CN102052205B - 一种混合氢气与氧气的压燃式柴油内燃机及控制方法 - Google Patents
一种混合氢气与氧气的压燃式柴油内燃机及控制方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN102052205B CN102052205B CN 201010537234 CN201010537234A CN102052205B CN 102052205 B CN102052205 B CN 102052205B CN 201010537234 CN201010537234 CN 201010537234 CN 201010537234 A CN201010537234 A CN 201010537234A CN 102052205 B CN102052205 B CN 102052205B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- oxygen
- hydrogen
- storage tank
- electronic control
- control unit
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 title claims abstract description 230
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 230
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 198
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 title claims abstract description 165
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 165
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 158
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 title claims abstract description 67
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 21
- 230000006835 compression Effects 0.000 title claims description 13
- 238000007906 compression Methods 0.000 title claims description 13
- 239000002283 diesel fuel Substances 0.000 title claims 4
- 238000003860 storage Methods 0.000 claims abstract description 92
- 238000002347 injection Methods 0.000 claims abstract description 27
- 239000007924 injection Substances 0.000 claims abstract description 27
- 239000000446 fuel Substances 0.000 claims description 34
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims description 16
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 13
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 claims description 10
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 abstract description 30
- 239000013618 particulate matter Substances 0.000 abstract description 13
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 abstract description 7
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 11
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 6
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 5
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 5
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 5
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 4
