技术领域
[0001] 本
发明属于新
能源发动机技术领域，涉及一种直喷气体喷嘴及其发动机和动力系统。
背景技术
[0002] 能源短缺、环境污染、全球
气候变化，令开发清洁、高效、安全和可持续的能源迫在眉睫，其中氢能正在受到越来越多国家的重视。进入二十一世纪，发动机工业得到了迅速地发展，然而目前
汽油机和柴油机依然是车用发动机的主要机种。汽油和柴油都是不可再生资源，为了减缓石油资源的匮乏所带来的一系列负面影响以及减少大气污染和发动机尾气排放，需要寻找发动机的代用
燃料，而氢能源是目前最理想的清洁燃料。随着世界各国环境保护的措施越来越严格，氢能源车辆由于其节能、低排放等特点成为发动机研究与开发的一个重点，并已经开始商业化。
[0003] 氢作为燃料的优点是，以
水为原料，资源丰富；燃烧时放出的热量多；燃烧产物是水，无毒、无污染，且可以循环使用，被称作绿色能源。氢气可以从
电解水、
煤的
气化中大量制取，而且不需要对发动机进行大的改装，因此氢能动力具有广阔的应用前景。推广氢能动力需要解决三个技术问题：一是大量制取廉价氢气，传统的电解方法价格昂贵，且耗费其他资源，无法推广；二是氢气的安全储运问题；三是发动机所需的高性能、廉价的氢供给系统。同时氢能源直接用在动力系统上会产生
爆震、不稳定等一系列影响利用的问题，将氢气与其他多种气体包括惰性气体混合后加压的高压气源，氢
电能源作为新的动力系统的替代燃料势必会成为趋势。
[0004] 氢
内燃机与氢
燃料电池相比，
燃料电池耗资颇高，氢内燃机有待于可在传统汽油内燃机
基础上进一步完善和改进，以利于快速推广和工业化。
发明内容
[0005] 本发明的目的是提供一种直喷气体喷嘴及其发动机和动力系统，可以用于
氧气、氢气、
天然气等
燃料气体和助燃气体的直喷，气体直喷喷嘴耐高温烧蚀、不回火、可自冷却，解决了目前氢气喷嘴的使用寿命问题。
[0006] 本发明的技术方案是：一种直喷气体喷嘴，喷嘴由
外壳、集气室、喷嘴喷孔和气体通道构成，气体通道穿过集气室连通到喷嘴喷孔；气体通道的上部装有
弹簧，下部装有空心
柱塞，气体通道的集气室段管壁设有柱塞喷孔；所述集气室上部设有柱塞上
气体轴承，下部设有柱塞下
气体轴承，所述空心柱塞设有柱塞限位器，所述外壳的壳体上设有电磁线圈，所述柱塞限位器与电磁线圈配合安装。
[0007] 喷嘴用于直喷氢气、氧气或氩气。
[0008] 一种直喷气体喷嘴发动机，发动机为氢燃料发动机，氢燃料发动机设有
气缸、缸盖、
曲轴箱，缸盖上设有
火花塞、氢气口或/和氧气喷嘴，气缸上还设有排气孔，氢燃料发动机包括两冲程氢燃料发动机、四冲程氢燃料发动机和小冲程高频发动机；两冲程氢燃料发动机和四冲程氢燃料发动机采用单缸或多缸运行模式，小冲程高频发动机由任意缸数的氢气燃烧缸和/或任意缸数的尾气膨胀缸组成，包括四缸小冲程高频发动机和六缸小冲程高频发动机；两冲程氢燃料发动机的氢气口为与直喷气体喷嘴结构相同的氢气喷嘴或/和进气孔，四冲程氢燃料发动机的氢气口为进气口，所述小冲程高频发动机的氢气口为与直喷气体喷嘴结构相同的氢气喷嘴；两冲程氢燃料发动机包括气缸、缸盖和曲
轴箱，气缸盖上设有火花塞、氢气喷嘴和氧气喷嘴，气缸壁设有进气孔和排气孔；
曲轴箱内设有曲轴，气缸内设有
活塞，活塞通过
