專利名稱：一種在線制氫、局部富氫的點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)及控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于在線氫氣制取技術(shù)及汽車用內(nèi)燃機(jī)控制領(lǐng)域，適用于采用在線制氫、 局部富氫、稀混合氣、高壓縮比點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)的混合動(dòng)力車輛或者傳統(tǒng)車輛。具體而言，所 描述的發(fā)明為一款聯(lián)合內(nèi)燃機(jī)控制方法和車輛傳動(dòng)系統(tǒng)控制方法共同實(shí)施的控制技術(shù)，其 中所采用的內(nèi)燃機(jī)一方面采用了汽油、乙醇、生物質(zhì)燃料或它們的混合物作為燃料，另一方 面根據(jù)設(shè)定的控制方法定時(shí)、定量向缸內(nèi)噴入氫氣輔助燃燒，在滿足內(nèi)燃機(jī)整車轉(zhuǎn)矩需求 的同時(shí)，能夠采用比傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)更高的壓縮比，燃燒稀薄混合氣，部分工況實(shí)現(xiàn)質(zhì)調(diào)節(jié)，從 而提高整車的經(jīng)濟(jì)性和排放性能。
背景技術(shù)：
本發(fā)明主要描述一種在點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)上采用了冷態(tài)等離子氫氣轉(zhuǎn)換器的方法，該 點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)采用汽油、乙醇或它們的混合物作為燃料。此類燃料有著較窄的稀燃界限，且 內(nèi)燃機(jī)通常采用預(yù)混合的方式形成均質(zhì)可燃混合氣，燃空比要接近于理論燃空比。需要指 出的是燃空比中燃料的計(jì)算僅僅考慮蒸發(fā)成氣態(tài)并且與空氣均勻混合的燃料，未蒸發(fā)的燃 料無(wú)法點(diǎn)燃。由于上述燃料的燃燒屬性，導(dǎo)致點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)具有以下問(wèn)題(1)采用節(jié)氣門(mén)控制進(jìn)入內(nèi)燃機(jī)燃燒室的混合氣的量。當(dāng)需求轉(zhuǎn)矩減少時(shí)，節(jié)氣門(mén) 必須部分地關(guān)閉來(lái)減少進(jìn)入燃燒室的混合氣量。與節(jié)氣門(mén)全開(kāi)時(shí)相比，這種情況會(huì)導(dǎo)致部 分負(fù)荷內(nèi)燃機(jī)進(jìn)氣行程存在明顯的節(jié)流損失。更應(yīng)該指出的是，點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)大部分的工 作時(shí)間都是在部分負(fù)荷狀態(tài)下工作的。(2)液態(tài)燃料蒸發(fā)吸熱會(huì)降低內(nèi)燃機(jī)進(jìn)氣歧管的溫度，而進(jìn)氣歧管是燃料與空氣 混合的地方。過(guò)低的進(jìn)氣歧管溫度會(huì)減少燃料的蒸發(fā)量，導(dǎo)致部分燃料持續(xù)為液態(tài)。這種情 況在冷啟動(dòng)工況和高速工況時(shí)表現(xiàn)的更為差些。為了提高內(nèi)燃機(jī)冷啟動(dòng)和穩(wěn)定運(yùn)行性能， 當(dāng)內(nèi)燃機(jī)的溫度較低時(shí)內(nèi)燃機(jī)控制單元需要控制噴入更多的燃油，用來(lái)補(bǔ)償燃料蒸發(fā)量的 短缺。隨后，就會(huì)產(chǎn)生不完全燃燒。未燃和部分燃燒的燃料通過(guò)排氣管排出來(lái)，這些都是污 染物。同時(shí)這種情況會(huì)降低點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性。(3)為了獲得節(jié)氣門(mén)全開(kāi)時(shí)的大功率和正常運(yùn)行，使用濃混合氣，用于充分利用進(jìn) 入燃燒室的空氣。此時(shí)也會(huì)產(chǎn)生不完全燃燒，使得未燃碳?xì)浜鸵谎趸寂欧旁黾硬⑼瑫r(shí)降 低燃油經(jīng)濟(jì)性。要解決上述問(wèn)題，一方面要采用稀薄混合氣充分燃燒，同時(shí)要避免改變轉(zhuǎn)矩時(shí)開(kāi) 關(guān)節(jié)氣門(mén)。這些都需要對(duì)燃料的燃燒特性進(jìn)行修正。氫氣作為一種天然燃料，與汽油、乙醇 以及它們的混合物等燃料相比，有如下優(yōu)點(diǎn)(1)可燃混合氣的稀限非常?。?2)非常高的 層流火焰?zhèn)鞑ニ俣龋?3)不需要蒸發(fā)時(shí)間和汽化替熱。因此富氫內(nèi)燃機(jī)能夠改善點(diǎn)燃式內(nèi) 燃機(jī)的燃燒特性，并部分地解決汽油、乙醇及它們混合物內(nèi)燃機(jī)存在的問(wèn)題。此外，采用稀 薄混合氣的內(nèi)燃機(jī)，由于降低了燃燒溫度，可以明顯地降低氮氧化物的排放。