CN114204073B - 一种进排气可独立控制的燃料电池发动机高原测试系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种进排气可独立控制的燃料电池发动机高原测试系统，包括新风气路和调压支路，该调压气路包括进气调压支路、排气调压支路和抽真空支路，其中，进气和排气调压支路并联后与抽真空支路连接；进气调压支路上按照气体流向依次设置有进气稳压箱、进气调节阀，排气调压支路上按照气体流向依次设置有排气稳压箱、排气调节阀、调温器，新风气路上的新风气流分两路接入，第一路直接接入测试舱，第二路经由进气粗调阀门和进气精调阀门后接入进气稳压箱中，进气调压支路上设置有单向阀，以避免进、排气间串气现象。通过进气调节阀、排气调节阀的开度调节，模拟不同的高原环境，为燃料电池发动机高原适应性研发提供必要条件。

Description

一种进排气可独立控制的燃料电池发动机高原测试系统
技术领域
本发明涉及燃料电池发动机进排气模拟试验领域，尤其涉及一种进排气可独立控制的燃料电池发动机高原测试系统。
背景技术
近年来，随着国内外环保政策加严，新能源汽车市场向上之势凸显。其中，氢燃料电池汽车因清洁度高、能量密度大、长续航等优势，逐步受到越来越多国家的重视和扶持，并引发车企新的投资热潮。
为弥补电能存储差的短板，同时降低进口油气依赖，目前越来越多的国家正在将氢能上升至能源战略高度，因此燃料电池发动机试验的需求越来越高，尤其燃料电池发动机高原适应性是燃料电池发动机商业化必须解决的关键问题之一。
高原环境下，发动机的进气压力较低、进气中氧气含量较低，导致燃料电池发动机出现“欠气现象”，引起燃料电池发动机启动困难，影响发动机性能。
中国专利文献CN110108503A披露了一种新能源汽车测试用高原进排气模拟系统，该系统中进气管道的出口端连通于排气管道的一端，排气管道的一端通过支管连通于进气管的进气端，在进气管道和排气管道上模拟高原环境，该设计并不能实现进气压力和排气压力的独立控制。
随着燃料电池发动机市场规模的扩大，在对燃料电池发动机的研究过程中，燃料电池系统实际运行的进排气口要求独立精确控制，以实现多变的高原环境状态下的进排气模拟试验。
发明内容
本发明的目的在于提供一种进排气可独立控制的燃料电池发动机高原测试系统，以模拟燃料电池发动机不同的高原环境，为燃料电池发动机高原适应性研发提供必要条件。
为此，本发明提供了一种进排气可独立控制的燃料电池发动机高原测试系统，包括：调压气路，包括进气调压支路、排气调压支路和抽真空支路，其中，所述进气调压支路和排气调压支路并联后与抽真空支路连接；以及新风气路，其上按照气体流向依次设置有空气过滤器、进气风机、空气处理设备，其中，新风气流经过空气处理设备后分两路，第一路接入测试舱，第二路接入进气粗调阀门和进气精调阀门，其中，所述进气调压支路上按照气体流向依次设置有进气稳压箱、进气调节阀，新风气流在进入进气粗调阀门和进气精调阀门后接入所述进气稳压箱中，所述排气调压支路上按照气体流向依次设置有排气稳压箱、排气调节阀、调温器，其中，所述燃料电池发动机进气口连接至所述进气稳压箱，所述燃料发动机排气口连接至所述排气稳压箱，所述进气调压支路上设置有单向阀，以避免进、排气间串气现象。
本系统采用进气稳压箱和排气稳压箱，由真空风机对进气稳压箱和排气稳压箱进行负压抽气，由进气调节阀控制进气稳压箱内的压力，由排气调节阀控制排气稳压箱内的压力，通过对两个稳压箱分别控制，实现燃料电池发动机高原测试进排气独立控制。通过在排气调压支路上设置单向阀，有效避免了进、排气间串气现象，由进气调节阀、排气调节阀、压力旁通阀的开度调节，模拟燃料电池发动机不同的高原环境，为燃料电池发动机高原适应性研发提供了必要条件。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是根据本发明的一种进排气可独立控制的燃料电池发动机高原测试系统的结构示意图；
