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CN102374049A - 氢内燃机燃烧空燃比控制方法 - Google Patents

氢内燃机燃烧空燃比控制方法 Download PDF

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CN102374049A CN2010102422705A CN201010242270A CN102374049A CN 102374049 A CN102374049 A CN 102374049A CN 2010102422705 A CN2010102422705 A CN 2010102422705A CN 201010242270 A CN201010242270 A CN 201010242270A CN 102374049 A CN102374049 A CN 102374049A
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于泳
刘永志
王圣学
李昱
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Abstract

本发明公开了一种氢内燃机燃烧空燃比控制方法，其特征在于，该方法包括下述步骤：预设发动机的空燃比标定数据，所述空燃比标定数据包括目标空燃比及与目标空燃比对应的发动机工况数据；检测发动机的实时工况，根据发动机的实时工况数据比对所述预设的空燃比标定数据，以获得对应的目标空燃比，根据该目标空燃比通过一设定的程序计算得到喷油、进气和点火角控制数据；利用上述得到的喷油、进气和点火角控制数据分别控制喷嘴、电子节气门、点火线圈，从而控制发动机在目标空燃比下运行。。通过本发明可以使氢内燃机运行在动力性、排放性和安全性都较好的控制区域，有效提高了经济效率、排放性能和安全性，并保证足够的动力性。

