CN111997747A - 一种可回收氧气的零排放压燃式二冲程转子机及其控制方法 - Google Patents

一种可回收氧气的零排放压燃式二冲程转子机及其控制方法 Download PDF

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Abstract

一种可回收氧气的零排放压燃式二冲程转子机及其控制方法，属于内燃机领域，具体涉及一种纯氢氧燃料压缩燃烧并回收利用尾气能量及多余氧气的二冲程转子机的控制方法。该装置中包括二冲程转子机燃料供给与燃烧策略、尾气能量利用及氧气回收策略，本装置中纯氢氧气燃料分别通过氢气、氧气进气管路直接进入气缸内，加热棒(4)(31)根据需要加热混合气实现转子机压燃运转；同时，该装置通过能量回收装置(20)、换热器(10)、冷凝器(17)多次回收利用尾气能量。本发明所提供的二冲程转子机有效提高了转子机功率密度，并通过纯氢氧燃烧以及尾气能量利用达到了尾气零污染、提升整机能量利用率的效果。

Description

一种可回收氧气的零排放压燃式二冲程转子机及其控制方法
技术领域
本发明设计了一种可回收氧气的零排放压燃式二冲程转子机控制方法，具体涉及一种纯氢氧燃料压缩燃烧并回收利用尾气能量及多余氧气的二冲程转子机的控制方法，属于内燃机领域。
背景技术
转子发动机凭借其独特的几何设计和运动方式，使其相比于活塞机具有结构简单、体积小、质量轻、扭矩均匀、运行平稳等诸多优点，然而转子发动机排放污染物多、进排气性能不佳、尾气损失能量大的问题也不容忽视，由此可见，转子发动机存在较多待改进之处。
转子机以二冲程形式运转，从性能上看，当偏心轴转速相同时，二冲程转子机的做功次数是四冲程转子机的两倍，转子机升功率更高，动力性更好；从结构上看，二冲程转子机结构并不复杂，在四冲程转子机基础上只需加装一套进排气装置便可收获更佳的动力性。
氢气与氧气作为性能优异的可燃气体与助燃气体，相比传统空气与燃料燃烧具有诸多优点，纯氢氧气的燃烧不仅可以提升转子机的动力性，还实现了尾气零污染。同时，通过加热棒加热混合气，实现压缩燃烧可以有效改善燃烧进程，提高转子机的整机特性。
发明内容
本发明的目的是实现一种可回收氧气的零排放压燃式二冲程转子机，通过将二冲程转子机燃料供给与燃烧策略、尾气能量利用及氧气回收策略结合，有效改善了转子机燃烧特性，在提高能量利用率的同时实现了排放零污染。
本发明采用如下技术方案：
一种可回收氧气的零排放压燃式二冲程转子机，其特征在于，包括转子机缸体(24)、偏心轴(25)、转子(26)，安装在转子机上的第一加热棒(4)、第二加热棒(31)；第一储氢罐(1)通过管路与第一氢气压力控制器(2)相连接，罐内氢气经第一氢气喷嘴(3)喷入缸内，第二储氢罐(35)通过管路与第二氢气压力控制器(34)相连接，罐内氢气经第二氢气喷嘴(33)喷入缸内；氧气进气总管(11)中高压氧气罐(12)通过管路与氧气调压器(13)相连接，管路中氧气可以经第一氧气进气道(9)，通过第一氧气压力传感器(8)、第一氧气电磁阀(7)、第一氧气温度传感器(6)、第一氧气进气门(5)进入气缸，或者经第二氧气进气道(36)，通过第二氧气压力传感器(32)、第二氧气电磁阀(30)、第二氧气温度传感器(29)、第二氧气进气门(28)进入气缸；燃烧的尾气通过第一排气口(23)和第二排气口(27)分别经过第一排气道(22)和第二排气道(37)汇入排气总管(21)，依次流入能量回收装置(20)、换热器(10)，冷凝器(17)与氧气泵(15)相连接，氧气泵(15)可将回收的氧气泵入氧气进气总管(11)，其中，冷凝器(17)上设置有冷却液入口(16)、冷却液出口(18)、排水口(19)；
