一种在线制氢、局部富氢的点燃式内燃机系统及控制方法

摘要

本发明涉及一种在线制氢、局部富氢的点燃式内燃机系统及控制方法。其着眼于解决点燃式内燃机关键技术的瓶颈问题。该系统及其控制方法一方面能够使内燃机采用高压缩比、稀薄可燃混合气，实现快速燃烧，避免内燃机失火，提高内燃机热效率，避免和减少关闭节气门引起的机械损失，改善冷启动特性，减低冷启动、怠速工况的污染物排放和提高经济性，从内燃机源头上实现能耗的降低和污染物的超低排放。根据内燃机和传动系统参数及工作状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。从而提高系统效率、降低污染物排放并延长部件的使用寿命。

说明书

技术领域

本发明属于在线氢气制取技术及汽车用内燃机控制领域，适用于采用在线制氢、局部富氢、稀混合气、高压缩比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内燃机控制方法和车辆传动系统控制方法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、生物质燃料或它们的混合物作为燃料，另一方面根据设定的控制方法定时、定量向缸内喷入氢气辅助燃烧，在满足内燃机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，燃烧稀薄混合气，部分工况实现质调节，从而提高整车的经济性和排放性能。

背景技术

本发明主要描述一种在点燃式内燃机上采用了冷态等离子氢气转换器的方法，该点燃式内燃机采用汽油、乙醇或它们的混合物作为燃料。此类燃料有着较窄的稀燃界限，且内燃机通常采用预混合的方式形成均质可燃混合气，燃空比要接近于理论燃空比。需要指出的是燃空比中燃料的计算仅仅考虑蒸发成气态并且与空气均匀混合的燃料，未蒸发的燃料无法点燃。由于上述燃料的燃烧属性，导致点燃式内燃机具有以下问题：

(1)采用节气门控制进入内燃机燃烧室的混合气的量。当需求转矩减少时，节气门必须部分地关闭来减少进入燃烧室的混合气量。与节气门全开时相比，这种情况会导致部分负荷内燃机进气行程存在明显的节流损失。更应该指出的是，点燃式内燃机大部分的工作时间都是在部分负荷状态下工作的。

(2)液态燃料蒸发吸热会降低内燃机进气歧管的温度，而进气歧管是燃料与空气混合的地方。过低的进气歧管温度会减少燃料的蒸发量，导致部分燃料持续为液态。这种情况在冷启动工况和高速工况时表现的更为差些。为了提高内燃机冷启动和稳定运行性能，当内燃机的温度较低时内燃机控制单元需要控制喷入更多的燃油，用来补偿燃料蒸发量的短缺。随后，就会产生不完全燃烧。未燃和部分燃烧的燃料通过排气管排出来，这些都是污染物。同时这种情况会降低点燃式内燃机的燃油经济性。

(3)为了获得节气门全开时的大功率和正常运行，使用浓混合气，用于充分利用进入燃烧室的空气。此时也会产生不完全燃烧，使得未燃碳氢和一氧化碳排放增加并同时降低燃油经济性。

要解决上述问题，一方面要采用稀薄混合气充分燃烧，同时要避免改变转矩时开关节气门。这些都需要对燃料的燃烧特性进行修正。氢气作为一种天然燃料，与汽油、乙醇以及它们的混合物等燃料相比，有如下优点：(1)可燃混合气的稀限非常稀；(2)非常高的层流火焰传播速度；(3)不需要蒸发时间和汽化替热。因此富氢内燃机能够改善点燃式内燃机的燃烧特性，并部分地解决汽油、乙醇及它们混合物内燃机存在的问题。此外，采用稀薄混合气的内燃机，由于降低了燃烧温度，可以明显地降低氮氧化物的排放。同时，内燃机可以采用高压缩比和较大节气门开度提高整个内燃机的效率。

