CN212062590U - 一种氢发动机 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种氢发动机，包括装置主体和控制系统。本实用新型还提出了一种氢发动机的空滤更换智能提醒方法，建立吸附容量、压降、空气流量三个表征量的空滤滤芯寿命判断机制，来准确判断是否需要提醒更换滤芯。本实用新型通过压力传感器和流量传感器可以监测过滤压降和空气流量；通过存储单元记录吸入的空气总量，控制单元计算已吸附的有害气体总质量；控制单元能够获取燃料电池不同工作点时的流量和对应过滤压降；控制系统可以读取某一功率点的空气流量，并与设置的该功率点的最小允许空气流量进行比较。本实用新型通过这三个表征量来进行空气过滤网滤芯更换提醒，既避免了过早更换滤网产生的浪费，又避免过晚更换滤网影响了燃料电池发动机的寿命。

Description

一种氢发动机

【技术领域】

本实用新型涉及氢发动机的技术领域，特别是氢发动机的技术领域。

【背景技术】

氢燃料电池汽车采用车载氢发动机产生的电能作为动力，是促进我国交通领域低碳转型及可持续发展的重要方向；氢燃料电池汽车与传统汽油车相比零排放，与纯电动车相比其一次加氢续驶里程长，加氢时间短，整车重量轻，燃料电池汽车可以在5分钟内给电池灌满燃料，对比纯电动汽车充电时间长有明显的优势。

车用空气过滤器常被用于过滤空气中的颗粒污染物；对于氢燃料电池汽车，气体污染物也会影响氢发动机的输出功率、效率，甚至导致燃料电池失效。例如：气体污染物会导致铂催化剂中毒(SO2，NO2和VOCs等)、对MEA的化学侵蚀(如SO2等)、电导率衰减(金属离子如Fe3+，Ca2+，Na+等)、疏水性衰减(NaCl，表面活性剂，甲苯等)。因此，氢燃料电池汽车需要能吸附气体污染物的专用空气过滤器。

目前，车用空气过滤网滤网通常是凭经验每隔几个月更换一次，现有的智能更换提醒则一般是设定滤网的使用总时间。然而，由于氢发动机的功率会随整车需求不断变化，对应空气过滤的流量也在不断改变，因此现有方法得出的滤网寿命只能作为简单的参考；同时，滤网寿命既要考虑颗粒物理过滤和有害气体化学吸附的饱和程度。过早更换滤网会产生浪费，而过晚更换滤网甚至会影响氢发动机的寿命！

【实用新型内容】

本实用新型的目的就是解决现有技术中的问题，提出一种氢发动机，可以实现吸附容量、压降、空气流量三个表征量的空滤滤芯寿命判断机制，来准确判断是否需要提醒更换滤芯。本申请中的控制单元可根据吸附效率和当地有害气体浓度，计算已吸附的有害气体总质量，并与最大允许吸附量进行比较，从吸附容量表征滤芯寿命；控制系统能够获取燃料电池不同工作点时的流量和对应过滤压降，通过设定不同工作点的压降值来判断系统允许最大压降；控制系统可以读取某一功率点的空气流量，并与设置的该功率点的最小允许空气流量进行比较，当测得空气流量小于设置值时，则发出提醒，排除进气管路堵塞原因后，则发出立即更换滤芯提醒。

为实现上述目的，本实用新型提出了一种氢发动机，包括装置主体和控制系统，所述装置主体包括燃料电堆、供氢系统、尾排管、空气系统和冷却系统，所述控制系统包括控制单元、存储单元和仪表盘显示器；所述空气系统包括空气过滤器、空压机、入口压力传感器、出口压力传感器、流量传感器，燃料电堆通过空气管路依次连接空压机、空气过滤器，空压机、空气过滤器之间的空气管路上安装有出口压力传感器、流量传感器，空气过滤器进口端的空气管路上安装有入口压力传感器；所述供氢系统通过管路与燃料电堆相连接；所述冷却系统包括散热器，散热器通过冷却管路与燃料电堆相连接；所述燃料电堆通过尾排管路接入尾排管；所述控制单元与燃料电堆、入口压力传感器、出口压力传感器、流量传感器、存储单元和仪表盘显示器均电性连接。

