一种高效低排放氢混合燃料动力系统的制作方法

本发明属于动力机械设备技术领域，涉及一种高效低排放氢混合燃料动力系统。

背景技术：

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。

技术实现要素：

本发明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。

本发明的技术方案是：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。

本发明另一种选择为，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。

本发明再一种选择为，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，两级膨胀机同时带动增压机压缩空气，将空气压缩至高压。

当动力系统中增设涡轮增压单元时，发动机的作业制度可改变为二冲程，二冲程时活塞运行过程中没有吸气、压缩行程，只有燃烧做功和排气行程。高压氢混合燃料和高压空气在燃烧做功行程前段直喷入发动机内，推动活塞下行，活塞下行至一定位置后氢混合燃料烧嘴和高压空气喷嘴关闭，火花塞在合适的点火时刻点火，氢混合燃料燃烧做功继续推动活塞下行至下止点，燃烧做功行程结束。之后活塞上行，汽缸排气口打开，开始排气行程，活塞上行至上止点时，排气口关闭，排气行程结束，发动机重新开始燃烧做功行程，如此往复。发动机改为二冲程后，可以减少发动机吸气、压缩行程的空转能耗，有效地强化发动机的做功能力。

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，回收率达到90%以上。然后送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。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。

本发明高效低排放氢混合燃料动力系统，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，也利用高压氢混合燃料气的压力能驱动涡轮增压单元压缩助燃空气，并且将高压氢混合燃料直接喷入气缸，充分利用了高压氢混合燃料压力能和化学能进行做功，提高汽车动力系统热效率。涡轮增压单元做完功后的尾气经余氢吸收单元回收未燃烧的氢气进行利用，回收率达到90%以上。回收氢气后废气进入三元催化装置，降低了排放尾气中NOx的含量，有利于保护大气环境。

附图说明

图1为本发明高效低排放氢混合燃料动力系统的流程示意图；

图2为本发明另一种方案的流程示意图；

图3 为氢混合燃料发动机的结构示意图；

图4为氢混合燃料发动机的做功行程和排气行程示意图；

图5为本发明第三种实施方案的流程示意图。

其中：1—氢气存储单元、2—低浓度混合罐、3—混合罐、4—稳压轨、5—低浓度稳压轨、6—检测信号输入端、7—控制单元、8—控制信号输出端、9—余氢吸收单元、10—三元催化装置、11—废气排放口、12—涡轮增压单元、13—空气滤清器、14—空气入口、15—高压氮气储罐、16—尾气膨胀机、17—进气口、18—燃料喷嘴、19—火花塞、20—低浓度燃料喷嘴、21—排气口、22—气门、23—缸体、24—活塞、25—连杆机构、26—曲轴、27—增压机、28—氢混合燃料发动机、29—中冷器、30—EGR阀、31—高压进气口、32—高压燃料膨胀机、33—燃烧室、34—高压稳压泵、35—脱水干燥器。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明进行详细说明。本发明保护范围不限于实施例，本领域技术人员在权利要求限定的范围内做出任何改动也属于本发明保护的范围。

实施例1

本发明高效低排放氢混合燃料动力系统如图1所示，包括氢气存储单元1、氢混合燃料发动机28、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、控制单元7、空气入口14和废气排放口11。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。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。控制单元7设有检测信号输入端6和控制信号输出端8。余氢吸收单元连接到气缸进气道。

