CN114017178A - 一种稀薄燃烧控制方法、控制装置及氢气发动机*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种稀薄燃烧控制方法、控制装置及氢气发动机***，稀薄燃烧控制方法包括在压缩冲程中，进行第一阶段喷氢和第一次点火；在做功冲程中，先进行第二阶段喷氢，再进行第二次点火。控制装置包括处理器以及存储有可在所述处理器上运行的计算机程序的存储器，所述存储器执行所述计算机程序时实现上述的稀薄燃烧控制方法。氢气发动机***包括上述控制装置。本发明涉及发动机技术领域，提供了一种稀薄燃烧控制方法、控制装置及氢气发动机***，将要排出的气体(废气)会因第二阶段喷氢和点火而进行加热，以提高废气焓值，高焓值的废气会推动涡轮机做工，提高压气机的增压压力，增加发动机的进气量，满足氢气发动机对进气量的需求。
Description
技术领域
本文涉及发动机技术领域，尤指一种稀薄燃烧控制方法、控制装置及氢气发动机***。
背景技术
稀薄燃烧技术是氢气发动机节能减排的有效手段之一，稀薄燃烧技术可有效降低发动机燃烧过程中的爆震倾向，同时还能降低燃烧温度，提高发动机热效率，减少污染物排放。但是，氢气燃烧的理论空燃比远高于汽油和柴油等传统化石燃料，在相同的工作负荷下，氢气发动机的进气量需求因此远大于汽油发动机，稀燃技术的应用则进一步提高了发动机对空气的需求量。
同时，稀燃发动机排气温度较低(大约600℃)，工质进入涡轮时焓值较低，涡轮增压器难以从工质中获取充足的能量，造成增压器增压压力较低，进气量受到限制，与氢气稀燃发动机对进气量的需求存在较大差距，发动机的稀燃程度及动力性受到较大局限。
目前，针对上述难题主要的解决方案是采用二级增压或者双增压***，或者采用排气管绝热技术，但是两种方法都存在缺陷。首先，二级增压或双增压方案***整体复杂，占用空间大，而排气管绝热技术仅能减少废气在排气管路中的部分能量损失，与发动机的需求仍有较大差距。
发明内容
本申请提供了一种稀薄燃烧控制方法，应用于具有涡轮增压器的氢气发动机，所述方法包括：
在氢气发动机工作周期的压缩冲程中，进行第一阶段喷氢和第一次点火；
在氢气发动机工作周期的做功冲程中，先进行第二阶段喷氢，再进行第二次点火。
一种可能的设计，所述第二阶段喷氢过程中喷出的氢气量设置为小于所述第一阶段喷氢过程喷出的氢气量。
一种可能的设计，所述第二阶段喷氢的开始时刻在排气门开启之前，与排气门开启时刻的时间间隔设置为10-60゜曲轴转角。
一种可能的设计，所述第二阶段喷氢的开始时刻与所述第一阶段喷氢的开始时刻的时间间隔至少为180゜曲轴转角。
一种可能的设计，所述第二阶段喷氢的开始时刻与所述第一次点火的时刻的时间间隔为60-100゜曲轴转角。
一种可能的设计，所述第二点火的时刻在排气门开启之前，距离排气门开启的时刻的时间间隔为0-5゜曲轴转角。
一种可能的设计，所述第二次点火采用点火装置点火或表面点火。
一种可能的设计，所述第一阶段喷氢设置为一次性或分多次喷出预设体积的氢气。
一种可能的设计，所述第二阶段喷氢为一次性或分多次喷出预设体积的氢气。
一种可能的设计，在排出气体的焓值大于或等于预设焓值时，所述第二阶段喷氢过程中喷出的氢气量为M；在排出气体的焓值小于预设焓值时，所述第二阶段喷氢过程中喷出的氢气量为N，N＝K×M，K为比例系数，1＜K≤5。
