吳東偉孫柏剛韓國鵬

（1.北京理工大學(xué)；2.北京電動車輛協(xié)同創(chuàng)新中心；3.天津大學(xué) 內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗室）

氫-汽油雙燃料發(fā)動機(jī)切換點(diǎn)控制策略

吳東偉1,2孫柏剛1,2韓國鵬3

（1.北京理工大學(xué)；2.北京電動車輛協(xié)同創(chuàng)新中心；3.天津大學(xué) 內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗室）

以某2.0 L發(fā)動機(jī)為研究對象，通過試驗和仿真分析燃用氫-汽油兩種燃料各自的優(yōu)缺點(diǎn)。結(jié)合萬有特性曲線，確定雙燃料發(fā)動機(jī)的燃料切換點(diǎn)，并基于扭矩連續(xù)的控制策略計算得到了切換期內(nèi)的節(jié)氣門開度和兩種燃料各自發(fā)出的扭矩值及燃料流量值。通過控制節(jié)氣門開度、混合氣濃度可實(shí)現(xiàn)雙燃料切換過程中的扭矩連續(xù)變化，表明該控制策略可行。

1 前言

傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)尾氣排放中含有CO、NOx、HC、PM、CO2等成分，隨著機(jī)動車數(shù)量的增加，能源危機(jī)與環(huán)境污染將日趨嚴(yán)重。利用氫氣在內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)燃燒是緩解這一問題的重要方式之一[1、2]。目前氫氣的儲存、運(yùn)輸成本高，加氫站數(shù)量少、分布不均衡，沒有形成系統(tǒng)完整的供氫網(wǎng)絡(luò)，氫燃料電池、氫氣發(fā)動機(jī)的使用受到了基礎(chǔ)設(shè)施不足的制約[1]。

氫氣、空氣混合的可燃范圍是4%～75%。汽油機(jī)易實(shí)現(xiàn)稀薄燃燒，小負(fù)荷效率高、排放特性好，但大功率動力性不足；汽油機(jī)大負(fù)荷運(yùn)行時有效燃油消耗率低，但小負(fù)荷油耗高[2～4]。氫-汽油雙燃料發(fā)動機(jī)在冷起動、怠速及小負(fù)荷工況采用純氫燃料燃燒[5]，在高負(fù)荷時要將氫氣切換為汽油，其結(jié)合二者的優(yōu)點(diǎn)，使工作區(qū)域的整體熱效率高，是最佳特性的組合，并且能夠?qū)崿F(xiàn)有氫用氫，沒氫用汽油，延長加氫的間隔時間，解決加氫難的問題。兩種燃料切換時帶來的問題是扭矩的變化不連續(xù)，如解決這一問題可以很大程度增加氫-汽油雙燃料發(fā)動機(jī)的可使用性[6]。

2 氫-汽油雙燃料發(fā)動機(jī)切換點(diǎn)的確定方法

通過試驗以及仿真計算獲得氫內(nèi)燃機(jī)和汽油機(jī)的萬有特性數(shù)據(jù)。將氫內(nèi)燃機(jī)的萬有特性數(shù)據(jù)導(dǎo)入汽油機(jī)的萬有特性圖中，調(diào)整后的圖形如圖1所示。其中，加粗實(shí)線為氫內(nèi)燃機(jī)萬有特性圖的外特性線，代表不同轉(zhuǎn)速下氫內(nèi)燃機(jī)能夠達(dá)到的最大平均有效壓力，選擇該曲線作為氫燃料的切換曲線。以純氫為燃料，當(dāng)量比為0.6時繪制出的氫內(nèi)燃機(jī)萬有特性中的外特性曲線與汽油機(jī)萬有特性曲線的交點(diǎn)作為汽油燃料的切換點(diǎn)。試驗數(shù)據(jù)表明，該內(nèi)燃機(jī)在以氫氣為燃料時，其當(dāng)量比達(dá)到0.6后的NOx排放仍能較好的滿足排放要求。分別計算當(dāng)量比為0.6時不同轉(zhuǎn)速下氫內(nèi)燃機(jī)的平均有效壓力和燃油消耗率，結(jié)果如表1所列。

