一种净零碳排放点燃式内燃机及其控制方法
技术领域
本发明提供一种净零碳排放点燃式内燃机及其控制方法，具体内容涉及一种净零碳排放点燃式内燃机的燃料供给系统、节气门控制系统、燃烧控制系统及其控制。
背景技术
点燃式内燃机是应用广泛的动力装置，但传统点燃式内燃机使用含碳燃料，使其燃烧产生的二氧化碳排放。此外，改善缸内燃烧、提高热效率与燃料利用率及降低污染无排放，始终是点燃式内燃机的研究发展方向。
纯氢内燃机因燃料中不含碳元素可实现点燃式内燃机的零碳排放，但氢气的体积能量密度低，纯氢内燃机的动力性能明显低于含碳燃料内燃机，此外，氢气较高的燃烧温度也带来了较高的NOx排放。
二甲醚是一种可通过二氧化碳加氢法制取的可再生燃料，因此从燃料获取到使用，内燃机燃用二甲醚可实现净零碳排放。但二甲醚自燃温度低，点燃式内燃机仅使用二甲醚燃料易发生爆震、早燃等不正常燃烧现象，无法实现全工况运行。
现有研究表明，氢气和二甲醚均可与汽油、醇类等含碳燃料掺混用于点燃式内燃机，实现提高内燃机热效率与降低污染物排放的目的。氢气具有点火能量低、稀燃界限宽、火焰传播速度快、淬熄距离短等特点，这些特点使掺氢可以改善内燃机的燃烧，提高热效率、降低HC、CO等污染物排放；二甲醚具有高十六烷值、含氧量高、不含C-C键，且具有低温放热反应，这使得掺二甲醚也可改善内燃机燃烧，提高热效率、降低颗粒物等污染物排放。然而，以上研究均基于汽油、醇类等含碳燃料内燃机进行，存在碳排放。
此外，传统点燃式内燃机利用节气门控制负荷，部分工况由于节气门部分关闭造成的泵气损失严重影响内燃机的热效率。
发明内容
针对传统点燃式内燃机存在碳排放、热效率不高、有害污染物排放高，纯氢内燃机动力性能差、NOx排放高，点燃式内燃机无法全工况单独使用二甲醚以及传统点燃式内燃机利用节气门进行负荷控制时存在泵气损失等问题，本发明提供一种净零碳排放点燃式内燃机及其控制方法。
本发明采用了如下技术方案：
该发明中的一种净零碳排放点燃式内燃机包括：安装在内燃机曲轴(7)上的转速传感器(6)，分别安装在内燃机缸盖(9)上的氢气喷嘴(4)、火花塞(5)和缸压传感器(8)，与内燃机缸盖(9)相连接的进气道(10)，分别安装在进气道(10)上的节气门(11)、空气流量传感器(12)、二甲醚喷嘴(13)，氢气罐(2)通过管路依次连接氢气调压器(3)和氢气喷嘴(4)，二甲醚罐(16)通过管路依次连接二甲醚调压器(15)、温度传感器(14)和二甲醚喷嘴(13)；
电子控制单元(1)通过导线与二甲醚调压器(15)相连接，并通过发出二甲醚调压器信号(C1)控制二甲醚调压器(15)，以调节二甲醚喷嘴(13)处的二甲醚压力；
电子控制单元(1)通过导线与节气门(11)相连接，并通过发出节气门控制信号(C2)控制节气门12的开度；
电子控制单元(1)通过导线与二甲醚喷嘴(13)相连接，并通过发出二甲醚喷嘴控制信号(C3)，控制二甲醚喷嘴(13)的开闭；
电子控制单元(1)通过导线与火花塞(5)相连接，并通过发出点火信号(C4)，控制火花塞(5)点火；
电子控制单元(1)通过导线与氢气喷嘴(4)相连接，并通过发出氢气喷嘴控制信号(C5)，控制氢气喷嘴(4)的开闭；
电子控制单元(1)通过导线与氢气调压器(3)相连接，并通过发出氢气调压器控制信号(C6)，控制氢气调压器(3)，以调节氢气喷嘴(4)处的氢气压力；
电子控制单元(1)通过导线与空气流量传感器12相连接，获得空气流量信号(S1)；
电子控制单元(1)通过导线与温度传感器(14)相连接，获得二甲醚温度信号(S2)；
电子控制单元(1)通过导线与缸压传感器(8)相连接，获得缸压信号(S3)；