同時(shí)，內(nèi)燃機(jī) 可以采用高壓縮比和較大節(jié)氣門(mén)開(kāi)度提高整個(gè)內(nèi)燃機(jī)的效率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于著眼于解決點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)等關(guān)鍵技術(shù)的瓶頸問(wèn)題，如發(fā)明背景技術(shù)所述，開(kāi)發(fā)出一種在線制氫、局部富氫的點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)及控制方法。該系統(tǒng)及其控 制方法一方面能夠使內(nèi)燃機(jī)采用高壓縮比、稀薄混合氣，提高等容燃燒比例，避免內(nèi)燃機(jī)失 火，提高內(nèi)燃機(jī)效率，從內(nèi)燃機(jī)源頭上實(shí)現(xiàn)能耗的降低和污染物的超低排放。另一方面能夠 采用較大節(jié)氣門(mén)開(kāi)度，部分工況實(shí)現(xiàn)點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)的質(zhì)調(diào)節(jié)，從而減少節(jié)流損失，進(jìn)一步提 高內(nèi)燃機(jī)的機(jī)械效率。根據(jù)內(nèi)燃機(jī)及傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)來(lái)匹配冷態(tài)等離子氫氣轉(zhuǎn)換器，同時(shí)控 制冷態(tài)等離子氫氣轉(zhuǎn)換器的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)部件間的耦合控制。從而提高內(nèi)燃機(jī)效率、降低 污染物排放和延長(zhǎng)部件特別是電池的使用壽命。本發(fā)明的上述目的通過(guò)以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)，結(jié)合


如下，解決以上問(wèn)題，要采用稀薄混合氣充分燃燒，同時(shí)避免改變轉(zhuǎn)矩時(shí)節(jié)氣門(mén)的開(kāi)關(guān) 變化。保證內(nèi)燃機(jī)良好的排放性能、經(jīng)濟(jì)性能和動(dòng)力性能，這些都需要對(duì)內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)重 新優(yōu)化，對(duì)燃料的燃燒特性進(jìn)行修正以及對(duì)控制方法進(jìn)行完善。本發(fā)明為一種在線制氫、局部富氫的點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)及其控制策略，該系統(tǒng)由 冷態(tài)等離子氫氣轉(zhuǎn)換器11、燃料供給系、氫氣供給系、進(jìn)氣系統(tǒng)、點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)(5)及內(nèi)燃 機(jī)控制器4組成，所述的燃料供給系由油箱12、燃油泵34、油管和噴油器14構(gòu)成；所述的在 線制氫系由冷態(tài)等離子氫氣轉(zhuǎn)換器11、電池9、油管構(gòu)成；所述的氫氣供給系由氫氣存儲(chǔ)器 10、氫氣管17和噴氫器13構(gòu)成；所述的點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)5是安裝了在線制氫系統(tǒng)、氫氣供給 系的傳統(tǒng)點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)；在線制氫系與氫氣供給系相連，氫氣供給系與點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)5相 連；所述的內(nèi)燃機(jī)控制器4控制燃料供給系、在線制氫系、氫氣供給系、進(jìn)氣系統(tǒng)和點(diǎn)燃式 內(nèi)燃機(jī)5的工作狀態(tài)。所述的點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)5采用兩種不同的燃料作為可燃混合氣，在傳統(tǒng)的燃料供給 系上增加了在線制氫系和氫氣供給系，冷態(tài)等離子轉(zhuǎn)換器11從油箱12內(nèi)獲得燃料，然后將 燃料轉(zhuǎn)換成氫氣，將氫氣儲(chǔ)存在氫氣儲(chǔ)存器10，氫氣泵58從氫氣存儲(chǔ)器10內(nèi)泵出氫氣，經(jīng) 過(guò)加壓將其傳送到噴氫器13上，噴氫器13安裝在火花塞56附近，內(nèi)燃機(jī)控制器4依據(jù)控 制方法要求在特定時(shí)刻將氫氣噴入內(nèi)燃機(jī)的火花塞56附近位置，形成局部富氫區(qū)域。噴氫器13的構(gòu)造方式可以采用單獨(dú)的噴氫器，也可以將噴氫器與火花塞集成為 一體。噴氫器13與火花塞56集成在一起時(shí)，金屬極19內(nèi)有通孔21。通孔21末端與氫氣 管17相連，由絕緣材料制成的氫氣管17通過(guò)接頭18直接和通孔21相連，接頭18擰在金 屬極19上。氫氣管17的另外一端連接氫氣泵58，將氫氣傳遞給通孔21，然后進(jìn)入內(nèi)燃機(jī) 燃燒室。