氢燃料内燃机及其多路喷氢电控系统与喷氢控制方法

摘要

本发明涉及氢燃料内燃机及其多路喷氢电控系统与喷氢控制方法，氢燃料内燃机多路喷氢电控系统包括电控单元ECU，该电控单元ECU控制连接氢气喷射装置，该氢气喷射装置通过进气歧管连入进气道，所述氢气喷射装置为至少两路喷氢器，且每路喷氢器根据发动机结构最大限度地靠近进气阀座处，并沿进气歧管周向均匀分布，氢气喷射装置中喷氢器路数的设置满足内燃机全负荷喷氢量的要求。喷氢器根据全负荷对喷氢量的要求确定至少两路喷氢器，且每路喷氢器尽量靠近进气阀座处并沿进气歧管周向均匀分布；本发明能够解决现有单路喷氢系统难以在短时间内完成定量氢的喷射问题。

说明书

技术领域

本发明涉及一种氢燃料内燃机的多路喷氢电控系统及喷氢控制方法，还涉及一种使用该系统及喷氢方法的内燃机。

背景技术

氢燃料以其在能源和环保两方面的独特优势及用于车辆的良好性能被认为是最具前景的未来车辆发动机的主导燃料，发达国家高度重视。由于氢燃料与石油燃料的物化特性有着明显的差异，采取进气管式低压氢喷射系统组织氢发动机的混合气形成和燃烧，较易出现早燃、回火。有别于传统石油燃料发动机的不正常燃烧，如汽油机的早燃、爆燃，或柴油机的工作粗暴，氢气火焰传播速度极快和着火范围宽广的特点使得氢发动机容易出现早燃，并且与回火互相转换，使得氢发动机异常燃烧更具有瞬间突发性，也更为复杂。也直接影响到氢发动机的动力性、经济性及有害气体排放。再有，与石油燃料相比，一方面由于氢的密度很小，导致功率下降较多，尽管当量比增加可以使得氢发动机功率增加，但是这将导致发生回火、早燃等异常燃烧的趋势增加。缸内喷射虽可消除回火，在高压空气中，氢气密度小使得喷束射程短，混合气形成和燃烧组织难度增加，增加喷束射程还有气体喷射的润滑问题使得高压喷氢系统设计极为困难。现有的为了解决氢燃料内燃机回火问题，需要喷氢系统在短时间内完成定量的喷氢，如果采取单路喷氢系统，当负荷增加，或转速增加的过程中，进气总时间将会变短而喷氢时间相对增加，喷氢起始时刻会不断向前移动，必然会接近气门叠开角，造成回火隐患，这种情况下对单路喷氢系统的管路直径、流量以及喷射压力等要求提高，严重阻碍了氢燃料内燃机的发展。

发明内容

本发明的目的是提供一种氢燃料内燃机及其多路喷氢电控系统与喷氢控制方法，以解决现有单路喷氢系统难以在短时间内完成定量氢的喷射问题。

为实现上述目的，本发明的氢燃料内燃机的多路喷氢电控系统，包括电控单元ECU，该电控单元ECU控制连接氢气喷射装置，该氢气喷射装置通过进气歧管连入进气道，所述氢气喷射装置为至少两路喷氢器，且每路喷氢器根据发动机结构最大限度地靠近进气阀座处，并沿进气歧管周向均匀分布，所述氢气喷射装置中喷氢器路数的设置满足内燃机全负荷喷氢量的要求。

进一步的，所述每路喷氢器与进气歧管呈不大于45^o的倾角设置。

进一步的，所述喷氢器为两路或三路。

进一步的，所述每路喷氢器采用单一电磁喷氢阀控制喷氢器的开关。

本发明的氢燃料内燃机包括喷氢电控系统，该喷氢电控系统包括电控单元ECU，该电控单元ECU控制连接氢气喷射装置，该氢气喷射装置通过进气歧管连入进气道，所述氢气喷射装置为至少两路喷氢器，且每路喷氢器根据发动机结构最大限度地靠近进气阀座处，并沿进气歧管周向均匀分布，所述氢气喷射装置中喷氢器路数的设置满足内燃机全负荷喷氢量的要求。

