专利名称：氢燃料内燃机回火预防与异常燃烧抑制方法
技术领域：
本发明涉及一种氢燃料内燃机的回火预防与异常燃烧抑制方法，属于氢内燃机控制技术领域。
背景技术：
氢燃料以其在能源和环保两方面的独特优势及用于车辆的良好性能被认为是最具前景的未来车辆发动机的主导燃料，发达国家高度重视。由于氢燃料与石油燃料的物化特性有着明显的差异，采取进气管式低压氢喷射系统组织氢发动机的混合气形成和燃烧， 较易出现早燃、回火。早燃是指氢空气混合气在点火之前被缸内炽热点点燃而开始燃烧的现象，早燃使燃烧失控，并且使传热损失增加和发动机过热，容易使进气阀/门处温度升高和过热，从而引起进气管回火，所以早燃易引起回火。所谓进气管回火，是指在进气过程中， 进气门尚未关闭时，缸内火焰传播到进气管并引燃进气管内的氢空气混合气，或进气管内的氢空气混合气被缸内或进气门热点点燃的一种不正常燃烧现象。回火一般伴随着早燃而发生，通常发生在较浓混合气工况，高速时更易于发生。当氢发动机发生回火时，正常的工作过程遭到破坏，功率下降，经济性变差，严重时使发动机熄火。因此必须抑制氢发动机的回火。有别于传统石油燃料发动机的不正常燃烧，如汽油机的早燃、爆燃，或柴油机的工作粗暴，氢气火焰传播速度极快和着火范围宽广的特点使得氢发动机容易出现早燃，并且与回火互相转换，使得氢发动机异常燃烧更具有瞬间突发性，也更为复杂。也直接影响到氢发动机的动力性、经济性及有害气体排放。再有，与石油燃料相比，一方面由于氢的密度很小，导致功率下降较多，尽管当量比增加可以使得氢发动机功率增加，但是这将导致发生回火、早燃等异常燃烧的趋势增加。缸内喷射虽可消除回火，在高压空气中，氢气密度小使得喷束射程短，混合气形成和燃烧组织难度增加，增加喷束射程还有气体喷射的润滑问题使得高压喷氢系统设计极为困难。氢燃料发动机要解决各种性能之间，如提高功率、改善燃烧效率与降低NOx的矛盾以外，还必须协调解决异常燃烧与上述性能之间的矛盾。
发明内容
本发明的目的是提供一种氢燃料内燃机回火预防与异常燃烧抑制方法，以解决有效预防和抑制氢燃料发动机的早燃、回火等异常燃烧问题，并兼顾优化发动机的动力性和经济性。为实现上述目的，本发明的氢燃料内燃机回火预防方法使用至少两路喷氢器喷氢，该方法包括以下步骤
(1)喷氢器采用并行分段的工作方式喷氢；
(2)喷氢器最早开始喷氢时刻在进气阀打开以后延时固定时间后喷氢；
(3)喷氢的结束时刻固定在进气阀开始关闭时刻。进一步的，所述步骤(1)中喷氢器采用并行分段的工作方式喷氢是指根据实际喷氢持续期选择启用几路喷氢器，并且所启用的各路喷氢器并行完成喷氢任务。进一步的，所述步骤(3)中各路喷氢器的喷氢结束时刻固定，喷氢器的喷氢开始时刻也相同，除一路喷氢器的其余各路喷氢器的喷氢阀固定在最大喷氢脉宽处，且在最早开始喷氢时刻开始喷氢；剩余的喷氢脉宽由所述一路喷氢器完成。进一步的，所述步骤(3)中喷氢的结束时刻固定在进气阀开始关闭时刻并留有少量余量，以使喷入进气管氢气能够全部进入气缸，在进气管无残留。本发明的氢燃料内燃机异常燃烧抑制方法使用至少两路喷氢器喷氢，该方法包括以下步骤
(1)系统一旦检测到早燃的发生，且早燃强度小于早燃阈值时，就同时使用至少两路喷氢器并行喷氢，其中每路喷氢器承担等量的喷氢脉宽；
(2)当检测到早燃强度大于早燃阈值时，则采取至少两路喷氢器并行喷氢，并且推迟点火正时，同时兼顾发动机性能；