发明内容

本发明的目的在于着眼于解决点燃式内燃机等关键技术的瓶颈问题，如发明背景技术所述，开发出一种在线制氢、局部富氢的点燃式内燃机系统及控制方法。该系统及其控制方法一方面能够使内燃机采用高压缩比、稀薄混合气，提高等容燃烧比例，避免内燃机失火，提高内燃机效率，从内燃机源头上实现能耗的降低和污染物的超低排放。另一方面能够采用较大节气门开度，部分工况实现点燃式内燃机的质调节，从而减少节流损失，进一步提高内燃机的机械效率。根据内燃机及传动系统参数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。从而提高内燃机效率、降低污染物排放和延长部件特别是电池的使用寿命。

本发明的上述目的通过以下技术方案予以实现，结合附图说明如下，

解决以上问题，要采用稀薄混合气充分燃烧，同时避免改变转矩时节气门的开关变化。保证内燃机良好的排放性能、经济性能和动力性能，这些都需要对内燃机系统结构重新优化，对燃料的燃烧特性进行修正以及对控制方法进行完善。

本发明为一种在线制氢、局部富氢的点燃式内燃机系统及其控制策略，该系统由冷态等离子氢气转换器11、燃料供给系、氢气供给系、进气系统、点燃式内燃机(5)及内燃机控制器4组成，所述的燃料供给系由油箱12、燃油泵34、油管和喷油器14构成；所述的在线制氢系由冷态等离子氢气转换器11、电池9、油管构成；所述的氢气供给系由氢气存储器10、氢气管17和喷氢器13构成；所述的点燃式内燃机5是安装了在线制氢系统、氢气供给系的传统点燃式内燃机；在线制氢系与氢气供给系相连，氢气供给系与点燃式内燃机5相连；所述的内燃机控制器4控制燃料供给系、在线制氢系、氢气供给系、进气系统和点燃式内燃机5的工作状态。

所述的点燃式内燃机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58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，喷氢器13安装在火花塞56附近，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内燃机的火花塞56附近位置，形成局部富氢区域。

喷氢器13的构造方式：可以采用单独的喷氢器，也可以将喷氢器与火花塞集成为一体。喷氢器13与火花塞56集成在一起时，金属极19内有通孔21。通孔21末端与氢气管17相连，由绝缘材料制成的氢气管17通过接头18直接和通孔21相连，接头18拧在金属极19上。氢气管17的另外一端连接氢气泵58，将氢气传递给通孔21，然后进入内燃机燃烧室。金属接头20作为一个螺丝连接在金属极19上。电极16连接在金属接头20上。电极16连接在电源正极。绝缘体30安装在金属极19上。筒形负极29装在绝缘体30上。筒形负极29的上端做成六角形螺母用来将其固定在内燃机缸体28上。筒形负极29的底端设计成负极26。点燃式内燃机缸体28连接在电源的负极。当高电压正加在电极16和缸体28之间时，就会形成正极27和负极26。当电压足够高时，就会产生电火花25。在氢气富集区22氢气通过喷嘴23喷入形成氢气束。火花25引燃该区域富集氢气24。该区域燃烧并且迅速传播到相邻区域进而引燃全室。

点燃式内燃机5局部富氢燃烧的作用是可提高内燃机压缩比和采用稀薄混合气燃烧，从而提高内燃机的热效率和降低污染物的排放。即采用喷氢器13使氢气在燃烧室形成一个局部富氢的区域将混合气引燃，可以点燃宽范围燃空比的混合气。

所述的在线制氢系包含冷态等离子氢气转换器11、电池9。冷态等离子转换器11采用电池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。电池9可以由点燃式内燃机5拖动电机/发电机8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。

所述的采用搭载冷态等离子氢气转换器、在线制氢、局部富氢的点燃式内燃机系统的控制方法，其特征在于按照以下步骤进行：内燃机控制器4从整车控制器接收到需求转矩、车速信号和点燃式内燃机5的参数信号，内燃机控制器4通过控制冷态等离子氢气转换器11来控制氢气的生产时刻和生产量，内燃机控制器4产生控制信号来控制喷油量、喷气量、喷气时刻、点火正时及节气门开度。控制的目标是点燃式内燃机5采用稀薄燃烧、提供需求转矩、不失火。

