一种基于后喷提高氢内燃机增压能力的装置及方法

本发明提供一种基于后喷提高氢内燃机增压能力的装置及方法，具体内容涉及在稀薄燃烧状态下后喷射二次点燃提高排气焓值实现高增压比的装置与控制方法，属于氢发动机动力提升领域。

背景技术：

1、目前使用替代燃料被视作减少交通领域碳排放的关键策略，以实现内燃机的低碳、零碳化运行。

2、氢气具有热值高、可燃极限宽、点火能量低、燃烧速度快的特点。氢内燃机与汽油内燃机相比零碳排放物污染少，系统效率高，发动机的寿命也长。对比氢燃料电池，氢内燃机的造价更低，对资源的约束性小，并且对氢气的纯度要求较低。

3、但相比于汽油机，氢气的体积比能量密度低，因而氢内燃机普遍存在功率低、做功能力差的问题。因此，对于氢内燃机而言，合理匹配涡轮增压并提高增压能力是改善其动力性的关键。涡轮增压装置主要是利用内燃机尾气余热驱动泵轮，从而带动进气侧同轴连接的涡轮，实现对进气压力与密度的提高来提高充气效率，进而达到提高氢内燃机做功能力的目的。

4、涡轮增压器的增压能力与内燃机尾气的焓值密切相关(焓值主要受排气温度影响)，但氢内燃机由于普遍采用稀薄燃烧技术且燃烧持续期较短，因此其尾气温度普遍较低，容易导致氢内燃机增压能力不足的问题。因此提高氢内燃机尾气温度是提高增压能力的关键。针对该问题，现有技术主要是通过改进增压系统本体结构来提高增压比。包括采用电子涡轮、机械增压、复合增压等技术，但电子涡轮会额外消耗电功，机械涡轮无法实现尾气能量回收利用且会消耗机械功、增加系统噪音，复合涡轮增压系统则会涉及多涡轮组合，且多使用vgt涡轮，从而显著增加了系统成本。由此可见，现有技术中通过改进增压系统提高氢内燃机充气效率普遍存在系统复杂、能耗增压、成本提高等问题。

技术实现思路

1、针对氢发动机尾气焓值低导致增压能力不足的问题，本发明提供一种基于后喷提高氢内燃机增压能力的装置及方法。

2、本发明采用了如下技术方案：

3、一种基于后喷提高氢内燃机增压能力的装置，包括缸内直喷氢内燃机(5)，安装在缸内直喷氢内燃机(5)上的曲轴位置传感器(6)、火花塞(10)及氢气直喷喷嘴(9)，安装于缸内直喷氢内燃机(5)上的进气管路(18)，依次安装在进气管路18上的进气流量传感器17与进气温度传感器(16)，安装于缸内直喷氢内燃机(5)上的排气管路(15)，涡轮增压系统(12)按原机原有连接方式安装于进气管路(18)与排气管路(15)之间，供氢管路(7)与氢气直喷喷嘴(9)相连接，在供气管路(7)上依次连接有高压氢罐(1)，减压阀(2)，阻燃阀(4)，其特征在于，除原机中安装的上述系统以外，还增加了一套电子控制系统，一套排气温度检测系统，一套氢气流量监测系统，以及一套燃烧过程监控系统，排气温度检测系统包括安装于排气管路(15)上且位于涡轮增压系统(12)上游的排气温度传感器(11)，在涡轮增压系统(12)的排气管路(15)下游依次安装涡后温度传感器(13)及nox浓度传感器(14)；

