一种基于离子电流与进气道和缸内复合喷水的氢氧氩预混燃烧系统及其控制方法

本发明涉及内燃机，特别涉及一种基于离子电流与进气道和缸内复合喷水的氢氧氩预混燃烧系统及其控制方法。

背景技术：

1、近几年，氢内燃机关键技术持续突破。在乘用车上，70mpa高压储氢技术已经得到应用，是当前车用储氢的主流技术。目前，最新的氢内燃机采用氢气直喷、稀薄燃烧、废气涡轮增压等技术，普遍可以实现42％的有效热效率，并将co、hc、nox等排放在中小负荷下控制在10×10-6vol以下。氢内燃机在现有的基础上进一步提高效率，降低排放，甚至实现零排放面临重大挑战。

2、氢燃料氩气循环内燃机是一款以氩气为工质，氧气为氧化剂，氢气为燃料的新型高效零排放内燃机技术。氩气具有高比热容比的同时也具有低比热容，从而提高了缸内压力与温度，促进了爆震的发生。现有抑制爆震的主要措施是喷水，提前预测爆震的发生成为关键挑战。此外，稳定稀燃条件下可以提高热效率，但也限制了内燃机负荷的提升。

3、因此，开发一种异常燃烧检测与抑制的闭循环控制系统具有重大意义。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种基于离子电流与进气道和缸内复合喷水的氢氧氩预混燃烧系统及其控制方法，以解决现有技术中存在的问题。

2、为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种基于离子电流与进气道和缸内复合喷水的氢氧氩预混燃烧系统，包括机体、气体供应单元、水循环单元和监测控制单元。

3、所述机体上端两侧分别设有进气口和排气口。

4、所述气体供应单元包括氢气喷嘴、氧氩混合器、氧气瓶和氩气瓶。存储在氧气瓶中的氧气和存储在氩气瓶中的氩气在氧氩混合器内充分混合后供应至进气口。所述氧气瓶与氧氩混合器之间的管路上设置有氧气稳压腔。所述氩气瓶与氧氩混合器之间的管路上设置有氩气缓冲罐。氢气经氢气喷嘴供应至进气口。所述氧氩混合器、氧气稳压腔和氩气缓冲罐用以保持气体压力恒定。

5、所述水循环单元包括喷水喷嘴、高压水喷嘴、冷凝器、水箱、换热器、高压水轨和水轨。所述喷水喷嘴安装在进气口。所述喷水喷嘴与水轨通过管路连接。所述高压水喷嘴安装在燃烧室。所述高压水喷嘴与高压水轨通过管路连接。所述换热器通过管路与高压水轨连接。所述换热器用以回收废气余热并加热高压水，温度传感器实时监测水温。所述水箱中存储有常温液态水。所述水箱具有一个进水口和两个出水口。所述冷凝器与水箱的进水口单向连通。所述冷凝器与氩气缓冲罐单向连通。所述冷凝器与换热器连通。废气经换热器流出后进入冷凝器，分离后的水进入水箱，分离后的氩气进入氩气缓冲罐。所述水箱的两个出水口分别与换热器以及水轨连通。所述水箱与换热器之间的管路上设置有高压水泵。所述水箱与水轨之间的管路上设置有水泵。

6、所述监测控制单元包括离子电流传感器、离子电流信号处理模块、离子电流供电电源、节气门、压力传感器、氧气压力传感器、氧气压力调节阀、氩气控制阀、氩气压力传感器、氩气补充阀、液位与温度传感器、温度传感器和控制器。所述离子电流传感器安装在燃烧室内。所述离子电流供电电源将缸内离子电流检测所需的电压施加至燃烧室内。所述节气门布置在氧氩混合器与进气口之间的管路上。所述压力传感器布置在氧氩混合器内。所述氧气压力传感器布置在氧气稳压腔内。所述氧气压力调节阀布置在氧气稳压腔与氧气瓶之间的管路上。所述氩气控制阀布置在氩气缓冲罐与氧氩混合器之间的管路上。所述氩气压力传感器布置在氩气缓冲罐内。所述氩气补充阀布置在氩气缓冲罐与氩气瓶之间的管路上。所述氧气压力调节阀和氩气补充阀用以调节气体压力。所述液位与温度传感器布置在水箱内。所述温度传感器布置在换热器与高压水轨之间的管路上。所述喷水喷嘴、氢气喷嘴、离子电流传感器、高压水喷嘴、离子电流信号处理模块、离子电流供电电源、节气门、压力传感器、氧气压力传感器、氧气压力调节阀、氩气控制阀、氩气压力传感器、氩气补充阀、冷凝器、液位与温度传感器、高压水泵、水泵、换热器、温度传感器、高压水轨和水轨均与控制器连接。

