CN107131063A - 一种插电式氢混合燃料汽车 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种插电式氢混合燃料汽车，具体内容涉及内燃机燃料控制、氢气随车制取技术。该系统在保留内燃机本体全部零件的基础上增加了一套氢气制取、存储、供给系统和氢气系统电控单元。氢气系统电控单元可在氢气存储系统压力低时检测发电机电压状态和外接充电桩信息，并优先选择外接充电桩驱动车载制氢机制取氢气，在无外接充电桩时通过发电机随车制取氢气，氢气存储系统达到设计压力时自动停止制氢。此外，该系统还可通过控制氢气和其它燃料喷嘴的喷射脉宽实现纯氢气、纯其它燃料及混氢三种燃料供给模式，并可调整混氢模式下氢气比例，从而实现整车高效、清洁运行。

Description

一种插电式氢混合燃料汽车
技术领域
本发明提供一种插电式氢混合燃料汽车的装置及方法，具体内容涉及内燃机燃料控制、氢气随车制取技术。
背景技术
以汽油机等发动机为动力的传统汽车普遍存在油耗及有害排放物高的问题，因此节能、减排已经成为了汽车发展的重要方向。造成传统化石燃料发动机出现高油耗、高排放等问题的重要原因之一便是燃料自身单一的燃烧与物化特性难以适应复杂、多变的发动机工况对燃料特性的不同需求。相比汽油等化石燃料，氢气具有点火能量低、火焰传播速度快、稀燃极限宽及分子结构不含碳等特点。这使得纯氢与氢混合燃料发动机均能够获得较单一化石燃料发动机更高的热效率及更低的有害排放。然而，由于发动机在实际运行时的工况复杂、多变，因而纯氢发动机或以某一固定氢气掺混比例运行的氢混合燃料发动机仍然难以满足不同工况下发动机燃烧对燃料特性的不同需求。
此外，由于氢气基础设施目前的普及程度较低，所以氢混合燃料发动机在实际使用过程中还会遇到加氢困难等问题。如果采用液氢随车存储的方式为氢混合燃料发动机提供氢气，则会面临液氢泄露而导致的能源浪费及泄露的氢气在车辆密闭空间内可能引起的爆炸等风险。同样，采用高压氢气罐储氢的方式为氢混合燃料发动机随车提供氢气也存在氢气存储量大，在行驶过程中出现意外可能会导致由于车辆大量储氢引发着火及爆炸等风险。
因此，氢混合燃料发动机在实际应用时应能够通过适当方法来改变氢气与其它燃料的使用比例，并解决氢气来源及随车存储的问题，从而为其推广奠定基础。
发明内容
针对传统发动机汽车高油耗、高排放，以及氢混合燃料发动机汽车存在的加氢、储氢困难等问题，本发明提供了一种插电式氢混合燃料汽车的装置及控制方法。本发明可以通过在汽车中增加车载制氢系统，利用发动机在汽车行驶过程的电能驱动车载制氢机点解水或碱液制氢，或利用电动汽车充电桩为车载制氢系统提供电能供车载制氢机点解水或碱液制氢，将所制取的氢气随车以低压方式进行存储，从而解决氢混合动力汽车氢气的来源及随车储存问题。通过氢气系统电子控制单元控制制氢机起停，并调整氢气与原机燃料喷嘴的喷射脉宽来实时调整氢气与另一种燃料的喷射比例来实现对燃料中氢气掺混比例由0至100％的任意调整，使燃料特性能够适应不同发动机工况的需求。
为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：
1、一种插电式氢混合燃料汽车,该装置包括发动机6、原机燃料喷嘴3和发电机9；
其特征在于：该装置还包括一个氢气系统电控单元1、一组氢气喷嘴2、一个氢气轨4、一个车载制氢机8、继电器10、氢气存储装置7及安装在氢气存储装置7上的氢气存储系统压力传感器14、氢气调压器12、一个氢气轨4、一个供氢管5及一个制氢机高压供电模块11；
所述的氢气系统电控单元1与原机燃料喷嘴3和氢气喷嘴2相连接，通过发出氢气喷射信号e和燃料喷射信号f控制氢气与其它燃料的喷射脉宽，并通过改变氢气与其它燃料的脉宽实现对混氢比例的调整；
所述的氢气系统电控单元1与制氢机高压供电模块11相连接，通过发出制氢机高压供电模块控制信号a控制制氢机高压供电模块11的通断，同时获得制氢机高压供电模块11所发出的制氢机高压模块状态信号b，根据制氢机高压模块状态信号b判断制氢机高压供电模块11是否已从充电桩13获得动力电源；
