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氢燃料发动机电控系统软件开发 摘要 近年来能源危机和环境污染问题日益严峻，它使人们清醒地认识 到寻找可替代能源作为车用燃料以及实现燃料更高效、更清洁燃烧的 必要性和紧迫性。氢能以其清洁性、广泛存在性以及可再生性倍受青 睐，极有可能成为汽车发动机的最有潜力的替代能源。 本文在综述汽车发动机电控系统的发展和现状的基础上，结合氢 发动机自身特点，对发动机电控系统提出了新的要求。并探讨了氢发 动机的运转参数对其动力性能、经济性能及排放性能的影响规律，分 析了异常燃烧及n o x 形成的机理，总结了抑制异常燃烧和n o x 高排放的 方法。 分析指出喷氢正时、喷氢定量和点火正时是提高氢发动机综合 性能的有效途径，课题结合t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 芯片的特点，采用模块化 的方法，设计开发了电控系统软件。在喷氢正时、定量和点火正时的 控制上，采用了基本量和修正量相结合的控制策略，实现了控制参数 随发动机运行环境和运行工况的动态调整。 同时根据氢发动机的优化要求和遗传算法自身的特点，开发了 基于p a r e t o 秩和决策偏好相结合的全自动氢发动机m a p 标定系统软 件，实现了个体优化与总体优化的统一，简化了标定过程，提高了标 定速度；同时通过加权函数实现了标定过程随氢发动机运转工况的动 态调整，为在多变量多目标的情况下，快速准确的标定m a p 开辟了新 的方法。 关键词：氢发动机，p a r e t o 秩，喷氢正时，点火正时 t h es o f t r a r ed e v e l o p m e n to fe l e c t r o n i c c o n t r o ls y s t e mo nh y d r o g e n f u e l e de n g i n g e a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，e n e r g ys o u c ec r i s i sa n dp r o b l e mo fe n v i r o n m e n t a l p o l l u t i o na r eb e c o m i n gi n c r e a s i n g l ys e r i o u s i tm a k e sp e o p l er e a l i z et h a t l o o k i n gf o ra l t e r n a t i v ee n e r g ys o u r c ea sa u t o m o b i l e u s e df u e la n df i n d i n g m o r eh i 【曲- e f f i c i e n t ，m o r ec l e a n b u r n i n ga r eu r g e n ta n dn e c e s s a r y h y d r o g e ni se n j o y e dw i t hi t sc l e a n ，i t se x i s te x t e n s i v e l y , i t sr e g e n e r a t e f o r e v e r , w i l lb e c o m et h em o s tp o t e n t i a la l t e r n a t i v ee n e r g ys o u r c eo ft h e c a re n g i n em o s tp r o b a b l y a f t e r s u m m a r i z i n g t h e d e v e l o p m e n t a n dc u r r e n ts t a t u so f a u t o e n g i n e e l e c t r i c c o n t r o l l i n gs y s t e m ，a n dc o n s i d e r i n gh y d r o g e n e n g i n e sc h a r a c t e r , t h i sp a p e rb r i n g su pn e wr e q u i r e m e n t sf o re n g i n e e l e c t r i cc o n t r o l l i n gs y s t e m a l s o ，a u t h o rd i s c u s s e st h er u l e st h a th o w h y d r o g e ne n g i n eo p e r a t i o n a lp a r a m e t e rw i l l a f f e c tp o w e rp e r f o r m a n c e ， e c o n o m yp e r f o r m a n c ea n dd r a i np e r f o r m a n c e ，a n da n a l y z e sa b n o r m a l b u r n i n ga n dt h et h e o r