电子控制单元(1)通过导线与转速传感器(6)相连接，获得转速信号(S4)；
电子控制单元(1)可通过负荷需求信号(S5)确定内燃机所需的运行负荷。
一种净零碳排放点燃式内燃机的控制方法，该方法包括以下步骤：
一种净零碳排放点燃式内燃机的控制方法主要包括内燃机的燃料供给策略、节气门控制策略和燃烧控制策略。
⑴燃料供给策略
电子控制单元(1)通过氢气调压器控制信号(C6)控制氢气调压器(3)，并可通过氢气调压器控制信号(C6)使氢气喷嘴(4)所在的氢气管路压力为PH；
电子控制单元(1)通过负荷需求信号(S5)获取负荷需求(P)；
电子控制单元(1)通过转速传感器(6)发出的转速信号(S4)获取内燃机转速(N)；
电子控制单元(1)所控制的PH应满足以下条件：
①PH在大于等于4.0MPa且小于等于10.0MPa的范围间调整；
②PH随转速信号(S4)和负荷需求信号(S5)的变化根据公式1变化，
电子控制单元(1)通过温度传感器(14)发出的二甲醚温度信号(S2)获取二甲醚管路温度为(TDME)，并通过查表的方式获取TDME条件下二甲醚的饱和蒸气压为(Ps)；
电子控制单元(1)通过二甲醚调压器控制信号(C1)控制二甲醚调压器(15)，并可通过二甲醚调压器控制信号(C1)使二甲醚喷嘴(13)所在的二甲醚管路压力为(PDME)；
电子控制单元(1)所控制的PDME满足以下条件：
①若Ps≥0.5MPa，则PDME＝0.4MPa；
②若Ps＜0.5MPa，则PDME＝0.6MPa。
⑵节气门控制策略
电子控制单元(1)通过负荷需求信号(S5)获取负荷需求(P)；
电子控制单元(1)通过节气门控制信号(C2)控制节气门(11)的开度为(K)；
电子控制单元(1)通过缸压传感器(8)发出的缸压信号(S3)获取当前工作循环及之前共200个工作循环的缸压峰值循环变动系数为(CoVPmax)；
电子控制单元(1)所控制的K应满足以下条件：
①当P≥30％时，K在大于90％且小于等于100％的范围内根据CoVPmax调整，在保证CoVPmax小于等于10％的前提下，使K达到节气门(11)的可控精度条件下的最大值；
②当P＜30％时，K在大于等于70％且小于等于90％的范围内，根据CoVPmax调整，在保证CoVPmax小于等于10％的前提下，使K达到节气门(11)的可控精度条件下的最大值；
③内燃机停止工作时，K＝0％。
⑶燃烧控制策略
电子控制单元(1)通过负荷需求信号(S5)获取负荷需求(P)；
电子控制单元(1)通过转速传感器(6)发出的转速信号(S4)获取内燃机转速(N)；
电子控制单元(1)通过缸压传感器(8)发出的缸压信号(S3)获取当前工作循环及之前共200个工作循环的缸压峰值循环变动系数为(CoVPmax)，以及当前循环的50％燃烧放热点(CA50)和有效平均有效压力(Imep)；
电子控制单元(1)通过空气流量传感器(12)发出的空气流量信号(S1)获取空气的循环进气流量为(mAir)；
电子控制单元(1)通过发出的氢气喷嘴控制信号(C5)控制氢气喷嘴(4)的开闭，并可通过氢气喷嘴控制信号(C5)使氢气喷嘴(4)在单循环内进行两次开闭，其中可通过氢气喷嘴控制信号(C5)使第一次氢气的循环喷射流量为(mH1)，第二次氢气的循环喷射流量为(mH2)；
电子控制单元(1)通过发出的二甲醚喷嘴控制信号(C3)控制二甲醚喷嘴(13)的开闭，并可通过二甲醚喷嘴控制信号(C3)使二甲醚喷嘴(13)在单循环内进行一次开闭，其中可通过二甲醚喷嘴控制信号(C3)使二甲醚的循环喷射流量为(mDME)；