作为优选，所述入口压力传感器、出口压力传感器用于监测过滤压降，流量传感器用于监测空气流量。

本实用新型还提出了一种氢发动机的空滤更换智能提醒方法，包括以下步骤：

步骤一：入口压力传感器、出口压力传感器获取空气过滤产生的压降参数；

步骤二：流量传感器获取空气流量参数，空气流量参数为q；

步骤三：控制单元获取燃料电堆的工作状态及参数，燃料电堆的参数包括工作功率；

步骤四：控制单元设定表征量的阈值，所述表征量包括吸附容量、过滤压降、空气流量；

步骤五：存储单元存储步骤一至步骤四的参数，并存储控制单元输入的累加数值，所述累加数值包括总空气流量、总发电量；

步骤六：控制单元根据获取的参数，通过表征量对滤芯寿命进行判断；

步骤七：将测算的表征量与设定的阈值进行比较，判断是否进行“第一级滤芯更换”提醒或“第二级滤芯更换”提醒，并将提醒内容发送到仪表盘显示器。

作为优选，所述步骤四中的吸附容量包括滤芯的有害气体吸附总量、已吸附的有害气体质量，滤芯的有害气体吸附总量为M，M通过测试和计算获取，并将M、a*M作为吸附容量的阈值输入控制单元，a为吸附容量一级提醒系数，a∈[0,100％]，优选的，系数a可以取90％为初设值，并通过实际应用情况进行修正；所述已吸附的有害气体质量m＝Mair×ρ×η，其中Mair为本次滤芯通过的总空气量、ρ为各应用城市或环境的空气中有害气体等效浓度、η为所选用滤芯对有害气体的吸附效率；

所述Mair的获取方法包括以下两种，方法1：控制单元对接收到的空气流量进行累加计算，存入存储单元，并对累加后的总值进行调取；方法2：控制单元通过存储单元内存储的使用该次滤芯的总发电量W，通过公式Mair＝C×W进行换算，C为换算常数；所述ρ通过测算或查询获得，并输入控制单元，例如ρ都等效为SO2浓度；所述η通过测试获取，并输入控制单元，例如经测试，获得SO2吸附效率为80％；

所述步骤七中，将已吸附的有害气体质量m与滤芯的有害气体吸附总量M进行比较，当m>M时，触发“第二级滤芯更换”提醒；当M≥m>a*M时，触发“第一级滤芯更换”提醒。

作为优选，所述步骤一的压降参数包括空气过滤器入口压力p1、空气过滤器出口压力p2、压降△p，空气过滤器入口压力p1、空气过滤器出口压力p2分别由入口压力传感器、出口压力传感器获得，压降△p＝p2-p1；

所述控制单元将压降参数与流量参数进行整合，获得数据组(△pi@qi)，qi为第i个空气流量参数、△pi为qi对应的压降；

最大允许压降△pmax作为过滤压降的阈值输入控制单元，最大允许压降△pmax作为“第二级滤芯更换”提醒的判断阈值；设定不同空气流量下的压降阈值△pseti以判断滤芯状态，将△pseti输入控制单元，作为“第一级滤芯更换”提醒的判断阈值。

作为优选，所述“第一级滤芯更换”提醒采用吸附容量和过滤压降协同表征；所述协同表征的典型表征因子为Y＝m/M+△pi/△pseti，其中m为已吸附的有害气体质量、M为滤芯的有害气体吸附总量、△pi为qi对应的压降、△pseti为压降阈值，所述qi为第i个空气流量参数；当典型表征因子的数值Y>b时，触发“第一级滤芯更换”提醒，所述b为“第一级滤芯更换”提醒的判断阈值，b∈[0,200％]，优选的，系数b可以取160％为初设值，并通过实际应用情况进行修正；所述协同表征的典型表征因子为Y＝c×(m/M)+(2-c)×△pi/△pseti，其中，c为表征量配比系数，c∈[0,2]。

作为优选，所述控制单元获得数据组(Qi@Pi)，Qi为工作功率Pi时要求达到的空气流量Qi，控制单元中设定发动机各工作功率Pi的最低允许空气流量阈值Qi；在工作功率Pi时，比较实时空气流量参数qi和空气流量阈值Qi，当qi<Qi时，发出“第二级滤芯更换”提醒。

作为优选，所述存储单元存储有滤芯总更换次数N，初始时将N＝0存入存储单元；所述空气过滤器内的滤芯安装处设有开关按钮，空气过滤器内的滤芯更换时触发信号，上述信号发送至控制单元，控制单元将存储单元中累计的本次滤芯通过的总空气量Mair置零，同时使滤芯总更换次数N进行计数：N＝N+1。

本实用新型的有益效果：

1、本实用新型通过滤网吸附容量、过滤压降和空气流量三组参数对更换周期进行表征，其吸附容量表征特别适合氢发动机；同时通过吸附容量和过滤压降协同表征以减少误差，使氢发动机得到更好的保护；