7、工作时，氧气、氩气与氢气在进气口混合后进入机体的燃烧室。通过在燃烧室内燃烧氢气使氩气膨胀，从而输出动力，并且通过换热器、冷凝器和氩气缓冲罐将从燃烧室排放的燃烧后气体所含有的氩气再次供给至进气口。液态水经高压水泵加压后进入换热器与废气进行热量交换后输入并存储在高压水轨中，另一支路中的水经水泵输送至水轨中备用。高压水轨将水分配至内燃机各缸高压水喷嘴，水轨中的水将分配至各缸进气口处喷水喷嘴。所述离子电流传感器对缸内离子电流进行实时监测。所述离子电流信号处理模块将监测到的离子电流信号进行信号处理，提取当前工况异常燃烧情况并传输至控制器。所述控制器根据当前工况异常燃烧情况控制喷水喷嘴和高压水喷嘴的喷射策略，实现内燃机工作过程中异常燃烧的抑制。

8、进一步，所述离子电流信号处理模块将监测到的离子电流信号进行滤波、放大和数模转换处理。

9、进一步，所述离子电流信号处理模块通过can通讯协议与控制器进行通讯。

10、进一步，当测量异常燃烧高于控制阈值时，控制器控制高压水喷嘴和喷水喷嘴的喷射脉宽与喷射时刻。当测量异常燃烧信息低于控制阈值时，控制器控制高压水喷嘴和喷水喷嘴停止喷水。

11、进一步，所述离子电流信号处理装置、高压离子电流供电装置和控制器由车载蓄电池或车载锂电池供电。

12、进一步，当目标轨压值低于当前高压水轨轨压值时，控制器向高压水泵输出脉宽调制信号，切断高压水泵的出口流量来降低当前轨压值使其向目标轨压值靠近。当目标轨压值高于当前高压水轨轨压值，向高压水泵输出脉宽调制信号，增加高压水泵的出口流量来提高当前轨压值使其达到目标轨压值。

13、进一步，发动机工作过程中，根据转速和节气门的开度计算进气量，确定氧气和氩气的比例以及计算所需氧气的量。根据氢氧燃烧策略计算氢气所需的量。

14、进一步，调节氩气控制阀的开度控制氩气缓冲罐中氩气流出速度，从而保持氧氩混合器中目标压力恒定。

15、进一步，管路选用不锈钢管或软管。

16、本发明还提供一种根据上述氢氧氩预混燃烧系统的控制方法，离子电流传感器对当前工况下的氢氧氩预混燃烧系统燃烧特征进行诊断，并通过进气道和缸内喷水实现氢氧氩预混燃烧系统异常燃烧的闭环控制。

17、本发明的技术效果是毋庸置疑的：

18、1.通过进气道和缸内复合喷水策略实现发动机工作过程中异常燃烧的优化控制，进一步提高氢氧氩预混燃烧发动机的负荷和热效率，推动氢燃料氩气循环发动机的产业化应用；

19、2.通过建立缸内离子电流异常燃烧监测模型，创新性的实现通过缸内离子电流对缸内异常燃烧进行预测，实现了氢燃料氩气循环发动机异常燃烧的低成本、高精度的检测；

20、3.通过建立完整的氩气闭循环回路在一定功率密度下制备超稀薄混合气，避免了氩气循环回路压力波动并可以控制进气稳定增压，实现了氩气循环的回收利用与系统的自我增压。

