CN114198224A - 一种基于液压泵和回收制动能量的氢气加压装置及控制方法 - Google Patents

一种基于液压泵和回收制动能量的氢气加压装置及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种基于液压泵和回收制动能量的氢气加压装置及其控制方法。本发明针对低压氢罐无法为缸内直喷氢内燃机供给高压氢气的难题和高压氢气缓冲槽的供氢续航问题；当高压氢气缓冲槽的剩余氢气压力低于缸内直喷氢内燃机所需的供氢压力时，将低压氢罐储存的氢气引入隔膜式蓄能器，通过隔膜式蓄能器将低压氢罐储存的氢气加压至缸内直喷氢内燃机所需的供氢压力；加压后的氢气推开单向阀进入高压氢气缓冲槽，通过高压氢气缓冲槽为缸内直喷氢内燃机供给高压氢气，实现了低压氢罐为缸内直喷氢内燃机供给高压氢气，确保了高压氢气缓冲槽的供氢续航。本发明通过电控单元的控制实现了基于液压泵和回收制动能量的氢气加压装置系统的稳定运行。

Description

一种基于液压泵和回收制动能量的氢气加压装置及控制方法
技术领域
本发明提出了一种基于液压泵和回收制动能量的氢气加压装置及其控制方法，具体涉及一种基于液压泵和回收制动能量的氢气加压装置的系统设计以及基于液压泵和回收制动能量的氢气加压装置系统的控制方法，属于内燃机领域。
背景技术
全球变暖是一个严重的世界难题，而这种气候变暖很大程度上归因于在运输中使用化石燃料。尽管内燃机在运输领域目前仍然占据着全球主导地位，但是许多政策对燃料电池和电动汽车的支持压缩了内燃机的生存空间，内燃机急需取得根本性的技术突破，从而显著降低有害排放和对化石燃料的依赖。因此，发动机制造商设计了替代燃料发动机和燃料系统，力图在为发动机提供充足动力的同时，保持发动机排放处于可接受的水平。
氢气因其具有清洁、持续再生等特点以及用于汽车发动机良好的燃烧性能，有望成为替代传统化石燃料作为车用内燃机的绝佳燃料，而备受人们广泛关注。氢内燃机按照燃料的供给方式主要可以分为进气道喷射和缸内直喷。进气道喷射氢内燃机能够以较低的成本、充分利用现有供油系统实现氢燃料在内燃机中的燃烧，但是由于氢气的体积密度小、点火能量低等特性使得进气道喷射氢内燃机容易发生早燃、回火、爆震等异常燃烧现象。随着内燃机技术的发展，缸内直喷氢内燃机逐渐受到学术界和企业的重视，该供氢模式可以从根本上避免回火。此外，缸内直喷氢内燃机在压缩冲程喷氢也可以极大消除早燃和爆震，为了提高缸内直接喷射氢内燃机的性能，众多研究人员提出晚喷、多次喷射、射流点火等喷射及燃烧策略，这些喷射及燃烧策略一般要求在压缩冲程后期或者上止点前喷射氢气，这势必需要极高的供氢压力和储氢载体来克服缸内压力的升高，纵使在进气阀关闭后在缸内直接喷氢也需要较高的供氢压力。因此，缸内直喷氢内燃机对供氢(高压氢罐)要求极高。
近年来，高压氢气缓冲槽等相关技术得到迅速发展，在一定程度上解决了高压供氢要求。然而，高压氢气缓冲槽的价格极其昂贵，而低压氢罐虽然成本较低但却不能为缸内直喷氢内燃机提供高压氢气。由于缸内直喷氢内燃机需要的高压氢气需要高压氢气缓冲槽提供，如何尽量减少高压氢气缓冲槽的使用数量、提高缸内直喷氢内燃机的续航里程并有效利用低压氢罐系统是目前亟需解决的难题。鉴于此，本发明针对低压氢罐无法为缸内直喷氢内燃机供给高压氢气的难题和高压氢气缓冲槽的供氢续航问题提出解决方案；当高压氢气缓冲槽的剩余氢气压力低于缸内直喷氢内燃机所需的供氢压力时，将低压氢罐储存的氢气引入隔膜式蓄能器，通过隔膜式蓄能器将低压氢罐储存的氢气加压至缸内直喷氢内燃机所需的供氢压力；加压后的氢气推开单向阀进入高压氢气缓冲槽，通过高压氢气缓冲槽为缸内直喷氢内燃机供给高压氢气，实现了低压氢罐为缸内直喷氢内燃机供给高压氢气，确保了高压氢气缓冲槽的供氢续航；同时，本发明提供了一种基于液压泵和回收制动能量的氢气加压装置系统的控制方法，通过电控单元的具体控制实现了基于液压泵和回收制动能量的氢气加压装置系统的稳定运行。
