一种氢燃料进气及排气系统的制作方法

1.本发明涉及发动机技术领域，更具体地说，它涉及一种氢燃料进气及排气系统。


背景技术：

2.众所周知，采用氢气作为内燃机燃料时，燃烧产物主要为水h2o及nox。同时，在空气的组成成分中，氧气o2占比21％，氮气n2占比高达78％，无论是自然吸气式内燃机，还是涡轮增压内燃机，无论是平原地区，还是高原地区，内燃机吸入的空气中，氧气o2与氮气n2的比例是几乎不变的。由此可知，对于燃烧有帮助的氧气o2含量比例始终处于较低水平，且燃烧过程中，因为大量n2的存在，会导致以氢气作为燃料的内燃机将排放出大量的氮氧化合物nox，严重影响环境。
3.无论是车用内燃机市场、非道路内燃机市场、还是船舶及发电用内燃机市场，排放法规的日益严苛已经对内燃机本体、进气处理及排气后处理提出了更高的要求。当前，以氢气为燃料的内燃机领域，排气后处理主要通过doc(柴油机氧化催化器)对氮氧化合物nox进行氧化反应，生成no2，而scr(喷射尿素溶液nh3的选择性催化还原装置)则对之前氧化反应生成的no2进行催化反应生成n2和h2o。因doc(柴油机催化氧化器)使用稀有贵金属作为催化剂，采用工艺复杂且使用寿命有限的陶瓷过滤载体、scr需要消耗大量的nh3尿素溶液，累积使用成本较高，据统计，内燃机排放后处理装置的购置及维护成本已经占据发动机整机购置及维护成本的30％以上，甚至更高，且因为故障或使用寿命终结将产生大量废弃的后处理装置需要进行回收和处理，长远来看，不利于后处理装置的长期和大范围推广使用。
4.造成上述问题的主要原因在于，空气中含有比例较高的氮气n2，从而导致了内燃机排放的尾气中含有大量氮氧化合物nox有害气体污染物。


