不同氫氣天然氣混合燃料在同臺發動機上的控制使用方法
2023-04-27 21:58:06 2
專利名稱：：不同氫氣天然氣混合燃料在同臺發動機上的控制使用方法
技術領域：
：本發明涉及不同摻氫比的氫氣天然氣混合燃料在同臺發動機上的控制使用方法，屬於天然氣摻氫發動機燃料優化
技術領域：
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背景技術：
：天然氣摻氫燃料簡稱HCNG，又名Hythane(氫烷)，是將氫氣與天然氣按一定比例混合而得到的代用氣體燃料。它綜合了氫氣和天然氣各自的優點-1.氫氣的燃燒速度高，大約是天然氣的8倍，在天然氣中摻入氫氣可以提高混合氣的燃燒速度，點火可以更靠近發動機上止點，減少壓縮負功，提高燃燒定容度，可以提高熱效率；2.氫氣的可燃混合界限寬，稀薄燃燒極限達0.068(相對燃空比)；淬熄距離只有天然氣的30%。因此，少量氫氣可以拓寬混合氣的可燃混合比例，可實現稀薄燃燒。3.天然氣的體積熱值較高，比純氫氣具有更高的體積熱量。摻氫比指的是HCNG燃料中氫氣所佔的體積比。下面給出不同摻氫比HCNG燃料的性能對比:tableseeoriginaldocumentpage3上表中提到的動力性是指同臺發動機採用此種燃料能夠達到的最大功率；排放性是綜合的排放性能，包括CO、麗HC、MHC、NOX的排放；經濟性是指在相同工況時燃料的消耗率；熱負荷是指在最大轉速和最大油門位置吋發動機氣缸內的燃燒溫度，溫度高會對發動機的壽命造成影響。關於HCNG燃料在發動機上的燃燒特性，國內外也有很多學者作過研究Bauer等人使用單缸發動機對HCNG混合氣進行發動機性能的研究(BauerC.G.,ForestT.W.加入氫氣對天然氣汽車性能的影響。[J].氫能國際期刊，Britain,2001，26:71-90.)。M謹hi等人在Cu國insL-10240G發動機上進行了體積比為15%，20%、30%HCNG燃料排放性能與天然氣發動機的對比石開究("EmissionsComparison,CumminsL-10240GNaturalGasVs.Hythane",F.Lynch,SNCLavalin,HCIJob#47，June6,1994.)。Lynch等使用美國通用汽車公司5.7升，V8發動機上進行了O，5，15，30%體積比摻氫Hythane燃料稀燃特性研究("AdvancedHydrogen/MethaneUtilizationTechnologyDemonstration-FinalReport"，F.LynchandJ.Fulton,NREL/TP-425-6357,April1994)。上面的一些研究雖然也使用了不同的摻氫比HCNG燃料，但在每個過程中HCNG燃料的摻氫比是固定的，在過程中發動機在所有油門位置、所有轉速都採用同一種HCNG燃料試驗得出結論後再換用另一個摻氫比的HCNG燃料重複上面的過程。研究的最終結論也是發動機採用某一種固定摻氫比的HCNG燃料，如Cummins公司認為20%HNG燃料是最優燃料。實際上固定摻氫比的燃料只能在發動機部分油門位置、部分轉速範圍內最優，不可能覆蓋發動機的整個工況範圍。以2(WHCNG燃料為例，在發動機小負荷時，燃料有很好的動力性，排放性。但在中大負荷時，其經濟性和排放性要比30%、40XHCNG燃料差。如果只採用40XHCNG燃料又會出現小負荷時動力性不夠，大負荷時熱負荷高的不良現象。只採用30%HCNG燃料也會在小負荷時出現動力性不夠的現象，同時在中負荷時也沒有經濟性好的優勢。
