氢-汽油双燃料发动机切换点控制策略

吴东伟孙柏刚韩国鹏

（1.北京理工大学；2.北京电动车辆协同创新中心；3.天津大学 内燃机燃烧学国家重点实验室）

氢-汽油双燃料发动机切换点控制策略

吴东伟1,2孙柏刚1,2韩国鹏3

（1.北京理工大学；2.北京电动车辆协同创新中心；3.天津大学 内燃机燃烧学国家重点实验室）

以某2.0 L发动机为研究对象，通过试验和仿真分析燃用氢-汽油两种燃料各自的优缺点。结合万有特性曲线，确定双燃料发动机的燃料切换点，并基于扭矩连续的控制策略计算得到了切换期内的节气门开度和两种燃料各自发出的扭矩值及燃料流量值。通过控制节气门开度、混合气浓度可实现双燃料切换过程中的扭矩连续变化，表明该控制策略可行。

1 前言

传统内燃机尾气排放中含有CO、NOx、HC、PM、CO2等成分，随着机动车数量的增加，能源危机与环境污染将日趋严重。利用氢气在内燃机缸内燃烧是缓解这一问题的重要方式之一[1、2]。目前氢气的储存、运输成本高，加氢站数量少、分布不均衡，没有形成系统完整的供氢网络，氢燃料电池、氢气发动机的使用受到了基础设施不足的制约[1]。

氢气、空气混合的可燃范围是4%～75%。汽油机易实现稀薄燃烧，小负荷效率高、排放特性好，但大功率动力性不足；汽油机大负荷运行时有效燃油消耗率低，但小负荷油耗高[2～4]。氢-汽油双燃料发动机在冷起动、怠速及小负荷工况采用纯氢燃料燃烧[5]，在高负荷时要将氢气切换为汽油，其结合二者的优点，使工作区域的整体热效率高，是最佳特性的组合，并且能够实现有氢用氢，没氢用汽油，延长加氢的间隔时间，解决加氢难的问题。两种燃料切换时带来的问题是扭矩的变化不连续，如解决这一问题可以很大程度增加氢-汽油双燃料发动机的可使用性[6]。

2 氢-汽油双燃料发动机切换点的确定方法

通过试验以及仿真计算获得氢内燃机和汽油机的万有特性数据。将氢内燃机的万有特性数据导入汽油机的万有特性图中，调整后的图形如图1所示。其中，加粗实线为氢内燃机万有特性图的外特性线，代表不同转速下氢内燃机能够达到的最大平均有效压力，选择该曲线作为氢燃料的切换曲线。以纯氢为燃料，当量比为0.6时绘制出的氢内燃机万有特性中的外特性曲线与汽油机万有特性曲线的交点作为汽油燃料的切换点。试验数据表明，该内燃机在以氢气为燃料时，其当量比达到0.6后的NOx排放仍能较好的满足排放要求。分别计算当量比为0.6时不同转速下氢内燃机的平均有效压力和燃油消耗率，结果如表1所列。

表1 当量比为0.6时氢内燃机性能指标

将该表1中的数据导入氢、汽油发动机的万有特性图中，如图1中虚线所示。

发动机燃料切换时扭矩保持连续，需要首先确定切换点处的扭矩值。在切换时通过控制节气门的开度以及可燃混合气的浓度来保持扭矩。

切换点处的扭矩值可以使用平均有效压力pme进行计算：

式中，Vs为单气缸的容积；i为气缸数；τ为冲程数。

扭矩计算完成后的结果如图2所示。

切换前内燃机燃用氢气时节气门全开，因此只需确定切换后汽油机的节气门开度即可。使用曲线拟合法进行计算，用汽油机的平均有效压力与节气门开度之间的关系数据拟合出不同转速下发动机的扭矩与节气门开度之间的特性曲线，并计算出在指定平均有效压力下的节气门开度。采用此方法计算出各个转速下的拟合曲线和切换点处的节气门开度，其结果如图3所示。

3 基于扭矩连续的控制策略

发动机的输出扭矩在切换点之间连续变化才能保证过渡平稳。控制策略为切换过程中喷氢量逐渐减少，汽油供应量逐渐增多。默认在此期间发动机内同时进行氢、汽油两种燃料的燃烧，并且认为两种燃料在气缸内独立燃烧，分别发出扭矩值，保证总扭矩值连续变化。计算得出此扭矩的氢流量和汽油流量，以3 000 r/min为例介绍其计算过程。

3.1 切换过程中的计算点及扭矩分配

切换时节气门由全开变为部分开启，扭矩值由切换前变为切换后的值，此过程中假设并且期望节气门开度和扭矩均发生理想的连续线性变化。切换过程中扭矩由两种燃料共同提供，两燃料各自发出的扭矩值也认为是线性连续变化的，计算得到切换过程中的扭矩分配值如图4所示。

3.2 计算点处的空气流量确定

实现计算点处的扭矩值，首先要确定其空气流量值，然后再根据空气流量计算喷氢量和喷油量，实现设定扭矩。计算点处空气流量的确定也采用曲线拟合法，节气门开度与空气流量的对应关系结果如图5所示。然后根据拟合曲线计算得到3 000 r/min时切换点处的空气流量。

3.3 切换过程中燃料流量的确定

切换过程中将燃烧过程简化为两种燃料在气缸中各自占用一定体积分别进行燃烧，不发生相互影响。以3 000 r/min为例，分别确定切换过程中氢流量和汽油流量。

根据试验曲线可以确定3 000 r/min时的充量系数和机械效率(认为切换过程中二者均不发生变化）分别为Φc=0.9，ηm=0.9。

切换过程中氢逐渐减少，汽油逐渐增多，此过程按照氢分得的空气以及在气缸中所占的体积线性减少到零（汽油则线性增加）进行计算，计算得到氢分配到的空气和气缸容积。

式中，Φa为过量空气系数；Hu为燃料的低热值，氢的Hu=119 640 kJ/kg,汽油的Hu=46 000 kJ/kg；ps为进气管压力；l0为燃料的化学计量空燃比，汽油取14.7，氢取34.0；Ts为进气温度。

则燃料流量为：

式中，α为循环进气量，由于认为两种燃料独立进行燃烧且将燃烧室空间进行分配，因此α实际上代表燃料分配到的循环空气量。

计算得到3 000 r/min切换时燃油流量如图6所示。

4 结束语

分别分析氢、汽油发动机的性能特性，根据联合万有特性图先确定切换点，计算切换点处的节气门开度及扭矩值；然后提出燃烧模型假设：两种燃料在内燃机中独立燃烧，并根据假设进行了切换时燃料的扭矩、空气量分配值的计算；最后用所得数据计算得出切换过程中各计算点的过量空气系数和燃料流量。从而完成了双燃料发动机基于扭矩连续的控制策略。

1 孙柏刚，赵建辉.氢内燃机NOx排放特性的试验研究.内燃机工程，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 孙柏刚,向清华,刘福水.氢内燃机及整车性能试验研究.北京理工大学学报（自然科学版）,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 孙柏刚，张冬生，刘福水.氢内燃机循环变动特性.燃烧科学与技术,2013（4）:311～316.

6 孙柏刚,孟凡腾,刘福水.大功率氢内燃机增压匹配与参数优化.北京理工大学学报（自然科学版）,2013,33(11): 1130～1134.

（责任编辑晨 曦）

修改稿收到日期为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

发动机 双燃料 切换过程 控制策略

U464

A

1000-3703（2015）09-0001-03