在线制氢、局部富氢内燃机混合动力传动系统及控制方法

专利名称：在线制氢、局部富氢内燃机混合动力传动系统及控制方法
技术领域：
本发明属于氢气等离子制取技术、汽车用点燃式内燃机控制、混合动力驱动系统 及传统车辆 驱动系统控制理论领域，适用于采用在线制氢、局部富氢、点燃式内燃机的混合 动力车辆或者传统车辆。具体而言，所描述的发明为一款联合点燃式内燃机控制策略和车 辆传动系统控制策略共同实施的控制技术，其中所采用的点燃式内燃机一方面采用了汽 油、乙醇、生物燃料或它们的混合物作为燃料，同时根据设定的控制策略定时、定量在缸内 指定位置喷入氢气，辅助燃烧，从而实现点燃式内燃机满足整车转矩需求的同时，能够采用 比传统点燃式内燃机更高的压缩比，部分质调节，燃烧稀混合气，提高整车的燃油经济性和 排放性能。
背景技术：
随着持续的石油资源消耗和环境的恶化，降低燃油消耗和降低环境污染已经越来 越受到重视。另一方面，随着技术的发展，可再生生物燃料的生产和提高生物燃料的利用率 在未来的交通领域已经变得异常重要。在汽车领域内，节能减排技术的开发和应用是解决 能源、环境问题的一种有效手段。作为目前清洁能源车辆、点燃式内燃机技术之一的在线制 氢、局部富氢、点燃式内燃机和混合动力车辆以其超低的排放、超低能耗和可行性强等诸多 优点，已经成为未来车辆的发展方向和研究热点。根据点燃式内燃机燃烧原理可知，在点燃式内燃机内采用高压缩比和燃烧稀混合 气是提高工作效率和降低排放的主要方法。但是，这种工作方式受燃料的燃烧属性限制。可 获得良好燃烧的燃料属性主要有(1)自然温度高并且最小点火能量低使得点燃式内燃机在避免爆震燃烧时能够采 用高压缩比。(2)低的稀燃燃空比可以让点燃式内燃机正常燃烧而不失火，失火是产生污染 问题的最主要因素。(3)高层流燃烧速度可以在缸内迅速建立缸压，使点燃式内燃机的工作 状态接近于汽油机定容燃烧，这种燃烧方式有着较高的效率。(4)较高的汽化潜热有助于减 小点燃式内燃机的进气温度，因此，可以提高混合气的密度和提高每缸的功率。氢气和乙醇、汽油有不同的燃烧特性，它的层流火焰传播速度远远高于后二者。并 且有着非常低的最小点火能量和汽化潜热。当氢气被用作点燃式内燃机的燃料时，层流火 焰传播速度高可以使点燃式内燃机更接近于定容燃烧循环从而取得较高的点燃式内燃机 效率。极低的最小点火能量可以使点燃式内燃机能够采用稀薄燃烧，从而使得缸内的燃烧 更干净更完全。但是氢气的过小的最小点火能量使得氢气过多时点燃式内燃机燃烧非常难 以控制，很容易导致爆震。乙醇和汽油不同的燃烧特性与氢气掺混产生了一种新的概念混合燃料。即两种 或者更多的不同种类的燃料在一个点燃式内燃机内进行燃烧。主要的燃料可以互相掺混然 后供应给点燃式内燃机或者分别独立地供应给点燃式内燃机。供应时刻和供应位置以及供 应量分别控制。使用混合燃料的主要目的是充分利用各个燃料的优点并同时避免它们的缺
点ο
在这项发明中，汽油、乙醇或它们的混合物以及氢气作为主要燃料。乙醇有如下 优点⑴可再生资源；⑵液态；⑶易于燃烧；氢气的优点是⑴火焰层流传播速度高； (2)很宽的着火范围；以及(3)点火能量需求较小。若乙醇和氢气混合将会产生高性能的 点燃式内燃机，例如，高效率、低污染和高功率密度。在这项发明中，冷态等离子转换器由电能驱动在线生产氢气。转换的原料主要是 乙醇、汽油和一些其它的碳氢化合物。无论是氢气还是乙醇都是独立地提供给点燃式内燃 机。氢气和液体燃料之间的比率由燃料供应系统控制。在本发明中，一种冷态等离子转换器应用在混合动力车的传统系统上，并且由动 力电池进行供电。该动力电池可以由点燃式内燃机驱动发电机发电、制动能量回收拖动电 机/发电机发电或者家用的墙上插座进行充电。

发明内容
本发明的目的在于解决点燃式内燃机、混合动力等关键技术的瓶颈问题，开发出 一种在线制氢、局部富氢内燃机混合动力传动系统及控制方法。该系统及其控制方法一方 面能够使点燃式内燃机采用高压缩比、部分工况质调节、稀薄混合气，实现快速燃烧，避免 点燃式内燃机失火，提高点燃式内燃机效率，从点燃式内燃机源头上实现能耗的降低和污 染物的超低排放。另一方面点燃式内燃机和整车混合动力传动系统联合控制，根据车辆行 驶的具体工况，根据点燃式内燃机参数及工作工况来匹配冷态等离子氢气转换器，同时控 制冷态等离子氢气转换器的工作状态，实现部件间的耦合控制。从而提高整车的效率、降低 污染物排放和延长部件特别是动力电池的寿命。本发明的上述目的通过以下技术方案予以实现，结合


