一种基于HHO的内燃机燃烧控制系统及方法与流程

一种基于hho的内燃机燃烧控制系统及方法
技术领域
1.本技术涉及内燃机技术领域，具体涉及一种基于hho的内燃机燃烧控制系统及方法。


背景技术：

2.内燃机经过很多年的发展，各个厂家通过可变气门正时、可变气门升程、可变压缩比、热管理模块、以及高压直喷等技术手段不断进行热效率的提升与探索，已经将热效率提升至40％以上。当前内燃机热效率提升成本比越来越差，据统计每1％热效率提升须增加成本500元。所以我们迫切需要寻求低成本提升热效率的方案以助力全球碳达峰碳中和远景目标实现。
3.现有技术一的技术方案采用可变气门正时(variable valve timing，vvt)系统，其液压执行机构采用vvt相位器，vvt相位器安装在凸轮轴前端，通过电控液压方式来改变凸轮轴相对于曲轴的相位，使气门正时提前或者延迟。vvt系统是针对不同工况需求，通过改变气门重叠角来达到相应技术指标的，总体来说，具有以下优点：(1)进、排气凸轮轴相位可调，通过调控来增大气门重叠角，增加发动机进气量。(2)减小残余废气系数，提高充效率。(3)提高发动机功率与扭矩，有效升燃油经济性。(4)明显改善怠速稳定性，从而获得舒适性，降低排放。
4.采用vvt系统提升热效率具有以下缺点：热效率提升仅约1-2％左右，且因该已经技术成熟，绝大部分厂家已经采用，在现有车辆上叠加vvt系统对热效率的提升不大，成本的增加却会大幅度增大。
5.现有技术二的技术方案采用可变压缩比技术，其目的在于提高增压发动机的燃油经济性。在增压发动机中，为了防止爆震，其压缩比低于自然吸气式发动机。在增压压力低时热效率降低，使燃油经济性下降。特别在涡轮增压发动机中由于增压度上升缓慢在低压缩比条件下扭矩上升也很缓慢，形成所谓的增压滞后现象。也就是说，发动机在低速时，增压作用滞后，要等到发动机加速至一定转速后增压系统才起到作用。为了解决这个问题，可变压缩比是重要方法。也就是说，在增压压力低的低负荷工况使压缩比提高到与自然吸气式发动机压缩比相同或超过。另一方面，在高增压的高负荷工况下适当降低压缩比。换言之，随着负荷的变化连续调节压缩比，以便能够从低负荷到高的整个工况范围内有提高热效率。
6.采用可变压缩比技术具有以下缺点：通过改变发动机几何结构来改变压缩比，必然导致发动机结构复杂度的提升，随之而来的是可靠性下降、振动增大等亟待解决的工程问题。此外，由于可变压缩比发动机的结构更为复杂，未实现大批量生产，这也使得现在搭载该技术的发动机制造成本偏高。


技术实现要素：

7.针对现有技术中存在的缺陷，本技术的目的在于提供一种基于hho的内燃机燃烧
控制系统及方法，基于hho特性，提高内燃机的燃烧速率，无需改变发动机系统结构，以较低成本提高内燃机的燃油经济性和动力性。
8.为达到以上目的，采取的技术方案是：
9.本技术第一方面提供一种基于hho的内燃机燃烧控制系统，包括：
10.hho模块，其用于生成并输出hho；
11.比例控制模块，其连接hho模块，用于接收hho，并按照混合比例将其与空气和燃油混合后输送至内燃机，还用于采集内燃机的实际空燃比，根据实际空燃比对混合比例进行反馈调节，直至实际空燃比达到预设空燃比。
12.一些实施例中，所述hho模块包括：
13.hho控制器，其用于输出生成速率信号和输出速率信号，生成速率信号用于控制hho的生成速率，输出速率信号用于控制hho的输出速率；
14.电解池，其连接hho控制器，用于根据生成速率信号对水进行电解得到hho，并根据输出速率信号输出hho；
15.水箱，其用于向电解池供水；
16.供水管，其连接电解池和水箱，用于从水箱向电解池输送水；
17.第一hho通气管，其连接电解池和水箱，用于从电解池向水箱输送hho；所述水箱中的水还用于吸收hho中含有的水分；
