一种基于液氮控温的氢氧内燃机及控制方法

1.本发明设计了一种基于液氮控温的氢氧内燃机及控制方法，具体涉及一种基于液氮换热控制氢气氧气供给温度的装置与控制方法，属于零碳内燃机燃料与进气温度控制领域。


背景技术：

2.随着全球各地日益增长的能源需求，气候变化以及能源安全问题不断凸显，发展可再生燃料受到关注。氢的生产来源广泛，本身不含碳，在未来的脱碳进程中将会扮演重要角色，可以满足世界各地对碳排放重视程度的提高的需求。由于氢气的点火能量较低，以氢为燃料的内燃机可以在稀燃及超低温条件下稳定着火，但却容易出现早燃、爆震、回火等异常燃烧现象。回火发生在进气冲程中，会导致缸内温度和压力突然升高，所产生的火焰会传播到进气道中并引燃进气道中残余的氢气，使得进气道中的温度和压力迅速增加，从而可能破坏进气系统和氢燃料供给系统，进而导致发动机性能的下降，甚至造成发动机结构性破坏。
3.常规氢空发动机的动力性能较差，而氢氧发动机的动力性能好，适应性广，目前航天条件下为航天器供电有采用氢氧发动机的趋势。但氢氧混合气的燃烧速率较氢空混合气高一至两个数量级，这意味着氢氧内燃机需要采用有效的燃烧组织方式控制缸内混合气的放热规律，避免内燃机出现早燃、爆震和回火等异常工况或因承受过高的机械负荷与热负荷而破坏。常规解决发动机早燃、爆震和回火等异常工况的方法有降低进气能量，而常规降低进气能量通常采用中冷，这种方法最多使进气温度处于室温，对于常规燃料适用，但是对于燃烧极其剧烈的氢氧来说无法满足所匹配的低温冷却需求，需要一种能够将进气温度降至零下50℃甚至更低温度的手段以保证氢氧进气能量足够小，增加氢氧混合气反应所需的活化能充能时间，进而抑制氢氧内燃机的异常工况的出现。


技术实现要素：

4.针对氢氧内燃机容易出现早燃、爆震、回火等异常燃烧的现象，本技术提供了一种基于液氮控温的氢氧内燃机及控制方法，协同工况设计控制氢氧气体的进气温度，使氢氧气体在内燃机中安全工作并发挥最大功率密度。
5.本发明解决上述技术问题是通过以下技术方案解决的：
6.本发明采用了如下技术方案：具体涉及一种根据进气歧管工况控制氢氧气体的进气温度的内燃机，包括：氢气供给管路(p1)：氢气从氢气储气罐(1)释放后，依次通过管道经过氢气流量调节器(19)、氢气质量流量计(11)后进入换热器的氢气入口稳压腔(17)，于氢气冷却器换热区(2)与液氮进行换热后，通过氢气出口稳压腔(15)再次进入氢气管路，经过气体升温装置(10)二次调温之后通过进气歧管(7)进入氢氧内燃机；氧气供给管路(p2)：氧气从氧气储气罐(4)释放后，依次通过管道经过氧气流量调节器(22)、氧气质量流量计(12)后进入氧气入口稳压腔(21)，于氧气冷却器换热区(3)与液氮进行换热后，通过氧气出口稳
压腔(18)再次进入氧气管路，气体升温装置(10)二次调温后通过进气歧管(7)进入氢氧内燃机；氢气氧气于氢氧内燃机内燃烧后的废弃通过排气歧管(6)排出；氢气换热所需液氮从第一液氮供给口(14)导入、气化变成气体达到安全压力后自动从第一液氮出口安全阀(13)排出；氧气换热所需液氮从第二液氮供给口(25)导入、气化变成气体达到安全压力后自动从液氮第二出口安全阀(24)排出；由管道组成的气体升温装置(10)利用风扇(20)将氢气氧气与空气进行强制换热。
7.氢气冷却器换热区(2)同氧气冷却器换热区(3)，采用管壳式换热器的设计，于管道内部设置氢气氧气流通通道，于壳体内部设置液氮储存腔室，氢气氧气与液氮之间相隔管道壁进行相互换热温度降低，液氮通过换热升温气化，导致液氮储存腔室压力增加，达到第一液氮出口安全阀(13)及第二液氮出口安全阀(24)的安全压力后排出，保证液氮压力处于正常区间同时也完成了液氮排放。