yo fn 0 xf o r m a l i t y , t h e n ，t h ea u t h o rs u g g e s t sa m e t h o dt op r e v e n ta b n o r m a lb u r n i n ga n d h i g hd r a i no fn 0 x f r o mh ea n a l y s i s ，h y d r o g e ni n j e c t i o nt i m i n g ，h y d r o g e ni n j e c t i o n q u a n t i f i c a t i o na n ds p a r kt i m i n gi sa ne f f e c t i v ew a yt oi m p r o v et h eo v e r a l l p e r f o r m a n c eo fh y d r o g e n f u e l e de n g i n e i n t e g r a t e dw i t ht h ec h a r a c t e ro f t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 aa n da d o p tt h em e t h o do fm o d u l a r i z a t i o n ，t h i sp r o j e c t s e l e c t r i cc o n t r o l l i n gs y s t e ms o f t w a r ew a sd e s i g n e da n dd e v e l o p e d o nt h e c o n t r o l l i n g o f h y d r o g e ni n j e c t i o nt i m i n g , h y d r o g e ni n j e c t i o n q u a n t i f i c a t i o na n ds p a r kt i m i n g ，t h ec o n t r o l l i n gs t r a t e g yo fc o m b i n i n g b a s eq u a n t i t yw i t hc o r r e c t i o nw a sa d o p t a n db yt h i sw a yc o n t r o l l i n g p a r a m e t e r sc a l lb ea d j u s t e da c c o r d i n gt oe n g i n eo p e r a t i n gc o n d i t i o na n d e n v i r o n m e n t a c c o r d i n g t o o p t i m u mr e q u i r e m e n t o fh y d r o g e n e n g i n e a n d c h a r a c t e ro fg a ，a u t o h y d r o g e n f u e l e de n g i n em a pc a l i b r a t i o ns y s t e m s o f t w a r ew h i c hi sb a s e do nc o m b i n a t i o no fp a r e t oo r d e ra n dp a r t i a l d e c i s i o n m a k i n gi sd e v e l o p e d t h i ss o f t w a r er e a l i z e dt h eu n i f i c a t i o no f i n d i v i d u a lo p t i m u ma n do v e r a l lo p t i m u m a n dt h ec a l i b r a t i o np r o c e s si s n o to n l ys i m p l i f i e db u tt h es p e e di sa l s oi n c r e a s e d m e a n w h i l e ，t h r o u g h w e i g h t i n gf u n c t i o n ，w ef i n a l l yr e a l i z e dt h ec a l i b r a t i o np r o c e s st ob e a d j u s t e da c c o r d i n gt oh y d r o g e n f u e l e de n g i n e so p e r a t i n gc o n d i t i o n ，a n d c r e a t ean e wm e t h o dt oc a l i b r a t em a p q u i c k l ya n da c c u r a t e l yu n d e rt h e s i t u a t i o no f m u l t i - o b j e c t sa n dm u l t i v a r i a t e k e y w o r d s ：h y d r o g e n f u e l e de n g i n e ，p a r e t oo r d e r ，h y d r o g e ni n j e c t i o n t i m i n g ，i g n i t i o nt i m i n g 独立完成与诚信声明 本人郑重声明：所提交的学位论文，是本人在指导教师的指导下，独立进行研究 工作所取得的研究成果并撰写完成的。