一种氢燃料发动机系统技术方案

本发明专利技术涉及一种氢燃料发动机系统，包括氢气存储单元、高压空气储罐、发动机、控制单元、稳压轨、中冷器、EGR阀、余氢吸收单元、三元催化装置、空气滤清器和空气涡轮增压单元。氢气存储单元通过稳压轨连接到进气口或燃料喷嘴，高压空气储罐连接到高压进气口。排气口分为两路，一路通过尾气膨胀机连接到余氢吸收单元，余氢吸收单元通过三元催化装置连接到废气排放口，另一路通过中冷器和EGR阀连接到进气口。空气入口通过空气滤清器连接到进气口。本发明专利技术利用发动机做功后的废气的压力能为空气涡轮增压单元压缩助燃空气，利用高压空气的压力能驱动氢气涡轮增压单元压缩氢气，充分利用了高压空气压力能和氢燃料的化学能进行做功，提高发动机热效率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于动力机械设备
，涉及一种发动机，具体涉及一种氢燃料发动机系统。
技术介绍
进入二十一世纪，汽车发动机工业得到了迅速地发展，然而目前汽油机和柴油机依然是车用发动机的主要机种。汽油和柴油都是不可再生资源，为了减缓石油资源的匮乏所带来的一系列负面影响以及减少大气污染和汽车发动机尾气排放，需要寻找发动机的代用燃料，而氢能源是目前最理想的清洁燃料。氢能源是众多替代能源中的一种可再生资源，热值高，并且燃烧后大部分生成物是水蒸气，是一种理想的绿色燃料。作为代用燃料的氢能源可以解决二大难题：一是石油燃料储量有限，二是使用石油燃料带来的环境污染。环境污染和能源短缺已经成为当今社会的两大突出问题，为寻求人类社会与汽车产业的可持续发展，燃料电池汽车是公认的可同时解决能源和环境问题的绿色环保车，也被认为是电动汽车的最终选择，是今后汽车发展的主要方向之一。然而受储氢系统技术、成本、寿命和可靠性诸多因素的制约，使得纯燃料电池汽车很难真正市场化运行，针对汽车的起动需要输出较大的功率、瞬态响应特性、燃料电池系统的成本等问题，世界各国汽车制造商开始把注意力转到混合动力汽车，提高了汽车的经济性。氢能源的缺点是，目前氢能的储运安全性为业内担忧，氢能源的燃烧过程中会产生NOx，会对环境造成一定的影响。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种氢燃料发动机系统，充分利用高压空气压力能和氢燃料化学能进行做功，提高发动机的热效率，降低氮氧化物排放。本专利技术的技术方案是：氢燃料发动机系统，包括氢气存储单元、发动机、控制单元、空气入口和废气排放口。发动机设有进气口、高压进气口、燃料喷嘴、火花塞和排气口。动力系统设有高压空气储罐、稳压轨、中冷器、EGR阀、余氢吸收单元、三元催化装置、空气滤清器和空气涡轮增压单元。空气涡轮增压单元设有尾气膨胀机和空气增压机，尾气膨胀机和空气增压机同轴连接。氢气存储单元通过稳压轨连接到进气口或燃料喷嘴，高压空气储罐连接到高压进气口。排气口分为两路，一路通过尾气膨胀机连接到余氢吸收单元，余氢吸收单元通过三元催化装置连接到废气排放口，另一路通过中冷器和EGR阀连接到进气口。空气入口通过空气滤清器连接到进气口。系统设有氢气涡轮增压单元，氢气涡轮增压单元包括空气膨胀机和氢气增压机，空气膨胀机和氢气增压机同轴连接。高压空气储罐通过空气膨胀机连接到高压进气口，氢气存储单元通过氢气增压机连接到稳压轨。系统设有空气稳压轨和混合罐，高压空气储罐通过空气膨胀机连接到混合罐，混合罐通过空气稳压轨连接到高压进气口。空气入口通过空气滤清器和空气增加机连接到混合罐，排气口的一路通过中冷器和EGR阀连接到混合罐，余氢吸收单元的氢气出口连接到混合罐。发动机为二冲程发动机或四冲程发动机，二冲程或四冲程发动机包括缸体和曲轴，缸体的内部为燃烧室，燃烧室内设有活塞，活塞通过连杆机构与曲轴连接。进气口、燃料喷嘴、火花塞、高压进气口和排气口位于气缸盖上，进气口和排气口设有气门。控制单元设有检测信号输入端和控制信号输出端。氢气与高压空气分开单独储存。高压空气储存在高压空气储罐中，高压空气储罐的储存压力为0～100MPa。氢气储存方式包括高压压缩储氢、液化储氢、金属氢化物储氢、新型碳材料储氢、有机液体储氢、无机物储氢或者其他储氢方式中的任一种或其组合。当采用储氢材料储氢时，放出氢气所需要的热量可由动力系统的余热和电力来提供。动力系统增设涡轮增压单元以增加发动机进气压力、进气量和强化燃烧。涡轮增压单元为两个单元。