(3)当检测到发生回火，且回火强度小于回火阈值后，采取至少两路喷氢器并行喷氢， 并且直接大幅快速推迟点火正时，不再兼顾发动机性能；
(4)当发生回火超过轻微范围即大于回火阈值后，根据回火程度和发生的工况采取措施若回火发生在大负荷下，采取降低负荷来快速抑制回火；若回火发生在怠速工况下，加大负荷来抑制回火。进一步的，所述步骤(2)中根据早燃程度适度推迟点火，是指将推迟点火与抑制早燃程度、兼顾发动机性能相关联，点火时刻仍处于使发动机动力性与经济性在平缓降低段对应的点火时刻。进一步的，所述步骤(4)中负荷的降低量取决于回火强度。进一步的，所述步骤(4)中如果回火在负荷降低后得到抑制，则发动机稳定运转后逐步恢复负荷直至不降低；如果降低负荷后，回火强度降低不明显，继续降低发动机负荷和减少喷氢脉宽，直至回火现象得以消除。进一步的，所述步骤(4)中负荷的降低和加大采取分段减少或加大的方式。进一步的，所述分段是按照当时当地负荷对应百分数减去10%负荷百分数，分两段或三段均勻递减，或以20%-25%负荷率递减；怠速时按照20%负荷率递增。本发明的氢燃料内燃机回火预防使用多路喷氢系统，采用多路喷氢系统并行喷氢、进气管延时喷氢、固定喷氢结束时刻与推迟点火相结合的方式，来预防异常燃烧的发生。其中延时喷氢不仅避开在进气起始时刻气门叠开角内喷氢，而且尽量减少氢气在进气管内停留时间，还可以通过前期进气冷却进气歧管内部热点，降低混合气被点燃的概率以降低回火发生的概率；延时喷氢取决于允许的最早喷氢起始时刻，最早喷氢起始时刻越早， 回火可能性越大；但最早喷氢起始时刻越晚，喷氢持续时间越短，由此，将增加喷氢系统个数和喷射要求；固定每路最长喷氢持续期的喷氢方式无论负荷大小，每路喷氢起始时刻均不会靠近进阀开启前端的叠开角部分；有效地预防了异常燃烧的发生。本发明的氢燃料内燃机异常燃烧抑制方法使用多路喷氢系统，根据异常燃烧的强度并兼顾发动机的经济性与动力性，分别采取不同的措施来抑制异常燃烧，这样不仅能够有效控制异常燃烧，而且能够最大限度的兼顾发动机的经济性和动力性。
图1是延时喷氢策略；
图2是实施例两个喷氢阀工作原理； 图3是实施例三个喷氢阀工作原理； 图4是多喷氢阀喷氢脉宽分配流程图； 图5是多喷氢阀同时喷射示意图； 图6是早燃抑制度与点火提前角的关系图； 图7是早燃、回火控制子程序。
具体实施例方式一般情况下氢发动机发生回火和氢气喷射正时及持续时间、点火正时关系密切。 氢气喷射进入进气歧管的时候如果遇到气门附近热点，或者遇到气门重叠时废气传入进气歧管，都可能引起混合气在进气管内燃烧，造成回火现象。针对这种情况，使用多路喷氢系统，采用多路喷氢系统并行喷氢、进气管延时喷氢、固定喷氢结束时刻与推迟点火相结合的方式，来预防异常燃烧的发生。本实施例中喷氢系统为三路，喷氢系统氢气分路供给，每一路喷氢系统采用单一电磁阀。采取的具体措施如下