连杆与曲轴连接；四冲程氢燃料发动机包括气缸和曲轴箱，气缸的顶部设有氧气喷嘴、火花塞、进气口和排气孔，曲轴箱内设有曲轴，气缸内为
燃烧室，气缸设有活塞，活塞通过连杆与曲轴连接。
[0009] 所述小冲程高频发动机包括气缸、曲轴箱、水底壳、稳压器和排气通道，所述稳压器上设有加水口，水通过加水口进入稳压器中与高温尾气直接
接触换热并全部转化为水
蒸汽；所述小冲程高频发动机的各个缸体的排气口与排气通道连通，排气通道通过稳压器连接到尾气膨胀机的入口，所述排气通道的外部设有
冷却水套；所述曲轴箱内设有曲轴，每个气缸内设有活塞，活塞通过连杆与曲轴连接；曲轴一头与发
电机同轴连接，另一头通过一级减速器与尾气膨胀机连接，尾气膨胀机的另一头通过二级减速器与发动机的尾气余热利用单元内的膨胀机连接；所述小冲程高频发动机包括连杆和曲轴传动机构、
齿轮传动、液压传动、气力传动，把小冲程发动机气缸产生的动力有效输出；小冲程高频发动机和尾气余热利用单元以发电形式输出功或以机械传动形式输出功。
[0010] 另一种形式，所述小冲程高频发动机包括气缸、曲轴箱、水底壳和排气通道；所述小冲程高频发动机的前部至少一个气缸为氢气燃烧缸，氢气燃烧缸的上部和下部分别设有氢气喷嘴和氧气喷嘴，所述后部气缸为尾气膨胀缸，尾气膨胀缸的上部和下部分别设有尾气喷口、氧气和水喷口；曲轴箱内设有曲轴，每个气缸内设有活塞，活塞通过连杆与曲轴连接，曲轴与发动机的尾气余热利用单元内的膨胀机连接；小冲程高频发动机尾气膨胀缸的排气口与排气通道连通，排气通道出口通过
涡轮增压单元的
涡轮机连接到三元催化器。
[0011] 所述氢燃料发动机具有水底壳、或传统的
油底壳及机油系统，小冲程高频发动机具有全氧气、自点火、尾气高温高压排放、小冲程、高
频率、冷凝热全回收、自保护、燃料高进给量和高柯来浦系数的优点；在燃烧室充满燃料并点火后，活塞运行在
上止点和
下止点之间任意
位置可以打开排气孔排气，单次做功加入燃烧室的燃料加入量高于或远高于常规燃料量，所述常规燃料量为普通二冲程或
四冲程发动机单次做功加入燃烧室的燃料量，活塞完成全行程的动力包括利用燃料剧烈燃烧膨胀或惯性推动力，氢氧比例灵活调节，氢气过量或氧气过量，氢气过量时排气中不含多余的氧气，通过氢气过量进行燃烧室
温度和压力的调节；或从氧气喷嘴加入液态水，或设置单独的喷水口加入液态水，调节燃烧室的温度和压力；所述高频小冲程发动机是指采用等于或小于两冲程，也不排除四冲程，并且活塞运行在上止点和下止点之间任意位置打开排气孔排气的发动机，在保护发动机机件正常运行的情况下，采用高的氢燃料进给量，活塞以高频率高效运行，也称为安氢发动机，所述安氢发动机是指氢气燃料以固体氢化物形式装载、大部分时间以固体形式出现的、使用安全氢气燃料的发动机。
[0012] 氢燃料发动机的各运转部件的润滑采用多种形式，或
润滑油、
润滑剂、气体润滑、水润滑、添加润滑剂的水润滑，或上述多种形式的任意组合；包括以下方式：水底壳内带有或不带有润滑剂的水在曲轴的作用下对活塞处进行润滑；采用封闭油润滑定期保养注入润滑油；采用封闭介质润滑定期保养注入润滑剂；
活塞环采用
石墨材料自润滑或其它含
