一种用于氢内燃机的氢气温度控制装置及其控制方法

本发明属于氢内燃机，具体涉及一种用于氢内燃机的氢气温度控制装置及其控制方法。

背景技术：

1、随着传统能源需求的持续上升和全球变暖问题的突显，世界主要汽车生产国纷纷加快部署，将发展清洁能源汽车作为国家战略。近几年，从欧洲各国开始已掀起了燃油车禁售风潮。中国也宣布将在2030年前实现碳达峰，2060年实现碳中和。种种因素都驱使着传统内燃机向高效清洁燃烧的技术路线发展。内燃机燃料的低碳、碳中性和零碳化将是内燃机的未来之路。其中，氢能由于良好的燃烧性能、近零的污染物排放以及可由可再生能源生产的性质而备受关注，被誉为是实现碳达峰与碳中和的最佳能源形式。

2、氢气内燃机具有零碳排放、高效率和低成本的显著优势，成为氢能应用的重要方向之一。氢内燃机保留了传统内燃机的主要结构和系统，可以利用工业副产氢气，通过燃烧方式转化能量达到与燃料电池相近的热效率，并具有低成本的显著优势。在汽油机或柴油机的基础上，仅需更换氢气喷射系统、供氢系统、冷型火花塞、更改润滑和曲轴箱通风方案，就可实现氢气发动机的应用。因此，氢气发动机的是驱动传统内燃机各领域升级转型、助力碳达峰和碳中和的重要技术方向。

3、在氢内燃机性能开发过程中，氢气的温度是影响氢内燃机热效率、nox排放以及不正常燃烧特性的重要参数。然而，目前在国内外的氢内燃机整车及性能开发中还没有对高压氢气温度控制的有效方法。对氢气温度的精确控制非常有利于氢内燃机性能开发工作。常规的燃油温度控制装置无法满足氢气防爆的安全需要，而现有的气体燃料温度控制装置则无法承受10mpa以上的高压且面临换热量不足的问题。氢内燃机所需氢气的供应压力高、流量大且需满足氢气防爆安全要求，无法使用常规汽油燃料的温度控制设备。因此，若在氢内燃机的测试实验过程中无法对氢气温度进行精确控制，则实验结果面临受环境温度影响而研究变量不单一的问题，大大增加了氢内燃机测试实验的工作效率及研究结果可信度。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种用于氢内燃机的氢气温度控制装置，通过将设定温度与实测温度的比较，通过pid控制器调节氢气混流调节阀和冷却水比例阀的开度，实现对进入水氢热交换设备的氢气量和冷却水量的单独精确控制，从而使进入发动机的氢气温度达到工作要求，且所述氢气进气减压阀与氢气出气减压阀共同作用，通过双级减压使出口氢气压力稳定在目标值。

2、本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

3、一种用于氢内燃机的氢气温度控制装置，包括水氢热交换设备、高压氢气供给单元、冷却水循环单元、温度传感单元和pid控制器；所述高压氢气供给单元用于为氢内燃机供氢气，包括两级减压机构和氢气混流调节阀，所述两级减压机构使进入氢内燃机的氢气压力稳定在目标值；所述氢气混流调节阀用于根据pid控制器的控制调节供给氢内燃机的氢气温度；所述冷却水循环单元用于为水氢热交换设备提供冷却水，包括冷却水比例阀，其根据pid控制器的控制调节冷却水比例阀的开度，调控冷却水的出口流量；所述水氢热交换设备包括高承压氢气弯管和冷却水弯管组件，用于实现氢气和冷却水的换热；所述高承压氢气弯管内流经氢气，所述冷却水弯管组件内流经冷却水；所述高承压氢气弯管为s型，其直管部分外壁套设有冷却水弯管组件；所述温度传感单元包括设置在水氢热交换设备的氢气入口侧的第一温度传感器和水氢热交换设备的氢气出口侧的第二温度传感器；所述pid控制器用于根据第一温度传感器的温度值调节氢气混流调节阀的开度，实时调节进入水氢热交换设备的氢气量；以及根据第二温度传感器的温度值调节冷却水比例阀的开度和氢气出气减压阀的开闭，实时调节进入水氢热交换设备的冷却水量。