- 239000000779 smoke Substances 0.000 description 4
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 4
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 230000001052 transient effect Effects 0.000 description 3
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 2
- 238000011217 control strategy Methods 0.000 description 2
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 2
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 2
- 230000003197 catalytic effect Effects 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 239000002826 coolant Substances 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 229910001882 dioxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 230000001737 promoting effect Effects 0.000 description 1
- 230000036632 reaction speed Effects 0.000 description 1
- 239000004071 soot Substances 0.000 description 1
Landscapes
- Output Control And Ontrol Of Special Type Engine (AREA)
Abstract
本发明涉及一种混合氢气和氧气的压燃式柴油内燃机及控制方法。该系统在保留原发动机全部本体及控制系统的基础上增加了一套氢、氧气随车制取、储存及供给装置。车载氢、氧气制取、储存及供给装置包括：制氢氧机、与制氢氧机相连接的氧气储存罐和氢气储存罐、氧气储存罐压力传感器、氢气储存罐压力传感器、氢气喷嘴、氧气喷嘴、和电子控制单元等。氢氧气电子控制单元根据进气总管压力信号判定发动机所处工况，并通过发出信号控制氢气与氧气的喷射时刻及脉宽，在发动机加速和冷起动过程中混氧，在稳态下同时混氧、混氢，从而大幅降低了柴油机在冷起动与加速过程中颗粒物排放，并提高了发动机在稳态工况下的热效率与排放水平。
Description
技术领域
本发明提供一种在柴油机中混合氢气和氧气的压燃式内燃机及控制方法，具体内容涉及一种混合氢气和氧气的压燃式柴油内燃机的燃料储存和供给系统、燃料比例分配及燃烧过程控制。
背景技术
柴油机因热效率高、输出转矩大等特点被广泛应用于客车、重载卡车及工程机械。但传统柴油机采用扩散燃烧，空气与燃料混合时间短，从而造成浓混合气区，并导致碳烟在这些区域中大量生成，使柴油机出现起动和加速冒烟现象。采用高压共轨、多次喷射柴油和排气后处理等技术尽管可以在一定程度上解决柴油机在起动和加速时颗粒排放物增加的问题，但该技术成本较高。采用进气增加提高进入发动机的空气流量也可以降低柴油机的颗粒物排放并提高其热效率，但在瞬态工况下，增压器响应速度往往较低，从而难以有效抑制内燃机冷起动和加速过程中的颗粒物排放。
此外，由于高海拔地区空气中氧含量明显降低，使得柴油机在高原地区运行时缸内燃料难以充分燃烧，导致发动机热效率降低，未燃HC与颗粒物排放迅速增加。通过增加进气量可以在一定程度上解决柴油车高原行驶时热效率下降和排放升高的问题，但需要更换或对增压器进行重新匹配和标定。
在进气道中直接喷入氧气能够有效改善柴油机在冷起动、加速和高原行驶条件下的燃烧与排放性能，但很难解决氧气的来源问题。
由于氢气的点火能量低、燃烧速度快、稀燃界限宽，因而进气混氢也可以在进一步提高柴油机在某些工况下的热效率和排放性能。但氢气的自燃温度较高，因而氢气需要被柴油引燃，所以在冷起动或加速过程中加入氢气反而会抑制燃烧，使柴油机出现功率下降，燃料燃烧不充分的问题。同时，氢气的供应问题也没有得到解决。
发明内容
针对目前柴油机在冷起动及加速过程中存在的燃料燃烧不完全、颗粒物排放高的问题，为进一步提高柴油机的热效率和排放性能，本发明提供一种新型的氢-氧-柴油混合燃料压燃式内燃机及其控制方法。本发明可以在冷起动和加速阶段实现富氧燃烧，从而大幅降低传统柴油机在起动和加速时的CO、HC及颗粒物排放。在稳态运行工况下同时混入氢气和氧气参与燃烧，减少了发动机运行时的传热及排气损失，提高了柴油机热效率，并抑制了HC、CO、及颗粒物排放。
本发明的技术方案如下：在保留传统机械式或共轨式柴油机的全部燃料喷射控制系统和发动机本体的基础上增加了一套车载氢、氧气制取、储存及喷射系统，所述的车载氢、氧气制取、储存及喷射系统包括：制氢氧机、与制氢氧机的氧气出口相连接的氧气储存罐、与制氢氧机的氢气出口相连接的氢气储存罐、安装在氧气储存罐上的氧气储存罐压力传感器、安装在氢气储存罐上的氢气储存罐压力传感器、通过管路与氢气储存罐向连通的氢气喷嘴、通过管路与氧气储存罐向连通的氧气喷嘴、安装在氢气储存罐与氢气喷嘴之间的连通管路上的氢气供给管路电磁阀、安装在氧气储存罐与氧气喷嘴之间的连通管路上的氧气供给管路电磁阀、安装在进气总管上的进气总管压力传感器和电子控制单元。所述氢气喷嘴安装在进气总管上，氧气喷嘴安装在各缸进气歧管上。
