一种四冲程点燃式氢氧气发动机及控制方法与流程

本发明提供一种以纯氢气和纯氧气为工质的四冲程点燃式发动机及控制方法，具体内容涉及一种四冲程点燃式氢氧气发动机的氢、氧气供给系统和氧气喷射与燃烧过程控制。

背景技术

航天器等装置的动力系统以液氢为燃料，并将液氢转化为气态氢气后供燃料电池使用。由于液氢储存装置纯在氢气泄露问题，且燃料电池运行过程中会有多余氢气被排出，因而在采用上述动力方案的装置中存在大量剩余氢气。这部分剩余的氢气由于处于低压状态，难以被再次加压引入燃料电池使用，且对该部分氢气再次增压需要压气机消耗额外功。因此，在现有技术条件下，这部分多余的氢气难以被再次高效利用，造成了能源浪费。

此外，在航天器等特殊装置所运行的低压环境，甚至真空条件下，如果以发动机为动力装置，则发动机必须采用外接装置提供燃烧需要的氧化剂。也就是说，在上述特殊条件下，发动机的氧化剂需要由纯氧气提供。这意味着在真空或超低压条件下运行的发动机除了需要节约燃料消耗，还需要高效利用氧化剂完成缸内燃烧，避免对氧化剂的过渡消耗。

从现有技术来看，四冲程发动机能够以氢气为燃料运行，但现有的氢发动机多是以空气为氧化剂来源，利用空气中的氧气作为氧化剂使氢气燃烧。或者是以将电解水所产生的氢气和氧气按照摩尔比2:1的比例送入发动机完成燃烧。氢气与氧气在摩尔比为2:1的条件下点燃，混合气的燃烧速度极高，这会给缸内零件造成强烈的机械负荷和热负荷，导致发动机寿命缩短。同时，在固定氢、氧混合气摩尔分数条件下，发动机如果需要降低功率，则必须要采用很小的进气量，这又会引起整机泵气损失增加，进而使发动机总体的有效效率减小，不利于燃料和氧化剂的高效利用。更为重要的是，将氢气和氧气提前预混会明显增加混合气回火的风险，从而造成严重的安全隐患。

技术实现要素：

针对目前以纯氢气和纯氧气为工质的发动机技术不成熟，供气系统中氢气和氧气预混带来回火风险，以及以氢气、氧气固定摩尔分数燃烧的发动机存在效率低、机械负荷与热负荷高的问题，本发明提供一种新型的四冲程点燃式氢氧发动机及其控制方法。

本发明采用了如下技术方案：该发明中的四冲程点燃式氢氧气发动机包括原机的发动机1、与发动机1相连的进气道2与排气道3、安装在进气道2上的电控节气门5、与发动机1相连的火花塞8,、以及与火花塞8通过导线相连的点火模块7、与发动机1相连的实际功率信号传感器11、用于控制发动机负荷状态的负荷需求传感器12、与发动机1相连的曲轴位置传感器13、凸轮轴位置传感器14及爆震传感器15，其特征在于：还包括安装在发动机1缸盖上的氧气喷嘴9、与氧气喷嘴9通过高压管道连接的氧气减压器10和氧气罐6、安装在进气道2上的氢气流量计16、电子控制单元4通过导线与点火模块7相连接发出点火信号g、电子控制单元4通过导线与氧气喷嘴9的控制端相连接发出氧气喷射信号h、电子控制单元4通过导线与电控节气门5相连接发出节气门控制信号a、电子控制单元4通过导线与氢气流量计16相连接获得氢气流量信号k、电子控制单元4通过导线与实际功率信号传感器11相连接获得实际输出功率信号b、电子控制单元4通过导线与负荷需求传感器12相连接获得需求功率信号c、电子控制单元4通过导线与曲轴位置传感器13相连接获得曲轴位置信号d、电子控制单元4通过导线与凸轮轴位置传感器14相连接获得凸轮轴位置信号e、电子控制单元4通过导线与爆震传感器15相连接获得爆震信号f；氢气通过进气道2进入燃烧室。

