本發(fā)明涉及內(nèi)燃機(jī)，特別涉及一種基于復(fù)合噴水和主動(dòng)預(yù)燃室的氬氣循環(huán)氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)及其缸內(nèi)溫度控制方法。

背景技術(shù)：

1、氫氣作為一種不含碳的可再生能源，有潛力成為實(shí)現(xiàn)超稀薄燃燒并獲得高熱效率的內(nèi)燃機(jī)燃料，但目前氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)仍然面臨著nox排放的問(wèn)題，同時(shí)，其熱效率仍有進(jìn)一步提高的空間。氬氣循環(huán)(argon?power?cycle，apc)氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)是一種閉式循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)，通過(guò)使用氬氣替代空氣中的氮?dú)?，以氬氧混合氣作為氧化劑，以氫氣作為燃料。在理想狀態(tài)下，由于反應(yīng)只生成水，氬氣可以在排氣端與水蒸氣分離后作為循環(huán)工質(zhì)繼續(xù)使用。

2、然而，由于工質(zhì)比熱容比提高，其壓縮終了溫度、燃燒速度等也有所提高，將導(dǎo)致如爆震等異常燃燒現(xiàn)象的發(fā)生，進(jìn)而限制apc氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際工作的壓縮比。

3、因此，開(kāi)發(fā)一種基于復(fù)合噴水和主動(dòng)預(yù)燃室的氬氣循環(huán)氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)及其缸內(nèi)溫度控制方法對(duì)抑制原始工況中的爆震具有重大意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是提供一種基于復(fù)合噴水和主動(dòng)預(yù)燃室的氬氣循環(huán)氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)及其缸內(nèi)溫度控制方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題。

2、為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的而采用的技術(shù)方案是這樣的，一種基于復(fù)合噴水和主動(dòng)預(yù)燃室的氬氣循環(huán)氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)，包括氬循環(huán)內(nèi)燃機(jī)機(jī)體、主動(dòng)預(yù)燃室點(diǎn)火系統(tǒng)、燃料供給系統(tǒng)、復(fù)合水噴射系統(tǒng)和電子控制系統(tǒng)。

3、所述氬循環(huán)內(nèi)燃機(jī)機(jī)體包括氣缸缸體、氣缸蓋和活塞。所述氣缸缸體頂部設(shè)有氣缸蓋。所述氣缸缸體內(nèi)部設(shè)有活塞。所述活塞、氣缸缸體和缸蓋合圍形成燃燒室。所述氣缸蓋兩側(cè)分別設(shè)有進(jìn)氣歧管和排氣歧管。

4、所述主動(dòng)預(yù)燃室點(diǎn)火系統(tǒng)包括預(yù)燃室腔體，以及設(shè)置在預(yù)燃室腔體內(nèi)的火花塞和中壓氫氣噴嘴。所述預(yù)燃室腔體底部設(shè)有至少兩個(gè)射流噴孔。所述射流噴孔設(shè)置在缸蓋上且朝向燃燒室。

5、所述燃料供給系統(tǒng)包括氫燃料罐和氫氣出口管道。所述氫燃料罐內(nèi)存儲(chǔ)有氫燃料。所述氫出口管道的一端與氫燃料罐連接，另一端與中壓氫氣噴嘴連接。所述氫出口管道的管路上設(shè)置有中壓氫氣減壓閥和中壓氫氣流量傳感器。

6、所述復(fù)合水噴射系統(tǒng)包括水箱、水泵、高壓水泵、高壓水共軌、換熱器、缸內(nèi)高溫水噴嘴和進(jìn)氣道水噴嘴。所述進(jìn)氣道水噴嘴安裝在進(jìn)氣歧管上。所述進(jìn)氣道水噴嘴與水泵通過(guò)管路連接。所述缸內(nèi)高溫水噴嘴安裝在燃燒室。所述缸內(nèi)高溫水噴嘴與高壓水共軌通過(guò)管路連接。所述換熱器通過(guò)管路與高壓水共軌連接。所述水箱中存儲(chǔ)有常壓噴射用水。所述水箱具有一個(gè)進(jìn)水口和兩個(gè)出水口。所述水箱的兩個(gè)出水口分別與換熱器以及水泵連通。所述水箱與換熱器之間的管路上設(shè)置有高壓水泵。所述換熱器出口和入口之間接有水溫平衡管線(xiàn)。所述水溫平衡管線(xiàn)上設(shè)置有水溫平衡閥。所述高壓水共軌和換熱器之間的管線(xiàn)上設(shè)置有溫度傳感器。

