CN214616760U - 用氢气启动的天然气发动机 - Google Patents

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陈强
戴俊楠
胡发跃
吴向畅
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Abstract

本实用新型公开了一种用氢气启动的天然气发动机，天然气供气系统包括通过管路相连的高压天然气瓶、第一电磁阀、第一减压调节器和天然气气轨喷嘴体；氢气供气系统包括通过管路相连的高压氢气瓶、第二电磁阀、第二减压调节器和氢气气轨喷嘴体；天然气气轨喷嘴体和和氢气气轨喷嘴体均是由一根气轨和若干喷嘴组成，喷嘴与发动机进气支管的数量、位置对应；控制系统包括控制器、继电器、电子节气门、进气压力温度传感器、转速传感器、凸轮轴位置传感器、水温传感器、氧传感器、第一电磁阀、第二电磁阀、气轨喷嘴体，控制器控制继电器的触点位置。能显著减少发动机在启动和怠速过程中产生的污染物排放，并能使发动机在低温环境下顺利启动。

Description

用氢气启动的天然气发动机
技术领域
本实用新型涉及汽车发动机技术领域，具体涉及一种用氢气启动的天然气发动机。
背景技术
我国天然气资源丰富，天然气的主要成分是甲烷CH4。相对于汽油和柴油，甲烷分子中氢原子与碳原子比例大(4:1)，即甲烷燃料中的含氢量较大、含碳量较少，燃烧后生成较多的水H2O、较少的二氧化碳CO2。同时，因为甲烷是气体，在发动机中容易与空气混合，燃烧较为充分，排气中颗粒物数量PN和颗粒物质量PM较少。因此天然气汽车被称为清洁燃料汽车，是国家提倡推广的汽车种类。但天然气发动机也有不足之处，在启动过程中，特别是在低温启动过程中，由于气缸内的温度低，天然气燃烧不完全，会产生很高的碳氢化合物HC和一氧化碳CO排放。同时，由于此时三元催化器的温度低，对碳氢化合物HC、一氧化碳CO和氮氧化物NOX排放的转换效率低，最终导致很高的碳氢化合物HC、一氧化碳CO排放和氮氧化物NOX排放。无论是轻型汽车采用的WLTC排放试验循环，或者是重型发动机采用的WHTC排放试验循环，发动机在启动后200s时间内产生的污染物排放要占到整个循环排放量的很大部分。因此，研究和减少发动机在启动和怠速过程中的污染物排放具有重要的意义。
未来汽车的发展方向是燃料低碳化，汽车排放低污染化。氢气H2分子结构简单，不含碳元素。发动机用氢气作燃料时的燃烧速度快，热效率高，燃烧后的产物只有水H2O，不会产生一氧化碳CO、碳氢化合物HC、颗粒物(PN和PM)等有害物质，也不会产生二氧化碳排放CO2(温室气体)。近年来，用可再生能源(风能、太阳能)发电取得巨大的发展，装机容量不断扩大，为电解水制氢提供了能源基础。电解水生产的氢气可以用作燃料电池的燃料，多余的部分可用在天然气发动机上，改善发动机的性能和排放。
在天然气中掺混部分氢气后用作发动机燃料，由于燃烧速度加快，燃烧更为充分，将会提高发动机的热效率，减少碳氢化合物HC排放。因为氢气替代了部分天然气，燃料中总的氢元素含量更多、碳元素含量更少，混合燃料燃烧后会产生的更多的水、更少的二氧化碳CO2。因此使用天然气和氢气为燃料的发动机，越来越受到人们的关注。但使用天然气氢气混合燃料需要混合燃料加气站(目前很少有)，或者使用天然气和氢气两套独立的喷射装置。控制天然气和氢气两套独立的喷射装置需要开发极为复杂的控制器，控制器的开发难度大，发动机标定和试验的工作量也大。
实用新型内容
为了克服上述现有技术存在的缺陷，本实用新型旨在提供一种用氢气启动的天然气发动机，在不改变控制器的条件下，能够显著减少发动机在启动和怠速过程中产生的高碳氢化合物HC、一氧化碳CO和氮氧化物NOX排放。