氢气涡轮增压单元的高压空气进入高压空气膨胀机，空气膨胀至0.1～50MPa。氢气进入涡轮增压单元的增压机，氢气增压至0.1～50MPa。尾气增压单元利用尾气涡轮增压机来增压空气，空气增压至0.1～10MPa。尾气增压单元与氢气增压单元允许同轴连接。发动机控制单元（ECU）采集氢燃料发动机转速、油门踏板位置和氢气稳压轨压力等信号，判断氢气燃料发动机的当前工况，并控制电控调压阀，调节氢气稳压轨道的压力，即喷嘴前端至目标的实际喷射压力。同时根据MAP中与当前工况对应的喷氢时刻和喷氢持续期控制其喷射过程。解决了固定压力燃料供给方式面临的在怠速、小负荷工况运转下燃料喷射不稳定和高速、大负荷时功率、扭矩输出不足的难题。燃料喷入策略为保证点火时刻发动机缸内当量空燃比小于1.05，大大降低了NOx的产生，解决了目前氢气发动机尾气中含有NOx的问题。该策略也可以应用于现有的汽油机或柴油机上，例如喷油时加入少量氢气实现燃烧时汽缸内为还原性气氛，以降低NOx的生成，并设置余氢吸收单元将多余的氢气回收，避免了燃料消耗。高压空气可以被氧气、二氧化碳、氮气或其它气体的一种或多种混合物全部或部分代替。在安全氧含量下的高压空气储罐和氢气存储单元中允许加入一定比例的包括氢气在内的其他气体、液体或固体燃料的一种或多种，如甲烷、甲醇、一氧化碳、乙醇、氨等。为保证车内氢系统有泄露的情况下不会发生爆炸事故，预警等级及应对机制分为两级，第一级为0.35%浓度，当车内氢气浓度达到此值探测器发出声光报警，同时传输电信号将汽车天窗自动打开排出氢气，这时供氢系统只是微渗漏，不会造成事故，车辆操作人员应及时至车辆检修处检查处理漏点。第二级为2.25%浓度，当车内氢气浓度到达此值探测器发出声光报警，同时关闭电磁阀，切断供气系统。此时为保证车辆及人身安全，车辆操作人员应立即离开不能再继续驾驶车辆，并通知专业人员采取措施。当采用储氢材料储氢时，可直接加注氢气也可以采用更换氢气存储单元中的储罐，当更换储罐或加注氢气时，可采取保护气保护，以保证储罐安全和储氢材料不被其他污染物污染中毒而失活。允许罐内的储氢材料，如金属氢化物等，在不更换储罐的前提下直接取出罐内的储氢材料进行更换，以实现氢气的重新装填，从而在时间和空间上将氢气的加注与更换有效分离，以提高氢气使用过程中的安全性。同时提高车体的完整性。尾气后处理单元包括余氢吸收单元和三元催化装置。尾气先经过余氢吸收单元将尾气中残余的氢气回收利用。然后含有少量氢气的尾气进入三元催化装置还原NOx，进一步降低NOx含量后排放。也可调整余氢吸收单元和三元催化装置这两者的顺序为先经过三元催化装置再经过余氢吸收单元。余氢吸收单元采用储氢材料吸收、膜分离、分子筛吸附或其他氢气分离工艺的任一种或其组合，余氢吸收单元设置两组交替工作和再生。即余氢吸收单元中的一组吸收尾气中的氢气，另一组再生释放氢气，释放的氢气回到进气岐管或进气口。可调节尾气的温度和压力以满足上述余氢吸收单元的要求。也可加入电加热和余热加热满足余氢吸收单元的热能需要。发动机为二冲程发动机，二冲程发动机设有进气口、燃料喷嘴、火花塞、高压进气口和排气口，进气口和排气口位于缸体的侧部，燃料喷嘴、火花塞和高压进气口位于缸体的上部，缸体的下部为曲轴箱。当使用类似二冲程柴油发动机时，活塞运行过程中只有燃烧做功行程和排气行程。活塞压缩到上止点附近时，高压氢气和高压空气直喷入发动机内的气缸内，推动活塞下行，活塞下行至一定位置后氢气燃料烧嘴和高压进气口关闭，火花塞在合适的点火时刻点火，氢气燃烧做功。这时进气口关闭，EGR（再循环尾气）、涡轮增压空气和余氢的混合气在密闭在曲轴箱内被压缩。继续推动活塞下行至下止点，燃烧做功行程结束。当本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种氢燃料发动机系统，包括氢气存储单元（25）、发动机、控制单元（1）、空气入口（12）和废气排放口（6）；所述发动机设有进气口（8）、高压进气口、燃料喷嘴、火花塞和排气口（14）；其特征是：所述动力系统设有高压空气储罐（26）、稳压轨（7）、中冷器（23）、EGR阀（24）、余氢吸收单元（4）、三元催化装置（5）、空气滤清器（11）和空气涡轮增压单元（9）；所述空气涡轮增压单元设有尾气膨胀机（10）和空气增压机（13），尾气膨胀机和空气增压机同轴连接；所述氢气存储单元通过稳压轨连接到进气口或燃料喷嘴，所述高压空气储罐连接到高压进气口；所述排气口分为两路，一路通过尾气膨胀机连接到余氢吸收单元，余氢吸收单元通过三元催化装置连接到废气排放口，另一路通过中冷器和EGR阀连接到进气口；所述空气入口通过空气滤清器连接到进气口。

