[发明专利]一种混合氢气与氧气的压燃式柴油内燃机及控制方法

说明书

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；