一种高效低排放氢混合燃料动力系统技术方案

本发明专利技术涉及一种高效低排放氢混合燃料动力系统，包括氢气存储单元、氢混合燃料发动机、控制单元、高压氮气储罐、混合罐、稳压轨、中冷器、EGR阀、余氢吸收单元、三元催化装置和空气滤清器。氢气存储单元和高压氮气储罐分别连接到混合罐，混合罐通过稳压轨连接到燃料喷嘴。空气入口通过空气滤清器连接到进气口。尾气管线分为两路，一路通过余氢吸收单元和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。本发明专利技术充分利用高压氢混合燃料压力能进行做功，并利用氢混合燃料发动机做功后的废气的压力能为涡轮增压单元压缩助燃空气，提高汽车动力系统热效率。尾气经余氢吸收单元回收未燃烧的氢气进行利用。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于动力机械设备
，涉及一种高效低排放氢混合燃料动力系统。
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高效低排放氢混合燃料动力系统，充分利用高压氢混合燃料压力能进行做功，提高汽车动力系统热效率，降低氮氧化物排放。本专利技术的技术方案是：高效低排放氢混合燃料动力系统，包括氢气存储单元、氢混合燃料发动机、控制单元、空气入口和废气排放口。氢混合燃料发动机设有进气口、燃料喷嘴、火花塞和排气口。动力系统设有高压氮气储罐、混合罐、稳压轨、中冷器、EGR阀、余氢吸收单元、三元催化装置和空气滤清器。氢气存储单元和高压氮气储罐分别连接到混合罐，混合罐通过稳压轨连接到燃料喷嘴。空气入口通过空气滤清器连接到进气口。排气口分为两路，一路通过余氢吸收单元和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。本专利技术另一种选择为，动力系统设有涡轮增压单元、高压稳压泵和脱水干燥器，涡轮增压单元包括尾气膨胀机、高压燃料膨胀机和增压机，尾气膨胀机、高压燃料膨胀机和增压机同轴连接。氢混合燃料发动机还设有高压进气口。混合罐通过高压燃料膨胀机连接到稳压轨，稳压轨出口连接到燃料喷嘴，空气入口通过空气滤清器和增压机连接到高压进气口。排气口的一路通过尾气膨胀机连接到余氢吸收单元。高压稳压泵连接到高压氮气储罐，高压氮气储罐通过脱水干燥器连接到混合罐。本专利技术再一种选择为，动力系统设有低浓度混合罐、低浓度稳压轨和涡轮增压单元，涡轮增压单元包括尾气膨胀机和增压机，尾气膨胀机和增压机同轴连接，氢混合燃料发动机还设有低浓度燃料喷嘴。氢气存储单元和高压氮气储罐分别连接到低浓度混合罐和混合罐，低浓度混合罐通过低浓度稳压轨连接到低浓度燃料喷嘴，混合罐通过稳压轨连接到燃料喷嘴。空气入口通过空气滤清器和增压机连接到进气口。排气口的一路通过尾气膨胀机连接到余氢吸收单元。氢混合燃料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、低浓度燃料喷嘴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。来自氢气及高压氮气储存单元的氢气和高压氮气按一定比例先后进入氢气与高压氮气混合单元，在完成混合的同时实现高压氮气对氢混合燃料的增压。然后通过自适应式燃料供给单元送入氢混合燃料发动机，在氢混合燃料发动机内燃烧做功。燃烧做功后的尾气一部分通过排气再循环单元送回到发动机的进气口。其余部分送入尾气后处理单元实现氢的回收以及低污染排放。动力系统还设有安全及通风单元以避免在氢气泄露时发生事故。整个系统通过发动机控制单元（ECU）进行控制以实现稳定有序的工作。氢气与高压氮气分开单独储存。高压氮气储存在高压氮气储罐中，高压氮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。设有一组高压混合罐，每组高压混合罐设置有两个或多个高压混合罐交替进行充气和工作。