本申请提供了一种氢气发动机的控制装置，包括处理器以及存储有可在所述处理器上运行的计算机程序的存储器，其中，所述存储器执行所述计算机程序时实现上述的稀薄燃烧控制方法。
本申请提供了一种氢气发动机***，包括氢气发动机、排气管路、进气管路、中冷器、涡轮增压器，所述氢气发动机设有点火装置和喷射装置，还包括上述的控制装置，所述控制装置分别与所述点火装置和喷射装置电连接。
本申请的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本申请而了解。本申请的其他优点可通过在说明书以及附图中所描述的方案来实现和获得。
附图说明
附图用来提供对本申请技术方案的理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本申请的技术方案，并不构成对本申请技术方案的限制。
图1为本申请实施例的氢气发动机***示意图；
图2为图1中的氢气发动机***燃料喷射及点火时序示意图；
图3为本申请实施例的稀薄燃烧示意图。
附图标号说明：
1-节气门、2-中冷器、3-压气机、4-进气歧管、5-氢气喷射器、6-燃烧室、7-火花塞、8-排气歧管、9-涡轮机、10-排放后处理装置、11-发动机本体。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为了解决氢气发动机因进气量受限而造成的稀燃程度及动力性受到较大局限问题，相关的氢气发动机会采用二级增压或者双增压***，或者采用排气管绝热技术，但是两种方法不是结构复杂，占用空间大，就是收效甚微，都不能理想。
请参照图2和图3，本发明一实施例的稀薄燃烧控制方法，应用于具有涡轮增压器的氢气发动机，针对一个工作周期，在压缩冲程中，进行第一阶段喷氢和第一次点火；在做功冲程中，先进行第二阶段喷氢，再进行第二次点火，以提升发动机排出气体的焓值。由此，将要排出的气体(废气)会因第二阶段喷氢和点火而进行加热，以提高废气焓值，高焓值的废气会推动涡轮机做工，提高压气机的增压压力，增加发动机的进气量，满足氢气发动机对进气量的需求。
如图1所示，该稀薄燃烧控制方法应用于氢气发动机，形成的氢气发动机***包括发动机本体11(氢气发动机)、进气管路、排气管路和涡轮增压器，其中，进气管路通过进气歧管4连接至发动机本体11，以为发动机本体11供应新鲜空气，而进气门(图中未示出)可控制进气歧管4与发动机本体11的燃烧室6的连通；排气管路通过排气歧管8也连接至发动机本体11，以引出燃烧后的废气，而排气门(图中未示出)可控制进气歧管4与发动机本体11的燃烧室6的连通。涡轮增压器包括设置在排气管路上的涡轮机9以及设置在进气管路上的压气机2，该涡轮机9可带动压气机2运行而提升进气量，该涡轮机9则是由流过其的气体获取能量，过其的气体的焓值影响其运行，由此，氢气发动机排出气体的焓值较低会使得涡轮增压器增压压力较低，进气量受到限制。具体地，该发动机本体11上设有喷射装置和点火装置，其中，喷射装置为多个氢气喷射器5，可获取燃料箱内的氢气并喷入到燃烧室6内，点火装置由多个火花塞7构成，可点燃氢气与空气的混合气体。另外，进气管路上还设有中冷器3，该中冷器3与涡轮增压器配套，可降低增压后的高温空气温度，以降低发动机的热负荷，提高进气量，进而增加发动机的功率；排气管路上还设有排放后处理装置10，其可优化排放的废气。