1)根据全负荷喷氢量，折衷确定喷氢分路系统个数和不易发生回火的最大开始喷氢时刻。喷氢最早开始时刻为进气阀打开以后的某一时间后，例如进气2/3行程作为喷氢始点， 这称为延时喷氢。这样不仅避开在进气起始时刻气门叠开角内喷氢，而且尽量减少氢气在进气管内停留时间，还可以通过前期进气冷却进气歧管内部热点，降低混合气被点燃的概率以降低回火发生的概率。然后在进气阀关闭前将氢气喷射完毕，此时快速的进气气流会将绝大部分喷进去的氢气带入到气缸内，尽量减少残留在进气管内的氢气数量，阻碍了回火的形成条件(进气管内有氢气混合气)。具体喷氢情况说明示意图如图1所示。2)理论上喷氢持续期越靠近进气门关闭位置越有利于减少氢气停留在进气管内的时间，对抑制回火越有利。为此采用固定喷氢结束时刻的方案，即无论喷氢脉宽为多少， 喷氢的结束时刻固定在进气阀开始关闭时刻并留有少量余量，根据喷氢脉宽确定喷氢起始时刻。所谓“留有少量余量”是为了保证喷入进气管氢气能够全部进入气缸，在进气管无残留，例如设定喷氢的结束时刻为进气阀开始关闭前5°曲轴转角。固定每路最长喷氢持续期的喷氢方式无论负荷大小，每路喷氢起始时刻均不会靠近进阀开启前端的叠开角部分；有效地预防了异常燃烧的发生。如果采取单路喷氢系统，当负荷增加，或转速增加的过程中， 进气总时间将会变短而喷氢时间相对增加，喷氢起始时刻会不断向前移动，必然会接近气门叠开角，造成回火隐患。3)为此确定允许的最早喷氢起始时刻，最早喷氢起始时刻越早，回火可能性越大； 但最早喷氢起始时刻越晚，喷氢持续时间越短，由此，将增加喷氢系统个数和喷射要求。因此，该最早喷氢起始时刻兼顾以上情况折衷确定，根据全负荷对喷氢量的要求确定喷氢系统个数(本实施例中喷氢系统为3路)，并使每路喷氢系统尽量靠近进气阀座处并沿进气歧管周向均勻分布。因为喷氢结束时刻固定，所以这个最早喷氢起始时刻对应一个每路最大喷氢量(最大脉宽)。将发动机各工况确定的实际喷氢脉宽与该最大脉宽进行比较，如果实际喷氢脉宽大于该最大脉宽时，则必须采用两个喷氢阀同时工作方能在设计允许的时段内完成喷氢，此时1，2号喷氢阀同时工作，可采取如下两种喷氢策略方案。方案一(多路喷氢系统并行但喷射始点不相同)由于1，2号喷氢阀喷氢结束时刻是固定的，而1号喷氢阀起始时刻为最早喷氢起始时刻，2号喷氢阀起始时刻是实际喷氢脉宽减去最大喷氢脉宽来确定的；方案二(多路喷氢系统并行且喷射始点相同)对两路喷氢系统平均分配实际喷氢脉宽。方案一工作原理示意图如图2所示。当大负荷阶段，进气冲程时间进一步减小，所需喷射量(喷氢脉宽)进一步增加，如果实际喷氢脉宽超过单路最大喷氢脉宽2倍以后，这时候需要启用3号喷氢阀，同样可以采取两种方案。方案一将1号2号喷氢阀固定在最大喷氢脉宽处，剩余的喷射脉宽由3号喷射阀来完成。方案一工作原理示意图如图3所示；方案二 对三路喷氢系统平均分配实际喷氢脉宽。总之，三路喷氢系统采取并行且喷射始点相同或不相同工作方式。当氢发动机在小负荷工作时，1号喷氢阀工作；在中负荷工作时，1，2号喷氢阀同时工作；在大负荷工作时，1，2，3号喷氢阀同时工作。如此，每路喷氢起始时刻控制在最大允许脉宽范围内。这种喷氢策略很大程度上降低了氢发动机早燃和回火的概率。与方案一相比，方案二的喷氢持续期相同，且均小于最长喷氢持续期，因此有利于缩短氢气在进气管停留时间，从而有利于抑制回火。但一方面，缩短氢气在进气管停留时间有限，另一方面，将会影响有关喷氢系统的脉宽变化呈现复杂性(例如，喷氢持续期大于单路最长喷氢持续期时，方案一只需将大于部分由另一路喷氢系统完成，已经工作的喷氢系统工作状况不会发生变化；而方案二则需根据负荷大小，喷氢持续期长短频繁变更两路喷氢系统的喷氢脉宽)，故两个方案各有优缺点；至于方案二的派生方案，即无论负荷多大(实际喷射持续期多长)，三路喷氢系统均工作(平均分配喷氢持续期)，尽管可以使小负荷时喷氢持续期缩短(比如实际喷射持续期小于每路最长喷氢持续期，方案一或方案二均只有一路喷氢系统工作)。