如下一种搭载在线制氢、局部富氢、点燃式内燃机的混合动力传动系统，该系统由搭载 在线制氢系和氢气供给系统的点燃式内燃机5、混合动力传动系21及混合动力控制器15组 成。在线制氢系由冷态等离子氢气转换器11、动力电池9构成。氢气供给系统由氢气存储 器10、氢气管17及喷氢器13构成。点燃式内燃机5是安装了在线制氢系、氢气供给系并采 用局部富氢、稀薄可燃混合气燃烧方式的传统点燃式内燃机5。在线制氢系一端连接油箱 12，另一端与氢气供给系相连，氢气供给系与点燃式内燃机5相连，然后与混合动力传动系 21相连。混合动力控制器15根据整车的运行状况控制内燃机控制器4完成整车驱动。所述的在线制氢系包含冷态等离子氢气转换器11、动力电池9。等离子氢气转换 器11采用动力电池9进行供电，然后将燃料供给系的部分燃料转化为氢气并将其存储在氢 气存储器10。动力电池9可以由点燃式内燃机5拖动发电机进行供电，也可以由制动能量 回收的能量或者普通墙上的插座充电进行供电。点燃式内燃机5采用两种不同的燃料作为可燃混合气，在传统的燃料供给系上增 加了在线制氢系和氢气供给系，冷态等离子转换器11从油箱12内获得燃料，然后将燃料转 换成氢气，将氢气储存在氢气储存器10，氢气泵从氢气存储器10内泵出氢气，经过加压将 其传送到喷氢器13上，内燃机控制器4依据控制方法要求在特定时刻将氢气喷入点燃式内 燃机5的火花塞16附近。所述的点燃式内燃机5采用局部富氢稀薄燃烧方式。局部富氢稀薄燃烧方式采用 喷氢器13根据运行参数定时定量地将部分氢气喷射在点燃式内燃机5的指定位置(例如火花塞附近16)。火花塞16点火点燃氢气，然后利用氢气的燃烧特性，快速完全地引燃内燃 机的其它种类的燃料。所述的一种搭载在线制氢、局部富氢点燃式内燃机的混合动力电动汽车传动系统 的控制方法，其特征在于，该控制方法包括点燃式内燃机5控制方法和混合动力传动系21 的控制方法，二者互为约束，联合控制，通过以下方式实现根据工况及整车参数的不同分 为四个模式(1)急加速工况需求大牵引转矩模式；(2)略有加速或者巡航驾驶时的中等牵引转矩工况模式；(3)车辆制动工况模式；(4)高速工况模式。控制方法的目标在满足整车转矩需求的前提下，点燃式内燃 机5采用局部富氢稀薄燃烧方式，整车能够工作在地燃油消耗率和低排放区域。同时，保持 动力电池的荷电量在一个0. 3至0. 7的范围内波动。所述的点燃式内燃机控制方法的控制目标是(1)使点燃式内燃机5能够满足混 合动力控制器15对内燃机输出转矩的需求；(2)能够完全燃烧稀混合气，同时避免点燃式 内燃机失火；(3)大部分工况节气门1全开，避免节气门1的节流损失。所述的急加速工况需求大牵引转矩模式，混合动力控制器15发送命令给内燃机 控制器4，控制点燃式内燃机5发出最大的转矩。内燃机控制器4控制节气门1全开，控制 喷油器14采用最大的燃空比，控制喷氢器13采用最小化氢气喷射率，再依据点燃式内燃机 的温度，确保点燃式内燃机5不失火。如果点燃式内燃机5的温度过低需要采用较大的氢 气喷射率。电机/发电机8发出转矩来协助点燃式内燃机5满足整车的牵引转矩需求，这 个转矩要充分考虑到动力电池9的荷电状态处在最高限值和最低限值之间。当动力电池9 的荷电状态低于设定的最低限时，电机/发电机8将不再工作，由点燃式内燃机5单独发出 最大功率。所述的略有加速或者巡航驾驶时的中等牵引转矩工况模式，整车需求牵引转矩小 于点燃式内燃机5能够发出的最大牵引转矩。此时点燃式内燃机5的工作状态取决于动力 电池9的荷电量。点燃式内燃机5的节气门1全开，采用最小的燃空比，配上合适的氢气喷射率从而 避免失火，所能输出的最小转矩为点燃式内燃机5转矩低限值。点燃式内燃机5转矩低限 值将点燃式内燃机5的工作状况分为两个区域整车需求转矩大于和小于点燃式内燃机转 矩低限值。与此类似，动力电池的荷电量被分成三个区域高(>0.7)，中等(<0.7，> 0.4)，低(< 0. 4)等。当整车需求转矩小于点燃式内燃机5输出转矩高限值后继续下降时，有如下的两 种控制策略(1)当需求转矩大于点燃式内燃机5转矩低限值同时又小于点燃式内燃机5输出 转矩高限值时，点燃式内燃机5的输出转矩和电机/发电机8的转矩基于动力电池9荷电 量进行控制。如果动力电池9的荷电量比较高(高于0. 7)，点燃式内燃机5独自驱动车辆，电机/发电机8关闭。此时，点燃式内燃机5的节气门1全开。通过调整燃空比来控制点燃 式内燃机5的输出转矩来满足整车的需求转矩。同时采用合适的氢气喷射率避免点燃式内燃机5失火。另一方面，如果动力电池9的荷电状态下降到中等或者低区域(低于0. 7)，点燃式内燃机5将发出最大转矩，节气门1全开，采用最大的燃空比。多余的点燃式内燃机5输出 转矩将传递给电机/发电机8为动力电池9充电。(2)如果需求转矩小于点燃式内燃机5转矩低限值时，点燃式内燃机5和电机/发 电机8的工作状态根据动力电池9的荷电状态而定。a)如果动力电池9的荷电状态比较低(低于0.4)，点燃式内燃机5发出输出转矩 高限值，此时节气门1全开，采用最大燃空比和最小氢气喷射率。多余的点燃式内燃机5输 出转矩驱动电机/发电机8为动力电池9充电，动力电池9的荷电状态能够迅速提升。