技术实现要素：

5.本发明要解决的技术问题是针对现有技术的上述不足，本发明的目的是提供一种可以减少nox化合物排放的氢燃料进气及排气系统。
6.本发明的技术方案是：一种氢燃料进气及排气系统，包括内燃机、增压器，所述增压器的压气机通过第一中冷器连接所述内燃机的进气管，所述增压器的涡轮机连接所述内燃机的排气管，还包括控制器，所述增压器的入口端连接有混合器，所述混合器连接有输入总管，所述输入总管分别通过第一控制阀连接有氢气管、通过第二控制阀连接有惰性气罐、通过第三控制阀连接有氧气罐、通过第四控制阀连接有氧气发生器，所述涡轮机的出口端通过输出管依次连接有第二中冷器、汽水分离器、第五控制阀，所述第五控制阀通过回流管连接所述混合器，所述控制器电性连接所述第一控制阀、第二控制阀、第三控制阀、第四控制阀、第五控制阀；
7.在所述内燃机启动阶段，通过所述控制器控制所述第一控制阀、第二控制阀、第三控制阀的开度，使惰性气:氧气＝3.7:1～1:1进行供气，使氢气:氧气＝2.5:1～2:1.5进行供气，所述控制器控制所述第五控制阀使回流管关闭；
8.在所述内燃机启动成功后，通过所述控制器按照设定脉谱控制所述第一控制阀、第二控制阀、第四控制阀的开度进行供气，所述控制器控制所述第五控制阀使回流管开启，使尾气回流到所述混合器。
9.作为进一步地改进，所述混合器内设有电性连接所述控制器的氧传感器，当所述氧气发生器供气不足时，通过所述氧气罐进行补充氧气。
10.进一步地，所述第二中冷器包括密封壳体、多个穿过所述密封壳体两端的导热管所述密封壳体的两端分别通过密封罩连接所述输出管，所述密封壳体的侧壁分别设有进水管、出水管。
11.进一步地，所述导热管的外壁设有冷却翅片。
12.进一步地，所述汽水分离器包括上端小、下端大的锥形壳体，所述锥形壳体的顶部侧壁设有切向布置的进气口，所述锥形壳体的内部设有同轴布置的分离气管，所述分离气管向上穿过所述锥形壳体，所述锥形壳体的下端设有集水斗，所述集水斗的底部连接有集水罐。
13.进一步地，所述集水罐内设有液位传感器，所述集水罐的底部设有排水电磁阀，所述控制器电性连接所述液位传感器、排水电磁阀。
14.进一步地，所述氢气管上设有阻火器。
15.进一步地，所述氧气发生器通过空压机连接所述氧气罐。
16.进一步地，所述氧气发生器为多孔碳分子筛式制氧机或深冷空气分离式制氧机。
17.进一步地，所述控制器为ecu。
18.有益效果
19.本发明与现有技术相比，具有的优点为：
20.本发明通过设置惰性气罐、氧气罐、氧气发生器进行供气，并在分离尾气中的水蒸气后，对尾气进行回收再利用，只有极少量的氮气输入到内燃机内，可极大减少nox化合物的排放，减少对后处理系统的依赖，节约运营和维护成本。
附图说明
21.图1为本发明的结构示意图；
22.图2为本发明中第二中冷器的结构示意图；
23.图3为本发明中汽水分离器的结构示意图。
24.其中：1-内燃机、2-压气机、3-第一中冷器、4-涡轮机、5-混合器、6-输入总管、7-第一控制阀、8-氢气管、9-第二控制阀、10-惰性气罐、11-第三控制阀、12-氧气罐、13-第四控制阀、14-氧气发生器、15-输出管、16-第二中冷器、17-汽水分离器、18-第五控制阀、19-回流管、20-氧传感器、21-密封壳体、22-导热管、23-密封罩、24-进水管、25-出水管、26-冷却翅片、27-锥形壳体、28-进气口、29-分离气管、30-集水斗、31-集水罐、32-液位传感器、33-排水电磁阀、34-阻火器、35-空压机、36-空气进管、37-氮气出管。
具体实施方式
25.下面结合附图中的具体实施例对本发明做进一步的说明。
26.参阅图1～3，一种氢燃料进气及排气系统，包括内燃机1、增压器，增压器的压气机
2通过第一中冷器3连接内燃机1的进气管，增压器的涡轮机4连接内燃机1的排气管，还包括控制器，增压器的入口端连接有混合器5，混合器5连接有输入总管6，输入总管6分别通过第一控制阀7连接有氢气管8、通过第二控制阀9连接有惰性气罐10、通过第三控制阀11连接有氧气罐12、通过第四控制阀13连接有氧气发生器14，涡轮机4的出口端通过输出管15依次连接有第二中冷器16、汽水分离器17、第五控制阀18，第五控制阀18通过回流管19连接混合器5，控制器电性连接第一控制阀7、第二控制阀9、第三控制阀11、第四控制阀13、第五控制阀18。惰性气罐10存储有惰性气，惰性气可以是氦气、氖气、氩气、氪气、氙气中的任意一种，作为优选，本实施例中的惰性气为氩气。
27.在本实施例中，控制器为ecu，混合器5内设有电性连接控制器的氧传感器20，用于测量氧气浓度，为后续的氢气与氧气充分燃烧提供精准的比例控制。
28.在本实施例中，第二中冷器16包括密封壳体21、多个穿过密封壳体21两端的导热管22密封壳体21的两端分别通过密封罩23连接输出管15，密封壳体21的侧壁分别设有进水管24、出水管25，导热管22的外壁设有冷却翅片26，可以提高导热效率。向密封壳体21内通入循环水，在尾气流过导热管22时，进行有效冷却降温，使尾气中的水蒸气快速冷凝析出，便于后序进行汽水分离。
29.当然，在其他实施例中，第二中冷器16也可以是风冷式的中冷器。
30.汽水分离器17包括上端小、下端大的锥形壳体27，锥形壳体27的顶部侧壁设有切向布置的进气口28，锥形壳体27的内部设有同轴布置的分离气管29，分离气管29向上穿过锥形壳体27，进气口28和分离气管29连接输出管15，锥形壳体27的下端设有集水斗30，集水斗30的底部连接有集水罐31。集水罐31内设有液位传感器32，集水罐31的底部设有排水电磁阀33，控制器电性连接液位传感器32、排水电磁阀33。
31.经过第二中冷器16冷却的尾气切向吹向锥形壳体27的内壁，并沿着锥形壳体27的内壁螺旋下降，由于锥形壳体27的下端大，尾气螺旋下降过程速度会减慢，有利于水蒸气冷凝析出，并流到集水罐31，当液位传感器32检测到水位达到上限高度时，控制器控制排水电磁阀33开启进行排水，当液位传感器32检测到水位低于下限高度时，控制器控制排水电磁阀33关闭。
32.氢气管8上设有阻火器34，可以防止氢气管8回火，提高安全性。
33.氧气发生器14用于将空气进管36输入的空气中的氧气和氮气分离，氮气从氮气出管37排出。氧气发生器14通过空压机35连接氧气罐12，可以将氧气发生器14产生多余的氧气存入氧气罐12。氧气发生器14为多孔碳分子筛式制氧机或深冷空气分离式制氧机。
34.工作原理：
35.在内燃机1启动阶段，通过控制器控制第一控制阀7、第二控制阀9、第三控制阀11的开度，使惰性气:氧气＝3.7:1～1:1进行供气，使氢气:氧气＝2.5:1～2:1.5进行供气，控制器控制第五控制阀18使回流管19关闭；当气温较低，内燃机1冷启动时，氧气的占比可以适当提高，一方面让氢燃料内燃机容易启动，另一方面让氢燃料内燃机的气缸内燃烧温度尽快升高，缩短暖机时间，降低活塞等运动副的摩擦磨损；
36.在内燃机1启动成功后，通过控制器按照设定脉谱控制第一控制阀7、第二控制阀9、第四控制阀13的开度进行供气，控制器控制第五控制阀18使回流管19开启，使尾气回流到混合器5，设定脉谱为在内燃机台架标定得到，用于控制惰性气、氧气、氢气的供给量，使
内燃机1正常运行；未燃烧的气体回流至混合器中，参与后续燃烧，因为氩气为惰性气体，所以氩气在整个燃烧及与尾气中的水蒸气分离后不发生物理及化学变化，体积分数或含量变化极小，第二控制阀9将控制氩气储存罐中的氩气按照一定的量进入混合器中，以此弥补氩气在系统中的损耗。
37.在内燃机1运行过程中，当氧气发生器14供气不足时，通过氧气罐12进行补充氧气。
38.在内燃机工作时，只有极少量的氮气输入到内燃机内，可极大减少nox化合物的排放，减少对后处理系统的依赖，节约运营和维护成本。
39.以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。