电子控制单元(1)控制的mH1、mH2和mDME应满足以下条件：
①mH1与(mH1+mH2)的比值应在大于等于0.2且小于等于0.8的范围内，随P线性调整，P越大mH1与(mH1+mH2)的比值越小；
②(mH1+mH2)与(mDME+mH1+mH2)的比值应在大于等于0.05且小于等于0.3的范围内，随P和N根据公式2调整，
③应使通过公式3计算的过量空气系数(λ)在大于等于0.99且小于等于4.0的范围内，P越大则λ越小，且通过调整λ使Imep与内燃机额定有效平均有效压力的比值在P±1％的范围内，
λ＝mAir/[A/FH,st×(mH1+mH2)+A/FDME,st×mDME]公式3
式中，A/FH,st＝34.3、A/FDME,st＝9.0，分别为氢气和二甲醚的理论空燃比，mAir、mH1、mH2及mDME的单位均为mg/循环；
同时，电子控制单元(1)所控制的氢气喷嘴(4)的第一次开启时刻和二甲醚喷嘴(13)的开启时刻均在不早于上止点前330度曲轴转角且不晚于上止点前270度曲轴转角的范围内，并随N的增加而提前，以保证当次燃料喷射过程的燃料喷射量可以达到上述目标值(分别为mH1和mDME)；电子控制单元(1)所控制的氢气喷嘴(4)的第二次开启时刻应在不早于上止点前150度曲轴转角且不晚于上止点前70度曲轴转角的范围内，并随P的增大而提前，以保证当次燃料喷射过程的燃料喷射量可以达到上述目标值(mH2)；
电子控制单元(1)通过发出火花塞控制信号(C4)控制火花塞(5)点火，利用火花塞(5)点火产生的能量引燃氢气-二甲醚-空气混合气，电子控制单元(1)所控制火花塞(5)在每循环点火1次，电子控制单元(1)所控制的点火时刻应在不早于上止点前30度曲轴转角且不晚于上止点前0度曲轴转角的范围内调整，使CA50在不早于上止点前8度曲轴转角且不晚于上止点前12度曲轴转角的范围内。
附图说明
图1为本发明的结构和工作原理图
图中：1电子控制单元；2氢气罐；3氢气调压器；4氢气喷嘴；5火花塞；6转速传感器；7内燃机曲轴；8缸压传感器；9内燃机缸盖；10进气道；11节气门；12空气流量传感器；13二甲醚喷嘴；14温度传感器；15二甲醚调压器；16二甲醚罐；
C1二甲醚调压器控制信号；C2节气门控制信号；C3二甲醚喷嘴控制信号；C4火花塞控制信号；C5氢气喷嘴控制信号；C6氢气调压器控制信号；
S1空气流量信号；S2二甲醚温度信号；S3缸压信号；S4转速信号；S5负荷需求信号。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
如图1所示，净零碳排放点燃式内燃机包括：安装在内燃机曲轴(7)上的转速传感器(6)，分别安装在内燃机缸盖(9)上的氢气喷嘴(4)、火花塞(5)和缸压传感器(8)，与内燃机缸盖(9)相连接的进气道(10)，分别安装在进气道(10)上的节气门(11)、空气流量传感器(12)、二甲醚喷嘴(13)，氢气罐(2)通过管路依次连接氢气调压器(3)和氢气喷嘴(4)，二甲醚罐(16)通过管路依次连接二甲醚调压器(15)、温度传感器(14)和二甲醚喷嘴(13)；
电子控制单元(1)通过导线与二甲醚调压器(15)相连接，并通过发出二甲醚调压器信号(C1)控制二甲醚调压器(15)，以调节二甲醚喷嘴(13)处的二甲醚压力；
电子控制单元(1)通过导线与节气门(11)相连接，并通过发出节气门控制信号(C2)控制节气门12的开度；
电子控制单元(1)通过导线与二甲醚喷嘴(13)相连接，并通过发出二甲醚喷嘴控制信号(C3)，控制二甲醚喷嘴(13)的开闭；
电子控制单元(1)通过导线与火花塞(5)相连接，并通过发出点火信号(C4)，控制火花塞(5)点火；
