氫內燃機燃燒空燃比控制方法
2023-05-06 08:14:56 2
專利名稱：氫內燃機燃燒空燃比控制方法
技術領域：
本發明涉及氫動力汽車燃料控制技術領域，尤其涉及一種氫內燃機的燃燒空燃比控制方法。
背景技術：
近年來，汽車工業技術水平迅速發展，人們對汽車的動力性、經濟性、排放性、安全性等方面提出了更加嚴格的要求。而發動機作為汽車的動力來源，在很大程度上決定了車輛的經濟性、動力性、排放性和安全性。氫內燃機，即氫氣燃料發動機，以其優秀的排放性能和較好的動力輸出，受到越來越多的關注。與此同時，氫內燃機也存在其技術難度，比如氫氣燃燒速度過快、燃燒溫度過高、車載續航裡程小等。目前，氫內燃機的空燃比控制一般都是指定某個數值，這樣的控制在不同工況下並不是最優的配置，動力性、經濟性、排放性和安全性的綜合性能較差。
發明內容
本發明的目的在於提出一種隨發動機工況變化控制燃燒空燃比的方法，使氫內燃機在不同的工況和運行狀態下都使用優化的空燃比控制，提高經濟效率、排放性能和安全性，並保證足夠的動力性。為了達到上述目的，本發明提出了一種氫內燃機燃燒空燃比控制方法，該方法包括下述步驟步驟Si，預設發動機的空燃比標定數據，所述空燃比標定數據包括目標空燃比及與目標空燃比對應的發動機工況數據；步驟S2，檢測發動機的實時工況，根據發動機的實時工況數據比對所述預設的空燃比標定數據，以獲得對應的目標空燃比，根據該目標空燃比通過一設定的程序計算得到噴油、進氣和點火角控制數據；步驟S3，利用步驟S2中得到的噴油、進氣和點火角控制數據分別控制噴嘴、電子節氣門、點火線圈，從而控制發動機在目標空燃比下運行。本發明所述的氫內燃機燃燒空燃比控制方法，其中，所述工況包括發動機轉速和負荷。本發明所述的氫內燃機燃燒空燃比控制方法，還包括在所述步驟Sl中預設發動機起動階段的空燃比，所述預設的起動階段空燃比以過量空氣係數表示為1. 3 1. 7。本發明所述的氫內燃機燃燒空燃比控制方法，還包括，在所述步驟Sl中預設發動機運行階段的空燃比標定數據，所述預設的運行階段空燃比標定數據是根據一預設的運行空燃比曲面標定的數據。本發明所述的氫內燃機燃燒空燃比控制方法，其中，在發動機轉速為700 1000 轉的低怠速時，所述預設的運行階段空燃比以過量空氣係數表示為1.8 2.0;在發動機轉速為1000 6000轉的高怠速時，所述預設的運行階段空燃比以過量空氣係數表示為 2. 0 2. 5。本發明所述的氫內燃機燃燒空燃比控制方法，其中，在發動機負荷小於50%的非怠速運行時，所述預設的運行階段空燃比以過量空氣係數表示為2. 0 3. 0 ；在發動機負荷大於50%的非怠速運行時，所述預設的運行階段空燃比以過量空氣係數表示為1.5 2.0。通過上述技術方案，本發明的有益效果在於根據不同的發動機工況控制發動機運行在預定的空燃比，使燃燒更符合外部需求和發動機狀況，使氫內燃機運行在動力性、排放性和安全性都較好的控制區域，有效提高了經濟效率、排放性能和安全性，並保證足夠的動力性。
圖1為過量空氣係數與NOx排放的關係圖；圖2為過量空氣係數分別為1. 5禾Π 2. 5時的放熱率對比圖；圖3為本發明氫內燃機燃燒空燃比控制方法的流程圖；圖4為轉速分別為800rpm和^OOrpm時不同過量空氣係數對比圖；圖5為本發明一實施例的運行空燃比曲面圖；圖6為^OOrpm時本發明空燃比控制方法與固定空燃比的扭矩和功率對比圖；圖7為^OOrpm時本發明空燃比控制方法與固定空燃比的氣耗率和NOx排放對比圖；圖8為^OOrpm時本發明空燃比控制方法與固定空燃比的排氣溫度對比圖。