进一步的，所述每路喷氢器与进气歧管呈不大于45^o的倾角设置。

进一步的，所述每路喷氢器采用单一电磁喷氢阀控制喷氢器的开关。

本发明的氢燃料内燃机的多路喷氢控制方法技术方案为：电控单元ECU根据实际喷氢量控制至少两路喷氢器并行分段喷氢。

进一步的，所述至少两路喷氢器并行分段喷氢是指将至少两路喷氢器分别设为主喷氢器与辅喷氢器，当发动机负荷对应的实际喷氢持续期增加到大于设定的最长喷氢持续期时，主辅喷氢器共同工作。

进一步的，所述主辅喷氢器共同工作有两种方式，方式一：主辅喷氢器的喷射终点相同，喷射起点由实际喷射量确定，主喷氢器固定在设定的最长喷氢持续期，辅喷氢器完成剩余喷射量的喷射；当剩余喷射量又大于设定的最长喷氢持续期后，方可启用下一路辅喷氢器工作；方式二：当实际喷射持续期大于设定的最长喷氢持续期后，主辅喷氢器平均分配实际喷射数量，主辅喷氢器的喷射终点固定，且喷射始点也相同，喷射始点由实际喷射量确定；当实际喷射持续期大于两倍最长喷氢持续期后，下一路辅喷氢器工作；所有主辅喷氢器的喷氢持续期相同，且均小于或等于最长喷氢持续期。

本发明的氢燃料内燃机的多路喷氢电控系统、喷氢方法及使用多路喷氢电控系统和喷氢方法的氢燃料内燃机，采用多路喷氢器能够解决现有单路喷氢系统难以在短时间内完成定量氢的喷射问题，以有效预防早燃、回火等异常燃烧的发生。通过多路喷氢系统有利于实现各负荷工况（小、中、大、全负荷工况）均能使每路喷氢持续期足够短且喷氢终点尽量接近进气阀关闭时刻的问题，以有效预防进气管回火性异常燃烧的发生。

通过多路喷氢系统有利于实现各负荷工况（小、中、大、全负荷工况）均能使每路喷氢持续期足够短且喷氢终点尽量接近进气阀关闭时刻，比如最大喷氢持续期设计为不大于进气行程的1/3行程，喷氢终点设定在进气阀开始关闭前并尽量接近进气阀开始关闭时刻，例如设定在进气阀开始关闭前5^o曲轴转角，以有效预防进气管回火性异常燃烧的发生。

主辅喷氢器共同工作的两种方式中，与方式一相比，方式二的喷氢持续期相同，且均小于最长喷氢持续期，因此有利于缩短氢气在进气管停留时间，从而有利于抑制回火。但一方面，缩短氢气在进气管停留时间有限，另一方面，将会影响有关喷氢系统的脉宽变化呈现复杂性（例如，喷氢持续期大于最长喷氢持续期时，方式一只需将大于部分由另一路喷氢系统完成，已经工作的喷氢系统工作状况不会发生变化；而方式二则需根据负荷大小，喷氢持续期长短频繁变更两路喷氢系统的喷氢脉宽），故两个方案各有优缺点；至于方式二的派生方案，即无论负荷多大（实际喷射持续期多长），三路喷氢系统均工作（平均分配喷氢持续期），尽管可以使小负荷时喷氢持续期缩短（比如实际喷射持续期小于最长喷氢持续期，方式一或方式二均只有一路喷氢系统工作），但方式一或方式二的分路控制喷氢有利于提高喷氢器的控制精度。因为一是每路喷氢器在使用过程中都有延时和误差，多路喷氢器共同使用会将误差积累；二是车用发动机经常工作在中小负荷工况，如果在这种情况下使用少的喷氢器数目可以减小喷氢器总体使用效率，增强喷氢器总体的使用寿命和可靠度。这就是当实际喷氢脉宽大于单路最大脉宽以后，才采用两个喷氢阀同时工作；当实际喷氢脉宽大于单路最大脉宽2倍以后，才采用三个喷氢阀同时工作；而非从一开始，就采用三个喷氢阀同时工作的喷氢策略的原因。