发明内容
一种基于液压泵和回收制动能量的氢气加压装置，主要包括高压柴油油路P1，其上依次有第一单向阀6、斜盘泵7、第二单向阀8；泄油油路P2，其上依次有第一减压阀10、泄油阀11；供氢管路P3，其上依次有第三单向阀15、氢气缓冲槽16、第二减压阀18、氢气流量传感器19、阻燃阀20、高压氢气直喷喷嘴21；输送氢气管路P4，其上依次有滞流阀25、第四单向阀26、第三减压阀27；车轮1、车轮轴2、主减速器3、变速器4、变速轴5、柴油油箱9、柴油压力传感器12、隔膜式蓄能器13、第一氢气压力传感器14、第二氢气压力传感器17、缸内直喷氢内燃机22、低压氢罐23、第三氢气压力传感器24、电控单元ECU28；
所述电控单元ECU28接收柴油压力信号a、第一氢气压力信号c、第二氢气压力信号d、氢气流量信号f、第三氢气压力信号g、缸内直喷氢内燃机所需氢气量信号i；发出泄油阀信号b、滞流阀信号e、氢气喷射信号h；
基于液压泵和回收制动能量的氢气加压装置及其控制方法：
所述低压氢罐(23)的内部储氢压力小于等于15MPa均可，所述高压氢气直喷喷嘴(21)最大可以提供30MPa的喷射压力；
高压氢气缓冲槽(16)储存有35MPa以上的氢气，由供氢管路(P3)依次经过第二减压阀(18)、氢气流量传感器(19)、阻燃阀(20)进入高压氢气直喷喷嘴(21)，电控单元ECU(28)通过氢气喷射信号h控制高压氢气直喷喷嘴(21)的开闭为缸内直喷氢内燃机(22)供氢，电控单元ECU(28)通过泄油阀信号b控制泄油阀(11)处于开启状态；电控单元ECU(28)通过第二氢气压力信号d监测高压氢气缓冲槽(16)内部的氢气压力，当高压氢气缓冲槽(16)内部的氢气压力低于30MPa时，电控单元ECU(28)通过滞流阀信号e控制滞流阀(25)处于开启状态，低压氢罐(23)储存的氢气由输送氢气管路(P4)依次经过滞流阀(25)、第四单向阀(26)、第三减压阀(27)进入隔膜式蓄能器(13)右部腔室；电控单元ECU(28)通过第三氢气压力信号g监测低压氢罐(23)内部的氢气压力，当低压氢罐(23)内部的氢气压力为零时，电控单元ECU(28)通过滞流阀信号e控制滞流阀(25)处于闭合状态；电控单元ECU(28)通过泄油阀信号b控制泄油阀(11)处于关闭状态，变速轴(5)与斜盘泵(7)相连接，车轮(1)产生的制动能量依次经过车轮轴(2)、主减速器(3)、变速器(4)、变速轴(5)，由变速轴(5)带动斜盘泵(7)抽取柴油油箱(9)中的柴油；柴油由高压柴油油路(P1)依次经过第一单向阀(6)、斜盘泵(7)、第二单向阀(8)进入隔膜式蓄能器(13)左部腔室，高压柴油持续进入隔膜式蓄能器(13)左部腔室推动中间隔膜不断向右推进并将隔膜式蓄能器(13)右部腔室中的氢气加压至35MPa，氢气加压至35MPa后由供氢管路(P3)冲开阻隔压力为35MPa的第三单向阀(15)进入高压氢气缓冲槽(16)，电控单元ECU(28)通过第二氢气压力信号d监测高压氢气缓冲槽(16)中的氢气压力；电控单元ECU(28)通过第一氢气压力信号c监测隔膜式蓄能器(13)右部腔室的氢气压力，当隔膜式蓄能器(13)右部腔室的氢气压力为零时，电控单元ECU(28)通过泄油阀信号b控制泄油阀(11)开启，高压柴油由泄油油路(P2)依次经过泄油阀(11)、减压阀(10)进入柴油油箱(9)。
本发明的有益效果主要是：本发明针对低压氢罐无法为缸内直喷氢内燃机供给高压氢气的难题和高压氢气缓冲槽的供氢续航问题提出解决方案；当高压氢气缓冲槽的剩余氢气压力低于缸内直喷氢内燃机所需的供氢压力时，将低压氢罐储存的氢气引入隔膜式蓄能器，通过隔膜式蓄能器将低压氢罐储存的氢气加压至缸内直喷氢内燃机所需的供氢压力；加压后的氢气推开单向阀进入高压氢气缓冲槽，通过高压氢气缓冲槽为缸内直喷氢内燃机供给高压氢气，实现了低压氢罐为缸内直喷氢内燃机供给高压氢气，确保了高压氢气缓冲槽的供氢续航；同时，本发明提供了一种基于液压泵和回收制动能量的氢气加压装置系统的控制方法，通过电控单元的具体控制实现了基于液压泵和回收制动能量的氢气加压装置系统的稳定运行。
