氫-汽油雙燃料發動機切換點控制策略

吳東偉孫柏剛韓國鵬

（1.北京理工大學；2.北京電動車輛協同創新中心；3.天津大學 內燃機燃燒學國家重點實驗室）

氫-汽油雙燃料發動機切換點控制策略

吳東偉1,2孫柏剛1,2韓國鵬3

（1.北京理工大學；2.北京電動車輛協同創新中心；3.天津大學 內燃機燃燒學國家重點實驗室）

以某2.0 L發動機為研究對象，通過試驗和仿真分析燃用氫-汽油兩種燃料各自的優缺點。結合萬有特性曲線，確定雙燃料發動機的燃料切換點，并基于扭矩連續的控制策略計算得到了切換期內的節氣門開度和兩種燃料各自發出的扭矩值及燃料流量值。通過控制節氣門開度、混合氣濃度可實現雙燃料切換過程中的扭矩連續變化，表明該控制策略可行。

1 前言

傳統內燃機尾氣排放中含有CO、NOx、HC、PM、CO2等成分，隨著機動車數量的增加，能源危機與環境污染將日趨嚴重。利用氫氣在內燃機缸內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、運輸成本高，加氫站數量少、分布不均衡，沒有形成系統完整的供氫網絡，氫燃料電池、氫氣發動機的使用受到了基礎設施不足的制約[1]。

氫氣、空氣混合的可燃范圍是4%～75%。汽油機易實現稀薄燃燒，小負荷效率高、排放特性好，但大功率動力性不足；汽油機大負荷運行時有效燃油消耗率低，但小負荷油耗高[2～4]。氫-汽油雙燃料發動機在冷起動、怠速及小負荷工況采用純氫燃料燃燒[5]，在高負荷時要將氫氣切換為汽油，其結合二者的優點，使工作區域的整體熱效率高，是最佳特性的組合，并且能夠實現有氫用氫，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，如解決這一問題可以很大程度增加氫-汽油雙燃料發動機的可使用性[6]。

2 氫-汽油雙燃料發動機切換點的確定方法

通過試驗以及仿真計算獲得氫內燃機和汽油機的萬有特性數據。將氫內燃機的萬有特性數據導入汽油機的萬有特性圖中，調整后的圖形如圖1所示。其中，加粗實線為氫內燃機萬有特性圖的外特性線，代表不同轉速下氫內燃機能夠達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，當量比為0.6時繪制出的氫內燃機萬有特性中的外特性曲線與汽油機萬有特性曲線的交點作為汽油燃料的切換點。試驗數據表明，該內燃機在以氫氣為燃料時，其當量比達到0.6后的NOx排放仍能較好的滿足排放要求。分別計算當量比為0.6時不同轉速下氫內燃機的平均有效壓力和燃油消耗率，結果如表1所列。

表1 當量比為0.6時氫內燃機性能指標

將該表1中的數據導入氫、汽油發動機的萬有特性圖中，如圖1中虛線所示。

發動機燃料切換時扭矩保持連續，需要首先確定切換點處的扭矩值。在切換時通過控制節氣門的開度以及可燃混合氣的濃度來保持扭矩。

切換點處的扭矩值可以使用平均有效壓力pme進行計算：

式中，Vs為單氣缸的容積；i為氣缸數；τ為沖程數。

扭矩計算完成后的結果如圖2所示。

切換前內燃機燃用氫氣時節氣門全開，因此只需確定切換后汽油機的節氣門開度即可。使用曲線擬合法進行計算，用汽油機的平均有效壓力與節氣門開度之間的關系數據擬合出不同轉速下發動機的扭矩與節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氣門開度。采用此方法計算出各個轉速下的擬合曲線和切換點處的節氣門開度，其結果如圖3所示。

3 基于扭矩連續的控制策略

發動機的輸出扭矩在切換點之間連續變化才能保證過渡平穩。控制策略為切換過程中噴氫量逐漸減少，汽油供應量逐漸增多。默認在此期間發動機內同時進行氫、汽油兩種燃料的燃燒，并且認為兩種燃料在氣缸內獨立燃燒，分別發出扭矩值，保證總扭矩值連續變化。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及扭矩分配

切換時節氣門由全開變為部分開啟，扭矩值由切換前變為切換后的值，此過程中假設并且期望節氣門開度和扭矩均發生理想的連續線性變化。切換過程中扭矩由兩種燃料共同提供，兩燃料各自發出的扭矩值也認為是線性連續變化的，計算得到切換過程中的扭矩分配值如圖4所示。

3.2 計算點處的空氣流量確定

實現計算點處的扭矩值，首先要確定其空氣流量值，然后再根據空氣流量計算噴氫量和噴油量，實現設定扭矩。計算點處空氣流量的確定也采用曲線擬合法，節氣門開度與空氣流量的對應關系結果如圖5所示。然后根據擬合曲線計算得到3 000 r/min時切換點處的空氣流量。

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行燃燒，不發生相互影響。以3 000 r/min為例，分別確定切換過程中氫流量和汽油流量。

根據試驗曲線可以確定3 000 r/min時的充量系數和機械效率(認為切換過程中二者均不發生變化）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；Hu為燃料的低熱值，氫的Hu=119 640 kJ/kg,汽油的Hu=46 000 kJ/kg；ps為進氣管壓力；l0為燃料的化學計量空燃比，汽油取14.7，氫取34.0；Ts為進氣溫度。

則燃料流量為：

式中，α為循環進氣量，由于認為兩種燃料獨立進行燃燒且將燃燒室空間進行分配，因此α實際上代表燃料分配到的循環空氣量。

計算得到3 000 r/min切換時燃油流量如圖6所示。

4 結束語

分別分析氫、汽油發動機的性能特性，根據聯合萬有特性圖先確定切換點，計算切換點處的節氣門開度及扭矩值；然后提出燃燒模型假設：兩種燃料在內燃機中獨立燃燒，并根據假設進行了切換時燃料的扭矩、空氣量分配值的計算；最后用所得數據計算得出切換過程中各計算點的過量空氣系數和燃料流量。從而完成了雙燃料發動機基于扭矩連續的控制策略。

1 孫柏剛，趙建輝.氫內燃機NOx排放特性的試驗研究.內燃機工程，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.氫內燃機及整車性能試驗研究.北京理工大學學報（自然科學版）,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.氫內燃機循環變動特性.燃燒科學與技術,2013（4）:311～316.

6 孫柏剛,孟凡騰,劉福水.大功率氫內燃機增壓匹配與參數優化.北京理工大學學報（自然科學版）,2013,33(11): 1130～1134.

（責任編輯晨 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

發動機 雙燃料 切換過程 控制策略

U464

A

1000-3703（2015）09-0001-03