專利名稱：一種用于氫內(nèi)燃機的供氫控制設備的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種用于氫內(nèi)燃機的供氫控制設備，具體來說涉及一種用 于氫內(nèi)燃機的自適應式供氫壓力調(diào)節(jié)裝置。
背景技術(shù)：
隨著石油資源的減少、石油價格不斷上漲以及排放法規(guī)不斷加嚴，我 國根據(jù)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略已經(jīng)將氫能定為新世紀的車用替代能源之一。氫能 源動力的發(fā)展目前的一個主要方向是氫發(fā)動機。
對于氫發(fā)動機，其可燃混合氣濃度范圍寬廣，當量濃度變化范圍在
0.3 1.5，在不同的化學當量比附近燃燒速度相差6倍以上。如圖1所示，顯 示了氫氣和汽油的層流燃燒速度隨燃料當量濃度的變化規(guī)律，對比兩曲線 的變化趨勢可知，氫氣的可燃當量濃度范圍比汽油寬廣許多，其層流燃燒 速度也遠大于汽油。于是，對于氫發(fā)動機，在進氣空氣量一定的情況下， 噴氫量變化范圍大，同時氫氣密度低導致體積流量變大，因此對噴氫系統(tǒng) 要求很高。
在進氣道噴射式氫內(nèi)燃機中，在較大的噴氫脈寬時，循環(huán)噴氫量隨著 噴射脈寬的增加而增加，基本呈現(xiàn)線性變化規(guī)律，在較小的噴氫脈寬時， 循環(huán)噴氫量不再呈現(xiàn)出隨噴氫脈寬變化的線性規(guī)律，噴射變得不穩(wěn)定。當 改變氫氣噴射壓力時，噴嘴的流量隨著噴射壓力的增加，循環(huán)噴氫量明顯 增加，且呈線性關(guān)系。另外，根據(jù)噴嘴特性的線性變化規(guī)律，要獲得氫內(nèi) 燃機的大功率輸出，必然需要加大循環(huán)噴氫量，必須使用更大的噴氫脈寬， 會引發(fā)噴氫持續(xù)期明顯加長，引起氫內(nèi)燃機的回火，根據(jù)氫內(nèi)燃機不同工 況運行特性要求，總結(jié)出噴射開啟角和關(guān)閉角的最佳角度。也就是說，在 一定的轉(zhuǎn)速下具有一確定噴氫持續(xù)期角度。于是在給定轉(zhuǎn)速下，在這個確 定角度的約束下，只有提高氫氣軌道壓力，才能進一步增加氫內(nèi)燃機的功率輸出。
在進氣道噴射式氫內(nèi)燃機工作過程中，受噴嘴流量特性限制和全工況 下噴氫量需求的不同，傳統(tǒng)固定壓力供氫方式難以解決怠速、小負荷工況 運轉(zhuǎn)下氫氣噴射不穩(wěn)定和高速、大負荷時功率、扭矩輸出不足等問題。這 是由于傳統(tǒng)進氣道噴射式氫內(nèi)燃機中供氫穩(wěn)壓軌壓力保持恒定，氫噴嘴只 能在固定的壓力下工作，受其流量特性限制，最小的怠速噴氫持續(xù)期Un不 得小于其電磁閥響應時間tO ，否則噴嘴工作不穩(wěn)定；其最大噴氫持續(xù)期受 氣門正時及回火等因素限制，不同轉(zhuǎn)速下對應著不同的上限值t,，因此噴 氫持續(xù)期只能在t^和t^之間調(diào)整。于是，在固定的氫噴射壓力較高以滿足 在高轉(zhuǎn)速下輸出更高的功率時，當氫發(fā)動機處于怠速小負荷工況的狀態(tài)下， 由于所需循環(huán)噴氫量較少，而循環(huán)噴氫量取決于噴氫持續(xù)期和噴射壓力， 因此在固定的氫噴射壓力較高時就會得到較小的怠速噴氫持續(xù)期t^，從而 很難保持怠速噴氫持續(xù)期Un大于t。，以為避免噴嘴工作不穩(wěn)定導致氫發(fā)動 機功率、轉(zhuǎn)速產(chǎn)生波動。而為了保證怠速噴氫持續(xù)期t^大于t。，就會限制 固定氫噴射壓力的增大，于是當氫發(fā)動機工作在高轉(zhuǎn)速大負荷工況時，不 利于滿足氫發(fā)動機最大流量要求和保證氫內(nèi)燃機功率、扭矩輸出。