电子控制单元(14)通过导线分别与第一加热棒(4)、第二加热棒(31)相连，并分别发出第一加热棒控制信号(d)和第二加热棒控制信号(e)控制加热棒的通断；
电子控制单元(14)通过导线分别与第一氧气压力传感器(8)、第二氧气压力传感器(32)相连，并分别通过第一氧气压力传感器信号(j)和第二氧气压力传感器信号(g)获得氧气压力信号；
电子控制单元(14)通过导线分别与第一氧气温度传感器(6)、第二氧气温度传感器(29)相连，并分别通过第一氧气温度传感器信号(f)和第二氧气温度传感器信号(a)获得氧气温度信号；
电子控制单元(14)通过导线分别与第一氧气电磁阀(7)、第二氧气电磁阀(30)相连，并分别通过第一氧气电磁阀控制信号(h)和第二氧气电磁阀控制信号(c)控制电磁阀开闭；
电子控制单元(14)通过导线分别与第一氢气喷嘴(3)、第二氢气喷嘴(33)相连，并分别通过第一氢气喷嘴控制信号(b)和第二氢气喷嘴控制信号(i)控制电磁阀开闭。
可回收氧气的零排放压燃式二冲程转子机包括以下控制策略：
(1)二冲程转子机燃料供给与燃烧策略
该转子机设置有两套进排气装置，转子每转动一周，电子控制单元(14)通过判断转子上止点位置信号，使两套进排气装置各周期性开闭一次，实现转子机以二冲程模式运转；其中，转子机上止点的定义是：转子处于气缸最小容积时的位置；下止点的定义是：转子处于气缸最大容积时的位置；因此，该转子机存在2个上止点与2个下止点位置。
转子机运行时，高压氧气罐(12)中氧气经氧气调压器(13)减压后输入氧气进气管路，并经换热器加热后分别进入第一氧气进气道(9)第二氧气进气道(36)，电子控制单元(14)通过判断转子转角信号，发出第一氧气电磁阀控制信号(h)和第二氧气电磁阀控制信号(c)控制氧气在上止点前35°转子转角至上止点前10°转子转角范围进入气缸；同时，第一储氢罐(1)内氢气经第一氢气压力控制器(2)调压后，通过第一氢气喷嘴(3)喷入缸内，第二储氢罐(35)内氢气经第二氢气压力控制器(34)调压后，通过第二氢气喷嘴(33)喷入缸内，电子控制单元(14)通过判断转子转角信号，发出第一氢气喷嘴控制信号(b)和第二氢气喷嘴控制信号(i)控制氢气在上止点前35°转子转角至上止点前10°转子转角范围喷入气缸；
氢氧燃料在供给过程中供给压力在0.5～1MPa范围内,并且为了保证在供给过程中不出现因供给压力不同而导致的回流现象，保持氢氧燃料供给压力相同；同时，运转过程中电子控制单元(14)调节混合气的过氧浓度系数γ，其中，过氧浓度系数
Figure BDA0002590851250000031
Va为供氧装置所提供的实际氧气体积，Vb为氢气完全燃烧所要的理论氧气体积；为保证氢气燃料完全燃烧，运转过程中电子控制单元(14)调节混合气的过氧浓度系数γ维持在1.1～1.3；
电子控制单元(14)通过氧气温度传感器信号获得氧气进气温度Ti,根据氧气进气温度Ti、转子机压缩比r、混合气比热比k计算压缩终了混合气温度Te,Te＝m*Ti*r(k-1),其中m为比例系数，0.8≤m≤1.3；当电子控制单元(14)计算得到的Te≤858K时,电子控制单元分别发出第一加热棒控制信号(d)和第二加热棒控制信号(e)接通加热棒对缸内混合气进行加热，以保证氢气喷入气缸时缸内温度不低于氢气在氧气中的自燃温度；当电子控制单元(14)计算得到的Te＞858K时,电子控制单元终止发出第一加热棒控制信号(d)和第二加热棒控制信号(e)，停止加热棒对混合气的加热；
(2)尾气能量利用及氧气回收策略
