一种掺氢实现内燃机全节气门运行的装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明提供一种掺氢实现内燃机全节气门运行的装置及方法，具体内容涉及稀薄 燃烧、燃料控制与全节气门燃烧技术。
【背景技术】
[0002] 目前的点燃式内燃机节气门在部分负荷及怠速条件下需要部分开启，以保证燃料 能够以某一固定空燃比稳定燃烧。但节气门部分开启会使内燃机泵气负功明显增加，从而 降低内燃机在怠速及部分负荷条件下的热效率，内燃机在部分负荷下的能量损失大部分来 自于泵气损失。
[0003] 传统单一燃料汽油、天然气、液化石油气及甲醇等点燃式内燃机之所以在部分负 荷条件下需要采用节气门部分开启的方式运行，其原因在于上述化石燃料的稀燃极限较 窄，故需要通过减小节气门开度控制进气量，从而使内燃机在需要较低喷油量的低负荷条 件下，燃料能够与较少的空气混合发生稳定燃烧。稀薄燃烧是实现内燃机高效、清洁运行的 有效手段之一，但如果传统燃料内燃机采用稀燃方式运行，则平均指示压力的循环变动系 数（CoVimep)会快速增加，而当CoVimep大于10%时，内燃机即达到稀燃极限，并产生失火 现象，进而造成内燃机热效率快速降低。
[0004] 氢气的稀燃极限约为汽油等传统化石燃料的5至10倍，且其较低的点火能量亦可 保证掺氢后内燃机能够在宽广的稀燃条件下运行。氢气-空气混合气的能量密度低于汽 油-空气混合气，因此调整氢气喷射脉宽和氢气-汽油-空气混合气的过量空气系数均能 够在同一进气量下实现对内燃机转矩的调整。目前已有相关专利提出了掺氢内燃机的装置 及方法，但现有的掺氢内燃机专利技术仍然需要靠节气门调整内燃机进气量，因此基于目 前的掺氢内燃机相关专利无法实现掺氢内燃机的无节气门稳定运行，也无法降低掺氢内燃 机部分负荷下的泵气损失。
【发明内容】
[0005] 针对内燃机部分负荷下泵气损失高导致热效率下降的问题，本发明提供了一种掺 氢实现内燃机全节气门运行的装置及方法。本发明可以通过调整节气门开度，使节气门在 内燃机运行时始终处于全开状态，且通过调整基础燃料喷射脉宽使节气门全开条件下的内 燃机实际输出转矩与目标转矩保持一致，并通过调整氢气喷射脉宽拓展内燃机稀燃极限， 使掺氢后在全节气门条件下运行的内燃机始终保持在稀燃极限内稳定运行，从而通过掺氢 实现了点燃式内燃机在全工况下的全节气门稳定运行。
[0006] 为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：
[0007] -种掺氢实现内燃机全节气门运行的装置，在保留内燃机1、原机喷油器2、火花 塞4、原机电控单元6及电子节气门8的基础上，增加了一个燃烧电控单元7、一个氢气喷嘴 3及一套燃烧信息反馈装置；
[0008] 所述的燃烧信息反馈装置包括缸压传感器5 ;
[0009] 所述的燃烧电控单元7与原机电控单元6连接，获得目标转矩信号a、实际转矩信 号b、凸轮轴位置信号c、曲轴位置信号d、原机点火信号j ;
[0010] 所述的燃烧电控单元7与缸压传感器5相连接获得缸压信号e ;
[0011] 所述的燃烧电控单元7与火花塞4相连接并通过发出点火信号f控制点火角；
[0012] 所述的燃烧电控单元7与氢气喷嘴3相连接并通过发出氢气喷射信号g控制氢气 喷射脉宽；
[0013] 所述的燃烧电控单元7与原机喷油器2相连接并通过发出燃料喷射信号h控制基 础燃料喷射脉宽；
[0014] 所述的燃烧电控单元7与电子节气门8相连接并通过发出节气门控制信号n控制 节气门开度；
[0015] 所述的基础燃料包括点燃式内燃机常用的汽油、天然气、液化石油气、甲醇及乙醇 等碳氢燃料。
[0016] 本发明中一种掺氢实现内燃机全节气门运行的装置控制方法如下：
[0017] (1)燃烧电控单元7在内燃机运行时通过发出控制信号n使电子节气门8处于全 开状态；
[0018] (2)燃烧电控单元7根据目标转矩信号a和实际转矩信号b发出燃料喷射信号h 控制原机喷油器2的喷射脉宽，当目标转矩低于实际转矩时，燃烧电控单元7通过发出燃料 喷射信号h降低原机喷油器2的喷射脉宽，从而使内燃机转矩降低，直至实际转矩与目标转 矩相同；当目标转矩等于实际转矩时，燃烧电控单元7通过发出燃料喷射信号h保持原机喷 油器2的喷射脉宽不变；当目标转矩大于实际转矩时，燃烧电控单元7通过发出燃料喷射 信号h增加原机喷油器2的喷射脉宽，从而使内燃机转矩增加，直至实际转矩与目标转矩相 同。
[0019] (3)在调整原机喷油器2的喷射脉宽过程中，燃烧电控单元7同时根据缸压传感器 5传送的缸压信号e及从原机电控单元6获得的凸轮轴位置信号c及曲轴位置信号d计算 平均指示压力的循环变动系数CoVimep，并根据CoVimep的计算结果通过发出氢气喷射信 号g控制氢气喷嘴3的喷射脉宽，当CoVimep小于或等于10%时，燃烧电控单元7通过发出 氢气喷射信号g使氢气喷嘴3的喷射脉宽保持不变；当CoVimep大于10 %时，燃烧电控单 元7通过发出氢气喷射信号g使氢气喷嘴3的喷射脉宽逐渐增加，优化的在下一循环较本 循环增加5%，直至CoVimep小于或等于10%。
