CN106438039B - 一种氢燃料发动机保护系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种氢燃料发动机保护系统，包括氢燃料发动机、高压空气管路、燃气管路、废气管路、机油循环管路、冷却水循环管路、保护壳、燃料管路保护套管和废气管路保护套管。保护壳包覆在氢燃料发动机的外部，氢储存单元通过燃料阀门与燃气管路连接。氢燃料发动机的机壳与保护壳之间为保护气夹层，保护气储罐通过阀门与燃料管路保护套管连通，燃料管路保护套管和废气管路保护套管与保护气夹层连通，连接部位设有管路连接密封胶套。保护气夹层设有保护气出口，保护气出口连接到燃料管路保护套管。本发明通过在发动机外部设置保护壳，利用保护气对发动机进行保护，减少和避免了氢气的泄漏，有利于保护发动机的工作安全，避免发生不必要的灾害。

Description

一种氢燃料发动机保护系统

技术领域

本发明属于发动机技术领域，涉及一种氢燃料发动机，具体涉及一种氢燃料发动机保护系统。

背景技术

传统的燃油发动机通过碳氢化合物和空气中的氧在发动机气缸内燃烧并将燃烧产生的热能转化成机械能，排放出 CO2 以及有害的污染物。而氢燃料发动机是通过氢气和氧的燃烧，把燃烧产生的热能转化成机械能，排放物是水，因此可称之为“最干净”的发动机。发动机以纯氢为燃料时，能达到温室气体零排放，为保护环境，减少城市中的大气污染，以氢气为燃料的发动机受到越来越多的关注。

由于氢的分子量小，容易从狭小的缝隙中逸出，发动机结构复杂，与外部管路及部件的连接点多，容易发生泄漏。氢燃料发动机中燃料泄漏到大气，不仅不利于环境保护，还容易发生火灾的严重问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种氢燃料发动机保护系统，以减少和避免泄漏，保护氢燃料发动机系统的工作安全，避免发生不必要的火灾，减少对大气的污染，节约了燃料。

本发明的技术方案是：氢燃料发动机保护系统，包括控制单元、氢燃料发动机、氢储存单元、高压空气管路、燃气管路、废气管路、机油循环管路、电路总线和冷却水循环管路，氢储存单元通过燃料阀门与燃气管路连接。系统设有保护壳、保护气储罐、燃料管路保护套管和废气管路保护套管，保护壳包覆在氢燃料发动机的外部。氢燃料发动机的机壳与保护壳之间为保护气夹层，保护气储罐通过阀门与燃料管路保护套管连通，燃料管路保护套管和废气管路保护套管与保护气夹层连通，连接部位设有管路连接密封胶套。高压空气管路、电路总线、机油循环管路和冷却水循环管路穿过保护壳与外部管路连接，各管路与保护壳的连接处设有管路连接密封胶套。燃料管路保护套管套装在燃气管路的外部，废气管路保护套管套装在废气管路的外部。保护气夹层设有保护气出口，保护气出口通过保护气套管连接到燃料管路保护套管。

系统设有储热单元、散热单元、循环泵和氢气检测单元，储热单元、散热单元、循环泵和氢气检测单元包覆在保护气套管内。保护气出口通过储热单元、散热单元、循环泵和氢气检测单元连接到燃料管路保护套管。氢燃料发动机设有进气歧管，保护气出口至燃料管路保护套管的连接管路设有氢气再利用管路和保护气排放口，氢气再利用管路和保护气排放口位于氢气检测单元的下游，连接管路设有阀门。氢气再利用管路连接到进气歧管，进气歧管与保护壳的连接处设有管路连接密封胶套。废气管路的一路连接到循环泵的入口，这一路废气管路及废气保护套管与连接管路直接连通。保护壳的材质为金属材料、非金属材料、金属复合材料、非金属复合材料和金属与非金属的复合材料；燃料管路保护套管、废气管路保护套管和保护气套管的材质为金属管、金属材料软管、非金属材料软管、金属材料复合管、非金属材料复合管和金属与非金属的复合材料管。保护壳由两部分或几部分组成，组装时各部分之间填充密封垫和密封材料。保护壳设有防爆板，防爆板位于氢燃料发动机的底部。燃料管路保护套管设有防爆阀。保护气夹层的保护气为氮气，氮气可以被二氧化碳、发动机废气、氩气、空气或其它惰性气体的一种或多种混合物全部或部分代替。保护系统中循环工作的保护气可以来自于保护气储罐，也可以来自于发动机的废气。保护气压力为0～3MPa。