一种四冲程点燃式氢氧发动机的控制方法，该方法包括以下步骤：

一种四冲程点燃式氢氧发动机的控制方法主要包括氧气喷射与点火角控制策略、氢气流量控制策略及爆震控制策略；

(1)氧气喷射与点火角控制策略

电子控制单元(4)首先检测来自负荷需求传感器(12)的功率需求信号c获得当前系统期望的发动机输出功率pr，并根据公式1确定氧气基础需求量mo2：

mo2＝mo2*pr/(2*mh2*η*lh2)公式1

式1中，

mo2——氧气摩尔质量；

mh2——氢气摩尔质量；

η——有效效率系数；

lh2——氢气低热值；

电子控制单元(4)根据氧气基础需求量及氧气喷嘴(9)的标定特性，通过公式2确定氧气基础喷射脉宽to2,n：

to2＝ko2*mo2公式1

式1中，

ko2——氧气喷嘴流量特性，由氧气喷嘴出厂标定；

电子控制单元(4)进一步根据需求负荷pr与该转速下发动机最大负荷pm的关系确定氧气喷射次数to2,n、氧气喷射时刻to2,ia及点火时刻st：1)当pr≤0.3pm时，电子控制单元(4)判定此时氧气采用单次喷射，即to2,n＝1，且喷射时刻范围为st-30°≤to2,ia≤st-5°，且to2,ia随功率增加而提前，且点火角不大于压缩上止点前38°并且不小于上止前5°，且点火角在上述范围内随功率增加而推迟，并随转速增加而提前；

2)当0.3pm<pr时，电子控制单元(4)判定此时氧气采用两次喷射，即to2,n＝2此处的to2,n表示“喷射次数”；第一次喷射过程中氧气喷射脉宽为氧气基础喷射脉宽的x倍，要求50％≤x<70％，且x随功率的增加而增加，即：to2,1＝x*to2；第二次喷射过程中氧气喷射脉宽为氧气基础喷射脉宽的y倍，要求30％≤y<50％，且y随功率的增加而减小，任意功率下均保持x+y＝100％，即：to2,2＝y*to2；且氧气第一次喷射时刻范围为st-180°≤to2,ia,1≤st-100°，且to2,ia,1随转速增加而提前，氧气第二次喷射时刻范围为st-15°≤to2,ia,2≤st-3°，且to2,ia,2随转速增加而提前，且点火角不大于压缩上止点前20°并且不小于压缩上止点前5°，且点火角在上述范围内随功率增加而推迟，并随转速增加而提前；

在上述条件下，电子控制单元进一步通过获取实际输出功率信号b检测发动机实际输出功率pn并对下一循环的氧气喷射脉宽to2,nc在氧气基础喷射脉宽to2的基础上进行修正，使修正后下一发动机循环的实际功率pn,控制在0.95pr≤pn≤1.05pr的范围内，即：保证发动机实际输出功率与需求功率的误差不大于±5％，氧气喷射脉宽的修正方法为：

当pn<0.95pr时，to2,nc＝1.02to2，进而在氢气充足的条件下，通过加大氧化剂的方式加强缸内混合气做功能力，使pn接近pr；

当pn>1.05pr时，to2,nc＝0.98to2，进而在氢气充足的条件下，通过减小氧化剂的方式降低缸内混合气做功能力，使pn接近pr；

电子控制单元(4)通过发出氧气喷射信号h将氧气喷射脉宽、相位信号发送至氧气喷嘴(9)，控制氧气喷嘴(9)按电子控制单元(4)的策略实现氧气喷射，同时电子控制单元(4)通过点火信号g控制点火模块(7)的导通角和点火角，使火花塞(8)在点火模块(7)的驱动下按照电子控制单元(4)的控制策略控制点火；

(2)氢气流量控制策略

同意删除电子控制单元(4)首先检测来自负荷需求传感器(12)的功率需求信号c获得当前系统期望的发动机输出功率pr，根据pr与当前转速下发动机最大功率pm的关系，电控节气门(5)的开度采用如下策略：

1)当pr≤30％pm时，电子控制单元(4)通过发出节气门控制信号a使电控节气门的开度ktp在40％≤ktp≤50％范围内调整，且ktp随pr增加而提高；

2)当30％pm<pr≤70％pm时，电子控制单元(4)通过发出节气门控制信号a使电控节气门的开度ktp在50％<ktp<100％范围内调整，且ktp随pr增加而提高；

