带egr的进气掺氢富氧汽油发动机及燃烧的控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及发动机，特别是一种带EGR的进气掺氢富氧汽油发动机及燃烧的控制方法。
【背景技术】
[0002]环境污染与能源紧张的压力促使汽车制造商不断推出先进的发动机技术，期望推出清洁高效的发动机，以满足日趋严格的排放与经济性法规。其中，合理地组织发动机缸内燃烧即是降低发动机排放与提高经济性的重要手段之一。
[0003]已有研究表明，氢气以其火焰速度快、燃烧极限宽、淬熄距离短等优异的理化特性，在被掺入汽油机缸内进行燃烧时，可提高燃油的燃烧效率，可使汽油机获得较好的排放和经济性表现。专利200610089282.2以气道喷氢的方式实现进气掺氢，在冷启动和小负荷采用纯氢燃烧，在中等负荷采用混氢燃料，大负荷采用纯汽油，可获得较好的排放和经济性表现。但是，由于氢气随车制取和储存困难，在冷启动和小负荷采用纯氢燃烧将消耗大量的氢气，有氢气供应不足的问题;单单在中等负荷采用混氢燃料对热效率的提高有限。
[0004]此外，通过提高进气空气中的氧气浓度实现发动机富氧燃烧也是一种优异的降低排放、提高发动机功率密度、降低油耗的发动机燃烧技术。专利201010515492.X提出一种混氢、氧气的高辛烷值燃料点燃式内燃机及控制方法，主要特点是以水电解器产生的氢氧气在冷启动阶段以纯氢氧混合气方式启动，怠速工况根据冷却液温度由低到高分别采用氢氧混合气、“氢氧混合气+高辛烷值燃料”的混合气燃烧方式，中小负荷采用“氢氧混合气+高辛烷值燃料”燃烧模式，高速、高负荷采用纯高辛烷值燃料燃烧模式运行。该方法综合利用了氢气和氧气对发动机性能改善方面的特性，但是整机性能的改善尚不足，仍有很大提升空间。
【发明内容】
[0005]针对传统汽油机冷启动HC、C0等排放高；怠速阶段油耗和排放高；中小负荷燃油燃烧不充分，栗气损失大，发动机油耗与有害排放高;大负荷下氮氧化物排放较高；以及发动机小型化后最大功率下降等问题。本发明提出一种带EGR的进气掺氢富氧汽油发动机及燃烧模式的控制方法。本发明区别于传统技术的主要特点是:一、在冷启动的最初30秒采用氢气燃料燃烧模式，冷启动后阶段采用“氢氧混合气-汽油-空气”混合气燃烧模式;二、中小负荷时，在汽油机进气中掺入部分氢气的基础上向进气中引入部分废气，采用“氢气-汽油-EGR-空气”混合气燃烧模式，可有效降低发动机栗气损失，可以进一步利用稀燃技术提高发动机热效率与降低排放;三、在大负荷引入EGR与氢气可以进一步降低氮氧化物排放；四、在全负荷下实现单独富氧燃烧，可显著提高功率输出。
[0006]汽油机可以在各个工况下灵活的选择“掺氢、掺氧与引入EGR”的不同进气策略，以新的混合气燃烧模式组织缸内燃烧，以该燃烧模式能够更合理、更充分地挖掘水电解氢氧气技术对发动机性能的提升潜力，特别是进一步降低油耗、提高功率输出与减少HC和NOx排放方面。
[0007]本发明是在传统的自然吸气汽油机上，通过对进排气道和缸盖的改造加装氧气和氢气供应系统，同时匹配一套冷却的废气(以下简称为EGR)回收再燃烧系统，使改造后的汽油机可以在各个工况下灵活的选择“掺氢、掺氧、引入EGR”进气策略，以新的混合气燃烧模式控制方法组织缸内燃烧，进而达到降低排放、降低油耗和提高动力输出的目标。本发明能有效改善汽油机的排放、油耗和动力性能，可满足严格的排放与油耗法规，
[0008]本发明的技术方案如下:
[0009]—种带EGR的进气掺氢富氧汽油发动机，包括进气总管、节气门、进气歧管、具有多个气缸的发动机、排气歧管、排气总管，所述进气总管通过所述的进气歧管与发动机的每个气缸相连通，所述的发动机的每个气缸的排气口通过所述的排气歧管与所述的排气总管相通，在所述的发动机的每个气缸的进气道上布置有汽油喷嘴，每个汽油喷嘴通过油管与油栗相连;其特点在于:还有EGR管路、EGR冷却器、EGR阀、蓄电池、通断继电器、水电解器、氢气储存器、喷氢器、氢气压力控制开关、氧气储存器、喷氧器、氧气压力控制开关和电子控制器；