氢燃料发动机的保护壳在工艺结构上采取隔音降噪和减震两方面处理。既起到防止氢燃料外泄作用，又达到降低噪音和减弱震动的效果。保护系统设有循环泵，保护气在保护系统内循环流动，使泄漏的氢气得到充分稀释；在循环管路上设有氢气检测单元，氢气检测单元对保护气成分和浓度进行实时在线检测；为防止车内氢系统出现泄露而发生爆炸事故，保护系统设有预警及应对机制，机制分为三级，第一级保护气中的氢气浓度为0.5%时，氢气再利用管路的阀门打开，将含有氢气的保护气通入发动机的空气进气口，将保护气当作EGR气导进入气缸，同时加注保护气到保护系统，使保护系统压力和运行保持平衡，直到保护气中的氢气浓度降为0.1%时，氢气再利用管路的阀门关闭；此时系统只是轻微渗漏，不会造成事故；第二级保护气中的氢气浓度为1%时，氢气再利用管路的阀门打开，将含有氢气的保护气连接到发动机的空气进气口，将保护气当作EGR气导入气缸，同时加注保护气到保护系统，使保护系统压力和运行保持平衡，此时供氢系统也只是微渗漏，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；第三级保护气中的氢气浓度为3%时， 关闭燃料阀门，氢燃料发动机停止运行，保护管路的另一旁路阀门开启，将含有氢气的保护气连接到保护气排放口，将保护气排放到大气中，同时保护气补充阀门打开，进行置换和平衡保护系统，此时供氢系统渗漏较大，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。

保护系统设有储热单元和换热单元， 当保护气经过氢燃料发动机时，将氢燃料发动机的表面热量带走，先经过储热单元将热量储存在储热单元，储热单元用于汽车供热；然后再经过换热单元降温，重新进入保护系统进行循环。

氢气发动机系统的所有和氢气有关的管路接头和各种连接部位全部被保护系统包覆，包括但不限于废气管路上的EGR系统、吸氢单元、三元催化装置和涡轮增压系统。管路连接密封胶套也可以采用金属硬密封或其他的密封形式。保护系统也可以用于汽油机系统和柴油机系统。保护系统的保护气可以用发动机的废气、空气或其他的惰性气体代替。发动机的曲轴箱通风系统用于气缸的内泄漏，而此保护系统用于发动机系统的外泄露。保护系统的循环保护气可以为发动机的曲轴箱通风系统提供置换气体。此两系统可以分别独立运行，也可以相互配合协调运行。当其独立运行时或相互协调运行时，曲轴箱通风系统的气体可以来自于外接空气、保护气储罐的保护气、发动机的废气或他们的混合气体。

本发明氢燃料发动机保护系统通过在氢燃料发动机外部设置保护壳，利用保护气对氢燃料发动机、燃料管路和废气管路进行保护，减少和避免了氢气的泄漏，有利于保护氢燃料发动机系统的工作安全，避免发生不必要的灾害，减少故障和人们生命财产损失，同时减少和避免对大气的污染。通过保护气循环经储热单元储热，充分利用氢燃料发动机工作时的余热，有利于提高氢燃料发动机热效率，降低能耗。保护气中氢含量达到可利用的程度时，通过进气歧管将保护气返回氢燃料发动机利用，可以进一步提高氢燃料发动机的燃料利用效率，也可降低发动机的噪音和震动。

附图说明

图1为本发明氢燃料发动机保护系统的结构示意图；

图2为管路连接密封胶套的结构示意图；

其中：1—高压空气管路、2—燃气管路、3—保护壳、4—进气歧管、5—冷却水循环管路、6—电路总线、7—机油循环管路、8—氢燃料发动机、9—燃料管路保护套管、10—阀门、11—保护气储罐、12—废气管路保护套管、13—废气管路、14—储热单元、15—散热单元、16—循环泵、17—氢气检测单元、18—氢气再利用管路、19—保护气排放口、20—燃料阀门、21—氢储存单元、22—保护气夹层、23—保护气出口、24—防爆阀、25—防爆板、26—管路连接密封胶套、27—保护气套管。