7、所述電子控制系統(tǒng)包括閉環(huán)控制器，以及離子電流傳感單元、壓力傳感器或爆震傳感器中的一個(gè)或多個(gè)的組合。所述離子電流傳感單元包括離子電流信號(hào)處理裝置、高壓離子電流供電裝置和缸內(nèi)離子電流傳感器。所述中壓氫氣減壓閥、中壓氫氣流量傳感器、進(jìn)氣道水噴嘴、缸內(nèi)高溫水噴嘴、高壓水共軌、離子電流信號(hào)處理裝置、溫度傳感器、水溫平衡閥、高壓水泵和水泵均與閉環(huán)控制器連接。所述爆震傳感器、壓力傳感器、缸內(nèi)離子電流傳感器安裝在氬循環(huán)內(nèi)燃機(jī)機(jī)體的燃燒室內(nèi)。所述爆震傳感器通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)與閉環(huán)控制器相連。所述壓力傳感器通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)與閉環(huán)控制器相連。所述高壓離子電流供電裝置將電壓施加在氬循環(huán)內(nèi)燃機(jī)機(jī)體的氣缸缸體和燃燒室上。

8、工作時(shí)，氫氣作為內(nèi)燃機(jī)的燃料，氧氣作為氧化劑參與燃燒，氬氣作為推動(dòng)活塞的介質(zhì)。氧氣、氬氣與氫氣在燃燒室混合。通過(guò)在燃燒室內(nèi)燃燒氫氣使氬氣膨脹，從而輸出動(dòng)力。所述離子電流傳感單元、壓力傳感器和/或爆震傳感器監(jiān)測(cè)缸內(nèi)爆震信號(hào)。所述爆震傳感器和壓力傳感器將輸出信號(hào)傳遞至閉環(huán)控制器。所述缸內(nèi)離子電流傳感器檢測(cè)缸內(nèi)離子電流信號(hào)并傳遞至離子電流信號(hào)處理裝置。所述離子電流信號(hào)處理裝置對(duì)缸內(nèi)離子電流信號(hào)進(jìn)行信號(hào)處理，提取出缸內(nèi)爆震特征信號(hào)并傳遞至閉環(huán)控制器。所述水箱內(nèi)噴射用水輸送至進(jìn)氣道水噴嘴后，進(jìn)氣道水噴嘴進(jìn)行霧化噴水，降低進(jìn)氣溫度，防止發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)熱。所述水箱內(nèi)噴射用水經(jīng)高壓水泵和換熱器加壓加熱后，積蓄在高壓水共軌的共軌腔中。當(dāng)缸內(nèi)爆震最大特征值與下閾值的差值大于零時(shí)，高壓水共軌消除噴射用水中的壓力波動(dòng)后，將噴射用水輸送至缸內(nèi)高溫水噴嘴對(duì)缸內(nèi)進(jìn)行噴射，增加做功工質(zhì)質(zhì)量，提升內(nèi)燃機(jī)熱效率。所述閉環(huán)控制器依據(jù)當(dāng)前內(nèi)燃機(jī)工作狀態(tài)和缸內(nèi)爆震特征信號(hào)，調(diào)節(jié)缸內(nèi)水噴射策略和進(jìn)氣道水噴射策略。所述閉環(huán)控制器依據(jù)當(dāng)前內(nèi)燃機(jī)工作狀態(tài)和缸內(nèi)爆震特征信號(hào)，調(diào)節(jié)燃料供給策略。

9、進(jìn)一步，還包括冷凝器。所述冷凝器與水箱的進(jìn)水口單向連通。所述冷凝器與進(jìn)氣歧管和排氣歧管連通。高溫尾氣通過(guò)排氣歧管進(jìn)入冷凝器進(jìn)行冷凝分離。冷凝后水蒸氣轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)水從而實(shí)現(xiàn)氬氣與水蒸氣分離，將分離后的液態(tài)水通入水箱中儲(chǔ)存，分離后的氬氣再次供給至進(jìn)氣歧管中實(shí)現(xiàn)氬氣循環(huán)，解決氬氣氛圍下如何實(shí)現(xiàn)氬氣再利用的問(wèn)題。