發明內容根據固定摻氫比的燃料只能在發動機部分油門位置、部分轉速範圍內最優，不可能覆蓋發動機的整個工況範圍的情況，本發明的目的是提供一種不同氫氣天然氣混合燃料在同臺發動機上的控制使用方法，從而使發動機在不同工況區域，即在不同的油門位置、不同的轉速使用不同的HCNG燃料，以充分發揮不同HCNG燃料各自的優點。本發明的技術方案如下-不同氫氣天然氣混合燃料在同臺發動機上的控制使用方法，其特徵在於該方法按如下步驟進行1)利用摻氫系統控制模塊採集來自點火鑰匙的點火信號e，給出打開氫氣電磁閥信號g和打開天然氣電磁閥信號h;然後讀取發動機油門位置信號d和發動機轉速信號c，同時讀取來自天然氣流量計的天然氣流量信號b，將天然氣的流量賦值為Id;2)摻氫系統控制模塊根據發動機油門位置信號d和發動機轉速信號c確定發動機的不同工作區域，從而確定摻氫的比例a.當油門和轉速都小於10%時，釆用體積摻氫比為20X的HCNG燃料；b.當不滿足步驟a的條件，且油門和轉速都小於15%時，採用體積摻氫比為30X的HCNG燃料；c.當不滿足步驟a、步驟b的條件，且油門位置小於90%和轉速小於(100%—油門位置/4.5)時，採用體積摻氫比為40%的HCNG燃料；d.當不滿足步驟a、步驟b、步驟c的條件時，採用體積摻氫比為30X的HCNG燃料；摻氫比例確定後，摻氫系統控制模塊根據當前的天然氣流量計算出氫氣流量，給出氫氣流量控制信號f;3)慘氫系統控制模塊讀取來自氫氣流量計的氫氣流量信號a，並再次讀取天然氣流量信號b,將天然氣流量賦值為K2;4)摻氫系統控制模塊計算ld和K2差的絕對值，如果數值不大於燃料混合氣最大流量的0.05%，又沒有接收到點火鑰匙關閉的信號，則流程完成一個循環，重新回到開始，進行第二個循環；如果數值大於燃料混合氣最大流量的0.05%，摻氫系統控制模塊則比較讀取的氫氣流量信號a和步驟2)計算出的氫氣流量，如果相等，又沒有接收到點火鑰匙關閉的信號，則流程完成一個循環，重新回到開始，進行第二個循環；若不相等則重新給出氫氣流量控制信號f，重複步驟3)、步驟4)。本發明與現有技術相比，具有以下優點計突出性效果從上可知發動機在不同的工作範圍採用不同的HCNG燃料，彌補了使用某一HCNG燃料不能在整個工作範圍內最優的不足之處。在不同的工作範圍採用不同的HCNG燃料使發動機的動力性、經濟性、排放性和使用壽命都得到了優化，發動機的綜合性能得以提高。圖1為本發明的控制系統硬體結構框圖。圖2為本發明的控制系統的程序流程框圖。圖3為不同HCNG燃料在發動機工況內的分布圖。圖中1—天然氣氣瓶；2—氫氣氣瓶；3—天然氣流量計；4一氫氣流量控制器；5—氫氣流量計；6—混合穩壓罐；7—摻氫系統控制模塊；8—發動機；9一點火鑰匙；IO—發動機控制模塊(ECU);a—氫氣流量信號；b—天然氣流量信號；一發動機轉速信號；—發動機油門位置信號；e-點火信號；f-氫氣流量控制信號；g-氫氣電磁閥控制信號；h—天然氣電磁閥控制信號。具體實施例方式下面結合附圖對本發明的原理、工作過程作進一步的說明。本申請提出發動機在實際使用中，結合不同HCNG燃料(20%HCNG、30%HCNG、40%HCNG)的優點，在不同的油門位置、不同的轉速採用不同的HCNG燃料，其目的是優化發動機的整體性能，包括動力性、經濟性、排放性。