电子控制单元(1)通过导线与氢气喷嘴(4)相连接，并通过发出氢气喷嘴控制信号(C5)，控制氢气喷嘴(4)的开闭；
电子控制单元(1)通过导线与氢气调压器(3)相连接，并通过发出氢气调压器控制信号(C6)，控制氢气调压器(3)，以调节氢气喷嘴(4)处的氢气压力；
电子控制单元(1)通过导线与空气流量传感器12相连接，获得空气流量信号(S1)；
电子控制单元(1)通过导线与温度传感器(14)相连接，获得二甲醚温度信号(S2)；
电子控制单元(1)通过导线与缸压传感器(8)相连接，获得缸压信号(S3)；
电子控制单元(1)通过导线与转速传感器(6)相连接，获得转速信号(S4)；
电子控制单元(1)可通过负荷需求信号(S5)确定内燃机所需的运行负荷。
一种净零碳排放点燃式内燃机的控制方法，该方法包括以下步骤：
一种净零碳排放点燃式内燃机的控制方法主要包括内燃机的燃料供给策略、节气门控制策略和燃烧控制策略。
⑴燃料供给策略
电子控制单元(1)通过氢气调压器控制信号(C6)控制氢气调压器(3)，并可通过氢气调压器控制信号(C6)使氢气喷嘴(4)所在的氢气管路压力为PH；
电子控制单元(1)通过负荷需求信号(S5)获取负荷需求(P)；
电子控制单元(1)通过转速传感器(6)发出的转速信号(S4)获取内燃机转速(N)；
电子控制单元(1)所控制的PH应满足以下条件：
①PH在大于等于4.0MPa且小于等于10.0MPa的范围间调整；
②PH随转速信号(S4)和负荷需求信号(S5)的变化根据公式1变化，
电子控制单元(1)通过温度传感器(14)发出的二甲醚温度信号(S2)获取二甲醚管路温度为(TDME)，并通过查表的方式获取TDME条件下二甲醚的饱和蒸气压为(Ps)；
电子控制单元(1)通过二甲醚调压器控制信号(C1)控制二甲醚调压器(15)，并可通过二甲醚调压器控制信号(C1)使二甲醚喷嘴(13)所在的二甲醚管路压力为(PDME)；
电子控制单元(1)所控制的PDME满足以下条件：
①若Ps≥0.5MPa，则PDME＝0.4MPa；
②若Ps＜0.5MPa，则PDME＝0.6MPa。
⑵节气门控制策略
电子控制单元(1)通过负荷需求信号(S5)获取负荷需求(P)；
电子控制单元(1)通过节气门控制信号(C2)控制节气门(11)的开度为(K)；
电子控制单元(1)通过缸压传感器(8)发出的缸压信号(S3)获取当前工作循环及之前共200个工作循环的缸压峰值循环变动系数为(CoVPmax)；
电子控制单元(1)所控制的K应满足以下条件：
①当P≥30％时，K在大于90％且小于等于100％的范围内根据CoVPmax调整，在保证CoVPmax小于等于10％的前提下，使K达到节气门(11)的可控精度条件下的最大值；
②当P＜30％时，K在大于等于70％且小于等于90％的范围内，根据CoVPmax调整，在保证CoVPmax小于等于10％的前提下，使K达到节气门(11)的可控精度条件下的最大值；
③内燃机停止工作时，K＝0％。
⑶燃烧控制策略
电子控制单元(1)通过负荷需求信号(S5)获取负荷需求(P)；
电子控制单元(1)通过转速传感器(6)发出的转速信号(S4)获取内燃机转速(N)；
电子控制单元(1)通过缸压传感器(8)发出的缸压信号(S3)获取当前工作循环及之前共200个工作循环的缸压峰值循环变动系数为(CoVPmax)，以及当前循环的50％燃烧放热点(CA50)和有效平均有效压力(Imep)；
电子控制单元(1)通过空气流量传感器(12)发出的空气流量信号(S1)获取空气的循环进气流量为(mAir)；