18.第二hho通气管，其连接水箱和内燃机，用于从水箱向内燃机输送hho。
19.一些实施例中，所述比例控制模块通过采集内燃机中的氧传感器的氧浓度信息，并对氧浓度信息进行处理得到所述实际空燃比。
20.一些实施例中，所述基于hho的内燃机燃烧控制系统还包括：
21.燃烧控制模块，其用于获取车辆的当前车速和当前负荷，根据当前车速和当前负荷处理得到车辆当前工况，并根据车辆当前工况选择预设燃烧策略，所述预设燃烧策略为根据车辆当前工况设定点火提前角和喷油时刻。
22.一些实施例中，所述基于hho的内燃机燃烧控制系统还包括：
23.清碳控制模块，其连接比例控制模块，用于采集内燃机的累计运行时长，并在累计运行时长达到预设时长时，向所述比例控制模块发送清碳信号；
24.所述比例控制模块接收到清碳信号后，提高混合比例中hho的比例至预设比例，以在内燃机中通过燃烧hho实现清碳。
25.一些实施例中，所述基于hho的内燃机燃烧控制系统还包括：
26.安全保护模块，其连接比例控制模块，用于采集内燃机的运行关闭信息，并根据内燃机的运行关闭信息在内燃机熄火前预设时间，向所述比例控制模块发送关闭信号；
27.所述比例控制模块接收到关闭信号后，将混合比例中hho的比例降至零。
28.一些实施例中，所述安全保护模块还连接hho模块，用于采集hho模块输出的hho生成量信息和内燃机的实际空燃比，根据实际空燃比得到hho模块实际输送到内燃机的hho到达量信息，将hho生成量信息和hho到达量信息进行比对得到hho泄漏量信息，并在hho泄漏量信息达到泄漏阈值时，输出告警信息。
29.本技术第二方面提供一种基于hho的内燃机燃烧控制方法，包括：
30.在车辆内部添加hho模块，并将hho模块与内燃机连通；
31.利用hho模块生成并输出hho，按照混合比例将hho、空气、以及燃油混合后输送至内燃机；
32.采集内燃机的实际空燃比，根据实际空燃比对混合比例进行反馈调节，直至实际空燃比达到预设空燃比。
33.一些实施例中，所述方法还包括：
34.获取车辆的当前车速和当前负荷，根据当前车速和当前负荷处理得到车辆当前工况，并根据车辆当前工况选择预设燃烧策略，所述预设燃烧策略为根据车辆当前工况设定点火提前角和喷油时刻。
35.一些实施例中，所述方法还包括：
36.采集内燃机的累计运行时长，并在累计运行时长达到预设时长时，提高混合比例中hho的比例至预设比例，以在内燃机中通过燃烧hho实现清碳；
37.采集内燃机的运行关闭信息，并根据内燃机的运行关闭信息在内燃机熄火前预设时间，将混合比例中hho的比例降至零。
38.本技术提供的技术方案带来的有益效果包括：
39.利用hho的高效制备特性、低成本特性、易燃特性和清洁能源特性，将hho作为催化剂添加到空气和燃油的混合油气中，提高内燃机的燃烧速率，以较低成本提高内燃机的燃油经济性和动力性，并降低内燃机的废气排放。
40.低成本、搭载简便、无须对内燃机进行额外开发，仅通过开发用于生成hho的hho模块以及相关控制软件，由相关控制软件控制hho模块箱内燃机输送hho，即可实现整车应用。
41.运行指定时间段后，调高混合油气中的hho比例，利用hho燃烧对内燃机内部进行清碳，避免北燃机内部积碳，提高内燃机安全性。
42.加入了安全保护逻辑，在关闭内燃机前停止向内燃机中输送hho，使内燃机在关闭时，其内部的hho已被完全燃烧，确保了hho气体不会残留并进一步散发到外部环境中，避免起火或爆炸风险。
附图说明
43.图1为本发明实施例中基于hho的内燃机燃烧控制系统的示意他。
44.图2为本发明实施例中基于hho的内燃机燃烧控制系统的功能模块示意他。
45.图3为本发明实施例中，基于hho的内燃机燃烧控制方法的流程图。
具体实施方式