具體實施例方式下面參照附圖結合具體實施例詳細說明本發明氫內燃機燃燒空燃比控制方法。氫氣的理論空燃比為34，為了保持統一和便於計算，本發明中統一採用過量空氣係數(過量空氣係數=當前空燃比/理論空燃比)來說明空燃比狀態。本發明是在理論和一系列實驗的基礎上得到的，通過理論和實驗可知氫氣在內燃機上應用有如下幾個特點1.燃燒溫度高，在理論空燃比附近的最高燃燒溫度可達3000度以上，需稀燃控制在安全範圍；2.排放主要是NOx，在理論空燃比到過量空氣係數1.5之間 NOx生成最多(如圖1所示)，需稀燃控制NOx排放；3.單位體積燃料混合氣熱值較低，這主要是氫氣本身分子量小的特性造成的，造成氫氣發動機能產生的動力較小；4.燃燒速度快，尤其是較濃混合氣，偏稀的混合氣可以使氫氣燃燒速度放慢(如圖2所示)，更易控制和適合發動機使用，同時熱量利用率也更高。如圖3所示，為本發明氫內燃機燃燒空燃比控制方法的流程圖，包括步驟Si，預設發動機的空燃比標定數據，所述空燃比標定數據包括目標空燃比及與目標空燃比對應的發動機工況數據；其中包括起動階段和運行階段的預設空燃比標定數據；所述發動機工況數據包括轉速數據和負荷數據；步驟S2，檢測發動機的實時工況，根據發動機的實時工況數據比對所述預設的空燃比標定數據，以獲得對應的目標空燃比，根據該目標空燃比通過一設定的程序計算得到噴油、進氣和點火角控制數據；以及步驟S3，發動機控制器將噴油、 進氣和點火角控制數據分別發送給噴嘴、電子節氣門、點火線圈，從而控制發動機運行在相應的工況下。發動機起動階段，採用過量空氣係數1. 3 1. 7的空燃比，發動機平穩啟動並運行良好，而且可以使配套催化器快速起燃。如果採用理論空燃比或接近數值，可測得排氣溫度高達1000度，催化器溫度過高容易燒壞，且排放NOx較高，同時發動機工作比較粗暴不易控制；而如果採用更稀的控制例如過量空氣係數2以上的空燃比，發動機動力較小，起動運行不平穩，配套催化器起燃時間過長。如圖4所示，表示的是800rpm(轉每分鐘)和2800rpm兩種運行狀態採用的不同過量空氣係數對比。可以看出800rpm採用的過量空氣係數普遍高於^OOrpm，說明800rpm 時可採用較稀的空燃比來保證發動機的綜合性能，轉速越高需要的空燃比越濃，保證發動機獲得較好的動力性能。發動機運行階段，採用圖5所示的運行空燃比曲面。該曲面表示的是發動機轉速和負荷與空燃比(圖中表示為過量空氣係數)的對應關係，發動機在運行時可以在獲得實時轉速和負荷後根據該曲面的對應關係確定一空燃比，該空燃比即為該工況下最佳的空燃比，比如發動機轉速SOOrpm、負荷30%時，對應的以過量空氣係數表示的空燃比為3.0，此工況下過量空氣係數為3.0的空燃比為最佳空燃比。怠速運行時，發動機沒有負荷；低怠速時，轉速為700rpm lOOOrpm，需採用過量空氣係數1. 8 2. 0的空燃比，這是為了維持怠速穩定和防止波動，同時也要繼續保持稀燃；高怠速時，轉速為IOOOrpm 6000rpm，可適當減稀到過量空氣係數2. 0 2. 5。非怠速運行時，由於負荷加大，進氣和燃料較多，發動機可以容忍較稀的燃燒狀態，因此在中小負荷，即負荷小於50%時，發動機可採用稀燃至過量空氣係數2. 0 3. 0的空燃比，既能保持動力又能降低油耗和排放。在高負荷，即負荷大於50%時，由於需求的動力輸出增大，為了提供較大的動力輸出，需要進行適度的加濃，過量空氣係數減小到1. 5 2. 0，同時需要保證排放不會過高，燃燒溫度不會超出限界。