2、本实用新型采用两级提醒设置，既提醒用户及时做好更换准备，又避免了燃料电池在必须更换滤芯时启动而产生损害；

3、本实用新型同时表征各个功率下的过滤压降值，使滤芯寿命评估更为准确；

4、更换滤芯后可实现对累加数据的进行置零，并实现总更换次数的自动更新。

本实用新型的特征及优点将通过实施例结合附图进行详细说明。

【附图说明】

图1是本实用新型一种氢发动机的氢发动机系统框架图；

图2是本实用新型一种氢发动机的控制单元配置和输入、输出信号示意图；

图3是本实用新型一种氢发动机的工作流程图。

图中：10-燃料电堆、20-空气过滤器、21-空压机、22-供氢系统、23-散热器、24-尾排管、31-入口压力传感器、32-出口压力传感器、33-流量传感器、40-空气管路、41-冷却管路、42-尾排管路、50-控制单元、51-存储单元、52-仪表盘显示器。

【具体实施方式】

参阅图1、图2、图3，本实用新型，包括装置主体和控制系统，所述装置主体包括燃料电堆10、供氢系统22、尾排管24、空气系统和冷却系统，所述控制系统包括控制单元50、存储单元51和仪表盘显示器52；所述空气系统包括空气过滤器20、空压机21、入口压力传感器31、出口压力传感器32、流量传感器33，燃料电堆10通过空气管路40依次连接空压机21、空气过滤器20，空压机21、空气过滤器20之间的空气管路40上安装有出口压力传感器32、流量传感器33，空气过滤器20进口端的空气管路40上安装有入口压力传感器31；所述供氢系统22通过管路与燃料电堆10相连接；所述冷却系统包括散热器23，散热器23通过冷却管路41与燃料电堆10相连接；所述燃料电堆10通过尾排管路42接入尾排管24；所述控制单元50与燃料电堆10、入口压力传感器31、出口压力传感器32、流量传感器33、存储单元51和仪表盘显示器52均电性连接。

具体的，所述入口压力传感器31、出口压力传感器32用于监测过滤压降，流量传感器33用于监测空气流量。

本实用新型，还包括以下步骤：

步骤一：入口压力传感器31、出口压力传感器32获取空气过滤产生的压降参数；

步骤二：流量传感器33获取空气流量参数，空气流量参数为q；

步骤三：控制单元50获取燃料电堆10的工作状态及参数，燃料电堆10的参数包括工作功率；

步骤四：控制单元50设定表征量的阈值，所述表征量包括吸附容量、过滤压降、空气流量；

步骤五：存储单元51存储步骤一至步骤四的参数，并存储控制单元50输入的累加数值，所述累加数值包括总空气流量、总发电量；

步骤六：控制单元50根据获取的参数，通过表征量对滤芯寿命进行判断；

步骤七：将测算的表征量与设定的阈值进行比较，判断是否进行“第一级滤芯更换”提醒或“第二级滤芯更换”提醒，并将提醒内容发送到仪表盘显示器。

具体的，所述步骤四中的吸附容量包括滤芯的有害气体吸附总量、已吸附的有害气体质量，滤芯的有害气体吸附总量为M，M通过测试和计算获取，并将M、a*M作为吸附容量的阈值输入控制单元50，a为吸附容量一级提醒系数，a∈[0,100％]，优选的，系数a可以取90％为初设值，并通过实际应用情况进行修正；所述已吸附的有害气体质量m＝Mair×ρ×η，其中Mair为本次滤芯通过的总空气量、ρ为各应用城市或环境的空气中有害气体等效浓度、η为所选用滤芯对有害气体的吸附效率；

所述Mair的获取方法包括以下两种，方法1：控制单元50对接收到的空气流量进行累加计算，存入存储单元51，并对累加后的总值进行调取；方法2：控制单元50通过存储单元51内存储的使用该次滤芯的总发电量W，通过公式Mair＝C×W进行换算，C为换算常数；所述ρ通过测算或查询获得，并输入控制单元50，例如ρ都等效为SO2浓度；所述η通过测试获取，并输入控制单元50，例如经测试，获得SO2吸附效率为80％；

所述步骤七中，将已吸附的有害气体质量m与滤芯的有害气体吸附总量M进行比较，当m>M时，触发“第二级滤芯更换”提醒；当M≥m>a*M时，触发“第一级滤芯更换”提醒。

具体的，所述步骤一的压降参数包括空气过滤器入口压力p1、空气过滤器出口压力p2、压降△p，空气过滤器入口压力p1、空气过滤器出口压力p2分别由入口压力传感器31、出口压力传感器32获得，压降△p＝p2-p1；

所述控制单元50将压降参数与流量参数进行整合，获得数据组(△pi@qi)，qi为第i个空气流量参数、△pi为qi对应的压降；

最大允许压降△pmax作为过滤压降的阈值输入控制单元50，最大允许压降△pmax作为“第二级滤芯更换”提醒的判断阈值；设定不同空气流量下的压降阈值△pseti以判断滤芯状态，将△pseti输入控制单元50，作为“第一级滤芯更换”提醒的判断阈值。