电子控制单元(1)通过发出的氢气喷嘴控制信号(C5)控制氢气喷嘴(4)的开闭，并可通过氢气喷嘴控制信号(C5)使氢气喷嘴(4)在单循环内进行两次开闭，其中可通过氢气喷嘴控制信号(C5)使第一次氢气的循环喷射流量为(mH1)，第二次氢气的循环喷射流量为(mH2)；
电子控制单元(1)通过发出的二甲醚喷嘴控制信号(C3)控制二甲醚喷嘴(13)的开闭，并可通过二甲醚喷嘴控制信号(C3)使二甲醚喷嘴(13)在单循环内进行一次开闭，其中可通过二甲醚喷嘴控制信号(C3)使二甲醚的循环喷射流量为(mDME)；
电子控制单元(1)控制的mH1、mH2和mDME应满足以下条件：
①mH1与(mH1+mH2)的比值应在大于等于0.2且小于等于0.8的范围内，随P线性调整，P越大mH1与(mH1+mH2)的比值越小；
②(mH1+mH2)与(mDME+mH1+mH2)的比值应在大于等于0.05且小于等于0.3的范围内，随P和N根据公式2调整，
③应使通过公式3计算的过量空气系数(λ)在大于等于0.99且小于等于4.0的范围内，P越大则λ越小，且通过调整λ使Imep与内燃机额定有效平均有效压力的比值在P±1％的范围内，
λ＝mAir/[A/FH,st×(mH1+mH2)+A/FDME,st×mDME]公式3
式中，A/FH,st＝34.3、A/FDME,st＝9.0，分别为氢气和二甲醚的理论空燃比，mAir、mH1、mH2及mDME的单位均为mg/循环；
同时，电子控制单元(1)所控制的氢气喷嘴(4)的第一次开启时刻和二甲醚喷嘴(13)的开启时刻均在不早于上止点前330度曲轴转角且不晚于上止点前270度曲轴转角的范围内，并随N的增加而提前，以保证当次燃料喷射过程的燃料喷射量可以达到上述目标值(分别为mH1和mDME)；电子控制单元(1)所控制的氢气喷嘴(4)的第二次开启时刻应在不早于上止点前150度曲轴转角且不晚于上止点前70度曲轴转角的范围内，并随P的增大而提前，以保证当次燃料喷射过程的燃料喷射量可以达到上述目标值(mH2)；
电子控制单元(1)通过发出火花塞控制信号(C4)控制火花塞(5)点火，利用火花塞(5)点火产生的能量引燃氢气-二甲醚-空气混合气，电子控制单元(1)所控制火花塞(5)在每循环点火1次，电子控制单元(1)所控制的点火时刻应在不早于上止点前30度曲轴转角且不晚于上止点前0度曲轴转角的范围内调整，使CA50在不早于上止点前8度曲轴转角且不晚于上止点前12度曲轴转角的范围内。
本实施例对各种工况进行了如下实验：
实验发动机为按照图1所制造的净零碳排放点燃式内燃机，实验时，将内燃机曲轴7与实验台架的测功机输入轴相连接，通过测功机测试经曲轴8所输出的转速和功率，利用尾气排放分析仪测量排气中的二氧化碳排放量。在该测试系统上进行了如下实验：
试验中，通过电子控制单元1控制氢气和二甲醚的喷射压力为4.0MPa和0.4MPa；通过电子控制单元1控制上述条件下节气门开度为99％；通过电子控制单元1控制上述条件下氢气的第一次、第二次喷射时刻与二甲醚的喷射时刻分别为上止点前300、110、300度曲轴转角；通过电子控制单元1控制上述条件下氢气的第一次、第二次喷射持续角与二甲醚的喷射持续角分别为；通过电子控制单元1控制上述条件下火花塞的点火时刻为6.4、10.6、30.2度曲轴转角；通过电子控制单元1控制上述条件下火花塞点火时刻为上止点前5度曲轴转角。试验结果表明，采用本发明所提供的控制方法后，按本发明方案所制作的净零碳排放点燃式内燃机产生的二氧化碳排放量小于制取DME时的二氧化碳消耗量，实验中该测试点的整机热功转换效率达到40.1％。