因此設計出一種性能良好的用于氫內(nèi)燃機的自適應式供氫壓力調(diào)節(jié)系 統(tǒng)和控制方法可以按氫內(nèi)燃機不同運行工況時時調(diào)整供氫壓力，還可以實 現(xiàn)噴氫時刻、噴氫持續(xù)期的電子控制，有效控制回火、降低N0X排放，滿 足氫內(nèi)燃機全工況穩(wěn)定運轉(zhuǎn)要求，具有重大實用價值。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種用于氫內(nèi)燃機的自適應式供氫壓力調(diào)節(jié)裝 置，此裝置不僅可以按氫內(nèi)燃機運行工況對噴射壓力進行閉環(huán)控制，而且 能夠?qū)姎鋾r刻、噴氫持續(xù)期進行調(diào)節(jié)，并最終實現(xiàn)氫內(nèi)燃機在各個工況 下的穩(wěn)定運轉(zhuǎn)。
本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的，用于氫內(nèi)燃機的供氫控 制設備提供了用于提供氫氣的氫源，用于對來自氫源的氫氣進行減壓的減壓裝置，用于對來自減壓裝置的氫氣進行壓力調(diào)節(jié)的調(diào)壓裝置，用于將來 自調(diào)壓裝置的氫氣噴射到氫內(nèi)燃機中以便進行燃燒的氫氣噴射裝置以及用 于控制所述調(diào)壓裝置的控制操作的控制裝置，所述控制裝置根據(jù)氫內(nèi)燃機 的運行工況可變地確定當前工況下的目標噴射壓力和相應的噴射持續(xù)期， 并通過指令信號控制調(diào)壓閥使噴射裝置的實際噴射壓力符合所述目標噴射 壓力。所述控制裝置是中央電子控制單元，所述中央電子控制單元采集內(nèi) 燃機的轉(zhuǎn)速信號、油門位置信號及氫氣穩(wěn)壓軌壓力信號并確定氫內(nèi)燃機當 前的運行工況和當前工況下的目標噴射壓力。所述氫氣噴射裝置包括與所 述調(diào)壓裝置通過管路相連的氫氣穩(wěn)壓軌和與氫起穩(wěn)壓軌相連的噴氫噴嘴， 用于將穩(wěn)壓軌中的氫氣在實際噴射壓力下噴射到氫內(nèi)燃機的進氣道中。所 述氫源包括高壓儲氣瓶，所述減壓裝置包括一級減壓閥，和所述調(diào)壓裝置 包括電控調(diào)壓闊。所述控制裝置在氫內(nèi)燃機處于怠速和小負荷工況時，確
定目標噴射壓力為最低穩(wěn)定壓力Pmin，同時確定采用最短的噴氫持續(xù)期； 以及所述控制裝置在氫內(nèi)燃機處于額定轉(zhuǎn)速和全負荷工況時，確定目標噴
射壓力為最高噴氫壓力Pmax，同時確定采用最長的噴氫持續(xù)期。 在氫內(nèi)燃機處于中間工況時，隨轉(zhuǎn)速和負荷的增大，所述控制裝置增大所 確定的目標噴射壓力，其中所述目標噴射壓力處于最低穩(wěn)定壓力Pmin和最 高噴氫壓力Pmax之間，同時增大所確定出相應的噴氫持續(xù)期。在氫內(nèi)燃機 處于處于急加速工況時，所述控制裝置增大所確定的目標噴射壓力并減小 噴氫持續(xù)時間。 有益效果
采用本發(fā)明可以按氫內(nèi)燃機不同運行工況時時調(diào)整供氫壓力，還可以 實現(xiàn)噴氫時刻、噴氫持續(xù)期的電子控制，有效控制回火、降低N0x排放， 滿足氫內(nèi)燃機全工況穩(wěn)定運轉(zhuǎn)要求，具有重大實用價值。


圖1為在氫發(fā)動機和汽油發(fā)動機中氫氣和汽油的層流燃燒速度隨燃料 當量濃度的變化規(guī)律。