氢混合燃料的氢气浓度为6～100%，氢混合燃料的混合压力为0～50MPa。高压混合罐充气过程中先打开氢气单向阀从储氢单元充入氢气，当达到设定的氢分压后关闭氢气单向阀，然后打开充氮单向阀从高压氮气储罐充入氮气，按设定的氢浓度充入一定量的氮气并增加至一定压力后关闭充氮单向阀，充气过程结束，高压混合罐标定为“待工作”状态，可投入工作使用。高压混合罐还可设置两组或多组，分别对应不同浓度和压力的氢混合燃料。高压氮气可以被二氧化碳或其它惰性气体的一种或多种混合物全部或部分代替，高压氮气中也允许加入部分氢气。氢气允许加入一定比例的其他气体、液体或固体燃料的一种或多种，如甲烷、甲醇、乙醇、氨等。发动机控制单元（ECU）采集氢混合燃料发动机转速、油门踏板位置和氢混合燃料稳压轨压力信号，判断氢混合燃料发动机的当前工况，并控制电控调压阀，调节氢混合燃料轨道的压力，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。氢混合燃料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，缸盖上设有进气口、排气口、氢混合燃料喷嘴、火花塞、高压空气喷嘴。氢混合燃料发动机采用缸内直喷的方式从氢混合燃料喷嘴喷入汽缸。氢混合燃料发动机采用四冲程发动机，氢混合燃料喷嘴在吸气行程中先喷入少量燃料，与吸入的空气混合在缸内形成均质稀薄混合气，在压缩行程中点火提前角前氢混合燃料喷嘴再加入足量燃料，在火花塞附近形成混合气相对较浓的区域，点火后则在缸内实现了分层燃烧，提高了发动机的热效率，减少了燃料消耗。氢混合燃料发动机也可以采用进气道喷射的方式加入全部或部分氢混合燃料。整个动力系统中还可增设涡轮增压单元以增加发动机进气量和强化燃烧，涡轮增压单元为一级或两级。采用一级涡轮增压时，只利用尾气来增压空气，燃烧做功后从发动机出来的尾气一部分通过排气再循环单元送回到发动机的进气口，其余部分先经过涡轮增压单元的膨胀机做功压缩空气后，再送到尾气后处理单元实现氢的回收以及低污染排放。采用两级涡轮增压时，同时利用尾气和高压氢混合燃料来增压空气，从氢气与氮气高压混合单元来的高压氢混合燃料先进入两级涡轮增压单元的高压燃料膨胀机做功，然后通过自适应式燃料供给单元送入氢混合燃料发动机，尾气则按上述流程进入两级涡轮增压单元的尾气膨胀机做功，两本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高效低排放氢混合燃料动力系统，包括氢气存储单元（1）、氢混合燃料发动机（28）、控制单元（7）、空气入口（14）和废气排放口（11）；所述氢混合燃料发动机（28）设有进气口（17）、燃料喷嘴（18）、火花塞（19）和排气口（21）；其特征是：所述动力系统设有高压氮气储罐（15）、混合罐（3）、稳压轨（4）、中冷器（29）、EGR阀（30）、余氢吸收单元（9）、三元催化装置（10）和空气滤清器（13）；所述氢气存储单元和高压氮气储罐分别连接到混合罐，所述混合罐通过稳压轨连接到燃料喷嘴；所述空气入口通过空气滤清器连接到进气口；所述排气口后的尾气管线分为两路，一路通过余氢吸收单元和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。

【技术特征摘要】
1.一种高效低排放氢混合燃料动力系统，包括氢气存储单元（1）、氢混合燃料发动机（28）、控制单元（7）、空气入口（14）和废气排放口（11）；所述氢混合燃料发动机（28）设有进气口（17）、燃料喷嘴（18）、火花塞（19）和排气口（21）；其特征是：所述动力系统设有高压氮气储罐（15）、混合罐（3）、稳压轨（4）、中冷器（29）、EGR阀（30）、余氢吸收单元（9）、三元催化装置（10）和空气滤清器（13）；所述氢气存储单元和高压氮气储罐分别连接到混合罐，所述混合罐通过稳压轨连接到燃料喷嘴；所述空气入口通过空气滤清器连接到进气口；所述排气口后的尾气管线分为两路，一路通过余氢吸收单元和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。