[发明专利]一种四冲程点燃式氢氧气发动机及控制方法

说明书

本发明提供一种四冲程点燃式氢氧气发动机及控制方法，具体内容涉及一种四冲程点燃式氢氧气发动机的氢、氧气供给系统和氧气喷射与燃烧过程控制。该系统在保留原机主要机件的基础上增加了电子控制单元(4)、氧气罐(6)、氧气喷嘴(9)。电子控制单元(4)可以根据需求功率信号(c)计算氧气喷嘴的喷射脉宽、喷射相位、喷射次数及点火角，从而使该发动机能够通过控制氧气喷射在缸内形成基于氧化剂分层的分层混合气，并依靠调整氧气喷嘴的喷射脉宽控制输出功率，进而使电控节气门的开度能够尽量增加以降低喷气损失，提高有效效率。该系统采用氧气缸内直喷技术，避免了氢气、氧气缸外预混所带来的回火隐患。

技术领域

本发明提供一种以纯氢气和纯氧气为工质的四冲程点燃式发动机及控制方法，具体内容涉及一种四冲程点燃式氢氧气发动机的氢、氧气供给系统和氧气喷射与燃烧过程控制。

背景技术

航天器等装置的动力系统以液氢为燃料，并将液氢转化为气态氢气后供燃料电池使用。由于液氢储存装置纯在氢气泄露问题，且燃料电池运行过程中会有多余氢气被排出，因而在采用上述动力方案的装置中存在大量剩余氢气。这部分剩余的氢气由于处于低压状态，难以被再次加压引入燃料电池使用，且对该部分氢气再次增压需要压气机消耗额外功。因此，在现有技术条件下，这部分多余的氢气难以被再次高效利用，造成了能源浪费。

此外，在航天器等特殊装置所运行的低压环境，甚至真空条件下，如果以发动机为动力装置，则发动机必须采用外接装置提供燃烧需要的氧化剂。也就是说，在上述特殊条件下，发动机的氧化剂需要由纯氧气提供。这意味着在真空或超低压条件下运行的发动机除了需要节约燃料消耗，还需要高效利用氧化剂完成缸内燃烧，避免对氧化剂的过渡消耗。

从现有技术来看，四冲程发动机能够以氢气为燃料运行，但现有的氢发动机多是以空气为氧化剂来源，利用空气中的氧气作为氧化剂使氢气燃烧。或者是以将电解水所产生的氢气和氧气按照摩尔比2:1的比例送入发动机完成燃烧。氢气与氧气在摩尔比为2:1的条件下点燃，混合气的燃烧速度极高，这会给缸内零件造成强烈的机械负荷和热负荷，导致发动机寿命缩短。同时，在固定氢、氧混合气摩尔分数条件下，发动机如果需要降低功率，则必须要采用很小的进气量，这又会引起整机泵气损失增加，进而使发动机总体的有效效率减小，不利于燃料和氧化剂的高效利用。更为重要的是，将氢气和氧气提前预混会明显增加混合气回火的风险，从而造成严重的安全隐患。

发明内容

针对目前以纯氢气和纯氧气为工质的发动机技术不成熟，供气系统中氢气和氧气预混带来回火风险，以及以氢气、氧气固定摩尔分数燃烧的发动机存在效率低、机械负荷与热负荷高的问题，本发明提供一种新型的四冲程点燃式氢氧发动机及其控制方法。

本发明采用了如下技术方案：该发明中的四冲程点燃式氢氧气发动机包括原机的发动机1、与发动机1相连的进气道2与排气道3、安装在进气道2上的电控节气门5、与发动机1相连的火花塞8,、以及与火花塞8通过导线相连的点火模块7、与发动机1相连的实际功率信号传感器11、用于控制发动机负荷状态的负荷需求传感器12、与发动机1相连的曲轴位置传感器13、凸轮轴位置传感器14及爆震传感器15，其特征在于：还包括安装在发动机1缸盖上的氧气喷嘴9、与氧气喷嘴9通过高压管道连接的氧气减压器10和氧气罐6、安装在进气道2上的氢气流量计16、电子控制单元4通过导线与点火模块7相连接发出点火信号g、电子控制单元4通过导线与氧气喷嘴9的控制端相连接发出氧气喷射信号h、电子控制单元4通过导线与电控节气门5相连接发出节气门控制信号a、电子控制单元4通过导线与氢气流量计16相连接获得氢气流量信号k、电子控制单元4通过导线与实际功率信号传感器11相连接获得实际输出功率信号b、电子控制单元4通过导线与负荷需求传感器12相连接获得需求功率信号c、电子控制单元4通过导线与曲轴位置传感器13相连接获得曲轴位置信号d、电子控制单元4通过导线与凸轮轴位置传感器14相连接获得凸轮轴位置信号e、电子控制单元4通过导线与爆震传感器15相连接获得爆震信号f；氢气通过进气道2进入燃烧室。

一种四冲程点燃式氢氧发动机的控制方法，该方法包括以下步骤：