图2是根据本发明的一种进排气可独立控制的燃料电池发动机高原测试系统的工作流程图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
本发明采用进气稳压箱和排气稳压箱，通过对两个稳压箱分别控制，实现燃料电池发动机高原测试进排气独立控制。
如图1所示，该进排气模拟系统包括空气过滤器1，进气风机2，空气处理设备3，新风进舱阀4，进气精调阀门5，进气粗调阀门6，消声器7，变频电机8，温度传感器9，压力旁通阀10，单向阀11，进气调节阀12，进气压力传感器13，进气稳压箱14，流量传感器15，温度传感器16，湿度传感器17，进气阀18，燃料电池发动机进气口19，燃料电池发动机20，燃料电池发动机排气口21，测试舱22，排气阀23，排气压力传感器24，排气稳压箱25，排气调节阀26，调温器27，进水电磁阀28，积水包29，排水电磁阀30，集水盘31，压缩空气进气阀32，进口避震管33，真空风机34，出口避震管35。
该进排气模拟系统具有新风气路L1、调压气路和大气旁通气路L3。
新风气路L1上按照气体流向依次设置有空气过滤器1、进气风机2、空气处理设备3，其中，环境空气经由空气过滤器1过滤，进气风机提供流动动力，新风气流经过空气处理设备3调温调湿后，分两路。
第一路接入测试舱22，进行温湿度调节及舱内气体供给，这适用于燃料电池发动机的一般性温湿度试验供气。第二路经过进气粗调阀门5和进气精调阀门6的调节后，进入进气稳压箱，这适应于燃料电池发动机的高原测试试验供气。其中，进气粗调阀门5和进气精调阀门6并联连接。第一路上设置有新风进舱阀4。
调压气路包括进气调压支路L21、排气调压支路L22和抽真空支路L23，其中，所述进气调压支路L21和排气调压支路L22并联后与抽真空支路连接。
进气调压支路L21上按照气体流向依次设置有进气稳压箱14、进气调节阀12，新风气流在进入进气粗调阀门6和进气精调阀门5后接入所述进气稳压箱14中，所述排气调压支路上按照气体流向依次设置有排气稳压箱25、排气调节阀26、调温器27。
燃料电池发动机进气口19通过进气阀18连接至所述进气稳压箱14，所述燃料发动机排气口21通过排气阀23连接至所述排气稳压箱25，进气压力由进气调节阀26控制；排气压力由排气调节阀12控制，通过双罐的应用，实现燃料电池发动机高原测试进排气独立控制。
进气调压支路L21上还设置有单向阀11，以避免进、排气间串气现象。
抽真空支路L23上按照气体流向依次设置有进口避震管33、真空风机34、出口避震管35、消声器7。
进气稳压箱14上设有进气压力传感器13监测进气压力值，进气调节阀6对进气压力进行调节；排气调节阀26对排气压力进行调节，排气稳压箱25上设有排气压力传感器24监测排气压力值。
真空风机34提供动力实现负压，经消声器7降噪后排入大气环境，通过反馈控制，对真空风机19、进气调节阀12、排气调节阀26、压力旁通阀10进行调节。
真空风机34的进口侧设有温度传感器9，通过该温度值判定是否需要启动调温器进行温度调控；所述发动机进气阀18前安装流量传感器15、温度传感器16、湿度传感器17，分别监测燃料电池发动机进气的流量、温度和湿度。
燃料电池发动机14所需新风进气通过进气精调阀门7和进气粗调阀门8共同调节，保证燃料电池发动机的流量及压力精度。
调温器27具有将燃料电池发动机20的高温排气降温的作用，也可将燃料电池发动机20的低温排气升温处理，使得流入真空风机19的气流温度在真空风机能承受的范围。
