[发明专利]一种燃用溶氢燃料的高压缩比发动机及控制方法

权利要求书

1.一种燃用溶氢燃料的高压缩比发动机,包括高压缩比发动机(1)，高压缩比发动机(1)本体上所安装的喷油器(14)及与喷油器(14)入口相连接的高压泵(13)，增加了一套氢气与液体燃料混合与供给系统及一套燃油喷射与燃烧控制系统；

所述氢气与液体燃料混合与供给系统包括安装在高压泵(13)上的气液混合阀(12)，安装在液体燃料箱(3)上的供油口(4)通过管路与燃油流量计(17)相连接，燃油流量计与气液混合阀(12)之间通过管路连接，连接氢气瓶(2)与气液混合阀(12)的管路上依次安装有减压器(6)，氢气线性电磁阀(9)，高压泵入口氢气单向阀(10)及氢气流量计(11)，液体燃料箱(3)上方装有油箱入口氢气单向阀(5)，油箱入口氢气单向阀(5)通过管路连接在减压器(6)的出口位置；

所述燃油喷射与燃烧控制系统包括安装在高压缩比发动机(1)本体进气道上的节气门(8)及进气温度与流量传感器(7)，安装在高压缩比发动机(1)本体上的火花塞(15)，以及电子控制单元(16)；

所述电子控制单元(16)通过读取高压缩比发动机原有电控单元数据的方式或者直接连接相应传感器的方式获得高压缩比发动机本体传感器所提供的踏板位置信号(m)，转速信号(n)，发动机启动信号(g)，发动机冷却液温度信号(t)及原机燃料喷射信号(u)；

所述电子控制单元(16)通过导线与氢气线性电磁阀(9)相连接，通过发出氢气电磁阀控制信号(a)控制氢气线性电磁阀(9)的开启位置，进而控制自氢气瓶(2)进入气液混合阀(12)的氢气流量；

所述电子控制单元(16)通过导线与燃油流量计(17)相连接，并通过获得燃油流量信号(b)得到进入气液混合阀(12)的液体燃料流量；

所述电子控制单元(16)通过导线与进气温度与流量传感器(7)相连接，并通过获得进气温度与流量信号(c)得到进入发动机的空气温度与流量；

所述电子控制单元(16)通过导线与氢气流量计(11)相连接，并通过获得氢气流量信号(d)得到进入气液混合阀(12)的氢气流量；

所述电子控制单元(16)通过导线与节气门(8)相连接，通过发出节气门开度控制信号(e)控制节气门(8)的开启位置，进而控制进入发动机的空气流量；

所述液体燃料箱(3)内装有高压缩比发动机所使用的液体燃料，包括柴油、生物柴油及柴油表征燃料；

所述高压缩比发动机(1)的压缩比不小于16.0；

所述减压器(6)的出口压力不低于10MPa；

所述减压器(6)连接至油箱氢气入口单向阀(5)的管路设计与连接减压器(6)至气液混合阀(12)的管路设计应保证进入气液混合阀(12)的氢气压力与液体燃料压力相等；

所述高压泵(13)安装在高压缩比发动机(1)上，由凸轮轴驱动，从高压泵(13)出口进入喷油器(14)的燃料压力不低于120MPa；

其特征在于：

电子控制单元(16)中预先输入15℃环境温度条件下且在高压泵(13)所提供的出口压力条件下氢气在所用液体燃料中的最大溶解度F_stH，为避免气阻现象的产生，电子控制单元16所控制的最大可用氢气溶解度F_mH为85％F_stH，电子控制单元(16)根据燃油流量信号(b)获得液体燃料流量M_L，根据氢气流量信号(d)获得氢气流量M_H，进而根据公式1计算得到实际氢气溶解度F_acH，

F_acH＝M_H/(M_H+M_L) 公式1

电子控制单元(16)通过发出氢气电磁阀控制信号(a)控制氢气线性电磁阀(9)的开度调整氢气流量，并使F_acH始终不大于F_mH；

电子控制单元(16)根据原机燃料喷射信号(u)获得原机液体燃料喷射相位T_YL及喷射脉宽D_YL，通过发出燃料喷射控制信号(g)控制喷油器(14)的实际溶氢燃料喷射相位T_AF和实际溶氢燃料喷射脉宽D_AF；

一种燃用溶氢燃料的高压缩比发动机根据工况不同分为启动过程控制、低负荷控制、中负荷控制及高负荷控制四种并列的控制模式，表达四种不同模式，对以下每种模式的说明采用标号(1)、(2)、(3)、(4)的方式标记，具体为：