4、氢气流量监测系统包括安装于供氢管路(7)上且位于减压阀(2)下游及阻燃阀(4)上游的氢气流量传感器(3)；

5、燃烧过程监控系统包括安装于缸内直喷氢内燃机(5)上的缸压传感器(8)；

6、电子控制系统包括电控单元(19)；

7、所述氢气流量传感器(3)通过导线与电控单元(19)相连接，通过发出氢气流量信号a传输氢气流量信息；

8、所述进气流量传感器(17)通过导线与电控单元(19)相连接，通过发出进气流量信号b传输进气流量信息；

9、所述进气温度传感器(16)通过导线与电控单元(19)相连接，通过发出进气温度信号c传输进气温度信息；

10、所述曲轴位置传感器(6)通过导线与电控单元(19)相连接，通过发出曲轴信号d传输内燃机转速与曲轴位置信息；

11、所述缸压传感器(8)通过导线与电控单元(19)相连接，通过发出缸压信号f传输缸内实时压力信息；

12、所述涡轮增压系统(12)通过导线将原有的涡轮转速信号传感器与电控单元(19)相连接，通过发出涡轮转速信号g传输涡轮转速信息；

13、所述氢气直喷喷嘴(9)通过导线与电控单元(19)相连接，通过接收电控单元(19)发出的氢气喷射信号控制氢气直喷喷嘴(9)的开启与关闭；

14、所述火花塞(10)通过导线与电控单元(19)相连接，通过接收电控单元(19)发出的火花塞信号j控制火花塞(10)的跳火规律；

15、所述排气温度传感器(11)通过导线与电控单元(19)相连接，通过发出排气温度信号p传输涡轮前排气温度信息；

16、所述涡后温度传感器(13)通过导线与电控单元(19)相连接，通过发出涡后排气温度信号k传输涡轮后排气温度信息；

17、所述nox浓度传感器(14)通过导线与电控单元(19)相连接，通过发出nox浓度信号q传输nox浓度信息；

18、所述电控单元(19)中设有原机在不同进气流量与转速条件下的涡轮转速目标值矩阵表，该表在原机进行增压器设计时获得，也可以是在增压器标定过程中获得，使电控单元(19)能够查表得到不同工况下涡轮增压器的目标转速ntb；

19、所述电控单元(19)中设有氢气喷嘴喷射脉宽th2与氢气喷射量mh2的关系，该关系可以通过常规喷嘴测试获得，使电子控制单元能够根据其所发出的氢气喷射信号h，准确计算不同th2条件下的mh2，在不具备喷嘴标定的条件下，电控单元(19)也可以根据氢气流量传感器(3)所发出的氢气流量信号a及曲轴位置传感器(6)所发出的曲轴信号d根据内燃机原理经典方法获得每循环的氢气喷射量mh2，进而准确构建th2与mh2的对应关系。

20、一种基于后喷提高氢内燃机增压能力的装置的控制方法，包括以下步骤：

21、(1)基于氢气后喷的尾气焓值提升控制方法

22、电控单元(19)监测涡轮转速信号g获得涡轮增压系统(12)的实际转速nab，当nab不小于90％ntb时，电控单元(19)判定发动机处于正常增压运行状态，不对氢气直喷喷嘴(9)的喷射规律进行任何调整，此时的缸内直喷氢内燃机(5)控制方式与原机相同；

23、当nab小于90％ntb时，电控单元(19)判定缸内直喷氢内燃机(5)的增压能力不足，需要启动氢气后喷与二次点火模式提高增压器能力，即在常规氢气喷射后，在压缩上止点后140°曲轴转角下再次后喷氢气及在后喷喷氢结束时通过火花塞(10)二次跳火实现后喷氢气的着火燃烧，利用后喷氢气燃烧产生的能量提高排气焓值；

24、此时，电控单元(19)根据其所发出得氢气喷射信号h得到喷氢脉宽th2，进而获得当前工况下的循环喷氢量mh2，根据进气流量传感器(17)发来的进气流量信号b与曲轴位置传感器(6)所发出的曲轴信号d计算得到进入内燃机的循环空气量ma，根据l＝(ma/mh2)/34.3计算得到缸内实际循环的过量空气系数l，启用氢气后喷策略时电控单元(19)将根据空气足量与空气不足两种方式进行控制；