8.电子控制单元(9)接收火花塞式缸压传感器(16)发出的缸压信号j,根据缸压信号j确定缸内压力，电子控制单元(9)通过导线与风扇(20)相连接，通过发出风扇控制信号i控制风扇(20)的运行功率；
9.电子控制单元(9)接收进气歧管温度传感器(23)发出的温度信号f,根据温度信号f确定进气歧管进气温度，电子控制单元(9)通过导线与风扇(20)相连接，通过发出风扇控制信号e控制风扇(20)的运行功率；
10.电子控制单元(9)接收进气歧管压力传感器(8)发出的压力信号a，根据压力信号a确定进气歧管进气压力，电子控制单元(9)通过导线与风扇(20)相连接，通过发出风扇控制信号b控制风扇(20)的运行功率；
11.电子控制单元(9)通过导线与氢气流量传感器(11)相连接，根据来自氢气质量流量计(11)的流量信号d，通过发出流量调节器开度信号c控制氢气流量调节器(19)的开度；
12.电子控制单元(9)通过导线与氧气流量传感器(12)相连接，根据来自氧气质量流量计(12)的流量信号g，通过发出流量调节器开度信号i控制氧气流量调节器(22)的开度；
13.一种基于液氮控温的氢氧内燃机及控制方法包括以下控制过程：
14.氢气气体从氢气储气罐(1)经氢气流量调节器(19)释放，经过氢气质量流量计(11)后从氢气入口稳压腔(17)进入换热器，经过氢气冷却器换热区(2)被液氮冷却至-150℃，之后出氢气冷却器换热区(2)通过氢气出口稳压腔(15)进入管道，进入气体升温装置(10)升至-120℃，通过进气歧管(7)进入内燃机。
15.氧气气体从氧气储气罐(4)经氧气流量调节器(22)释放，经过氧气质量流量计(12)后从氧气入口稳压腔(21)进入换热器，经过氧气冷却器换热区(3)被液氮冷却至-150℃，之后出氧气冷却器换热区(3)通过氧气出口稳压腔(18)进入管道，进入气体升温装置(10)升至-120℃，通过进气歧管(7)进入内燃机。
16.在内燃机发生回火时，进气歧管的压力波动显著，最大差异达0.4bar/℃a，而正常燃烧时，压力波动小于0.06bar/℃a。ecu(9)通过与传感器和执行器之间的信号交互实施控制：ecu(9)接收来自进气歧管压力传感器(8)的信号a获得当前进气压力p(kpa)，通过当前进气压力p与正常情况对比，若压力波动大于0.06bar/℃a时，即判断氢氧内燃机发生回火，输出信号(b)至风扇(20)，使风扇(20)换热效率降低，进一步达到降低氢气氧气进气能量的目的，不断进行反馈调节，直至进气压力p正常；若压力波动小于0.06bar/℃a，则不输出信
号，维持换热系统原本运行状态，此时保持风扇(20)功率不变。
17.在内燃机发生早燃时，内燃机的着火相位出现异常，基于缸压信号计算着火相位，着火相位定义为某一转角下的燃烧压力大于该转角下倒拖压力的20％，当着火相位早于该循环下点火相位时，判断内燃机出现早燃。ecu(9)接收来自火花塞式缸压传感器(16)的信号j获得当前发动机运行缸内压力p，并根据压力信号计算内燃机的着火相位，若该着火相位早于该循环下点火相位，即判断内燃机出现早燃，将缸压工作信号i发送至风扇(20)，使风扇(20)换热效率降低，直至着火相位对应点火相位；若该着火相位符合该循环下点火相位，则不输出信号，维持换热系统原本运行状态，此时保持风扇(20)功率不变。
