CN112431666A - 一种基于氢内燃机的氢能摩托车动力系统 - Google Patents

一种基于氢内燃机的氢能摩托车动力系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于氢内燃机的氢能摩托车动力系统，属于氢能源技术领域，解决氢能源在移动车辆上使用的技术问题，本系统包括供气系统、水循环系统、控制系统、氢内燃机、固态储氢罐、辅助罐和电池组，氢能摩托车动力系统设置于车体中部的动力舱中，固态储氢罐设置于动力舱的头部，水箱设置于动力舱的中部，氢内燃机安装于水箱的下方，控制系统和电池组设置于动力舱的尾部。本发明采用氢内燃机制动，采用固态储氢罐储存氢气，利用氢源制冷和缸内直喷技术，辅助以辅助罐、热辅装置以及供气系统和水循环系统，真正意义上的绿色环保，排放废气为水和空气的混合物，不仅有效保护环境，而且也免除了电动车更换后的废旧电池对环境造成的二次污染。

Description

一种基于氢内燃机的氢能摩托车动力系统
技术领域
本发明属于氢能源技术领域，具体涉及一种基于氢内燃机的氢能摩托车动力系统。
背景技术
氢能作为一种清洁、高效的能源广受人们的关注，特别是在能源动力方面的应用，因为它不仅能量密度高，而且燃烧后的产物是水，是一种理想的清洁，绿色，可再生能源。氢气作为汽车燃料的使用主要有两种形式：一是通过氢的离子化转化成电能，通过燃料电池实现；二是通过氢的燃烧从化学能转化为机械能，由内燃机实现。
目前，氢内燃机从技术角度上讲已经非常成熟了，国际上将氢燃料用于内燃机主要基于如下几个方面的认识：其一是内燃机经过100多年的发展仍然具有很大的发展潜力，普通氢燃料内燃机成本比常规汽油机成本仅高15％左右，远低于燃料电池，具有成本优势；其二，氢燃料内燃机具有多种燃料适应性，不仅可以使用纯氢为燃料，也可以使用氢与天然气、氢与其它燃料的混合燃料，是当前降低对石油依赖的重要途径；其三，氢燃料内燃机没有温室气体二氧化碳排放，没有碳氧化合物、碳氢化合物以及碳烟的排放；其四，氢燃料内燃机不需要热机、不存在冷起动问题、具有较好的燃料经济性。
然而，基于目前主流的氢气存储方式，无论是高压气态还是低温液态存储，均不适合在移动车辆上使用，尤其是在诸如氢能自行车，氢能摩托车之类的小型、轻型车辆上。因为这类存储方式需要保持高的储存压强或者维持低的储氢温度，使其不具备安全性、便携性。特别是在民用领域中，因为涉及更多的安全控制措施，将无疑增加了其额外的使用成本。固态储氢技术通过化学键结合，使氢储存在金属氢化物中，具有紧凑、高效、安全的特点，是氢能移动应用中理想的储存方式。
发明内容
为了克服现有技术的不足，解决氢能源在移动车辆上使用的技术问题，本发明提供一种基于氢内燃机的氢能摩托车动力系统，采用固态存储方式存储氢气，能够解决人们出行问题，并实现真正意义上的绿色环保，无有害气体排放，不仅有效保护环境，而且也免除了电动车更换后的废旧电池对环境造成的二次污染。
本发明通过以下技术方案予以实现。
本发明中的氢内燃机，即为摩托车的发动机，如此描述是为了本领域技术人员更容量理解本发明的技术方案。
一种基于氢内燃机的氢能摩托车动力系统，它包括供气系统、水循环系统、控制系统、氢内燃机、固态储氢罐、辅助罐和电池组，所述供气系统包括空气供气系统和氢气供气系统，氢能摩托车动力系统设置于车体中部的动力舱中，其中：所述固态储氢罐设置于动力舱的头部，水箱设置于动力舱的中部，氢内燃机安装于水箱的下方，控制系统和电池组设置于动力舱的尾部，车体的前端设置空气进气口；
所述氢内燃机上设置有空气入口、氢气入口和尾气排气口，所述空气进气口与空气供气系统连通，空气依次通过空气进气口、空气供气系统以及空气入口填充入氢内燃机中，所述氢气供气系统与氢气入口连通，氢气通过氢气供气系统填充入氢内燃机中，氢气与空气混合点燃做功驱动摩托车运行；尾气排气口按照尾气的流动方向依次设置排气歧管和冷凝器一，未燃烧的空气和燃烧后产物水蒸气由排气歧管流经冷凝器一排出；