转子机运转过程中的高温尾气经排气总管(21)流入能量回收装置(20)中，尾气依靠自身动能推动能量回收装置(20)中的机构做功，将动能转化为机械能；同时，能量回收装置(20)与偏心轴(25)相连接，将回收的能量传递给偏心轴，提高转子机的动力性；
通过能量回收装置(20)流出的尾气进一步经排气总管(21)流入换热器(10)高温端口，在换热器(10)内尾气将热量传递给氧气进气总管路(11)中的氧气；经过两次利用的尾气进入冷凝器(17)，由于氢气和氧气燃烧的产物只有水，并且运转过程中过氧浓度系数γ维持在1.1～1.3，因此进入冷凝器(17)的尾气成分为液态水、水蒸气以及氧气；冷凝器(17)内通过冷却液入口(16)与冷却液出口(18)之间的管路对尾气进行冷凝，冷凝后液态水流入冷凝器(17)底部通过排水口(19)排除，剩余未冷凝的尾气成分为纯氧气；在气体推动作用下回收的氧气进入氧气泵(15)，氧气泵(15)将尾气中的氧气泵入氧气进气总管(11)，进而实现尾气中氧气的回收利用。
本发明的有益效果主要是：针对转子机压缩燃烧运转时动力不足、热效率低、排放高、尾气能量未利用等问题，本发明提供一种可回收氧气的零排放压燃式二冲程转子机控制方法。该发明中转子机以二冲程压燃形式运转，使用纯氧气与纯氢气作为燃料，彻底消除了尾气污染并且有效提高了转子机的功率密度等特性。与此同时，该发明设置了尾气能量回收装置以及氧气回收装置，在提高转子机整机能量利用率的同时为转子机提供了尾气能量回收和氧气回收的技术方法。
附图说明
图1.本发明的结构和工作原理
图1中：1第一储氢罐；2第一氢气压力控制器；3第一氢气喷嘴；4第一加热棒；5第一氧气进气门；6第一氧气温度传感器；7第一氧气电磁阀；8第一氧气压力传感器；9第一氧气进气道；10换热器；11氧气进气总管；12高压氧气罐；13氧气调压器；14电控单元；15氧气泵；16冷却液入口；17冷凝器；18冷却液出口；19排水口；20能量回收装置；21排气总管；22第一排气道；23第一排气口；24缸体；25偏心轴；26转子；27第二排气口；28第二氧气进气门；29第二氧气温度传感器；30第二氧气电磁阀；31第二加热棒；32第二氧气压力传感器；33第二氢气喷嘴；34第二氢气压力控制器；35第二储氢罐；36第二氧气进气道；37第二排气道
a.第二氧气温度传感器信号；b.第一氢气喷嘴控制信号；c.第二氧气电磁阀控制信号；d.第一加热棒控制信号；e.第二加热棒控制信号；f.第一氧气温度传感器信号；g.第二氧气压力传感器信号；h.第一氧气电磁阀控制信号；i.第二氢气喷嘴控制信号；j.第一氧气压力传感器信号
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对于本发明做进一步的说明：
如图1所示，该装置包括转子机缸体(24)、偏心轴(25)、转子(26)，安装在转子机上的第一加热棒(4)、第二加热棒(31)；第一储氢罐(1)通过管路与第一氢气压力控制器(2)相连接，罐内氢气经第一氢气喷嘴(3)喷入缸内，第二储氢罐(35)通过管路与第二氢气压力控制器(34)相连接，罐内氢气经第二氢气喷嘴(33)喷入缸内；氧气进气总管(11)中高压氧气罐(12)通过管路与氧气调压器(13)相连接，管路中氧气可以经第一氧气进气道(9)，通过第一氧气压力传感器(8)、第一氧气电磁阀(7)、第一氧气温度传感器(6)、第一氧气进气门(5)进入气缸，或者经第二氧气进气道(36)，通过第二氧气压力传感器(32)、第二氧气电磁阀(30)、第二氧气温度传感器(29)、第二氧气进气门(28)进入气缸；燃烧的尾气通过第一排气口(23)和第二排气口(27)分别经过第一排气道(22)和第二排气道(37)汇入排气总管(21)，依次流入能量回收装置(20)、换热器(10)，冷凝器(17)与氧气泵(15)相连接，氧气泵(15)可将回收的氧气泵入氧气进气总管(11)，其中，冷凝器(17)上设置有冷却液入口(16)、冷却液出口(18)、排水口(19)。