18.在内燃机发生爆震时，内燃机进气冲程压力波动显著，dp/d℃a最大差异达10mpa/℃a时，而正常燃烧时，dp/d℃a小于等于5mpa/℃a。ecu(9)接收来自火花塞式缸压传感器(16)的信号j获得当前发动机运行缸内压力p。并根据压力进一步计算压力升高率dp/d℃a，根据dp/d℃a判断氢氧发动机缸内是否发生异常燃烧，若发动机于进气冲程中，dp/d℃a大于等于5mpa/℃a，即判断发动机发生爆震，将缸压工作信号i发送至风扇(20)，使风扇(20)换热效率降低，进一步达到降低氢气氧气进气温度的目的，不断进行反馈调节，直至缸内压力升高率dp/d℃a正常，此时保持风扇(20)功率不变；若dp/d℃a小于5mpa/℃a，则不输出信号，维持换热系统原本运行状态，此时保持风扇(20)功率不变。
19.本发明的有益效果是，针对氢氧内燃机容易出现早燃、爆震、回火等异常燃烧导致发动机性能的下降，甚至促使发动机熄火并停止运转的问题，本发明提供一种基于液氮控温的氢氧内燃机及控制方法。该发明通过进气歧管压力传感器、进气歧管温度传感器和缸压传感器获取进气歧管压力信号、进气歧管温度信号和缸压信号，配合电控换热器强制对流换热功率实现了在发动机运行过程中实时改变发动机进气温度及进气能量，通过对进气歧管内压力的检测来决定强制对流换热的强度变化规律，使发动机所进气体的能量满足既不影响点火也不会出现早燃、爆震、回火等异常燃烧的需求。
附图说明
20.图1.本发明的结构和工作原理图
21.图1中：氢气供给管路(p1):氢气储气罐(1)、氢气流量调节器(19)、氢气质量流量计(11)、氢气入口稳压腔(17)、氢气冷却器换热区(2)、氢气出口稳压腔(15)、气体升温装置(10)、进气歧管(7)；氧气供给管路(p2)：氧气储气罐(4)、氧气流量调节器(22)、氧气质量流量计(12)、氧气入口稳压腔(21)、氧气冷却器换热区(3)、氧气出口稳压腔(18)、气体升温装置(10)、进气歧管(7)；第一液氮供给口(14)、第一液氮出口安全阀(13)、第二液氮供给口(25)、第二液氮出口安全阀(24)；风扇(20)。排气管路(p3)：排气歧管(6)；ecu(9)获取来自进气歧管压力传感器(8)的压力信号(a)，输出信号(b)至气体升温装置(10)；获取来自进气歧管温度传感器(23)的温度信号(f)，输出信号(e)至气体升温装置(10)；获取来自火花塞式缸压传感器(16)的缸压信号(j)，输出信号(i)至气体升温装置(10)；获取来自氧气质量流量计(12)的流量信号(g)，输出信号(h)至氧气流量调节器(22)；获取来自氢气质量流量计(11)的流量信号(d)，输出信号(c)至氢气流量调节器(19)。
具体实施方式
22.下面结合附图和具体实施方式对于本发明做进一步的说明：
23.图1中：氢气供给管路(p1)：氢气从氢气储气罐(1)释放后，依次通过管道经过氢气流量调节器(19)、氢气质量流量计(11)后进入换热器的氢气入口稳压腔(17)，于氢气冷却器换热区(2)与液氮进行换热后，通过氢气出口稳压腔(15)再次进入氢气管路，经过气体升温装置(10)二次调温之后通过进气歧管(7)进入氢氧内燃机；氧气供给管路(p2)：氧气从氧气储气罐(4)释放后，依次通过管道经过氧气流量调节器(22)、氧气质量流量计(12)后进入氧气入口稳压腔(21)，于氧气冷却器换热区(3)与液氮进行换热后，通过氧气出口稳压腔(18)再次进入氧气管路，气体升温装置(10)二次调温后通过进气歧管(7)进入氢氧内燃机；氢气氧气于氢氧内燃机内燃烧后的废弃通过排气歧管(6)排出；氢气换热所需液氮从第一液氮供给口(14)导入、气化变成气体达到安全压力后自动从第一液氮出口安全阀(13)排出；氧气换热所需液氮从第二液氮供给口(25)导入、气化变成气体达到安全压力后自动从液氮第二出口安全阀(24)排出；由管道组成的气体升温装置(10)利用风扇(20)将氢气氧气与空气进行强制换热。