圖1為本發明的控制系統硬體結構框圖。在進入混合穩壓罐6前天然氣和氫氣是分開的，發動機運轉時，天然氣從天然氣氣瓶l流出，經過天然氣電磁閥和天然氣流量計3進入混合穩壓罐6;從氫氣氣瓶2流出後，經過氫氣電磁閥、氫氣流量控制器4和氫氣流量計5進入混合穩壓罐6。在混合穩壓罐6中天然氣和氫氣充分混合形成HCNG燃料進入發動機。摻氫系統控制模塊7可以直接購買一些控制模塊來代替，如NI公司USB系列控制模塊。其擁有五路輸入信號點火鑰匙信號9用來確定系統工作的開始和結束；發動機轉速信號C和發動機油門位置信號d用來判斷發動機的工作範圍；氫氣流量信號a和天然氣流量信號b用來監控實際的摻氫比例。還擁有三路輸出控制信號氫氣流量控制信號f調節氫氣流量控制器4來調節氫氣流量以控制摻氫比例；氫氣電磁閥控制信號g和天然氣電磁閥控制信號h是用來開啟和關閉燃氣氣瓶。圖2和圖3給出了系統軟體的控制流程和不同HCNG燃料在發動機工況中的分布。系統具體的工作過程如下摻氫系統控制模塊7採集來自點火鑰匙9的點火信號e後，就給出打開氫氣電磁閥信號g和打開天然氣電磁閥信號h，使燃料管道暢通；然後讀取發動機油門位置信號d和發動機轉速信號c，同時讀取來自天然氣流量計3的天然氣流量信號b，將天然氣的流量賦值為Id;摻氫系統控制模塊7根據發動機油門位置信號d和發動機轉速信號c確定發動機的不同工作區域，從而確定摻氫的比例，發動機工況區域用發動機的轉速百分率和油門位置百分率來劃分。轉速百分率的意思是定義發動機的最高轉速為100%，最低轉速為0%，其他轉速以線性關係換算成百分數。油門位置百分率的定義同上，最大油門位置為100%，油門全閉為0%，其他油門位置以線性關係換算成百分數。系統具體的判定方法如下-a.當油門和轉速都小於10%時，採用體積摻氫比為20X的HCNG燃料。這時發動機的動力性較好，在實車上使用時發動機不會因轉速過低或路面不平等不利因素而熄火。這時發動機的排放和經濟性都處在中等水平；b.當不滿足步驟a的條件，且油門和轉速都小於15%時,採用體積摻氫比為30%的HCNG燃料。在這一小區域內使用摻氫比為30X的HCNG燃料的主要目的是為了20X、40%燃料之間的平滑過渡；c.當不滿足步驟a、步驟b的條件，且油門位置小於90%和轉速小於(100%—油門位置/4.5)時,採用體積摻氫比為40%的HCNG燃料。在這個非常大的工作範圍內使用40X的HCNG燃料其目的就是為了充分發揮該燃料經濟性排放性好的優點，這個範圍是發動機在實車上經常工作的範圍，在這個範圍上使用40%的HCNG燃料對節能和環保有重要意義；d.當不滿足步驟a、步驟b、步驟c的條件時，採用體積摻氫比為30X的HCNG燃料。在實車上，當油門位置大於90%時，駕駛者都是為了獲得較大的動力性，所以這時燃料切換成30X的HCNG燃料，這樣發動機的動力性較40X的HCNG燃料有所提高，同時又保持著較好的經濟性和排放性能。當轉速大於(100%—油門位置/4.5)時，發動機的轉速很高，這時發動機的熱負荷較大，如果還採用40X的HCNG燃料會對發動機的氣缸造成損壞，故換成30%的HCNG燃料。