所述空气供气系统按照空气的流动方向依次设置空气过滤器、压力调节器一、流量控制器一和空气进气歧管；所述氢气供气系统按照氢气的流动方向依次设置固态储氢罐、冷凝器三、辅助罐、压力调节器二、流量控制器二、回火阀和氢气直喷歧管，所述固态储氢罐上设置有加注口与进气口，加注口处设置单向流量阀，出气口处设置截止阀，当单向流量阀打开时，截止阀保持关闭状态，氢气由加注口填充入固态储氢罐中，固态储氢罐的出气口与用于调节氢燃料气体压力的辅助罐连通，所述辅助罐中设置有压力传感器；压力调节器一、流量控制器一、单向流量阀、压力传感器、压力调节器二、流量控制器二分别与控制系统电连接；
所述水循环系统包括水箱、散热器一和散热器二，水箱上设置有进水口、排水口、冷凝水回水口和出水口，水箱中安装有水位限位器，水箱的进水口位置处设置有进水阀，冷却水通过进水口添加至水箱中，水箱中废弃的冷却水通过排水口排放；所述出水口与水泵连通，水泵将水箱中的冷却水泵送至散热器一中，散热器一设置于氢内燃机位置处，散热器一中的冷却水与氢内燃机做功后的产生热量换热，散热器一通过管道与散热器二连通，散热器一与散热器二连通的管道上设置温度传感器，散热器二和热辅装置均设置于固态储氢罐位置处，散热器二中冷却水的余热与固态储氢罐换热，热辅装置为固态储氢罐提供热量，散热器二中换热后的冷却水通过冷凝器二与冷凝水回水口连通。
散热器一连接氢内燃机，经水循环系统将氢内燃机做功后的余热运输至固态储氢罐的四周，为固态储氢系统加热，加速放氢动力学性能，并提高固态储氢合金平台压力，以保证更加稳健的氢气供给。流经固态储氢罐的循环水，经过水箱制冷后，再次由水泵引入散热器一中吸收氢内燃机做工后产生的余热。
进一步地，所述水箱的进水口位置处设置有进水阀。
进一步地，所述进气歧管与氢内燃机连接处设置防震圈。
进一步地，为了避免内热散失，所述进气歧管由内衬为聚酰胺的铝合金材料制成。
进一步地，所述固态储氢罐的材质为铝合金，固态储氢罐中填充LaNi5基贮氢合金粉、者Ti-Fe基贮氢合金粉或者Mg基贮氢合金粉中的一种或者多种。
进一步地，所述冷凝器三为气体冷凝器，主要用于降低从固态储氢罐流出的氢气的温度，避免氢气温度过高喷入氢内燃机后与空气混合点火引发早燃现象。
进一步地，所述辅助罐的材质为铝合金，容积为0.5L，用于调控所述固态储氢罐放氢速度，保证稳定的氢流量供给。
进一步地，所述氢内燃机采用缸内直喷方法，将氢气直喷歧管连接在氢内燃机燃烧室内部，氢气直接喷注在气缸燃烧室内部。
进一步地，所述控制系统根据流量控制器一发出的信号控制流量控制器二，进而控制进入氢内燃机中氢气的流量，确保氢内燃机中合适的空燃比，提高燃料效率和能量利用率。
进一步地，所述控制系统与摩托车的加速器电连接，控制系统采集加速器的信号从而控制流量控制器一与流量控制器二，实现调控氢内燃机的做功大小，进而控制摩托车的速度。
进一步地，所述控制系统根据温度传感器的信号控制热铺装置开启或关闭，以适应本体摩托车在不同环境下的使用和启动，如零摄氏度以下的条件。
进一步地，所述控制系统根据压力传感器的压力信号判断氢气供气系统中氢气是否充足，并将数值显示在车体的仪表盘中，当压力小于设定值后触发报警器提示需要加注氢气。
进一步地，所述电池组采用镍氢二次电池组，为车体中的电器元件提供运行电能。
与现有技术相比本发明的有益效果为：
1、本发明采用氢内燃机制动，系统结构简单，易于操作，成本适宜，且易实现从现有的燃油摩托车改装，较基于燃料电池动力系统车而言更容易普及；
2、本发明采用固态储氢罐储存氢气，体积小，储氢量大，易于安装操作，且安全性高，有效避免高压储罐的不利因素；
3、本发明采用氢源制冷和缸内直喷技术，双重防止早燃现象，并设置回火阀，进一步提高使用过程中的安全性；