电子控制单元(14)通过导线分别与第一加热棒(4)、第二加热棒(31)相连，并分别发出第一加热棒控制信号(d)和第二加热棒控制信号(e)控制加热棒的通断；
电子控制单元(14)通过导线分别与第一氧气压力传感器(8)、第二氧气压力传感器(32)相连，并分别通过第一氧气压力传感器信号(j)和第二氧气压力传感器信号(g)获得氧气压力信号；
电子控制单元(14)通过导线分别与第一氧气温度传感器(6)、第二氧气温度传感器(29)相连，并分别通过第一氧气温度传感器信号(f)和第二氧气温度传感器信号(a)获得氧气温度信号；
电子控制单元(14)通过导线分别与第一氧气电磁阀(7)、第二氧气电磁阀(30)相连，并分别通过第一氧气电磁阀控制信号(h)和第二氧气电磁阀控制信号(c)控制电磁阀开闭；
电子控制单元(14)通过导线分别与第一氢气喷嘴(3)、第二氢气喷嘴(33)相连，并分别通过第一氢气喷嘴控制信号(b)和第二氢气喷嘴控制信号(i)控制电磁阀开闭。
可回收氧气的零排放压燃式二冲程转子机包括以下控制策略：
(1)二冲程转子机燃料供给与燃烧策略
该转子机设置有两套进排气装置，转子每转动一周，电子控制单元(14)通过判断转子上止点位置信号，使两套进排气装置各周期性开闭一次，实现转子机以二冲程模式运转；其中，转子机上止点的定义是：转子处于气缸最小容积时的位置；下止点的定义是：转子处于气缸最大容积时的位置；因此，该转子机存在2个上止点与2个下止点位置。
转子机运行时，高压氧气罐(12)中氧气经氧气调压器(13)减压后输入氧气进气管路，并经换热器加热后分别进入第一氧气进气道(9)第二氧气进气道(36)，电子控制单元(14)通过判断转子转角信号，发出第一氧气电磁阀控制信号(h)和第二氧气电磁阀控制信号(c)控制氧气在上止点前35°转子转角至上止点前10°转子转角范围进入气缸；同时，第一储氢罐(1)内氢气经第一氢气压力控制器(2)调压后，通过第一氢气喷嘴(3)喷入缸内，第二储氢罐(35)内氢气经第二氢气压力控制器(34)调压后，通过第二氢气喷嘴(33)喷入缸内，电子控制单元(14)通过判断转子转角信号，发出第一氢气喷嘴控制信号(b)和第二氢气喷嘴控制信号(i)控制氢气在上止点前35°转子转角至上止点前10°转子转角范围喷入气缸；
氢氧燃料在供给过程中供给压力在0.5～1MPa范围内,并且为了保证在供给过程中不出现因供给压力不同而导致的回流现象，保持氢氧燃料供给压力相同；同时，运转过程中电子控制单元(14)调节混合气的过氧浓度系数γ，其中，过氧浓度系数
Figure BDA0002590851250000061
Va为供氧装置所提供的实际氧气体积，Vb为氢气完全燃烧所要的理论氧气体积；为保证氢气燃料完全燃烧，运转过程中电子控制单元(14)调节混合气的过氧浓度系数γ维持在1.1～1.3；
电子控制单元(14)通过氧气温度传感器信号获得氧气进气温度Ti,根据氧气进气温度Ti、转子机压缩比r、混合气比热比k计算压缩终了混合气温度Te,Te＝m*Ti*r(k-1),其中m为比例系数，0.8≤m≤1.3；当电子控制单元(14)计算得到的Te≤858K时,电子控制单元分别发出第一加热棒控制信号(d)和第二加热棒控制信号(e)接通加热棒对缸内混合气进行加热，以保证氢气喷入气缸时缸内温度不低于氢气在氧气中的自燃温度；当电子控制单元(14)计算得到的Te＞858K时,电子控制单元终止发出第一加热棒控制信号(d)和第二加热棒控制信号(e)，停止加热棒对混合气的加热；
