CN214997916U - 一种氢气汽油两用燃料发动机 - Google Patents

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唐卜
晏游
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Abstract

本实用新型公开了一种氢气汽油两用燃料发动机，包括汽油供油系统、氢气供气系统、控制系统、发动机和三元催化器，所述汽油供油系统包括通过管路相连的汽油箱、汽油泵、调压器和油轨喷嘴体，所述氢气供气系统包括通过管路相连的高压氢气瓶、电磁阀、减压调节器和气轨喷嘴体，所述控制系统包括控制器，并通过电缆与排气温度传感器、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、汽油泵、电磁阀、油轨喷嘴体、气轨喷嘴体相连。能显著减少发动机在启动、怠速和小负荷工况中产生的污染物排放和二氧化碳排放，并能使发动机在低温环境下顺利启动。

Description

一种氢气汽油两用燃料发动机
技术领域
本实用新型属于汽车发动机技术领域，具体涉及一种氢气汽油两用燃料发动机。
背景技术
随着我国经济的快速发展，汽车的生产量和保有量越来越大。汽车的广泛使用，给人们的出行带来极大的便利，同时也带来很大的污染。汽车使用的汽油、柴油等燃料在燃烧过程中会产生污染物排放和二氧化碳排放。为控制和解决汽车在使用过程中产生的污染物问题，政府部门制定了越来越严格的排放法规，促进汽车的技术进步，实现汽车领域的节能和减排。搭载汽油机的汽车，在启动过程中，特别是低温冷启动过程中，会产生大量的污染物排放。
在汽油机的启动过程中，特别是在低温启动过程中，由于气缸内的温度低，加上供给了过量的汽油，汽油雾化、蒸发效果差，并且缺少氧气，汽油燃烧不完全，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和氮氧化物NOX排放。无论是轻型汽车采用的NEDC或者是WLTC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，多余的部分可用在发动机上，改善发动机的性能和排放。
实用新型内容
本实用新型拟提供一种氢气汽油两用燃料发动机，能够显著减少汽油发动机在启动、怠速和小负荷工况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：一种氢气汽油两用燃料发动机，包括汽油供油系统、氢气供气系统、控制系统、发动机和三元催化器，所述汽油供油系统包括通过管路相连的汽油箱、汽油泵、调压器和油轨喷嘴体，所述氢气供气系统包括通过管路相连的高压氢气瓶、电磁阀、减压调节器和气轨喷嘴体，所述油轨喷嘴体、气轨喷嘴体均是由一根气轨或油轨和若干喷嘴组成，且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，并通过电缆与排气温度传感器、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、汽油泵、电磁阀、油轨喷嘴体、气轨喷嘴体相连，用于接收从排气温度传感器传来的排气温度信号，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，控制汽油泵的运转，控制电磁阀的通断，控制油轨喷嘴体、气轨喷嘴体的喷射。
作为上述方案的优选，所述排气温度传感器和氧传感器设置在三元催化器的上游。
进一步优选为，所述进气压力温度传感器设置在电子节气门的下游。
进一步优选为，所述氧传感器采用宽域氧传感器。
进一步优选为，发动机启动时，气轨喷嘴体工作，使用氢气为燃料，采用过量空气系数约为0.7的浓混合气；怠速时气轨喷嘴体工作，使用氢气为燃料，采用过量空气系数约为2.0的超稀薄混合气；在发动机的小负荷工况，气轨喷嘴体工作，发动机使用氢气为燃料，并采用过量空气系数大于2.5的超稀薄混合气；在发动机的大负荷工况，油轨喷嘴体工作，发动机使用汽油为燃料，采用过量空气系数为1的理论空燃比燃烧并用氧传感器实现空燃比闭环控制，空燃比对应三元催化器的最佳转换窗口，其中小负荷工况为排气温度传感器检测到的排气温度小于设定值，大负荷工况为排气温度传感器检测到的排气温度大于设定值。
本实用新型的有益效果：
1)发动机在启动、怠速和小负荷工况(排气温度低于设定值)时使用氢气并采用过量空气系数大于2.5的超稀薄燃烧，在此期间发动机的主要排放为是水H2O，碳氢化合物HC、一氧化碳CO排放接近于零，氮氧化物NOX排放极低，解决了发动机在启动、怠速和小负荷工况中产生大量的碳氢化合物HC、一氧化碳CO、氮氧化物NOX的难题；
2)当发动机的排气温度高于设定值时，发动机从使用氢气切换到使用汽油，由于催化器温度较高使得其转换效率大于50％，此时从发动机排出的污染物经过催化器后大部分得到转换，发动机最终的污染物排放量很低，在试验过程中发现搭载本实用新型发动机的轻型车在WLTC循环(全球轻型车统一测试循环)下的排放比搭载原发动机(指完全使用汽油的发动机)的轻型车至少要低20％～30％；
3)发动机在小负荷工况下使用氢气，气缸内的燃烧温度低，不容易发生回火、早燃、爆震等不正常燃烧现象；
4)使用氢气的发动机容易在低温环境(例如－20℃～－30℃)下顺利启动。
附图说明
图1为本实用新型的结构示意图。
图2为本实用新型中气轨喷嘴体和油轨喷嘴体的结构示意图。
图3为搭载本实用新型和搭载完全使用汽油的轻型车在WLTC循环下污染物排放量示意图。