所述的氢气系统电控单元1与发电机9相连接，获得电机电压信号d；
所述的氢气系统电控单元1与继电器10相连接，并通过发出继电器控制信号c控制其通断；
所述的氢气系统电控单元1与氢气存储系统压力传感器14相连接，获得氢气储存装置压力信号g；
所述的车载制氢机8通过电线与继电器10和制氢机高压供电模块11相连接，获得其工作时所需的动力电源；
所述的车载制氢机8通过管路与氢气存储装置7相连接，使制得的氢气能够被储存在氢气存储装置7中；
所述继电器10在未收到继电器控制信号c的条件下保持断开状态；
所述的制氢机高压供电模块11能够通过插头及电线与充电桩13相连接；
所述的氢气调压器12通过管路连接在氢气存储装置7与氢气轨4之间；
2、所述的一种插电式氢混合燃料汽车，其特征在于：所述氢气系统电控单元1与每个气缸的氢气喷嘴2和原机燃料喷嘴3分别连接实现顺序喷射，或者与不同气缸的氢气喷嘴2和原机燃料喷嘴3分别分组连接实现分组喷射。
3、所述的一种插电式氢混合燃料汽车，其特征在于：所述的原机燃料喷嘴3喷射汽油、天然气、液化石油气、甲醇或乙醇。
4、所述的一种插电式氢混合燃料汽车的控制方法，其特征在于：
(1)制氢系统控制方法；
氢气系统电控单元1首先根据从氢气存储系统压力传感器14获得的氢气储存装置压力信号g判定氢气存储装置7的压力，当氢气存储装置7的压力低于满足至少一次发动机起动所需的氢气压力时，氢气系统电控单元1判定需要通过车载制氢机8制取氢气。在该条件下，氢气系统电控单元1首先检测制氢机高压模块状态信号b，并判断制氢机高压供电模块11是否已经与充电桩13成功连接，在制氢机高压供电模块11已经成功与充电桩13相连接的情况下，氢气系统电控单元1通过发出制氢机高压供电模块控制信号a使制氢机高压供电模块11与充电桩13进行握手并从充电桩13获得动力电源，此时制氢机高压供电模块11将从充电桩13获得的高压动力电源转换为制氢机能够使用的12V至36V低压电后输送至车载制氢机8，使车载制氢机8能够通过电解水或碱液开始制取氢气，此时车载制氢系统工作在外接制氢模式；
在制氢机高压供电模块11未能成功与充电桩13相连接的情况下，氢气系统电控单元1继续根据发电机9所发出的发电机电压信号d判断发电机供电能力，当发电机发出的电压高于13V至15V之间的某一设定值时，氢气系统电控单元1判断发电机9能够为车载制氢机8提供电力制氢，此时氢气系统电控单元1继续通过发出继电器控制信号c接通继电器10，使车载制氢机8能够获得来自于发电机9的电能并电解水或碱液开始制取氢气，此时车载制氢系统工作在随车制氢模式；
在车载制氢机8电解水制氢的过程中氢气系统电控单元1继续检测来自氢气存储系统压力传感器14的氢气储存装置压力信号g，当氢气存储系统压力增加额定压力时，氢气系统电控单元1判定氢气存储装置7中的氢气已经制满，此时，在外接制氢模式下氢气系统电控单元1通过发出制氢机高压供电模块控制信号a切断制氢机高压供电模块11与充电桩及车载制氢机8的电路，使车载制氢机8停止制氢；在随车制氢模式下，氢气系统电控单元1通过停止发出继电器控制信号c断开继电器10，使车载制氢机8停止工作。
(2)燃料喷射系统控制方法
燃料喷射过程中，氢气系统电控单元1通过发出氢气喷射信号e控制氢气喷嘴2的喷射时刻及喷射脉宽，通过发出燃料喷射信号f控制原机喷油器3的喷射时刻及喷射脉宽，通过改变氢气喷射信号e和燃料喷射信号f的脉宽实现对氢气和其它另一种燃料喷射比例的调节。在发动机以纯氢气运行模式下，氢气系统电控单元1通过仅发出氢气喷射信号e控制氢气喷嘴2的方式实现纯氢燃烧；在发动机以纯其它燃料运行时，氢气系统电控单元1通过仅发出燃料喷射信号f控制原机燃料喷嘴3的方式实现纯其它燃料燃烧。