为此，本实用新型所采用的技术方案为：一种用氢气启动的天然气发动机，包括天然气供气系统、氢气供气系统、控制系统、发动机和三元催化器，所述天然气供气系统包括通过管路相连的高压天然气瓶、第一电磁阀、第一减压调节器、天然气气轨喷嘴体；所述氢气供气系统包括通过管路相连的高压氢气瓶、第二电磁阀、第二减压调节器和氢气气轨喷嘴体，所述天然气气轨喷嘴体、氢气气轨喷嘴体均是由一根气轨和若干喷嘴组成，所述喷嘴与发动机进气支管的数量、位置对应；所述控制系统包括控制器，并通过电缆与继电器、电子节气门、进气压力温度传感器、转速传感器、凸轮轴位置传感器、水温传感器、氧传感器、第一电磁阀、第二电磁阀、天然气气轨喷嘴体、氢气气轨喷嘴体相连，用于控制电子节气门的开度，接收进气压力温度传感器传来的发动机进气压力和温度信号，接收从转速传感器传来的发动机转速信号，接收从凸轮轴位置传感器传来的发动机相位信号，接收从水温传感器传来的发动机水温信号，接收从氧传感器传来的发动机排气氧含量信号，控制第一电磁阀、第二电磁阀的通断，控制天然气气轨喷嘴体、氢气气轨喷嘴体的喷射，控制继电器触点的位置。
作为上述方案的优选，所述进气压力温度传感器设置在电子节气门的下游，检测进气压力及温度更加精确，并用于控制器的闭环控制，进一步改善性能，减少排放。
进一步优选为，所述氧传感器设置在三元催化器的上游，检测汽油机排气氧含量更加精确，并用于控制器的闭环控制，同样是进一步改善性能，减少排放。
进一步优选为，所述氧传感器采用宽域氧传感器，可以精确测量汽油机排气的过量空气系数。
进一步优选为，发动机启动和怠速时使用氢气、氢气气轨喷嘴体工作，并采用过量空气系数＞2.5的超稀薄燃烧技术；在其它的发动机工况使用天然气、天然气气轨喷嘴体工作，采用理论空燃比燃烧技术并用氧传感器实行闭环控制，空燃比对应三元催化器的最佳转换窗口，提高三元催化器的转换效率，使污染物排放量很低。
本实用新型的有益效果：
(a)发动机启动和怠速时使用氢气并采用量空气系数＞2.5的超稀薄燃烧技术，在此期间发动机的主要排放为是水H2O，其它排放接近于零(碳氢化合物HC、一氧化碳CO、氮氧化物NOX、二氧化碳CO2)，解决了天然气发动机在启动和怠速过程中产生大量的碳氢化合物HC、一氧化碳CO、氮氧化物NOX等的难题。
(b)发动机使用氢气容易在低温环境(例如－20℃～－30℃)下顺利启动。
(c)可在原天然气发动机控制器的基础上通过标定实现发动机在启动和怠速过程中使用氢气，不用开发新的控制器，可以节省大量的开发费用和开发时间，是一种快捷、有效的途径。
附图说明
图1为本实用新型的结构示意图。
图2为气轨喷嘴体的结构示意图。
具体实施方式
下面通过实施例并结合附图，对本实用新型作进一步说明：
如图1所示，一种用氢气启动的天然气发动机，主要由天然气供气系统、氢气供气系统、控制系统、发动机17和三元催化器18组成。发动机17用于燃烧天然气或氢气，对外输出功率；三元催化器18安装在排气管路上，用于将排气中的碳氢化合物HC、一氧化碳CO、氮氧化物NOX转换成水H2O、二氧化碳CO2、氮气N2等无害物质。
天然气供气系统包括通过管路相连的高压天然气瓶1、第一电磁阀2、第一减压调节器3、天然气气轨喷嘴体4。最好是，高压天然气瓶1、第一电磁阀2、第一减压调节器3、天然气气轨喷嘴体4通过管路依次相连。高压天然气瓶1用于存储高压的天然气，第一电磁阀2用于控制天然气管路的通、断，第一减压调节器3用于将高压的天然气减压、调节到所需要的低压，天然气气轨喷嘴体4用于控制天然气的喷射流量。
氢气供气系统包括通过管路相连的高压氢气瓶5、第二电磁阀6、第二减压调节器7、氢气气轨喷嘴体8。最好是，高压氢气瓶5、第二电磁阀6、第二减压调节器7、氢气气轨喷嘴体8通过管路依次相连。高压氢气瓶5用于存储高压的氢气，第二电磁阀6用于控制氢气管路的通、断，第二减压调节器7用于将高压的氢气减压、调节到所需要的低压，氢气气轨喷嘴体8用于控制氢气的喷射流量。