没有剽窃、抄袭等违反学术道德、学术规范的侵 权行为。文中除已经标注引用的内容外，本学位论文中不包含其他人或集体已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得华北水利水电学院或其它教育机构的学位或证书所 使用过的材料。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中作了明确的说明 并表示了谢意。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 学位论文作者签名：案咕、富 签字r 期：工呷辛汨f l f l 保证人( 导师) 虢杨j 舀寸签字隰聊卑们日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解华北水利水电学院有关保管、使用学位论文的规定。特授权华北水 利水电学院可以将学位论文的全部或部分内容公开和编入有关数据库提供检索，并采用 影印、缩印或扫描等复制手段复制、保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关 部门或机构送交论文原件或复印件和电子文档。( 涉密的学位论文在解密后应遵守此规 定) 学位论文作者签名：辱右秀 签字只期： 2 呷年f 目f j 目 第1 章引言 1 1 氢燃料一2 1 世纪极有潜力的替代能源 汽车内燃机技术的发展与排放法规的日益严格和能源短缺问题的日益严 重有着直接的关系，尤其是近年来的能源危机以及“欧v i ”乃至将来的“欧 v l l ”法规，对现有内燃机技术提出更为严峻的挑战。 2 0 0 3 年我国石油消耗量已高达2 亿5 0 0 0 万吨，其中进口石油9 1 1 2 万吨， 成为仅次于美国的世界第二大石油消费国和进口国。未来2 0 年汽车消费增长 将成为我国石油消耗增长的主要动力，预计2 0 1 0 年和2 0 2 0 年全国机动车燃油 需求将分别为1 3 8 亿吨和2 5 6 亿吨，是当年全国石油总需求的4 3 和5 7 。 而按目前石油的探明储量和消耗速度，世界石油的平稳供应仅能维持4 0 多年， 石油枯竭是必然趋势，开发可替代能源己成为全球性紧迫课题。 造成大气污染的气体主要由非c 1 - 1 4 有机物、n o x 、c o 和p m ( 烟尘颗粒) 等组成【1 7 j 8 j 。据测量，在美国城区4 3 的非c h 4 有机物，5 7 雕j n 0 x 和8 2 f i 自c o 都 是来自于汽车废气的排放。我国各大城市的空气污染也日趋严重，1 9 9 8 年全世 界十大空气污染城市我国占其七。北京、广州、上海等城市空气中n o x 的4 0 以上部分，c o 的6 0 以上部分，c h 的7 0 以上部分，是由燃油车辆的尾气排放 造成的。汽车尾气被市民评为“最不可忍受的污染物”。解决以石油为燃料的 汽车废气污染己成为目前环保工作中的重中之重。要降低汽车废气污染物的排 放量，一方面要对发动机采用一系列清洁燃烧技术，如废气再循环技术，三元 催化器技术等；另一方面要进一步提高汽油和柴油的油品：再就是采用清洁排 放的代用燃料。在汽车工业的“十五”计划中明确提出，“积极推进代用燃料 汽车的应用”。 发展代用燃料汽车是解决环境污染和石油短缺问题的一项重要措施。现在 各工业发达国家政府及各大汽车公司都己把代用燃料汽车作为重大项目列入 发展规划，投入巨大的人力、财力来研究和开发。目前研究开发的代用燃料汽 第l 章引言 华北水利水电学院硕上学位论文 车和混合动力汽车主要有以下几种：天然气汽车( n g v ) 、液化石油气汽车 ( l p g v ) ；其他，如甲醇汽车( m v ) 、氢气汽车( h v ) 、太阳能汽车( s v ) 、植物油汽 车、复合燃料汽车等。 从经济性、动力性和排放性等因素综合考虑，氢能是未来最有可能替代石 油的动力燃料，是一种理想的能量载体。作为清洁能源，开发氢能还将带动各 种可再生能源的发展，引发新的能源革命，成为2 l 世纪的一种重要能源，使人 类进入“氢经济时代”。 氢发动机与汽油机的燃烧过程和速度有很大差别：氢发动机的燃烧速度较 汽油机快，燃烧持续时间较汽油机短，使得氢发动机燃烧过程中缸内压力升高 较汽油机快。与加速性能令人满意的汽油机相比，氢发动机的加速性能毫不逊 色。而且由于氢燃料特有的高热值和良好的燃烧性能，使氢发动机的过渡过程 特性尤为优良，可在更短的时间内完成怠速到额定转速的变换。氢发动机在与 汽油机的性能对比中，表现出了卓越的性能。氢发动机的机械损失和热损失比 汽油机高，其充气系数也有待提升。在燃烧和膨胀过程中，氢发动机缸内压力 和温度较汽油机高，但排气压力较汽油机低。喷射式汽油发动机不需做很大改 动，只需去除油泵和燃油滤清器，换上储氢罐，即可改装成为氢燃料发动机。 