(1)发动机启动过程控制

电子控制单元(16)收到发动机启动信号(s)后，进一步获得发动机冷却液温度信号(t)，并根据发动机冷却液温度判断发动机所处启动条件，当发动机冷却液温度小于0℃时，电子控制单元(16)判定发动机处于超低温启动状态，此时，电子控制单元(16)通过发出氢气电磁阀控制信号(a)使通过氢气线性电磁阀(9)进入气液混合阀(12)的氢气溶解度F_acH与F_mH相等，并通过发出点火信号(f)使火花塞(15)在上止点前10°曲轴转角点火，连续点火100个循环后电子控制单元停止发出点过信号(f)使火花塞(15)停止点火，通过发出燃料喷射控制信号(g)控制喷油器(14)的实际溶氢燃料喷射相位T_AF与原机液体燃料喷射相位T_YL相同，实际溶氢燃料喷射脉宽D_AF不大于0.8D_YL，电子控制单元(16)通过发出节气门开度控制信号(e)使节气门(8)的开度为10°，此时发动机处于超低温冷启动模式，通过使用最大氢气溶解度有效利用氢气在喷雾过程的闪急沸腾现象促进液体燃料破碎，并通过火花塞稳定点燃缸内混合气，保证超低温启动稳定；

当电子控制单元(16)收到的发动机冷却液温度大于或者等于0℃且小于40℃时，电子控制单元(16)判定发动机处于常温启动状态，电子控制单元(16)通过发出氢气电磁阀控制信号(a)使通过氢气线性电磁阀(9)进入气液混合阀(12)的氢气溶解度F_acH等于0.8F_mH，并通过发出点火信号(f)使火花塞(15)在上止点前5°曲轴转角点火，连续点火50个循环后电子控制单元停止发出点过信号(f)使火花塞(15)停止点火，通过发出燃料喷射控制信号(g)控制喷油器(14)的实际溶氢燃料喷射相位T_AF与原机液体燃料喷射相位T_YL相同，实际溶氢燃料喷射脉宽D_AF不大于0.6D_YL，电子控制单元(16)通过发出节气门开度控制信号(e)使节气门(8)的开度为15°，此时发动机处于常温启动模式，通过火花塞辅助点火保证发动机稳定起动，并减少火花塞辅助时间以避免缸内温升导致的压升率过高；

当电子控制单元(16)收到的发动机冷却液温度大于或者等于40℃时，电子控制单元判定发动机处于热机启动状态，电子控制单元(16)通过发出氢气电磁阀控制信号(a)使通过氢气线性电磁阀(9)进入气液混合阀(12)的氢气溶解度F_acH等于0.6F_mH，并通过停止发出点火信号(f)使火花塞(15)停止点火，通过发出燃料喷射控制信号(g)控制喷油器(14)的实际溶氢燃料喷射相位T_AF与原机液体燃料喷射相位T_YL相同，实际溶氢燃料喷射脉宽D_AF不大于0.6D_YL，电子控制单元(16)通过发出节气门开度控制信号(e)使节气门(8)的开度为45°，此时发动机处于热机启动模式，发动机以溶氢燃料扩散燃烧方式启动；

(2)低负荷控制策略

电子控制单元(16)根据踏板位置信号(m)判定负荷率，当负荷率小于20％时，电子控制单元(16)判定发动机工作在低负荷状态，此时电子控制单元(16)通过发出氢气电磁阀控制信号(a)使通过氢气线性电磁阀(9)进入气液混合阀(12)的氢气溶解度F_acH等于0.6F_mH，通过停止发出点火信号(f)使火花塞(15)停止点火，通过发出燃料喷射控制信号(g)控制喷油器(14)的实际溶氢燃料喷射相位T_AF与原机液体燃料喷射相位T_YL相同，实际溶氢燃料喷射脉宽D_AF不小于0.7D_YL，电子控制单元(16)通过发出节气门开度控制信号(e)使节气门(8)的开度不低于45°；

(3)中负荷控制策略

电子控制单元(16)根据踏板位置信号(m)判定负荷率，当负荷率大于或者等于20％并且小于70％时，电子控制单元(16)判定发动机工作在中等负荷状态，此时电子控制单元(16)通过发出氢气电磁阀控制信号(a)使通过氢气线性电磁阀(9)进入气液混合阀(12)的氢气溶解度F_acH不大于0.5F_mH且不小于0.3F_mH，F_acH随负荷的增加而降低，通过停止发出点火信号(f)使火花塞(15)停止点火，通过发出燃料喷射控制信号(g)控制喷油器(14)的实际溶氢燃料喷射相位T_AF与原机液体燃料喷射相位T_YL相同，实际溶氢燃料喷射脉宽D_AF不小于0.8D_YL，电子控制单元(16)通过发出节气门开度控制信号(e)使节气门(8)处于全开状态；

(4)低负荷控制策略

电子控制单元(16)根据踏板位置信号(m)判定负荷率，当负荷率大于或者等于70％时，电子控制单元(16)判定发动机工作在大负荷状态，此时电子控制单元(16)通过发出氢气电磁阀控制信号(a)使通过氢气线性电磁阀(9)进入气液混合阀(12)的氢气溶解度F_acH不大于0.3F_mH且随负荷率的增加而降低，在负荷率为100％时的F_acH等于0，通过停止发出点火信号(f)使火花塞(15)停止点火，通过发出燃料喷射控制信号(g)控制喷油器(14)的实际溶氢燃料喷射相位T_AF与原机液体燃料喷射相位T_YL相同，实际溶氢燃料喷射脉宽D_AF与D_YL相等，电子控制单元(16)通过发出节气门开度控制信号(e)使节气门(8)处于全开状态。