(2)尾气能量利用及氧气回收策略
转子机运转过程中的高温尾气经排气总管(21)流入能量回收装置(20)中，尾气依靠自身动能推动能量回收装置(20)中的机构做功，将动能转化为机械能；同时，能量回收装置(20)与偏心轴(25)相连接，将回收的能量传递给偏心轴，提高转子机的动力性；
通过能量回收装置(20)流出的尾气进一步经排气总管(21)流入换热器(10)高温端口，在换热器(10)内尾气将热量传递给氧气进气总管路(11)中的氧气；经过两次利用的尾气进入冷凝器(17)，由于氢气和氧气燃烧的产物只有水，并且运转过程中过氧浓度系数γ维持在1.1～1.3，因此进入冷凝器(17)的尾气成分为液态水、水蒸气以及氧气；冷凝器(17)内通过冷却液入口(16)与冷却液出口(18)之间的管路对尾气进行冷凝，冷凝后液态水流入冷凝器(17)底部通过排水口(19)排除，剩余未冷凝的尾气成分为纯氧气；在气体推动作用下回收的氧气进入氧气泵(15)，氧气泵(15)将尾气中的氧气泵入氧气进气总管(11)，进而实现尾气中氧气的回收利用。

Claims (2)

1.一种可回收氧气的零排放压燃式二冲程转子机，其特征在于，包括：转子机缸体(24)、偏心轴(25)、转子(26)，安装在转子机上的第一加热棒(4)、第二加热棒(31)；第一储氢罐(1)通过管路与第一氢气压力控制器(2)相连接，罐内氢气经第一氢气喷嘴(3)喷入缸内，第二储氢罐(35)通过管路与第二氢气压力控制器(34)相连接，罐内氢气经第二氢气喷嘴(33)喷入缸内；氧气进气总管(11)中高压氧气罐(12)通过管路与氧气调压器(13)相连接，管路中氧气可以经第一氧气进气道(9)，通过第一氧气压力传感器(8)、第一氧气电磁阀(7)、第一氧气温度传感器(6)、第一氧气进气门(5)进入气缸，或者经第二氧气进气道(36)，通过第二氧气压力传感器(32)、第二氧气电磁阀(30)、第二氧气温度传感器(29)、第二氧气进气门(28)进入气缸；燃烧的尾气通过第一排气口(23)和第二排气口(27)分别经过第一排气道(22)和第二排气道(37)汇入排气总管(21)，依次流入能量回收装置(20)、换热器(10)，冷凝器(17)与氧气泵(15)相连接，氧气泵(15)可将回收的氧气泵入氧气进气总管(11)，其中，冷凝器(17)上设置有冷却液入口(16)、冷却液出口(18)、排水口(19)；
电子控制单元(14)通过导线分别与第一加热棒(4)、第二加热棒(31)相连，并分别发出第一加热棒控制信号(d)和第二加热棒控制信号(e)控制加热棒的通断；
电子控制单元(14)通过导线分别与第一氧气压力传感器(8)、第二氧气压力传感器(32)相连，并分别通过第一氧气压力传感器信号(j)和第二氧气压力传感器信号(g)获得氧气压力信号；
电子控制单元(14)通过导线分别与第一氧气温度传感器(6)、第二氧气温度传感器(29)相连，并分别通过第一氧气温度传感器信号(f)和第二氧气温度传感器信号(a)获得氧气温度信号；
电子控制单元(14)通过导线分别与第一氧气电磁阀(7)、第二氧气电磁阀(30)相连，并分别通过第一氧气电磁阀控制信号(h)和第二氧气电磁阀控制信号(c)控制电磁阀开闭；
电子控制单元(14)通过导线分别与第一氢气喷嘴(3)、第二氢气喷嘴(33)相连，并分别通过第一氢气喷嘴控制信号(b)和第二氢气喷嘴控制信号(i)控制电磁阀开闭。
2.控制如权利要求1所述的一种可回收氧气的零排放压燃式二冲程转子机的方法，其特征在于，包括二冲程转子机燃料供给与燃烧策略、尾气能量利用及氧气回收策略；