碳材料或金属材料或非金属材料自润滑；在活塞环、活塞与气缸壁之间采用气体润滑或水润滑，一种形式是在活塞环或活塞的径向上设置多个出口方向分别为垂直向上和垂直向下的微细管路，微细管路从活塞环或活塞开口处连接从活塞内部引出的气体、液体或固体源管路；另一种形式是在气缸壁上设置多个连接气体、液体或固体源管路的、出口方向分别为垂直向上和垂直向下的微细管路，微细管路根据活塞环行程来控制开启或关闭；或者是上述形式的任意组合；所述活塞环、活塞与气缸壁之间采用的润滑介质为氢、氧、水或水蒸汽、带有润滑剂的水或水蒸汽、带有或不带有润滑剂的微粉
冰粒，或上述润滑介质的两种或两种以上的组合，所述活塞环、活塞与气缸壁上的出气方向或为垂直喷出润滑介质；缸壁或采用石墨材料或其它含碳材料或金属材料或非金属材料的涂层或镶嵌物；或氢燃料发动机的各运转部件采用传统润滑形式，包括油底壳润滑和机油系统，活塞环、活塞与气缸壁之间采用传统润滑形式。
[0013] 发动机气缸停止工作时，水底壳的水保留在水底壳内或引出发动机外；发动机气缸启动时，引入润滑介质进入水底壳；所述水底壳的润滑介质包括水、含有润滑剂的水；所述小冲程高频发动机的性能采用柯来浦系数进行评价，柯来浦系数为发动机功率除以发动机有效体积与有效重量乘积的商；整套氢内燃机动力系统的单位重量轻、单位体积小，
能量密度高，燃料常压储存和常压使用，氢气燃料以固体氢化物形式装载，大部分时间以固体形式出现，安全便利；发动机冷机时用点火器点火，
热机时自点火。
[0014] 一种直喷气体喷嘴发动机动力系统，所述动力系统设有氢气气源、空气气源、尾气余热利用单元、气液分离器、氢气提纯单元和冷却水箱；气液分离器的气体出口设有气体过滤膜；氢气提纯单元的气体出口设有氢气分离膜；所述氢气气源和空气气源共同连接到氢气口，所述气缸的排气孔通过尾气膨胀机或涡轮增压单元连接到三元催化器，三元催化器出口通过尾气余热利用单元或凝汽器连接到气液分离器；所述气液分离器的气体出口通过氢气提纯单元连接到氢气气源；所述气液分离器的水出口通过单向
阀连接到冷却水箱；所述冷却水箱出口分为两路，一路通过循环冷却水管线连接到气缸的夹套，气缸的夹套出口通过凝汽器或尾气余热利用单元连接到冷却水箱；一路通过尾气冷凝
水循环管连接到空气气源的出口，连
接口设有水过滤膜；所述氢燃料发动机设置油底壳；尾气余热利用单元的做功装置与发动机同轴或不同轴连接，利用尾气余热利用单元弥补发动机的动力不足问题。
[0015] 所述氢气气源为氢化镁储罐，包括罐体、罐体外部的保温层，罐体的内部设有喷水管路；所述罐体的上部设有压力
传感器、防爆阀、氢气出口、水气入口和温度传感器，所述罐体的下部设有添加抽出口，所述添加抽出口设有带密码
锁的
截止阀；所述罐体为金属材料、非金属材料或以上两者的组合材料；所述氢化镁储罐设有导热介质入口，所述水气入口管设有伴
热管路，所述伴热管路入口设有水过滤膜，所述氢气出口设有氢气过滤膜。
[0016] 一种直喷气体喷嘴发动机动力系统包括ECU、氢燃料发动机、氢化镁储罐、凝汽器、尾气膨胀机、三元催化器、尾气余热利用单元、氢气提纯单元、冷却水箱、空气管路、气液分离器和低压氢气缓冲罐。氢燃料发动机为两冲程发动机，包括气缸、缸盖和曲轴箱。缸盖上设有火花塞和进气口，气缸壁上设有排气孔。曲轴箱内设有曲轴，气缸内设有活塞，活塞通过连杆与曲轴连接。氢化镁储罐的氢气出口设有氢气过滤膜，气液分离器的气体出口设有气体过滤膜，氢气提纯单元出口设有氢气分离膜，冷却水箱和气液分离器设有排水口。气液分离器的水出口设有
单向阀，气液分离器和冷却水箱设有防冻剂补加口。
