[發明專利]一種缸內噴水的純氫氧燃料二沖程轉子機及其控制方法

有效

• 申請號: 202010695411.2
• 申請日: 2020-07-20
• 公開（公告）號: CN111997744B
• 公開（公告）日: 2022-05-17
• 發明（設計）人: 紀常偉;楊金鑫;汪碩峰;常珂;孟昊
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: F02B53/00
• 分類號: F02B53/00;F02B53/02;F02B53/04;F02B53/08;F02B53/10;F02B43/10;F02M25/03;F01N5/02;F02D43/00;F02D19/02;F02D19/12;F02B75/02
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 劉萍

1.一種缸內噴水的純氫氧燃料二沖程轉子機的控制方法，其特征在于，該方法所用裝置包括：轉子機缸體(23)、偏心軸(24)、轉子(25)，安裝在轉子機上的第一水噴孔(1)、第一火花塞(2)、第二水噴孔(31)、第二火花塞(30)，氫氣罐(11)通過管路與氫氣流量控制器(10)相連接，氧氣罐(9)通過管路與氧氣流量控制器(8)相連接，氫氣與氧氣在混合罐(7)中混合，混合氣進入第一進氣道(6)經過第一電磁閥(5)、第一阻燃閥(4)、第一進氣門(3)進入燃燒室，同時混合氣還通過第二進氣道經第二電磁閥(29)、第二阻燃閥(28)、第二進氣門(27)進入燃燒室，燃燒的尾氣通過第一排氣口(22)和第二排氣口(26)分別經過第一排氣道(21)和第二排氣道(32)流入能量回收裝置(20)，二次利用的尾氣由排氣總管(18)進入換熱器(17)，第一儲水罐(15)與低壓水泵(16)經過管路與換熱器(17)交互，再與第二儲水罐(13)、高壓水泵(12)相連接；

電子控制單元(14)通過導線分別與第一火花塞(2)、第二火花塞(30)相連，并分別發出第一火花控制信號(c)和第二火花控制信號(d)控制點火正時；

電子控制單元(14)通過導線分別與第一水噴孔(1)、第二水噴孔(31)相連，并分別發出第一水噴孔控制信號(a)和第二水噴孔控制信號(g)控制噴水正時和噴水脈寬；

電子控制單元(14)通過導線與氫氣流量控制器(10)相連，并發出氫氣流量控制器控制信號(f)控制流入到混合罐(7)的氫氣質量流量；

電子控制單元(14)通過導線與氧氣流量控制器(8)相連，并發出氧氣流量控制器控制信號(h)控制流入到混合罐(7)的氧氣質量流量；

電子控制單元(14)通過導線分別與第一電磁閥(5)、第二電磁閥(29)相連，并分別發出第一電磁閥控制信號(e)和第二電磁閥控制信號(b)控制第一電磁閥(5)、第二電磁閥(29)的開閉；

包括純氫氧燃料預混與供給策略、二沖程缸內噴水控制燃燒策略以及尾氣能量多次利用策略；

1)純氫氧燃料預混與供給策略

該裝置中氫氣罐(11)和氧氣罐(9)分別裝有減壓閥，在氫氣與氧氣燃料供給時保證氫氣罐(11)和氧氣罐(9)流出的燃料壓力相等，防止氫氣與氧氣在混合罐(7)中混合時出現因壓力不同而導致回流現象，并且保證從氫氣罐(11)和氧氣罐(9)輸送至氫氣流量控制器(10)與氧氣流量控制器(8)的氫氣與氧氣壓力在10～40bar范圍內；轉子機運轉過程中，儲存在氫氣罐(11)和氧氣罐(9)中的氫氣與氧氣以同等壓力分別通過管路輸送至氫氣流量控制器(10)與氧氣流量控制器(8)，電子控制單元(14)發出氫氣流量控制器控制信號(f)控制流入到混合罐(7)的氫氣質量流量為n，發出氧氣流量控制器控制信號(h)控制流入到混合罐(7)的氧氣質量流量為m；同時，電子控制單元(14)根據轉子機運轉轉速不同調節混合氣的理論氧氫比Φ_mn，其中，理論氧氫比Φ_mn定義為在純氧氣條件下使純氫氣能夠完全燃燒時所消耗氧氣量與氫氣量的比值，滿足條件：