表1 當(dāng)量比為0.6時氫內(nèi)燃機(jī)性能指標(biāo)

將該表1中的數(shù)據(jù)導(dǎo)入氫、汽油發(fā)動機(jī)的萬有特性圖中，如圖1中虛線所示。

發(fā)動機(jī)燃料切換時扭矩保持連續(xù)，需要首先確定切換點(diǎn)處的扭矩值。在切換時通過控制節(jié)氣門的開度以及可燃混合氣的濃度來保持扭矩。

切換點(diǎn)處的扭矩值可以使用平均有效壓力pme進(jìn)行計算：

式中，Vs為單氣缸的容積；i為氣缸數(shù)；τ為沖程數(shù)。

扭矩計算完成后的結(jié)果如圖2所示。

切換前內(nèi)燃機(jī)燃用氫氣時節(jié)氣門全開，因此只需確定切換后汽油機(jī)的節(jié)氣門開度即可。使用曲線擬合法進(jìn)行計算，用汽油機(jī)的平均有效壓力與節(jié)氣門開度之間的關(guān)系數(shù)據(jù)擬合出不同轉(zhuǎn)速下發(fā)動機(jī)的扭矩與節(jié)氣門開度之間的特性曲線，并計算出在指定平均有效壓力下的節(jié)氣門開度。采用此方法計算出各個轉(zhuǎn)速下的擬合曲線和切換點(diǎn)處的節(jié)氣門開度，其結(jié)果如圖3所示。

3 基于扭矩連續(xù)的控制策略

發(fā)動機(jī)的輸出扭矩在切換點(diǎn)之間連續(xù)變化才能保證過渡平穩(wěn)。控制策略為切換過程中噴氫量逐漸減少，汽油供應(yīng)量逐漸增多。默認(rèn)在此期間發(fā)動機(jī)內(nèi)同時進(jìn)行氫、汽油兩種燃料的燃燒，并且認(rèn)為兩種燃料在氣缸內(nèi)獨(dú)立燃燒，分別發(fā)出扭矩值，保證總扭矩值連續(xù)變化。計算得出此扭矩的氫流量和汽油流量，以3 000 r/min為例介紹其計算過程。

3.1 切換過程中的計算點(diǎn)及扭矩分配

切換時節(jié)氣門由全開變?yōu)椴糠珠_啟，扭矩值由切換前變?yōu)榍袚Q后的值，此過程中假設(shè)并且期望節(jié)氣門開度和扭矩均發(fā)生理想的連續(xù)線性變化。切換過程中扭矩由兩種燃料共同提供，兩燃料各自發(fā)出的扭矩值也認(rèn)為是線性連續(xù)變化的，計算得到切換過程中的扭矩分配值如圖4所示。

3.2 計算點(diǎn)處的空氣流量確定

實(shí)現(xiàn)計算點(diǎn)處的扭矩值，首先要確定其空氣流量值，然后再根據(jù)空氣流量計算噴氫量和噴油量，實(shí)現(xiàn)設(shè)定扭矩。計算點(diǎn)處空氣流量的確定也采用曲線擬合法，節(jié)氣門開度與空氣流量的對應(yīng)關(guān)系結(jié)果如圖5所示。然后根據(jù)擬合曲線計算得到3 000 r/min時切換點(diǎn)處的空氣流量。

3.3 切換過程中燃料流量的確定

切換過程中將燃燒過程簡化為兩種燃料在氣缸中各自占用一定體積分別進(jìn)行燃燒，不發(fā)生相互影響。以3 000 r/min為例，分別確定切換過程中氫流量和汽油流量。

根據(jù)試驗曲線可以確定3 000 r/min時的充量系數(shù)和機(jī)械效率(認(rèn)為切換過程中二者均不發(fā)生變化）分別為Φc=0.9，ηm=0.9。