[0017] 氢化镁储罐的氢气出口与低压氢气缓冲罐连接，低压氢气缓冲罐出口分为两路，一路连接到氢燃料发动机的进气口；一路连接到尾气余热利用单元，尾气余热利用单元通过换热氢气管路连接到氢化镁储罐形成循环，将氢化镁储罐中的热量传递给尾气余热利用单元，为尾气余热利用单元提供热源。空气管路连接到氢燃料发动机的进气口。气缸的排气孔通过尾气膨胀机、三元催化器和凝汽器的壳程连接到气液分离器。尾气余热利用单元通过换热管路与凝汽器的管程循环连通，尾气余热利用单元的发电机与外部电力系统
电路连接。气液分离器的气体出口通过氢气提纯单元连接到氢化镁储罐的水气入口，氢气提纯单元的杂质气出口连接到外排管路。气液分离器的水出口通过单向阀连接到冷却水箱，冷却水箱出口分为三路，一路通过循环冷却水管线连接到气缸的夹套，气缸的夹套出口通过凝汽器连接到冷却水箱；一路通过水过滤膜、伴热管线连接到氢化镁储罐的水气入口；一路通过尾气冷凝水循环管连接到空气管路，连接处设有水过滤膜。
[0018] 一种直喷气体喷嘴发动机动力系统包括ECU、氢燃料发动机、氢化镁储罐、尾气膨胀机、三元催化器、涡轮增压单元、尾气余热利用单元、氢气提纯单元、冷却水箱、空气管路、气液分离器和低压氢气缓冲罐。涡轮增压单元包括涡轮机、
压气机和尾气压气机，涡轮机、压气机和尾气压气机同轴连接。氢燃料发动机为二冲发动机，包括气缸、缸盖和曲轴箱，缸盖设有火花塞，气缸壁设有进气孔和排气孔。氢化镁储罐的氢气出口设有氢气过滤膜，气液分离器的气体出口设有气体过滤膜，氢气提纯单元出口设有氢气分离膜，冷却水箱和气液分离器设有排水口。气液分离器水出口设有单向阀，气液分离器和冷却水箱设有防冻剂补加口。
[0019] 氢化镁储罐的氢气出口与低压氢气缓冲罐连接，低压氢气缓冲罐出口分为两路，一路经涡轮增压单元的尾气压气机连接到气缸的进气孔，一路连接到尾气余热利用单元，尾气余热利用单元通过换热氢气管路连接到氢化镁储罐形成循环，将氢化镁储罐中的热量传递给尾气余热利用单元，为尾气余热利用单元提供热源。空气管路经涡轮增压单元的压气机连接到氢燃料发动机的进气孔。气缸的排气孔通过涡轮增压单元的涡轮机、三元催化器和尾气余热利用单元连接到气液分离器。尾气余热利用单元通过换热管路与凝汽器的管程循环连通，尾气余热利用单元的发电机与外部电力系统电路连接。气液分离器的气体出口通过氢气提纯单元连接到氢化镁储罐的水气入口，氢气提纯单元的杂质气出口连接到外排管路。气液分离器的水出口通过单向阀连接到冷却水箱，冷却水箱出口分为三路，一路通过循环冷却水管线连接到气缸的夹套，气缸的夹套出口通过尾气余热利用单元连接到冷却水箱；一路通过水过滤膜、伴热管线连接到氢化镁储罐的水气入口；一路通过尾气冷凝水循环管连接到空气管路，连接处设有水过滤膜。
[0020] 一种直喷气体喷嘴发动机动力系统包括ECU、氢燃料发动机、氢化镁储罐、尾气膨胀机、三元催化器、涡轮增压单元、尾气余热利用单元、氢气提纯单元86、冷却水箱、空气管路、气液分离器和低压氢气缓冲罐。涡轮增压单元包括涡轮机和压气机，涡轮机和压气机同轴连接。氢燃料发动机为四冲程发动机，包括气缸和曲轴箱，缸体的顶部设有火花塞、进气口和排气孔，曲轴箱内设有曲轴，气缸内设有活塞，活塞通过连杆与曲轴连接。氢化镁储罐的氢气出口设有氢气过滤膜，气液分离器的气体出口设有气体过滤膜，氢气提纯单元出口设有氢气分离膜，冷却水箱和气液分离器设有排水口。气液分离器水出口设有单向阀，气液分离器和冷却水箱设有防冻剂补加口。