[0010]在所述的进气总管的节气门前设置所述的喷氧器；
[0011]在所述的发动机的每个气缸的缸盖上设置所述的喷氢器；
[0012]所述的水电解器的氢气出口通过管路与所述的氢气储存器的氢气进口相连接，所述的水电解器的氧气出口通过管路与所述的氧气储存器的氧气进口相连接，所述的水电解器电接口经所述的通断继电器利用线缆与所述的蓄电池相连接；
[0013]所述的氢气储存器设置所述的氢气压力控制开关，该氢气储存器的出口经管路与每个气缸的喷氢器的氢气进口相连；
[0014]所述的氧气储存器上设置所述的氧气压力控制开关，该氧气储存器的氧气出口经管路与所述的喷氧器的氧气进口相连；
[0015]在所述的排气总管和所述的节气门之后的进气总管之间接设所述的EGR管路，该EGR管路中接设所述的EGR冷却器和EGR阀；
[0016]在所述的发动机上还设有冷却水温探测器和发动机转速探测器，在所述的进气歧管设有歧管压力传感器，在进气总管上设有空气流量传感器，在排气总管上设有排气氧传感器；
[0017]所述的电子控制器分别与所述的节气门、喷氢器、喷氧器、EGR阀、通断继电器、氢气压力控制开关、氧气压力控制开关、汽油喷嘴、冷却水温探测器、发动机转速探测器、歧管压力传感器、空气流量传感器、排气氧传感器相连。
[0018]所述的电子控制器从原发动机采集到冷却水温度信号、发动机转速信号、排气氧传感器信号、进气空气流量信号、歧管压力传感器信号，该电子控制器适时地向节气门发出节气门开度信号、向EGR阀发出EGR阀开度信号，向汽油喷嘴发出喷油器脉宽信号、向喷氢器发出喷氢器脉宽信号、向喷氧器发出喷氧器脉宽信号，向通断继电器发出通断继电器控制信号，接受氢气压力控制开关发出氢气储存器压力触发信号、氧气压力控制开关获得氧气储存器压力触发信号，以实现发动机工作状态的识别和控制。
[0019]上述带EGR的进气掺氢富氧汽油发动机燃烧模式的控制方法，该方法包括如下步骤:
[0020]该控制方法按工况分为冷启动工况、怠速工况、中小负荷工况、大负荷工况与全负荷工况控制:
[0021]a)冷启动工况:
[0022]所述的电子控制器采集到的冷却水温度信号识别冷却水温度小于50°C，判断发动机处于冷启动状态；
[0023]电子控制器启动发动机，在发动机启动的O?30秒内，所述的电子控制器发出喷氢器脉宽信号与喷氧器脉宽信号分别控制所述的喷氢器与喷氧器同时打开，发出EGR阀开度信号控制所述的EGR阀保持关闭；电子控制器通过调节喷射脉宽控制喷入每个气缸中的氢气与氧气的体积比合适，同时保证掺入的氢气与氧气混合气体积占整个进气的体积的10%?20%，使发动机在该阶段的点火过程以“空气-氢-氧”形式组织燃烧；
[0024]在发动机启动的30?50秒内，电子控制器发出喷氢器脉宽信号、喷氧器脉宽信号、喷油器脉宽信号分别控制所述的喷氢器、喷氧器、汽油喷嘴打开，且通过EGR阀开度信号控制所述的EGR阀保持关闭；电子控制器通过调节喷射脉宽控制喷入每个气缸中的氢气与氧气的体积比，同时保证掺入的氢气与氧气混合气体积占整个进气的体积的5%?10%，使汽油机以“汽油-空气-掺入氢氧”混合气形式组织燃烧；
[0025]b)怠速工况:
[0026]电子控制器通过发动机转速信号、冷却水温度信号、进气总管的空气流量信号、歧管压力传感器信号，分析判断发动机处于怠速状态；
[0027]电子控制器发出喷氢器脉宽信号、喷氧器脉宽信号和喷油器脉宽信号分别控制喷氢器、喷氧器、汽油喷嘴打开，且通过EGR阀开度信号控制EGR阀保持关闭，电子控制器通过调节喷氢器、喷氧器的喷射脉宽，控制喷入每个气缸中的氢气与氧气的体积比合适，同时保证额外掺入的氢气与氧气混合气体积占整个进气的体积的5%?10%，电子控制器通过排气氧传感器信号实现当量比闭环控制，发出相应喷油器脉宽信号控制汽油喷嘴的喷油量，保证缸内混合气的过量空气系数控制为I，发动机在怠速阶段以“汽油-空气-掺入氢氧气”的混合气形式组织燃烧；
[0028]c)