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，一种氢气汽油两用燃料发动机，主要由汽油供油系统、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通过燃烧汽油或氢气，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。
汽油供油系统包括通过管路相连的汽油箱1、汽油泵2、调压器3、油轨喷嘴体4。最好是，汽油箱1、汽油泵2、调压器3、油轨喷嘴体4通过管路依次相连。其中汽油箱1用于存储汽油，汽油泵2用于对汽油进行输送和加压，调压器3用于调节汽油的压力，油轨喷嘴体4用于控制汽油的喷射流量。
氢气供气系统包括通过管路相连的高压氢气瓶5、电磁阀6、减压调节器7、气轨喷嘴体8。最好是，高压氢气瓶5、电磁阀6、减压调节器7、气轨喷嘴体8通过管路依次相连。其中高压氢气瓶5用于存储高压的氢气，电磁阀6用于控制氢气管路的通、断，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，气轨喷嘴体8用于控制氢气的喷射流量。
如图2所示，油轨喷嘴体4和气轨喷嘴体8均是由一根气轨或油轨a和若干喷嘴b组成。在气轨或油轨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b对应一个气缸，喷嘴b按顺序对应安装在发动机的各进气支管上(靠近气缸盖)，可实现汽油或氢气按顺序喷射。图中所示为四缸发动机，油轨喷嘴体4和气轨喷嘴体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，油轨喷嘴体4和气轨喷嘴体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，并通过电缆与排气温度传感器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、汽油泵2、电磁阀6、油轨喷嘴体4和气轨喷嘴体8相连。控制器9能够分别控制油轨喷嘴体4和气轨喷嘴体8的喷射。控制控制系统用于：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；接收从排气温度传感器10传来的排气温度信号；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；控制汽油泵2的运转；控制电磁阀6的通断；控制油轨喷嘴体4、气轨喷嘴体8的喷射，包括喷射时间和喷射频率，从而控制汽油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。排气温度传感器10、氧传感器16均设置在三元催化器18的上游。
发动机启动时，气轨喷嘴体8工作，使用氢气为燃料，采用过量空气系数约为0.7的浓混合气。怠速时气轨喷嘴体8工作，使用氢气为燃料，采用过量空气系数约为2.0的超稀薄混合气；在发动机的小负荷工况，气轨喷嘴体8工作，发动机使用氢气为燃料，并采用过量空气系数大于2.5的超稀薄混合气；在发动机的大负荷工况，油轨喷嘴体4工作，发动机使用汽油为燃料，采用过量空气系数为1的理论空燃比燃烧并用氧传感器16实现空燃比闭环控制，空燃比对应三元催化器的最佳转换窗口，其中小负荷工况为排气温度传感器17检测到的排气温度小于设定值，大负荷工况为排气温度传感器17检测到的排气温度大于设定值。
发动机燃烧汽油工作时，在控制器9的控制下，汽油泵2运转，汽油从汽油箱1流出，然后进入调压器3，在调压器3内汽油被调节到所需的压力(例如4bar)，然后流到油轨喷嘴体4入口，汽油充满油轨的内腔体。发动机燃烧氢气工作时，在控制器9的控制下，电磁阀6打开，从高压氢气瓶5流出的高压氢气通过电磁阀6后进入减压调节器7，高压氢气经减压调节减压后变成低压氢气(例如3～5bar)，然后流到气轨喷嘴体8的入口，氢气充满气轨的内腔体。
如图3所示，发动机17在启动时，控制器9发出氢气喷射信号控制气轨喷嘴体8的喷嘴喷射(喷射频率和时间)。根据各传感器的信息和氢气的理论空燃比(34.34:1)和过量空气系数(约为0.7)，控制器9计算出对应一定质量的空气需要的氢气质量m1，气轨喷嘴体8需要喷射m1质量的氢气。根据氢气喷嘴的流量特性，转换成喷嘴的喷射时间T1，完成氢气的喷射。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，当火花塞跳火后，氢气会迅速燃烧做功，使发动机顺利启动并进入怠速状态。在怠速工况，发动机采用过量空气系数＞2.0的超稀薄燃烧，燃烧温度低，NOX排放小于10ppm；在小负荷工况(排气温度低于设定值，例如350℃)，发动机使用氢气，并采用过量空气系数＞2.5的超稀薄燃烧，燃烧温度低，NOX排放小于10ppm。发动机的启动、怠速和小负荷工况都使用氢气为燃料，燃烧的主要产物是水H2O，碳氢化合物HC、一氧化碳CO、二氧化碳CO2排放接近于零。
在大负荷工况时(排气温度大于设定值，例如350℃)，控制器9将发动机17使用氢气切换成使用汽油。控制器9发出的汽油喷射信号控制油轨喷嘴体4的喷嘴喷射(喷射频率和时间)。根据各传感器的信息和汽油的空燃比(约14.7:1)，控制器9计算出对应一定质量的空气需要的汽油质量m2，汽油油轨喷嘴体4需要喷射m2质量的汽油。根据汽油喷嘴的流量特性，转换成喷嘴的喷射时间T2，完成汽油的喷射。发动机进气时，吸入空气、汽油，两种物质在气缸内进一步混合后燃烧做功，发动机对外输出功率。
发动机17在使用汽油时，氧传感器16检测排气中的氧气量，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)