24.氢气冷却器换热区(2)同氧气冷却器换热区(3)，采用管壳式换热器的设计，于管道内部设置氢气氧气流通通道，于壳体内部设置液氮储存腔室，氢气氧气与液氮之间相隔管道壁进行相互换热温度降低，液氮通过换热升温气化，导致液氮储存腔室压力增加，达到第一液氮出口安全阀(13)及第二液氮出口安全阀(24)的安全压力后排出，保证液氮压力处于正常区间同时也完成了液氮排放。
25.电子控制单元(9)接收火花塞式缸压传感器(16)发出的缸压信号j,根据缸压信号j确定缸内压力，电子控制单元(9)通过导线与风扇(20)相连接，通过发出风扇控制信号i控制风扇(20)的运行功率；
26.电子控制单元(9)接收进气歧管温度传感器(23)发出的温度信号f,根据温度信号f确定进气歧管进气温度，电子控制单元(9)通过导线与风扇(20)相连接，通过发出风扇控制信号e控制风扇(20)的运行功率；
27.电子控制单元(9)接收进气歧管压力传感器(8)发出的压力信号a，根据压力信号a确定进气歧管进气压力，电子控制单元(9)通过导线与风扇(20)相连接，通过发出风扇控制信号b控制风扇(20)的运行功率；
28.电子控制单元(9)通过导线与氢气流量传感器(11)相连接，根据来自氢气质量流量计(11)的流量信号d，通过发出流量调节器开度信号c控制氢气流量调节器(19)的开度；
29.电子控制单元(9)通过导线与氧气流量传感器(12)相连接，根据来自氧气质量流量计(12)的流量信号g，通过发出流量调节器开度信号i控制氧气流量调节器(22)的开度；
30.一种基于液氮控温的氢氧内燃机及控制方法包括以下控制过程：
31.氢气气体从氢气储气罐(1)经氢气流量调节器(19)释放，经过氢气质量流量计(11)后从氢气入口稳压腔(17)进入换热器，经过氢气冷却器换热区(2)被液氮冷却至-150℃，之后出氢气冷却器换热区(2)通过氢气出口稳压腔(15)进入管道，进入气体升温装置(10)升至-120℃，通过进气歧管(7)进入内燃机。
32.氧气气体从氧气储气罐(4)经氧气流量调节器(22)释放，经过氧气质量流量计(12)后从氧气入口稳压腔(21)进入换热器，经过氧气冷却器换热区(3)被液氮冷却至-150
℃，之后出氧气冷却器换热区(3)通过氧气出口稳压腔(18)进入管道，进入气体升温装置(10)升至-120℃，通过进气歧管(7)进入内燃机。
33.在内燃机发生回火时，进气歧管的压力波动显著，最大差异达0.4bar/℃a，而正常燃烧时，压力波动小于0.06bar/℃a。ecu(9)通过与传感器和执行器之间的信号交互实施控制：ecu(9)接收来自进气歧管压力传感器(8)的信号a获得当前进气压力p(kpa)，通过当前进气压力p与正常情况对比，若压力波动大于0.06bar/℃a时，即判断氢氧内燃机发生回火，输出信号(b)至风扇(20)，使风扇(20)换热效率降低，进一步达到降低氢气氧气进气能量的目的，不断进行反馈调节，直至进气压力p正常；若压力波动小于0.06bar/℃a，则不输出信号，维持换热系统原本运行状态，此时保持风扇(20)功率不变。