【技术特征摘要】
1.一种氢燃料发动机系统，包括氢气存储单元（25）、发动机、控制单元（1）、空气入口（12）和废气排放口（6）；所述发动机设有进气口（8）、高压进气口、燃料喷嘴、火花塞和排气口（14）；其特征是：所述动力系统设有高压空气储罐（26）、稳压轨（7）、中冷器（23）、EGR阀（24）、余氢吸收单元（4）、三元催化装置（5）、空气滤清器（11）和空气涡轮增压单元（9）；所述空气涡轮增压单元设有尾气膨胀机（10）和空气增压机（13），尾气膨胀机和空气增压机同轴连接；所述氢气存储单元通过稳压轨连接到进气口或燃料喷嘴，所述高压空气储罐连接到高压进气口；所述排气口分为两路，一路通过尾气膨胀机连接到余氢吸收单元，余氢吸收单元通过三元催化装置连接到废气排放口，另一路通过中冷器和EGR阀连接到进气口；所述空气入口通过空气滤清器连接到进气口。2.根据权利要求1所述的氢燃料发动机系统，其特征是：所述系统设有氢气涡轮增压单元（15），所述氢气涡轮增压单元包括空气膨胀机（16）和氢气增压机（17），所述空气膨胀机和氢气增压机同轴连接；所述高压空气储罐（26）通过空气膨胀机连接到高压进气口，所述氢气存储单元（25）通过氢气增压机连接到稳压轨（7）。3.根据权利要求2所述的氢燃料发动机系统，其特征是：所述系统设有空气稳压轨（29）和混合罐（30），所述高压空气储罐（26）通过空气膨胀机连接到混合罐，所述混合罐通过空气稳压轨连接到高压进气口；所述空气入口通过空气滤清器和空气增压机连接到混合罐，所述排气口的一路通过中冷器和EGR阀连接到混合罐，所述余氢吸收单元的氢气出口连接到混合罐。4.根据权利要求1～3任一项所述的氢燃料发动机系统，其特征是：所述发动机为二冲程发动机（28）或四冲程发动机（27），所述二冲程或四冲程发动机包括缸体（19）和曲轴（22），缸体的内部为燃烧室，所述燃烧室内设有活塞（20），所述活塞通过连杆机构（21）与曲轴连接；所述进气口（8）、燃料喷嘴、火花塞、高压进气口和排气口（14）位于气缸盖上，所述进气口和排气口设有气门（18）。5.根据权利要求1所述的氢燃料发动机系统，其特征是：所述控制单元（1）设有检测信号输入端（3）和控制信号输出端（2）。6.根据权利要求1所述的氢燃料发动机系统，其特征是：氢气与高压空气分开单独储存；高压空气储存在高压空气储罐中，高压空气储罐的储存压力为0～100MPa；氢气储存方式包括高压压缩储氢、液化储氢、金属氢化物储氢、新型碳材料储氢、有机液体储氢、无机物储氢或者其他储氢方式中的任一种或其组合；当采用储氢材料储氢时，放出氢气所需要的热量可由动力系统的余热和电力来提供。7.根据权利要求1所述的氢燃料发动机系统，其特征是：动力系统增设涡轮增压单元以增加发动机进气压力、进气量和强化燃烧；涡轮增压单元为两个单元；氢气涡轮增压单元的高压空气进入高压空气膨胀机，空气膨胀至0.1～50MPa；氢气进入涡轮增压单元的增压机，氢气增压至0.1～50MPa；尾气增压单元利用尾气涡轮增压机来增压空气，空气增压至0.1～10MPa；尾气增压单元与氢气增压单元允许同轴连接。8.根据权利要求1所述的氢燃料发动机系统，其特征是：发动机控制单元（ECU）采集氢燃料发动机转速、油门踏板位置和氢气稳压轨压力等信号，判断氢气燃料发动机的当前工况，并控制电控调压阀，调节氢气稳压轨道的压力，即喷嘴前端至目标的实际喷射压力；同时根据MAP中与当前工况对应的喷氢时刻和喷氢持续期控制其喷射过程；解决了固定压力燃料供给方式面临的在怠速、小负荷工况运转下燃料喷射不稳定和高速、大负荷时功率、扭矩输出不足的难题；燃料喷入策略为保证点火时刻发动机缸内当量空燃比小于1.05，大大降低了NOx的产生，解决了目前氢气发动机尾气中含有NOx的问题；该策略也可以应用于现有的汽油机或柴油机上，例如喷油时加入少量氢气实现燃烧时汽缸内为还原性气氛，以降低NOx的生成，并设置余氢吸收单元将多余的氢气回收，避免了燃料消耗。9.根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：贾会平，
申请(专利权)人：石家庄新华能源环保科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：河北;13