附图说明

图1是实施例的氢燃料内燃机结构示意图；

图2是实施例的两路氢气喷射装置结构布置示意图；

图3是实施例的两路喷氢器均布示意图；

图4是实施例的三路氢气喷射装置结构布置示意图；

图5是实施例的三路喷氢器均布示意图；

图6是实施例的是氢燃料内燃机控制系统结构框图；

图7是实施例喷氢控制方法流程图。

具体实施方式

一、氢燃料内燃机多路喷氢电控系统

本申请的氢燃料内燃机多路喷氢电控系统，包括电控单元ECU 18，该电控单元ECU 18通过信号连接线15控制连接氢气喷射装置如图2至图5所示，每路喷氢器根据发动机结构最大限度地靠近进气道处并沿进气歧管周向均匀分布，其中每路喷氢器与进气歧管呈θ不大于45^o的倾角设置，尤以30^o以内为最佳，倾角越小，与进气气流越流向一致，有利于减少氢气在进气管内停留时间和保持的数量，但倾角的大小也受到进气管结构限制；每路喷氢器采用单一电磁喷氢阀控制喷氢器的开关。

图2、3中氢气喷射装置设有两路喷氢器，并分为主喷氢器13和辅喷氢器14，两路喷氢器通过进气歧管进入进气道12，且两路喷氢器最大限度地靠近进气阀座处，最大限度地靠近即是根据喷氢器及进气歧管的结构限制，喷氢器尽量靠近进气阀的阀座处，但不影响进气通道的正常进气，图2中从喷氢阀21到气缸外壳的水平面的距离L尽量小，不大于10mm,此L受限于发动机结构，两路喷氢器沿进气歧管周向均匀分布，当然喷氢器路数的设置满足该内燃机全负荷喷氢量的要求，主辅喷氢器均采用单一电磁喷氢阀21控制喷氢器的开和关。图2中电控单元ECU 18通过信号连接线17控制连接主、辅喷氢器，为了使附图简单、易懂，防止多线条的错综复杂，该处只是显示电控单元ECU 18对主喷氢器13的控制连接，省略显示电控单元ECU 18对辅喷氢器14的控制连接。图2中主喷氢器13与进气歧管的夹角为                                                ，辅喷氢器14与进气歧管所呈的倾角为，两夹角都不大于45°。

图4、5中氢气喷射装置设有三路喷氢器21；三路喷氢器21均采用单一电磁喷氢阀24控制喷氢器的开和关。该三路氢气喷射装置除路数、设置间距与两路的不同外，别的均相同。当然只要能够满足内燃机全负荷喷氢量的要求，氢气喷射装置可以为两路、三路或更多。

二、氢燃料内燃机

本申请的使用多路喷氢电控系统的氢燃料内燃机如图1所示，包括气缸6、活塞7、连杆8、曲柄9、进气阀2、排气阀5、进气歧管3以及电控系统ECU 16，该电控系统可以用电控单元ECU 16通过信号连接线15来控制氢气喷射装置实现对氢气喷射装置的氢气喷射正时、点火正时、氢气喷射持续期等的控制，以满足发动机工况需要和正常工作要求，如不发生回火、早燃等异常燃烧。该氢气喷射装置通过进气歧管3连入进气道，氢气喷射装置为两路喷氢器4，且每路喷氢器4最大限度地靠近进气阀2的阀座处并沿进气歧管3周向均匀分布，氢气喷射装置中喷氢器路数的设置满足内燃机全负荷喷氢量的要求。其中每路喷氢器与进气歧管呈不大于45^o的倾角设置，尤以小于30^o为最佳；每路喷氢器采用单一电磁阀控制喷氢器的开关。最大限度地靠近即是根据喷氢器及进气歧管的结构限制，喷氢器尽量靠近进气阀的阀座处，但不影响进气通道的正常进气。图1中上止点10和下止点11之间的距离为活塞行程。

如图6所示为控制系统结构框图，该控制系统中电控单元ECU包括模拟信号输入电路、数字信号输入电路、MC9S12DG256B芯片、输出电路、软件调试接口电路、SCI串口通信接口电路、电源电路和时钟电路，其中采集到的空气流量信号、进气管压力信号、节气门开度信号、早燃检测信号、爆燃传感器信号、冷却水温信号、氢气流量信号、氢气压力信号、曲轴相位与转速信号以及其他开关信号通过模拟信号输入电路输入MC9S12DG256B芯片进行处理，回火检测信号和凸轮轴相位信号通过数字信号输入电路输入MC9S12DG256B芯片处理，该MC9S12DG256B芯片对输入信号进行分析、处理后通过输出电路分别向喷氢执行机构、点火执行机构和怠速执行机构输出脉冲控制信号。PC机可通过软件调试接口电路和SCI串口通信接口电路与电控单元ECU通讯连接。

