天然气氢气双喷射装置的制作方法

1.本实用新型涉及汽车发动机技术领域，具体涉及一种天然气氢气双喷射装置。


背景技术：

2.我国天然气资源丰富，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。但天然气汽车也有不足之处，一是天然气的燃烧速度较慢，使发动机的热效率不高，二是排气中未燃烧的甲烷不易催化，对三元催化器的要求较高，需要采用较多的贵金属(例如铂pt和钯pd)。
3.二氧化碳co2排放的增加会造成大气温度升高，对全球的生态环境带来灾难性的后果。因此，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。
4.虽然氢气用作发动机的燃料有许多的优点，但也有显著的缺点，一是氢气的密度小(约为空气密度的十三分之一)，当进入发动机的氢气质量较大时，氢气会占据较大的气缸容积，这就限制了进入发动机的空气量，使发动机的动力性(功率和扭矩)下降太多；二是氢气的燃烧速度快，燃烧时的温度高，会产生很高的氮氧化物no
x
排放。
5.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。
6.以一种体积比例的天然气、氢气为燃料，很难兼顾发动机在不同负荷下的性能和排放。较好的方式是，在发动机小负荷工况，使用氢气含量高的燃料；在发动机大负荷工况，使用氢气含量低的燃料。这就要求燃料供给系统能提供至少两种不同比例的天然气、氢气混合燃料。目前将天然气、氢气混合的方式主要有两种：一种是在天然气加气站，在天然气中掺入一定比例的氢气(例如20％)，然后加压到20mpa充入高压气瓶中；另一种是使用一个氢气瓶和一个天然气瓶，在每个气瓶的出气管路上各安装一个气体流量计和调节阀，两路气体混合后用作发动机的燃料。通过调节两个调节阀的开度，使天然气的体积流量和氢气的体积流量达到一定的比例，例如使混合气中天然气的体积占80％，氢气的体积占20％。第一种天然气、氢气的混合方式，只能对应于一种固定的天然气、氢气的比例。第二种天然气、氢气的混合方式，需要使用两个流量计，并且需要采用人工或者自动控制(需要增加控制机
构)，只适合于在实验室或者固定场所使用，不适合在天然气汽车上使用。