4、本发明以空气进气流量来控制氢气的进气流量，保证氢气的高效，充分利用；
5、本发明通过水循环系统，有效利用氢内燃机的余热，加热固态储氢罐，加速放氢动力学性能，并提高固态储氢合金平台压力，保证更加稳健的氢气供给；
总之，本发明实现真正意义上的绿色环保，排放废气为水和空气的混合物，不仅有效保护环境，而且也免除了电动车更换后的废旧电池对环境造成的二次污染。
附图说明
图1为本发明整体结构示意图；
图2为供气系统框架图；
图3为水循环系统框架图。
图中标号：1为车体，2为仪表盘，3为加速器，11为空气过滤器，12为压力调节器一，13为流量控制器一，14为空气进气歧管，21为氢内燃机，22为排气歧管，23为冷凝器一，31为散热器一，32为散热器二，33为温度传感器，34为冷凝器二，35为水箱，36为水泵，37为水位限位器，38为进水阀，39为排水阀，40为空气进气口，41为控制系统，50为单向流量阀，51为固态储氢罐，52为截止阀，53为冷凝器二，54为辅助罐，55为压力传感器，56为压力调节器二，57为流量控制器二，58为回火阀，59为氢气直喷歧管，61为热辅装置，71为电池组。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。若未特别指明，实施例均按照常规实验条件。另外，对于本领域技术人员而言，在不偏离本发明的实质和范围的前提下，对这些实施方案中的物料成分和用量进行的各种修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
如图1至图3所示的一种基于氢内燃机的氢能摩托车动力系统，它包括供气系统、水循环系统、控制系统、氢内燃机21、固态储氢罐51、辅助罐54和电池组71，所述供气系统包括空气供气系统和氢气供气系统，氢能摩托车动力系统设置于车体1中部的动力舱中，其中：所述固态储氢罐51设置于动力舱的头部，水箱设置于动力舱的中部，氢内燃机安装于水箱的下方，控制系统和电池组71设置于动力舱的尾部，车体1的前端设置空气进气口40；电池组71采用镍氢二次电池组，为车体1中的电器元件提供运行电能；
所述氢内燃机21上设置有空气入口、氢气入口和尾气排气口，所述空气进气口40与空气供气系统连通，空气依次通过空气进气口40、空气供气系统以及空气入口填充入氢内燃机21中，所述氢气供气系统与氢气入口连通，氢气通过氢气供气系统填充入氢内燃机21中，氢气与空气混合点燃做功驱动摩托车运行；尾气排气口按照尾气的流动方向依次设置排气歧管22和冷凝器一23，未燃烧的空气和燃烧后产物水蒸气由排气歧管22流经冷凝器一排出；
所述空气供气系统按照空气的流动方向依次设置空气过滤器11、压力调节器一12、流量控制器一13和空气进气歧管14；所述氢气供气系统按照氢气的流动方向依次设置固态储氢罐51、冷凝器三53、辅助罐54、压力调节器二56、流量控制器二57、回火阀58和氢气直喷歧管59，所述固态储氢罐51上设置有加注口与进气口，加注口处设置单向流量阀50，出气口处设置截止阀52，当单向流量阀50打开时，截止阀52保持关闭状态，氢气由加注口填充入固态储氢罐51中，固态储氢罐51的出气口与用于调节氢燃料气体压力的辅助罐54连通，所述辅助罐54中设置有压力传感器55；
压力调节器一12、流量控制器一13、单向流量阀50、压力传感器55、压力调节器二56、流量控制器二57分别与控制系统41电连接；
①、控制系统41根据流量控制器一13发出的信号控制流量控制器二57，进而控制进入氢内燃机21中氢气的流量，确保氢内燃机21中合适的空燃比，提高燃料效率和能量利用率；
②、控制系统41与摩托车的加速器3电连接，控制系统采集加速器3的信号从而控制流量控制器一13与流量控制器二57，实现调控氢内燃机21的做功大小，进而控制摩托车的速度；
③、控制系统41根据温度传感器33的信号控制热铺装置开启或关闭，以适应本体摩托车在不同环境下的使用和启动，如零摄氏度以下的条件；