电子控制单元通过屏蔽电缆与氧气储存罐压力传感器及氢气储存罐压力传感器相连，获得氧气储存罐压力信号和氢气储存罐压力信号；
电子控制单元通过屏蔽电缆与进气总管压力传感器相连，获得发动机进气总管压力信号；
电子控制单元通过屏蔽电缆与氧气供给管路电磁阀和氢气供给管路电磁阀相连，通过发出信号控制其打开和关闭；
电子控制单元通过屏蔽电缆与氢气喷嘴和氧气喷嘴相连，并通过发出控制信号控制其喷射脉宽。
一种混合氢气与氧气的压燃式柴油内燃机的控制方法，该控制方法包括以下步骤：
该控制方法按工况分为冷起动及加速工况、减速工况和稳态运行工况；
1)冷起动及加速工况：
i)电子控制单元首先根据进气总管压力信号d判定发动机是否处于冷起动或加速工况，当进气总管压力变化率大于正0.05bar/s时，电子控制单元判定发动机处于冷起动或加速工况；
ii)电子控制单元检测氧气储存罐压力信号f，当氧气储存罐压力小于1.5bar时，电子控制单元发出信号关闭氧气供给管路电磁阀及氧气喷嘴；当氧气储存罐压力大于1.5bar时，电子控制单元发出信号打开氧气供给管路电磁阀及氧气喷嘴，使内燃机在混氧的条件下运行；
2)减速工况：
当进气总管压力变化率小于负0.05bar/s时，电子控制单元判定发动机处于减速工况，电子控制单元发出控制信号关闭氧气供给管路电磁阀、氢气供给管路电磁阀、氢气喷嘴和氧气喷嘴，使发动机在不混掺氢、氧气的条件下以原机模式运行；
3)稳态运行工况：
i)电子控制单元根据进气总管压力信号d判定发动机是否处于稳态运行工况，当进气总管压力变化率大于等于负0.05bar/s且小于等于正0.05bar/s时，电子控制单元判定发动机处于稳态运行工况；
ii)电子控制单元检测氢气储存罐压力信号e及氧气储存罐压力信号f，当氢气和氧气储存罐压力都小于1.5bar时，电子控制单元发出信号关闭氧气供给管路电磁阀、氢气供给管路电磁阀、氢气喷嘴及氧气喷嘴，使发动机以原机喷油模式运行；
当氢气和氧气储存罐压力都大于1.5bar时，电子控制单元发出控制信号同时打开氧气供给管路电磁阀、氢气供给管路电磁阀、氢气喷嘴和氧气喷嘴，使发动机在同时混氢和混氧的条件下运行；
如果氢气或氧气罐中有任意一个压力小于等于1.5bar且另一个大于1.5bar，则电子控制单元通过发出信号关闭气压小于等于1.5bar气体所对应的供给管路控制电磁阀及相应喷嘴，同时打开压力大于1.5bar气体所对应的供给管路控制电磁阀及相应喷嘴，并在此条件下采用氢气或氧气单独作用改善柴油机稳态时的燃烧与排放性能。
本发明采用了如下的技术方案，
本发明的工作过程：氢氧气电子控制单元根据检测到的进气总管压力信号d判定发动机所处运行工况。当进气总管压力变化率大于正0.5bar/s时，氢氧气电子控制单元判定发动机处于冷启动及加速工况，此时，氢氧气电子控制单元检测氧气储存罐压力信号f，当氧气罐压力大于1.5bar时，氢氧气电子控制单元发出控制信号g打开氧气喷嘴，使发动机以富氧模式起动和加速。当氢氧气电子控制单元检测到的进气总管压力变化率小于负0.5bar/s时，氢氧气电子控制单元判定发动机处于减速工况，此时，氢氧气电子控制单元发出信号a、b、c和g关闭氧气供给管路电磁阀、氢气供给管路电磁阀、氢气喷嘴和氧气喷嘴，使发动机在不混掺氢、氧气的条件下以原机模式运行。当进气总管压力变化率大于等于负0.05bar/s且小于等于正0.05bar/s时，氢氧气电子控制单元判定发动机处于稳态运行工况，此时，氢氧气电子控制单元根据检测到的氢气及氧气储存罐压力信号e、f打开气罐压力高于1.5bar的气体对应的供给管路控制电磁阀，并通过发出控制信号c、g调整氢气及氧气喷嘴的喷射脉宽。
本发明的有益效果是，针对传统柴油机在冷起动及加速时燃料燃烧不充分、颗粒排放升高的问题，提出利用车载制氢氧机随车制取的氢、氧气改善柴油机在冷起动、加速及稳态运行工况下的燃烧与排放性能。柴油机起动和加速时，通过在各缸进气歧管内直接喷射氧气，使氧气迅速进入气缸改善缸内燃料燃烧，缩短了传统柴油机利用增压改善内燃机冷起动和加速过程燃烧与排放性能的响应时间，从而使柴油机在冷起动和加速过程中的颗粒及HC排放大幅降低。在稳态工况下，利用氢气扩散速度高，火焰传播速度快的特点提高柴油机在稳态工况下缸内混合气的均匀程度，缩短燃料燃烧持续期，减少传热排气损失，进一步提高柴油机热效率；同时，在稳态工况下，利用进气混氧也可以减少缸内的局部贫氧区，进而改善柴油机颗粒排放。由于本发明所提供的氢、氧制取、储存及喷射控制系统未对原机结构及喷油规律进行任何改动，因而本发明所提供的氢、氧气制取、储存及喷射控制策略可以用于传统机械式柴油机和高压共轨柴油机，成为一种改善柴油机经济与排放性能的有效技术手段。
附图说明
图1本发明的结构和工作原理图
图中：1.制氢氧机；2.氧气储存罐；3.氢气储存罐；4.氧气储存罐压力传感器；5.氢气储存罐压力传感器；6.氧气供给管路电磁阀；7.氢气供给管路电磁阀；8.内燃机进气总管；9.氢气喷嘴；10.进气总管压力传感器；11.内燃机进气歧管；12.氢氧气电子控制单元；13.氧气喷嘴；14.柴油喷嘴；15.内燃机排气管；16.曲轴；17.活塞