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。

本发明氢燃料发动机保护系统如图1所示，包括控制单元、氢燃料发动机8、氢储存单元21、高压空气管路1、燃气管路2、废气管路13、机油循环管路7、电路总线6、冷却水循环管路5、保护壳3、进气歧管4、氢气再利用管路18、保护气排放口19、保护气储罐11、燃料管路保护套管9、储热单元14、散热单元15、循环泵16、氢气检测单元17和废气管路保护套管12，氢储存单元通过燃料阀门20与燃气管路连接。保护壳包覆在氢燃料发动机的外部，氢燃料发动机的机壳与保护壳之间为保护气夹层22，燃料管路保护套管套装在燃气管路的外部，废气管路保护套管套装在废气管路的外部。保护气储罐通过阀门10与燃料管路保护套管连通，燃料管路保护套管和废气管路保护套管与保护气夹层连通，连接部位设有管路连接密封胶套。高压空气管路、电路总线、机油循环管路和冷却水循环管路穿过保护壳与外部管路连接，各管路与保护壳的连接处设有管路连接密封胶套。保护气夹层设有保护气出口23和保护气套管27，储热单元、散热单元、循环泵、氢气检测单元包覆在保护气套管内，保护气出口通过储热单元、散热单元、循环泵和氢气检测单元连接到燃料管路保护套管，保护气为氮气。氢气再利用管路和保护气排放口位于氢气检测单元的下游，连接管路设有阀门10，氢气再利用管路连接到进气歧管。进气歧管与保护壳的连接处设有管路连接密封胶套。废气管路的一路连接到循环泵的入口，这一路废气管路及废气保护套管与连接管路直接连通。保护壳设有防爆板25，防爆板位于氢燃料发动机的底部，燃料管路保护套管设有防爆阀24。保护壳3的材质为钛合金，燃料管路保护套管9的材质为不锈钢波纹管，废气管路保护套管12材质为不锈钢波纹管，保护气套管27材质为复合橡胶管。保护气夹层的保护气为氮气，保护气压力为0.15MPa。

本发明氢燃料发动机保护系统的运行过程是：储氢单元的氢气经燃料阀门20进入燃料管路保护套管9中的燃气管路，经燃气喷嘴进入气缸，高压空气经高压空气管路1进入氢燃料发动机气缸，氢气和高压空气在气缸内燃烧做功。燃料管路保护套管和燃气管路之间的缝隙为保护气体空间，保护气储罐中的氮气经阀门10进入燃料管路保护套管，经燃料管路保护套管进入保护壳3与氢燃料发动机8之间的保护气夹层22。氮气经保护气出口23和保护气管路27进入燃料管路保护套管形成循环，一路进入废气管路保护套管。 氢气检测单元17检测保护气套管中保护气的氢含量超过预警及应对机制第一、二级相应工艺数值时，打开氢气再利用管路18的阀门，保护气经进气歧管4送入氢燃料发动机作燃料，同时保护气体补充管路阀门10打开，向保护系统补充保护气，确保系统的压力和运行平衡。当氢气检测单元17检测保护气套管中保护气的氢含量超过预警及应对机制第三级相应工艺数值时，保护气套管中的超标混合气经保护气排放口排放。由于进气歧管、冷却水循环管路、电路总线、机油循环管路和高压空气管路与保护壳的连接处设有管路连接密封胶套26，曲轴在保护壳上的输出位置采用橡胶圈复合密封结构。废气管路和燃料管路设有保护套管，储热单元、散热单元、循环泵和氢气检测单元包在保护气套管中，因此没有氢气泄漏，有利于保护氢燃料发动机运行安全，避免发生火灾减少故障和财产损失，同时减少和避免对环境的污染。

Claims (12)

1.一种氢燃料发动机保护系统，包括控制单元、氢燃料发动机（8）、氢储存单元（21）、高压空气管路（1）、燃气管路（2）、废气管路（13）、机油循环管路（7）、电路总线（6）和冷却水循环管路（5），氢储存单元通过燃料阀门（20）与燃气管路连接；其特征是：所述系统设有保护壳（3）、保护气储罐（11）、燃料管路保护套管（9）和废气管路保护套管（12），所述保护壳包覆在氢燃料发动机的外部；所述氢燃料发动机的机壳与保护壳之间为保护气夹层（22），所述保护气储罐通过阀门（10）与燃料管路保护套管连通，所述燃料管路保护套管和废气管路保护套管与保护气夹层连通，连接部位设有管路连接密封胶套（26）；所述高压空气管路、电路总线、机油循环管路和冷却水循环管路穿过保护壳与外部管路连接，各管路与保护壳的连接处设有管路连接密封胶套；所述燃料管路保护套管套装在燃气管路的外部，所述废气管路保护套管套装在废气管路的外部，所述保护气夹层设有保护气出口（23），所述保护气出口通过保护气套管（27）连接到燃料管路保护套管。

2.根据权利要求1所述的氢燃料发动机保护系统，其特征是：所述系统设有储热单元（14）、散热单元（15）、循环泵（16）和氢气检测单元（17），所述储热单元、散热单元、循环泵和氢气检测单元包覆在保护气套管（27）内，所述保护气出口（23）通过储热单元、散热单元、循环泵和氢气检测单元连接到燃料管路保护套管（9）。

