一种氢气发动机废气水循环直喷系统、控制方法及汽车

技术领域

本发明涉及汽车发动机技术领域，特别是一种氢气发动机的废气水循环直喷系统、控制方法及汽车。

背景技术

近年来氢气的利用主要集中于燃料电池领域，然而随着传统汽车动力转型，氢气发动机也展现出十分可观的前景。氢气发动机的发展可利用现有内燃机庞大的产业基础及多年来积累的开发经验，相比燃料电池发展代价明显较低，且随着近年来发动机高热效率技术的快速发展，其能量转换效率也有望逐渐逼近燃料电池，更为重要的是氢气发动机对氢燃料纯度要求较低，适用性更强，可大幅降低制氢、储氢、运氢等环节成本。综合上述因素，氢气发动机展现出广阔应用前景，已成为各企业及研究机构的研究热点。

氢气稀燃能力较强，燃烧速率较快，燃烧温度较高，因此为了提高氢气发动机热效率，同时降低发动机热负荷，改善发动机NVH，氢气发动机多采用稀燃方式，此时为保证足够的空气稀释，发动机需具有较强的增压能力。氢气体积能量密度较低，因此为获得较高的功率输出，通常需采用缸内直喷的方式。此外，氢气发动机虽然可实现零碳排放，但其仍不可避免存在NOx排放，且为应对当前严格的排放法规，必须加装NOx稀燃后处理系统。通常情况下，稀燃后处理系统对NOx转化效率较低，因此为满足法规要求并降低后处理成本，需尽可能有效控制原始NOx排放。专利CN109707505A提出了采用纯氧气燃烧的方式进一步实现零NOx排放，但此种方法工程化要求在实际工程化中需要求氢气和氧气都进行产业化，可行性较低，在此专利中提到了气道喷水方式，但其主要目的是为了抑制压升率，由于气道喷水方式对缸内温度降低效果有限，因此对于降低常规氢气发动机的NOx排放效果也有限。在其他的研究中，氢气发动机通常也有采用废气再循环的方式进行燃烧和排放的改善，但一方面再循环废气中的水多以气态形式存在，因此将导致新鲜空气充气效率下降，造成功率输出下降，另一方面气态形式的水对于降低进气或缸内温度的效果相比液态水喷射形式更差。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种氢气发动机废气水循环直喷系统、控制方法及汽车。

本发明的技术方案为：

本发明提供了一种氢气发动机废气水循环直喷系统，包括：

发动机控制单元ECU、氢气罐、氢气气轨、高压水轨、集成式调压模块、向发动机气缸仅喷入氢气或同时喷入氢气和废水的双通道喷射器，所述集成器调压模块具有供废水流通的水通道和供氢气流通的氢气通道；

所述氢气罐、所述集成式调压模块的氢气通道、所述氢气气轨和所述双通道喷射器之间连通而形成供氢气流入发动机气缸内的氢气流道；

各发动机气缸的废气出口、所述集成式调压模块的水通道、所述高压水轨和所述双通道喷射器之间连通而形成供废气流入发动机气缸内的废水循环流道；

所述发动机控制单元ECU与所述双通道喷射器和所述集成式调压模块电连接，所述发动机控制单元ECU基于发动机实时负荷工况，对所述集成式调压模块控制，使所述集成式调压模块对进入所述氢气气轨内的气体轨压和/或进入所述高压水轨内的废水轨压进行调压。

优选地，所述氢气流道还包括：

与发动机气缸的废气出口连通的第一增压器、催化器、电控三通阀，与所述电控三通阀的第一出口连通的排气尾管，与所述电控三通阀的第二出口连通的废气冷却器，与所述废气冷却器的第一出口连通的高压机械水泵；

所述废气冷却器的第二出口与所述排气尾管连通，所述废气冷却器的第三出口与所述集成式调压模块的水通道入口连通；

所述高压机械水泵的出口连通所述高压水轨的入口；

所述发动机控制单元ECU与所述电控三通阀和所述高压机械水泵电连接；

所述发动机控制单元ECU通过对所述电控三通阀进行控制，使发动机废水流入或不流入所述高压水轨内；

所述发动机控制单元ECU通过对所述集成式调压阀进行控制，调节通过所述高压机械水泵泵入所述高压水轨内的废水水压。

优选地，所述废水循环流道还包括：

与所述氢气罐的出口连通的减压阀，所述减压阀的出口连通所述氢气气轨的入口；

所述发动机控制单元ECU与所述减压阀电连接；

所述发动机控制单元ECU通过对所述减压阀进行控制，使所述氢气罐流出的氢气压力下降到预设的标准范围内；

所述发动机控制单元ECU通过对所述集成式调压模块的氢气通道进行控制，调节通过所述减压阀流入所述氢气气轨内的氢气气压。

优选地，所述系统还包括：与发动机气缸数量对应的多个火花塞，所述发动机控制单元ECU分别与各所述火花塞电连接。优选地，所述系统还包括：

用于向发动机气缸送入新鲜空气的空气进气回路。

本发明提供了一种氢气发动机废水循环直喷控制方法，应用于上述的氢气发动机废气水循环直喷系统，所述方法包括：

步骤S1，在发动机起动后，基于发动机平均有效压力，判断发动机当前所处负荷工况；

步骤S2,若发动机当前所处负荷工况为小负荷工况，则控制电控三通阀导通至集成式调压模块的水流道，控制高压机械水泵关闭，控制集成调压模块的水通道关闭；控制集成调压模块的氢气通道，使氢气发动机采用分层稀薄燃烧模式进行燃烧；对所述双通道喷射器进行氢气喷射，使氢气喷射时刻控制在第一预设范围内；