附图说明
图1.基于液压泵和回收制动能量的氢气加压装置系统示意图
图中：1、车轮，2、车轮轴，3、主减速器，4、变速器，5、变速轴，P1、高压柴油油路，6、第一单向阀，7、斜盘泵，8、第二单向阀，9、柴油油箱，P2、泄油油路，10、第一减压阀，11、泄油阀，12、柴油压力传感器，13、隔膜式蓄能器，14、第一氢气压力传感器，P3、供氢管路，15、第三单向阀，16、氢气缓冲槽，17、第二氢气压力传感器，18、第二减压阀，19、氢气流量传感器，20、阻燃阀，21、高压氢气直喷喷嘴，22、缸内直喷氢内燃机，23、低压氢罐，24、第三氢气压力传感器，P4、输送氢气管路，25、滞流阀，26、第四单向阀，27、第三减压阀，28、电控单元ECU；
a、柴油压力信号，b、泄油阀信号，c、第一氢气压力信号，d、第二氢气压力信号，e、滞流阀信号，f、氢气流量信号，g、第三氢气压力信号，h、氢气喷射信号，i、缸内直喷氢内燃机所需氢气量信号。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对于本发明做进一步的说明：
所述低压氢罐23的内部储氢压力小于等于15MPa均可，所述高压氢气直喷喷嘴21最大可以提供30MPa的喷射压力；
高压氢气缓冲槽16储存有35MPa以上的氢气，由供氢管路P3依次经过第二减压阀18、氢气流量传感器19、阻燃阀20进入高压氢气直喷喷嘴21，电控单元ECU28通过氢气喷射信号h控制高压氢气直喷喷嘴21的开闭为缸内直喷氢内燃机22供氢，电控单元ECU28通过泄油阀信号b控制泄油阀11处于开启状态；电控单元ECU28通过第二氢气压力信号d监测高压氢气缓冲槽16内部的氢气压力，当高压氢气缓冲槽16内部的氢气压力低于30MPa时，电控单元ECU28通过滞流阀信号e控制滞流阀25处于开启状态，低压氢罐23储存的氢气由输送氢气管路P4依次经过滞流阀25、第四单向阀26、第三减压阀27进入隔膜式蓄能器13右部腔室；电控单元ECU28通过第三氢气压力信号g监测低压氢罐23内部的氢气压力，当低压氢罐23内部的氢气压力为零时，电控单元ECU28通过滞流阀信号e控制滞流阀25处于闭合状态；电控单元ECU28通过泄油阀信号b控制泄油阀11处于关闭状态，变速轴5与斜盘泵7相连接，车轮1产生的制动能量依次经过车轮轴2、主减速器3、变速器4、变速轴5，由变速轴5带动斜盘泵7抽取柴油油箱9中的柴油；柴油由高压柴油油路P1依次经过第一单向阀6、斜盘泵7、第二单向阀8进入隔膜式蓄能器13左部腔室，高压柴油持续进入隔膜式蓄能器13左部腔室推动中间隔膜不断向右推进并将隔膜式蓄能器13右部腔室中的氢气加压至35MPa，氢气加压至35MPa后由供氢管路P3冲开阻隔压力为35MPa的第三单向阀15进入高压氢气缓冲槽16，电控单元ECU28通过第二氢气压力信号d监测高压氢气缓冲槽16中的氢气压力；电控单元ECU28通过第一氢气压力信号c监测隔膜式蓄能器13右部腔室的氢气压力，当隔膜式蓄能器13右部腔室的氢气压力为零时，电控单元ECU28通过泄油阀信号b控制泄油阀11开启，高压柴油由泄油油路P2依次经过泄油阀11、减压阀10进入柴油油箱9。

Claims (2)

1.一种基于液压泵和回收制动能量的氢气加压装置，其特征在于：包括高压柴油油路(P1)，其上依次有第一单向阀(6)、斜盘泵(7)、第二单向阀(8)；泄油油路(P2)，其上依次有第一减压阀(10)、泄油阀(11)；供氢管路(P3)，其上依次有第三单向阀(15)、氢气缓冲槽(16)、第二减压阀(18)、氢气流量传感器(19)、阻燃阀(20)、高压氢气直喷喷嘴(21)；输送氢气管路(P4)，其上依次有滞流阀(25)、第四单向阀(26)、第三减压阀(27)；还包括有车轮(1)、车轮轴(2)、主减速器(3)、变速器(4)、变速轴(5)、柴油油箱(9)、柴油压力传感器(12)、隔膜式蓄能器(13)、第一氢气压力传感器(14)、第二氢气压力传感器(17)、缸内直喷氢内燃机(22)、低压氢罐(23)、第三氢气压力传感器(24)、电控单元ECU(28)；