a.氧气供给管路电磁阀控制信号；b.氢气供给管路电磁阀控制信号；c.氢气喷嘴控制信号；d.进气总管压力信号；e.氢气储存罐压力信号；f.氧气储存罐压力信号；g.氧气喷嘴控制信号
具体实施方式
本发明中的混合氢气与氧气的柴油压燃式内燃机，结构如图1所示，主要包括传统机械式或共轨式柴油机的全部燃料喷射控制系统和发动机本体，包括内燃机进气总管8、内燃机进气歧管11、柴油喷嘴14、内燃机排气管15、曲轴16和活塞17。此外还增加了一套车载氢、氧气制取、储存系统及一套氢氧气喷射系统储存及喷射系统，该系统包括：制氢氧机1、与制氢氧机的氧气出口相连接的氧气储存罐2、与制氢氧机的氢气出口相连接的氢气储存罐、安装在氧气储存罐上的氧气储存罐压力传感器、安装在氢气储存罐上的氢气储存罐压力传感器、通过管路与氢气储存罐向连通的氢气喷嘴、通过管路与氧气储存罐向连通的氧气喷嘴、安装在氢气储存罐与氢气喷嘴之间的连通管路上的氢气供给管路电磁阀、安装在氧气储存罐与氧气喷嘴之间的连通管路上的氧气供给管路电磁阀、安装在进气总管上的进气总管压力传感器和电子控制单元。
氢氧气电子控制单元12通过屏蔽电缆与氧气储存罐压力传感器4及氢气储存罐压力传感器5相连，获得发动机氧气和氢气储存罐压力信号f、e。
氢氧气电子控制单元通过屏蔽电缆与进气总管压力传感器10相连，获得发动机进气总管压力信号d。
氢氧气电子控制单元12通过屏蔽电缆与氧气供给管路电磁阀6和氢气供给管路电磁阀7相连，通过发出信号a、b控制其打开和关闭；同时，氢氧气电子控制单元12还通过屏蔽电缆与氢气喷嘴9和氧气喷嘴13相连，并通过发出控制信号c、g控制其喷射脉宽。
从制氢氧机1制得的氢气与氧气分别通过不锈钢管路进入氧气储存罐2及氢气储存罐，氧气储存罐2及氢气储存罐3分别通过不锈钢管路与氧气供给管路电磁阀6和氢气供给管路电磁阀7相连，使氢气和氧气分别经氢气供给管路电磁阀和氧气供给管路电磁阀6进入到氢气喷嘴9和氧气喷嘴13。氢气喷嘴9通过法兰安装在发动机进气总管上，氧气喷嘴13通过法兰安装在各缸进气歧管11上。
一种混合氢气与氧气的柴油压燃式内燃机的控制方法如下：
一种混合氢气与氧气的柴油压燃式内燃机的控制策略可按工况分为冷起动及加速工况、减速工况和稳态运行工况。
1)冷起动及加速工况：冷起动时，氢氧气电子控制单元12首先根据进气总管压力信号d判定发动机是否处于冷起动工况。由于氢气自燃温度高，因而在燃烧不稳定的瞬态工况下，进气混氢反而会抑制燃料燃烧，而氧气是一种助燃剂，进气混氧可以有效促进瞬态工况下燃料的充分燃烧，因此，在冷起动及加速工况下，仅利用氧气改善柴油机燃烧与排放性能。当进气总管压力变化率大于正0.05bar/s时，氢氧气电子控制单元12判定发动机处于冷起动及加速工况。同时，氢氧气电子控制单元12检测氧气储存罐压力信号f，当氧气储存罐压力小于1.5bar时，氢氧气电子控制单元12发出信号a、g关闭氧气供给管路电磁阀6及氧气喷嘴13；当氧气储存罐压力大于1.5bar时，氢氧气电子控制单元12发出信号b、c打开氧气供给管路电磁阀6及氧气喷嘴13，并根据进气总管压力信号d和氧气储存罐压力信号f，通过发出信号g调整氧气的喷射脉宽，控制效果根据内燃机台架标定试验验证。
2)减速工况：氢氧气电子控制单元12根据进气总管压力信号d判定发动机是否处于减速工况。当进气总管压力变化率小于负0.05bar/s时，氢氧气电子控制单元12判定发动机处于减速工况。由于减速时发动机喷油量及对外做功减少，使缸内过量空气系数增加，燃料燃烧过程产生的颗粒物排放减少。所以在减速工况下，氢氧气电子控制单元12发出控制信号a、b、c和g关闭氧气供给管路电磁阀6、氢气供给管路电磁阀7、氢气喷嘴9和氧气喷嘴13，使发动机在不混掺氢、氧气的条件下以原机模式运行。
3)稳态运行工况：氢氧气电子控制单元12根据进气总管压力信号d判定发动机是否处于稳态运行工况。当进气总管压力变化率大于等于负0.05bar/s且小于等于正0.05bar/s时，氢氧气电子控制单元12判定发动机处于稳态运行工况。在稳态运行工况下，氢氧气电子控制单元12检测氢气储存罐压力信号e及氧气储存罐压力信号f，当氢气和氧气储存罐压力都小于1.5bar时，氢氧气电子控制单元12发出信号a、b、c和g关闭氧气供给管路电磁阀6、氢气供给管路电磁阀7、氢气喷嘴9氧气及喷嘴13，使发动机以原机喷油模式运行；当氢气和氧气储存罐压力都大于1.5bar时，氢氧气电子控制单元12发出控制信号a、b、c和g同时打开氧气供给管路电磁阀6、氢气供给管路电磁阀7、氢气喷嘴9和氧气喷嘴13，使发动机在同时混氢和混氧的条件下运行，利用氢气和氧气共同燃烧进一步提高柴油机在稳态工况下的燃烧与排放性能。如氢气或氧气罐中有任意一个压力小于等于1.5bar且另一个大于1.5bar，则氢氧气电子控制单元12通过发出信号a、b、c和g关闭气压小于等于1.5bar气体所对应的供给管路控制电磁阀及相应喷嘴，同时打开压力大于1.5bar气体所对应的供给管路控制电磁阀及相应喷嘴，并在此条件下采用氢气或氧气单独作用改善柴油机稳态时的燃烧与排放性能。在稳态运行工况下，氢氧气电子控制单元12根据进气总管压力信号d调整氢气和氧气的喷射脉宽，具体控制结果根据内燃机台架标定试验检验。
本实施例对各种工况进行了如下实验：