氢气虽然易燃易爆，且燃烧速度极快，但其密度小，扩散速度极高，其危险性 持续的时间也就较汽油机短。另外，氢气燃烧也不象汽油燃烧那样会产生有毒 烟雾。使用氢作为交通工具的燃料，将结束因交通而引起的温室气体等污染物 排放的历史。氢燃料以其自身的燃烧特性，要求对混合气形成和燃烧过程进行 更精确的控制，因此对电控系统提出了更高的要求。 1 2 汽油发动机电控系统的发展及现状 1 2 1 传统汽油发动机电控系统的发展现状 从8 0 年代初期开始，在汽油机上化油器逐步被电控喷油系统所代替。电子 控制燃油喷射发动机的装车率在发达国家中逐年增加，目前已接近于1 0 0 。 例如在美国，1 9 8 8 年为8 4 ，1 9 9 2 年达1 0 0 ；在日本，1 9 8 8 年为5 3 ，1 9 9 2 2 坐j e 壅型盔鱼堂瞳亟堂焦迨皇 苎! 兰! ! 童 年为6 8 ；在德国，1 9 8 9 年为7 1 ，1 9 9 3 年达9 8 ，德国于1 9 9 3 年l o 月停 止生产带化油器的轿车发动机，全部采用电控燃油喷射系统：在其他西欧国家， 1 9 8 9 年为4 2 ，1 9 9 3 年达9 6 i ”。近几年，中国也禁止了化油器式轿车发动 机的生产。电控燃油喷射发动机采用的燃油供给系统，其最大优点是能按照发 动机的使用条件和不同工况，非常准确地供给最佳空燃比混合气。与传统的化 油器式发动机相比，一般可节省燃油5 2 0 ，提高功率约1 0 。发展电控 燃油喷射发动机是实现车用汽油机高动力性、高经济性和优良排放性能的有效 途径。 电喷系统的发展是一个逐步改进的过程。早期的设计是在节流阀体上安装 一个喷油嘴，取代化油器，这就是单点喷射方式。但是这种喷射方式，会使大 量汽油附着在进气管道的壁面上，不能均匀地、及时地进入气缸，存在进气道 粘附油膜现象。为了提高各气缸间供油的均匀程度和改善在变动工况时对空燃 比的控制。单点喷射很快被多点喷射所代替。多点喷射就是每缸分配一个喷油 器的供油方式。多点喷射多为喷油器安装在气道进气阀口处，即气道燃油喷射 ( p f i ) 方式，其最简单的供油方案是采用同时喷射的方式。同时喷射是指发 动机在运转期间，各缸喷油器同时开启且同时关闭，由电脑的同一个喷油指令 控制所有的喷油器同时动作。喷油时一些气缸的进气阀处于开启状态，另一些 气缸的进气阀关闭。为了使各气缸间的油气混合过程相同以减少一些气缸的碳 氢化合物排放，又出现了分组喷射和顺序喷射。分组喷射是将喷油器分组交替 喷射，电脑发出喷油指令，分别控制各组喷油器，避免了单点喷射方式和同时 喷射方式的弊端；顺序喷射方式即各缸按工作顺序依次喷油的方式，比分组喷 射效果更好。目前“分组喷射”和“顺序喷射”这两种p f i 方式是电喷汽油机 采用的主流供油方式。但是，现代汽油机的这种顺序喷射系统仍存在着冷启动 时碳氢化合物排放偏高的问题。目前的喷射系统把汽油以较大的油滴喷向进气 阀的背部和阀口附近的壁面上。只有少量汽油能够在油滴到达壁面之前直接在 空气中蒸发。汽油的蒸发和油气混合主要依靠进气阀和进气道壁面的高温。这 种油气混合方式在发动机稳定工况下可以满足要求，但在发动机冷起动时汽油 第1 章引言 华北水利水电学院硕l - 学位论文 蒸发和油气混合严重不足。此时不得不过量供油使发动机得以起动，将造成大 量未燃碳氢化合物经排气阀进入三元催化转化器。在冷起动时，催化转换器正 处于低温状态而不能起作用。这就造成很高的碳氢化合物排放浓度，成为车辆 达到欧i 、欧及更高排放车辆标准的主要障碍之一。 国内的各大院校、研究机构和电子企业虽对汽车电子系统( 包括燃油电喷、 防抱死系统等) 作过研究探索工作，而且所研究的汽车电子装置可以实现其功 能，但是由于研究条件限制，难以形成产业化，像北京理工大学、清华大学汽 车工程研究所就在汽车电控方面做了很大的研究，就汽车电控技术的开发系统 和台架试验也作了大量研究和探索。本课题的研究是建立在氢燃料发动机上的 电控系统研究，因为国内没有相关方向的研究，只是处在一种摸索的道路上， 我们希望借助于汽油机的电控单元的技术，来控制氢气的燃烧。 1 2 2 发动机电控系统发展动态及最新成果 由于汽油机的工作过程十分复杂且具有显著的非线性和时变性，一般不易 用精确的数学模型完成发动机的实时控制任务，加上对现代控制理论的应用还 处于研究和探索阶段，故目前控制系统还是广泛使用脉谱( 淞p ) 特性实现实时 控制功能。汽油机的主要电控参数包括喷油量( 喷油时间) 、喷油提前角、点火 闭合角和点火提f i i 角等，要优化这些控制参数，需要在发动机试验台上进行大 量的匹配试验。 在汽油机电控燃油喷射系统中，以电子控制单元( e c u ) 为中心，用安装在 发动机不同部位上的各种传感器测定发动机的各种工作参数，如进气量、转速、 温度等，将它们转化为计算机能接受的电信号之后，传送给e c u ；e c u 对输 人信号作运算、处理、分析判断后，向执行器发出指令控制喷射系统的工作， 最终通过喷油器定时、定量地把汽油喷人进气道或气缸中去，使发动机在各种 工况下都能获得最佳浓度的混合气。此外，通过电控喷射系统还能实现起动加 浓、暖机加浓、加速加浓、全负荷加浓、减速调稀、强制怠速停泊、自动怠速 等控制功能，满足发动机各种特殊工况对混合气的要求，从而使发动机获得良 坐j e 垄型查鱼堂堕亟! ：堂丝迨塞兰! 童! ! 