运行阶段，转子机热负荷较高，会出现更高频率与强度的回火现象，因此为保证安全性，选取高比例掺氨燃烧，同时为保证动力性，选择氢氨双燃料化学计量比燃烧。ECU(E)根据空气体积流量传感器(2)的第五信号(A5)，输出第四信号(A4)至氢气喷嘴和输出第三信号(A3)至氨气喷嘴(11)，使过量空气系数λ＝1。氢氨的掺混比例M的控制逻辑为M＝0.2*((n-4000)/4000+P/100)。
当转子机转速n＞8000r/min，此时转速过高，易发生不可控危险，为保证安全性，ECU(E)输出第四信号(A4)至氢气喷嘴和输出第三信号(A3)至氨气喷嘴(11)，使两喷嘴停止氢气与氨气喷射，当转速恢复至8000r/min以下时恢复燃料供应。
过量空气系数λ＝Vair/(VH2*2.38+VNH3*3.57)，氢氨掺混比例M＝VNH3/(VNH3+VH2)。其中，Vair为空气体积流量(SLM)，VH2为氢气体积流量(SLM)，VNH3为氨气体积流量(SLM)。
附图说明
图1.本发明的结构工作原理图
图1中：进气管路(P1)：空气滤清器(1)、空气体积流量传感器(2)、节气门(12)和进气压力传感器(13)；氢气供给管路(P2)：氢气罐(3)、氢气减压阀(4)、氢气体积流量计(5)、阻火器(6)和氢气喷嘴(7)；氨气供给管路(P3)：氨气罐(8)、氨气减压阀(9)、氨气体积流量计(10)和氨气喷嘴(11)；节气门(12)，转子机(14)，排气管路(P4)。此外，转子机ECU(E)接收来自转速传感器(15)的第一信号(A1)、进气压力传感器(13)的第二信号(A2)和空气体积流量传感器(2)的第五信号(A5)；ECU(E)输出第三信号(A3)至氨气喷嘴(11)和输出第四信号(A4)至氢气喷嘴(7)。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对于本发明做进一步的说明：
包括：进气管路(P1)，其上依次串联有：空气滤清器(1)、空气体积流量传感器(2)、节气门(12)和进气压力传感器(13)；氢气供给管路(P2)，其上依次串联有：氢气罐(3)、氢气减压阀(4)、氢气体积流量计(5)、阻火器(6)和氢气喷嘴(7)，氢气通过氢气喷嘴(7)进入进气管路(P1)；氨气供给管路(P3)，其上依次串联有：氨气罐(8)、氨气减压阀(9)、氨气体积流量计(10)和氨气喷嘴(11)，氨气通过氨气喷嘴(11)进入进气管路(P1)；氨气、氢气与新鲜空气在节气门(12)前混合，后一起进入转子机(14)，经历一个运转循环后通过排气管路(P4)进入大气。此外，转子机ECU(E)接收来自转速传感器(15)的第一信号(A1)、进气压力传感器(13)的第二信号(A2)和空气体积流量传感器(2)的第五信号(A5)；ECU(E)输出第三信号(A3)至氨气喷嘴(11)和输出第四信号(A4)至氢气喷嘴(7)。
氢气与氨气分别通过氢气供给管路(P2)和氨气供给管路(P3)进入进气管路(P1)与新鲜空气混合，三者混合物流进转子机(14)中，在转子机(14)中经历一个循环后通过排气管路(P4)进入大气。
无回火氢氨双燃料转子机控制方法包括以下控制过程：
转子发动机ECU(E)接收来自转速传感器(15)的第一信号(A1)获得转速n(r/min)和进气压力传感器(13)的第二信号(A2)获得进气压力P(kPa)：
在氢转子机起动阶段，由于氢气点火能量极低，燃烧极限很宽，具有极高的可燃性，因此考虑到减少能耗问题，在起动阶段选择稀薄燃烧起动。当转子机转速n由n＝0变为n≠0时，此时为起动阶段。ECU(E)根据空气体积流量传感器(2)的第五信号(A5)，输出第四信号(A4)至氢气喷嘴，使过量空气系数λ＝1.5。起动阶段维持3秒。
当转子机运行在低速运行阶段，转子机散热充分，热负荷较低，进气处温度较低，不易产生回火，因此此阶段选择为纯氢燃烧，同时为了保证低速时的动力性，选择化学计量比燃烧。当转子机转速0<n≤2000r/min，此时为低速运行阶段，选择纯氢化学计量比燃烧。ECU(E)根据空气体积流量传感器(2)的第五信号(A5)，输出第四信号(A4)至氢气喷嘴，使过量空气系数λ＝1。
当转子机运行在中速运行阶段，随着转速的提升，散热时间减少，缸壁热负荷增加使得进气道温度增加，且废气散热时间减少，进气过程回流的废气易点燃新鲜混合气，因此在此阶段选择氢气掺氨燃烧，以抑制回火的发生。同时为了保证该阶段的动力性，选择化学计量比燃烧。当转子机转速2000r/min＜n≤4000r/min，此时为中速运行阶段，选择氢氨双燃料化学计量比燃烧。ECU(E)根据空气体积流量传感器(2)的第五信号(A5)，输出第四信号(A4)至氢气喷嘴和输出第三信号(A3)至氨气喷嘴(11)，使过量空气系数λ＝1。氢氨的掺混比例M的控制逻辑为M＝0.1*((n-2000)/2000+P/100)。最大掺氨比在此阶段为20％。
当转子机运行在高速运行阶段，散热时间进一步减少，缸壁热负荷也进一步增加，废气也具有更短的散热时间，因此极易导致相比中速运行阶段更严重的回火问题，故而采用大比例掺氨燃烧。同时为了保证动力性，选择化学计量比燃烧。当转子机转速4000r/min＜n≤8000r/min，此时为高速运行阶段，选择高掺氨的氢氨双燃料化学计量比燃烧。ECU(E)根据空气体积流量传感器(2)的第五信号(A5)，输出第四信号(A4)至氢气喷嘴和输出第三信号(A3)至氨气喷嘴(11)，使过量空气系数λ＝1。氢氨的掺混比例M的控制逻辑为M＝0.2*((n-4000)/4000+P/100)。最大掺氨比在此阶段为40％。
当转子机转速n＞8000r/min，此时转速过高，热负荷过高，易发生不可控危险，为保证安全性，ECU(E)输出第四信号(A4)至氢气喷嘴和输出第三信号(A3)至氨气喷嘴(11)，使两喷嘴停止氢气与氨气喷射，当转速恢复至8000r/min以下时恢复燃料供应。
过量空气系数λ＝Vair/(VH2*2.38+VNH3*3.57)，氢氨掺混比例M＝VNH3/(VNH3+VH2)。其中，Vair为空气体积流量(SLM)，VH2为氢气体积流量(SLM)，VNH3为氨气体积流量(SLM)。