3)当70％pm<pr时，电子控制单元(4)通过发出节气门控制信号a使电控节气门的开度ktp稳定在100％并且不再随pr变化；

(3)爆震控制策略

当爆震传感器(15)检测到发动机发生爆震时通过向电子控制单元(4)发出爆震信号f告知此时发动机出现爆震，当电子控制单元(4)通过爆震信号f检测到发动机出现爆震时，立即将下一循环的点火时刻1°至10°，且推迟幅度随爆震强度增加而加大，直至爆震消除。

本发明的有益效果是，针对富氢、超低压或真空条件下的发动机，提出了一种纯氢氧气发动机及控制方法。该发动机避免了氢气与氧气预先混合带来的回火危险，通过氧气缸内直喷，根据工况实时调整氧气喷射量，避免了氢气、氧气以固定比例燃烧时爆发压力大、低负荷时泵气损失高等问题。本发明中的发动机燃烧过程是在富氢条件下进行的，氢气通过进气道进入气缸，通过调整缸内氧化剂(氧气)的含量，控制氢气-氧气混合气分层燃烧，该技术与现有汽油直喷分层等基于燃料分层的技术具有本质不同，是一种通过控制缸内氧化剂分层实现高效燃烧的发动机控制方式。通过对缸内氧气喷射相位、脉宽及喷射次数的控制，本发明所提供的四冲程纯氢氧气发动机能够实现燃料总体浓燃条件下的稀薄燃烧，并靠氧化剂的分层与浓度控制调整发动机输出功率，进而使节气门开度明显大于常规四冲程发动机，有效降低了该机泵气损失，提高了系统有效效率。此外，本发明中的四冲程点燃式纯氢氧气发动机氧气在缸内直喷，氢气从进气道进入气缸，避免了氢氧气在缸外混合而带来的回火隐患，保证了发动机的安全运行。

附图说明

图1本发明的结构和工作原理图

图中：1发动机本体；2进气道；3排气道；4电子控制单元；5电控节气门；6氧气罐；7点火模块；8火花塞；9氧气喷嘴；10氧气减压器；11实际功率信号传感器；12负荷需求传感器；13曲轴位置传感器；14凸轮轴位置传感器；15爆震传感器；16氢气流量计

a.节气门控制信号；b.实际输出功率信号；c.需求功率信号；d.曲轴位置信号；e.凸轮轴位置信号；f.爆震信号；g.点火信号；h.氧气喷射信号；k.氢气流量信号。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图1所示，该四冲程点燃式氢氧气发动机，包括原机的发动机1、与发动机1相连的进气道2与排气道3、安装在进气道2上的电控节气门5、与发动机1相连的火花塞8,、以及与火花塞8通过导线相连的点火模块7、与发动机1相连的实际功率信号传感器11、用于控制发动机负荷状态的负荷需求传感器12、与发动机1相连的曲轴位置传感器13、凸轮轴位置传感器14及爆震传感器15，其特征在于：还包括安装在发动机1缸盖上的氧气喷嘴9、与氧气喷嘴9通过高压管道连接的氧气减压器10和氧气罐6、安装在进气道2上的氢气流量计16、电子控制单元4通过导线与点火模块7相连接发出点火信号g、电子控制单元4通过导线与氧气喷嘴9的控制端相连接发出氧气喷射信号h、电子控制单元4通过导线与电控节气门5相连接发出节气门控制信号a、电子控制单元4通过导线与氢气流量计16相连接获得氢气流量信号k、电子控制单元4通过导线与实际功率信号传感器11相连接获得实际输出功率信号b、电子控制单元4通过导线与负荷需求传感器12相连接获得需求功率信号c、电子控制单元4通过导线与曲轴位置传感器13相连接获得曲轴位置信号d、电子控制单元4通过导线与凸轮轴位置传感器14相连接获得凸轮轴位置信号e、电子控制单元4通过导线与爆震传感器15相连接获得爆震信号f；氢气通过进气道2进入燃烧室。；