实验所用发动机为直列四缸2.4升高压共轨柴油机，按照图1所示改造成混合氢气与氧气的柴油压燃式内燃机。实验用油为市售0#柴油，氢氧混合气由车用制氢氧机提供。使用Horiba-7100DEGR型排放仪测量各实验工况下发动机三元催化器安前的HC、CO及NOx排放，使用AVL Di-smoke4000烟度计测量柴油机颗粒排放。由于在发动机减速过程中，其燃烧与排放性能与原柴油机机相当。因此，本实验仅在起动、加速和稳态工况下进行。
1)起动实验(冷却液温度为31℃)
氢氧气电子控制单元12根据进气总管压力信号d，检测到进气管压力变化率为0.12bar/s，大于0.05bar/s，因而判定内燃机处于起动及加速工况。根据信号f检测到氧气储存罐内气压为2.8bar，故采用混氧方式起动内燃机。氢氧气电子控制单元12通过发出信号g，调整每循环氧气喷射脉宽为4.6ms；同时，柴油喷嘴14按照原机控制方式开启和关闭，使内燃机以氧气-柴油混合模式燃烧。利用尾气分析仪测量得到发动机起动过程中HC排放为282ppm，CO为66ppm，NOx为16ppm，不透光烟度为19.2％。而相同条件下，采用柴油为单一燃料起动发动机时HC排放为514ppm，CO为105ppm，NOx为20ppm，不透光烟度为39.7％。这是由于为促进柴油压燃时的反应速度，柴油机起动时需要加大缸内混合气浓度，这使得缸内柴油与空气混合不充分，浓燃区增加，从而导致颗粒物、HC及CO排放增加。氧气是一种优良的助燃剂，所以混入氧气后缸内燃料的燃烧速度加快，使燃料可以在更稀薄的混合气浓度下起动。由于本发明并未对原机喷油策略进行改动，因而混氧后发动机缸内混合气浓度降低，而稀燃有利于促进燃料的充分燃烧，从而降低发动机HC、CO及颗粒物排放，同时，由于稀燃时缸内温度降低，因而柴油机起动过程中的NOx排放在混氧后也得到了一定改善。
2)加速试验(发动机转速由1000rpm增加至1800rpm，同时，踏板位置由18.7°增加至72.3°，加速时间8s)
加速时，氢氧气电子控制单元12根据进气总管压力信号d，检测到加速过程中进气管压力变化率为0.08bar/s至0.13bar/s，大于0.05bar/s，因而判定内燃机处于起动及加速工况。氢氧气电子控制单元12根据信号f检测到氧气储存罐内气压为3.0bar，故在加速过程中采用混氧方式。氢氧气电子控制单元12通过发出信号g，调整每循环氧气喷射脉宽为5.6至7.2ms，并随进气总管压力变化率的增加而增加。利用尾气分析仪测得的加速过程中HC排放为383ppm，CO为219ppm，NOx为704ppm，不透光烟度为23.6％。而相同条件下，使用柴油作为单一燃料的发动机HC排放为726ppm，CO为534ppm，NOx为859ppm，不透光烟度为45.9％。这主要是因为混氧后促进了燃料的充分燃烧，并减少了缸内贫氧区内颗粒物的生成，从而降低了内燃机HC、CO及颗粒物排放。同时，由于过量空气系数增加，混氧后发动机NOx排放也较原机有所降低。
3)等速试验(发动机转速：1400rpm转矩：89.5Nm)
氢氧气电子控制单元12根据进气总管压力信号d，检测到进气管压力变化率为0.012bar/s，小于0.05bar/s，因而判定内燃机处于稳态运行工况。氢氧气电子控制单元12根据信号e、f检测到氢气储存罐压力为2.9bar，氧气储存罐压力信号为2.9bar，故判定发动机采用混氢混氧模式燃烧。氢氧气电子控制单元12发出控制信号a、b使每循环氢气喷射脉宽为8.2ms，氧气喷射脉宽为4.1ms。利用尾气分析仪检测到发动机稳态运行时HC排放为389ppm，CO为105ppm，NOx为512ppm，不透光烟度为14.9％，发动机燃料消耗率为237g/kW.h。而相同条件下，使用柴油为单一燃料的发动机HC排放为514ppm，CO为233ppm，NOx为503ppm，不透光烟度为19.6％，燃料消耗率为251g/kW.h。这主要是因为氢气的火焰传播速度高，因而稳态工况下混氢后缸内燃料燃烧速度加快，减少了传热损失和排气损失，从而使发动机燃料消耗率在混氢后明显降低。同时，氢气是一种不含碳的燃料，因而混氢后发动机稳态工况下HC、CO及颗粒物排放大幅减少。但由于氢气的绝热火焰温度较高，因而混氢后发动机NOx排放较原机略有增加。
上述的内燃机台架实验结果表明，采用本发明提供的一种混合氢气与氧气的柴油压燃式内燃机及控制方法，可以在冷起动和加速阶段实现富氧燃烧，从而大幅降低传统柴油机在起动和加速时的CO、HC及颗粒物排放。在稳态运行工况下同时混入氢气和氧气参与燃烧，减少了发动机运行时的传热及排气损失，提高了柴油机热效率，并抑制了HC、CO、及颗粒物排放。该技术为柴油机达到欧五排放标准提供了低成本的有益技术路线。
Claims (3)
1.一种混合氢气与氧气的压燃式柴油内燃机，其特征在于，在保留传统机械式或共轨式柴油内燃机的全部燃料喷射控制系统和柴油内燃机本体的基础上增加了一套车载氢、氧气制取、储存及喷射系统，所述的车载氢、氧气制取、储存及喷射系统包括：制氢氧机(1)、与制氢氧机的氧气出口相连接的氧气储存罐(2)、与制氢氧机的氢气出口相连接的氢气储存罐(3)、安装在氧气储存罐上的氧气储存罐压力传感器(4)、安装在氢气储存罐上的氢气储存罐压力传感器(5)、通过管路与氢气储存罐向连通的氢气喷嘴(9)、通过管路与氧气储存罐向连通的氧气喷嘴(13)、安装在氢气储存罐与氢气喷嘴之间的连通管路上的氢气供给管路电磁阀(7)、安装在氧气储存罐与氧气喷嘴之间的连通管路上的氧气供给管路电磁阀(6)、安装在进气总管(8)上的进气总管压力传感器(10)和电子控制单元(12)；其中：