46.以下结合附图及实施例对本技术作进一步详细说明。
47.内燃机是一种动力机械，它是通过使燃料在机器内部燃烧，并将其放出的热能直接转换为动力的热力发动机。广义上的内燃机不仅包括往复活塞式内燃机、旋转活塞式发动机和自由活塞式发动机，也包括旋转叶轮式的喷气式发动机，但通常所说的内燃机是指活塞式内燃机。活塞式内燃机以往复活塞式最为普遍。活塞式内燃机将燃料和空气混合，在其汽缸内燃烧，释放出的热能使汽缸内产生高温高压的燃气。燃气膨胀推动活塞作功，再通过曲柄连杆机构或其他机构将机械功输出，驱动从动机械工作。常见的有柴油机和汽油机，通过将内能转化为机械能，是通过做功改变内能。
48.热效率的含义是对于特定热能转换装置，其有效输出的能量与输入的能量之比，是无量纲指标，一般用百分比表示。内燃机作为发动机的一种，其热效率指发动机中转变为机械功的热量与所消耗的热量的比值。
49.燃油经济性指在保证动力性的条件下，汽车以尽量小的耗油量经济行驶的能力。
50.参见图1和图2所示，本发明实施例提供一种基于hho的内燃机6燃烧控制系统及方法，基于hho的高效制备特性、低成本特性、易燃特性和清洁能源特性，能够显著提升内燃机6燃油经济性、动力性、以及清洁性。上述系统包括在现有的发动机系统14以外添加的用于生成hho的hho模块1、以及用于控制输送到发动机系统14中的内燃机6中的hho、空气、以及燃油的混合比例的比例控制模块2，比例控制模块2通过采集按照混合比例将其与空气和燃油混合后输送至内燃机6，并采集内燃机6的实际空燃比，根据实际空燃比对混合比例进行反馈调节，直至实际空燃比达到预设空燃比，从而使内燃机6的热性能达到最优状态。
51.具体的，基于hho特性的内燃机6超高效燃烧机电耦合系统包括hho模块1和比例控制模块2，hho模块1连接比例控制模块2，比例控制模块2连接发动机系统14中的内燃机6，hho模块1用于生成并输出hho，比例控制模块2用于接收hho模块1输出的hho并按照混合比例将其与空气和燃油混合后输送至内燃机6，比例控制模块2还用于采集内燃机6的实际空燃比，根据实际空燃比对混合比例进行反馈调节，直至实际空燃比达到预设空燃比。其中，混合比例可预先设置，之后根据反馈调节进行适时调整。
52.在本实施中，hho(氧氢气体)是科学家耶尔
·
布朗发现的一种奇异气体，它是严格按照水分子当量配比的具有活性的氢氧混合气，其含有微量的活性基(oh-、o2-、h+)，具备燃烧火焰传播速度极快，燃烧产物为纯水的特点。所以hho不仅是一种清洁高效的气体燃料，还具备良好的助燃作用。
53.由于hho具备燃烧火焰传播速度极快，燃烧产物为纯水的特点。所以hho不仅是一种清洁高效的气体燃料，还具备良好的助燃作用。将hho作为催化剂添加到现有内燃机6使用的由空气和燃油构成的混合油气中，利用hho的高效制备特性、低成本特性、易燃特性和清洁能源特性，能够在降低燃油使用量的同时，提高内燃机6的燃烧速率，以较低成本提高内燃机6的燃油经济性和动力性，并降低内燃机6的废气排放。
54.在较佳的实施例中，继续参照图1所示，上述hho模块1包括hho控制器9、电解池7、水箱8、供水管12、第一hho通气管11、以及第二hho通气管10，电解池7用于通过电解反应生成hho，hho控制器9用于控制电解池7中的电解反应以控制hho的生成速率，水箱8用于向电解池7中输送用于进行电解反应的原料即水，hho控制器9可通过控制水箱8向电解池7中输送水的速率控制电解池7中的hho的生成速率，也可通过其他措施控制电解池7中的hho的生成速率。电解池7中生成的hho需要输送到内燃机6中，由于其中包含较多水分，因此，在输送至内燃机6的过程中，可先将hho输送至水箱8中，利用水箱8中的水吸收hho中包含的水分，提到最终输送到内燃机6中的hho的纯度。hho控制器9与发动机系统14中用于控制内燃机6燃烧的内燃机控制器13通过控制器局域网络(controller area network，can)网络通信连接，hho控制器9可根据内燃机6中的燃烧情况输出控制信号。