10、進(jìn)一步，所述閉環(huán)控制器依據(jù)節(jié)氣門(mén)開(kāi)度調(diào)節(jié)中壓氫氣減壓閥，控制輸送氫氣壓力范圍控制為10bar～100bar。氫燃料運(yùn)送至中壓氫氣噴嘴并調(diào)節(jié)噴射壓力進(jìn)行噴射后，氫燃料進(jìn)入預(yù)燃室腔體，借助于中壓噴射以及預(yù)燃室和主燃室的壓差，噴入的氫氣與燃燒室內(nèi)的氧氣/氬氣進(jìn)行混合，形成均勻混合氣。所述火花塞在合適的點(diǎn)火時(shí)刻，引燃預(yù)燃室內(nèi)混合氣，對(duì)主燃室進(jìn)行射流點(diǎn)火。

11、進(jìn)一步，所述水箱采用換熱器維持水溫。所述換熱器的熱源來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程釋放的熱量。

12、進(jìn)一步，所述高壓離子電流供電裝置、離子電流信號(hào)處理裝置和閉環(huán)控制器均由車(chē)載蓄電池供電。

13、進(jìn)一步，管線(xiàn)采用隔熱保溫耐壓不銹鋼管或軟管。

14、進(jìn)一步，所述高壓離子電流供電裝置將50～300v的直流電壓施加至氬循環(huán)內(nèi)燃機(jī)機(jī)體的氣缸缸體和燃燒室上。

15、進(jìn)一步，所述離子電流信號(hào)處理裝置將監(jiān)測(cè)到的離子電流信號(hào)進(jìn)行濾波、放大、數(shù)模轉(zhuǎn)換、積分以及最大特征值提取信號(hào)處理，提取缸內(nèi)爆震信息，并通過(guò)can通訊協(xié)議與閉環(huán)控制器進(jìn)行通訊。

16、進(jìn)一步，所述節(jié)氣門(mén)閥門(mén)根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷調(diào)整進(jìn)氣量。

17、本發(fā)明還公開(kāi)一種用于運(yùn)行上述基于復(fù)合噴水和主動(dòng)預(yù)燃室的氬氣循環(huán)氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)的方法，閉環(huán)控制器根據(jù)目標(biāo)水溫，控制水溫平衡閥實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)高壓水輸出溫度并實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)高壓水泵的輸出流量。閉環(huán)控制器根據(jù)內(nèi)燃機(jī)工作狀態(tài)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)缸內(nèi)高溫水噴嘴的噴射時(shí)刻、噴射脈寬和噴水量。所述閉環(huán)控制器根據(jù)內(nèi)燃機(jī)工作狀態(tài)和缸內(nèi)爆震強(qiáng)度實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)水泵和進(jìn)氣道水噴嘴的噴射策略來(lái)輔助缸內(nèi)噴水。所述閉環(huán)控制器根據(jù)內(nèi)燃機(jī)工作狀態(tài)和缸內(nèi)爆震強(qiáng)度實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)中壓氫氣減壓閥和中壓氫氣流量傳感器的燃料供給策略來(lái)輔助缸內(nèi)噴水抑制爆震。

18、本發(fā)明還公開(kāi)一種車(chē)輛系統(tǒng)，包括上述任意一項(xiàng)基于復(fù)合噴水和主動(dòng)預(yù)燃室的氬氣循環(huán)氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)。

19、本發(fā)明的技術(shù)效果是毋庸置疑的：

20、a.閉環(huán)控制器精確調(diào)節(jié)缸內(nèi)高溫水噴嘴噴射脈寬與噴射時(shí)刻，結(jié)合進(jìn)氣道噴水策略和燃料供給策略實(shí)現(xiàn)最高效、最優(yōu)化的缸內(nèi)爆震控制，同時(shí)實(shí)現(xiàn)缸內(nèi)燃燒最優(yōu)化提升內(nèi)燃機(jī)性能；

21、b.通過(guò)主動(dòng)預(yù)燃室的中壓噴氫系統(tǒng)簡(jiǎn)化了氬氣循環(huán)氫燃料內(nèi)燃機(jī)的燃料供給系統(tǒng)，以單套噴射系統(tǒng)完成主動(dòng)預(yù)燃室以及主燃室的燃料噴射工作。