b)如果当前的动力电池9荷电状态处于中等状态(高于0. 4，低于0. 7)，此时点燃 式内燃机5的节气门是全开的，采用最小的燃空比和最大的氢气喷射率。多余的点燃式内 燃机(5)转矩驱动电机/发电机8为动力电池9充电，动力电池9的充电功率是中等值。c)如果动力电池9的荷电状态较高(例如高于0.7)，点燃式内燃机5关闭，电机 /发电机8单独驱动车辆。所述的车辆制动工况模式，点燃式内燃机5关闭，车辆反拖电机/发电机8，将制动 能量转变成电能(制动能回收)存储起来。这种模式可以应用在除了动力电池9的荷电量 全满外的任何一个状态。所述的高速工况阶段是车辆大部分时间工作在稳定的高速和大功率状态。稳定状 态的牵引功率远远小于加速时的牵引功率。此外，城际问交通的小牵引功率往往会持续很 长时间。因此，点燃式内燃机5能够满足功率的需求，动力电池9由于受能量存储空间所限 不能满足此项需求。这种情况下，点燃式内燃机5应该节气门1全开，燃烧稀薄燃空比混合 气，并同时配上合适的氢气喷射率防止点燃式内燃机5失火。本发明的实现包括以下几个步骤(1)在线冷态等离子氢气转换器11将少部分液体燃料转换成氢气。(2)点燃式内燃机作为主要的动力源，可以设计成采用高压缩比和稀薄的混合气。(3)液体燃料和已储存的氢气分别喷入点燃式内燃机。氢气以一种特定的方式被 直接喷在火花塞16附近区域。(4)应用一种新型的控制方法，该方法通过控制空燃比、氢气喷射率和节气门1开 度，基于转矩需求和发动的温度进行控制。控制的结果是点燃式内燃机能够在高压缩比下 实现稀薄燃烧，从而实现该点燃式内燃机在节气门1全开时能够工作在一个较宽的转矩范围。显然，与传统的液体燃料点燃式内燃机相比，上述的技术会带来点燃式内燃机特 殊的运行特性。当富氢点燃式内燃机应用于混合动力传动系21时，专门为传统液体燃料点 燃式内燃机设计的控制策略不再适合在局部富氢点燃式内燃机上使用。另一方面，为了最 大化利用混合动力传动系21的工作效率，开发了一种新型车辆传动系统控制策略。这种新 型控制策略能够有效地突出局部富氢、点燃式内燃机和在线冷态等离子转化器的优点。整 个系统控制内容包括混合动力传动系21控制、点燃式内燃机控制和冷态等离子转换器的 控制，同时这些控制相互通信。(一 )混合动力车辆驱动系统配置
本发明以并联混合动力车辆为例进行说明，在混合动力车机械转矩耦合传动系统 结构上，搭载一个局部富氢、点燃式内燃机，该点燃式内燃机被设计成高压缩比和使用稀混 合气，采用碳氢化合物或者生物燃料，例如汽油、乙醇或者它们的混合物。定时定量在指定 位置喷入氢气，避免失火。氢气是冷态等离子转换器或者微波等离子转换器进行在线生产 的，它的原料是上述的液体燃料。冷态等离子氢气转换器11通过一个动力电池9进行供电。该动力电池9补充电 量的途径有三种，可以在停车时通过墙壁上的插座进行充电。第二种方式是通过点燃式内 燃机进行能量转换，即点燃式内燃机拖动电机进行发电，然后在动力电池9需要的时候将 部分电量传递给动力电池9。同时也可以利用制动能量回收进行充电。混合动力传动系21的控制流程如下如图1所示，混合动力控制器15控制着混合 动力传动系21。混合动力控制器15接受来自驾驶员的驾驶需求，该需求主要体现为加速踏 板2和制动踏板3的状态，以及此时车辆的运行状态，例如动力电池9的荷电量、车辆的速 度、车辆此时的档位等。按照上述的信息和已经设置好的控制策略，混合动力控制器15向 点燃式内燃机5、电机/发电机8发送转矩命令，完成整车的驱动任务。点燃式内燃机5的运行状态受点燃式内燃机控制器4控制。当点燃式内燃机控制 器4接收 到整车控制单元的转矩需要信号时，点燃式内燃机控制器4发出控制信号来控制 点燃式内燃机的节气门1的开度、碳氢化合物燃料以及氢气的供给量，进气量以及各种燃 料的量根据转矩需求的大小以及点燃式内燃机的温度和其它的运行参数，由控制策略来确 定。在这个混合动力传动系21中，采用了一个氢气存储器10来存储通过冷态等离子 氢气转换器11转换的氢气。在点燃式内燃机冷态启动的时候，此时冷态等离子氢气转换器 11不能立即转换氢气，而此时的点燃式内燃机需要较多的氢气，这些氢气主要是助燃稀混 合气避免传统点燃式内燃机冷态时大量污染物的排放和提高冷启动时的燃油经济性。这种 情况下，氢气直接从氢气存储器10中传递到点燃式内燃机中。这个气体容器随后由冷态等 离子转换器11来填充。采用气体容器的另外一个优点是氢气的生产率和点燃式内燃机对 氢气的瞬态消耗没有直接的联系。因此，冷态等离子转换器11可以设计成满足氢气消耗率 的平均值就可以，平均值可以远远小于消耗率的峰值。按照这种方法，冷态等离子氢气转换 器11的外型尺寸可以有较大的减小，同时冷态等离子转换器11可以设置一个稳态的运行 工况点。然后，冷态等离子转换器11的设计和工况点可以根据运行效率、热管理系统、物理 尺寸以及重量等因素进行优化。上述的控制方法可以应用于下述的任何一种方法。因为车辆的燃油经济性不仅仅 和车辆的高工作效率有关，而且也和在此高效率点工作的时间长短直接联系，我们可以忽 略点燃式内燃机运行时间较短的工作点。这些工况包括峰值功率以及峰值功率附近的区 域。因此，储存的氢气量只需要匹配点燃式内燃机需要量的中间值即可。此时的需求量主 要是点燃式内燃机低功率时的需求量，此时点燃式内燃机工作在无论是城市工况还是高速 工况都经常经历的状态。