55.具体的，上述hho模块1中包括的hho控制器9。用于输出生成速率信号pwm1和输出速率信号pwm2，生成速率信号用于控制hho的生成速率，输出速率信号用于控制hho的输出速率。
56.上述hho模块1中包括的电解池7连接hho控制器9，用于根据生成速率信号对水进行电解得到hho，并根据输出速率信号输出hho。
57.上述hho模块1中包括的水箱8用于向电解池7供水。
58.上述hho模块1中包括的供水管12连接电解池7和水箱8，用于从水箱8向电解池7输送水。
59.上述hho模块1中包括的第一hho通气管11连接电解池7和水箱8，用于从电解池7向水箱8输送hho；上述水箱8中的水还用于吸收hho中含有的水分。
60.上述hho模块1中包括的第二hho通气管10连接水箱8和内燃机6，用于从水箱8向内燃机6输送hho。
61.在本实施例中，hho控制器9可根据用户设定，可也根据发动机系统14的反馈控制hho的生成速率和输出速率，以控制输送到内燃机6中的hho的比例，从而能够在降低燃油使用量的同时，提高内燃机6的燃烧速率，以较低成本提高内燃机6的燃油经济性和动力性。
62.在较佳的实施例中，上述比例控制模块2通过采集内燃机6中的氧传感器的氧浓度信息，并对氧浓度信息进行处理得到上述实际空燃比。
63.在本实施例中，空燃比，是混合气中空气与燃料之间的质量的比例。一般用每克燃料燃烧时所消耗的空气的克数来表示。发动机在不同工况下要求不同空燃比的混合气。正确的空燃比，能使发动机具有良好的启动、怠速、加速性能。
64.为获得更高的排气净化率，降低排气中一氧化碳、碳氢混合物、以及氮氧化合物成分，发动机系统14或者说内燃机6中一般都装配三元催化器，为了有效地使用三元催化器，必须精确的控制实际空燃比，使其始终接近理论空燃比。由于混合油气中的空燃比一旦偏离理论空燃比，三元催化剂对一氧化碳、碳氢混合物、以及氮氧化合物的净化能力将急剧下降，因此在排气系统中安装氧传感器，用以检测排气系统中氧的浓度，根据氧的浓度结合输送到内燃机6中混合油气利用应该产生的氧的浓度的比对结果，可得到混合油气在内燃机6中的利用率即实际空燃比。进一步的，可根据实际空燃比和理论空燃比的差值调整混合油气的输送量和混合油气中hho、空气、以及燃油的比例，从而使实际空燃比始终接近理论空燃比，得到最佳的热效率。
65.在较佳的实施例中，上述基于hho的内燃机6燃烧控制系统还包括燃烧控制模块3，用于获取车辆的当前车速和当前负荷，根据当前车速和当前负荷处理得到车辆当前工况，并根据车辆当前工况选择预设燃烧策略，上述预设燃烧策略为根据车辆当前工况设定点火提前角和喷油时刻。
66.车辆当前工况为暖机后怠速工况、小负荷工况、或加速工况。
67.发动机暖机后，在怠速时，由于发动机转速较低，进气量较小，进气流速较慢。上述预设燃烧策略可以是判断当前车辆状态是暖机后怠速工况时，将点火提前角向后调，将喷油时刻向前调。
68.发动机暖机后，在小负荷时，由于发动机转速较低，进气量较小，进气流速较慢。上述预设燃烧策略可以是判断当前车辆状态是小负荷工况时，将点火提前角向后调，将喷油时刻向前调。
69.在加速工况，由于功率的需要，需要提供额外加浓的混合气。与此相反，急减速时该采用稀混合气。上述预设燃烧策略可以是判断当前车辆状态是加速工况时，将点火提前
角向后调，将喷油时刻向后调。
70.在本实施例中，发动机(汽油机)工作时，点火时刻对发动机的工作性能有很大的影响。提前点火就是活塞到达压缩上止点之前火花塞跳火，点燃燃烧室内的可燃混合气。从点火时刻起到活塞到达压缩上止点，这段时间内曲轴转过的角度称为点火提前角。能使发动机获得最佳动力性、经济性和最佳排放时的点火提前角称为最佳点火提前角。