1.一种氢气汽油两用燃料发动机，包括汽油供油系统、控制系统、发动机(17)和三元催化器(18)，所述汽油供油系统包括通过管路相连的汽油箱(1)、汽油泵(2)、调压器(3)和油轨喷嘴体(4)，所述控制系统包括控制器(9)，并通过电缆与电子节气门(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)、汽油泵(2)、电磁阀(6)、油轨喷嘴体(4)、气轨喷嘴体(8)相连，其特征在于：还包括氢气供气系统和排气温度传感器(10)，所述氢气供气系统包括通过管路相连的高压氢气瓶(5)、电磁阀(6)、减压调节器(7)和气轨喷嘴体(8)，所述油轨喷嘴体(4)、气轨喷嘴体(8)均是由一根气轨或油轨(a)和若干喷嘴(b)组成，且喷嘴(b)与发动机(17)进气支管的数量、位置对应；
所述控制器(9)还与排气温度传感器(10)、气轨喷嘴体(8)之间通过电缆连接，用于接收从排气温度传感器(10)传来的排气温度信号；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，控制汽油泵(2)的运转，控制电磁阀(6)的通断，控制油轨喷嘴体(4)、气轨喷嘴体(8)的喷射。
2.根据权利要求1所述的氢气汽油两用燃料发动机，其特征在于：所述排气温度传感器(10)和氧传感器(16)设置在三元催化器(18)的上游。
3.根据权利要求1所述的氢气汽油两用燃料发动机，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。
4.根据权利要求1或2所述的氢气汽油两用燃料发动机，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中任一项所述的氢气汽油两用燃料发动机，其特征在于：发动机启动时，气轨喷嘴体(8)工作，使用氢气为燃料，采用过量空气系数约为0.7的浓混合气；怠速时气轨喷嘴体(8)工作，使用氢气为燃料，采用过量空气系数约为2.0的超稀薄混合气；在发动机的小负荷工况，气轨喷嘴体(8)工作，发动机使用氢气为燃料，并采用过量空气系数大于2.5的超稀薄混合气；在发动机的大负荷工况，油轨喷嘴体(4)工作，发动机使用汽油为燃料，采用过量空气系数为1的理论空燃比燃烧并用氧传感器(16)实现空燃比闭环控制，空燃比对应三元催化器的最佳转换窗口，其中小负荷工况为排气温度传感器(10)检测到的排气温度小于设定值，大负荷工况为排气温度传感器(10)检测到的排气温度大于设定值。
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