一种四冲程点燃式氢氧发动机的控制方法，该方法包括以下步骤：

一种四冲程点燃式氢氧发动机的控制方法主要包括氧气喷射与点火角控制策略、氢气流量控制策略及爆震控制策略；

(1)氧气喷射与点火角控制策略

电子控制单元(4)首先检测来自负荷需求传感器(12)的功率需求信号c获得当前系统期望的发动机输出功率pr，并根据公式1确定氧气基础需求量mo2：

mo2＝mo2*pr/(2*mh2*η*lh2)公式1

式1中，

mo2——氧气摩尔质量；

mh2——氢气摩尔质量；

η——有效效率系数；

lh2——氢气低热值；

电子控制单元(4)根据氧气基础需求量及氧气喷嘴(9)的标定特性，通过公式2确定氧气基础喷射脉宽to2,n：

to2＝ko2*mo2公式1

式1中，

ko2——氧气喷嘴流量特性，由氧气喷嘴出厂标定；

电子控制单元(4)进一步根据需求负荷pr与该转速下发动机最大负荷pm的关系确定氧气喷射次数to2,n、氧气喷射时刻to2,ia及点火时刻st：1)当pr≤0.3pm时，电子控制单元(4)判定此时氧气采用单次喷射，即to2,n＝1，且喷射时刻范围为st-30°≤to2,ia≤st-5°，且to2,ia随功率增加而提前，且点火角不大于压缩上止点前38°并且不小于上止前5°，且点火角在上述范围内随功率增加而推迟，并随转速增加而提前；

2)当0.3pm<pr时，电子控制单元(4)判定此时氧气采用两次喷射，即to2,n＝2此处的to2,n表示“喷射次数”；第一次喷射过程中氧气喷射脉宽为氧气基础喷射脉宽的x倍，要求50％≤x<70％，且x随功率的增加而增加，即：to2,1＝x*to2；第二次喷射过程中氧气喷射脉宽为氧气基础喷射脉宽的y倍，要求30％≤y<50％，且y随功率的增加而减小，任意功率下均保持x+y＝100％，即：to2,2＝y*to2；且氧气第一次喷射时刻范围为st-180°≤to2,ia,1≤st-100°，且to2,ia,1随转速增加而提前，氧气第二次喷射时刻范围为st-15°≤to2,ia,2≤st-3°，且to2,ia,2随转速增加而提前，且点火角不大于压缩上止点前20°并且不小于压缩上止点前5°，且点火角在上述范围内随功率增加而推迟，并随转速增加而提前；

在上述条件下，电子控制单元进一步通过获取实际输出功率信号b检测发动机实际输出功率pn并对下一循环的氧气喷射脉宽to2,nc在氧气基础喷射脉宽to2的基础上进行修正，使修正后下一发动机循环的实际功率pn,控制在0.95pr≤pn≤1.05pr的范围内，即：保证发动机实际输出功率与需求功率的误差不大于±5％，氧气喷射脉宽的修正方法为：

当pn<0.95pr时，to2,nc＝1.02to2，进而在氢气充足的条件下，通过加大氧化剂的方式加强缸内混合气做功能力，使pn接近pr；

当pn>1.05pr时，to2,nc＝0.98to2，进而在氢气充足的条件下，通过减小氧化剂的方式降低缸内混合气做功能力，使pn接近pr；

电子控制单元(4)通过发出氧气喷射信号h将氧气喷射脉宽、相位信号发送至氧气喷嘴(9)，控制氧气喷嘴(9)按电子控制单元(4)的策略实现氧气喷射，同时电子控制单元(4)通过点火信号g控制点火模块(7)的导通角和点火角，使火花塞(8)在点火模块(7)的驱动下按照电子控制单元(4)的控制策略控制点火；

(2)氢气流量控制策略

同意删除电子控制单元(4)首先检测来自负荷需求传感器(12)的功率需求信号c获得当前系统期望的发动机输出功率pr，根据pr与当前转速下发动机最大功率pm的关系，电控节气门(5)的开度采用如下策略：

1)当pr≤30％pm时，电子控制单元(4)通过发出节气门控制信号a使电控节气门的开度ktp在40％≤ktp≤50％范围内调整，且ktp随pr增加而提高；

2)当30％pm<pr≤70％pm时，电子控制单元(4)通过发出节气门控制信号a使电控节气门的开度ktp在50％<ktp<100％范围内调整，且ktp随pr增加而提高；