重 好的经济性、动力性并降低废气中的有害徘放物。 电子系统设计，从方法设计到部件选用，已发生和正在发生着巨大变化， 电子设计自动化方法( e d a ) 正在代替传统设计方法。而具有不同功能的、以 c p u 为内核的电子部件层出不穷，单片机、嵌入式微处理器、数字信号处理器 ( d s p ) 以及各种可编程逻辑部件，已促使电子系统设计进入了一个更高的层 次。 数字信号处理器( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r - 一一d s p ) ，也叫d s p 芯片，是 一种具有特殊结构的微处理器，是2 0 世纪科学及工程具体化最具有影响力的 技术之一。自2 0 世纪7 0 年代末d s p 芯片诞生以来，在短短的2 0 多年时间便 得到了飞速的发展，已广泛应用于通信、医疗、影像、雷达及声纳、高保真音 乐重现、石油勘探、工业控制、军事、航空航天等领域。 1 2 3 氢燃料发动机的特点及其对电控系统的要求 与其它燃料相比，氢空气混合气具有特别广的可燃范围，通过调节供氢量， 可以使发动机在整个负荷范围内工作，并且在用贫氢的混合气工作时，得到的 指示效率比汽油要高些。氢发动机的燃烧速度较汽油机快，燃烧持续时间较汽 油机短，使得氢发动机燃烧过程中缸内压力升高较汽油机快，当缸内温度过高 或过量空气系数不适当时，易于发生早燃、爆燃、回火等异常燃烧现象，在重 载工况和异常燃烧发生时充气效率降低、输出功率下降、经济性能恶化、n 嘎 排放升高等，严重影响了氢发动机的输出性能，污染了环境。 合理的组织进气系统和缸内的气体流动，提高混合气的混合质量，以及恰 当的控制喷氢正时，喷氢定量和点火正时，是全面改善氢发动机综合性能的有 效途径。 针对氢发动机的以上特点对电控系统提出的要求如下： 1 ) 电控系统必须严格控制过量空气系数在指定的范围内，以避免爆震等异常 燃烧； 2 ) 电控系统要根据缸内温度和压力以及发动机的运行工况动态调整空燃比， 第l 章引言华北水利水电学院硕士学位论文 提高经济性能和动力性能，并优化排放性能。 3 ) 合理的控制喷氢提前角和点火提前角，从而提高氢和空气的混合质量，改 善发动机性能。 1 3 课题工作的提出及研究意义 发动机是汽车的心脏，发动机性能的优劣直接决定了汽车性能的好坏随 着汽车保有量的不断增大，两大世界性难题一能源和环境问题，对内燃机的燃烧 提出了更高效、更清洁的要求。发动机的燃烧过程是一个复杂的瞬变过程，其 燃烧品质很大程度上取决于燃料、空气及燃烧环境等在瞬变过程中的组织和相 互匹配。发动机电控技术是未来发动机研究的核心技术，它可以根据发动机的 运行环境和工况，精确控制喷氢正时、空燃比和点火正时，对优化可燃气的混 合质量、抑制异常燃烧、降低有害气体排放、提高发动机动力性能和经济性能 等均具有十分重要的意义。 1 4 课题的工作基础 课题组已完成了电控单元硬件设计开发，此电控单元所用的主芯片为 m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 。关于转速、曲轴位置计算模块、喷油、点火模块有资料可供 借鉴：有工况模拟器和发动机试验台，电控系统调试和功能验证的基本条件已 经具备。 1 5 课题的工作任务 课题的工作任务是开发一套电控系统，适合实验室进行氢燃料发动机试验 研究。本课题要求在t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 芯片上研究控制算法和开发控制软件，实 现电控单元e c u 的点火控制，喷氢控制等实时控制，并能随发动机工况动态调 整控制参数，动态优化发动机的综合性能。并且要求开发设计m a p 标定系统软 件，使标定过程随氢发动机运转工况动态调整，实现在多变量多目标的情况下， 快速准确的标定m a p ，从而能动态的优化发动机性能。 6 本课题的主要工作任务包括： 试验机电控系统软件开发： 电控系统m a p 标定软件设计 电控系统的仿真与试验。 1 6 电控系统设计思路 1 6 1 功能设计要求 总原则是既能满足氢发动机的控制要求，又能方便台架试验，因此对电控 系统提出以下功能要求： 满足控制速度和精度要求： 实现燃料喷射控制； 实现无分电器电子点火； 具有上位机调试接口，支持软件现场调试和数据标定。 1 6 ，2 总体设计方案 电控系统的总体设计方案如图1 - 1 所示。 面订型兰鹭n i v 型登厢磊i l 百赢 攀茎罢b d 互 犟 位置传感器ff i 了石剖席必槎明卜_ - f 火化墨 厂一转角信号 “7 一厂 传感器 发动机反f 气缸 图1 1 电控系统设计方案 f i g1 - 1t h ed e s i g no f e l e c t r o n i cc o n t r o ls y s t e m 1 7 与已有控制系统的区别 本电控系统与常用e c u 不同，具有在线实时调试功能接口，喷氢、点 7 第1 章引言 华北水利水电学院硕士学位论文 火等控制参数可以通过p c 机人为的设定，适用于实验室进行发动机 试验。 与p f i 发动机喷油控制不同，p f i 发动机进气道喷油，喷油时刻一般 固定在发动机运行的某个时刻，e c u 主要计算喷油脉宽量；而本电控 系统的喷氢时刻和喷氢脉宽随发动机运行状态的变化而变化，e c u 需 要精确控制喷氢时刻及喷氢脉宽。 