Claims (1)

1.一种无回火氢氨双燃料零碳转子机控制方法，所应用装置包括：进气管路(P1)，其上依次串联有：空气滤清器(1)、空气体积流量传感器(2)、节气门(12)和进气压力传感器(13)；氢气供给管路(P2)，其上依次串联有：氢气罐(3)、氢气减压阀(4)、氢气体积流量计(5)、阻火器(6)和氢气喷嘴(7)，氢气通过氢气喷嘴(7)进入进气管路(P1)；氨气供给管路(P3)，其上依次串联有：氨气罐(8)、氨气减压阀(9)、氨气体积流量计(10)和氨气喷嘴(11)，氨气通过氨气喷嘴(11)进入进气管路(P1)；氨气、氢气与新鲜空气在节气门(12)前混合后一起进入转子机(14)，经历一个运转循环后通过排气管路(P4)进入大气；此外，转子机ECU(E)接收来自转速传感器(15)的第一信号(A1)、进气压力传感器(13)的第二信号(A2)和空气体积流量传感器(2)的第五信号(A5)；ECU(E)输出第三信号(A3)至氨气喷嘴(11)和输出第四信号(A4)至氢气喷嘴(7)；
其特征在于：
转子发动机ECU(E)接收来自转速传感器(15)的第一信号(A1)获得转速n和进气压力传感器(13)的第二信号(A2)获得进气压力P；
当转子机转速n由n＝0变为n≠0时，此时为起动阶段，选择纯氢稀薄燃烧；ECU(E)根据空气体积流量传感器(2)的第五信号(A5)，输出第四信号(A4)至氢气喷嘴，使过量空气系数λ＝1.5；起动阶段维持3秒；
当转子机转速0<n≤2000r/min，此时为低速运行阶段，选择纯氢化学计量比燃烧；ECU(E)根据空气体积流量传感器(2)的第五信号(A5)，输出第四信号(A4)至氢气喷嘴，使过量空气系数λ＝1；
当转子机转速2000r/min＜n≤4000r/min，此时为中速运行阶段，选择氢氨双燃料化学计量比燃烧；ECU(E)根据空气体积流量传感器(2)的第五信号(A5)，输出第四信号(A4)至氢气喷嘴和输出第三信号(A3)至氨气喷嘴(11)，使过量空气系数λ＝1；氢氨的掺混比例M的控制逻辑为M＝0.1*((n-2000)/2000+P/100)；
当转子机转速4000r/min＜n≤8000r/min，此时为高速运行阶段，选择氢氨双燃料化学计量比燃烧；ECU(E)根据空气体积流量传感器(2)的第五信号(A5)，输出第四信号(A4)至氢气喷嘴和输出第三信号(A3)至氨气喷嘴(11)，使过量空气系数λ＝1；氢氨的掺混比例M的控制逻辑为M＝0.2*((n-4000)/4000+P/100)；
当转子机转速n＞8000r/min，此时转速过高，ECU(E)输出第四信号(A4)至氢气喷嘴和输出第三信号(A3)至氨气喷嘴(11)，使两喷嘴停止氢气与氨气喷射，当转速恢复至8000r/min以下时恢复燃料供应；
过量空气系数λ＝Vair/(VH2*2.38+VNH3*3.57)，氢氨掺混比例M＝VNH3/(VNH3+VH2)；
其中，Vair为空气体积流量，VH2为氢气体积流量，VNH3为氨气体积流量。
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局部进气条件下空气涡轮火箭发动机掺混燃烧研究;李文龙等;《推进技术》;20130912(第09期);全文 *

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