电子控制单元(12)通过屏蔽电缆与氧气储存罐压力传感器(4)及氢气储存罐压力传感器(5)相连，获得氧气储存罐压力信号(f)和氢气储存罐压力信号(e)；
电子控制单元(12)通过屏蔽电缆与进气总管压力传感器(10)相连，获得柴油内燃机进气总管压力信号(d)；
电子控制单元(12)通过屏蔽电缆与氧气供给管路电磁阀(6).和氢气供给管路电磁阀(7)相连，通过发出信号控制其打开和关闭；
电子控制单元(12)通过屏蔽电缆与氢气喷嘴(9)和氧气喷嘴(13)相连，并通过发出控制信号控制其喷射脉宽。
2.根据权利要求1所述的一种混合氢气与氧气的压燃式柴油内燃机，其特征在于：所述氢气喷嘴(9)安装在进气总管(8)上，氧气喷嘴(13)安装在各缸进气歧管(11)上。
3.一种权利要求1所述的一种混合氢气与氧气的压燃式柴油内燃机的控制方法，其特征在于，该控制方法包括以下步骤：
该控制方法按工况分为冷起动及加速工况、减速工况和稳态运行工况；
1)冷起动及加速工况：
i)电子控制单元(12)首先根据进气总管压力信号d判定柴油内燃机是否处于冷起动或加速工况，当进气总管压力变化率大于正0.05bar/s时，电子控制单元(12)判定柴油内燃机处于冷起动或加速工况；
ii)电子控制单元(12)检测氧气储存罐压力信号f，当氧气储存罐压力小于1.5bar时，电子控制单元(12)发出信号关闭氧气供给管路电磁阀(6)及氧气喷嘴(13)；当氧气储存罐压力大于1.5bar时，电子控制单元(12)发出信号打开氧气供给管路电磁阀(6)及氧气喷嘴(13)，使柴油内燃机在混氧的条件下运行；
2)减速工况：
当进气总管压力变化率小于负0.05bar/s时，电子控制单元(12)判定柴油内燃机处于减速工况，电子控制单元(12)发出控制信号关闭氧气供给管路电磁阀(6)、氢气供给管路电磁阀(7)、氢气喷嘴(9)和氧气喷嘴(13)，使柴油内燃机在不混掺氢、氧气的条件下以原机模式运行；
3)稳态运行工况：
i)电子控制单元(12)根据进气总管压力信号d判定柴油内燃机是否处于稳态运行工况，当进气总管压力变化率大于等于负0.05bar/s且小于等于正0.05bar/s时，电子控制单元(12)判定柴油内燃机处于稳态运行工况；
ii)电子控制单元(12)检测氢气储存罐压力信号e及氧气储存罐压力信号f，当氢气和氧气储存罐压力都小于1.5bar时，电子控制单元(12)发出信号关闭氧气供给管路电磁阀(6)、氢气供给管路电磁阀(7)、氢气喷嘴(9)及氧气喷嘴(13)，使柴油内燃机以原机喷油模式运行；
当氢气和氧气储存罐压力都大于1.5bar时，电子控制单元(12)发出控制信号同时打开氧气供给管路电磁阀(6)、氢气供给管路电磁阀(7)、氢气喷嘴(9)和氧气喷嘴(13)，使柴油内燃机在同时混氢和混氧的条件下运行；
如果氢气或氧气罐中有任意一个压力小于等于1.5bar且另一个大于1.5bar，则电子控制单元(12)通过发出信号关闭气压小于等于1.5bar气体所对应的供给管路控制电磁阀及相应喷嘴，同时打开压力大于1.5bar气体所对应的供给管路控制电磁阀及相应喷嘴，并在此条件下采用氢气或氧气单独作用改善柴油内燃机稳态时的燃烧与排放性能。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN 201010537234 CN102052205B (zh) | 2010-11-05 | 2010-11-05 | 一种混合氢气与氧气的压燃式柴油内燃机及控制方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN 201010537234 CN102052205B (zh) | 2010-11-05 | 2010-11-05 | 一种混合氢气与氧气的压燃式柴油内燃机及控制方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN102052205A CN102052205A (zh) | 2011-05-11 |
| CN102052205B true CN102052205B (zh) | 2013-04-10 |
Family
ID=43956891
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN 201010537234 Active CN102052205B (zh) | 2010-11-05 | 2010-11-05 | 一种混合氢气与氧气的压燃式柴油内燃机及控制方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN102052205B (zh) |
Families Citing this family (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP5871612B2 (ja) * | 2011-12-26 | 2016-03-01 | 株式会社クボタ | 作業車 |
| CN104454246B (zh) * | 2014-12-09 | 2019-06-04 | 赵桂华 | 氢氧发动机 |
| CN104863760B (zh) * | 2015-06-08 | 2017-06-30 | 北京工业大学 | 一种掺氢实现内燃机全节气门运行的装置及方法 |