切換過程中氫逐漸減少，汽油逐漸增多，此過程按照氫分得的空氣以及在氣缸中所占的體積線性減少到零（汽油則線性增加）進(jìn)行計算，計算得到氫分配到的空氣和氣缸容積。

式中，Φa為過量空氣系數(shù)；Hu為燃料的低熱值，氫的Hu=119 640 kJ/kg,汽油的Hu=46 000 kJ/kg；ps為進(jìn)氣管壓力；l0為燃料的化學(xué)計量空燃比，汽油取14.7，氫取34.0；Ts為進(jìn)氣溫度。

則燃料流量為：

式中，α為循環(huán)進(jìn)氣量，由于認(rèn)為兩種燃料獨(dú)立進(jìn)行燃燒且將燃燒室空間進(jìn)行分配，因此α實(shí)際上代表燃料分配到的循環(huán)空氣量。

計算得到3 000 r/min切換時燃油流量如圖6所示。

4 結(jié)束語

分別分析氫、汽油發(fā)動機(jī)的性能特性，根據(jù)聯(lián)合萬有特性圖先確定切換點(diǎn)，計算切換點(diǎn)處的節(jié)氣門開度及扭矩值；然后提出燃燒模型假設(shè)：兩種燃料在內(nèi)燃機(jī)中獨(dú)立燃燒，并根據(jù)假設(shè)進(jìn)行了切換時燃料的扭矩、空氣量分配值的計算；最后用所得數(shù)據(jù)計算得出切換過程中各計算點(diǎn)的過量空氣系數(shù)和燃料流量。從而完成了雙燃料發(fā)動機(jī)基于扭矩連續(xù)的控制策略。

1 孫柏剛，趙建輝.氫內(nèi)燃機(jī)NOx排放特性的試驗研究.內(nèi)燃機(jī)工程，2011,32（2）：53～56.

2 James W Heffel.NOxemission reduction in a hydrogen fu?eled internal combustion engine at 3000 r/min using ex?haust gas recirculation.International Journal of Hydrogen Energy,2003,28:1286～1292.

3 孫柏剛,向清華,劉福水.氫內(nèi)燃機(jī)及整車性能試驗研究.北京理工大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）,2012（10）:1026～1030.

4 James W Heffel.NOxemission and performance data for a hydrogen fueled internal combustion engine at 1500r/min using exhaust gas reciculation.International Journal of Hy?drogen Energy,2003,28:901～908.

5 孫柏剛，張冬生，劉福水.氫內(nèi)燃機(jī)循環(huán)變動特性.燃燒科學(xué)與技術(shù),2013（4）:311～316.

6 孫柏剛,孟凡騰,劉福水.大功率氫內(nèi)燃機(jī)增壓匹配與參數(shù)優(yōu)化.北京理工大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）,2013,33(11): 1130～1134.

（責(zé)任編輯晨 曦）

修改稿收到日期為2015年8月1日。

Switch Point Control Strategy of Hydrogen-gasoline Engine

Wu Dongwei1,2,Sun Baigang1,2,Han Guopeng3
（1.Beijing Institute of Technology;2.Collaborative Innovation Center for Electric Vehicles,Beijing; 3.State Key Laboratory for Engine Combustion,Tianjin University）

By studying a 2.0 L engine using experiment and simulation,the advantages and disadvantages are analyzed when different kinds of fuel are burnt.According to the universal characteristic curve,we determine the switching point of the dual-fuel engine,and get the throttle opening during the switching stage,the torque value and the fuel flow values of these two fuels based on the continuous torque control strategy.By controlling the throttle opening,gas mixture concentration,the torque can be changed continuously in the process of the dual fuel switching,proving feasibility of this control strategy.

Engine，Dual fuel，Switch process，Control strategy

發(fā)動機(jī) 雙燃料 切換過程 控制策略

U464

A

1000-3703（2015）09-0001-03