④、控制系统根据压力传感器55的压力信号判断氢气供气系统中氢气是否充足，并将数值显示在车体1的仪表盘2中，当压力小于设定值后触发报警器提示需要加注氢气；
所述水循环系统包括水箱35、散热器一31和散热器二32，水箱35上设置有进水口、排水口、冷凝水回水口和出水口，水箱35的进水口位置处设置有进水阀38，水箱35中安装有水位限位器37，冷却水通过进水口添加至水箱35中，水箱35中废弃的冷却水通过排水口排放；所述出水口与水泵36连通，水泵36将水箱35中的冷却水泵送至散热器一31中，散热器一31设置于氢内燃机21位置处，散热器一31中的冷却水与氢内燃机21做功后的产生热量换热，散热器一31通过管道与散热器二32连通，散热器一31与散热器二32连通的管道上设置温度传感器33，散热器二32和热辅装置61均设置于固态储氢罐51位置处，散热器二32中冷却水的余热与固态储氢罐51换热，热辅装置61为固态储氢罐51提供热量，散热器二32中换热后的冷却水通过冷凝器二34与冷凝水回水口连通。
散热器一31连接氢内燃机21，经水循环系统将氢内燃机21做功后的余热运输至固态储氢罐51的四周，为固态储氢系统加热，加速放氢动力学性能，并提高固态储氢合金平台压力，以保证更加稳健的氢气供给。流经固态储氢罐51的循环水，经过水箱35制冷后，再次由水泵36引入散热器一中吸收氢内燃机21做工后产生的余热。
进一步地，所述进气歧管14与氢内燃机21连接处设置防震圈。
进一步地，为了避免内热散失，所述进气歧管14由内衬为聚酰胺的铝合金材料制成。
进一步地，所述固态储氢罐51的材质为铝合金，固态储氢罐中填充LaNi5基贮氢合金粉、者Ti-Fe基贮氢合金粉或者Mg基贮氢合金粉中的一种或者多种。
进一步地，所述冷凝器三53为气体冷凝器，主要用于降低从固态储氢罐51流出的氢气的温度，避免氢气温度过高喷入氢内燃机21后与空气混合点火引发早燃现象。
进一步地，所述辅助罐的材质为铝合金，容积为0.5L，用于调控所述固态储氢罐放氢速度，保证稳定的氢流量供给。
进一步地，所述氢内燃机21采用缸内直喷方法，将氢气直喷歧管59连接在氢内燃机21燃烧室内部，氢气直接喷注在气缸燃烧室内部。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种基于氢内燃机的氢能摩托车动力系统，它包括供气系统、水循环系统、控制系统、氢内燃机（21）、固态储氢罐（51）、辅助罐（54）和电池组（71），所述供气系统包括空气供气系统和氢气供气系统，氢能摩托车动力系统设置于车体（1）中部的动力舱中，其特征在于：所述固态储氢罐（51）设置于动力舱的头部，水箱设置于动力舱的中部，氢内燃机安装于水箱的下方，控制系统和电池组（71）设置于动力舱的尾部，车体（1）的前端设置空气进气口（40）；
所述氢内燃机（21）上设置有空气入口、氢气入口和尾气排气口，所述空气进气口（40）与空气供气系统连通，空气依次通过空气进气口（40）、空气供气系统以及空气入口填充入氢内燃机（21）中，所述氢气供气系统与氢气入口连通，氢气通过氢气供气系统填充入氢内燃机（21）中，氢气与空气混合点燃做功驱动摩托车运行；尾气排气口按照尾气的流动方向依次设置排气歧管（22）和冷凝器一（23），未燃烧的空气和燃烧后产物水蒸气由排气歧管（22）流经冷凝器一排出；
所述空气供气系统按照空气的流动方向依次设置空气过滤器（11）、压力调节器一（12）、流量控制器一（13）和空气进气歧管（14）；所述氢气供气系统按照氢气的流动方向依次设置固态储氢罐（51）、冷凝器三（53）、辅助罐（54）、压力调节器二（56）、流量控制器二（57）、回火阀（58）和氢气直喷歧管（59），所述固态储氢罐（51）上设置有加注口与进气口，加注口处设置单向流量阀（50），出气口处设置截止阀（52），当单向流量阀（50）打开时，截止阀（52）保持关闭状态，氢气由加注口填充入固态储氢罐（51）中，固态储氢罐（51）的出气口与用于调节氢燃料气体压力的辅助罐（54）连通，所述辅助罐（54）中设置有压力传感器（55）；压力调节器一（12）、流量控制器一（13）、单向流量阀（50）、压力传感器（55）、压力调节器二（56）、流量控制器二（57）分别与控制系统（41）电连接；
