一种用氢气实现点燃式内燃机快速起停的装置及控制方法

摘要

本发明提供一种用氢气实现点燃式内燃机快速起停的装置及控制方法，具体内容涉及内燃机燃烧、快速起动及停止控制。该系统在保留内燃机本体全部零件的基础上增加了一套氢气供给装置及一台电子控制单元。电子控制单元可以根据内燃机转速、车速及节气门位置判断并控制内燃机的停止及运行，以大幅减少内燃机怠速运行时间，从而减少怠速时内燃机所浪费的能量并降低有害排放的产生。同时，通过以纯氢气为燃料快速起动内燃机，既缩短了起动时间，也减少了起动时内燃机所消耗的燃料及所产生的有害排放。

说明书

技术领域

本发明提供一种用氢气实现点燃式内燃机快速起停的装置及控制方法，具 体内容涉及内燃机燃烧、快速起动及停止的控制。

背景技术

内燃机怠速时并不对外输出有用功来驱动车辆前进，在道路拥堵或等 候红绿灯时，驾驶员会操纵车辆停车，此时如果不熄灭发动机，则处于怠 速状态运行的内燃机依然会消耗燃料，从而造成对燃料的浪费以及对环境 的污染。

针对上述问题，目前所采用的BSG技术可以在停车状态下自动停止内 燃机运行，并在驾驶员踩下油门踏板时利用起动电机快速拖动发动机至某 一较高转速后再次喷油、点火，使发动机起动。采用该技术可以有效降低 内燃机怠速运行时间，从而实现内燃机的节能、减排。同时，将内燃机拖 动至较高转速后喷油也可以利用进气道内较高的真空度来减少液态燃料在 起动时的油膜效应。

但是，对于目前所使用的汽油、甲醇、乙醇及掺醇汽油而言，由于液 态燃料的油膜效应不可能通过提高进气道真空度来完全消除，因此对于使 用液态燃料的点燃式内燃机而言，采用BSG技术后内燃机起动时仍然需要 对燃料进行加浓喷射，从而使内燃机在起动时的燃料消耗量增加。同时， 对于燃用传统碳氢燃料的内燃机而言，起动时也会产生大量的HC及CO排 放。

发明内容

针对传统内燃机在怠速及快速起动时所产生的能源浪费及排放污染问题， 本发明提供了一种用氢气实现点燃式内燃机快速起停的装置及控制方法。本发 明可以通过检测车辆行驶速度及油门位置来对内燃机起动及停止的控制，并通 过利用纯氢气起动内燃机来基本消除传统碳氢燃料内燃机在频繁起动过程中所 产生的大量HC及CO排放。同时，由于氢气是一种气态燃料，使用氢气起动内 燃机也不需要在起动时对燃料进行加浓，从而降低了起动时的燃料消耗量。此 外，氢气较低的点火能量和宽广的稀燃界限也使得纯氢内燃机可以在稀燃条件 下起动，从而进一步降低起动时的燃料消耗。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：

一种用氢气实现点燃式内燃机快速起停的装置，在保留内燃机上原有的飞 轮1、起动齿轮2、起动机控制继电器3、原机电子控制单元5、点火模块7、火 花塞8及原机燃料喷嘴9的基础上，加装了一套氢气供给装置和电子控制单元4；

所述的氢气供给装置包括氢气瓶6、氢气喷嘴10、氢气调压器11及氢气压 力传感器12。氢气瓶6与氢气喷嘴10通过氢气供气管路相连，氢气喷嘴10安 装在内燃机各缸的进气歧管上，氢气压力传感器12安装在氢气瓶6出口的供气 管路上，氢气调压器11安装在连接氢气喷嘴10及氢气压力传感器12的氢气供 气管路上。