点燃式内燃机的具体工作方式液体燃料通过一个多喷孔喷油器14进入点燃式 内燃机。氢气喷射器安装在一个特定的位置，在这个位置上能够将氢气喷射到一个特定的 位置，这个位置主要是火花塞16附近，以便能够引燃稀混合气。氢气的喷气时刻要稍早于点火时刻，二者均由内燃机控制器进行控制。同时喷入的氢气量也由内燃机的控制器控制。氢气喷射器和火花塞16的布置方式如下如图3所示，氢气喷射器类似于传统汽 油机上的火花塞16，但是氢气喷射器内部有空心。空心用来传递生产的氢气。空心的上端 通过一个绝缘接头18与氢气的管道17相连。另外一端连接到氢气的开关(图中未显示)。 开启和关的时刻由内燃机的控制单元进行控制。氢气喷在火花塞16间隙附近形成局部富 氢。氢气的喷气时刻要稍早于点火时刻，二者均由内燃机的控制器进行控制。同时喷入的氢气量也由内燃机控制器控制。( 二)混合动力传动系的耦合以及点燃式内燃机的控制策略通常情况下，汽车工况可分为城市和高速公路行驶工况。城市驾驶工况主要是中 低速、频繁加减速、长时间的停车以及长时间的低速行驶。从上述观点可以得出，城市工况 有着低功率和峰值功率的特性。高速公路行驶工况在大部分驾驶时间内都是高速的。所以它的平均功率要接近于 峰值功率。对于应用在城市工况的车辆的设计和控制应该主要考虑即走即停的状况。这些 车辆包括城市公交车、校园巴士、环卫车等。对于高速公路工况用车，例如城际卡车、城际公 交，高速运行且恒速运行是它的主要考虑因素。然而，对于城市和高速都要用车辆，像家庭 用车、轻型卡车，要同时考虑上述两种因素。车辆的控制目标是(1)满足整车驱动转矩的要求；(2)将点燃式内燃机控制在高 效运行区；(3)将动力电池9的荷电状态维持在适当的范围内。点燃式内燃机的控制目标是(1)使点燃式内燃机能够满足整车控制器对点燃式 内燃机输出转矩的需求；(2)能够完全燃烧稀混合气，同时避免点燃式内燃机失火；(3)使 用较大的节气门1开度，避免节气门1的节流损失。冷态等离子转换器的工作方式是设置一个固定的氢气生产率上，维持此生产率 能够使点燃式内燃机无论在城市工况还是高速公路工况都能有足够的氢气供应。1、城市工况即停即走模式下的控制策略电机/发电机的工作就是协助点燃式内燃机为驱动轮提供驱动转矩。因此点燃式 内燃机能够发挥最大潜能，电机/发电机提供补偿转矩来满足驾驶员对驱动轮驱动转矩的需求。整车的控制策略要求控制点燃式内燃机的转矩和电机/发电机的转矩。控制的目 标是在满足整车转矩需求的前提下达到整车的高效和低排放。与此同时保持动力电池9的 荷电量在一个合适的范围内波动。显而易见，整车的控制策略依赖于点燃式内燃机的运行 特性。换句话说，整车控制策略必须同时与点燃式内燃机的控制策略相联合才能取得最优 化的效果。整车控制策略和点燃式内燃机的控制策略随动力电池9荷电量的特性变化有下 面一些变化。1)急加速工况需求大牵引转矩在这种驾驶工况中，整车控制单元发送命令给点燃式内燃机的电子控制单元，控 制点燃式内燃机发出最大的转矩。内燃机控制器控制节气门1全开、采用最大的燃空比、采 用最小化氢气喷射率，再根据当前的点燃式内燃机温度，确保点燃式内燃机不失火。如果点 燃式内燃机的温度过低需要采用较大的氢气喷射率。电机/发电机发出转矩来协助点燃式 内燃机满足整车的牵引转矩的需求，这个转矩要充分考虑到动力电池9的荷电状态处在最高限值和最低限值之间。当动力电池9的荷电状态低于设定的最低限时，电机将不再工作， 只剩下点燃式内燃机发出最大功率。此时，车辆的性能(速度和加速性能)将受到某种程 度的限制。2)略有加速或者巡航行驶时的中等牵引转矩工况在这种工况下，驾驶员的整车需求牵引转矩小于点燃式内燃机能够发出的最大牵 引转矩。此时点燃式内燃机的工作状态取决于动力电池9荷电量。由于点燃式内燃机转矩 低限值将点燃式内燃机的工作状况分为两个区域。点燃式内燃机转矩低限值定义如下节 气门1全开时点燃式内燃机最小转矩，即此时点燃式内燃机5的节气门1全开，采用最小的 燃空比，配上合适的氢气喷射率从而避免失火，所能得到的最小转矩就是节气门1全开时 点燃式内燃机最小转矩。此时的氢气喷射率要比高燃空比时的大。与此类似，动力电池9的荷电量被分成三个区域高(> 0. 7)，中等(< 0. 7，> 0.4)，低(<0.4)等。在这种情况下，当需求转矩低于点燃式内燃机转矩低限值继续下降 时，又有如下的两种控制策略。