金屬接頭20作為一個(gè)螺絲連接在金屬極19上。電極16連接在金屬接頭20上。 電極16連接在電源正極。絕緣體30安裝在金屬極19上。筒形負(fù)極29裝在絕緣體30上。 筒形負(fù)極29的上端做成六角形螺母用來(lái)將其固定在內(nèi)燃機(jī)缸體28上。筒形負(fù)極29的底 端設(shè)計(jì)成負(fù)極26。點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)缸體28連接在電源的負(fù)極。當(dāng)高電壓正加在電極16和缸 體28之間時(shí)，就會(huì)形成正極27和負(fù)極26。當(dāng)電壓足夠高時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生電火花25。在氫氣 富集區(qū)22氫氣通過(guò)噴嘴23噴入形成氫氣束。火花25引燃該區(qū)域富集氫氣24。該區(qū)域燃 燒并且迅速傳播到相鄰區(qū)域進(jìn)而引燃全室。點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)5局部富氫燃燒的作用是可提高內(nèi)燃機(jī)壓縮比和采用稀薄混合氣 燃燒，從而提高內(nèi)燃機(jī)的熱效率和降低污染物的排放。即采用噴氫器13使氫氣在燃燒室形成一個(gè)局部富氫的區(qū)域?qū)⒒旌蠚庖?，可以點(diǎn)燃寬范圍燃空比的混合氣。
所述的在線制氫系包含冷態(tài)等離子氫氣轉(zhuǎn)換器11、電池9。冷態(tài)等離子轉(zhuǎn)換器11 采用電池9進(jìn)行供電，然后將燃料供給系的部分燃料轉(zhuǎn)化為氫氣并將其存儲(chǔ)在氫氣存儲(chǔ)器 10。電池9可以由點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)5拖動(dòng)電機(jī)/發(fā)電機(jī)8進(jìn)行供電，也可以由制動(dòng)能量回收 的能量或者普通墻上的插座充電進(jìn)行供電。所述的采用搭載冷態(tài)等離子氫氣轉(zhuǎn)換器、在線制氫、局部富氫的點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)系 統(tǒng)的控制方法，其特征在于按照以下步驟進(jìn)行內(nèi)燃機(jī)控制器4從整車控制器接收到需求 轉(zhuǎn)矩、車速信號(hào)和點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)5的參數(shù)信號(hào)，內(nèi)燃機(jī)控制器4通過(guò)控制冷態(tài)等離子氫氣轉(zhuǎn) 換器11來(lái)控制氫氣的生產(chǎn)時(shí)刻和生產(chǎn)量，內(nèi)燃機(jī)控制器4產(chǎn)生控制信號(hào)來(lái)控制噴油量、噴 氣量、噴氣時(shí)刻、點(diǎn)火正時(shí)及節(jié)氣門(mén)開(kāi)度?？刂频哪繕?biāo)是點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)5采用稀薄燃燒、提 供需求轉(zhuǎn)矩、不失火。所述的冷態(tài)等離子氫氣轉(zhuǎn)換器11工作方式有兩種。一種是冷態(tài)等離子氫氣轉(zhuǎn)換 器11以一種恒定的、大于常用工況需求量平均值的速率生產(chǎn)氫氣，所考慮的工況包括城市 運(yùn)行工況和高速公路工況。另一種工作方式是當(dāng)氫氣存儲(chǔ)器內(nèi)的氫氣量低于最低限值時(shí)， 冷態(tài)等離子氫氣轉(zhuǎn)換器11開(kāi)始工作。當(dāng)氫氣存儲(chǔ)器內(nèi)的氫氣量高于最高限值時(shí)，冷態(tài)等離 子氫氣轉(zhuǎn)換器11關(guān)閉。氫氣存儲(chǔ)器10內(nèi)的氫氣量可以用氫氣存儲(chǔ)器10內(nèi)的壓力來(lái)表征。 當(dāng)在最高限、最低限之間時(shí)，冷態(tài)等離子氫氣轉(zhuǎn)換器11以一個(gè)恒定的氫氣生產(chǎn)速率生產(chǎn)氫 氣。在啟動(dòng)的過(guò)程中，點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)5通常是冷態(tài)的，利用氫氣的燃燒特性，從氫氣供 給系泵出氫氣經(jīng)噴氫器13噴入點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)5，火花點(diǎn)燃?xì)錃?，并迅速燃燒引燃了混合?料，可縮減內(nèi)燃機(jī)啟動(dòng)階段的加熱時(shí)間，降低冷啟動(dòng)污染物的排放，使內(nèi)燃機(jī)快速啟動(dòng)。當(dāng)內(nèi)燃機(jī)控制器4收到發(fā)出最大內(nèi)燃機(jī)需求轉(zhuǎn)矩信號(hào)時(shí)，內(nèi)燃機(jī)控制器4控制節(jié) 氣門(mén)1、噴油器14和噴氫器13分別處在節(jié)氣門(mén)全開(kāi)和最大的燃空比以及相應(yīng)的最小氫氣噴 射率狀態(tài)。