调温器通过进水电磁阀28、排水电磁阀30、压缩空气进气阀32，可定时将调温器27产生的冷凝水排出：正常工作状态时进水电磁阀28开启、压缩空气进气阀32和排水电磁阀30关闭；排水工作状态时，进水电磁阀28关闭、排水电磁阀30和压缩空气进气阀32开启，压缩空气进气阀通入压缩空气，排水电磁阀排水，可将积水包29内冷凝水排出。
大气旁通气路L3设置在真空风机进口侧，所述大气旁通气路上设置有压力旁通阀10。通过控制压力旁通阀10的开度，保证在低空气流量状态下精确控制进气稳压箱14和排气稳压箱25内的气压状态，实现模拟燃料电池发动机在高原状态的运行环境。
如图2所示，本发明提供了一种燃料电池发动机高原测试系统的控制方法，该控制方法包括：
S1、设定进气压力值P1、排气压力值P2、进气温度T0、进气湿度D0、进气流量L0、真空风机进口温度范围T1-T2的目标值；
S2、根据各项设定值的内容相应地调节真空风机频率、压力旁通阀开度、进气调节阀开度、排气调节阀开度、进气粗调阀门开度、进气微调阀门开度、空气处理设备；
S3、利用进气压力传感器、排气压力传感器、进气温度传感器、进气湿度传感器、进气流量传感器、真空风机进口温度传感器各自检测相应的参数，逐项判断经过调节后的进气压力是否超出进气压力阈值、排气压力是否超出排气压力阈值、进气温度是否超出进气温度阈值、进气湿度是否超出湿度阈值、进气流量是否找出流量阈值、真空风机进出温度是否超出真空风机进口温度阈值。
其中，设定值是一个精确的数值，阈值是与精确值的允许偏差，例如压力设定值为50KPa，进气压力调节到50KPa±1KPa。
S4、对于满足设定的参数停止调节，对于不满足设定的参数继续调节，直至所有检测到的参数满足设定。
反馈的检测值判断经过调节后的各项参数是否超出阈值，
下面对本进排气可独立控制的燃料电池发动机高原测试系统的工作流程进行说明。
A.燃料电池发动机进气压力模拟工作过程
燃料电池发动机所需新风进气通过进气精调阀门和进气粗调阀门，保证燃料电池发动机的流量及压力精度：先控制进气粗调阀门开度，将流量接近设定值，再由进气精调阀门精确调节到设定流量值。
由真空风机抽取进气稳压箱内真空，通过调节进气粗调阀门、进气微调阀门、进气调节阀，使进气稳压箱内分别达到所需模拟的大气压力，然后在不同海拔高度进行低压试验。
燃料电池发动机启动后，由进气调节阀的节流作用在进气稳压箱内产生进气低压，通过调节进气调节阀开度可以控制燃料电池发动机进气口压力，进气稳压箱上设有压力传感器，监测进气压力值，通过PID调节进气调节阀开度大小，当进气稳压箱内压力值比设定值偏大时，增加进气调节阀的开度；当进气稳压箱内压力值比设定值偏小时，减小进气调节阀的开度，通过控制比例阀的开度，保证在低空气流量状态下精确控制气压状态，以模拟不同海拔高度的大气压力。
B.燃料电池发动机排气压力模拟工作过程
由真空风机抽取排气稳压箱内真空，通过调节排气调节阀，使排气稳压箱内达到所需模拟的大气压力，然后在不同海拔高度进行低压试验。
燃料电池发动机启动后，由排气调节阀的节流作用在排气稳压箱内产生排气低压。通过调节排气调节阀开度可以控制燃料电池发动机排气口压力，排气稳压箱上设有压力传感器，监测排气压力值，通过PID调节排气调节阀开度大小，当排气稳压箱内压力值比设定值偏大时，增加排气调节阀的开度；当排气稳压箱内压力值比设定值偏小时，减小排气调节阀的开度，通过控制比例阀的开度，保证在低空气流量状态下精确控制气压状态，以模拟不同海拔高度的大气压力。
C.排水系统工作过程
试验中积水包进水电磁阀打开，排水电磁阀、压缩空气进气阀关闭，尾气和进气多余的气体混合后产生的冷凝水和尾气降温过程中产生的冷凝水被收集在积水包中，试验结束后积水包进水电磁阀关闭，排水电磁阀、压缩空气进气阀打开排出。