但方案一或方案二的分路控制喷氢有利于提高氢气喷射器的控制精度。 因为一是每路氢气喷射器在使用过程中都有延时和误差，多路氢气喷射器共同使用会将误差积累；二是车用发动机经常工作在中小负荷工况，如果在这种情况下使用少的氢气喷射器数目可以减小氢气喷射器总体使用效率，增强氢气喷射器总体的使用寿命和可靠度。这就是当实际喷氢脉宽大于单路最大脉宽以后，才采用两个喷氢阀同时工作；当实际喷氢脉宽大于单路最大脉宽2倍以后，才采用三个喷氢阀同时工作；而非从一开始，就采用三个喷氢阀同时工作的喷氢策略的原因。喷氢策略方案一的各个喷射阀喷射脉宽的分配的软件流程图如图4所示。本发明的氢燃料内燃机异常燃烧控制方法使用多路喷氢系统，根据异常燃烧的强度并兼顾发动机的经济性与动力性，分别采取不同的措施来抑制异常燃烧。当异常燃烧中早燃已经发生后采取以下两种抑制方案 1)多路并行喷氢
方案三系统一旦检测到早燃的发生就放弃使用分段喷氢策略，同时使用三个喷氢阀工作，每个喷氢阀承担等量的喷氢脉宽，这样可以使每路喷氢系统脉宽降低并充分接近进气关闭时刻。该方案一般在早燃现象发生在早期时，早燃情况不太严重即早燃强度小于早燃阈值时应用，虽有减低喷射控制精度等弊端，但不损失发动机经济性与动力性。是抑制早期早燃现象的首选方案，其原理如图5所示。
2)多路并行喷氢与推迟点火正时相结合
当早燃强度比较大即早燃强度大于早燃阈值的情况下，单纯依靠方案三不足以抑制早燃。此时，除了要同时喷氢之外，还需要采用推迟点火正时的策略来进一步抑制早燃。即采取多路同时喷氢与推迟点火正时相结合的方案四抑制早燃。但是推迟点火正时会影响到发动机经济性与动力性，因此，需要权衡推迟点火对发动机性能的影响与推迟点火对回火的抑制程度。一般而言，推迟点火会使发动机性能降低，如图6所示。而推迟点火对早燃抑制的影响情况刚好相反，我们在此处引出一个早燃抑制度的概念来说明，早燃抑制度即是点火正时对早燃发生的抑制效果。在一定范围内，推迟点火，早燃发生的概率会逐渐降低，并在上止点附近会迅速降低，即点火正时越晚早燃抑制度越高。具体早燃抑制度与点火提前角的关系图如图6所示，图中示出早燃抑制度和发动机性能(以经济性曲线为例说明，动力性曲线图中未示出)随着点火正时的曲线变化趋势在靠近发动机上止点前是相反的。根据早燃程度适度推迟点火，即将推迟点火与抑制早燃程度，并与兼顾发动机性能相关联。推迟点火有利于抑制早燃，但会使发动机动力性与经济性下降；而其下降变化并非线性的，由初始平缓降低段到随后急速下降段构成；适度是指推迟点火，使点火时刻仍处于使发动机动力性与经济性在平缓降低段对应的点火时刻。综上分析，使用延时喷氢、多路喷氢系统的并行预防早燃和回火(方案一)情况下， 需要多路并行喷氢策略(方案二)或采用多路并行喷氢与推迟点火正时相结合的策略进一步抑制早燃。这时候需要权衡推迟点火对早燃的抑制度与对发动机性能下降造成的影响之间的利弊，做出合适取舍。在以上几种方案的配合下，可以很大程度的抑制早燃或回火的发生。有些极端工况下氢发动机还是会偶然发生早燃引起回火的现象。一旦这种情况发生， 需要快速地抑制回火，因为回火发生时进气管内混合气燃烧会继续增高进气管内温度，造成下次循环继续回火的恶性循环，最终使发动机熄火。