| CN105673199B (zh) * | 2016-03-01 | 2018-01-23 | 上海交通大学 | 带egr的进气掺氢富氧汽油发动机燃烧的控制方法 |
| CN107269439A (zh) * | 2017-05-04 | 2017-10-20 | 中国北方发动机研究所(天津) | 一种高原起动装置 |
| CN109356714A (zh) * | 2018-10-24 | 2019-02-19 | 江苏钛谷科技有限公司 | 一种利用氢氧混合的爆炸动力装置 |
| CN109707505B (zh) * | 2018-12-30 | 2020-11-27 | 北京工业大学 | 一种基于喷水控制压升率氧气闭路循环的零氮发动机及其控制方法 |
| CN110107380A (zh) * | 2019-04-17 | 2019-08-09 | 湖南冠拓科技股份有限公司 | 一种柴油机尾气碳颗粒收集器的除碳方法与装置 |
| CN111365119B (zh) * | 2020-03-14 | 2021-07-30 | 北京工业大学 | 一种零排放二冲程点燃式氢氧发动机及控制方法 |
| CN111997807B (zh) * | 2020-07-23 | 2022-03-29 | 长城汽车股份有限公司 | 一种车辆加热方法、系统及车辆 |
| CN113864071B (zh) * | 2021-08-19 | 2023-09-22 | 北京工业大学 | 一种燃用氢气柴油混合燃料的发动机及控制方法 |
| CN115370509A (zh) * | 2022-09-13 | 2022-11-22 | 中车工业研究院有限公司 | 柴油机掺氢富氧燃烧方法及装置、轨道车辆 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1366131A (zh) * | 2001-01-18 | 2002-08-28 | 蔡绍森 | 将水电解产生的氢气和氧气送入发动机作为燃料的方法及其相应的发电方法 |
| CN201169629Y (zh) * | 2008-04-01 | 2008-12-24 | 南通润翔能源科技有限公司 | 一种车载制氧装置 |
| CN201410874Y (zh) * | 2009-03-11 | 2010-02-24 | 许哲毓 | 车载型氢氧机 |
| CN201963425U (zh) * | 2009-12-22 | 2011-09-07 | 薛毅戈 | 机动车氢氧助燃节油器 |
-
2010
- 2010-11-05 CN CN 201010537234 patent/CN102052205B/zh active Active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1366131A (zh) * | 2001-01-18 | 2002-08-28 | 蔡绍森 | 将水电解产生的氢气和氧气送入发动机作为燃料的方法及其相应的发电方法 |
| CN201169629Y (zh) * | 2008-04-01 | 2008-12-24 | 南通润翔能源科技有限公司 | 一种车载制氧装置 |
| CN201410874Y (zh) * | 2009-03-11 | 2010-02-24 | 许哲毓 | 车载型氢氧机 |
| CN201963425U (zh) * | 2009-12-22 | 2011-09-07 | 薛毅戈 | 机动车氢氧助燃节油器 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN102052205A (zh) | 2011-05-11 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN102052205B (zh) | 一种混合氢气与氧气的压燃式柴油内燃机及控制方法 | |
| US9243579B2 (en) | Method for operating an auto-ignition internal combustion engine | |
| US9194307B2 (en) | Multi-fuel flow systems and methods with dedicated exhaust gas recirculation | |
| WO2012131949A1 (ja) | 内燃機関の燃料噴射制御装置 | |
| CN103573480B (zh) | 一种纯氧发动机及其燃烧控制方法 | |
| CN108561233A (zh) | 一种柴油/天然气双燃料发动机排放控制策略 | |
| CN110552805A (zh) | 一种氢气多次直喷内燃机燃烧控制系统和方法 | |
| GB2500598A (en) | Engine system comprising EGR and oxygen delivery system | |
| CN111042955B (zh) | 发动机系统及燃烧方法 | |
| CA3013284C (en) | Control method and control device for internal combustion engine | |
| CN102562328A (zh) | 一种混合dme气体的柴油机系统及控制方法 | |
| CN101629493A (zh) | 内燃-空气混合动力装置的喷射策略 | |