如图2所示，天然气气轨喷嘴体4和氢气气轨喷嘴体8均是由一根气轨a和若干喷嘴b组成。在气轨a的每个出气口安装一只喷嘴b，喷嘴b与发动机17进气支管的数量、位置对应，每个喷嘴对应一个气缸，喷嘴按顺序对应安装在发动机的各进气支管上(靠近气缸盖)，可实现天然气或氢气按顺序喷射。图中所示为四缸发动机，天然气气轨喷嘴体4和氢气气轨喷嘴体8的喷嘴数量也设置成四个，在控制器9的控制下，喷嘴按发动机的工作顺序喷射，即按1—3—4—2的顺序喷射。本实用新型同样适用于三缸和六缸发动机，相应地，天然气气轨喷嘴体4和氢气气轨喷嘴体8的喷嘴数量也设置成三个或六个。
控制系统包括控制器9，并通过电缆与继电器10、电子节气门11、进气压力温度传感器12、转速传感器13、凸轮轴位置传感器14、水温传感器15、氧传感器16、第一电磁阀2、第二电磁阀6、天然气气轨喷嘴体4和氢气气轨喷嘴体8相连。控制系统用于：控制电子节气门11的开度，间接控制进入发动机的空气流量；接收进气压力温度传感器12传来的发动机进气压力和温度信号，计算进入发动机的空气量；接收从转速传感器13传来的发动机转速信号，计算发动机的转速；接收从凸轮轴位置传感器14传来的发动机相位信号，判断发动机的相位；接收从水温传感器15传来的发动机水温信号，计算发动机的水温；控制第一电磁阀2、第二电磁阀6的通断；控制继电器10触点的位置，确定是给天然气气轨喷嘴体4的喷嘴供电或者是给氢气气轨喷嘴体8的喷嘴供电；控制天然气气轨喷嘴体4、氢气气轨喷嘴体8的喷射，包括喷射时间和喷射频率，从而控制天然气的流量和氢气的流量；接收从氧传感器16传来的发动机排气氧含量信号，用来进行闭环控制，实现对发动机空燃比的快速修正。
最好是，氧传感器16采用宽域氧传感器，可以精确测量汽油机排气的过量空气系数。进气压力温度传感器12设置在电子节气门11的下游。氧传感器16设置在三元催化器18的上游。
发动机启动和怠速时使用氢气、氢气气轨喷嘴体工作，并采用过量空气系数＞2.5的超稀薄燃烧技术；在其它的发动机工况使用天然气、天然气气轨喷嘴体工作，采用理论空燃比燃烧技术并用氧传感器实行闭环控制，空燃比对应三元催化器的最佳转换窗口。
发动机工作时，在控制器9的控制下，第一电磁阀2打开，从高压天然气瓶1流出的高压天然气通过第一电磁阀2后进入第一减压调节器3。高压天然气经第一减压调节器3减压后变成低压天然气(例如3～5bar)，然后流到天然气气轨喷嘴体4入口，天然气充满气轨的内腔体。在控制器9的控制下，第二电磁阀6打开，从高压氢气瓶5流出的高压氢气通过第二电磁阀6后进入第二减压调节器7。高压氢气经第二减压调节减压后变成低压氢气(例如3～5bar)，然后流到氢气气轨喷嘴体8的入口，氢气充满气轨的内腔体。
发动机启动时，在控制器9的控制下继电器10的常闭触点接通为氢气气轨喷嘴体8的喷嘴供电。控制器发出的氢气喷射信号控制氢气气轨喷嘴体8的喷嘴喷射(喷射频率和时间)。根据预定的目标，氢气气轨喷嘴体8喷射少量的氢气。发动机进气时，吸入空气和氢气，两种气体在气缸内进一步混合。由于氢气的火焰传播速度快，需要的点火能量小，稀薄燃烧能力强，当气缸内的火花塞跳火后，氢气会迅速燃烧做功，使发动机顺利启动并进入怠速状态。这样就实现了发动机在过量空气系数＞2.5条件下的超稀薄燃烧。由于过量空气系数大，发动机燃烧时的温度低，氮氧化物NOX排放可以降低到很低的水平(例如小于10ppm，体积浓度)。因为氢气燃烧的产物只有水H2O，最终发动机的污染物排放接近于零(碳氢化合物HC、一氧化碳CO、氮氧化物NOX、二氧化碳CO2，不考虑机油燃烧产生的污染物排放)。