电控系统的传统标定方法，是分工况、分参数、分目标进行的，标定 过程需要做大量的繁琐试验。而本标定系统通过基于p a r e t o 秩与决策 偏好相结合的全自动多目标优化标定算法，实现了个体优化与总体优 化的统一，简化了标定过程，提高了标定速度，同时通过加权函数实 现了标定过程随氢发动机运转工况的动态调整，为在多变量多目标的 情况下，快速准确的标定开辟了新的方法。 生韭查型查鱼堂堕堡堂丝迨塞苎! 雯墨垄垫塑堕塑丝兰丝壁坌堑 第2 章氢发动机的燃烧与性能分析 2 1 氢燃料发动机的异常燃烧 氢燃料发动机比常规石油燃料发动机具有着火界限宽广，燃烧速度快。使 发动机能在稀薄混合气下运转，废气有害排放物少等一系列优点，但若其工作 过程组织不当，易出现异常燃烧，不仅发动机性能急剧下降，甚至发动机无法 正常工作，熄火停止运转，因此合理组织燃烧可抑制氢发动机不正常燃烧 6 , 8 - 1 2 l 。 氢燃料发动机的异常燃烧主要有： ( 1 ) 燃烧初期的燃烧压力升高率太高和爆震； ( 2 ) 燃烧过程的早燃现象； ( 3 ) 迸气管回火现象。 燃烧初期的燃烧压力升高率过高常常出现在外部混合气形成方式，且在混 合气较浓的情况下。其机理为采取外部混合气形成方式的氢发动机的混合气形 成和燃烧，属于预混火焰的混合气形成和燃烧。在着火以前，形成了大量的预 混合气，从而在燃烧初期大量混合气同时燃烧，如果混合气浓度适当，使燃烧 速度很高。此外，燃烧室容积很小，着火后即可能产生高的压力升高率，并出 现压力波动现象。一般而言，急剧的压力升高率除和混合气形成方式、混合气 浓度有关外，还和压缩比、点火时刻、着火延迟等因素有关。对于内部混合气 形成方式的氢发动机，虽然出现过高的压力升高率和燃烧压力波动的倾向减 小，但在更浓的混合气下也可发生之。除上述因素外，这种混合气形成方式下 的混合气形成质量、喷射j 下时、气束分布、点火正时，以及它们之间的配合对 其也有很大的影响。 图2 - 1 示出了采取进气管喷氢的外部混合气形成方式下的压力升高率和过 量空气系数口之间的关系曲线。随着过量空气系数a 的减小，混合气变浓，压 力升高率也急剧增加。 早燃和回火易发生在采用进气管喷射氢发动机上，在高压缩比、高负荷( 即 9 第2 章氢发动机的燃烧j 性能分析 华北水利水电学院硕士学位论文 缸内温度高，容易造成某些炽 1 崩 热点( 如火花塞，排气阀头部 图2 - 1 压力升高率和过量空气系数口的关系 等) ，则混合气容易被这些炽热f i g 2 - 1r e l a t i o no f r i s i n gr a t eo f p r e s s u r ea n d 点点燃而引起早燃。缸内由某 v o m ”n 1 ”币c i e n c y 些沉积物的情形同炽热点类似。 采用缸内直喷供氢 6 , 1 2 , 8 , 1 3 】，在压缩行程前期，将低压氢气直接喷入气缸， 可以消除回火现象，并可有效地控制早燃。若在压缩行程后期，将高压氢气 主i 兰曼兰i 鍪兰兰曼| ：e 擀 特别是高压喷氢可以大大提高压缩i i一， 一、in 比，从而还可以改善热效率和提高输毒。广矿仔 1 5 ， p f i 喷射方式氢发动机发出最大功率约为汽油机标定功率的6 0 ，而此时，氢 发动机n 0 。排放量远低于汽油机。当p f i 喷射方式氢发动机过量空气系数 口 1 5 2 0 ，此时发动机有效功率将下 降，n o 。排放量也急剧下降。减少n o ，排 放量的主要策略是降低燃烧室温度。采 取缸内直喷稀薄混合气快速燃烧技术， 以降低燃烧室温度和缩短使和n 2 的反应 时间，从而减小n o 。排放，且可有效控制 回火等不正常燃烧；高压缸内喷射也有 利于提高压缩比，提高发动机有效功率。 2 3 燃烧参数对氢燃料发动机性 能的影响 点火j 下时、喷氢f 时、喷射压力、 ， 7 棚面l i b 囊，a 图2 - 3 喷射压力对氢发动机性能的影响 f i g 2 - 3i n j e c t i o np r e s s u r ei m p a c to n p e r f o r m a n c eo f t h eh y d r o g e n f u e l e de n g i n e 喷氢量等燃烧参数，对优化氢燃料发动机的动力性、经济性和排放性，以及抑 台，a，-簟t 第2 章氧发动机的燃烧与性能分析华北水利水电学院硕上学位论文 制异常燃烧等影响较大。具体如下所示 2 3 1 喷射压力对缸内直喷氢燃料发动机性能的影响 对于g d i 喷射方式的氢发动机，增加喷射压力促进了氢空气混合气的形成 和燃烧，在一定程度上可以改善发动机的动力性和经济性。图2 3 示出了当喷 射压力从6 o m p a 增加到8 5 m p a 时，放热率d o d g 增加。但应注意到，当喷 射压力太高时，使气缸压力和压力升高率均增加，从而导致发动机工作粗暴和 可靠性降低。 2 ，3 2 喷射正时对氢发动机性能的影响 图2 4 给出了在n i s s a nm o t o rc o 生产的一台四行程水冷车用柴油机改装 的氢发动机上，发动机转速 月= 2 0 0 0 r m i n ，压缩比占= 1 2 ，喷氢 葛 提前角p 分别为上止点前1 3 。c a ， 9 。c a 和4 。c a 时的有效热效率r , 值 和n o 。排放量。