6圖2為對于氫發(fā)動機，氫噴嘴流量隨脈寬信號的變化規(guī)律。
圖3為對于氫發(fā)動機，氫噴嘴流量隨噴射壓力變化的特性曲線。
圖4為對于氫發(fā)動機，對氫氣噴射開啟角、關(guān)閉角隨發(fā)動機轉(zhuǎn)速變化
而采取的控制策略示意圖。
圖5為本發(fā)明的氫內(nèi)燃機自適應式供氫系統(tǒng)原理圖。
圖6為本發(fā)明的噴氫壓力隨發(fā)動機轉(zhuǎn)速、負荷的變化應采取的控制策
略示意圖。
圖中l(wèi).氫氣瓶，2.電動截止閥，3.—級減壓閥，4.電控調(diào)壓閥，5. 阻火器，6.壓力表，7.瞬態(tài)壓力傳感器，8.氫氣穩(wěn)壓軌，9.氫噴嘴，10.油 門踏板，11.電子控制單元(ECU)， 12.曲軸位置傳感器，13.氫氣管路，14. 控制線束，15.發(fā)動機機體。
具體實施例方式
圖5顯示了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的用于氫發(fā)動機的自適應供氫系 統(tǒng)，該系統(tǒng)包括存儲氫的氫氣瓶1，來自氫氣瓶1的氫經(jīng)過電動截止閥2達 到一級減壓閥3，經(jīng)一級減壓后氫氣壓力一般為5 8bar左右，然后經(jīng)過一 級減壓的氫氣到達電控調(diào)壓閥4，電子控制單元(ECU) 11和電控調(diào)壓閥4 保持電連接以便電控調(diào)壓閥4執(zhí)行控制，從而從調(diào)壓閥輸出的理想壓力氫 氣經(jīng)過阻火器5流入氫氣穩(wěn)壓軌8并最終到達氫氣噴嘴9前端，最終根據(jù) 噴射正時和噴射持續(xù)期噴嘴將氫氣噴如到內(nèi)燃機的機體15的氣缸的燃燒室 內(nèi)部。該系統(tǒng)還包括一組用于氫內(nèi)燃機及氫供應系統(tǒng)的傳感器，例如曲軸 位置傳感器12、測量油門踏板10操作量的位置傳感器，測量調(diào)壓閥4內(nèi)部 的瞬態(tài)壓力的壓力傳感器7以及測量調(diào)壓閥輸出壓力的壓力表或者壓力傳 感器6等。上述傳感器與中央電子控制單元(ECU)保持電連接，從而向ECU 輸送傳感器的檢測消息。另外，該系統(tǒng)還包括一組提供從氫源1到氫氣噴 嘴9的管路。
整個系統(tǒng)的工作過程是首先電子控制單元(ECU) ll采集氫內(nèi)燃機轉(zhuǎn) 速信號(曲軸位置傳感器12)、油門踏板10位置信號及氫氣穩(wěn)壓軌壓力信號，判斷氫發(fā)動機的當前工況；然后電子控制單元(ECU) 11經(jīng)過計算確定 當前工況下目標噴射壓力并轉(zhuǎn)化為對應的指令信號控制電控調(diào)壓閥4，調(diào)節(jié) 氫氣穩(wěn)壓軌壓力即噴嘴前端的實際噴射壓力至目標噴射壓力。噴氫量隨脈 寬增大線性增加(如圖2所示)同時確定合適的噴氫時刻與噴氫持續(xù)期， 控制其噴射過程，及時滿足發(fā)動機對氫氣流量的需求，從而實現(xiàn)了對噴射 壓力的閉環(huán)控制和氫內(nèi)燃機在全工況下的穩(wěn)定運轉(zhuǎn)。下面具體描述電子控 制單元(ECU)在氫發(fā)動機處于下面不同工況下的操作過程
(1) 當氫發(fā)動機處于怠速和小負荷工況時，電子控制單元(ECU)控 制電控調(diào)壓閥4使氫氣穩(wěn)壓軌壓力(即噴射壓力)維持在最低穩(wěn)定壓力Pmiri， 同時控制噴嘴采用較短的噴氫持續(xù)期tmin，受到噴嘴流量特性限制，最小 噴氫持續(xù)期train應大于其電磁閥響應時間t0 (如圖2所示)。在一定的供 氫壓力下若tmin無法滿足發(fā)動機因轉(zhuǎn)速和負荷降低導致的氫氣流量需求減 小時，可通過適當?shù)慕档凸鋲毫?，增大噴氫持續(xù)期來實現(xiàn)，即ECU發(fā)出 指令信號控制電控調(diào)壓閥，調(diào)節(jié)氫氣穩(wěn)壓軌壓力至理想值，同時確定合適 的噴氫時刻與噴氫持續(xù)期，及時滿足發(fā)動機此的氫氣流量需求。