所述电控单元ECU(28)与柴油压力传感器(12)相连接并获得柴油压力信号a；
所述电控单元ECU(28)与泄油阀(11)相连接并通过泄油阀信号b控制泄油阀的开闭；
所述电控单元ECU(28)与第一氢气压力传感器(14)相连接并获得第一氢气压力信号c；
所述电控单元ECU(28)与第二氢气压力传感器(17)相连接并获得第二氢气压力信号d；
所述电控单元ECU(28)与滞流阀(25)相连接并通过滞流阀信号e控制滞流阀的开闭；
所述电控单元ECU(28)与氢气流量传感器(19)相连接并获得氢气流量信号f；
所述电控单元ECU(28)与第三氢气压力传感器(24)相连接并获得第三氢气压力信号g；
所述电控单元ECU(28)与高压氢气直喷喷嘴(21)相连接并通过氢气喷射信号h控制高压氢气直喷喷嘴的开闭；
所述电控单元ECU(28)与缸内直喷氢内燃机(22)相连接并获得缸内直喷氢内燃机所需氢气量信号i。
2.应用如权利要求1所述的一种基于液压泵和回收制动能量的氢气加压装置的方法，其特征在于：
低压氢罐(23)的内部储氢压力小于等于15MPa，所述高压氢气直喷喷嘴(21)最大可以提供30MPa的喷射压力；
高压氢气缓冲槽(16)储存有35MPa以上的氢气，由供氢管路(P3)依次经过第二减压阀(18)、氢气流量传感器(19)、阻燃阀(20)进入高压氢气直喷喷嘴(21)，电控单元ECU(28)通过氢气喷射信号h控制高压氢气直喷喷嘴(21)的开闭为缸内直喷氢内燃机(22)供氢，电控单元ECU(28)通过泄油阀信号b控制泄油阀(11)处于开启状态；电控单元ECU(28)通过第二氢气压力信号d监测高压氢气缓冲槽(16)内部的氢气压力，当高压氢气缓冲槽(16)内部的氢气压力低于30MPa时，电控单元ECU(28)通过滞流阀信号e控制滞流阀(25)处于开启状态，低压氢罐(23)储存的氢气由输送氢气管路(P4)依次经过滞流阀(25)、第四单向阀(26)、第三减压阀(27)进入隔膜式蓄能器(13)右部腔室；电控单元ECU(28)通过第三氢气压力信号g监测低压氢罐(23)内部的氢气压力，当低压氢罐(23)内部的氢气压力为零时，电控单元ECU(28)通过滞流阀信号e控制滞流阀(25)处于闭合状态；电控单元ECU(28)通过泄油阀信号b控制泄油阀(11)处于关闭状态，变速轴(5)与斜盘泵(7)相连接，车轮(1)产生的制动能量依次经过车轮轴(2)、主减速器(3)、变速器(4)、变速轴(5)，由变速轴(5)带动斜盘泵(7)抽取柴油油箱(9)中的柴油；柴油由高压柴油油路(P1)依次经过第一单向阀(6)、斜盘泵(7)、第二单向阀(8)进入隔膜式蓄能器(13)左部腔室，高压柴油持续进入隔膜式蓄能器(13)左部腔室推动中间隔膜不断向右推进并将隔膜式蓄能器(13)右部腔室中的氢气加压至35MPa，氢气加压至35MPa后由供氢管路(P3)冲开阻隔压力为35MPa的第三单向阀(15)进入高压氢气缓冲槽(16)，电控单元ECU(28)通过第二氢气压力信号d监测高压氢气缓冲槽(16)中的氢气压力；电控单元ECU(28)通过第一氢气压力信号c监测隔膜式蓄能器(13)右部腔室的氢气压力，当隔膜式蓄能器(13)右部腔室的氢气压力为零时，电控单元ECU(28)通过泄油阀信号b控制泄油阀(11)开启，高压柴油由泄油油路(P2)依次经过泄油阀(11)、减压阀(10)进入柴油油箱(9)。
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