4、进一步的，所述水氢热交换设备包括高承压氢气弯管、冷却水弯管组件、隔热板；所述高承压氢气弯管入口通过氢气管路连通氢气进气减压阀，出口通过氢气管路连通氢气出气减压阀；所述高承压氢气弯管包括直管部分和弯管部分；所述冷却水弯管组件包括冷却水入口、冷却水出口、冷却水单向阀和多个并排设置的直管，相邻的两个直管之间连通有一个冷却水单向阀；所述冷却水弯管组件的直管套设在所述高承压氢气弯管的部分直管部分的外壁，且高承压氢气弯管与冷却水弯管组件不相通，使所述高承压氢气弯管的部分直管部分浸入于冷却水中；在每两个平行设置的冷却水弯管组件的直管中间平行设有隔热板，且所述隔热板不与冷却水弯管组件的壁面接触。

5、进一步的，所述高压氢气供给单元包括储氢罐、止回阀、氢气进气减压阀、氢气混流调节阀和氢气出气减压阀，各元件通过氢气管路连通；所述储氢罐、止回阀和氢气进气减压阀依次串联，随后分为两个支路，第一支路依次流经氢气混流调节阀和氢气出气减压阀后进入氢内燃机；第二支路的氢气进入水氢热交换设备与冷却水进行换热，将氢气温度降至预设温度阈值后，经所述氢气出气减压阀减压后送入氢内燃机；两个支路的氢气流量根据pid控制器调控氢气混流调节阀实现。

6、进一步的，所述氢气管路能够承受压力范围为1-20mpa。

7、进一步的，氢气进气减压阀的目标压力值为小于等于氢气管路的承压；所述氢气出气减压阀的目标压力值根据发动机的需求自由调节。

8、所述氢内燃机的氢气温度控制装置的控制方法包括如下步骤：

9、预先设定第一、第二和第三阈值，其中，三个阈值均用于测量氢气温度，第一、第二阈值用于氢气流量调控，且第一阈值小于第二阈值；第三阈值用于氢气出气减压阀的开启和冷却水调控；

10、来自储氢罐的氢气经止回阀、氢气进气减压阀后，流经第一温度传感器；

11、当第一温度传感器的温度值≤预设的第一阈值时，完全打开氢气混流调节阀，氢气依次流经氢气混流调节阀、氢气出气减压阀后流入氢内燃机；

12、当第一阈值＜第一温度传感器的温度值≤第二阈值时，调节氢气混流调节阀的开度，使50-80％的氢气流入第一支路后到达氢内燃机；其余50-20％的氢气流入第二支路进行水氢换热后到达氢内燃机；

13、当第一温度传感器的温度值＞第二阈值时，调节氢气混流调节阀的开度，使0-49％的氢气流入第一支路后到达氢内燃机；其余100-61％的氢气流入第二支路进行水氢换热后到达氢内燃机。

14、进一步的，所述水氢换热的具体步骤如下：

15、流入所述高承压氢气弯管的氢气在冷却水作用下冷却，位于水氢热交换设备的氢气出口侧的第二温度传感器监测氢气温度；

16、当第二温度传感器的温度值＞预设的第三阈值时，关闭氢气出气减压阀，同时所述冷却水比例阀的开度增大5％，直至第二温度传感器的温度值≤预设的第三阈值为止；

17、当第二温度传感器的温度值≤预设的第三阈值时，所述冷却水比例阀的开度减小5％，同时打开所述氢气出气减压阀使降温的氢气流入氢气出气减压阀内根据氢内燃机的需求减压氢气。

18、与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

19、1、本发明所述的氢气温度控制装置及控制方法应用于氢内燃机，通过将设定温度与实测温度的比较，通过pid控制器调节氢气混流调节阀和冷却水比例阀的开度，实现对进入水氢热交换设备的氢气量和冷却水量的单独精确控制，提高了对温度控制的响应速度和精确性，使进入氢内燃机的氢气温度一直控制在设定的范围内；且所述氢气进气减压阀与氢气出气减压阀共同作用，通过双级减压使出口氢气压力稳定在目标值；

20、2、本发明通过一种氢气和冷却水非接触式的水氢热交换设备对氢气温度进行精确控制，有效解决了氢内燃机测试实验过程中面临受环境温度影响而研究变量不单一的问题，大大增加了实验效率及研究结果可信度；

21、3、所述水氢热交换设备通过折叠式布置的高承压氢气弯管和冷却水弯管设置，有效提高了换热面积，增强了设备的换热能力和温度控制范围；而且设置有隔热板，能够阻碍不同冷却水弯管之间的换热，阻止高温冷却水向低温冷却水进行热传递，也提高了水氢热交换设备的换热能力。