①当需求转矩大于点燃式内燃机转矩低限值同时又小于点燃式内燃机的最大转 矩时，如图5中点20所示区域，点燃式内燃机的转矩和电机/发电机的转矩基于动力电池 9荷电量进行控制。如果动力电池9的荷电量比较高(例如高于0. 7)，点燃式内燃机独自驱动车辆，电 机/发电机关闭。在这种情况下，点燃式内燃机的节气门1全开。调整燃空比来控制点燃 式内燃机的输出转矩来满足整车的需求转矩。同时采用合适的氢气喷射率避免点燃式内燃 机失火。另一方面，如果动力电池9的荷电状态下降到中等或者低区域(例如低于0. 7)，点 燃式内燃机将发出最大转矩如点21区域所示，此时节气门1全开，采用最大的燃空比。多 余的点燃式内燃机输出转矩将传递给电机/发电机为动力电池9充电。②如果需求转矩小于点燃式内燃机转矩低限值，如点22区域所示，点燃式内燃机 和电机/发电机的工作状态根据动力电池9的荷电状态而定。如果动力电池9的荷电状态比较低(例如低于0.4)，点燃式内燃机发出最大的转 矩(如点24区域所示)，此时点燃式内燃机的节气门1全开，采用大的燃空比以及最小的 氢气喷射率。多余的点燃式内燃机输出转矩驱动电机/发电机。在这种情况下，动力电池 9的荷电状态能够迅速提升。如果当前的动力电池9荷电状态处于中等状态(例如高于0. 4，低于0. 7)，点燃式 内燃机工作在如点23区域所示，此时点燃式内燃机的节气门1是全开的，采用最小的燃空 比和最大的氢气喷射率。多余的点燃式内燃机转矩驱动电机/发电机。动力电池9的充电 功率是中等值。如果动力电池9的荷电状态较高(例如高于0. 7)，点燃式内燃机关闭，电机/发电 机单独驱动车辆。3)当车辆制动时，点燃式内燃机关闭，车辆反拖电机/发电机，将制动能量转变成 电能(制动能量回收)存储起来。这种模式可以应用在除了动力电池9的荷电量全满外的 任何一个状态。上述讨论的点燃式内燃机控制和整车控制策略的耦合使得点燃式内燃机一直工作在节气门1全开的状态，同时缸内燃烧稀薄混合气。因此，此时点燃式内燃机将工作在高 效低排放区。与此同时，驾驶员的驱动需求转矩和动力电池9的荷电状态都得到了满足。2、高速公路工况的控制策略 高速公路工况的特性是大部分时间工作在稳定的高速和大功率状态。稳定状态的 牵引功率远远小于加速时的牵引功率。此外，城际问交通的小牵引功率往往会持续很长时 间。因此，点燃式内燃机能够满足功率的需求，动力电池9由于受能量存储空间所限不能满 足此项需求。这种情况下，点燃式内燃机应该节气门1全开，燃烧稀燃空比混合气，并同时 配上合适的氢气喷射率防止点燃式内燃机失火。(三)冷态等离子转换器的工作方式氢气存储器10用来存储冷态等离子氢气转换器11生产的氢气。氢气存储器10可 以减弱冷态等离子氢气转换器11生产氢气速率的波动，而直接为点燃式内燃机供应氢气。 在冷启动和暖机启动时，冷态等离子氢气转换器11的生产速率一直较低，氢气主要由氢气 存储器10传到缸内。然后在正常工况下，冷态等离子氢气转换器11生产出氢气填满氢气 存储器10。目前应用的氢气存储器10可以存储冷态等离子氢气转换器11在一个稳定的工况 下工作生产的氢气。稳定工况指等离子氢气转换器以恒定的生产率生产氢气。这种冷态等 离子氢气转换器11稳态工作特性可以极大地简化整个系统的设计和控制，这个系统包括 转换器系统和电源供应系统。它使得优化冷态等离子氢气转换器11系统更为方便，这些优 化内容包括工作效率、热管理等。冷态等离子氢气转换器11工作方式有两种。一种是冷态等离子氢气转换器11以 一种恒定的、大于常用工况需求量平均值的速率生产氢气，所考虑的工况包括城市运行工 况和高速公路工况。另一种工作方式如图8所示。当氢气存储器10内的氢气量低于某一最低限值时， 冷态等离子氢气转换器11开始工作。当氢气存储器10内的氢气量高于某一最高限值时， 冷态等离子氢气转换器11关闭。氢气存储器10内的氢气量可以用氢气存储器10内的压 力来表征。当在最高限、最低限之间时，冷态等离子氢气转换器11以一个恒定的氢气生产 速率生产氢气。与现有技术相比，本发明有以下效果通过本发明，一方面能够使点燃式内燃机采用高压缩比、稀薄混合气、实现快速燃 烧、避免点燃式内燃机失火、提高点燃式内燃机效率，从点燃式内燃机源头上实现能耗的降 低和污染物的超低排放。另一方面点燃式内燃机和混合动力传动系21联合控制，根据车辆 行驶的具体工况，根据点燃式内燃机的参数及工作工况来匹配冷态等离子氢气转换器11， 同时控制冷态等离子氢气转换器11的工作状态，实现部件问的耦合控制。从而提高整车的 效率、降低污染物排放并延长部件特别是动力电池9的使用寿命。此外，在快速启动工况，冷态等离子氢气转换器11能够及时提供充足的氢气，而 不需要长时间加热。快速启动时，氢气通过一个小容器为启动时的点燃式内燃机供应氢气。 在启动的过程中，点燃式内燃机通常是冷态的，可以满足喷入较多的氢气让点燃式内燃机 顺利启动并且能够具有好的排放。冷态等离子氢气转换器11的动力电池9可以由点燃式 内燃机拖动的发电机进行供电，也可以由制动能量回收的能量或者普通墙上的插座进行供电。装置简单而易行。