34.在内燃机发生早燃时，内燃机的着火相位出现异常，基于缸压信号计算着火相位，着火相位定义为某一转角下的燃烧压力大于该转角下倒拖压力的20％，当着火相位早于该循环下点火相位时，判断内燃机出现早燃。ecu(9)接收来自火花塞式缸压传感器(16)的信号j获得当前发动机运行缸内压力p，并根据压力信号计算内燃机的着火相位，若该着火相位早于该循环下点火相位，即判断内燃机出现早燃，将缸压工作信号i发送至风扇(20)，使风扇(20)换热效率降低，直至着火相位对应点火相位；若该着火相位符合该循环下点火相位，则不输出信号，维持换热系统原本运行状态，此时保持风扇(20)功率不变。
35.在内燃机发生爆震时，内燃机进气冲程压力波动显著，dp/d℃a最大差异达10mpa/℃a时，而正常燃烧时，dp/d℃a小于等于5mpa/℃a。ecu(9)接收来自火花塞式缸压传感器(16)的信号j获得当前发动机运行缸内压力p。并根据压力进一步计算压力升高率dp/d℃a，根据dp/d℃a判断氢氧发动机缸内是否发生异常燃烧，若发动机于进气冲程中，dp/d℃a大于等于5mpa/℃a，即判断发动机发生爆震，将缸压工作信号i发送至风扇(20)，使风扇(20)换热效率降低，进一步达到降低氢气氧气进气温度的目的，不断进行反馈调节，直至缸内压力升高率dp/d℃a正常，此时保持风扇(20)功率不变；若dp/d℃a小于5mpa/℃a，则不输出信号，维持换热系统原本运行状态，此时保持风扇(20)功率不变。
36.本实施例对各种工况进行了如下实验：
37.实验发动机为某排量为1.2l，燃烧室最大设计承载压力为8.3mpa常规氢氧发动机，实验时，将发动机曲轴与测功机相连接，通过测功机将发动机转速稳定在2000r/min，通过电子控制单元的通讯标定软件读取缸压和压力升高率数据。将氢氧输气管路分别与对应升降温换热器进行连接，之后将输气管路通入发动机进气歧管，发动机进气歧管内部布置温度传感器和压力传感器，于火花塞处设置爆震传感器，并将传感器信号输送至电子控制单元进行分析。在该测试系统上进行了如下实验：
38.(1)缸内压力异常实验
39.发动机在2000r/min，有效转矩40nm条件下运行，电子控制单元通过接收来自火花塞式缸压传感器的缸压信号获得缸内压力最大值为5.35mpa，火花塞爆震传感器通过压力振荡最大振幅法检测缸内情况，当氢氧当量比为2，氢氧进气温度为室温25℃时，此时火花塞爆震传感器显示发动机缸压最大波动达9.4mpa/℃a，着火相位早于点火相位，出现爆震、回火异常工况，根据上述信号，电子控制单元发出气体升温装置功率控制信号控制换热系统，使风扇的换热功率提高，当氢氧进气温度降低至-53℃时，火花塞爆震传感器检测缸内压力波动明显趋于正常，但仍然出现4.6mpa/℃a的压力波动，着火相位偶尔早于点火相位，
此时电子控制单元持续发出提高风扇工作效率的信号，当氢氧进气温度降低至-76℃左右时，火花塞爆震传感器检测缸内偶尔出现1.3mpa/℃a，此时已达到控制内燃机异常工况的目的，电子控制单元继续发出控制信号，使氢氧进气温度降低至-102℃，此时缸内压力波动降低至正常范围，消除发动机早燃、回火异常工况。
40.(2)进气歧管异常实验
41.发动机在2000r/min，有效转矩40nm条件下运行，当氢氧当量比为2，氢氧进气温度为室温25℃时，电子控制单元通过接收发动机进气歧管内部布置温度传感器和压力传感器的信号，发现进气歧管内部压力异常波动达到0.4bar，最大温度达到279℃，说明发动机进气歧管出现回火现象，根据上述信号，电子控制单元发出气体升温装置功率控制信号控制换热系统，使风扇的换热功率提高，当氢氧进气温度降低至-60℃时，进气歧管压力波动明显减弱至0.06bar，最大温度达到307℃，说明进气能量降低有效抑制了回火现象，但是回火现象依然存在，当氢氧进气温度降低至-97℃时，进气歧管压力趋于稳定，进气歧管温度趋于正常，达到抑制发动机回火异常现象的目的。