(2) 當氫發(fā)動機處于額定轉(zhuǎn)速和負荷工況時，電子控制單元(ECU) 控制電控調(diào)壓閥4使氫氣穩(wěn)壓軌壓力(即噴射壓力)維持在最高噴射壓力 Pmax，同時控制噴嘴采用最長的噴氫持續(xù)期tmax;當最大噴氫持續(xù)期tmax 受到氣門正時的限制無法滿足因發(fā)動機轉(zhuǎn)速上升和負荷增大導致的流量需 求增大時，可通過適當?shù)奶岣吖鋲毫韺崿F(xiàn)。
(3) 當氫內(nèi)燃機處于中間工況(額定負荷與最小負荷之間，額定轉(zhuǎn)速 與怠速之間)時，噴射壓力、噴氫持續(xù)期應隨轉(zhuǎn)速、負荷的提高而增大， 根據(jù)氫內(nèi)燃機工況的變化，ECU控制電控調(diào)壓閥使噴射壓力P在上述Pmin 和Pmax之間變動，同時對電控噴嘴輸出相應的噴氫時刻及噴氫持續(xù)期。此 時在本發(fā)明的一個實施例中，電子控制單元(ECU)根據(jù)如圖6所示的關(guān)系 控制電控調(diào)壓閥4，隨轉(zhuǎn)速、負荷增加噴氫壓力應加大，隨轉(zhuǎn)速、負荷減小 噴氫壓力應降低，基本呈現(xiàn)線性變化規(guī)律。
(4) 當氫內(nèi)燃機處于減速工況(即轉(zhuǎn)速高于怠速，如摘檔、剎車等工
8況)時，停止噴氫。
(5)當氫內(nèi)燃機處于急加速工況時，為了防止回火應及時減小噴氫持 續(xù)時間并提高噴射壓力，以增大噴氫量及時滿足發(fā)動機的氫氣流量需求。
本發(fā)明的優(yōu)點在于通過對氫內(nèi)燃機燃料噴射壓力的閉環(huán)控制，實現(xiàn) 了供氫壓力的自適應調(diào)節(jié)，不僅改善了其怠速小負荷工況時的運轉(zhuǎn)不穩(wěn)定 狀況，而且提高了其高速大負荷時的功率、扭矩輸出，同時有效的降低了
N0X排放，實現(xiàn)了氫內(nèi)燃機在全工況下的穩(wěn)定運轉(zhuǎn)。
盡管結(jié)合上述優(yōu)選實施例來描述了本發(fā)明，但是應該知道，本發(fā)明不 局限于所公開的實施例，本發(fā)明實施例所用調(diào)壓閥可以使用電動、氣動及 其它驅(qū)動方式。本發(fā)明實施例提出的氫氣噴嘴流通特性及控制方式也適用 于其它氣體燃料噴射器。本發(fā)明實施例所提供的自適應式壓力調(diào)解裝置和 方法可以用于其它氣體燃料發(fā)動機的動態(tài)壓力調(diào)節(jié)。本發(fā)明還可以覆蓋各 種改進和落入本發(fā)明要求保護的精神實質(zhì)和范圍內(nèi)的等同布置。
權(quán)利要求
1.一種用于氫內(nèi)燃機的供氫控制設備，其特征在于所述設備包括用于提供氫氣的氫源；用于對來自氫源的氫氣進行減壓的減壓裝置；用于對來自減壓裝置的氫氣進行壓力調(diào)節(jié)的調(diào)壓裝置；用于將來自調(diào)壓裝置的氫氣噴射到氫內(nèi)燃機中以便進行燃燒的氫氣噴射裝置；以及用于控制所述調(diào)壓裝置的調(diào)壓操作的控制裝置，該控制裝置根據(jù)氫內(nèi)燃機的運行工況可變地確定當前工況下的目標噴射壓力和相應的噴射持續(xù)期，并通過指令信號控制調(diào)壓閥調(diào)節(jié)輸出的壓力使噴射裝置的實際噴射壓力符合所述目標噴射壓力。