所述的电子控制单元4与原机电子控制单元5相连接，获得内燃机转速信 号b、车速信号c、节气门位置信号d、原机燃料喷射信号e、原机点火信号f 及空气流量信号k；

电子控制单元4与氢气压力传感器12相连接，获得氢气瓶压力信号j；

电子控制单元4与起动机控制继电器3相连接，发出起动机控制信号a；

电子控制单元4与点火模块7及原机燃料喷嘴9相连接，发出点火模块控 制信号g及原机燃料喷嘴控制信号h；

电子控制单元4与氢气喷嘴10的控制端相连，用于发出氢气喷嘴控制信号 i；

所述的氢气调压器将氢气压力稳定在2.0bar至3.5bar之间。

本发明中一种用氢气实现快速起停的点燃式内燃机控制方法如下：

电子控制单元4检测内燃机转速信号b、车速信号c及节气门位置信号d， 当内燃机转速高于正常怠速或车速大于0km/h或节气门处于打开状态时，电子 控制单元4判定内燃机处于正常运行状态，此时，电子控制单元4根据从原机 电子控制单元5获得的原机燃料喷射信号e发出原机燃料喷嘴控制信号h及氢 气喷嘴控制信号i，使原机燃料喷嘴9的开启和关闭时刻与原内燃机相同，并同 时关闭氢气喷嘴10；同时，电子控制单元4还根据从原机电子控制单元5获得 的原机点火信号f发出点火模块控制信号g控制点火模块7，使火花塞8的跳火 时刻与原机相同。

电子控制单元4检测车速信号c及节气门位置信号d，当内燃机转速达到正 常怠速转速且车速等于0km/h且节气门处于关闭状态时，电子控制单元4判定 车辆在行驶时完全停车，此时，电子控制单元4发出原机燃料喷嘴控制信号h 及氢气喷嘴控制信号i，使原机燃料喷嘴9及氢气喷嘴10被关闭，从而使内燃 机停止运行。

在内燃机停止运行时，电子控制单元4检测节气门位置信号d，当节气门打 开时，电子控制单元4判定内燃机需要被快速起动，此时，电子控制单元4首 先检测氢气瓶压力信号j，当氢气压力低于5bar时，电子控制单元4发出起动 机控制信号a，接通起动机控制继电器3，使起动齿轮2与飞轮1上的起动齿相 啮合，拖动内燃机开始旋转，同时，电子控制单元4还根据从原机电子控制单 元5获得的原机燃料喷射信号e发出原机燃料喷嘴控制信号h及氢气喷嘴控制 信号i，使原机燃料喷嘴9的开启和关闭时刻与原内燃机相同，并同时关闭氢气 喷嘴10，电子控制单元4还根据从原机电子控制单元5获得的原机点火信号f 发出点火模块控制信号g控制点火模块7，使火花塞8的跳火时刻与原机相同， 从而使内燃机以原有燃料燃烧模式起动；当氢气压力大于等于5bar时，电子控 制单元4判定内燃机可以使用纯氢气进行起动，此时，电子控制单元4发出起 动机控制信号a，接通起动机控制继电器3，使起动齿轮2与飞轮1上的起动齿 相啮合，拖动内燃机开始旋转，同时，电子控制单元4发出原机燃料喷嘴控制 信号h及氢气喷嘴控制信号i，关闭原机燃料喷嘴9，并根据检测到的内燃机转 速信号b及空气流量信号k并根据公式1发出氢气喷嘴控制信号i，从而对每循 环进入内燃机的氢气流量进行控制，此外，电子控制单元4还发出点火模块控 制信号g控制点火模块7，使内燃机起动过程中火花塞8的跳火时刻被控制在上 止点至上止点前10度范围内，且随喷氢量的增加而推迟。

m_H2＝m_air/(34.3λ)                公式1

m_air＝2000m’_air/(60N)            公式2

公式1中，m_H2为每循环氢气喷射量g/cycle；m_air为每循环进入内燃机的空 气质量g/cycle；λ为过量空气系数，1.00≤λ≤9.00；N为电子控制单元4通过 转速信号b所获得的内燃机转速r/min；m’_air为电子控制单元4通过空气流量 信号k所获得的内燃机进气流量信号kg/h；