步骤S3，若发动机当前所处负荷工况为中负荷工况，则控制电控三通阀导通至集成式调压模块的水流道，控制高压机械水泵开启，控制集成调压模块的水通道开启；控制集成调压模块的氢气通道开启，使氢气发动机采用准均质稀薄燃烧模式进行燃烧；控制所述双通道喷射器进行氢气喷射和废水喷射，使氢气喷射时刻控制在进气门关闭后预设时刻，使氢气喷射压力控制在预设压力以上，使废水循环喷射时刻控制在第二预设范围内，废水喷射压力控制在预设压力范围内；

步骤S4，若发动机当前所处负荷工况为大负荷工况，则控制电控三通阀导通至集成式调压模块的水流道，控制高压机械水泵开启，控制集成调压模块的水通道开启；控制集成调压模块的氢气通道，使氢气发动机采用当量燃烧模式进行燃烧；控制所述双通道喷射器进行氢气喷射和废水喷射，使氢气喷射时刻控制在进气门关闭后预设时刻，使氢气喷射压力控制在预设压力以上，使废水循环喷射时刻控制在第二预设范围内，废水喷射压力控制在预设压力范围内。

优选地，若发动机当前所处负荷工况为小负荷工况，所述方法还包括：

步骤S5，发动机控制单元ECU通过液位传感器采集废水冷却器中的冷凝水量；

步骤S6，若所述废水冷却器中的冷凝水量超过预设上限值，则控制电控三通阀导通至排气尾管，将所有尾气排出；

步骤S7，若所述废水冷却器中的冷凝水量低于预设下限值，则控制电控三通阀导通至集成式调压模块的水流道。

本发明还提供了一种汽车，包括上述的氢气发动机废气水循环直喷系统。

综上所述，本发明的有益效果为：通过在氢气发动机中设计废气水循环直喷系统，可充分利用氢气燃烧后产生的水有效改善氢气发动机中高负荷燃烧，降低传热损失，进而提高发动机热效率，同时抑制NOx原始排放。

附图说明

图1为本发明实施例中的废气水循环直喷系统的示意图；

1-电控三通阀；2-废气冷却器；3-高压机械水泵；4-集成式调压模块；5-减压阀；6-氢气气轨；7-双通道喷射器；8-火花塞；9-高压水轨。

具体实施方式

为进一步阐述本发明的结构功能，下面结合附图和优选的实施例对本发明做详细说明，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

如图1所示，本发明实施例提供了一种氢气发动机废气水循环直喷系统，主要包括发动机控制单元ECU、氢气罐、电控三通阀1、废气冷却器2、高压机械水泵3、集成式调压模块4、向发动机气缸仅喷入氢气或同时喷入氢气和废水的双通道喷射器7、高压水轨9、火花塞等。所述集成器调压模块具有供废水流通的水通道和供氢气流通的氢气通道。发动机控制单元ECU与所述双通道喷射器7、所述集成式调压模块4和各所述火花塞8电连接。所述发动机控制单元ECU能够基于发动机实时负荷工况，对所述集成式调压模块4控制，使所述集成式调压模块4对进入所述氢气气轨6内的气体轨压和/或进入所述高压水轨9内的废水轨压进行调压。

进一步地，所述电控三通阀1入口与第一催化器的出口相连，所述电控三通阀1的两个出口分别与所述废气冷却器2的入口和排气尾管相连，所述废气冷却器2的出口也和排气尾管相连。所述电控三通阀1主要用于控制发动机的排气走向及连通时间。所述废气冷却器2主要用于冷凝排气中的气态水并进行存储。所述集成式调压模块4主要用于调节氢气气轨6和所述高压水轨9的轨压，进而控制氢气及废气循环水的喷射压力。

本实施例中，集成式调压模块4为集成有两个电控阀的结构，通过对两个电控阀进行独立控制，来实现氢气喷射压力和废水喷射压力的调节。

所述废气冷却器2中的冷凝水经过高压机械水泵3加压后进入所述高压水轨9，并由所述集成式调压模块4对所述高压水轨9的轨压进行调节。所述双通道喷射器7分别与所述高压水轨9和氢气气轨6相连，并对废气循环水及氢气喷射进行单独控制。所述双通道喷射器结构已有较多类似专利，如CN110344976A、CN110905703等，本专利仅将其作为实现氢气发动机缸内喷水控制的手段及构成废气水循环直喷系统的零部件之一，不单独进行专利点创造及保护。