由上述可知，该氢气发动机由压气机2将新鲜空气压入进气管路，经过中冷器3后进入排气歧管4，在进气门打开后进入燃烧室6中，进气门关闭后氢气可被氢气喷射器5喷入燃烧室6，混合空气形成可燃混合气，在上止点前由火花塞7进行点火，燃烧后，废气会经排气门进入排气歧管8，并流向涡轮机9，推动涡轮机7转动，涡轮机7则带动压气机2转动，建立增压压力。由此，气体依次经过进气管路、发动机本体11、排气管路。
该氢气发动机的工作周期中活塞在上下止点反复运动，具有四个冲程，如图2所示，即依次进行的吸气冲程、压缩冲程、做功冲程和排气冲程。在吸气冲程中，进气门打开，空气进入燃烧室6内；在压缩冲程中，活塞向上止点运动，压缩混合气体；在做功冲程中，被点燃的混合气体燃烧推动活塞向下止点运动；在排气冲程中，排气门打开，活塞向上止点运动，气体被排出到排气管路内。
如图1至图3所示，该氢气发动机***依据稀薄燃烧控制方法，由压气机2将新鲜空气压入进气管路，经过中冷器3后进入排气歧管4，进气门打开后，进入吸气冲程，新鲜空气进入燃烧室6中，活塞向下止点运动。随后进入压缩冲程，活塞向上止点运动，进气门关闭，氢气可被氢气喷射器5喷入燃烧室6，形成第一阶段喷氢，混合空气形成可燃混合气，第一阶段喷氢为氢气喷射器5一次性喷出预设体积的氢气，在压缩冲程末段(活塞即将到达上止点前)由火花塞7进行点火，形成第一次点火。接着进行做功冲程，被点燃的混合气体燃烧推动活塞向下止点运动，在活塞到达下止点前(排气门打开前)，混合气体已燃烧完毕后，氢气喷射器5向燃烧室6内喷入少量氢气，该氢气量远小于第一喷氢的氢气量，并在随后利用火花塞7进行点火，形成第二次点火，混合气被点燃，提升气体的焓值。随后排气门开启，进入排气冲程，燃烧中的高温燃气迅速进入排气歧管8，提高排气道中工质的焓值，明显提升涡轮机9的转速，提高压气机2增压压力，增加进气歧管4中的空气流量，提升氢气发动机的动力性。另外，氢气燃烧过程中火焰传播速度快，燃烧持续时间短的特性可避免可燃混合气在燃烧终止前进入涡轮机9而对涡轮机9造成过大的热负荷。
在一些示例性实施例中，第二次点火采用表面点火，表面点火是指不依靠电火花点火，而是由于炽热表面(如过热的火花塞绝缘体和电极、排气门、更多的是燃烧室表面炽热的沉积物)点燃混合气而引起的不正常燃烧现象。
在如图2所示，A点为第一阶段喷氢过程的开始时刻，B点为第一点火的时刻，C点为第二阶段喷氢过程的开始时刻，D点位第二点火的时刻。其中，第二阶段喷氢的开始时刻(C点)与排气门开启时刻的时间间隔设置为10-60゜曲轴转角。第二阶段喷氢的开始时刻(C点)与第一阶段喷氢的开始时刻(A点)相距较远，两者的时间间隔至少为180゜曲轴转角，而且第二阶段喷氢的开始时刻(C点)与第一次点火的时刻(B点)的时间间隔为60-100゜曲轴转角。另外，第二次点火的时刻(D点)接近排气门开启的时刻，距离排气门开启的时刻的时间间隔为0-5゜曲轴转角。
在一些示例性实施例中，第一阶段喷氢过程包括间隔进行的多次喷射，多次喷射的氢气，第一次点火也非火花塞一次点火，而是多次，并在一次喷射后进行一次点火。
在一些示例性实施例中，第二阶段喷氢过程为氢气喷射器5一次性喷出预设的氢气，或者间隔进行的多次喷射氢气。
在一些示例性实施例中，通过调整第二阶段喷氢的喷射时刻和喷射量可快速调整二次燃烧的混合气浓度及在发动机本体11中分布区域，根据发动机进气量的需求可对涡轮机9的转速进行有效控制，从而调整压气机2的增压压力。例如，在排出气体的焓值大于或等于预设焓值时，第二阶段喷氢过程中喷出的氢气量为M，而在排出气体的焓值小于预设焓值时，第二阶段喷氢过程中喷出的氢气量为N，N＝K×M，K为比例系数，1＜K≤5。