通过试验测取随不同工况（转速，负荷）点的优化的基本控制参数数据。这些点的集合就形成通常称之为的三维MAP，把这些数据存入ECU的ROM中，在发动机实际运转过程中，ECU根据发动机的不同工况查表并插值计算出点火正时、喷氢正时与喷油脉宽等参数，然后再结合发动机实际运行状态（例如：冷却水温度、进气温度、压力和燃油温度等）进行适当的修正，修正后的数据传递给执行器，控制发动机运行。

三、氢燃料内燃机多路喷氢控制方法

本申请的氢燃料内燃机多路喷氢控制方法流程图如图7所示：首先电控单元ECU根据发动机状态查询MAP得出基本喷氢量，再根据参数进行喷氢量修正得出该次最终喷氢量ZP，将最终喷氢量ZP与喷氢最大脉宽DP进行比较，确定需要投入工作状态的喷氢器的路数，本实施例中喷氢器为三路，将喷氢器分别命名为主喷氢器、第一辅喷氢器和第二辅喷氢器，当ZP<DP时主喷氢器工作，且主喷氢器脉宽为最终喷射脉宽；当DP<ZP<2DP时，主喷氢器和第一辅喷氢器共同工作，其中主喷氢器脉宽为最大喷射脉宽，第一辅喷氢器脉宽为最终喷射脉宽减去最大喷射脉宽；当2DP<ZP时，主喷氢器、第一辅喷氢器和第二辅喷氢器共同工作，其中主喷氢器和第一辅喷氢器脉宽为最大喷射脉宽，第二辅喷氢器脉宽为最终喷射脉宽减去2倍最大喷射脉宽。

上述实施例中电控单元ECU根据实际喷氢量控制至少两路喷氢器并行共同工作。喷氢器并行分段工作是指按照喷氢量（喷氢持续期）确定几路喷氢器投入工作，并使处于工作状态的各路喷氢器的喷氢终点相同且固定设置。且除最后一路启动的喷氢器（完成剩余喷射量的喷射）外，其余喷氢器（均已经固定在最大喷氢量，对应喷氢最大脉宽DP）同时启动，即其余喷氢器喷氢始点也相同。

当发动机负荷对应的实际喷氢持续期增加到大于设定的最长喷氢持续期（比如最长喷氢持续期设计为不大于进气行程的1/3行程，喷氢终点设定在进气阀开始关闭前并尽量接近进气阀开始关闭时刻，例如设定在进气阀开始关闭前5^o曲轴转角）时，主辅喷氢器共同工作。

在实际工作中主辅喷氢器共同工作有两种方式，方式一：多路喷氢系统并行但喷射始点不相同，主喷氢器固定在设定的最长喷氢持续期，辅喷氢器完成剩余喷射量的喷射；主辅喷氢器的喷射终点相同，喷射起点由实际喷射量确定（即辅喷氢器喷射始点不早于主喷氢器）；当剩余喷射量（对应的剩余喷氢持续期）又大于设定的最长喷氢持续期后，方可启用下一路辅喷氢器工作；根据喷射量依次启动辅喷氢器工作，最后一路辅喷氢器完成的喷射量对应的喷氢持续期小于最长喷氢持续期。方式二（多路喷氢系统并行且喷射始点相同）：当实际喷射持续期大于设定的最长喷氢持续期后，主辅喷氢器平均分配实际喷射数量（即平均分配实际喷射持续期），主辅喷氢器的喷射终点固定，且喷射始点也相同，喷射始点由实际喷射量确定；当实际喷射持续期大于两倍最长喷氢持续期后，下一路辅喷氢器工作，依次等等；所有主辅喷氢器的喷氢持续期相同，且均小于或等于最长喷氢持续期（只在全负荷工况才等于最长喷氢持续期）。