Description

氢内燃机燃烧空燃比控制方法
技术领域
本发明涉及氢动力汽车燃料控制技术领域，尤其涉及一种氢内燃机的燃烧空燃比控制方法。
背景技术
近年来，汽车工业技术水平迅速发展，人们对汽车的动力性、经济性、排放性、安全性等方面提出了更加严格的要求。而发动机作为汽车的动力来源，在很大程度上决定了车辆的经济性、动力性、排放性和安全性。氢内燃机，即氢气燃料发动机，以其优秀的排放性能和较好的动力输出，受到越来越多的关注。与此同时，氢内燃机也存在其技术难度，比如氢气燃烧速度过快、燃烧温度过高、车载续航里程小等。
目前，氢内燃机的空燃比控制一般都是指定某个数值，这样的控制在不同工况下并不是最优的配置，动力性、经济性、排放性和安全性的综合性能较差。
发明内容
本发明的目的在于提出一种随发动机工况变化控制燃烧空燃比的方法，使氢内燃机在不同的工况和运行状态下都使用优化的空燃比控制，提高经济效率、排放性能和安全性，并保证足够的动力性。
为了达到上述目的，本发明提出了一种氢内燃机燃烧空燃比控制方法，该方法包括下述步骤：步骤S1，预设发动机的空燃比标定数据，所述空燃比标定数据包括目标空燃比及与目标空燃比对应的发动机工况数据；步骤S2，检测发动机的实时工况，根据发动机的实时工况数据比对所述预设的空燃比标定数据，以获得对应的目标空燃比，根据该目标空燃比通过一设定的程序计算得到喷油、进气和点火角控制数据；步骤S3，利用步骤S2中得到的喷油、进气和点火角控制数据分别控制喷嘴、电子节气门、点火线圈，从而控制发动机在目标空燃比下运行。
本发明所述的氢内燃机燃烧空燃比控制方法，其中，所述工况包括发动机转速和负荷。
本发明所述的氢内燃机燃烧空燃比控制方法，还包括：在所述步骤S1中预设发动机起动阶段的空燃比，所述预设的起动阶段空燃比以过量空气系数表示为1.3～1.7。
本发明所述的氢内燃机燃烧空燃比控制方法，还包括，在所述步骤S1中预设发动机运行阶段的空燃比标定数据，所述预设的运行阶段空燃比标定数据是根据一预设的运行空燃比曲面标定的数据。
本发明所述的氢内燃机燃烧空燃比控制方法，其中，在发动机转速为700～1000转的低怠速时，所述预设的运行阶段空燃比以过量空气系数表示为1.8～2.0；在发动机转速为1000～6000转的高怠速时，所述预设的运行阶段空燃比以过量空气系数表示为2.0～2.5。
本发明所述的氢内燃机燃烧空燃比控制方法，其中，在发动机负荷小于50％的非怠速运行时，所述预设的运行阶段空燃比以过量空气系数表示为2.0～3.0；在发动机负荷大于50％的非怠速运行时，所述预设的运行阶段空燃比以过量空气系数表示为1.5～2.0。
通过上述技术方案，本发明的有益效果在于：
根据不同的发动机工况控制发动机运行在预定的空燃比，使燃烧更符合外部需求和发动机状况，使氢内燃机运行在动力性、排放性和安全性都较好的控制区域，有效提高了经济效率、排放性能和安全性，并保证足够的动力性。
附图说明
图1为过量空气系数与NOx排放的关系图；
图2为过量空气系数分别为1.5和2.5时的放热率对比图；
图3为本发明氢内燃机燃烧空燃比控制方法的流程图；
图4为转速分别为800rpm和2800rpm时不同过量空气系数对比图；
图5为本发明一实施例的运行空燃比曲面图；
图6为2800rpm时本发明空燃比控制方法与固定空燃比的扭矩和功率对比图；
图7为2800rpm时本发明空燃比控制方法与固定空燃比的气耗率和NOx排放对比图；
图8为2800rpm时本发明空燃比控制方法与固定空燃比的排气温度对比图。
具体实施方式
下面参照附图结合具体实施例详细说明本发明氢内燃机燃烧空燃比控制方法。
氢气的理论空燃比为34，为了保持统一和便于计算，本发明中统一采用过量空气系数(过量空气系数＝当前空燃比/理论空燃比)来说明空燃比状态。
本发明是在理论和一系列实验的基础上得到的，通过理论和实验可知氢气在内燃机上应用有如下几个特点：1.燃烧温度高，在理论空燃比附近的最高燃烧温度可达3000度以上，需稀燃控制在安全范围；2.排放主要是NOx，在理论空燃比到过量空气系数1.5之间NOx生成最多(如图1所示)，需稀燃控制NOx排放；3.单位体积燃料混合气热值较低，这主要是氢气本身分子量小的特性造成的，造成氢气发动机能产生的动力较小；4.燃烧速度快，尤其是较浓混合气，偏稀的混合气可以使氢气燃烧速度放慢(如图2所示)，更易控制和适合发动机使用，同时热量利用率也更高。
如图3所示，为本发明氢内燃机燃烧空燃比控制方法的流程图，包括：步骤S1，预设发动机的空燃比标定数据，所述空燃比标定数据包括目标空燃比及与目标空燃比对应的发动机工况数据；其中包括起动阶段和运行阶段的预设空燃比标定数据；所述发动机工况数据包括转速数据和负荷数据；步骤S2，检测发动机的实时工况，根据发动机的实时工况数据比对所述预设的空燃比标定数据，以获得对应的目标空燃比，根据该目标空燃比通过一设定的程序计算得到喷油、进气和点火角控制数据；以及步骤S3，发动机控制器将喷油、进气和点火角控制数据分别发送给喷嘴、电子节气门、点火线圈，从而控制发动机运行在相应的工况下。