摻氫比例確定後，摻氫系統控制模塊7根據當前的天然氣流量計算出氫氣流量，給出氫氣流量控制信號f以調節氫氣流量控制器4，使實際氫氣流量滿足使用要求；慘氫系統控制模塊7讀取來自氫氣流量計5的氫氣流量信號a,並再次讀取天然氣流量信號b,將天然氣流量賦值為K2;摻氫系統控制模塊7計算Kt和K2差的絕對值，如果數值不大於燃料混合氣最大流量的0.05%，又沒有接收到點火鑰匙9關閉的信號，則流程完成一個循環，重新回到開始，進行第二個循環；如果數值大於燃料混合氣最大流量的0.05%，摻氫系統控制模塊7則比較讀取的氫氣流量信號a和系統計算出的氫氣流量，如果相等，又沒有接收到點火鑰匙9關閉的信號，則流程完成一個循環，重新回到開始，進行第二個循環；若不相等則重新給出氫氣流量控制信號f，調節氫氣流量控制器4，使實際氫氣流量滿足使用要求。當摻氫系統控制模塊7收到點火鑰匙9關閉的信號，給出關閉氫氣電磁閥信號g和關閉天然氣電磁閥信號h以關閉燃氣氣瓶結束摻氫控制。控制系統在發動機穩態工作過程中是閉環控制，在發動機瞬態工作過程中是開環控制。權利要求1.不同氫氣天然氣混合燃料在同臺發動機上的控制使用方法，其特徵在於該方法按如下步驟進行1)利用摻氫系統控制模塊(7)採集來自點火鑰匙(9)的點火信號e，給出打開氫氣電磁閥信號g和打開天然氣電磁閥信號h；然後讀取發動機油門位置信號d和發動機轉速信號c，同時讀取來自天然氣流量計(3)的天然氣流量信號(b)，將天然氣的流量賦值為K1；2)摻氫系統控制模塊(7)根據發動機油門位置信號d和發動機轉速信號(c)確定發動機的不同工作區域，從而確定摻氫的比例a.當油門和轉速都小於10％時，採用體積摻氫比為20％的天然氣摻氫燃料；b.當不滿足步驟a的條件，且油門和轉速都小於15％時，採用體積摻氫比為30％的天然氣摻氫燃料；c.當不滿足步驟a、步驟b的條件，且油門位置小於90％和轉速小於(100％-油門位置/4.5)時，採用體積摻氫比為40％的天然氣摻氫燃料；d.當不滿足步驟a、步驟b、步驟c的條件時，採用體積摻氫比為30％的天然氣摻氫燃料；摻氫比例確定後，摻氫系統控制模塊(7)根據當前的天然氣流量計算出氫氣流量，給出氫氣流量控制信號f；3)摻氫系統控制模塊(7)讀取來自氫氣流量計(5)的氫氣流量信號a，並再次讀取天然氣流量信號b，將天然氣流量賦值為K2；4)摻氫系統控制模塊(7)計算K1和K2差的絕對值，如果數值不大於燃料混合氣最大流量的0.05％，又沒有接收到點火鑰匙(9)關閉的信號，則流程完成一個循環，重新回到開始，進行第二個循環；如果數值大於燃料混合氣最大流量的0.05％，摻氫系統控制模塊(7)則比較讀取的氫氣流量信號a和步驟2)計算出的氫氣流量，如果相等，又沒有接收到點火鑰匙(9)關閉的信號，則流程完成一個循環，重新回到開始，進行第二個循環；若不相等則重新給出氫氣流量控制信號f，重複步驟3)、步驟4)。全文摘要不同氫氣天然氣混合燃料在同臺發動機上的控制使用方法，屬於天然氣摻氫發動機燃料優化
技術領域：
。本發明的主要目的是在發動機不同工況區域使用不同的HCNG燃料以充分發揮不同HCNG燃料各自的優點。發動機在低轉速、小油門位置時採用20％摻氫比的HCNG燃料以獲得較好的動力性；在中高速、中高油門位置時採用40％摻氫比的HCNG燃料，以獲得極好的經濟性和排放性；在高油門位置和高轉速時採用30％摻氫比的HCNG燃料，以獲得較好的排放性和較低的熱負荷。在不同的工作範圍採用不同的HCNG燃料使發動機的動力性、經濟性、排放性和使用壽命都得到了優化，發動機的綜合性能得以提高。文檔編號F02D19/02GK101201018SQ20071017579公開日2008年6月18日申請日期2007年10月12日優先權日2007年10月12日發明者劉海全,勇李,趙淑莉,馬凡華申請人:清華大學