本发明针对燃料电池发动机工作过程中的吸排气特性，通过上述工作方法采用进气稳压箱和排气稳压箱实现燃料电池发动机高原测试进排气状态独立控制，由真空风机、进气调节阀、排气调节阀、压力旁通阀PID调节，模拟燃料电池发动机不同的高原环境，为燃料电池发动机高原适应性研发提供了必要条件。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种进排气可独立控制的燃料电池发动机高原测试系统，其特征在于，包括：
调压气路，包括进气调压支路、排气调压支路和抽真空支路，其中，所述进气调压支路和排气调压支路并联后与抽真空支路连接；以及
新风气路，其上按照气体流向依次设置有空气过滤器、进气风机、空气处理设备，其中，新风气流经过空气处理设备后分两路，第一路接入测试舱，第二路接入进气粗调阀门和进气精调阀门，
其中，所述进气调压支路上按照气体流向依次设置有进气稳压箱、进气调节阀，新风气流在进入进气粗调阀门和进气精调阀门后接入所述进气稳压箱中，所述排气调压支路上按照气体流向依次设置有排气稳压箱、排气调节阀、调温器，
其中，所述燃料电池发动机进气口连接至所述进气稳压箱，所述燃料电池发动机排气口连接至所述排气稳压箱，所述进气调压支路上设置有单向阀，以避免进、排气间串气现象，
所述燃料电池发动机进气口的进气控制方法包括：
先控制进气粗调阀门开度，将流量接近设定值，再由进气精调阀门精确调节到设定流量值，
由真空风机抽取进气稳压箱内真空，燃料电池发动机启动后，由进气调节阀的节流作用在进气稳压箱内产生进气低压，通过调节进气调节阀开度可以控制燃料电池发动机进气口压力，进气稳压箱上设有压力传感器，监测进气压力值，通过PID调节进气调节阀开度大小，
所述燃料电池发动机排气口的排气控制方法包括：
由真空风机抽取排气稳压箱内真空，燃料电池发动机启动后，由排气调节阀的节流作用在排气稳压箱内产生排气低压，通过调节排气调节阀开度可以控制燃料电池发动机排气口压力，排气稳压箱上设有压力传感器，监测排气压力值，通过PID调节排气调节阀开度大小。
2.根据权利要求1所述的进排气可独立控制的燃料电池发动机高原测试系统，其特征在于，所述抽真空支路上按照气体流向依次设置有进口避震管、真空风机、出口避震管、消声器，其中，所述系统还包括在真空风机进口侧设置的大气旁通气路，所述大气旁通气路上设置有压力旁通阀。
3.根据权利要求1所述的进排气可独立控制的燃料电池发动机高原测试系统，其特征在于，还包括调温器排水组件，其包括进水电磁阀、积水包、压缩空气进气阀、排水电磁阀，其中，所述调温器的冷凝水出口经由进水电磁阀连接至所述积水包，压缩空气经由所述压缩空气进气阀接入至积水包，所述积水包中的积水经由所述排水电磁阀排出。
4.根据权利要求1所述的进排气可独立控制的燃料电池发动机高原测试系统，其特征在于，所述燃料电池发动机进气口连接至所述进气稳压箱的管路上设有进气阀，所述燃料电池发动机排气口连接至所述排气稳压箱的管路上设有排气阀，所述新风气路连接至测试舱的管路上设有新风进舱阀。
5.根据权利要求2所述的进排气可独立控制的燃料电池发动机高原测试系统，其特征在于，所述真空风机的进口侧设有测温传感器，用于检测真空风机进口侧的气流温度，所述调温器用于根据所述测温传感器反馈的气流温度对排气进行调温，以使所述真空风机工作在正常的温度范围内。
6.根据权利要求1所述的进排气可独立控制的燃料电池发动机高原测试系统，其特征在于，通过控制压力旁通阀的开度，以在低空气流量状态下精确控制进气稳压箱和排气稳压箱内的气压状态。
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