图1混合动力车机械转矩耦合混合动力传动系结构图；图2独立的氢气喷射器在火花塞附近产生局部富氢区域示意图；图3氢气喷射器和火花塞在火花塞间隙附近的局部富氢示意图；图4整车需求转矩大于点燃式内燃机最大转矩时，点燃式内燃机和电机的需求转 矩状况；图5需求转矩低于点燃式内燃机最大转矩时点燃式内燃机和电机的转矩状态图；图6需求转矩小于发动运行区域最小转矩时点燃式内燃机/电机的转矩状态图；图7点燃式内燃机、整车控制策略逻辑图；图8冷态等离子转换器具体操作方法。图中1节气门，2加速踏板，3制动踏板，4内燃机控制器，5点燃式内燃机，6转矩 耦合器，7后驱，8电机/发电机，9动力电池，10氢气存储器，11冷态等离子氢气转换器，12 油箱，13喷氢器，14喷油器，15混合动力控制器，16火花塞，17氢气管，18接头，19绝缘体， 20富氢区域，21混合动力传动系，22充电器，23燃料、氢气连接，24机械连接，25电气连接， 26信号连接，27车速信号，28空气，29进氢气口，30缸体，31火花，32侧电极，33正极。
具体实施例方式下面结合附图所示实施例进一步说明本发明的具体内容及其实施方式。本发明所述的控制系统由冷态等离子氢气转换器11、氢气存储器10、动力电池9、 电机/发电机8、点燃式内燃机5、喷油器14、喷氢器13、混合动力控制器15、加速踏板2、制 动踏板3、内燃机控制器4、充电器、混合动力传动系21组成。其中油箱12通过油管分别与 喷油器14和冷态等离子氢气转换器11相连，冷态等离子氢气转换器11与氢气存储器10 相连，氢气存储器10连接喷氢器13，喷油器14和喷氢器13同时安装在局部富氢、点燃式内 燃机5上，点燃式内燃机5与混合动力传动系21相连。动力电池9与冷态等离子氢气转换 器11相连，一方面与电机/发电机8相连，同时与充电器22相连。加速踏板2和制动踏板 3与混合动力控制器15相连，然后混合动力控制器15通过总线与动力电池9、内燃机控制 器4、氢气存储器10、电机/发电机8、混合动力传动系21相连。内燃机控制器5通过总线 与喷油器14、喷氢器13和节气门1相连。参阅图1，混合动力传动系21统的控制流程如下混合动力车辆的控制单元15控 制着车辆的混合动力传动系21。该控制单元15接受来自驾驶员的驾驶需求，该需求主要 体现为加速踏板2和制动踏板3的状态，以及此时车辆的运行状态，例如动力电池9的荷电 量、车辆的速度、车辆此时的档位等。按照上述的信息和已经设置好的控制策略，混合动力 车辆的控制单元15向点燃式内燃机5、电机/发电机8发送转矩命令，完成整车的驱动任 务。参阅图2，点燃式内燃机的具体工作方式液体燃料通过一个多喷孔喷油器14进入点燃式内燃机。氢气喷射器安装在一个特定的位置，在这个位置上能够将氢气喷射到一 个特定的位置，这个位置主要是火花塞16附近，以便能够引燃稀薄的混合气。氢气的喷气时刻要稍早于点火时刻，二者均由内燃机控制器进行控制。同时喷入的氢气量也由内燃机 控制器控制。参阅图3，氢气喷射器和火花塞16的布置方式如下氢气喷射器类似于传统汽油 机上的火花塞16，但是氢气喷射器内部有空心。空心中用来传递生产的氢气。空心的上端 通过一个绝缘接头18与氢气的管道17相连。另外一端连接到氢气的开关(图中未显示)， 开关开启和关的时刻由内燃机控制单元进行控制。氢气喷在火花塞16间隙附近20形成局 部富氢。氢气的喷气时刻要稍早于点火时刻，二者均由内燃机控制器进行控制。同时喷入 的氢气量也由内燃机控制器控制。参阅图4，在急加速工况需求大牵引转矩驾驶工况中，整车控制单元发送命令给内 燃机控制器，控制点燃式内燃机发出最大的转矩。内燃机控制器控制电子节气门1全开、采 用最大的燃空比、采用最小化氢气喷射率，再根据当前的点燃式内燃机温度，确保点燃式内 燃机不失火。如果点燃式内燃机的温度过低需要采用较大的氢气喷射率。电机/发电机发 出转矩来协助点燃式内燃机满足整车的牵引转矩的需求，这个转矩要充分考虑到动力电池 9的荷电状态处在最高限值和最低限值之间。当动力电池9的荷电状态低于设定的最低限 时，电机将不再工作，只剩下点燃式内燃机发出最大功率。此时，车辆的性能(速度和加速 性能)将受到某种程度的限制。参阅图5，在略有加速或者巡航驾驶时的中等牵引转矩工况，当需求转矩大于节气 门1全 开点燃式内燃机最低转矩同时又小于点燃式内燃机的最大转矩时，如点20所示区 域，点燃式内燃机的转矩和电机/发电机的转矩基于动力电池9荷电量进行控制。如果动 力电池9的荷电量比较高(例如高于0. 7)，点燃式内燃机独自驱动车辆，电机/发电机关 闭。在这种情况下，点燃式内燃机的节气门1全开。调整燃空比来控制点燃式内燃机的输 出转矩来满足整车的需求转矩。同时采用合适的氢气喷射率避免点燃式内燃机失火。另一 方面，如果动力电池9的荷电状态下降到中等或者低区域(例如低于0. 7)，点燃式内燃机将 发出最大转矩如点21区域所示，此时节气门1全开，采用最大的燃空比。多余的点燃式内 燃机输出转矩将传递给电机/发电机为动力电池9充电。参阅图6，在略有加速或者巡航驾驶时的中等牵引转矩工况，如果需求转矩小于点 燃式内燃机输出转矩的最小值时，如点22区域所示，点燃式内燃机和电机/发电机的工作 状态根据动力电池9的荷电状态而定。如果动力电池9的荷电状态比较低(例如低于0. 4)， 点燃式内燃机发出最大的转矩(如点24区域所示)，此时点燃式内燃机的节气门1全开，采 用大的燃空比以及最小的氢气喷射率。多余的点燃式内燃机输出转矩驱动电机/发电机。 