2.根据权利要求1所述的高效低排放氢混合燃料动力系统，其特征是：所述动力系统设有涡轮增压单元（12）、高压稳压泵（34）和脱水干燥器（35），所述涡轮增压单元包括尾气膨胀机（16）、高压燃料膨胀机（32）和增压机（27），所述尾气膨胀机（16）、高压燃料膨胀机和增压机同轴连接；所述氢混合燃料发动机（28）还设有高压进气口（31），所述混合罐通过高压燃料膨胀机连接到稳压轨，稳压轨（4）出口连接到燃料喷嘴（18），所述空气入口（14）通过空气滤清器（13）和增压机连接到高压进气口；所述排气口的一路通过尾气膨胀机连接到余氢吸收单元（9）；所述高压稳压泵连接到高压氮气储罐（15），所述高压氮气储罐（15）通过脱水干燥器连接到混合罐（3）。3.根据权利要求1所述的高效低排放氢混合燃料动力系统，其特征是：所述动力系统设有低浓度混合罐（2）、低浓度稳压轨（5）和涡轮增压单元（12），所述涡轮增压单元包括尾气膨胀机和增压机（27），所述尾气膨胀机（16）和增压机同轴连接；所述氢混合燃料发动机（28）还设有低浓度燃料喷嘴（20）；所述氢气存储单元和高压氮气储罐分别连接到低浓度混合罐和混合罐（3），所述低浓度混合罐通过低浓度稳压轨连接到低浓度燃料喷嘴，所述混合罐通过稳压轨（4）连接到燃料喷嘴（18）；所述空气入口（14）通过空气滤清器（13）和增压机连接到进气口（17）；所述排气口的一路通过尾气膨胀机连接到余氢吸收单元（9）。4.根据权利要求1所述的高效低排放氢混合燃料动力系统，其特征是：所述氢混合燃料发动机（28）包括缸体（23）和曲轴（26），缸体的内部为燃烧室（33），所述燃烧室内设有活塞（24），所述活塞通过连杆机构（25）与曲轴连接；所述进气口（17）、燃料喷嘴（18）、火花塞（19）、低浓度燃料喷嘴（20）和排气口（21）位于气缸盖上，所述进气口和排气口设有气门（22）。5.根据权利要求1所述的高效低排放氢混合燃料动力系统，其特征是：所述控制单元（7）设有检测信号输入端（6）和控制信号输出端（8）。6.根据权利要求1所述的高效低排放氢混合燃料动力系统，其特征是：来自氢气及高压氮气储存单元的氢气和高压氮气按一定比例先后进入氢气与高压氮气混合单元，在完成混合的同时实现高压氮气对氢混合燃料的增压；然后通过自适应式燃料供给单元送入氢混合燃料发动机，在氢混合燃料发动机内燃烧做功；燃烧做功后的尾气一部分通过排气再循环单元送回到发动机的进气口；其余部分送入尾气后处理单元实现氢的回收以及低污染排放，尾气后处理单元包括余氢吸收单元和三元催化装置；动力系统还设有安全及通风单元以避免在氢气泄露时发生事故；整个系统通过发动机控制单元（ECU）进行控制以实现稳定有序的工作。7.根据权利要求1所述的高效低排放氢混合燃料动力系统，其特征是：氢气与高压氮气分开单独储存；高压氮气储存在高压氮气储罐中，高压氮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。8.根据权利要求1所述的高效低排放氢混合燃料动力系统，其特征是：设有一组高压混合罐，每组高压混合罐设置有两个或多个高压混合罐交替进行充气和工作；氢混合燃料的氢气浓度为6～100%，氢混合燃料的混合压力为0～50MPa；高压混合罐充气过程中先打开氢气单向阀从储氢单元充入氢气，当达到设定的氢分压后关闭氢气单向阀，然后打开充氮单向阀从高压氮气储罐充入氮气，按设定的氢浓度充入一定量的氮气并增加至一定压力后关闭充氮单向阀，充气过程结束，高压混合罐标定为“待工作”状态，可投入工作使用；所述高压混合罐还可设置两组或多组，分别对应不同浓度和压力的氢混合燃料。9.根据权利要求1所述的高效低排放...

【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