当需要发动机输出功率时，在控制器9的控制下继电器10的常开触点接通为天然气气轨喷嘴体4的喷嘴供电。控制器发出的天然气喷射信号控制天然气气轨喷嘴体4的喷嘴喷射(喷射频率和时间)。根据各传感器的信息和天然气的空燃比(约17:1)，控制器9计算出对应一定质量的空气需要的天然气质量m，天然气气轨喷嘴体4需要喷射m质量的天然气。根据天然气喷嘴的流量特性，转换成喷嘴的喷射时间T，完成天然气的喷射。发动机进气时，吸入空气、天然气，两种气体在气缸内进一步混合后燃烧做功，发动机对外输出功率。
当发动机需要回到怠速状态，在控制器9的控制下继电器10的常闭触点接通为氢气气轨喷嘴体8的喷嘴供电，氢气气轨喷嘴体8喷射氢气，发动机在怠速使用氢气运行，同时采用超稀薄燃烧技术，发动机的污染物排放接近于零。
氧传感器16检测发动机排气中的氧气量，并将信号传给控制器9。控制器9判断排气中的氧气是多或是少，然后通过增加(如果排气中氧气多)或者减少(如果排气中氧气少)燃料的喷射量，实现闭环控制，保持空燃比在设定值附近，对应三元催化器高效反应的空燃比窗口。当发动机的排气进入三元催化器后，各种气体(包含空气)在催化器内发生一系列的化学反应，将绝大部分(例如95％～98％)碳氢化合物HC、一氧化碳CO、氮氧化物NOX转换成水H2O、二氧化碳CO2、氮气N2等无害物质，实现低污染排放。

Claims (5)

1.一种用氢气启动的天然气发动机，其特征在于：包括天然气供气系统、氢气供气系统、控制系统、发动机(17)和三元催化器(18)，所述天然气供气系统包括通过管路相连的高压天然气瓶(1)、第一电磁阀(2)、第一减压调节器(3)和天然气气轨喷嘴体(4)；所述氢气供气系统包括通过管路相连的高压氢气瓶(5)、第二电磁阀(6)、第二减压调节器(7)和氢气气轨喷嘴体(8)，所述天然气气轨喷嘴体(4)、氢气气轨喷嘴体(8)均是由一根气轨(a)和若干喷嘴(b)组成，所述喷嘴(b)与发动机(17)进气支管的数量、位置对应；
所述控制系统包括控制器(9)，并通过电缆与继电器(10)、电子节气门(11)、进气压力温度传感器(12)、转速传感器(13)、凸轮轴位置传感器(14)、水温传感器(15)、氧传感器(16)、第一电磁阀(2)、第二电磁阀(6)、天然气气轨喷嘴体(4)、氢气气轨喷嘴体(8)相连，用于控制电子节气门(11)的开度，接收进气压力温度传感器(12)传来的发动机进气压力和温度信号，接收从转速传感器(13)传来的发动机转速信号，接收从凸轮轴位置传感器(14)传来的发动机相位信号，接收从水温传感器(15)传来的发动机水温信号，接收从氧传感器(16)传来的发动机排气氧含量信号，控制第一电磁阀(2)、第二电磁阀(6)的通断，控制天然气气轨喷嘴体(4)、氢气气轨喷嘴体(8)的喷射，控制继电器(10)的触点位置。
2.按照权利要求1所述的一种用氢气启动的天然气发动机，其特征在于：所述进气压力温度传感器(12)设置在电子节气门(11)的下游。
3.按照权利要求1所述的一种用氢气启动的天然气发动机，其特征在于：所述氧传感器(16)设置在三元催化器(18)的上游。
4.按照权利要求1或3所述的一种用氢气启动的天然气发动机，其特征在于：所述氧传感器(16)采用宽域氧传感器。
5.按照权利要求1—3中任一项所述的一种用氢气启动的天然气发动机，其特征在于：发动机启动和怠速时使用氢气、氢气气轨喷嘴体工作，并采用过量空气系数＞2.5的超稀薄燃烧技术；在其它的发动机工况使用天然气、天然气气轨喷嘴体工作，采用理论空燃比燃烧技术并用氧传感器实行闭环控制，空燃比对应三元催化器的最佳转换窗口。
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