| Hoffmeyer et al. | CARE–catalytic reformated exhaust gases in turbocharged DISI-engines | |
| WO2017069120A1 (ja) | 天然ガスエンジン及び天然ガスエンジンの遮熱方法 | |
| Chiu et al. | Low emissions class 8 heavy-duty on-highway natural gas and gasoline engine | |
| Zhang et al. | Evaluation of exhaust gas recirculation and fuel injection strategies for emission performance in marine two-stroke engine | |
| CN107461284B (zh) | 一种egr控制系统和汽车 | |
| Szabados et al. | Investigation of Possibilities of λ= 1 Full Load Operation for Gasoline Engines in the Light of Future Emission Regulation | |
| JP2017008900A (ja) | 天然ガスエンジン及び天然ガスエンジンの運転方法 | |
| CN108779723B (zh) | 运行活塞式内燃发动机的方法 | |
| CN214997915U (zh) | 增程器用氢气乙醇发动机 | |
| CN202300664U (zh) | 柴油和丁醇低温燃烧双燃料发动机的燃料供给系统 | |
| WO2012131950A1 (ja) | 内燃機関の燃料噴射制御装置 | |
| US10995687B2 (en) | Exhaust gas control apparatus for internal combustion engine | |
| JP6398543B2 (ja) | 天然ガスエンジン及び天然ガスエンジンの運転方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20200619 Address after: 028000 north of Qinghe street and east of Tongliao Railway in Tongliao Economic and Technological Development Zone, Inner Mongolia Autonomous Region Patentee after: Tongliao hydrogen Drive Technology Co.,Ltd. Address before: 100124 Chaoyang District, Beijing Ping Park, No. 100 Patentee before: Beijing University of Technology |
|
| TR01 | Transfer of patent right | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20230529 Address after: No. 1234 Taihang Road, Nanshi District, Baoding City, Hebei Province, 071033 Patentee after: Xing Huanyong Address before: 028000 north of Qinghe street and east of Tonghuo railway, Tongliao Economic and Technological Development Zone, Inner Mongolia Autonomous Region Patentee before: Tongliao hydrogen Drive Technology Co.,Ltd. |
|
| TR01 | Transfer of patent right | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20230720 Address after: Room 4418, Building 3, Jiangcheng R&D Park, No. 1088, Jiangcheng Road, Sutong Science and Technology Industrial Park, Nantong City, Jiangsu Province, 226000 (T1) Patentee after: Nantong Xiuli Environmental Protection Technology Development Center (L.P.) Address before: No. 1234 Taihang Road, Nanshi District, Baoding City, Hebei Province, 071033 Patentee before: Xing Huanyong |
|
| TR01 | Transfer of patent right |