在turbo運行時，按照上述運行階段空燃比控制；EGR運行需要根據當前的空燃比閉環反饋決定是否開啟和開啟比例，更好的利用EGR降低排放。採用經過實驗選取的空燃比進行排放、外特性等發動機實驗，可以得到較好的綜合性能。以2800rpm為例，圖6和圖7分別給出了 ^OOrpm時採用本發明空燃比控制方法和固定空燃比(過量空氣係數1.5)的功率、扭矩、NOx排放、氣耗率對比。可以看到，固定空燃比雖然在動力方面稍有優勢，但是在氣耗率尤其是排放方面劣勢明顯，而且採用本發明可變稀燃空燃比的燃燒溫度大幅降低(如圖8所示)，尤其是在高負荷高轉速時，從而保證了發動機的安全性。以上所述僅為本發明的較佳實施例，非局限本發明的保護範圍，凡運用本發明說明書及附圖內容所做的等同結構變化，均包含於本發明的保護範圍內。
權利要求
1.一種氫內燃機燃燒空燃比控制方法，其特徵在於，該方法包括下述步驟步驟Si，預設發動機的空燃比標定數據，所述空燃比標定數據包括目標空燃比及與目標空燃比對應的發動機工況數據；步驟S2，檢測發動機的實時工況，根據發動機的實時工況數據比對所述預設的空燃比標定數據，以獲得對應的目標空燃比，根據該目標空燃比通過一設定的程序計算得到噴油、 進氣和點火角控制數據；步驟S3，利用步驟S2中得到的噴油、進氣和點火角控制數據分別控制噴嘴、電子節氣門、點火線圈，從而控制發動機在目標空燃比下運行。
2.如權利要求1所述的氫內燃機燃燒空燃比控制方法，其特徵在於，所述工況包括發動機轉速和負荷。
3.如權利要求1或2所述的氫內燃機燃燒空燃比控制方法，其特徵在於，還包括在所述步驟Sl中預設發動機起動階段的空燃比，所述預設的起動階段空燃比以過量空氣係數表示為1. 3 1. 7。
4.如權利要求1或2所述的氫內燃機燃燒空燃比控制方法，其特徵在於，還包括，在所述步驟Sl中預設發動機運行階段的空燃比標定數據，所述預設的運行階段空燃比標定數據是根據一預設的運行空燃比曲面標定的數據。
5.如權利要求4所述的氫內燃機燃燒空燃比控制方法，其特徵在於，在發動機轉速為700 1000轉的低怠速時，所述預設的運行階段空燃比以過量空氣係數表示為1. 8 2. 0 ；在發動機轉速為1000 6000轉的高怠速時，所述預設的運行階段空燃比以過量空氣係數表示為2.0 2. 5。
6.如權利要求4所述的氫內燃機燃燒空燃比控制方法，其特徵在於，在發動機負荷小於50%的非怠速運行時，所述預設的運行階段空燃比以過量空氣係數表示為2. 0 3. 0 ；在發動機負荷大於50%的非怠速運行時，所述預設的運行階段空燃比以過量空氣係數表示為1. 5 2. 0。
全文摘要
本發明公開了一種氫內燃機燃燒空燃比控制方法，其特徵在於，該方法包括下述步驟預設發動機的空燃比標定數據，所述空燃比標定數據包括目標空燃比及與目標空燃比對應的發動機工況數據；檢測發動機的實時工況，根據發動機的實時工況數據比對所述預設的空燃比標定數據，以獲得對應的目標空燃比，根據該目標空燃比通過一設定的程序計算得到噴油、進氣和點火角控制數據；利用上述得到的噴油、進氣和點火角控制數據分別控制噴嘴、電子節氣門、點火線圈，從而控制發動機在目標空燃比下運行。。通過本發明可以使氫內燃機運行在動力性、排放性和安全性都較好的控制區域，有效提高了經濟效率、排放性能和安全性，並保證足夠的動力性。
文檔編號F02D41/14GK102374049SQ201010242270
公開日2012年3月14日 申請日期2010年7月30日 優先權日2010年7月30日
發明者於泳, 劉永志, 孫寧, 李峰, 李昱, 王聖學, 高景伯 申請人:北汽福田汽車股份有限公司