[0021] 氢化镁储罐的氢气出口与低压氢气缓冲罐连接，低压氢气缓冲罐出口分为两路，一路连接到空气管路的涡轮增压单元的涡轮机入口，一路连接到尾气余热利用单元，尾气余热利用单元通过换热氢气管路连接到氢化镁储罐形成循环，将氢化镁储罐中的热量传递给尾气余热利用单元，为尾气余热利用单元提供热源。空气管路经涡轮增压单元的压气机连接到氢燃料发动机的进气口。气缸的排气孔通过涡轮增压单元的涡轮机、三元催化器和尾气余热利用单元连接到气液分离器。尾气余热利用单元的发电机与外部电力系统电路连接。气液分离器的气体出口通过氢气提纯单元连接到氢化镁储罐的水气入口，氢气提纯单元的杂质气出口连接到外排管路。气液分离器的水出口通过单向阀连接到冷却水箱，冷却水箱出口分为三路，一路通过循环冷却水管线连接到气缸的夹套，气缸的夹套出口通过尾气余热利用单元连接到冷却水箱；一路通过水过滤膜、伴热管线连接到氢化镁储罐的水气入口；一路通过尾气冷凝水循环管连接到空气管路，连接处设有水过滤膜。
[0022] 本发明可以用于氧气、氢气、天然气等燃料气体和助燃气体的直喷，气体直喷喷嘴耐高温烧蚀、不回火、可自冷却，解决了目前氢气喷嘴的使用寿命问题。氢燃料适用于两冲程发动机、四冲程发动机和小冲程高频发动机，小冲程高频发动机为四缸或六缸发动机，小冲程高频发动机具有全氧气、自点火、高频率、自保护、燃料大进料量和小冲程的特点。氢燃料发动机系统有效的回收了高温尾气的压力能、
热能，提高了氢燃料的利用率和发动机的升功率，采用浓燃大幅度的降低氮氧化物的排放，充分回收尾气中未燃烧的的氢气，降低燃料的消耗。
附图说明
[0023] 图1为氢气喷嘴结构图；图2为氢气喷嘴吸合状态图；
图3为氢气喷嘴的柱塞上气体轴承放大图；
图4为氢气喷嘴的柱塞下气体轴承放大图；
图5为氢燃料发动机的二冲程结构示意图；
图6为氢燃料发动机的四冲程结构示意图；
图7为氢燃料发动机的另一个二冲程结构示意图；
图8为四缸小冲程高频发动机示意图；
图9为小冲高频程发动机单缸示意图；
图10为六缸小冲程高频发动机示意图；
图11是氢化镁储罐的结构示意图；
图12是氢燃料发动机动力系统的一种
实施例示意图；
图13是氢燃料发动机动力系统的另一种实施例示意图；
图14是氢燃料发动机动力系统的再一种实施例示意图。
[0024] 其中：5—气缸、6—水底壳、7—三元催化器、8—尾气余热利用单元、13—氢气喷嘴、15—发电机、18—添加抽出口、20—弹簧、21—柱塞下气体轴承、22—柱塞上气体轴承、23—空心柱塞、24—柱塞限位器、25—气体通道、26—喷嘴喷孔、27—柱塞喷孔、28—集气室、29—电磁线圈、34—氧气喷嘴、35—曲轴箱、36—火花塞、37—进气孔、38—进气口、40—缸盖、41—排气孔、43—活塞、44—连杆、45—曲轴、46—燃烧室、58—涡轮增压单元、64—涡轮机、70—温度传感器、71—
压力传感器、72—防爆阀、73—氢气出口、77—一级减速器、
78—二级减速器、79—尾气膨胀机、88—冷却水套、89—排气通道、107—二级涡轮机、110—带密码锁的截止阀、130—尾气喷口、131—氧气和水喷口、132—稳压器、133—加水口、