當(dāng)內(nèi)燃機(jī)需求轉(zhuǎn)矩信號(hào)減小時(shí)，燃空比減小同時(shí)節(jié)氣門(mén)繼續(xù)處于全開(kāi)狀態(tài)直到 到達(dá)最小的燃空比，從而實(shí)現(xiàn)點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)的質(zhì)調(diào)節(jié)。如果內(nèi)燃機(jī)需求轉(zhuǎn)矩信號(hào)繼續(xù)減小， 燃空比保持在最小值不變，減小節(jié)氣門(mén)1開(kāi)度來(lái)減少進(jìn)氣量。在整個(gè)轉(zhuǎn)矩控制階段，要保證 點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)不失火。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明有以下效果(一 )添加的冷態(tài)等離子氫氣轉(zhuǎn)換器11可以在線制取氫氣，在燃燒室內(nèi)形成局部 富氫區(qū)域，從而改善了冷啟動(dòng)和突然加速啟動(dòng)時(shí)的排放性能，同時(shí)提高了經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性； 添加的氫氣儲(chǔ)存器10可以存儲(chǔ)過(guò)量的氫氣，也可以在由于電力不足導(dǎo)致不能馬上制取氫 氣的情況下，立即提供氫氣以滿足燃燒的瞬時(shí)性，提供穩(wěn)定的氫氣供應(yīng)量。(二)轉(zhuǎn)矩控制方法優(yōu)勢(shì)在于(1)利用相對(duì)較高的燃空比在高轉(zhuǎn)矩時(shí)可以減少對(duì) 大排量?jī)?nèi)燃機(jī)的需求；(2)節(jié)氣門(mén)全開(kāi)可以明顯地降低節(jié)流損失；(3)采用稀薄混合氣可以 有效地降低未燃碳?xì)洹⒁谎趸己偷趸锏呐欧挪⑻岣邇?nèi)燃機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性能。(三)冷態(tài)等離子氫氣轉(zhuǎn)換器為在線制取氫氣提供了保證，也就為稀薄燃燒、提高 壓縮比及局部富氫燃燒技術(shù)提供了保證，從而才能實(shí)現(xiàn)減少排放，提高經(jīng)濟(jì)性與動(dòng)力性能， 為整個(gè)新技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。

圖1搭載在線制氫、局部富氫、點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)的車輛傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2搭載獨(dú)立氫氣噴射器的點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)縱剖3氫氣噴射器和火花塞在火花塞間隙附近局部富氫示意4內(nèi)燃機(jī)控制系統(tǒng)示意5內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)矩控制示意6氫氣的噴射量與燃空比和內(nèi)燃機(jī)溫度之間函數(shù)關(guān)系圖7氫氣噴射量與內(nèi)燃機(jī)的溫度之間的函數(shù)關(guān)系圖8冷態(tài)等離子氫氣轉(zhuǎn)換器的操作方式簡(jiǎn)中1節(jié)氣門(mén)，2加速踏板，3制動(dòng)踏板，4內(nèi)燃機(jī)控制器，5點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)，6轉(zhuǎn)矩 耦合器，7差速器，8電機(jī)/發(fā)電機(jī)，9電池，10氫氣存儲(chǔ)器，11冷態(tài)等離子氫氣轉(zhuǎn)換器，12油 箱，13噴氫器，14噴油器，15混合動(dòng)力控制器，16電極，17氫氣管，18接頭，19金屬極，20金 屬接頭，21通孔，22氫氣富集區(qū)，23噴嘴，24富集氫氣，25電火花，26負(fù)極，27正極，28內(nèi)燃 機(jī)缸體，29筒形負(fù)極，30絕緣體，31內(nèi)燃機(jī)需求轉(zhuǎn)矩信號(hào)，32空氣流量傳感器，33內(nèi)燃機(jī)溫 度傳感器，34燃油泵，35傳動(dòng)系，36充電器，37燃料、氫氣連接，38機(jī)械連接，39電氣連接， 40信號(hào)連接，41車速信號(hào)，42空氣，43排氣管，44燃燒室，45活塞，46氣缸，47曲軸箱，48油 底殼，49曲軸，50連桿，51冷卻液，52進(jìn)氣歧管，53節(jié)氣門(mén)體，54空氣濾清器，55進(jìn)氣門(mén)，56 火花塞，57排氣門(mén)，58氫氣泵。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖所示實(shí)施例進(jìn)行進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的具體實(shí)施方式