技术特征：

1.一种基于离子电流与进气道和缸内复合喷水的氢氧氩预混燃烧系统，其特征在于：包括机体(1)、气体供应单元、水循环单元和监测控制单元；

2.根据权利要求1所述的一种基于离子电流与进气道和缸内复合喷水的氢氧氩预混燃烧系统，其特征在于：所述离子电流信号处理模块(8)将监测到的离子电流信号进行滤波、放大和数模转换处理。

3.根据权利要求1所述的一种基于离子电流与进气道和缸内复合喷水的氢氧氩预混燃烧系统，其特征在于：所述离子电流信号处理模块(8)通过can通讯协议与控制器(31)进行通讯。

4.根据权利要求1所述的一种基于离子电流与进气道和缸内复合喷水的氢氧氩预混燃烧系统，其特征在于：当测量异常燃烧高于控制阈值时，控制器(31)控制高压水喷嘴(7)和喷水喷嘴(4)的喷射脉宽与喷射时刻；当测量异常燃烧信息低于控制阈值时，控制器(31)控制高压水喷嘴(7)和喷水喷嘴(4)停止喷水。

5.根据权利要求1所述的一种基于离子电流与进气道和缸内复合喷水的氢氧氩预混燃烧系统，其特征在于：所述离子电流信号处理装置(8)、高压离子电流供电装置(9)和控制器(31)由车载蓄电池或车载锂电池供电。

6.根据权利要求1所述的一种基于离子电流与进气道和缸内复合喷水的氢氧氩预混燃烧系统，其特征在于：当目标轨压值低于当前高压水轨(29)轨压值时，控制器(31)向高压水泵(25)输出脉宽调制信号，切断高压水泵(25)的出口流量来降低当前轨压值使其向目标轨压值靠近；当目标轨压值高于当前高压水轨(29)轨压值，向高压水泵(25)输出脉宽调制信号，增加高压水泵(25)的出口流量来提高当前轨压值使其达到目标轨压值。

7.根据权利要求1所述的一种基于离子电流与进气道和缸内复合喷水的氢氧氩预混燃烧系统，其特征在于：发动机工作过程中，根据转速和节气门(10)的开度计算进气量，确定氧气和氩气的比例以及计算所需氧气的量；根据氢氧燃烧策略计算氢气所需的量。

8.根据权利要求1所述的一种基于离子电流与进气道和缸内复合喷水的氢氧氩预混燃烧系统，其特征在于：调节氩气控制阀(17)的开度控制氩气缓冲罐(18)中氩气流出速度，从而保持氧氩混合器(11)中目标压力恒定。

9.根据权利要求1所述的一种基于离子电流与进气道和缸内复合喷水的氢氧氩预混燃烧系统，其特征在于：管路选用不锈钢管或软管。

10.一种根据权利要求1～9任意一项所述氢氧氩预混燃烧系统的控制方法，其特征在于：离子电流传感器(6)对当前工况下的氢氧氩预混燃烧系统燃烧特征进行诊断，并通过进气道和缸内喷水实现氢氧氩预混燃烧系统异常燃烧的闭环控制。

技术总结发明提供一种基于离子电流与进气道和缸内复合喷水的氢氧氩预混燃烧系统及其控制方法。该氢氧氩预混燃烧系统将离子电流检测技术与进气道和缸内复合喷水技术相结合，使用离子电流对缸内异常燃烧情况进行实时监测，并配合进气道和缸内喷水技术对发动机燃烧过程进行优化控制，以最终实现氢氧氩预混燃烧系统高效稳定的闭环控制。可以实现发动机异常燃烧的监测和高效闭环控制，并且实现了氩气闭循环回路混合气的稳定增压，进一步提升发动机热效率和负荷，为氢燃料氩气循环发动机的产业化应用奠定基础，具有重大的研究意义和应用价值。技术研发人员：康哲,王慧江,吕阳受保护的技术使用者：重庆大学技术研发日：技术公布日：2024/6/20