3)当70％pm<pr时，电子控制单元(4)通过发出节气门控制信号a使电控节气门的开度ktp稳定在100％并且不再随pr变化；

(3)爆震控制策略

当爆震传感器(15)检测到发动机发生爆震时通过向电子控制单元(4)发出爆震信号f告知此时发动机出现爆震，当电子控制单元(4)通过爆震信号f检测到发动机出现爆震时，立即将下一循环的点火时刻1°至10°，且推迟幅度随爆震强度增加而加大，直至爆震消除。

本实施例对各种工况进行了如下实验：

实验所用单缸发动机按照图1所示改造成四冲程点燃式氢氧气发动机。实验时纯度为99.95％的氢气以1bar的压力输送至进气道，纯度为99.995％氧气经本发明中的减压器减压后以60bar的压力输送至氧气喷嘴。本实验在低功率、高功率及爆震条件下进行。在低功率及高功率实验中，氧气和氢气的供气温度均为常温，爆震实验中氢气供气温度为90℃。

1)低功率实验

电子控制单元4首先根据功率需求信号c获得当前系统期望的发动机输出功率pr为3.0kw，根据曲轴位置信号d判定当前转速为3058rpm，该转速下最大功率pm为12kw，即pr<30％pm，

此时，电子控制单元4根据氧气喷射策略计算得到氧气喷射脉宽为3.6ms，喷射相位为上止点前30°，单次喷射，点火角为上止点前15°，电控节气门开度为47.2％。实验结果表明，在上述控制策略下，发动机实际输出功率pa为3.08kw，与需求功率的误差小于±5％。

(2)高功率实验

电子控制单元4首先根据功率需求信号c获得当前系统期望的发动机输出功率pr为12kw，根据曲轴位置信号d判定当前转速为4205rpm，该转速下最大功率pm为15kw，即pr>30％pm，

此时，电子控制单元4根据氧气喷射策略计算得到氧气喷射脉宽为7.6ms，采用两次喷射策略，第一次氧气喷射角相位为上止点前165°，第二次喷射角为上止点前16°，第一次喷射脉宽6.1ms，第二次喷射脉宽为1.5ms，点火角为上止点前12°，电控节气门开度为100％。

喷射相位为上止点前30°，单次喷射，点火角为上止点前15°，电控节气门开度为47.2％。实验结果表明，在上述控制策略下，发动机实际输出功率pa为3.08kw，与需求功率的误差小于±5％。实验结果表明，在上述控制策略下，发动机实际输出功率pa为11.7kw，与需求功率的误差小于±5％。

(3)爆震实验

爆震实验时除氢气温度提高至90℃外其余条件与低负荷实验相同。

电子控制单元4首先根据功率需求信号c获得当前系统期望的发动机输出功率pr为3.0kw，根据曲轴位置信号d判定当前转速为3058rpm，该转速下最大功率pm为12kw，即pr<30％pm，

此时，电子控制单元4根据氧气喷射策略计算得到氧气喷射脉宽为3.6ms，喷射相位为上止点前30°，单次喷射，点火角为上止点前15°，电控节气门开度为47.2％。由于氢气进气温度提高使压缩终点混合气温度增加，电子控制单元4通过爆震信号f检测到发动机出现爆震，此时电子控制单元4将下一循环点火角推迟至上止点前13°，再次检测爆震信号f发现发动机爆震消除，发动机正常运行。此时发动机实际输出功率pa为2.89kw，与需求功率的误差小于±5％。

上述的内燃机台架实验结果表明，采用本发明提供的一种四冲程点燃式氢氧气发动机能够在不同功率需求条件下稳定运行，并证明通过采用氧气多次缸内直喷调整混合气浓度能够实现稳定混合气的高效、稳定燃烧，避免了单一氢气、氧气比例条件下发动机工作粗暴、容易产生爆震的问题，避免了氢气、氧气提前预混带来的回火风险。该技术降为富氢、超低压或真空条件下运行的发动机提供一条有效的技术途径。