氢气存储单元采用镁系合金储氢材料存储氢气，储氢材料利用尾气和电力进行加热，受热至150℃时放出氢气。氮气储存在高压氮气罐内，高压氮气罐的压力为80MPa。混合罐3设置有两个混合罐交替充气和工作，充气时先打开氢气单向阀充入氢气，氢气压力到达2MPa关闭氢气单向阀，打开氮气单向阀充入氮气，将氢混合燃料气的压力增压至3MPa后氮气单向阀关闭，此时该混合罐可投入工作，氢混合燃料的氢气浓度为70%。氢混合燃料送入稳压轨中，然后通过喷嘴直接喷入气缸中，或送入进气道与空气预混合后从进气口吸入气缸内，氢混合燃料在气缸中燃烧做功推动汽车运行，气缸内当量空燃比为0.85以减少NOx的产生。20%的尾气通过排气再循环单元送回到发动机进气口。剩余80%的尾气先通过余氢吸收单元回收尾气中90%剩余的氢气，余氢吸收单元的吸收剂为锆系金属储氢材料，余氢吸收单元设置两组交替工作和再生，再生的氢气送入到发动机进气道中。然后尾气再经过三元催化装置后排放，降低尾气的NOx排放为0.005g/km，CO排放为0.09g/km，HC排放为0.03g/km。

实施例2

本发明另一种实施方式如图2所示，包括氢气存储单元1、氢混合燃料发动机28、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、控制单元7、高压稳压泵34、脱水干燥器35、空气入口14、涡轮增压单元12和废气排放口11。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，尾气膨胀机、高压燃料膨胀机和增压机同轴连接，氢混合燃料发动机设有进气口17、燃料喷嘴18、火花塞19、高压进气口31和排气口21。氢气存储单元和高压氮气储罐分别连接到混合罐，混合罐连接到稳压轨，稳压轨出口分为两路，一路连接到燃料喷嘴，另一路连接到进气口，连接管路设有阀门。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。排气口分为两路，一路通过中冷器和EGR阀连接到进气口，另一路通过尾气膨胀机、余氢吸收单元和三元催化装置连接到废气排放口。控制单元7设有检测信号输入端6和控制信号输出端8。余氢吸收单元连接到氢气存储单元的入口。高压稳压泵连接到高压氮气储罐15，高压氮气储罐通过脱水干燥器连接到混合罐。

本实施例中氢气存储单元采用钒系合金储氢材料存储氢气，储氢材料利用尾气和电力进行加热，受热至200℃时放出氢气。高压氮气罐内储存的为氮气与氢气的混合气，其浓度为50%，高压氮气罐的压力为40MPa。混合罐3设置有两个混合罐交替充气和工作，充气时先打开氢气单向阀充入氢气，氢气压力达到15MPa后关闭氢气单向阀，打开氮气单向阀充入氮气，将氢混合燃料气的压力增压至30MPa后氮气单向阀关闭，此时该混合罐可投入工作，氢混合燃料的氢气浓度为75%。

本实施例中动力系统增设涡轮增压单元以增加发动机进气量和强化燃烧。涡轮增压单元为两级，同时利用尾气和高压氢混合燃料来增压空气。首先从氢气与氮气高压混合单元来的30MPa高压氢混合燃料进入两级涡轮增压单元的高压燃料膨胀机32做功，膨胀至3MPa后通过自适应式燃料供给单元送入氢混合燃料发动机。发动机90%的尾气先进入两级涡轮增压单元的尾气膨胀机16做功，再送到尾气后处理单元实现氢的回收以及低污染排放。剩余10%的尾气通过排气再循环单元送回到发动机的进气口。两级膨胀机同时带动增压机27压缩空气，将空气压缩至3MPa。

发动机的作业制度可改变为二冲程。作业制度为二冲程时活塞运行过程中没有吸气、压缩行程，只有燃烧做功和排气行程。高压氢混合燃料和高压空气在燃烧做功行程前段直喷入发动机内，推动活塞下行，活塞下行至一定位置后氢混合燃料烧嘴和高压空气喷嘴关闭，火花塞在合适的点火时刻点火，氢混合燃料燃烧做功继续推动活塞下行至下止点，燃烧做功行程结束。之后活塞上行，汽缸排气口打开，开始排气行程，活塞上行至上止点时，排气口关闭，排气行程结束，发动机重新开始燃烧做功行程，如此往复。发动机改为二冲程后，可以减少发动机吸气、压缩行程的空转能耗，有效地强化发动机的做功能力。4缸的二冲程发动机相当于普通8缸发动机的做功能力。氢混合燃料在气缸中燃烧做功推动汽车运行，气缸内当量空燃比为0.95。20%的尾气通过排气再循环单元送回到发动机进气口。剩余80%的尾气先通过余氢吸收单元回收尾气中90%剩余的氢气，余氢吸收单元的吸收剂为锆系金属储氢材料，余氢吸收单元设置两组交替工作和再生，再生后的氢气加入到气缸进气道。然后尾气再经过三元催化装置后排放，降低尾气中NOx排放为0.01g/km，CO排放为0.07g/km，HC排放为0.023g/km。