图示出当口：9 。c a 时， 毫 珑值较高：n o 。排放量则随e 的推迟 ； 而减小，q2 9 。c a 的n o t 排放量更接 鬟墨 近于矽= 4 。c a 的n o 。排放量。还进行 。 了在其他压缩比下的试验，发现情形 舶 基本一致。从图中也可发现，外部混 合气形成方式比在压缩过程早期缸 麓芸三篇。l i l 内喷射方式的氢发动机的n o 。排放量鬯2 4 警孕时间对发动廿性能印影响 p i g z 4i n e c t m nt i m i n g , l m p a c t m no n 要低。performance o ft h eh y d r o g e n 。f u e l e de n g i n e 2 3 3 点火正时和喷射正时的关系对氢发动机性能的影响 文献 6 进行了点火时间和喷氢时问的优化关系分析。图2 - 5 为用纹影法 1 2 得到月= 2 0 0 0 r m i n ，5 0 负荷下氢喷束火花点火的延迟时间和喷射时刻的关系。 在2 5 ( a ) 中，p 为气缸压力。r l 为从喷氢阀开始上升( 开始喷射) 到开始着火的 l 甚 暑 萋 图2 5 氢喷柬火花点火的延迟时间和喷射时刻的关系 f i g 2 5t h er e l a t i o no fi g n i t i o nd e l a ya n dt h eh y d r o g e ni n j e c t i o nt i m i n g c 一赡压一压力；y 一直臾佰号： 一气缸压力：l 一曩射丹 图2 - 6 点火正时和喷氢正时之间的关系对氢发动机性能的影响 f i g 2 - 6r e l a t i o no f i g n i t i o nt i m i n ga n di n j e c t i o nt i m i n gi m p a c to f fp e r f o r m a n c eo f t h e h y d r o g e n f u e l e de n g i n e 时间，此后火焰在氢束内传播并传播到相邻的氢束。f ，表示从喷氢阀丌始上升 到缸内压力迅速上升的时间( 缸内压力上升意味着火焰传播到相邻的喷束，即 多个喷束开始着火) 。当氢喷射开始时刻岔固定在上止点前l 妒c a ，点火正时馥 改变时，f l 和f ，随之改变，如图2 - 5 ( b ) 所示。由图示，当点火提前角包小于6 ： 时，即点火较晚时，由于缸内温度高，燃烧由两个阶段变为一个阶段( = f 2 ) ， 董景培-t 第2 章氢发动机的燃烧j 件能分析 华北水利水电学院硕上学位论文 这就意味着氢束之自j 相互混合以致于出现连续的火焰传播。但此时点火时刻落 后于喷射时刻较多，将导致气缸内压力急剧增加，压力升高率高，从而导致发 动机爆燃，使压力波动。 图2 6 分别给出了喷氢时刻和点火时刻相同( 图( a ) ) 及点火时刻落后于喷 射时刻3 。c a ( 图( b ) ) 的缸内压力图。如图( a ) 所示，当只= 鼠= 6 0 c a 时，压力 曲线平坦光滑，燃烧稳定，各个循环压力波动小。而当点火正时只偏离喷射正 时3 。c a 时( 鼠= 3 。c a ) ，燃烧初期压力急剧升高，产生强烈的压力波动，并伴 有失火现象( 如图( b ) 所示) 。因此，为了获得良好的发动机性能，应优化控制 喷氢正时和点火正时，使点火正时尽量靠近喷氢正时。 2 3 4 赜氢脉宽对发动机性能的影响 试验是在一台m i t s u b i s h i 公司生产的单缸汽油机改装成的氢发动机上进 行的，原机缸径行程为： 8 4 9 0 ，半球形燃烧室，压 缩比为8 5 ，转速为3 0 0 0 转 分，点火提前角为上止点前 2 2 。曲轴转角2 。加装了液氢 供应系统，由液氮冷却的的 低温氢气做为燃料，迸气管 喷射压力为0 i m p a 。图2 7 到图2 - 9 分别表示了喷氢量 对氢发动机动力性、经济性 和n 0 。排放性的影响( 注：数 图2 7 喷氢量对输出功率的影响 f i g 2 - 7t h ei n f l u e n c eo fh y d r o g e ni n j e c t i o n q u a n t i t yt oo u t p u tp o w e r 据系从日本武藏工业大学获得) 。从图2 8 可看出，在1 2 丸 2 2 时，输出功率随过量空气系数的增加降低的 1 4 生j e 盔型查生堂堕墅堂丝迨皇 笙! ! 墨垄垫坐堕塑丝! ! 丝丝坌堑 加速度加大。 由图2 8 可见，在1 5 4 5 九 1 9 时，氢燃料消耗率对过量空气系数的反应 很敏感，氢燃料消耗率随过量空气系数的增大而降低：在1 9 九 2 2 3 以后，燃料消耗率 随过量空气系数的增加上升 幅度较大。这表明氢气比汽油 的着火范围宽广的多，在合理 的过量空气系数下，氢燃烧速 度较高，氢燃料消耗率对过量 空气系数的反应不敏感。 图2 9 表明，n o 。的生成 受过量空气系数的影响极大， 当1 2 丸 2 0 时，n 0 。的生 成量有所回升。 2 4 小结 由此可见，点火正时、喷 氢正时、喷射压力、喷氢量等 燃烧参数，对氢发动机的动力 性、经济性和排放性影响较 大。