42.上述内燃机台架实验结果表明，采用本发明提供的一种基于液氮控温的氢氧内燃机能够在不同的发动机异常工况条件下根据进气歧管温度信息、进气歧管压力信息和缸压信息实时控制发动机进气压力，在缸内压力异常及进气歧管温度压力异常的情况下，通过降低进气温度降低进气能量，达到抑制发动机早燃、爆震和回火现象，从而实现发动机的高效、稳定运行。

技术特征：
120℃，通过进气歧管(7)进入内燃机；在内燃机发生回火时，进气歧管的压力波动显著，最大差异达0.4bar/℃a，而正常燃烧时，压力波动小于0.06bar/℃a；ecu(9)通过与传感器和执行器之间的信号交互实施控制：ecu(9)接收来自进气歧管压力传感器(8)的信号a获得当前进气压力p(kpa)，通过当前进气压力p与正常情况对比，若压力波动大于0.06bar/℃a时，即判断氢氧内燃机发生回火，输出信号(b)至风扇(20)，使风扇(20)换热效率降低，进一步达到降低氢气氧气进气能量的目的，不断进行反馈调节，直至进气压力p正常；若压力波动小于0.06bar/℃a，则不输出信号，维持换热系统原本运行状态，此时保持风扇(20)功率不变；在内燃机发生早燃时，内燃机的着火相位出现异常，基于缸压信号计算着火相位，着火相位定义为某一转角下的燃烧压力大于该转角下倒拖压力的20％，当着火相位早于该循环下点火相位时，判断内燃机出现早燃；ecu(9)接收来自火花塞式缸压传感器(16)的信号j获得当前发动机运行缸内压力p，并根据压力信号计算内燃机的着火相位，若该着火相位早于该循环下点火相位，即判断内燃机出现早燃，将缸压工作信号i发送至风扇(20)，使风扇(20)换热效率降低，直至着火相位对应点火相位；若该着火相位符合该循环下点火相位，则不输出信号，维持换热系统原本运行状态，此时保持风扇(20)功率不变；在内燃机发生爆震时，内燃机进气冲程压力波动显著，dp/d℃a最大差异达10mpa/℃a时，而正常燃烧时，dp/d℃a小于等于5mpa/℃a；ecu(9)接收来自火花塞式缸压传感器(16)的信号j获得当前发动机运行缸内压力p；并根据压力进一步计算压力升高率dp/d℃a，根据dp/d℃a判断氢氧发动机缸内是否发生异常燃烧，若发动机于进气冲程中，dp/d℃a大于等于5mpa/℃a，即判断发动机发生爆震，将缸压工作信号i发送至风扇(20)，使风扇(20)换热效率降低，进一步达到降低氢气氧气进气温度的目的，不断进行反馈调节，直至缸内压力升高率dp/d℃a正常，此时保持风扇(20)功率不变；若dp/d℃a小于5mpa/℃a，则不输出信号，维持换热系统原本运行状态，此时保持风扇(20)功率不变。

技术总结
本发明提出了一种基于液氮控温的氢氧内燃机及控制方法，具体内容涉及氢氧进排气控制技术和进气系统控温技术。本发明在保留内燃机本体全部零件的基础上增加了一套液氮冷却系统、一套风冷换热系统及一套温度电控系统。液氮冷却系统包括两台液氮管壳式换热器，通过将液氮置于壳体内部，气体置于管道内部，达到迅速降低气体温度的目的；风冷换热系统通过风扇的工作效率对管道进行强制换热，达到提高气体温度的目的；温度电控系统根据发动机工况及进气歧管工况特点判定发动机是否出现异常工况，发出信号对温控模块进行反馈调节，使发动机所进气体的能量满足既不影响点火也不会出现早燃、爆震、回火等异常燃烧的需求。回火等异常燃烧的需求。回火等异常燃烧的需求。


技术研发人员：汪硕峰 杨淏文 申健璞
受保护的技术使用者：北京工业大学
技术研发日：2023.03.13
技术公布日：2023/7/7