实例3

本发明第三种实施方式如图5所示，包括氢气存储单元1、高压氮气储罐15、低浓度混合罐2、混合罐3、稳压轨4、低浓度稳压轨5、氢混合燃料发动机28、涡轮增压单元12、控制单元7、空气入口14、余氢吸收单元9、三元催化装置10、空气滤清器13和废气排放口11。涡轮增压单元包括尾气膨胀机16和增压机27，尾气膨胀机和增压机同轴连接。氢混合燃料发动机包括缸体23和曲轴26，缸体的内部为燃烧室33，燃烧室内设有活塞24，活塞通过连杆机构25与曲轴连接。缸体的缸盖上设有进气口17、燃料喷嘴18、火花塞19、低浓度燃料喷嘴20和排气口21，进气口和排气口设有气门22。空气入口通过空气滤清器连接到增压机入口，增压机出口连接到进气口。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，低浓度混合罐和混合罐分别设置两台交替使用。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。排气口的一路通过尾气膨胀机连接余氢吸收单元，余氢吸收单元通过三元催化装置连接到废气排放口11。排气口的另一路通过排气再循环单元连接到进气口。控制单元7设有检测信号输入端6和控制信号输出端8。低浓度稳压轨和稳压轨分别有4条支路，分别连接到各个缸体的低浓度燃料喷嘴和燃料喷嘴。余氢吸收单元连接到气缸进气道。

氢混合燃料发动机28为四冲程发动机，由于燃料气和助燃空气均有一定的高压力，发动机的作业制度为四冲程或改为二冲程，如图4所示活塞运行过程中没有吸气、压缩行程，只有燃烧做功和排气行程，a做功行程喷入段，b为做功行程做功段，c为排气行程。发动机改为二冲程后，可以减少发动机吸气、压缩行程的空转能耗，有效地强化发动机的做功能力。

氢气存储单元采用高压氢气储罐存储氢气，高压氢气储罐压力为30MPa。氮气储存在高压氮气罐内，高压氮气罐的压力为80MPa。低浓度混合罐2和混合罐3均设置有两个混合罐交替充气和工作，低浓度混合罐2中氢气浓度为30%，混合罐3中氢气浓度为70%。分别送入低浓度稳压轨5和稳压轨4中。氢混合燃料发动机采用缸内直喷的方式分别从低浓度氢燃料喷嘴、燃料喷嘴喷入燃料。氢混合燃料发动机采用四冲程发动机，低浓度氢混合燃料在吸气行程中加入30%当量的氢混合燃料，与吸入的空气混合在缸内形成均质稀薄混合气，高浓度氢混合燃料在压缩行程中点火提前角前加入70%当量的氢混合燃料，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。氢混合燃料在气缸中燃烧做功推动汽车运行，气缸内当量空燃比为0.9以减少NOx的产生。10%的尾气通过排气再循环单元送回到发动机进气口。剩余90%的尾气先通过余氢吸收单元回收尾气中90%剩余的氢气，余氢吸收单元的吸收剂为钙系金属储氢材料，余氢吸收单元设置两组交替工作和再生，再生后的氢气送到气缸进气道。然后尾气再经过三元催化装置后排放，降低尾气中NOx排放为0.008g/km，CO排放为0.08g/km，HC排放为0.027g/km。