134—喷水管路、135—罐体、137—保温层、138—导热介质入口、141—尾气压气机。
具体实施方式
[0025] 下面结合实施例和附图对本发明进行详细说明。本发明保护范围不限于实施例，本领域技术人员在
权利要求限定的范围内做出任何改动也属于本发明保护的范围。
[0026] 实施例1本发明气体直喷喷嘴如图1～图4所示，氢气喷嘴13由外壳、集气室28、喷嘴喷孔26和气体通道25构成，气体通道穿过集气室连通到喷嘴喷孔。气体通道的上部装有弹簧20，下部装有空心柱塞23，气体通道的集气室段中空柱塞管壁设有柱塞喷孔27。集气室上部设有柱塞上气体轴承22，下部设有柱塞下气体轴承21，空心柱塞设有柱塞限位器24，外壳的壳体上设有电磁线圈29，柱塞限位器与电磁线圈配合安装。通过电磁线圈对柱塞限位器的吸合和放开，使空心柱塞上下移动，实现对喷嘴喷孔26的开闭控制。氢气喷嘴13和氧气喷嘴34结构相同，不再赘述。
[0027] 图1为空心柱塞23关闭状态，图2为空心柱塞23开启状态。当空心柱塞23处于关闭状态时，高压4MPa的氢气和2MPa的氧气通过气体通道25进入空心柱塞23内部，在柱塞下气体轴承21和柱塞上气体轴承22的位置，从柱塞喷孔27向外喷射，并沿柱塞下气体轴承21和柱塞上气体轴承22与空心柱塞23的间隙向下流动进入集气室28。从柱塞喷孔27向外喷射的氢气或氧气，一方面起到润滑轴承的作用，另一方面可以冷却空心柱塞防止其超温，同时达到了气体的输送功能使集气室28保持足够的喷射压力。当空心柱塞23处于开启状态时，集气室28内的高压氢气或氧气直接喷射进入氢燃料发动机气缸5燃烧做功。当电磁线圈29通电时限位器受磁力吸引上升、空心柱塞23开启，当电磁线圈29断电
时空心柱塞23由弹簧20向下压紧关闭。空心柱塞23的开启和关闭状态、开启和关闭的脉宽由氢燃料发动机自控系统通过电磁线圈29控制，氢气喷嘴13和氧气喷嘴34工作原理相同。氢气喷嘴可以用于氧气、氢气、天然气、氩气等气体的直喷，能够耐高温、耐高压、不易回火，能够利用所喷射的气体进行自冷却，提高了氢气喷嘴的寿命。
[0028] 如图5所示，氢燃料发动机为两冲程发动机，包括气缸5、缸盖40、曲轴箱35和水底壳6。缸盖上设有火花塞36、氢气喷嘴13和氧气喷嘴34，气缸壁上设有排气孔41。曲轴箱内设有曲轴45，气缸内设有活塞43，活塞通过连杆44与曲轴连接。缸体下部的曲轴箱设有水底壳6。
[0029] 本发明氧气直喷纯氢燃烧内燃机动力系统的运行方式为：4MPa的氢气，通过氢气喷嘴直喷进入氢燃料发动机气缸内。2MPa高压氧气，通过氧气喷嘴喷入氢燃料发动机气缸内。在氢燃料发动机气缸内氢气与纯氧浓燃产生1800℃高温（氢气过量25%）推动活塞做功，还原气氛下氧气与氮气反应生成氮氧化物的转化率很低，尾气中氮氧化物含量20PPm以下。
[0030] 氧气和氢气都采用缸内直喷，为防止燃烧超温影响气缸及活塞寿命，采用喷入过量氢气浓燃的方式控制反应温度，氧气和氢气的摩尔混合比例1：2.4。控制氮氧化物的生成和排放的主要方法是： 采用纯氧燃烧，微量氮气参与燃烧只有微量的氮氧化物产生；采用氢气浓燃，使燃烧在还原性气氛下进行，只有微量的氮氧化物生成，尾气主要成分是水蒸汽、少量的Ar氩气和未燃烧的过量氢气。氢燃料发动机的