本发明的有益效果是：针对传统发动机汽车高油耗、高排放的问题，以及氢混合动力发动机受限于氢基础设施不足而带来的加氢困难问题，本发明提供一种插电式氢混合燃料汽车。本发明能够通过车载制氢机实现随车制取氢气，该制氢系统能够提供随车制氢机外接制氢两种方式，通过随车制氢方式能够在车辆氢气系统压力不足时随车利用发电机电能制取氢气，保证发动机对氢气的需求，当汽车在装有充电桩的停车场停车时，驾驶员能够利用充电桩为插电式氢混合燃料汽车的车载制氢系统提供电力，从而减少车载制氢对发动机系统动力学等可能带来的潜在影响，为驾驶员在实际驾驶本发明所提供的插电式氢混合燃料汽车时提供了不同的制氢方案选择。通过本系统的电子控制单元可以实现对氢气和其它燃料喷嘴喷射脉宽的控制，从而使本发明中所提供的一种插电式氢混合燃料汽车中的发动机在运行时有能力根据不同的工况选择纯氢燃烧、纯其它燃料燃烧及混氢燃烧三种模式，在混氢燃烧模式下，能够进一步通过改变氢气和其它燃料的喷射脉宽改变混氢比例，使燃料总体燃烧与物化特性有能力满足发动机不同工况对燃料的需求，进而为实现发动机高效、清洁燃烧提供了有益方法。
附图说明
图1本发明的结构和工作原理图
图中：1氢气系统电控单元；2氢气喷嘴；3原机燃料喷嘴；4氢气轨；5供氢管；6发动机；7氢气存储装置；8车载制氢机；9发电机；10继电器；11制氢机高压供电模块；12氢气调压器；13充电桩；14氢气存储系统压力传感器
a.制氢机高压供电模块控制信号；b.制氢机高压模块状态信号；c.继电器控制信号；d.发电机电压信号；e.氢气喷射信号；f.燃料喷射信号；g.氢气储存装置压力信号
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
如图1所示，本实施例中的一种插电式氢混合燃料汽车,在保留发动机、原机燃料喷嘴3、发电机9的基础上，增加了一个氢气系统电控单元1、一组氢气喷嘴2、一个氢气轨4、一个车载制氢机8、继电器10、氢气存储装置7及安装在氢气存储装置7上的氢气存储系统压力传感器14、氢气调压器12、一个氢气轨5、一个供氢管5及一个制氢机高压供电模块11；
所述的氢气系统电控单元1与原机燃料喷嘴3和氢气喷嘴2相连接，通过发出氢气喷射信号e和燃料喷射信号f控制氢气与其它燃料的喷射脉宽，并通过改变氢气与其它燃料的脉宽实现对混氢比例的调整；
所述的氢气系统电控单元1与制氢机高压供电模块11相连接，通过发出制氢机高压供电模块控制信号a控制制氢机高压供电模块11的通断，同时获得制氢机高压供电模块11所发出的制氢机高压模块状态信号b，根据制氢机高压模块状态信号b判断制氢机高压供电模块11是否已从充电桩13获得动力电源；
所述的氢气系统电控单元1与发电机9相连接，获得电机电压信号d；
所述的氢气系统电控单元1与继电器10相连接，并通过发出继电器控制信号c控制其通断；
所述的氢气系统电控单元1与氢气存储系统压力传感器14相连接，获得氢气储存装置压力信号g；
所述的车载制氢机8通过电线与继电器10和制氢机高压供电模块11相连接，获得其工作时所需的动力电源；
所述的车载制氢机8通过管路与氢气存储装置7相连接，使制得的氢气能够被储存在氢气存储装置7中；
所述继电器10在未收到继电器控制信号c的条件下保持断开状态；
所述的制氢机高压供电模块11可以通过插头及电线与充电桩13相连接；
所述的氢气调压器12通过管路连接在氢气存储装置7与氢气轨4之间；
所述的氢气喷嘴2和原机燃料喷嘴3可以分别或共同安装在进气道或气缸内；
所述氢气系统电控单元1可以与每个气缸的氢气喷嘴2和原机燃料喷嘴3分别连接实现顺序喷射，也可以与不同气缸的氢气喷嘴2和原机燃料喷嘴3分别分组连接实现分组喷射；
所述的原机燃料喷嘴3可以喷射汽油、天然气、液化石油气、甲醇及乙醇等燃料。
本发明中一种插电式氢混合燃料汽车的控制过程主要涉及制氢系统控制与燃料喷射系统控制两个方面，具体为：
(1)制氢系统控制方法；