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制設備，其特征在于，所述控 制裝置是中央電子控制單元，所述中央電子控制單元采集內(nèi)燃機 的轉(zhuǎn)速信號、油門位置信號及氫氣穩(wěn)壓軌壓力信號并確定氫內(nèi)燃 機當前的運行工況和當前工況下的目標噴射壓力，以及相應的噴 射持續(xù)期。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制設備，其特征在于，所述氫 氣噴射裝置包括與所述調(diào)壓裝置通過管路相連的氫氣穩(wěn)壓軌和 與氫氣穩(wěn)壓軌相連的噴氫噴嘴，用于將穩(wěn)壓軌中的氫氣在實際噴 射壓力下噴射到氫內(nèi)燃機的進氣道中。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制設備，其特征在于，所述氫 源包括高壓儲氣瓶，所述減壓裝置包括一級減壓閥，所述調(diào)壓裝 置包括電控調(diào)壓閥。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1一4之一所述的控制設備，其特征在于， 所述控制裝置在氫內(nèi)燃機處于怠速和小負荷工況時，確定目標噴 射壓力為最低穩(wěn)定壓力，同時確定采用最短的噴氫持續(xù)期；以及 所述控制裝置在氫內(nèi)燃機處于額定轉(zhuǎn)速和全負荷工況時，確定目 標噴射壓力為最高噴氫壓力，同時確定采用最長的噴氫持續(xù)期。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的控制設備，其特征在于，在氫內(nèi) 燃機處于中間工況時，隨轉(zhuǎn)速和負荷的增大，所述控制裝置增大 所確定的目標噴射壓力，其中所述目標噴射壓力處于最低穩(wěn)定壓 力和最高噴氫壓力之間，同時增大所確定出相應的噴氫持續(xù)期。
7. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的控制設備，其特征在于，在氫內(nèi) 燃機處于急加速工況時，所述控制裝置增大所確定的目標噴射壓 力并減小噴氫持續(xù)時間。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于氫內(nèi)燃機的供氫控制設備，包括用于提供氫氣的氫源；用于對來自氫源的氫氣進行減壓的減壓裝置；用于對來自減壓裝置的氫氣進行壓力調(diào)節(jié)的調(diào)壓裝置；用于將來自調(diào)壓裝置的氫氣噴射到氫內(nèi)燃機中以便進行燃燒的氫氣噴射裝置；以及用于控制所述調(diào)壓裝置的控制操作的控制裝置，該控制裝置根據(jù)氫內(nèi)燃機的運行工況可變地確定當前工況下的目標噴射壓力和相應的噴射持續(xù)期，并通過指令信號控制調(diào)壓閥使噴射裝置的實際噴射壓力符合所述目標噴射壓力。本發(fā)明可以按氫內(nèi)燃機不同運行工況時時調(diào)整供氫壓力，實現(xiàn)供氫壓力的自適應調(diào)節(jié)，有效控制回火、降低NOx排放，滿足氫內(nèi)燃機全工況穩(wěn)定運轉(zhuǎn)要求。
文檔編號F02M21/02GK101560931SQ200810183239
公開日2009年10月21日 申請日期2008年12月12日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月12日
發(fā)明者劉興華, 劉福水, 孫柏剛, 張冬生 申請人:北京理工大學