本实例中，所述氢气罐、所述集成式调压模块4的氢气通道、所述氢气气轨6和所述双通道喷射器7之间连通而形成供氢气流入发动机气缸内的氢气流道，氢气流道还包括：与发动机气缸的废气出口连通的第一增压器、催化器、电控三通阀1，与所述电控三通阀1的第一出口连通的排气尾管，与所述电控三通阀1的第二出口连通的废气冷却器2，与所述废气冷却器2的第一出口连通的高压机械水泵3；所述废气冷却器2的第二出口与所述排气尾管连通，所述废气冷却器2的第三出口与所述集成式调压模块4的水通道入口连通；所述高压机械水泵3的出口连通所述高压水轨9的入口；所述发动机控制单元ECU与所述电控三通阀1和所述高压机械水泵3电连接；所述发动机控制单元ECU通过对所述电控三通阀1进行控制，使发动机废水流入或不流入所述高压水轨9内；所述发动机控制单元ECU通过对所述集成式调压阀进行控制，调节通过所述高压机械水泵3泵入所述高压水轨9内的废水水压。

各发动机气缸的废气出口、所述集成式调压模块4的水通道、所述高压水轨9和所述双通道喷射器7之间连通而形成供废气流入发动机气缸内的废水循环流道，所述废水循环流道还包括：与所述氢气罐的出口连通的减压阀5，所述减压阀5的出口连通所述氢气气轨6的入口；所述发动机控制单元ECU与所述减压阀5电连接；所述发动机控制单元ECU通过对所述减压阀5进行控制，使所述氢气罐流出的氢气压力下降到预设的标准范围内；所述发动机控制单元ECU通过对所述集成式调压模块4的氢气通道进行控制，调节通过所述减压阀5流入所述氢气气轨6内的氢气气压。

当然，本实施例中的系统还包括：用于向发动机气缸送入新鲜空气的空气进气回路。空气进气回路由空滤器、增压器、增压器中冷器、节气门和进气总管等构成，该空气进气回路采用现有的常规技术。

进一步地，本发明还提供了一种氢气发动机废气水循环直喷系统控制策略，主要包括：

1、发动机控制单元ECU在确定发动机当前在小负荷工况（通常发动机平均有效压力BMEP＜5bar），废气水循环直喷系统的高压水喷射系统不进行工作，此时主要控制所述电控三通阀1对所述废气冷却器2中的冷凝水进行存储。小负荷工况下，氢气发动机采用分层稀薄燃烧模式，氢气喷射时刻控制在100°CA ATDC附近（第一预设范围内，该第一预设范围由100°CA ATDC的上下设置范围内构成），以提高发动机燃烧稳定性。并且，在此工况下，发动机起动后，发动机控制单元ECU通过液位传感器检查所述废气冷却器2中的冷凝水量，当所述废气冷却器2中的冷凝水量超过预设上限值时，控制所述电控三通阀1断开与所述废气冷却器2相连的管路，从而使排气直接进入排气尾管，当冷凝水水量低于预设下限值时，控制所述电控三通阀1连通所述废气冷却器2，增加冷凝水水量，直至冷凝水量再次达到上限后断开连接管路。

2、发动机控制单元ECU在确定发动机当前在中负荷工况（通常发动机平均有效压力BMEP＞5bar），氢气发动机废气水循环直喷系统中的高压喷水系统（即废水循环流道整体形成通路）开始工作，发动机控制单元ECU通过所述双通道喷射器7和所述集成调压模块4分别控制氢气和废气循环水喷射。中负荷工况下，氢气发动机采用准均质稀薄燃烧模式，氢气喷射时刻控制在进气门关闭后5°CA（预设时刻），喷射压力控制在30-40bar（预设压力）以上，以提高混合气均匀程度，避免局部过浓导致NOx排放增加，同时避免回火现象发生。废气循环水喷射时刻控制在90-150°CA ATDC（第二预设范围）之间，喷射压力控制在15-25MPa（预设压力范围），一方面有效降减小发动机爆震倾向，改善燃烧相位，并在活塞顶面附近形成水蒸气隔热层，减少活塞带走的热量损失，从而提高发动机热效率，另一方面喷水带来的缸内燃烧温度下降还可大幅降低NOx原始排放。

3、发动机控制单元ECU在确定发动机当前在大负荷工况时，氢气发动机采用当量燃烧方式，以提高发动机功率输出，废气水循环直喷系统工作方式与中负荷工况类似，此时其主要可提高发动机运行可靠性，并降低NOx原始排放。

需要说明的是，上述控制策略中重点指出了废气水循环直喷系统的关键控制参数及建议区间，在具体应用过程中需结合发动机压缩比、单缸排量、缸体强度等具体结构参数及限制进行优化，并对其他相关控制参数如使用工况区域划分、高压喷水比例、喷射角度等进行同步优化。

综上所述，本发明的有益效果为：通过在氢气发动机中设计废气水循环直喷系统，可充分利用氢气燃烧后产生的水有效改善氢气发动机中高负荷燃烧，降低传热损失，进而提高发动机热效率，同时抑制NOx原始排放。

本发明还提供了一种包括上述的氢气发动机废气水循环直喷系统的汽车。