轉子機轉速分為低于怠速轉速、怠速轉速至額定轉速、額定轉速至最高轉速幾個階段，當轉子機轉速低于怠速轉速時，電子控制單元(14)發出氫氣流量控制器控制信號(f)和氧氣流量控制器控制信號(h)控制混合罐內混合氣氧氫比維持在0.8～0.9；轉速在怠速轉速與額定轉速之間時，控制混合罐內混合氣氧氫比維持在1.1～1.3；轉速在額定轉速與最高轉速之間時，控制混合罐內混合氣氧氫比維持在0.9～1.1；電子控制單元(14)發出第一電磁閥控制信號(e)控制第一電磁閥(5)的開閉時刻與第一進氣門(3)的開閉時刻相同，發出第二電磁閥控制信號(b)控制第二電磁閥(29)的開閉時刻與第二進氣門(27)的開閉時刻相同；

2)二沖程缸內噴水控制燃燒策略

該轉子機相隔180°設置有兩個火花塞，電子控制單元(14)判斷轉子經過上止點后，轉子每轉動一周內分別發出一次第一火花控制信號(c)和一次第二火花控制信號(d)，實現轉子機以二沖程模式運轉；其中，轉子機上止點的定義是：轉子處于氣缸最小容積時的位置；下止點的定義是：轉子處于氣缸最大容積時的位置；因此，該轉子機存在2個上止點與2個下止點位置；電子控制單元(14)通過發出火花控制信號控制點火時刻不早于對應每個上止點前5°轉子轉角且不晚于對應每個上止點后10°轉子轉角，從而實現二沖程轉子機的點火控制；

采用二次噴水控制燃燒，根據轉子機運轉工況的不同，將轉速分為低于怠速轉速、怠速轉速至額定轉速、額定轉速至最高轉速三個范圍；當轉子機轉速低于額定轉速時，不采用第一次水噴射；當轉子機轉速處于額定轉速與最高轉速之間時，電子控制單元(14)發出水噴嘴控制信號，分別控制第一水噴孔(1)與第二水噴孔(31)的開閉，開啟時刻設置在對應上止點前20°轉子轉角，噴水持續期在5～15°轉子轉角范圍內；

對于第二次水噴射，當轉子機轉速低于怠速轉速時，不采用第二次水噴射；當轉子機轉速處于怠速轉速與最高轉速之間時，電子控制單元(14)發出水噴嘴控制信號，分別控制第一水噴孔(1)與第二水噴孔(31)的開閉，開啟時刻設置在火花塞點火時刻后3～5°轉子轉角，第二次噴水持續期隨轉速的升高而成正比延長，持續期在10～30°轉子轉角范圍內；

3)尾氣能量多次利用策略

轉子機運轉過程中的高溫尾氣經排氣總管(18)流入能量回收裝置(20)中，尾氣依靠自身動能推動能量回收裝置(20)中的機構做功，將動能轉化為機械能；同時，能量回收裝置(20)與偏心軸(24)相連接，將回收的能量傳遞給偏心軸；

通過能量回收裝置(20)流出的尾氣進一步經排氣總管(18)流入換熱器(17)高溫端口，在換熱器(17)內尾氣將熱量傳遞給低溫水，吸收了尾氣余熱的低溫水在低壓水泵(16)的作用下泵入第二儲水罐(13)，運轉過程中，通過電子控制單元(14)的控制，第二儲水罐(13)中的水經高壓水泵(12)由水噴孔噴入燃燒室。