技术实现要素：

7.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天然气氢气双喷射装置，能够为发动机提供不同比例的天然气、氢气混合燃料，改善发动机的性能，减少污染物排放。
8.为此，本实用新型所采用的技术方案为：一种天然气氢气双喷射装置，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、第一减压调节器和天然气气轨喷嘴体；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；
9.所述控制系统包括控制器，并通过电缆与电子节气门、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。
10.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。
11.进一步优选为，所述氧传感器设置在三元催化器的上游，检测发动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。
12.本实用新型的有益效果：
13.(a)每个发动机进气支管上设置有一个天然气喷嘴和氢气喷嘴，进行各自独立的喷射，发动机进气时，吸入空气、天然气、氢气三种气体后，再在气缸内进一步混合，相比气体混合后再进行喷射，显著提高了空燃比的瞬态控制精度，有利于减少发动机的排放；
14.(b)控制系统接收发动机进气压力和温度信号、发动机转速信号、发动机相位信号、发动机水温信号、发动机排气氧含量信号等各种参数，并控制第一电磁阀、第二电磁阀的通断，天然气气轨喷嘴体、氢气气轨喷嘴体的喷射，电子节气门的开度，从而实现闭环控制，保证发动机的空燃比在三元催化器的最佳反应窗口内，提高三元催化的转换效果；同时，由于发动机碳氢化合物hc排放的减少，可减少三元催化器中贵金属(铂pt和钯pd)的含量；
15.(c)当发动机的进气压力低于设定值c时，使用含氢气成分高的b燃料，当发动机的进气压力高于设定值c时，使用含氢气成分低的a燃料，这样就可以保证发动机在小负荷和大负荷工况都有较好的性能和较低的污染物排放；
16.(d)在启动和怠速过程中，发动机只用氢气为燃料，并采用过量空气系数＞2.5的超稀薄燃烧技术，使发动机的排放接近于零，并容易在低温环境(例如－20℃～－30℃)下顺利启动；之后再用喷射天然气来进行闭环控制，实现对发动机空燃比的快速修正。
附图说明
17.图1为本实用新型的结构示意图。
18.图2为天然气气轨喷嘴体、氢气气轨喷嘴体的结构示意图。
具体实施方式
19.下面通过实施例并结合附图，对本实用新型作进一步说明：
20.如图1所示，一种天然气氢气双喷射装置，主要由天然气供气系统、氢气供气系统、控制系统、发动机16和三元催化器17组成。发动机16用于燃烧天然气和氢气，对外输出功率；三元催化器17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no
x
转换成水h2o、二氧化碳co2、氮气n2等无害物质。
21.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。最好是，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。
22.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。最好是，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用于控制氢气的流量。
23.如图2所示，天然气气轨喷嘴体4、氢气气轨喷嘴体8的结构一致，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16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(靠近汽缸盖)，可实现天然气或氢气的按顺序喷射。图中所示为四缸发动机，天然气气轨喷嘴体4、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、氢气气轨喷嘴体8的喷嘴数量也设置成三个或六个。
24.控制系统包括控制器9，并通过电缆与电子节气门10、进气压力温度传感器11、转速传感器12、凸轮轴位置传感器13、水温传感器14、氧传感器15、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。控制系统用于：控制电子节气门10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11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12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13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14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15传来的发动机排气氧含量信号，氧传感器15安装在发动机排气管上；综合以上，能对空燃比进行闭环控制。
25.最好是，进气压力温度传感器11设置在电子节气门10的下游。氧传感器15设置在三元催化器17的上游。
26.一种利用上述的天然气氢气双喷射装置的控制方法，当进气压力低于设定值c(例如50kpa)时，通过天然气气轨喷嘴体4、氢气气轨喷嘴体8的喷射为发动机供给高氢气比例的天然气氢气混合燃料；当进气压力高于设定值c时，通过天然气气轨喷嘴体4、氢气气轨喷嘴体8的喷射为发动机供给低氢气比例的天然气氢气混合燃料；在启动和怠速过程中，只通过氢气气轨喷嘴体8的喷射为发动机供给氢气燃料，天然气气轨喷嘴体4不工作，并采用过量空气系数＞2.5的超稀薄燃烧技术，之后再用喷射天然气来进行闭环控制，实现对发动机空燃比的快速修正。通过降低燃烧温度，将氮氧化物no
x
排放降低到很低的水平(例如小于10ppm，体积浓度)。这样，发动机的排放接近于零(碳氢化合物hc、一氧化碳co、氮氧化物no
x
、二氧化碳co2)。由于氢气的火焰传播速度快，需要的点火能量小，当气缸内的火花塞跳火后，氢气会迅速燃烧，引燃周围的天然气燃烧做功。因此，发动机只用氢气做燃料，容易在低温环境下(例如－20℃～－30℃)顺利启动。用喷射天然气来进行闭环控制，即用天然气气轨喷嘴体4来进行闭环的喷射，可实现对发动机空燃比的快速修正。
27.控制器9将天然气、氢气的体积百分比，转换成质量百分比，并计算出混合气的理论空燃比；对发动机一定的空气流量，计算出所需要的混合气质量，再按质量百分比分配天然气气轨喷嘴体4、氢气气轨喷嘴体8，并根据天然气气轨喷嘴体4、氢气气轨喷嘴体8的流量特性，分别转换成天然气气轨喷嘴体4的喷射时间t1和氢气气轨喷嘴体8的喷射时间t2。
28.本实用新型的双喷射装置可为发动机提供两种不同比例的天然气、氢气混合燃料。以下是一种设想的两种比例的天然气、氢气混合气(根据需要可另外设定其它比例)，成分a和成分b。成分a中天然气的体积为80％，氢气的体积为20％；成分b中天然气的体积为60％，氢气的体积为40％。
29.发动机使用燃料a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)，然后进入天然气气轨喷嘴体4。根据各传感器的信息和混合气的空燃比(17.74:1)，控制器9计算出对应一定质量的空气需要的a气体的质量m
a
(天然气质量占97％，氢气质量占3％)，天然气气轨喷嘴体4需要喷射0.97m
a
质量的天然气。根据天然气喷嘴的流量特性，转换成天然气喷嘴的喷射时间t1，完成天然气的喷射。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器7减压后变成低压氢气(例如3～5bar)，然后流入氢气气轨喷嘴体8。控制器9计算出氢气气轨喷嘴体8需要喷射0.03m
a
质量的氢气。根据氢气喷嘴的流量特性，转换成氢气喷嘴的喷射时间t2，完成氢气的喷射。发动机进气时，吸入空气、天然气、氢气，各种气体在气缸内进一步混合。这样就实现了天然气、氢气按80％(1个大气压力下)和20％的体积比在发动机内燃烧。
30.发动机使用燃料b时的控制方法与上述方法相同。根据各传感器的信息和混合气的空燃比(18.53:1)，控制器9计算出对应一定质量的空气需要的b气体的质量m
b
(天然气质量占92.33％，氢气质量占7.67％)，天然气喷嘴需要喷射0.9233m
b
质量的天然气。根据天然气喷嘴的流量特性，转换成天然气喷嘴的喷射时间t1，完成天然气的喷射。控制器9计算出氢气喷嘴需要喷射0.0767m
b
质量的氢气。根据氢气喷嘴的流量特性，转换成氢气喷嘴的喷射时间t2，完成氢气的喷射。这样就实现了天然气、氢气按60％(1个大气压力下)和40％的体积比在发动机内燃烧。
31.氧传感器15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no
x
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。