发动机起动阶段，采用过量空气系数1.3～1.7的空燃比，发动机平稳启动并运行良好，而且可以使配套催化器快速起燃。如果采用理论空燃比或接近数值，可测得排气温度高达1000度，催化器温度过高容易烧坏，且排放NOx较高，同时发动机工作比较粗暴不易控制；而如果采用更稀的控制例如过量空气系数2以上的空燃比，发动机动力较小，起动运行不平稳，配套催化器起燃时间过长。
如图4所示，表示的是800rpm(转每分钟)和2800rpm两种运行状态采用的不同过量空气系数对比。可以看出800rpm采用的过量空气系数普遍高于2800rpm，说明800rpm时可采用较稀的空燃比来保证发动机的综合性能，转速越高需要的空燃比越浓，保证发动机获得较好的动力性能。
发动机运行阶段，采用图5所示的运行空燃比曲面。该曲面表示的是发动机转速和负荷与空燃比(图中表示为过量空气系数)的对应关系，发动机在运行时可以在获得实时转速和负荷后根据该曲面的对应关系确定一空燃比，该空燃比即为该工况下最佳的空燃比，比如发动机转速800rpm、负荷30％时，对应的以过量空气系数表示的空燃比为3.0，此工况下过量空气系数为3.0的空燃比为最佳空燃比。怠速运行时，发动机没有负荷；低怠速时，转速为700rpm～1000rpm，需采用过量空气系数1.8～2.0的空燃比，这是为了维持怠速稳定和防止波动，同时也要继续保持稀燃；高怠速时，转速为1000rpm～6000rpm，可适当减稀到过量空气系数2.0～2.5。非怠速运行时，由于负荷加大，进气和燃料较多，发动机可以容忍较稀的燃烧状态，因此在中小负荷，即负荷小于50％时，发动机可采用稀燃至过量空气系数2.0～3.0的空燃比，既能保持动力又能降低油耗和排放。在高负荷，即负荷大于50％时，由于需求的动力输出增大，为了提供较大的动力输出，需要进行适度的加浓，过量空气系数减小到1.5～2.0，同时需要保证排放不会过高，燃烧温度不会超出限界。
在turbo运行时，按照上述运行阶段空燃比控制；EGR运行需要根据当前的空燃比闭环反馈决定是否开启和开启比例，更好的利用EGR降低排放。
采用经过实验选取的空燃比进行排放、外特性等发动机实验，可以得到较好的综合性能。以2800rpm为例，图6和图7分别给出了2800rpm时采用本发明空燃比控制方法和固定空燃比(过量空气系数1.5)的功率、扭矩、NOx排放、气耗率对比。可以看到，固定空燃比虽然在动力方面稍有优势，但是在气耗率尤其是排放方面劣势明显，而且采用本发明可变稀燃空燃比的燃烧温度大幅降低(如图8所示)，尤其是在高负荷高转速时，从而保证了发动机的安全性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，非局限本发明的保护范围，凡运用本发明说明书及附图内容所做的等同结构变化，均包含于本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种氢内燃机燃烧空燃比控制方法，其特征在于，该方法包括下述步骤：
步骤S1，预设发动机的空燃比标定数据，所述空燃比标定数据包括目标空燃比及与目标空燃比对应的发动机工况数据；
步骤S2，检测发动机的实时工况，根据发动机的实时工况数据比对所述预设的空燃比标定数据，以获得对应的目标空燃比，根据该目标空燃比通过一设定的程序计算得到喷油、进气和点火角控制数据；
步骤S3，利用步骤S2中得到的喷油、进气和点火角控制数据分别控制喷嘴、电子节气门、点火线圈，从而控制发动机在目标空燃比下运行。
2.如权利要求1所述的氢内燃机燃烧空燃比控制方法，其特征在于，所述工况包括发动机转速和负荷。
3.如权利要求1或2所述的氢内燃机燃烧空燃比控制方法，其特征在于，还包括：在所述步骤S1中预设发动机起动阶段的空燃比，所述预设的起动阶段空燃比以过量空气系数表示为1.3～1.7。
4.如权利要求1或2所述的氢内燃机燃烧空燃比控制方法，其特征在于，还包括，在所述步骤S1中预设发动机运行阶段的空燃比标定数据，所述预设的运行阶段空燃比标定数据是根据一预设的运行空燃比曲面标定的数据。
5.如权利要求4所述的氢内燃机燃烧空燃比控制方法，其特征在于，
在发动机转速为700～1000转的低怠速时，所述预设的运行阶段空燃比以过量空气系数表示为1.8～2.0；
在发动机转速为1000～6000转的高怠速时，所述预设的运行阶段空燃比以过量空气系数表示为2.0～2.5。
6.如权利要求4所述的氢内燃机燃烧空燃比控制方法，其特征在于，
在发动机负荷小于50％的非怠速运行时，所述预设的运行阶段空燃比以过量空气系数表示为2.0～3.0；
在发动机负荷大于50％的非怠速运行时，所述预设的运行阶段空燃比以过量空气系数表示为1.5～2.0。
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