所以，除了使用同时喷氢和推迟点火等抑制早燃的方案外，还需要以下两种可以有效抑制回火的策略。3)首先，发生轻微回火即回火强度小于回火阈值后，使用修正后的方案四，采用多路并行喷氢与推迟点火正时相结合的策略，但推迟点火正时不再兼顾发动机性能，直接大幅快速推迟点火正时，即为方案五。如果在发动机检测到回火大于一个循环，即有连续两个循环均检测到回火，则取这种情况为回火阈值；如果连续3-5个循环，检测到开始早燃时间均不断提前，则为早燃强度大，否则为强度小。4)当发生回火超过轻微范围即大于回火阈值后，根据回火程度和发生的工况(根据经验氢发动机在怠速工况和大负荷工况下比较容易发生回火)分别采取不同的措施。如果回火发生在大负荷下，采取降低负荷的方案六来快速抑制回火，降低负荷可以减少喷氢脉宽，很大程度的使喷氢靠近进气终了位置，降低回火的可能性。另外负荷降低以后，发动机就处于中小负荷下，中小负荷情况发动机也不易发生回火。负荷的降低量取决于回火强度。为使问题简化，采取分段降低负荷的方法，比如采取两段或最多三段均勻递减方法。如果回火在采取负荷降低方案后得到抑制，则发动机稳定运转后可以逐步恢复负荷直至不降低。如果降低负荷后，回火强度降低不明显，继续降低发动机负荷和减少喷氢脉宽，直至回火现象得以消除。并且随着负荷的降低回火问题可以得到抑制，使得进气管内温度会降低， 进一步的降低回火发生概率，会使得系统摆脱回火的恶性循环进入良性工作循环。如果回火发生在怠速工况下，情况刚好相反，需要将负荷适当加大，采取分段增加负荷的方法，比CN 102322337 A
说明书
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如采取两段均勻递增方法达到中小负荷工况区域，从而抑制回火。综上所述，我们可以得出早燃、回火抑制的程序流程如图7所示。流程图7中所示氢燃料内燃机的氢燃料内燃机异常燃烧控制方法，步骤如下
(1)根据系统参数计算修正得出基本点火提前角与喷氢正时；
(2)延时喷氢策略计算各个喷氢阀脉宽与正时；
(3)检测是否早燃；若是早燃，则测量早燃强度，若早燃强度低，则采取同时喷氢策略 A，若是早燃强度高，则同时喷氢和推迟点火B，则执行步骤(4);若是没有早燃则直接执行步骤⑷；
(4)检测并记录回火状态，若是检查此时工况，若是处于大负荷，则适当降低负荷；若是处于怠速工况则适当增加负荷；若未是检测到回火，则直接执行步骤(5)；
(5)输出相应喷氢正时、喷氢量、点火正时。最后所应说明的是以上实施例仅用以说明而非限定本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解；依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
权利要求
1.一种氢燃料内燃机回火预防方法，其特征在于，使用至少两路喷氢器喷氢，该方法包括以下步骤(1)喷氢器采用并行分段的工作方式喷氢；(2)喷氢器最早开始喷氢时刻在进气阀打开以后延时固定时间后喷氢；(3)喷氢的结束时刻固定在进气阀开始关闭时刻。
2.根据权利要求1所述的氢燃料内燃机回火预防方法，其特征在于，所述步骤(1)中喷氢器采用并行分段的工作方式喷氢是指根据实际喷氢持续期选择启用几路喷氢器，并且所启用的各路喷氢器并行完成喷氢任务。