[0020] (4)燃烧电控单元7根据从原机电控单元6获得的原机点火信号j发出点火信号 f使火花塞4跳火，并使点火角与原机相同。
【主权项】
1. 一种掺氢实现内燃机全节气门运行的装置，该装置包括内燃机（I)、原机喷油器 (2)、火花塞（4)、原机电控单元（6)及电子节气门（8)和一个氢气喷嘴（3); 其特征在于：该装置还一个燃烧电控单元（7)和缸压传感器（5);燃烧电控单元（7)与 原机电控单元（6)连接，获得目标转矩信号a、实际转矩信号b、凸轮轴位置信号c、曲轴位置 信号d、原机点火信号j ; 所述的燃烧电控单元（7)与火花塞（4)相连接并通过发出点火信号f控制点火角； 所述的燃烧电控单元（7)与氢气喷嘴（3)相连接并通过发出氢气喷射信号g控制氢气 喷射脉宽； 所述的燃烧电控单元（7)与原机喷油器（2)相连接并通过发出燃料喷射信号h控制基 础燃料喷射脉宽； 所述的燃烧电控单元（7)与电子节气门（8)相连接并通过发出节气门控制信号η控制 节气门开度； 所述的燃烧电控单元（7)与缸压传感器（5)相连接获得缸压信号e。
2. 根据权利要求1所述的一种掺氢实现内燃机全节气门运行的装置，其特征在于：基 础燃料包括点燃式内燃机常用的汽油、天然气、液化石油气、甲醇或乙醇。
3. 根据权利要求1所述的一种掺氢实现内燃机全节气门运行的装置的控制方法，其特 征在于： 1) 燃烧电控单元（7)在内燃机运行时通过发出控制信号η使电子节气门（8)处于全开 状态； 2) 燃烧电控单元（7)根据目标转矩信号a和实际转矩信号b发出燃料喷射信号h控制 原机喷油器（2)的喷射脉宽，当目标转矩低于实际转矩时，燃烧电控单元（7)通过发出燃料 喷射信号h降低原机喷油器（2)的喷射脉宽，从而使内燃机转矩降低，直至实际转矩与目标 转矩相同；当目标转矩等于实际转矩时，燃烧电控单元（7)通过发出燃料喷射信号h保持原 机喷油器（2)的喷射脉宽不变；当目标转矩大于实际转矩时，燃烧电控单元（7)通过发出燃 料喷射信号h增加原机喷油器（2)的喷射脉宽，从而使内燃机转矩增加，直至实际转矩与目 标转矩相同； 3) 在调整原机喷油器（2)的喷射脉宽过程中，燃烧电控单元（7)同时根据缸压传感器 (5)传送的缸压信号e及从原机电控单元（6)获得的凸轮轴位置信号c及曲轴位置信号d 计算平均指示压力的循环变动系数CoVimep，并根据CoVimep的计算结果通过发出氢气喷 射信号g控制氢气喷嘴（3)的喷射脉宽，当CoVimep小于或等于（1)0%时，燃烧电控单元 (7)通过发出氢气喷射信号g使氢气喷嘴（3)的喷射脉宽保持不变；当CoVimep大于（1)0% 时，燃烧电控单元（7)通过发出氢气喷射信号g使氢气喷嘴（3)的喷射脉宽逐渐增加，直至 CoVimep小于或等于（1)0% ; 4) 燃烧电控单元（7)根据从原机电控单元（6)获得的原机点火信号j发出点火信号f 使火花塞（4)跳火，并使点火角与原机相同；
Pi,N= I PdV 公式（2) 公式（1)中，P为从缸压传感器（5)获得的缸压，Py为第N个循环的平均指示有效压 力，厂7为自第一个循环起M个循环内平均指示有效压力的均值，第一个循环即燃烧电控 单元（7)对燃料喷射信号h开始进行调整的第一个循环，设置M不小于（1)00 ;内燃机缸内 容积V与曲轴转角的关系在燃烧电控单元（7)中根据内燃机本体结构预先设置，燃烧电控 单元（7)根据凸轮轴位置信号c判定活塞上止点位置，根据曲轴位置信号d判定活塞与曲 轴转角的关系，进而使燃烧电控单元能够依据内燃机基础运动学原理计算V随曲轴转角的 变化。
4.根据权利要求1所述的一种掺氢实现内燃机全节气门运行的装置的控制方法，其特 征在于： 燃烧电控单元（7)通过发出氢气喷射信号g使氢气喷嘴（3)的喷射脉宽在下一循环较 本循环增加（5) %。
【专利摘要】本发明提供一种掺氢实现内燃机全节气门运行的装置及控制方法，具体内容涉及稀薄燃烧、燃料控制与全节气门燃烧技术。该系统在保留内燃机本体全部零件的基础上增加了一套燃烧信息反馈装置及一台燃烧电控单元。燃烧电控单元可在内燃机运行时控制节气门保持全开，并通过调整燃料喷射脉宽使实际转矩与目标转矩相同，通过调整氢气喷射脉宽，控制内燃机循环变动，从而实使内燃机能够在部分负荷下以节气门全开状态稳定运行，消除了节气门处的节流损失，有效提高了内燃机热效率。
【IPC分类】F02M25-10, F02D9-00
【公开号】CN104863760
【申请号】CN201510309616
【发明人】汪硕峰, 张擘, 纪常伟
【申请人】北京工业大学
【公开日】2015年8月26日
【申请日】2015年6月8日