所述的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。另一种工作方式是当氢气存储器内的氢气量低于最低限值时，冷态等离子氢气转换器11开始工作。当氢气存储器内的氢气量高于最高限值时，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。

在启动的过程中，点燃式内燃机5通常是冷态的，利用氢气的燃烧特性，从氢气供给系泵出氢气经喷氢器13喷入点燃式内燃机5，火花点燃氢气，并迅速燃烧引燃了混合燃料，可缩减内燃机启动阶段的加热时间，降低冷启动污染物的排放，使内燃机快速启动。

当内燃机控制器4收到发出最大内燃机需求转矩信号时，内燃机控制器4控制节气门1、喷油器14和喷氢器13分别处在节气门全开和最大的燃空比以及相应的最小氢气喷射率状态。当内燃机需求转矩信号减小时，燃空比减小同时节气门继续处于全开状态直到到达最小的燃空比，从而实现点燃式内燃机的质调节。如果内燃机需求转矩信号继续减小，燃空比保持在最小值不变，减小节气门1开度来减少进气量。在整个转矩控制阶段，要保证点燃式内燃机不失火。

与现有技术相比，本发明有以下效果

(一)添加的冷态等离子氢气转换器11可以在线制取氢气，在燃烧室内形成局部富氢区域，从而改善了冷启动和突然加速启动时的排放性能，同时提高了经济性和动力性；添加的氢气储存器10可以存储过量的氢气，也可以在由于电力不足导致不能马上制取氢气的情况下，立即提供氢气以满足燃烧的瞬时性，提供稳定的氢气供应量。

(二)转矩控制方法优势在于：(1)利用相对较高的燃空比在高转矩时可以减少对大排量内燃机的需求；(2)节气门全开可以明显地降低节流损失；(3)采用稀薄混合气可以有效地降低未燃碳氢、一氧化碳和氮氧化物的排放并提高内燃机燃油经济性能。

(三)冷态等离子氢气转换器为在线制取氢气提供了保证，也就为稀薄燃烧、提高压缩比及局部富氢燃烧技术提供了保证，从而才能实现减少排放，提高经济性与动力性能，为整个新技术奠定了基础。

附图说明

图1搭载在线制氢、局部富氢、点燃式内燃机的车辆传动系统结构图

图2搭载独立氢气喷射器的点燃式内燃机纵剖图

图3氢气喷射器和火花塞在火花塞间隙附近局部富氢示意图

图4内燃机控制系统示意图

图5内燃机转矩控制示意图

图6氢气的喷射量与燃空比和内燃机温度之间函数关系

图7氢气喷射量与内燃机的温度之间的函数关系

图8冷态等离子氢气转换器的操作方式简图

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差速器，8电机/发电机，9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电极，17氢气管，18接头，19金属极，20金属接头，21通孔，22氢气富集区，23喷嘴，24富集氢气，25电火花，26负极，27正极，28内燃机缸体，29筒形负极，30绝缘体，31内燃机需求转矩信号，32空气流量传感器，33内燃机温度传感器，34燃油泵，35传动系，36充电器，37燃料、氢气连接，38机械连接，39电气连接，40信号连接，41车速信号，42空气，43排气管，44燃烧室，45活塞，46气缸，47曲轴箱，48油底壳，49曲轴，50连杆，51冷却液，52进气歧管，53节气门体，54空气滤清器，55进气门，56火花塞，57排气门，58氢气泵。

具体实施方式

下面结合附图所示实施例进行进一步说明本发明的具体实施方式。

系统由冷态等离子氢气转换器11、氢气存储器10、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36、传动系35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与传动系相连。电池9与冷态等离子氢气转换器11和电机/发电机8相连，同时与充电器36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通过总线与电池9、内燃机控制器4、氢气存储器10、电机/发电机8、传动系35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。