。系統(tǒng)由冷態(tài)等離子氫氣轉(zhuǎn)換器11、氫氣存儲(chǔ)器10、電池9、電機(jī)/發(fā)電機(jī)8、點(diǎn)燃式 內(nèi)燃機(jī)5、噴油器14、噴氫器13、混合動(dòng)力控制器15、加速踏板2、制動(dòng)踏板3、內(nèi)燃機(jī)控制器 4、充電器36、傳動(dòng)系35組成。其中油箱12通過(guò)油管分別與噴油器14和冷態(tài)等離子氫氣 轉(zhuǎn)換器11相連，冷態(tài)等離子氫氣轉(zhuǎn)換器11與氫氣存儲(chǔ)器10相連，氫氣存儲(chǔ)器10連接噴氫 器13，噴油器14和噴氫器13同時(shí)安裝在局部富氫、點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)5上，點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)5與 傳動(dòng)系相連。電池9與冷態(tài)等離子氫氣轉(zhuǎn)換器11和電機(jī)/發(fā)電機(jī)8相連，同時(shí)與充電器36 相連。加速踏板2和制動(dòng)踏板3與混合動(dòng)力控制器15相連，然后混合動(dòng)力控制器15通過(guò) 總線與電池9、內(nèi)燃機(jī)控制器4、氫氣存儲(chǔ)器10、電機(jī)/發(fā)電機(jī)8、傳動(dòng)系35相連。內(nèi)燃機(jī)控 制器5通過(guò)總線與噴油器14、噴氫器13和節(jié)氣門(mén)1相連。圖2所示為搭載獨(dú)立氫氣噴射器的點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)縱剖圖，內(nèi)燃機(jī)5局部富氫、點(diǎn)燃式的燃燒方式，參閱圖2。液體燃料通過(guò)一個(gè)多噴孔噴油器14進(jìn)入點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)5。噴氫 器13安裝在燃燒室內(nèi)特定的位置，在這個(gè)位置上能夠?qū)錃鈬娚涞揭粋€(gè)設(shè)定的區(qū)域，這個(gè) 區(qū)域主要是火花塞附近，以便能夠引燃稀薄的燃料。氫氣的噴氣時(shí)刻要稍早于點(diǎn)火時(shí)刻，噴 氣時(shí)刻和噴油時(shí)刻均由內(nèi)燃機(jī)控制器4進(jìn)行控制，同時(shí)噴入的氫氣量也由內(nèi)燃機(jī)控制器4 控制。圖3所示為氫氣噴射器和火花塞在火花塞間隙附近產(chǎn)生的局部富氫示意圖，是噴 氫器13的一種構(gòu)造方式，噴氫器13與火花塞集成在一起。金屬極19內(nèi)有通孔21。通孔 21末端與氫氣管17相連，由絕緣材料制成的氫氣管17通過(guò)接頭18直接和通管21相連，接頭18擰在金屬極19上。氫氣管17的另外一端連接氫氣泵58，將氫氣傳遞給通孔21，然后 進(jìn)入內(nèi)燃機(jī)燃燒室。金屬接頭20作為一個(gè)螺絲連接在金屬極19上。電極16連接在金屬 接頭20上。電極16連接在電源正極。絕緣體30安裝在金屬極19上。筒形負(fù)極29裝在 絕緣體30上。筒形負(fù)極29的上端做成六角形螺母用來(lái)將其固定在內(nèi)燃機(jī)缸體28上。筒 形負(fù)極29的底端設(shè)計(jì)成負(fù)極26。點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)缸體28連接在電源的負(fù)極。當(dāng)高電壓加 在電極16和缸體28之間時(shí)，就會(huì)形成正極27和負(fù)極26。當(dāng)電壓足夠高時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生電火 花25。在氫氣富集區(qū)22氫氣通過(guò)噴嘴23噴入形成氫氣束。火花25引燃該區(qū)域富集氫氣 24。該區(qū)域燃燒并且迅速傳播到相鄰區(qū)域進(jìn)而引燃全室。
圖4所示為內(nèi)燃機(jī)控制系統(tǒng)示意圖。內(nèi)燃機(jī)電子控制單元4設(shè)定好控制算法，從 駕駛員或者整車控制器那里接收到需求轉(zhuǎn)矩(圖1和圖4中均未顯示)、進(jìn)氣流速和內(nèi)燃機(jī) 的溫度信號(hào)?；趯?shí)時(shí)轉(zhuǎn)矩需求信息、進(jìn)氣速度32、內(nèi)燃機(jī)溫度33和控制算法，內(nèi)燃機(jī)控制 器產(chǎn)生控制信號(hào)來(lái)控制噴油量、噴氣量、點(diǎn)火正時(shí)及節(jié)氣門(mén)開(kāi)度。其中節(jié)氣門(mén)由節(jié)氣門(mén)控制 器控制(圖4內(nèi)未顯示)。圖5所示為內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)矩控制示意圖，當(dāng)內(nèi)燃機(jī)控制單元收到發(fā)出最大轉(zhuǎn)矩的命令 時(shí)，它控制節(jié)氣門(mén)、噴油器和噴氫器分別處在節(jié)氣門(mén)全開(kāi)和最大的燃空比以及相應(yīng)的氫氣 噴射率工況。當(dāng)轉(zhuǎn)矩需求消除時(shí)，燃空比減小同時(shí)節(jié)氣門(mén)繼續(xù)處于全開(kāi)狀態(tài)直到到達(dá)最小 的燃空比，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)的質(zhì)調(diào)節(jié)。