在内燃机起动过程中，当电子控制单元4检测到的内燃机转速超出起动机 拖动转速20转/分时，电子控制单元4判定内燃机起动成功，此时电子控制单 元4发出起动机控制信号a，切断起动机控制继电器3，使起动齿轮2与飞轮1 上的起动齿停止啮合，且起动机停止运转；内燃机起动成功后，当电子控制单 元4检测到的内燃机转速大于或等于目标怠速转速时，电子控制单元4根据从 原机电子控制单元5获得的原机燃料喷射信号e发出原机燃料喷嘴控制信号h 及氢气喷嘴控制信号i，使原机燃料喷嘴9的开启和关闭时刻与原内燃机相同， 并同时关闭氢气喷嘴10；同时，电子控制单元4根据从原机电子控制单元5获 得的原机点火信号f发出点火模块控制信号g，使内燃机点火角与原机相同，进 而使内燃机以原有燃料燃烧模式下运行，此时内燃机性能与原机相同。

本发明的有益效果是：针对传统内燃机在怠速及快速起动时所产生的能源 浪费及排放污染问题，本发明提供一种用氢气实现点燃式内燃机快速起停的控 制方法。通过内燃机怠速转速、车辆速度及节气门开度信号判定车辆是否处于 停车状态，并在停车时熄灭内燃机，从而大幅降低了内燃机怠速时所产生的高 能耗及排放污染问题。同时，在起动时使用纯氢气作为燃料，可以实现起动时 内燃机HC及CO排放的大幅降低。此外，氢气宽广的稀燃界限也使得以氢气为 燃料的内燃机能够在稀燃条件下起动，从而进一步降低起动时的燃料消耗。最 后，氢气较低的点火能量和较快的火焰传播速度也使以纯氢为燃料的内燃机起 动过程更加迅速，从而实现内燃机的快速起动。

附图说明

图1本发明的结构和工作原理图

图中：1飞轮；2起动齿轮；3起动机控制继电器；4电子控制单元；5原 机电子控制单元；6氢气瓶；7点火模块；8火花塞；9原机燃料喷嘴；10氢 气喷嘴；11氢气调压器；12氢气压力传感器

a.起动机控制信号；b.内燃机转速信号；c.车速信号；d.节气门位置 信号；e.原机燃料喷射信号；f.原机点火信号；g.点火模块控制信号；h.原 机燃料喷嘴控制信号；i.氢气喷嘴控制信号；j.氢气瓶压力信号；k.空气流 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，本实施例中的一种用氢气实现点燃式内燃机快速起停的装置， 在保留内燃机上原有的飞轮1、起动齿轮2、起动机控制继电器3、原机电子控 制单元5、点火模块7、火花塞8 及原机燃料喷嘴9 的基础上，加装了一套氢气 供给装置和电子控制单元4；

所述的氢气供给装置包括氢气瓶6、氢气喷嘴10、氢气调压器11及氢气压 力传感器12。氢气瓶6与氢气喷嘴10通过氢气供气管路相连，氢气喷嘴10安 装在内燃机各缸的进气歧管上，氢气压力传感器12安装在氢气瓶6出口的供气 管路上，氢气调压器11安装在连接氢气喷嘴10及氢气压力传感器12的氢气供 气管路上。

所述的电子控制单元4与原机电子控制单元5相连接，获得内燃机转速信 号b、车速信号c、节气门位置信号d、原机燃料喷射信号e、原机点火信号f 及空气流量信号k；

电子控制单元4与氢气压力传感器12相连接，获得氢气瓶压力信号j；

电子控制单元4与起动机控制继电器3相连接，发出起动机控制信号a；

电子控制单元4与点火模块7及原机燃料喷嘴9相连接，发出点火模块控 制信号g及原机燃料喷嘴控制信号h；

电子控制单元4与氢气喷嘴10的控制端相连，用于发出氢气喷嘴控制信号 i；

所述的氢气调压器将氢气压力稳定在2.0bar至3.5bar之间。

本发明中一种用氢气实现快速起停的点燃式内燃机控制方法如下：

电子控制单元4检测内燃机转速信号b、车速信号c及节气门位置信号d， 当内燃机转速高于正常怠速或车速大于0km/h或节气门处于打开状态时，电子 控制单元4判定内燃机处于正常运行状态，此时，电子控制单元4根据从原机 电子控制单元5获得的原机燃料喷射信号e发出原机燃料喷嘴控制信号h及氢 气喷嘴控制信号i，使原机燃料喷嘴9的开启和关闭时刻与原内燃机相同，并同 时关闭氢气喷嘴10；同时，电子控制单元4还根据从原机电子控制单元5获得 的原机点火信号f发出点火模块控制信号g控制点火模块7，使火花塞8的跳火 时刻与原机相同。