25、1)空气足量条件下的氢气后喷控制方法

26、当缸内直喷氢内燃机(5)采用稀薄燃烧控制方式时，特别是再fsi等超稀薄控制方式条件下，l通常不小于2.0，此时缸内主喷的氢气燃烧后仍然有足量空气供后喷氢气燃烧，因此当l≥2.0时，电控单元(19)通过发出氢气喷射信号h使氢气喷嘴(9)在压缩上止点后140°曲轴转角再次打开5°实现氢气后喷，在氢气喷射结束后，电控单元(19)同时发出火花塞信号j使火花塞(10)再次跳火引燃后喷的氢气，后喷的氢气将明显提高排气温度与焓值进而提高涡轮增压系统(12)的增压能力，在此过程中电控单元(19)监测涡轮转速信号g获得涡轮增压系统(12)的实际转速nab，当nab不小于90％ntb时，电子控制单元保持当前氢气的后喷脉宽与点火规律不变，当nab仍然小于90％ntb时，电子控制单元(19)通过发出氢气喷射信号h使氢气直喷喷嘴(9)在上一循环喷射脉宽基础上增加5°，直至nab不小于90％ntb，但后喷氢气的最大截至喷射相位不允许超过压缩上止点后160°曲轴转角；

27、2)空气不足量条件下的氢气后喷控制方法

28、当电控单元(19)检测到2.0>l>1.0时，电子控制单元首先计算剩余可用空气量mca＝ma-34.3mh2，据此计算出后喷氢气的最大允许喷氢量mch＝mca/34.3，进而根据氢气喷射脉宽与氢气喷射量对应关系得到最大可用后喷脉宽tch，上述条件下，启动后喷氢气策略时，电控单元(19)通过发出氢气喷射信号h使氢气直喷喷嘴(9)在压缩上止点后140°曲轴转角再次打开5°实现氢气后喷，在氢气喷射结束后，电控单元(19)同时发出火花塞信号j使火花塞(10)再次跳火引燃后喷的氢气，当nab仍然小于90％ntb时，电控单元(19)通过发出氢气喷射信号h使氢气直喷喷嘴(9)在上一循环喷射脉宽基础上增加5°，直至nab不小于90％ntb，但后喷氢气的最大截至喷射相位不允许超过压缩上止点后160°曲轴转角，且氢气最大许用后喷持续期不允许大于tch，如tch小于5°，则启动后喷策略条件时只允许在压缩上止点后进行tch脉宽的氢气后喷，并在氢气后喷结束后控制火花塞(10)点火；

29、当l＝1.0时，电控单元(19)将氢气喷射脉宽分为原机使用的主喷氢气脉宽tmh及后喷氢气脉宽tch两部分，电控单元(19)在启动氢气后喷策略时，首先将tmh降低至上一循环氢气喷射脉宽t(mh-1)的90％，以预留部分空气供后喷氢气燃烧，此时后喷氢气的脉宽设置为tch＝(mca-34.3tmh)，此时，电控单元(19)在启动氢气后喷策略时将通过发出氢气喷射信号h使氢气直喷喷嘴(9)在压缩上止点后140°曲轴转角再次打开tch脉宽实现氢气后喷，在氢气喷射结束后，电控单元(19)同时发出火花塞信号j使火花塞(10)再次跳火引燃后喷的氢气；

30、(2)系统超温、超转条件下的保护方法

31、在启动氢气后喷策略时，电控单元(19)实时监测排气温度信号p与涡后排气温度信号k，当两个温度中任意一个温度超过涡轮增压系统(12)的设计温度时，电控单元(19)通过发出氢气喷射信号h使当前循环后喷氢气脉宽较上一循环减少10％，直至排气温度信号p与涡后排气温度信号k满足许用温度要求；

32、在启动氢气后喷策略时，电控单元(19)实时监测涡轮转速信号g，当涡轮增压系统(12)的实际转速nab大于105％目标转速时，电控单元(19)通过发出氢气喷射信号h使当前循环后喷氢气脉宽较上一循环减少8％，直至实际转速nab不高于105％目标转速。

33、本发明的有益效果是，针对氢发动机尾气焓值低导致增压能力不足的问题，和由此导致的零碳的氢内燃机功率低、做功能力差等问题，本发明提供一种基于后喷提高氢内燃机增压能力的装置及方法。通过启动氢气后喷和二次点火模式，利用后喷氢气燃烧产生的能量提高排气焓值，从而使本发明所提供的装置及控制方法能够有效实现增压能力的提升，在降低系统复杂度的同时降低成本，低能耗增压，提高氢内燃机的功率和做功能力。