图2所示为搭载独立氢气喷射器的点燃式内燃机纵剖图，内燃机5局部富氢、点燃式的燃烧方式，参阅图2。液体燃料通过一个多喷孔喷油器14进入点燃式内燃机5。喷氢器13安装在燃烧室内特定的位置，在这个位置上能够将氢气喷射到一个设定的区域，这个区域主要是火花塞附近，以便能够引燃稀薄的燃料。氢气的喷气时刻要稍早于点火时刻，喷气时刻和喷油时刻均由内燃机控制器4进行控制，同时喷入的氢气量也由内燃机控制器4控制。

图3所示为氢气喷射器和火花塞在火花塞间隙附近产生的局部富氢示意图，是喷氢器13的一种构造方式，喷氢器13与火花塞集成在一起。金属极19内有通孔21。通孔21末端与氢气管17相连，由绝缘材料制成的氢气管17通过接头18直接和通管21相连，接头18拧在金属极19上。氢气管17的另外一端连接氢气泵58，将氢气传递给通孔21，然后进入内燃机燃烧室。金属接头20作为一个螺丝连接在金属极19上。电极16连接在金属接头20上。电极16连接在电源正极。绝缘体30安装在金属极19上。筒形负极29装在绝缘体30上。筒形负极29的上端做成六角形螺母用来将其固定在内燃机缸体28上。筒形负极29的底端设计成负极26。点燃式内燃机缸体28连接在电源的负极。当高电压加在电极16和缸体28之间时，就会形成正极27和负极26。当电压足够高时，就会产生电火花25。在氢气富集区22氢气通过喷嘴23喷入形成氢气束。火花25引燃该区域富集氢气24。该区域燃烧并且迅速传播到相邻区域进而引燃全室。

图4所示为内燃机控制系统示意图。内燃机电子控制单元4设定好控制算法，从驾驶员或者整车控制器那里接收到需求转矩(图1和图4中均未显示)、进气流速和内燃机的温度信号。基于实时转矩需求信息、进气速度32、内燃机温度33和控制算法，内燃机控制器产生控制信号来控制喷油量、喷气量、点火正时及节气门开度。其中节气门由节气门控制器控制(图4内未显示)。

图5所示为内燃机转矩控制示意图，当内燃机控制单元收到发出最大转矩的命令时，它控制节气门、喷油器和喷氢器分别处在节气门全开和最大的燃空比以及相应的氢气喷射率工况。当转矩需求消除时，燃空比减小同时节气门继续处于全开状态直到到达最小的燃空比，实现点燃式发动机的质调节。如果需求转矩继续减小，燃空比保持在最小位置不变，减小节气门开度来减少进气量。在整个转矩控制阶段，要保证内燃机不熄火。

图6所示为氢气的喷射量与燃空比和内燃机温度之间函数关系。

图7所示为氢气喷射量与内燃机的温度之间的函数关系。

图8所示，为冷态等离子氢气转换器的工作方式原理图，氢气存储器用来存储冷态等离子氢气转换器生产的氢气。存储器可以减弱冷态等离子氢气转换器生产氢气速率的波动，而直接为内燃机供应氢气。在冷启动和暖机启动时，冷态等离子氢气转换器的生产速率一直较低，氢气主要由存储器进入到缸内。然后在正常工况下，冷态等离子氢气转换器生产出氢气填满存储器。目前应用的氢气存储器可以存储冷态等离子氢气转换器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工作方式有两种。一种是冷态等离子氢气转换器以一种恒定的、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。当氢气存储器内的氢气量低于某一最低限值时，冷态等离子氢气转换器开始工作。当氢气存储器内的氢气量高于某一最高限值时，冷态等离子氢气转换器关闭。氢气存储器内的氢气量可以用存储器内的压力来表征。当在最高限、最低限之间时，冷态等离子氢气转换器以一个恒定的氢气生产速率生产氢气。