71.可预先通过多次试验验证同一混合油气输送速率和同一混合比例的情况下，不同点火提前角和喷油时刻对应的实际空燃比，选定最佳的实际空燃比对应的点火提前角和喷油时刻来设定预设燃烧策略。在将基于hho的内燃机6燃烧控制系统应用到实际车辆上时，通过调整不同车辆工况的点火提前角和喷油时刻使hho和燃油的燃效效率达到最大，从而最大限度提高燃烧热效率。
72.进一步的，燃烧控制模块3也可以根据不用的实际空燃比调整不同车辆工况的点火提前角和喷油时刻使hho和燃油的燃效效率达到最大，从而最大限度提高燃烧热效率。
73.在较佳的实施例中，上述基于hho的内燃机6燃烧控制系统还包括清碳控制模块4，其连接比例控制模块2，用于采集内燃机6的累计运行时长，并在累计运行时长达到预设时长时，向上述比例控制模块2发送清碳信号。上述比例控制模块2接收到清碳信号后，提高混合比例中hho的比例至预设比例，以在内燃机6中通过燃烧hho实现清碳。
74.在本实施例中，运行指定时间段后，调高混合油气中的hho比例，由于hho具备燃烧火焰传播速度极快，燃烧产物为纯水的特点。利用大量hho的急速燃烧可有效清理内燃机6内部积碳，利用hho燃烧对内燃机6内部进行清碳，避免北燃机内部积碳，可提高内燃机6安全性。
75.在较佳的实施例中，上述基于hho的内燃机6燃烧控制系统还包括安全保护模块5，其连接比例控制模块2，用于采集内燃机6的运行关闭信息，并根据内燃机6的运行关闭信息在内燃机6熄火前预设时间，向上述比例控制模块2发送关闭信号。上述比例控制模块2接收到关闭信号后，将混合比例中hho的比例降至零。
76.在本实施例中，增加安全保护模块5，从而在hho利用时加入了安全保护逻辑，在关闭内燃机6前停止向内燃机6中输送hho，使内燃机6在关闭时，其内部的hho已被完全燃烧，确保了hho气体不会残留并进一步散发到外部环境中，避免起火或爆炸风险。
77.在内燃机6熄火前预设时间段停止向内燃集中输送hho，该预设时间可根据内燃机6熄火前一时段混合油气的输送量和hho的比例，结合实际内燃比判断内燃机6内部剩余的hho量，从而进一步推到能够将剩余hho全部燃烧的预设时间。
78.在较佳的实施例中，上述安全保护模块5还连接hho模块1，用于采集hho模块1输出的hho生成量信息和内燃机6的实际空燃比，根据实际空燃比得到hho模块1实际输送到内燃机6的hho到达量信息，将hho生成量信息和hho到达量信息进行比对得到hho泄漏量信息，并在hho泄漏量信息达到泄漏阈值时，输出告警信息。
79.在本实施例中，将hho生成量信息和hho到达量信息进行比对，若hho生成量信息大于hho到达量信息，说明存在hho泄露，当hho泄漏量信息达到泄漏阈值时，输出告警信息，使用人员接收到告警信息后，可对车辆进行检修，保证车辆安全性。
80.参见图3所示，本发明实施例提供一种基于hho特性的内燃机6超高效燃烧机电耦合方法，显著提升内燃机6燃油经济性、动力性、以及清洁型，包括：
81.步骤s1、在车辆内部添加hho模块1，并将hho模块1与内燃机6连通。
82.步骤s2、利用hho模块1生成并输出hho，按照混合比例将hho、空气、以及燃油混合后输送至内燃机6。采集内燃机6的实际空燃比，根据实际空燃比对混合比例进行反馈调节，直至实际空燃比达到预设空燃比。
83.在本实施例中，由于hho具备燃烧火焰传播速度极快，燃烧产物为纯水的特点。所以hho不仅是一种清洁高效的气体燃料，还具备良好的助燃作用。将hho作为催化剂添加到现有内燃机6使用的由空气和燃油构成的混合油气中，利用hho的高效制备特性、低成本特性、易燃特性和清洁能源特性，能够在降低燃油使用量的同时，提高内燃机6的燃烧速率，以较低成本提高内燃机6的燃油经济性和动力性，并降低内燃机6的废气排放。