在这种情况下，动力电池9的荷电状态能够迅速提升。如果当前的动力电池9荷电状态处 于中等状态(例如高于0. 4，低于0. 7)，点燃式内燃机工作在点23所示区域，此时点燃式内 燃机的节气门1是全开的，采用最小的燃空比和最大的氢气喷射率。多余的点燃式内燃机 转矩驱动电机/发电机。动力电池9的充电功率是中等大小。如果动力电池9的荷电状态 较高(例如高于0. 7)，点燃式内燃机关闭，电机/发电机单独驱动车辆。图7所示为上述控制方法的逻辑简图。参阅图8，为的工作方式原理图，氢气存储器10用来存储生产的氢气。氢气存储器 10可以减弱生产氢气速率的波动，而直接为点燃式内燃机供应氢气。在冷启动和暖机启动 时，的生产速率一直较低，氢气主要由氢气存储器10传到缸内。然后在正常工况下，生产出氢气填满氢气存储器10。目前应用的氢气存储器10可以存储在一个稳定的工况下工作生产的氢气。稳定工况指等离子氢气转换器以恒定的生产率生产氢气。这种稳态工作特性可 以极大地简化整个系统的设计和控制，这个系统包括转换器系统和电源供应系统。它使得 优化系统更为方便，这些优化内容包括工作效率、热管理等。工作方式有两种。一种是以 一种恒定的、大于常用工况需求量平均值的速率生产氢气，所考虑的工况包括城市运行工 况和高速公路工况。另一种工作方式如图8所示。当氢气存储器10内的氢气量低于某一 最低限值时，开始工作。当氢气存储器10内的氢气量高于某一最高限值时，关闭。氢气存 储器10内的氢气量可以用氢气存储器10内的压力来表征。当在最高限、最低限之间时，以 一个恒定的氢气生产速率生产氢气。
权利要求
一种在线制氢、局部富氢内燃机混合动力传动系统，其特征在于，该系统由搭载在线制氢系和氢气供给系统的点燃式内燃机(5)、混合动力传动系(21)及混合动力控制器(15)组成，在线制氢系由冷态等离子氢气转换器(11)和动力电池(9)构成，氢气供给系统由氢气存储器(10)、氢气管(17)及喷氢器(13)构成，点燃式内燃机(5)是安装了在线制氢系、氢气供给系并采用局部富氢和稀薄可燃混合气燃烧方式的传统点燃式内燃机，在线制氢系一端连接油箱(12)，另一端与氢气供给系相连，氢气供给系与点燃式内燃机(5)相连，然后与混合动力传动系(21)相连，混合动力控制器(15)根据整车的运行状况控制内燃机控制器(4)完成整车驱动。
2.根据权利要求1所述的在线制氢、局部富氢内燃机混合动力传动系统，其特征在于， 所述的在线制氢系包含冷态等离子氢气转换器(11)和动力电池(9)，等离子氢气转换器 (11)采用动力电池(9)进行供电，然后将燃料供给系的部分燃料转化为氢气并将其存储在 氢气存储器(10)，动力电池(9)由点燃式内燃机(5)拖动发电机进行供电，或由制动能量回 收的能量或者普通墙上的插座充电进行供电。
3.根据权利要求1所述的在线制氢、局部富氢内燃机混合动力传动系统，其特征在于， 点燃式内燃机(5)采用两种不同的燃料作为可燃混合气，在传统的燃料供给系上增加了在 线制氢系和氢气供给系，冷态等离子转换器(11)从油箱(12)内获得燃料，然后将燃料转换 成氢气，将氢气储存在氢气储存器(10)，氢气泵从氢气存储器(10)内泵出氢气，经过加压 将其传送到喷氢器(13)上，内燃机控制器(4)依据控制方法要求在特定时刻将氢气喷入点 燃式内燃机(5)的火花塞(16)附近。
4.根据权利要求1所述的在线制氢、局部富氢内燃机混合动力传动系统，其特征在于， 所述的点燃式内燃机(5)采用局部富氢稀薄燃烧方式，局部富氢稀薄燃烧方式采用喷氢器 (13)根据运行参数定时定量地将部分氢气喷射在点燃式内燃机(5)的火花塞(16)附近，火 花塞(16)点火点燃氢气，然后利用氢气的燃烧特性，快速完全地引燃内燃机的其它种类的 燃料。
5.一种用于权利要求1所述的一种在线制氢、局部富氢内燃机混合动力传动系统的控 制方法，其特征在于，该控制方法包括点燃式内燃机(5)控制方法和混合动力传动系(21) 的控制方法，二者互为约束，联合控制，通过以下方式实现根据工况及整车参数的不同分 为四个模式(1)急加速工况需求大牵引转矩模式；(2)略有加速或者巡航驾驶时的中等牵引转矩工况模式；(3)车辆制动工况模式；(4)高速工况模式；控制方法的目标在满足整车转矩需求的前提下，点燃式内燃机(5)采用局部富氢稀 薄燃烧方式，整车能够工作在低燃油消耗率和低排放区域，同时，保持动力电池的荷电量在 一个0.3至0.7的范围内波动。
6.根据权利要求5所述的在线制氢、局部富氢内燃机混合动力传动系统的控制方法， 其特征在于，所述的点燃式内燃机控制方法的控制目标是(1)使点燃式内燃机(5)能够满 足混合动力控制器(15)对内燃机输出转矩的需求；(2)能够完全燃烧稀混合气，同时避免 点燃式内燃机失火；(3)大部分工况节气门(1)全开，避免节气门(1)的节流损失。