氢气系统电控单元1首先根据从氢气存储系统压力传感器14获得的氢气储存装置压力信号g判定氢气存储装置7的压力，当氢气存储装置7的压力低于最小氢气压力时(满足至少一次发动机起动所需的氢气压力)，氢气系统电控单元1判定需要通过车载制氢机8制取氢气。在该条件下，氢气系统电控单元1首先检测制氢机高压模块状态信号b，并判断制氢机高压供电模块11是否已经与充电桩13成功连接，在制氢机高压供电模块11已经成功与充电桩13相连接的情况下，氢气系统电控单元1通过发出制氢机高压供电模块控制信号a使制氢机高压供电模块11与充电桩13进行握手并从充电桩13获得动力电源，此时制氢机高压供电模块11将从充电桩13获得的高压动力电源转换为制氢机能够使用的12V至36V低压电后输送至车载制氢机8，使车载制氢机8能够通过电解水或碱液开始制取氢气，此时车载制氢系统工作在外接制氢模式；
在制氢机高压供电模块11未能成功与充电桩13相连接的情况下，氢气系统电控单元1继续根据发电机9所发出的发电机电压信号d判断发电机供电能力，当发电机发出的电压高于13V至15V之间的某一设定值时，氢气系统电控单元1判断发电机9能够为车载制氢机8提供电力制氢，此时氢气系统电控单元1继续通过发出继电器控制信号c接通继电器10，使车载制氢机8能够获得来自于发电机9的电能并电解水或碱液开始制取氢气，此时车载制氢系统工作在随车制氢模式；
在车载制氢机8电解水制氢的过程中氢气系统电控单元1继续检测来自氢气存储系统压力传感器14的氢气储存装置压力信号g，当氢气存储系统压力增加到额定压力，氢气系统电控单元1判定氢气存储装置7中的氢气已经制满，此时，在外接制氢模式下氢气系统电控单元1通过发出制氢机高压供电模块控制信号a切断制氢机高压供电模块11与充电桩及车载制氢机8的电路，使车载制氢机8停止制氢；在随车制氢模式下，氢气系统电控单元1通过停止发出继电器控制信号c断开继电器10，使车载制氢机8停止工作。
(2)燃料喷射系统控制方法
燃料喷射过程中，氢气系统电控单元1通过发出氢气喷射信号e控制氢气喷嘴2的喷射时刻及喷射脉宽，通过发出燃料喷射信号f控制原机喷油器3的喷射时刻及喷射脉宽，通过改变氢气喷射信号e和燃料喷射信号f的脉宽实现对氢气和其它另一种燃料喷射比例的调节。在发动机以纯氢气运行模式下，氢气系统电控单元1通过仅发出氢气喷射信号e控制氢气喷嘴2的方式实现纯氢燃烧；在发动机以纯其它燃料运行时，氢气系统电控单元1通过仅发出燃料喷射信号f控制原机燃料喷嘴3的方式实现纯其它燃料燃烧。
在整车上对本发明的制氢效果进行了实验验证，实验时氢气存储装置7达到满载储氢时的压力限制设为0.8MPa，氢气存储装置7的最小氢气压力设为0.4MPa，实验开始时氢气存储装置7内的氢气实际测量压力为0.22MPa，分别测试了在行驶中随车制氢和停车场利用电动车充电桩实现外接制氢两种模式，实验结果表明，两种条件下系统均能稳定运行，并分别在30分钟和26分钟后达到满载储氢的压力限制0.8MPa，在达到上限值时，制氢系统自动停止制氢。
在整车实验台架上以一台1.6L点燃式发动机样车为例完成了插电式氢混合燃料汽车的改造，并利用该车对本发明所提供的喷油策略进行了实验验证，实验结果表明，在起动时，本发明所提供的插电式氢混合燃料汽车的发动机能够以纯氢方式起动，在大负荷时能够以纯汽油方式燃烧，在中、低负荷阶段，系统能够根据转速及负荷的变化自动改变氢气的混合比例，使氢气的混合比例随转速、负荷的增加而降低。实验数据表明，NEDC循环工况下，一种插电式氢混合燃料汽车的HC、CO排放较原车分别降低67％和69.2％，综合油耗减少5.34％。

Claims (4)

1.一种插电式氢混合燃料汽车,该装置包括发动机、原机燃料喷嘴和发电机；
其特征在于：该装置还包括一个氢气系统电控单元、一组氢气喷嘴、一个氢气轨、一个车载制氢机、继电器、氢气存储装置及安装在氢气存储装置上的氢气存储系统压力传感器、氢气调压器、一个氢气轨、一个供氢管及一个制氢机高压供电模块；
所述的氢气系统电控单元与原机燃料喷嘴和氢气喷嘴相连接，通过发出氢气喷射信号e和燃料喷射信号f控制氢气与其它燃料的喷射脉宽，并通过改变氢气与其它燃料的脉宽实现对混氢比例的调整；