如果需求轉(zhuǎn)矩繼續(xù)減小，燃空比保持在最小位置不 變，減小節(jié)氣門(mén)開(kāi)度來(lái)減少進(jìn)氣量。在整個(gè)轉(zhuǎn)矩控制階段，要保證內(nèi)燃機(jī)不熄火。圖6所示為氫氣的噴射量與燃空比和內(nèi)燃機(jī)溫度之間函數(shù)關(guān)系。圖7所示為氫氣噴射量與內(nèi)燃機(jī)的溫度之間的函數(shù)關(guān)系。圖8所示，為冷態(tài)等離子氫氣轉(zhuǎn)換器的工作方式原理圖，氫氣存儲(chǔ)器用來(lái)存儲(chǔ)冷 態(tài)等離子氫氣轉(zhuǎn)換器生產(chǎn)的氫氣。存儲(chǔ)器可以減弱冷態(tài)等離子氫氣轉(zhuǎn)換器生產(chǎn)氫氣速率的 波動(dòng)，而直接為內(nèi)燃機(jī)供應(yīng)氫氣。在冷啟動(dòng)和暖機(jī)啟動(dòng)時(shí)，冷態(tài)等離子氫氣轉(zhuǎn)換器的生產(chǎn)速 率一直較低，氫氣主要由存儲(chǔ)器進(jìn)入到缸內(nèi)。然后在正常工況下，冷態(tài)等離子氫氣轉(zhuǎn)換器生 產(chǎn)出氫氣填滿存儲(chǔ)器。目前應(yīng)用的氫氣存儲(chǔ)器可以存儲(chǔ)冷態(tài)等離子氫氣轉(zhuǎn)換器在一個(gè)穩(wěn)定 的工況下工作生產(chǎn)的氫氣。穩(wěn)定工況指等離子氫氣轉(zhuǎn)換器以恒定的生產(chǎn)率生產(chǎn)氫氣。這種 冷態(tài)等離子氫氣轉(zhuǎn)換器穩(wěn)態(tài)工作特性可以極大地簡(jiǎn)化整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和控制，這個(gè)系統(tǒng)包 括轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)和電源供應(yīng)系統(tǒng)。它使得優(yōu)化冷態(tài)等離子氫氣轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)更為方便，這些優(yōu) 化內(nèi)容包括工作效率、熱管理等。冷態(tài)等離子氫氣轉(zhuǎn)換器工作方式有兩種。一種是冷態(tài)等 離子氫氣轉(zhuǎn)換器以一種恒定的、大于常用工況需求量平均值的速率生產(chǎn)氫氣，所考慮的工 況包括城市運(yùn)行工況和高速公路工況。另一種工作方式如圖8所示。當(dāng)氫氣存儲(chǔ)器內(nèi)的氫 氣量低于某一最低限值時(shí)，冷態(tài)等離子氫氣轉(zhuǎn)換器開(kāi)始工作。當(dāng)氫氣存儲(chǔ)器內(nèi)的氫氣量高 于某一最高限值時(shí)，冷態(tài)等離子氫氣轉(zhuǎn)換器關(guān)閉。氫氣存儲(chǔ)器內(nèi)的氫氣量可以用存儲(chǔ)器內(nèi) 的壓力來(lái)表征。當(dāng)在最高限、最低限之間時(shí)，冷態(tài)等離子氫氣轉(zhuǎn)換器以一個(gè)恒定的氫氣生產(chǎn) 速率生產(chǎn)氫氣。
權(quán)利要求
一種在線制氫、局部富氫的點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)由冷態(tài)等離子氫氣轉(zhuǎn)換器(11)、燃料供給系、氫氣供給系、進(jìn)氣系統(tǒng)、點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)(5)及內(nèi)燃機(jī)控制器(4)組成，燃料供給系由油箱(12)、燃油泵(34)、油管和噴油器(14)構(gòu)成，在線制氫系由冷態(tài)等離子氫氣轉(zhuǎn)換器(11)、電池(9)和油管構(gòu)成，氫氣供給系由氫氣存儲(chǔ)器(10)、氫氣管(17)和噴氫器(13)構(gòu)成，點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)(5)是安裝了在線制氫系統(tǒng)、氫氣供給系的傳統(tǒng)點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)上，在線制氫系與氫氣供給系相連，氫氣供給系與點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)(5)相連，內(nèi)燃機(jī)控制器(4)控制燃料供給系、在線制氫系、氫氣供給系、進(jìn)氣系統(tǒng)和點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)(5)的工作狀態(tài)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種在線制氫、局部富氫的點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)，其特征在于， 所述的點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)(5)采用兩種不同的燃料作為可燃混合氣，在傳統(tǒng)的燃料供給系上增 加了在線制氫系和氫氣供給系，冷態(tài)等離子轉(zhuǎn)換器(11)從油箱(12)內(nèi)獲得燃料，然后將燃 料轉(zhuǎn)換成氫氣，將氫氣儲(chǔ)存在氫氣儲(chǔ)存器(10)內(nèi)，氫氣泵(58)從氫氣存儲(chǔ)器(10)內(nèi)泵出 氫氣，經(jīng)過(guò)加壓將其傳送到噴氫器(13)上，噴氫器(13)安裝在火花塞(56)附近，，內(nèi)燃機(jī) 控制器(4)依據(jù)控制方法要求在特定時(shí)刻將氫氣噴入內(nèi)燃機(jī)的火花塞(56)附近位置，形成 局部富氫區(qū)域。