要想提高氢燃料发动机的 图2 8 喷氢量对氢燃料消耗率的影响 f i g 2 - 8t h ei n f l u e n c eo fh y d r o g e ni n j e c t i o n q u a n t i t y r or a t eo ff u e lc o n s u m p t i o n 。 图2 - 9 喷氢晕对n o x 排放量的影响 f i g 2 - 9t h e i n f l u e n c eo fh y d r o g e ni n j e c t i o n q u a n t i t yt on o , d i s c h a r g e 第2 章氢发动机的燃烧与性能分析华北水利水电学院硕士学位论文 综合性能，抑制异常燃烧，就必须结合发动机工况合理高效的控制点火正对、 喷氢正时、喷射压力、喷氢量等燃烧参数，优化燃烧过程。 以点火提前角、喷氢提前角和喷氢量为基本控制变量的氢燃料发动机电控 系统，是实现上述控制功能，全面改善氢发动机性能的有效手段。 1 6 第3 章电控系统硬件设计 本课题研究的电控系统是针对试验台氢燃料发动机所设计，其控制功能与 成品发动机e c u 不同，实验者可以在线实时地将喷氢、点火等控制参数输入到 e c u 中，e c u 处理数据后，输出信号驱动喷氢、点火模块。控制系统硬件主要 由以下功能子模块电路组合而成： d s p 主芯片t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a ： 输入信号采集滤波电路： 输出信号功率驱动放大电路； 电源管理电路； s c i 串口通讯电路； 软件调试电路； 复位电路： 各子模块之间的关系如图3 1 所示。 坚型叫皇塑篁里皇堕h l 鬲蛞 曲轴化胃传感器 凸轮轴化置传感器 肖7 t j 开度传感器 温度传感器 压力传感器 爆震传感器 模 拟 信 号 采 集 滤 波 骥 啊 s c i 串口通讯电路 软件调试电路 鍪悝 墓噎 p c 机 图3 1e c u 硬件结构图 f i g 3 - 1e c u h a r d w a r es t r u c t u r e 电源管理电路将+ 1 2 v 电压转化为电控系统使用的+ 5 v 电压；输入信号 采集滤波电路负责采集和处理传感器信号；串口通讯接收从p c 上位机程序传 送的喷氢、点火参数；各传感器信号以及点火、喷氢参数都送入d s p 主芯片 中进行运算，得到发动机所需的喷氢、点火信号；最后喷氢、点火信号经过相 应的功率驱动放大电路处理后，控制喷氢执行器和点火执行器，实现电控喷氢 第3 章电控系统硬件设计 华北水利水电学院硕上学位论文 和电控点火。 3 1 单片机主芯片 电控系统选用了数字信号处理器t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 做为e c u 的微处理器。 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 是美国t i 公司推出的新型高性能1 6 位定点数字信号处理器。 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad s p 具备以下一些特点： ( 1 ) 采用高性能静态c m o s 技术，使得供电电压降为3 3 v ，降低了控制器的功 耗：4 0 m i p s 的执行速度使得指令周期缩短到2 5 n s ，从而提高了控制器的实时 控制能力。 ( 2 ) 基于t m s 3 2 0 c 2 x xd s p 的c p u 内核，保证了t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad s p 代码和 t m s 3 2 0 系列d s p 代码兼容。 ( 3 ) 片内有高达3 2 k b 的f l a s h 程序存储器，高达1 5 k b 的数据程序r a m ， 5 4 4 字双口r a m ( d a r a m ) 和2 k b 的单口r a m ( s a r a m ) 。 ( 4 ) 两个事件管理器模块e v a 和e v b ，每个包括两个1 6 位通用定时器和8 个 1 6 位的脉宽调制( ( p 1 】| m ) 通道。 ( 5 ) 可扩展的外部存储器总共1 9 2 k 字空间：6 4 k 字程序存储器空间，4 k 字数 据存储器空间和6 4 k 字i o 寻址空间。 ( 6 ) 看门狗定时器模块( w d t ) 。 ( 7 ) 1 0 位a d 转换器最小转换时间为5 0 0 n s ，可选择由两个事件管理器来触 发两个8 通道输入a d 转换器或一个1 6 通道输入的a d 转换器。 ( 8 ) 控制器局域网络( c a n ) 2 o b 模块。 ( 9 ) 串行通信接口( s c i ) 模块。 ( 1 0 ) 1 6 位串行外设( s p i ) 接口模块。 ( i 1 ) 基于锁相环的时钟发生器。 ( 1 2 ) 高达4 0 个可单独编程或复用的通用输入输出引脚( g p i o ) 。 ( 1 3 ) 5 个外部中断( 两个电极驱动保护、复位和两个可屏蔽中断) 。 ( 1 4 ) 电源管理包括3 种低功耗模式，能独立地将外设器件转入低功耗模式。 些韭垄型垄电堂瞳亟主堂鱼迨窒 笙! 童皇丝墨竺竺竺垡生 ( 1 5 ) 具有加密功能，密钥长度6 4 位。 本课题选择t