具体的，所述“第一级滤芯更换”提醒采用吸附容量和过滤压降协同表征；所述协同表征的典型表征因子为Y＝m/M+△pi/△pseti，其中m为已吸附的有害气体质量、M为滤芯的有害气体吸附总量、△pi为qi对应的压降、△pseti为压降阈值，所述qi为第i个空气流量参数；当典型表征因子的数值Y>b时，触发“第一级滤芯更换”提醒，所述b为“第一级滤芯更换”提醒的判断阈值，b∈[0,200％]，优选的，系数b可以取160％为初设值，并通过实际应用情况进行修正；所述协同表征的典型表征因子为Y＝c×(m/M)+(2-c)×△pi/△pseti，其中，c为表征量配比系数，c∈[0,2]。

具体的，所述控制单元50获得数据组(Qi@Pi)，Qi为工作功率Pi时要求达到的空气流量Qi，控制单元50中设定发动机各工作功率Pi的最低允许空气流量阈值Qi；在工作功率Pi时，比较实时空气流量参数qi和空气流量阈值Qi，当qi<Qi时，发出“第二级滤芯更换”提醒。

具体的，所述存储单元51存储有滤芯总更换次数N，初始时将N＝0存入存储单元；所述空气过滤器20内的滤芯安装处设有开关按钮，空气过滤器20内的滤芯更换时触发信号，上述信号发送至控制单元50，控制单元50将存储单元51中累计的本次滤芯通过的总空气量Mair置零，同时使滤芯总更换次数N进行计数：N＝N+1。

本实用新型工作过程：

本实用新型一种氢发动机在工作过程中，结合附图进行说明。

按照图1、图2所示，组成本申请中的氢发动机及其控制系统，按照图3所示的提醒方法，对滤芯做到及时更换提醒。通过入口压力传感器31、出口压力传感器32获取空气过滤产生的压降参数；通过流量传感器33获取空气流量参数；通过控制单元50获取燃料电堆10的工作状态及参数，燃料电堆10的参数包括工作功率；通过控制单元50设定表征量的阈值，所述表征量包括吸附容量、过滤压降、空气流量；通过存储单元51存储上述的参数，并存储控制单元50输入的累加数值，所述累加数值包括总空气流量、总发电量；通过控制单元50根据获取的参数，通过表征量对滤芯寿命进行判断。这个时候，依据表征量可以进行判断预警了，表征量有前面提到过的吸附容量、过滤压降、空气流量，也可以由吸附容量、过滤压降组成的协同表征，当然也不限于上述的协同方式；通过实现计算、测定或者实验获得的阈值，将测算的表征量与设定的阈值进行比较，判断是否进行“第一级滤芯更换”提醒或“第二级滤芯更换”提醒，并将提醒内容发送到仪表盘显示器。通过上述表征量的获取并计算对比，可以更为准确得作出滤芯判断。“第一级滤芯更换”提醒稍微较弱，意为准备更换，允许更换滤芯，也可先不更换；“第二级滤芯更换”提醒则较强，为确保氢发动机运行良好，需要强制更换滤芯。

本实用新型，通过吸附容量、压降、空气流量这三个表征量来进行空气过滤网滤芯更换提醒，既避免了过早更换滤网产生的浪费，又避免过晚更换滤网影响了燃料电池发动机的寿命。

上述实施例是对本实用新型的说明，不是对本实用新型的限定，任何对本实用新型简单变换后的方案均属于本实用新型的保护范围。

Claims (2)

1.一种氢发动机，其特征在于：包括装置主体和控制系统，所述装置主体包括燃料电堆(10)、供氢系统(22)、尾排管(24)、空气系统和冷却系统，所述控制系统包括控制单元(50)、存储单元(51)和仪表盘显示器(52)；所述空气系统包括空气过滤器(20)、空压机(21)、入口压力传感器(31)、出口压力传感器(32)、流量传感器(33)，燃料电堆(10)通过空气管路(40)依次连接空压机(21)、空气过滤器(20)，空压机(21)、空气过滤器(20)之间的空气管路(40)上安装有出口压力传感器(32)、流量传感器(33)，空气过滤器(20)进口端的空气管路(40)上安装有入口压力传感器(31)；所述供氢系统(22)通过管路与燃料电堆(10)相连接；所述冷却系统包括散热器(23)，散热器(23)通过冷却管路(41)与燃料电堆(10)相连接；所述燃料电堆(10)通过尾排管路(42)接入尾排管(24)；所述控制单元(50)与燃料电堆(10)、入口压力传感器(31)、出口压力传感器(32)、流量传感器(33)、存储单元(51)和仪表盘显示器(52)均电性连接。

2.如权利要求1所述的一种氢发动机，其特征在于：所述入口压力传感器(31)、出口压力传感器(32)用于监测过滤压降，流量传感器(33)用于监测空气流量。

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