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在線制氫、局部富氫的點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)，其特征在于，所述 的噴氫器(13)的一種構(gòu)造方式噴氫器(13)與火花塞(56)集成在一起，金屬極(19)內(nèi) 有通孔(21)，通孔(21)末端與氫氣管(17)相連，由絕緣材料制成的氫氣管(17)通過(guò)接頭 (18)直接和通管(21)相連，接頭(18)擰在金屬極(19)上，氫氣管(17)的另外一端連接 氫氣泵(58)，將氫氣傳遞給通孔(21)，然后進(jìn)入內(nèi)燃機(jī)燃燒室，金屬接頭(20)采用螺絲連 接在金屬極(19)上，電極(16)連接在金屬接頭(20)上，電極(16)連接在電源正極，絕緣 體(30)安裝在金屬極(19)上，筒形負(fù)極(29)裝在絕緣體(30)上，筒形負(fù)極(29)的上端 做成六角形螺母用來(lái)將其固定在內(nèi)燃機(jī)缸體(28)上，筒形負(fù)極(29)的底端設(shè)計(jì)成側(cè)電極 (26)，點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)缸體(28)連接在電源的負(fù)極，當(dāng)高電壓正加在電極(16)和缸體(28) 之間時(shí)，就會(huì)形成正極(27)和負(fù)極(26)，當(dāng)電壓足夠高時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生電火花(25)，在氫氣富 集區(qū)(22)氫氣通過(guò)噴嘴(23)噴入形成氫氣束，火花(25)引燃該區(qū)域富集氫氣(24)，該區(qū) 域燃燒并且迅速傳播到相鄰區(qū)域進(jìn)而引燃全室。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在線制氫、局部富氫的點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)，其特征在于，點(diǎn)燃 式內(nèi)燃機(jī)(5)局部富氫燃燒的作用是提高內(nèi)燃機(jī)壓縮比和采用稀薄混合氣燃燒，從而提高 內(nèi)燃機(jī)的效率和降低污染物的排放，即采用噴氫器(13)使氫氣在燃燒室形成一個(gè)局部富 氫的區(qū)域?qū)⒒旌蠚庖?，點(diǎn)燃寬范圍燃空比的混合氣。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在線制氫、局部富氫的點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)，其特征在于，所 述的在線制氫系包含冷態(tài)等離子氫氣轉(zhuǎn)換器(11)和電池(9)，冷態(tài)等離子轉(zhuǎn)換器(11)采 用電池(9)進(jìn)行供電，然后將燃料供給系的部分燃料轉(zhuǎn)化為氫氣并將其存儲(chǔ)在氫氣存儲(chǔ)器 (10)，電池(9)由點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)(5)拖動(dòng)電機(jī)/發(fā)電機(jī)(8)進(jìn)行供電，或由制動(dòng)能量回收的 能量，或采用普通墻上的插座充電進(jìn)行供電。
6.一種用于權(quán)利要求1所述的在線制氫、局部富氫的點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)的控制方法， 其特征在于，按照以下步驟進(jìn)行內(nèi)燃機(jī)控制器(4)從整車控制器接收到需求轉(zhuǎn)矩、車速 信號(hào)和點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)(5)的參數(shù)信號(hào)，內(nèi)燃機(jī)控制器(4)通過(guò)控制冷態(tài)等離子氫氣轉(zhuǎn)換器(11)來(lái)控制氫氣的生產(chǎn)時(shí)刻和生產(chǎn)量，內(nèi)燃機(jī)控制器(4)產(chǎn)生控制信號(hào)來(lái)控制噴油量、噴 氣量、噴氣時(shí)刻、點(diǎn)火正時(shí)及節(jié)氣門(mén)開(kāi)度，控制的目標(biāo)是點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)(5)采用稀薄燃燒、 提供需求轉(zhuǎn)矩、不失火。