工作温度可通过改变燃料进量、尾气排气时间、氧氢比例进行控制。发动机轴、发动机尾气膨胀机轴共轴连接或不共轴连接分别
输出轴功。在活塞做功时，活塞在上止点和下止点的中间任意位置都可以选择排气，如果在上止点和下止点的1/2处排气，为减除提前排气对缸内推力和活塞运行速度的影响，可采用增加气缸的燃料加入量、降低氢气过量系数、减少通过尾气冷凝水循环管路向氧气中添加的水量等多种措施，如氢燃料可以比标准加入量多30%，氧氢比例增加为1:2.3，这样可以增加推力，提高活塞运行速度。在发动机系统机械寿命允许的前提下，减少通过尾气冷凝水循环管路向氧气中添加的水量或不添加水，降低氢气过量系数或氢气不过量。
[0031] 氢燃料发动机气缸采用二冲程运行模式。气缸排出的带有一定压力的高温尾气通过尾气膨胀机继续做功降压降温后，再进入三元催化器。在三元催化器内，尾气中未反应的少量氧气与未燃烧的过量氢气发生氧化化学反应（氧气浓度未达到爆炸极限），一定程度提高了尾气温度；同时尾气中的微量NOx在三元催化器内发生还原反应，NOx被还原成N2。发动机气缸启动时，通过补水管给水底壳加水，冷却并润滑连杆、曲轴和活塞，发动机工作时，气缸内渗出的微量气体可冷凝下来，不凝气提纯，冷凝水送到
循环水箱，发动机气缸停止工作时，水底壳的水引出发动机外，防止冬季冻冰堵管。
[0032] 整套氢内燃机动力系统吸入常温常压空气、排出常温常压氮气、杂质气，杂质气中有氮气、氩气、少量氧气、氮氧化物和少量润滑物气体（如果加入其它润滑剂）。氧气与氢气燃烧做功，高温尾气经尾气膨胀机利用余压，经凝汽器利用余热冷凝。整套氢内燃机动力系统的单位重量轻、单位体积小，
能量密度高，燃料可常压储存和常压使用，安全便利。
[0033] 氢燃料发动机的各运转部件的润滑采用多种形式，如润滑油、润滑剂、气体润滑、水润滑、添加润滑剂的水润滑，或上述多种形式的任意组合。包括但不限于以下方式：水底壳内带有或不带有润滑剂的水在曲轴的作用下对活塞处进行润滑；可采用封闭油润滑定期保养注入润滑油；采用封闭介质润滑定期保养注入润滑介质；也可采用水润滑或添加了润滑剂的水进行润滑；活塞环采用石墨材料自润滑或其它含碳材料或金属材料或非金属材料自润滑；缸壁采用石墨材料或其它含碳材料或金属材料或非金属材料的涂层或镶嵌物。采用水润滑时，氢燃料发动机氢氧燃烧过程中避免了机油参与，尾气中没有VOC排放。在活塞环、活塞与气缸壁之间采用气体润滑或水润滑，一种形式是在活塞环或活塞的径向上设置多个出口方向分别为垂直向上和垂直向下的微细管路，微细管路从活塞环或活塞开口处连接从活塞内部引出的气体、液体或固体源管路；另一种形式是在气缸壁上设置多个连接气体、液体或固体源管路的、出口方向分别为垂直向上和垂直向下的微细管路，微细管路根据活塞环行程来控制开启或关闭；或者是上述形式的任意组合；所述活塞环、活塞与气缸壁之间采用的润滑介质为氢、氧、水或水蒸汽、带有润滑剂的水或水蒸汽、带有或不带有润滑剂的微粉冰粒，或上述润滑介质的两种或两种以上的组合，所述活塞环、活塞与气缸壁上的出口方向也可以为垂直喷出润滑介质。实际工作中还可以采用上述自润滑、水润滑、氢气直喷润滑等多种润滑的复合形式。氢燃料发动机的各运转部件也可采用传统润滑形式，包括油底壳润滑和机油系统，活塞环、活塞与气缸壁之间也采用传统润滑形式，但是环保指数低，排出污染物多。