(1)二冲程转子机燃料供给与燃烧策略
该转子机设置有两套进排气装置，转子每转动一周，电子控制单元(14)通过判断转子上止点位置信号，使两套进排气装置各周期性开闭一次，实现转子机以二冲程模式运转；其中，转子机上止点的定义是：转子处于气缸最小容积时的位置；下止点的定义是：转子处于气缸最大容积时的位置；因此，该转子机存在2个上止点与2个下止点位置。
转子机运行时，高压氧气罐(12)中氧气经氧气调压器(13)减压后输入氧气进气管路，并经换热器加热后分别进入第一氧气进气道(9)第二氧气进气道(36)，电子控制单元(14)通过判断转子转角信号，发出第一氧气电磁阀控制信号(h)和第二氧气电磁阀控制信号(c)控制氧气在上止点前35°转子转角至上止点前10°转子转角范围进入气缸；同时，第一储氢罐(1)内氢气经第一氢气压力控制器(2)调压后，通过第一氢气喷嘴(3)喷入缸内，第二储氢罐(35)内氢气经第二氢气压力控制器(34)调压后，通过第二氢气喷嘴(33)喷入缸内，电子控制单元(14)通过判断转子转角信号，发出第一氢气喷嘴控制信号(b)和第二氢气喷嘴控制信号(i)控制氢气在上止点前35°转子转角至上止点前10°转子转角范围喷入气缸；
氢氧燃料在供给过程中供给压力在0.5～1MPa范围内,并且为了保证在供给过程中不出现因供给压力不同而导致的回流现象，保持氢氧燃料供给压力相同；同时，运转过程中电子控制单元(14)调节混合气的过氧浓度系数γ，其中，过氧浓度系数
Figure FDA0002590851240000021
Va为供氧装置所提供的实际氧气体积，Vb为氢气完全燃烧所要的理论氧气体积；为保证氢气燃料完全燃烧，运转过程中电子控制单元(14)调节混合气的过氧浓度系数γ维持在1.1～1.3；
电子控制单元(14)通过氧气温度传感器信号获得氧气进气温度Ti,根据氧气进气温度Ti、转子机压缩比r、混合气比热比k计算压缩终了混合气温度Te,Te＝m*Ti*r(k-1),其中m为比例系数，0.8≤m≤1.3；当电子控制单元(14)计算得到的Te≤858K时,电子控制单元分别发出第一加热棒控制信号(d)和第二加热棒控制信号(e)接通加热棒对缸内混合气进行加热，以保证氢气喷入气缸时缸内温度不低于氢气在氧气中的自燃温度；当电子控制单元(14)计算得到的Te＞858K时,电子控制单元终止发出第一加热棒控制信号(d)和第二加热棒控制信号(e)，停止加热棒对混合气的加热；
(2)尾气能量利用及氧气回收策略
转子机运转过程中的高温尾气经排气总管(21)流入能量回收装置(20)中，尾气依靠自身动能推动能量回收装置(20)中的机构做功，将动能转化为机械能；同时，能量回收装置(20)与偏心轴(25)相连接，将回收的能量传递给偏心轴，提高转子机的动力性；
通过能量回收装置(20)流出的尾气进一步经排气总管(21)流入换热器(10)高温端口，在换热器(10)内尾气将热量传递给氧气进气总管路(11)中的氧气；经过两次利用的尾气进入冷凝器(17)，由于氢气和氧气燃烧的产物只有水，并且运转过程中过氧浓度系数γ维持在1.1～1.3，因此进入冷凝器(17)的尾气成分为液态水、水蒸气以及氧气；冷凝器(17)内通过冷却液入口(16)与冷却液出口(18)之间的管路对尾气进行冷凝，冷凝后液态水流入冷凝器(17)底部通过排水口(19)排除，剩余未冷凝的尾气成分为纯氧气；在气体推动作用下回收的氧气进入氧气泵(15)，氧气泵(15)将尾气中的氧气泵入氧气进气总管(11)，进而实现尾气中氧气的回收利用。
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