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的在線制氫、局部富氫的點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)的控制方法，其特 征在于，冷態(tài)等離子氫氣轉(zhuǎn)換器(11)工作方式有兩種一種是冷態(tài)等離子氫氣轉(zhuǎn)換器(11) 以一種恒定的、大于常用工況需求量平均值的速率生產(chǎn)氫氣，所考慮的工況包括城市運(yùn)行 工況和高速公路工況，另一種工作方式是當(dāng)氫氣存儲(chǔ)器內(nèi)的氫氣量低于最低限值時(shí)，冷態(tài) 等離子氫氣轉(zhuǎn)換器(11)開(kāi)始工作，當(dāng)氫氣存儲(chǔ)器內(nèi)的氫氣量高于最高限值時(shí)，冷態(tài)等離子 氫氣轉(zhuǎn)換器(11)關(guān)閉，氫氣存儲(chǔ)器(10)內(nèi)的氫氣量用氫氣存儲(chǔ)器(10)內(nèi)的壓力來(lái)表征， 當(dāng)在最高限、最低限之間時(shí)，冷態(tài)等離子氫氣轉(zhuǎn)換器(11)以一個(gè)恒定的氫氣生產(chǎn)速率生產(chǎn) 氫氣。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的在線制氫、局部富氫的點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)的控制方法，其特 征在于，在啟動(dòng)的過(guò)程中，點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)(5)通常是冷態(tài)的，利用氫氣的燃燒特性，從氫氣 供給系泵出氫氣經(jīng)噴氫器(13)噴入點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)(5)，火花點(diǎn)燃?xì)錃猓⒀杆偃紵剂?混合燃料，縮減了內(nèi)燃機(jī)啟動(dòng)階段的加熱時(shí)間，降低冷啟動(dòng)污染物的排放，使內(nèi)燃機(jī)快速啟動(dòng)。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的在線制氫、局部富氫的點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)的控制方法，其特 征在于，當(dāng)內(nèi)燃機(jī)控制器(4)收到發(fā)出最大內(nèi)燃機(jī)需求轉(zhuǎn)矩信號(hào)時(shí)，內(nèi)燃機(jī)控制器(4)控制 節(jié)氣門(mén)(1)、噴油器(14)和噴氫器(13)分別處在節(jié)氣門(mén)全開(kāi)和最大的燃空比以及相應(yīng)的 最小氫氣噴射率狀態(tài)，當(dāng)內(nèi)燃機(jī)需求轉(zhuǎn)矩信號(hào)減小時(shí)，燃空比減小同時(shí)節(jié)氣門(mén)繼續(xù)處于全 開(kāi)狀態(tài)直到到達(dá)最小的燃空比，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)的質(zhì)調(diào)節(jié)，如果內(nèi)燃機(jī)需求轉(zhuǎn)矩信號(hào)繼 續(xù)減小，燃空比保持在最小值不變，減小節(jié)氣門(mén)(1)開(kāi)度來(lái)減少進(jìn)氣量，在整個(gè)轉(zhuǎn)矩控制階 段，要保證點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)不失火。全文摘要
本發(fā)明涉及一種在線制氫、局部富氫的點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)及控制方法。其著眼于解決點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)關(guān)鍵技術(shù)的瓶頸問(wèn)題。該系統(tǒng)及其控制方法一方面能夠使內(nèi)燃機(jī)采用高壓縮比、稀薄可燃混合氣，實(shí)現(xiàn)快速燃燒，避免內(nèi)燃機(jī)失火，提高內(nèi)燃機(jī)熱效率，避免和減少關(guān)閉節(jié)氣門(mén)引起的機(jī)械損失，改善冷啟動(dòng)特性，減低冷啟動(dòng)、怠速工況的污染物排放和提高經(jīng)濟(jì)性，從內(nèi)燃機(jī)源頭上實(shí)現(xiàn)能耗的降低和污染物的超低排放。根據(jù)內(nèi)燃機(jī)和傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)及工作狀況來(lái)匹配冷態(tài)等離子氫氣轉(zhuǎn)換器，同時(shí)控制冷態(tài)等離子氫氣轉(zhuǎn)換器的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)部件間的耦合控制。從而提高系統(tǒng)效率、降低污染物排放并延長(zhǎng)部件的使用壽命。
文檔編號(hào)F02B5/00GK101865020SQ20101016111
公開(kāi)日2010年10月20日 申請(qǐng)日期2010年5月4日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月4日
發(fā)明者丁華杰, 于秀敏, 李俊杰, 王慶年 申請(qǐng)人:吉林大學(xué)