电子控制单元4检测车速信号c及节气门位置信号d，当内燃机转速达到正 常怠速转速且车速等于0km/h且节气门处于关闭状态时，电子控制单元4判定 车辆在行驶时完全停车，此时，电子控制单元4发出原机燃料喷嘴控制信号h 及氢气喷嘴控制信号i，使原机燃料喷嘴9及氢气喷嘴10被关闭，从而使内燃 机停止运行。

在内燃机停止运行时，电子控制单元4检测节气门位置信号d，当节气门打 开时，电子控制单元4判定内燃机需要被快速起动，此时，电子控制单元4首 先检测氢气瓶压力信号j，当氢气压力低于5bar时，电子控制单元4发出起动 机控制信号a，接通起动机控制继电器3，使起动齿轮2与飞轮1上的起动齿相 啮合，拖动内燃机开始旋转，同时，电子控制单元4还根据从原机电子控制单 元5获得的原机燃料喷射信号e发出原机燃料喷嘴控制信号h及氢气喷嘴控制 信号i，使原机燃料喷嘴9的开启和关闭时刻与原内燃机相同，并同时关闭氢气 喷嘴10，电子控制单元4还根据从原机电子控制单元5获得的原机点火信号f 发出点火模块控制信号g控制点火模块7，使火花塞8的跳火时刻与原机相同， 从而使内燃机以原有燃料燃烧模式起动；当氢气压力大于等于5bar时，电子控 制单元4判定内燃机可以使用纯氢气进行起动，此时，电子控制单元4发出起 动机控制信号a，接通起动机控制继电器3，使起动齿轮2与飞轮1上的起动齿 相啮合，拖动内燃机开始旋转，同时，电子控制单元4发出原机燃料喷嘴控制 信号h及氢气喷嘴控制信号i，关闭原机燃料喷嘴9，并根据检测到的内燃机转 速信号b及空气流量信号k并根据公式1发出氢气喷嘴控制信号i，从而对每循 环进入内燃机的氢气流量进行控制，此外，电子控制单元4还发出点火模块控 制信号g控制点火模块7，使内燃机起动过程中火花塞8的跳火时刻被控制在上 止点至上止点前10度范围内，且随喷氢量的增加而推迟。

m_H2＝m_air/(34.3λ)                公式1

m_air＝2000m’_air/(60N)            公式2

公式1中，m_H2为每循环氢气喷射量g/cycle；m_air为每循环进入内燃机的空 气质量g/cycle；λ为过量空气系数，1.00≤λ≤9.00；N为电子控制单元4通过 转速信号b所获得的内燃机转速r/min；m’_air为电子控制单元4通过空气流量 信号k所获得的内燃机进气流量信号kg/h；

在内燃机起动过程中，当电子控制单元4检测到的内燃机转速超出起动机 拖动转速20转/分时，电子控制单元4判定内燃机起动成功，此时电子控制单 元4发出起动机控制信号a，切断起动机控制继电器3，使起动齿轮2与飞轮1 上的起动齿停止啮合，且起动机停止运转；内燃机起动成功后，当电子控制单 元4检测到的内燃机转速大于或等于目标怠速转速时，电子控制单元4根据从 原机电子控制单元5获得的原机燃料喷射信号e发出原机燃料喷嘴控制信号h 及氢气喷嘴控制信号i，使原机燃料喷嘴9的开启和关闭时刻与原内燃机相同， 并同时关闭氢气喷嘴10；同时，电子控制单元4根据从原机电子控制单元5获 得的原机点火信号f发出点火模块控制信号g，使内燃机点火角与原机相同，进 而使内燃机以原有燃料燃烧模式下运行，此时内燃机性能与原机相同。