7.根据权利要求5所述的在线制氢、局部富氢内燃机混合动力传动系统的控制方法， 其特征在于，所述的急加速工况需求大牵引转矩模式，混合动力控制器(15)发送命令给内 燃机控制器(4)，控制点燃式内燃机(5)发出最大的转矩，内燃机控制器(4)控制节气门 (1)全开，控制喷油器(14)采用最大的燃空比，控制喷氢器(13)采用最小化氢气喷射率，再 依据点燃式内燃机的温度，确保点燃式内燃机(5)不失火，如果点燃式内燃机(5)的温度过 低需要采用较大的氢气喷射率，电机/发电机⑶发出转矩来协助点燃式内燃机(5)满足 整车的牵引转矩需求，这个转矩要充分考虑到动力电池(9)的荷电状态处在最高限值和最 低限值之间，当动力电池(9)的荷电状态低于设定的最低限时，电机/发电机⑶将不再工 作，由点燃式内燃机(5)单独发出最大功率。
8.根据权利要求5所述的在线制氢、局部富氢内燃机混合动力传动系统的控制方法， 其特征在于，所述的略有加速或者巡航驾驶时的中等牵引转矩工况模式，整车需求牵引转 矩小于点燃式内燃机(5)能够发出的最大牵引转矩，此时点燃式内燃机(5)的工作状态取 决于动力电池(9)的荷电量；点燃式内燃机(5)的节气门(1)全开，采用最小的燃空比，配上合适的氢气喷射率从 而避免失火，所能输出的最小转矩为点燃式内燃机(5)转矩低限值，点燃式内燃机(5)转矩 低限值将点燃式内燃机(5)的工作状况分为两个区域整车需求转矩大于和小于点燃式内 燃机转矩低限值，与此类似，动力电池的荷电量被分成三个区域高> 0. 7，中等< 0. 7，> 0. 4，低< 0. 4 ；当整车需求转矩小于点燃式内燃机(5)输出转矩高限值后继续下降时，有如下的两种 控制策略(1)当需求转矩大于点燃式内燃机(5)转矩低限值同时又小于点燃式内燃机(5)输出 转矩高限值时，点燃式内燃机(5)的输出转矩和电机/发电机⑶的转矩基于动力电池(9) 荷电量进行控制；如果动力电池(9)的荷电量比较高(高于0.7)，点燃式内燃机(5)独自驱动车辆，电 机/发电机(8)关闭，此时，点燃式内燃机(5)的节气门(1)全开，通过调整燃空比来控制 点燃式内燃机(5)的输出转矩来满足整车的需求转矩，同时采用合适的氢气喷射率避免点 燃式内燃机(5)失火；如果动力电池(9)的荷电状态下降到中等或者低区域(低于0.7)，点燃式内燃机(5) 将发出最大转矩，节气门(1)全开，采用最大的燃空比，多余的点燃式内燃机(5)输出转矩 将传递给电机/发电机⑶为动力电池(9)充电；(2)如果需求转矩小于点燃式内燃机(5)转矩低限值时，点燃式内燃机(5)和电机/发 电机⑶的工作状态根据动力电池(9)的荷电状态而定；a)如果动力电池(9)的荷电状态比较低，即低于0.4，点燃式内燃机(5)发出输出转 矩高限值，此时节气门(1)全开，采用最大燃空比和最小氢气喷射率，多余的点燃式内燃机 (5)输出转矩驱动电机/发电机⑶为动力电池(9)充电，动力电池(9)的荷电状态能够迅 速提升；b)如果当前的动力电池(9)荷电状态处于中等状态，即高于0.4，低于0. 7，此时点燃式 内燃机(5)的节气门是全开的，采用最小的燃空比和最大的氢气喷射率，多余的点燃式内 燃机(5)转矩驱动电机/发电机⑶为动力电池(9)充电，动力电池(9)的充电功率是中等值；C)如果动力电池(9)的荷电状态较高，即高于0.7，点燃式内燃机(5)关闭，电机/发 电机(8)单独驱动车辆；
9.根据权利要求5所述的在线制氢、局部富氢内燃机混合动力传动系统的控制方法， 其特征在于，所述的车辆制动工况模式，点燃式内燃机(5)关闭，车辆反拖电机/发电机(8)，将制动能量转变成制动能回收的电能存储起来，这种模式可以应用在除了动力电池(9)的荷电量全满外的任何一个状态。
10.根据权利要求5所述的在线制氢、局部富氢内燃机混合动力传动系统的控制方法， 其特征在于，所述的高速工况阶段是车辆大部分时间工作在稳定的高速和大功率状态，稳 定状态的牵引功率远远小于加速时的牵引功率，此外，城际间交通的小牵引功率往往会持 续很长时间，因此，点燃式内燃机(5)能够满足功率的需求，动力电池(9)由于受能量存储 空间所限不能满足此项需求，这种情况下，点燃式内燃机(5)应该节气门⑴全开，燃烧稀 薄燃空比混合气，并同时配上合适的氢气喷射率防止点燃式内燃机(5)失火。
全文摘要
本发明涉及一种在线制氢、局部富氢内燃机混合动力传动系统及控制方法。本发明为一款联合内燃机控制策略和车辆传动系统控制策略共同实施的控制技术，其中所采用的内燃机一方面采用了汽油、乙醇、生物燃料或它们的混合物作为燃料，同时根据设定的控制策略定时、定量在缸内指定位置喷入氢气，辅助燃烧，从而实现内燃机满足整车转矩需求的同时，能够采用比传统内燃机更高的压缩比，燃烧稀混合气，提高整车的经济性和排放性能。本发明点燃式内燃机采用高压缩比、稀薄混合气、实现快速燃烧、避免点燃式内燃机失火、提高点燃式内燃机效率，从点燃式内燃机源头上实现能耗的降低和污染物的超低排放。
文档编号B60W10/26GK101837776SQ20101016114
公开日2010年9月22日 申请日期2010年5月4日 优先权日2010年5月4日
发明者丁华杰, 于秀敏, 王庆年 申请人:吉林大学