所述的氢气系统电控单元与制氢机高压供电模块相连接，通过发出制氢机高压供电模块控制信号a控制制氢机高压供电模块的通断，同时获得制氢机高压供电模块所发出的制氢机高压模块状态信号b，根据制氢机高压模块状态信号b判断制氢机高压供电模块是否已从充电桩获得动力电源；
所述的氢气系统电控单元与发电机相连接，获得电机电压信号d；
所述的氢气系统电控单元与继电器相连接，并通过发出继电器控制信号c控制其通断；
所述的氢气系统电控单元与氢气存储系统压力传感器相连接，获得氢气储存装置压力信号g；
所述的车载制氢机通过电线与继电器和制氢机高压供电模块相连接，获得其工作时所需的动力电源；
所述的车载制氢机通过管路与氢气存储装置相连接，使制得的氢气能够被储存在氢气存储装置中；
所述继电器在未收到继电器控制信号c的条件下保持断开状态；
所述的制氢机高压供电模块能够通过插头及电线与充电桩相连接；
所述的氢气调压器通过管路连接在氢气存储装置与氢气轨之间。
2.根据权利要求1所述的一种插电式氢混合燃料汽车，其特征在于：所述氢气系统电控单元与每个气缸的氢气喷嘴和原机燃料喷嘴分别连接实现顺序喷射，或者与不同气缸的氢气喷嘴和原机燃料喷嘴分别分组连接实现分组喷射。
3.根据权利要求1所述的一种插电式氢混合燃料汽车，其特征在于：所述的原机燃料喷嘴喷射汽油、天然气、液化石油气、甲醇或乙醇。
4.根据权利要求1所述的一种插电式氢混合燃料汽车的控制方法，其特征在于：
(1)制氢系统控制方法；
氢气系统电控单元首先根据从氢气存储系统压力传感器获得的氢气储存装置压力信号g判定氢气存储装置的压力，当氢气存储装置的压力低于目标值时，该目标值满足至少一次发动机起动所需的氢气压力，氢气系统电控单元判定需要通过车载制氢机制取氢气；在该条件下，氢气系统电控单元首先检测制氢机高压模块状态信号b，并判断制氢机高压供电模块是否已经与充电桩成功连接，在制氢机高压供电模块已经成功与充电桩相连接的情况下，氢气系统电控单元通过发出制氢机高压供电模块控制信号a使制氢机高压供电模块与充电桩进行握手并从充电桩获得动力电源，此时制氢机高压供电模块将从充电桩获得的高压动力电源转换为制氢机能够使用的12V至36V低压电后输送至车载制氢机，使车载制氢机能够通过电解水或碱液开始制取氢气，此时车载制氢系统工作在外接制氢模式；
在制氢机高压供电模块未能成功与充电桩相连接的情况下，氢气系统电控单元继续根据发电机所发出的发电机电压信号d判断发电机供电能力，当发电机发出的电压高于13V至15V之间的某一设定值时，氢气系统电控单元判断发电机能够为车载制氢机提供电力制氢，此时氢气系统电控单元继续通过发出继电器控制信号c接通继电器，使车载制氢机能够获得来自于发电机的电能并电解水或碱液开始制取氢气，此时车载制氢系统工作在随车制氢模式；
在车载制氢机电解水制氢的过程中氢气系统电控单元继续检测来自氢气存储系统压力传感器的氢气储存装置压力信号g，当氢气存储系统压力增加额定压力时，氢气系统电控单元判定氢气存储装置中的氢气已经制满，此时，在外接制氢模式下氢气系统电控单元通过发出制氢机高压供电模块控制信号a切断制氢机高压供电模块与充电桩及车载制氢机的电路，使车载制氢机停止制氢；在随车制氢模式下，氢气系统电控单元通过停止发出继电器控制信号c断开继电器，使车载制氢机停止工作；
(2)燃料喷射系统控制方法
燃料喷射过程中，氢气系统电控单元通过发出氢气喷射信号e控制氢气喷嘴的喷射时刻及喷射脉宽，通过发出燃料喷射信号f控制原机喷油器的喷射时刻及喷射脉宽，通过改变氢气喷射信号e和燃料喷射信号f的脉宽实现对氢气和其它另一种燃料喷射比例的调节；在发动机以纯氢气运行模式下，氢气系统电控单元通过仅发出氢气喷射信号e控制氢气喷嘴的方式实现纯氢燃烧；在发动机以纯其它燃料运行时，氢气系统电控单元通过仅发出燃料喷射信号f控制原机燃料喷嘴的方式实现纯其它燃料燃烧。
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