3.根据权利要求2所述的氢燃料内燃机回火预防方法，其特征在于，所述步骤(3)中各路喷氢器的喷氢结束时刻固定，喷氢器的喷氢开始时刻也相同，除一路喷氢器的其余各路喷氢器的喷氢阀固定在最大喷氢脉宽处，且在最早开始喷氢时刻开始喷氢；剩余的喷氢脉宽由所述一路喷氢器完成。
4.根据权利要求3所述的氢燃料内燃机回火预防方法，其特征在于所述步骤(3)中喷氢的结束时刻固定在进气阀开始关闭时刻并留有少量余量，以使喷入进气管氢气能够全部进入气缸，在进气管无残留。
5.氢燃料内燃机异常燃烧抑制方法，其特征在于，使用至少两路喷氢器喷氢，该方法包括以下步骤(1)系统一旦检测到早燃的发生，且早燃强度小于早燃阈值时，就同时使用至少两路喷氢器并行喷氢，其中每路喷氢器承担等量的喷氢脉宽；(2)当检测到早燃强度大于早燃阈值时，则采取至少两路喷氢器并行喷氢，并且推迟点火正时，同时兼顾发动机性能；(3)当检测到发生回火，且回火强度小于回火阈值后，采取至少两路喷氢器并行喷氢， 并且直接大幅快速推迟点火正时，不再兼顾发动机性能；(4)当发生回火超过轻微范围即大于回火阈值后，根据回火程度和发生的工况采取措施若回火发生在大负荷下，采取降低负荷来快速抑制回火；若回火发生在怠速工况下，加大负荷来抑制回火。
6.根据权利要求5所述的氢燃料内燃机异常燃烧抑制方法，其特征在于所述步骤(2) 中根据早燃程度适度推迟点火，是指将推迟点火与抑制早燃程度、兼顾发动机性能相关联， 点火时刻仍处于使发动机动力性与经济性在平缓降低段对应的点火时刻。
7.根据权利要求6所述的氢燃料内燃机异常燃烧抑制方法，其特征在于所述步骤(4) 中负荷的降低量取决于回火强度。
8.根据权利要求7所述的氢燃料内燃机异常燃烧抑制方法，其特征在于所述步骤(4) 中如果回火在负荷降低后得到抑制，则发动机稳定运转后逐步恢复负荷直至不降低；如果降低负荷后，回火强度降低不明显，继续降低发动机负荷和减少喷氢脉宽，直至回火现象得以消除。
9.根据权利要求5-8中任一项所述的氢燃料内燃机异常燃烧抑制方法，其特征在于， 所述步骤(4)中负荷的降低和加大采取分段减少或加大的方式。
10.根据权利要求9所述的氢燃料内燃机异常燃烧抑制方法，其特征在于，所述分段是按照当时当地负荷对应百分数减去10%负荷百分数，分两段或三段均勻递减，或以20%-25%负荷率递减；怠速时按照20%负荷率递增。
全文摘要
本发明涉及氢燃料内燃机回火预防与异常燃烧抑制方法，预防方法使用至少两路喷氢器喷氢，喷氢器采用并行分段的工作方式喷氢；喷氢器最早开始喷氢时刻在进气阀打开以后延时某一时间后喷氢；喷氢的结束时刻固定在进气阀开始关闭时刻；本发明的氢燃料内燃机回火预防方法中延时喷氢不仅避开在进气起始时刻气门叠开角内喷氢，而且尽量减少氢气在进气管内停留时间，还可以通过前期进气冷却进气歧管内部热点，降低混合气被点燃的概率以降低回火发生的概率；固定每路最长喷氢持续期的喷氢方式无论负荷大小，每路喷氢起始时刻均不会靠近进阀开启前端的叠开角部分；有效地预防了回火的发生；并与调整点火正时相结合，有效抑制异常燃烧。
文档编号F02B43/12GK102322337SQ20111021973
公开日2012年1月18日 申请日期2011年8月2日 优先权日2011年8月2日
发明者杨振中, 祁儒明, 郑俊强 申请人:华北水利水电学院