在一些示例性实施例中，一种控制装置包括处理器以及存储有可在处理器上运行的计算机程序的存储器，其中，存储器执行计算机程序时实现上述的稀薄燃烧控制方法。上述氢气发动机***，包括上述的控制装置，该控制装置分别与点火装置和喷射装置电连接，可控制各自动作。
上述实施例的稀薄燃烧控制方法，可在燃烧室6内工质燃烧结束到排气门开启时刻之间在气缸内喷入少量氢气并进行二次点火，氢气燃烧放热对排出排气门的工质进行加热，以提高废气焓值，推动涡轮机做工，提高涡轮增压器的增压压力，增加进气量。而且，该氢气发动机***不用增加额外硬件和燃料存储***，无额外成本，而且可以根据需求，调整第二阶段喷氢的量及点火时刻来满足不同的焓值提升程度，有效提升发动机动力性及整车加速性。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (12)
1.一种稀薄燃烧控制方法，应用于具有涡轮增压器的氢气发动机，所述方法包括：
在氢气发动机工作周期的压缩冲程中，进行第一阶段喷氢和第一次点火；
在氢气发动机工作周期的做功冲程中，先进行第二阶段喷氢，再进行第二次点火。
2.根据权利要求1所述的稀薄燃烧控制方法，其特征在于，所述第二阶段喷氢过程中喷出的氢气量设置为小于所述第一阶段喷氢过程喷出的氢气量。
3.根据权利要求2所述的稀薄燃烧控制方法，其特征在于，所述第二阶段喷氢的开始时刻在排气门开启之前，与排气门开启时刻的时间间隔设置为10-60゜曲轴转角。
4.根据权利要求3所述的稀薄燃烧控制方法，其特征在于，所述第二阶段喷氢的开始时刻与所述第一阶段喷氢的开始时刻的时间间隔至少为180゜曲轴转角。
5.根据权利要求3所述的稀薄燃烧控制方法，其特征在于，所述第二阶段喷氢的开始时刻与所述第一次点火的时刻的时间间隔为60-100゜曲轴转角。
6.根据权利要求3项所述的稀薄燃烧控制方法，其特征在于，所述第二点火的时刻在排气门开启之前，距离排气门开启的时刻的时间间隔为0-5゜曲轴转角。
7.根据权利要求1-6任一项所述的稀薄燃烧控制方法，其特征在于，所述第二次点火采用点火装置点火或表面点火。
8.根据权利要求1-6任一项所述的稀薄燃烧控制方法，其特征在于，所述第一阶段喷氢设置为一次性或分多次喷出预设体积的氢气。
9.根据权利要求1-6任一项所述的稀薄燃烧控制方法，其特征在于，所述第二阶段喷氢为一次性或分多次喷出预设体积的氢气。
10.根据权利要求1-6任一项所述的稀薄燃烧控制方法，其特征在于，在排出气体的焓值大于或等于预设焓值时，所述第二阶段喷氢过程中喷出的氢气量为M；在排出气体的焓值小于预设焓值时，所述第二阶段喷氢过程中喷出的氢气量为N，N＝K×M，K为比例系数，1＜K≤5。
11.一种氢气发动机的控制装置，包括处理器以及存储有可在所述处理器上运行的计算机程序的存储器，其中，所述存储器执行所述计算机程序时实现如权利要求1-10任一项所述的稀薄燃烧控制方法。
12.一种氢气发动机***，包括氢气发动机、排气管路、进气管路、中冷器、涡轮增压器，所述氢气发动机设有点火装置和喷射装置，其特征在于，还包括如权利要求11所述的控制装置，所述控制装置分别与所述点火装置和喷射装置电连接。
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2021
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