84.在较佳的实施例中，上述的基于hho的内燃机6燃烧控制方法还包括获取车辆的当前车速和当前负荷，根据当前车速和当前负荷处理得到车辆当前工况，并根据车辆当前工况选择预设燃烧策略，上述预设燃烧策略为根据车辆当前工况设定点火提前角和喷油时刻。
85.车辆当前工况为暖机后怠速工况、小负荷工况、或加速工况。
86.发动机暖机后，在怠速时，由于发动机转速较低，进气量较小，进气流速较慢。上述预设燃烧策略可以是判断当前车辆状态是暖机后怠速工况时，将点火提前角向后调，将喷油时刻向前调。
87.发动机暖机后，在小负荷时，由于发动机转速较低，进气量较小，进气流速较慢。上述预设燃烧策略可以是判断当前车辆状态是小负荷工况时，将点火提前角向后调，将喷油时刻向前调。
88.在加速工况，由于功率的需要，需要提供额外加浓的混合气。与此相反，急减速时该采用稀混合气。上述预设燃烧策略可以是判断当前车辆状态是加速工况时，将点火提前角向后调，将喷油时刻向后调。
89.在本实施例中，发动机(汽油机)工作时，点火时刻对发动机的工作性能有很大的影响。提前点火就是活塞到达压缩上止点之前火花塞跳火，点燃燃烧室内的可燃混合气。从点火时刻起到活塞到达压缩上止点，这段时间内曲轴转过的角度称为点火提前角。能使发动机获得最佳动力性、经济性和最佳排放时的点火提前角称为最佳点火提前角。
90.可预先通过多次试验验证同一混合油气输送速率和同一混合比例的情况下，不同点火提前角和喷油时刻对应的实际空燃比，选定最佳的实际空燃比对应的点火提前角和喷油时刻来设定预设燃烧策略。在将基于hho的内燃机6燃烧控制系统应用到实际车辆上时，通过调整不同车辆工况的点火提前角和喷油时刻使hho和燃油的燃效效率达到最大，从而最大限度提高燃烧热效率。
91.进一步的，燃烧控制模块3也可以根据不用的实际空燃比调整不同车辆工况的点火提前角和喷油时刻使hho和燃油的燃效效率达到最大，从而最大限度提高燃烧热效率。
92.进一步的，燃烧控制模块3也可以连接比例控制模块2，根据hho含量调整不同车辆工况的点火提前角和喷油时刻使hho和燃油的燃效效率达到最大，从而最大限度提高燃烧热效率。
93.在较佳的实施例中，上述方法还包括：
94.采集内燃机6的累计运行时长，并在累计运行时长达到预设时长时，提高混合比例
中hho的比例至预设比例，以在内燃机6中通过燃烧hho实现清碳。
95.在本实施例中，运行指定时间段后，调高混合油气中的hho比例，由于hho具备燃烧火焰传播速度极快，燃烧产物为纯水的特点。利用大量hho的急速燃烧可有效清理内燃机6内部积碳，利用hho燃烧对内燃机6内部进行清碳，避免北燃机内部积碳，可提高内燃机6安全性。
96.在较佳的实施例中，上述方法还包括：
97.采集内燃机6的运行关闭信息，并根据内燃机6的运行关闭信息在内燃机6熄火前预设时间，将混合比例中hho的比例降至零。
98.在本实施例中，在hho利用时加入了安全保护逻辑，在关闭内燃机6前停止向内燃机6中输送hho，使内燃机6在关闭时，其内部的hho已被完全燃烧，确保了hho气体不会残留并进一步散发到外部环境中，避免起火或爆炸风险。
99.在内燃机6熄火前预设时间段停止向内燃集中输送hho，该预设时间可根据内燃机6熄火前一时段混合油气的输送量和hho的比例，结合实际内燃比判断内燃机6内部剩余的hho量，从而进一步推到能够将剩余hho全部燃烧的预设时间。
100.基于hho的内燃机燃烧控制系统涉及的功能均可对应到方法上。
101.本技术不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本技术的保护范围之内。