3.根据权利要求2所述的氢燃料发动机保护系统，其特征是：所述氢燃料发动机设有进气歧管（4），所述保护气出口至燃料管路保护套管的连接管路设有氢气再利用管路（18）和保护气排放口（19），所述氢气再利用管路和保护气排放口位于氢气检测单元（17）的下游，连接管路设有阀门（10）；所述氢气再利用管路连接到进气歧管，所述进气歧管与保护壳（3）的连接处设有管路连接密封胶套（26）；所述废气管路（13）的一路连接到循环泵（16）的入口，这一路废气管路及废气保护套管与连接管路直接连通。

4.根据权利要求1所述的氢燃料发动机保护系统，其特征是： 所述保护壳（3）的材质为金属材料、非金属材料、金属复合材料、非金属复合材料和金属与非金属的复合材料中的一种；所述燃料管路保护套管（9）、废气管路保护套管（12）和保护气套管（27）的材质为金属管、金属材料软管、非金属材料软管、金属材料复合管、非金属材料复合管、金属与非金属的复合材料管中的一种；保护壳由两部分或多部分组成，组装时各部分之间填充密封垫和密封材料；曲轴在保护壳上的输出位置设有保护气密封结构，密封结构为金属迷宫密封结构、橡胶圈密封结构、油封动密封结构或毛毡结构。

5.根据权利要求1所述的氢燃料发动机保护系统，其特征是：所述保护壳（3）设有防爆板（25），所述防爆板位于氢燃料发动机的底部；所述燃料管路保护套管（9）设有防爆阀（24）。

6.根据权利要求1所述的氢燃料发动机保护系统，其特征是：所述保护气夹层的保护气为氮气，或者氮气被二氧化碳、氢燃料发动机废气、空气或惰性气体的一种或多种混合物全部或部分代替；保护系统中循环工作的保护气来自于保护气储罐，或来自于发动机的废气；所述的保护系统内的保护气压力为0～3MPa。

7.根据权利要求1所述的氢燃料发动机保护系统，其特征是：所述氢燃料发动机的保护壳在工艺结构上采取隔音降噪和减震两方面处理；既起到防止氢燃料外泄作用，又达到降低噪音和减弱震动的效果。

8.根据权利要求1所述的氢燃料发动机保护系统，其特征是：所述保护系统设有循环泵，保护气在保护系统内循环流动，使泄漏的氢气得到充分稀释；在循环管路上设有氢气检测单元，氢气检测单元对保护气成分和浓度进行实时在线检测；为防止车内氢系统出现泄露而发生爆炸事故，保护系统设有预警及应对机制，机制分为三级，第一级保护气中的氢气浓度为0.5%时，氢气再利用管路的阀门打开，将含有氢气的保护气通入发动机的空气进气口，将保护气当作EGR气导进入气缸，同时加注保护气到保护系统，使保护系统压力和运行保持平衡，直到保护气中的氢气浓度降为0.1%时，氢气再利用管路的阀门关闭；此时系统只是轻微渗漏，不会造成事故；第二级保护气中的氢气浓度为1%时，氢气再利用管路的阀门打开，将含有氢气的保护气连接到发动机的空气进气口，将保护气当作EGR气导进入气缸，同时加注保护气到保护系统，使保护系统压力和运行保持平衡，此时供氢系统也只是微渗漏，不会造成事故；第三级保护气中的氢气浓度为3%时， 关闭燃料阀门，氢燃料发动机停止运行，保护管路的另一旁路阀门开启，将含有氢气的保护气连接到保护气排放口，将保护气排放到大气中，同时保护气补充阀门打开，进行置换和平衡保护系统。

9.根据权利要求1所述的氢燃料发动机保护系统，其特征是：保护系统设有储热单元和换热单元，当保护气经过氢燃料发动机时，将氢燃料发动机的表面热量带走，先经过储热单元将热量储存在储热单元，储热单元用于汽车供热；然后再经过换热单元降温，重新进入保护系统进行循环。

10.根据权利要求1所述的氢燃料发动机保护系统，其特征是：氢气发动机系统的所有和氢气有关的管路接头和各种连接部位全部被保护系统包覆，包括废气管路上的EGR系统、吸氢单元、三元催化装置和涡轮增压系统；管路连接密封胶套采用金属硬密封。

11.根据权利要求1所述的氢燃料发动机保护系统，其特征是：保护系统用于汽油机系统和柴油机系统；保护系统的保护气用发动机的废气、空气或惰性气体代替。

12.根据权利要求1所述的氢燃料发动机保护系统，其特征是：发动机的曲轴箱通风系统用于气缸的内泄漏，而此保护系统用于发动机系统的外泄露；保护系统的循环保护气为发动机的曲轴箱通风系统提供置换气体；此两系统分别独立运行，或相互配合协调运行；当其独立运行时或相互协调运行时，曲轴箱通风系统的气体来自于外接空气、保护气储罐的保护气、发动机的废气或他们的混合气体。