所述水循环系统包括水箱（35）、散热器一（31）和散热器二（32），水箱（35）上设置有进水口、排水口、冷凝水回水口和出水口，水箱（35）中安装有水位限位器（37），水箱（35）的进水口位置处设置有进水阀（38），冷却水通过进水口添加至水箱（35）中，水箱（35）中废弃的冷却水通过排水口排放；所述出水口与水泵（36）连通，水泵（36）将水箱（35）中的冷却水泵送至散热器一（31）中，散热器一（31）设置于氢内燃机（21）位置处，散热器一（31）中的冷却水与氢内燃机（21）做功后的产生热量换热，散热器一（31）通过管道与散热器二（32）连通，散热器一（31）与散热器二（32）连通的管道上设置温度传感器（33），散热器二（32）和热辅装置（61）均设置于固态储氢罐（51）位置处，散热器二（32）中冷却水的余热与固态储氢罐（51）换热，热辅装置（61）为固态储氢罐（51）提供热量，散热器二（32）中换热后的冷却水通过冷凝器二（34）与冷凝水回水口连通。
2.根据权利要求1所述的一种基于氢内燃机的氢能摩托车动力系统，其特征在于：所述进气歧管（14）由内衬为聚酰胺的铝合金材料制成，进气歧管（14）与氢内燃机（21）连接处设置防震圈。
3.根据权利要求1所述的一种基于氢内燃机的氢能摩托车动力系统，其特征在于：所述固态储氢罐（51）的材质为铝合金，固态储氢罐（51）中填充LaNi5基贮氢合金粉、Ti-Fe基贮氢合金粉或者Mg基贮氢合金粉中的一种或者多种。
4.根据权利要求1所述的一种基于氢内燃机的氢能摩托车动力系统，其特征在于：所述辅助罐（54）用于调控所述固态储氢罐（51）放氢速度，辅助罐（54）的材质为铝合金，容积为0.5L，所述冷凝器三（53）用于降低从固态储氢罐（51）流入辅助罐（54）中氢气的温度。
5.根据权利要求1所述的一种基于氢内燃机的氢能摩托车动力系统，其特征在于：所述氢内燃机（21）采用缸内直喷方法，将氢气直喷歧管（59）连接在氢内燃机（21）燃烧室内部，氢气直接喷注在气缸燃烧室内部。
6.根据权利要求1所述的一种基于氢内燃机的氢能摩托车动力系统，其特征在于：所述控制系统（41）根据流量控制器一（13）发出的信号控制流量控制器二（57），进而控制进入氢内燃机（21）中氢气的流量，确保氢内燃机（21）中合适的空燃比。
7.根据权利要求1所述的一种基于氢内燃机的氢能摩托车动力系统，其特征在于：所述控制系统（41）与摩托车的加速器（3）电连接，控制系统采集加速器（3）的信号从而控制流量控制器一（13）与流量控制器二（57），实现调控氢内燃机（21）的做功大小，进而控制摩托车的速度。
8.根据权利要求1所述的一种基于氢内燃机的氢能摩托车动力系统，其特征在于：所述控制系统（41）根据温度传感器（33）的信号控制热铺装置开启或关闭，以适应本体摩托车在不同环境下的使用和启动。
9.根据权利要求1所述的一种基于氢内燃机的氢能摩托车动力系统，其特征在于：所述控制系统（41）根据压力传感器（55）的压力信号判断氢气供气系统中氢气是否充足，并将数值显示在车体（1）的仪表盘（2）中，当压力小于设定值后触发报警器提示需要加注氢气。
10.根据权利要求1所述的一种基于氢内燃机的氢能摩托车动力系统，其特征在于：所述电池组（71）采用镍氢二次电池组，为车体（1）中的电器元件提供运行电能。
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