[0034] 整套氢内燃机动力系统的单位重量轻、单位体积小，能量密度高，燃料可常压储存和常压使用，安全便利。
[0035] 实施例2本发明又一实施方式如图7所示，氢燃料发动机为二冲发动机，包括气缸5、缸盖40、曲轴箱35和水底壳6，缸盖设有氧气喷嘴34和火花塞36，气缸壁设有进气孔37和排气孔41。曲轴箱内设有曲轴45，气缸内设有活塞43，活塞通过连杆44与曲轴连接。氧气喷嘴34的结构与实施例1的气体直喷喷嘴结构相同。
[0036] 本发明氧气直喷纯氢燃烧内燃机动力系统的运行方式为：4MPa的氢气通过进气孔进入氢燃料发动机气缸内，经过活塞压缩与氧气接触点燃。2MPa高压氧气，通过氧气喷嘴喷入氢燃料发动机气缸内。在氢燃料发动机气缸内氢气与纯氧浓燃产生1900℃高温（氢气过量20%）推动活塞做功，还原气氛下氧气与氮气反应生成氮氧化物的转化率很低，尾气中氮氧化物含量25PPm以下。
[0037] 氧气和氢在气缸内燃烧，为防止燃烧超温影响气缸及活塞寿命，采用喷入过量氢气浓燃的方式控制反应温度，氧气和氢气的摩尔混合比例1：2.4。控制氮氧化物的生成和排放的主要方法是： 采用纯氧燃烧，微量氮气参与燃烧只有微量的氮氧化物产生； 采用氢气浓燃，使燃烧在还原性气氛下进行，只有微量的氮氧化物生成，尾气主要成分是水蒸汽、少量的Ar氩气和未燃烧的过量氢气。发动机轴与发动机尾气膨胀机轴共轴连接或不共轴连接分别输出轴功。氢燃料发动机气缸采用二冲程涡轮增压运行模式，采用二冲程运行模式，利用排出的尾气余压通过涡轮增压单元给氧气加压，尾气温度由820℃降到620℃，充分利用尾气能量增加氧气压力，提高发动机效率，氢气推动涡轮给氧气加压共同将氧气压力由0.15MPa加压到2MPa。在气缸排出的尾气中未反应的少量氧气与未燃烧的过量氢气在三元催化器中发生氧化化学反应（氧气浓度未达到爆炸极限），一定程度提高了尾气温度。必要时可以添加冷凝水稀释氧气的浓度，防止发动机气缸纯氧、纯氢燃烧超温；通过补水管与水底壳循环连接，发动机气缸正常工作时，通过补水管给水底壳加水，冷却连杆、曲轴和活塞，发动机气缸停止工作时，水底壳的水引出发动机外，防止冬季冻冰堵管。
[0038] 整套氢内燃机动力系统吸入常温常压空气、排出常温常压氮气、杂质气，杂质气中有氮气、氩气、少量氧气、氮氧化物和少量润滑物气体（如果加入其它润滑剂的话）。氧气与氢气燃烧做功，高温尾气水蒸汽经涡轮增压单元利用余压。
[0039] 氢燃料发动机的各运转部件的润滑与实施例1相同。作为水底壳的曲轴箱内加注发动机尾气冷凝后的冷凝水，冷却曲轴、连杆及活塞。整套氢内燃机动力系统的单位重量、单位体积小，能量密度高，燃料可常压储存和常压使用，安全便利。发动机为冷机时可用点火器点火，热机时可自点火。
[0040] 实施例3本发明第三实施方式如图6所示，氢燃料发动机为四冲程发动机包括气缸5、水底壳6和曲轴箱35，缸体的顶部设有氧气喷嘴34、火花塞36、进气口38和排气孔41，曲轴箱35内设有曲轴45，缸体内为燃烧室46，气缸内设有活塞43，活塞通过连杆44与曲轴45连接。氢燃料发动机的水底壳6下部出口连接到提纯单元，液体出口连接到循环水箱，循环水箱通过补水管和三通阀连接到水底壳6。氧气喷嘴34的结构与实施例1的气体直喷喷嘴结构相同。
[0041] 本发明氧气直喷纯氢燃烧内燃机动力系统的运行方式为： 2MPa高压氧气，通过氧气喷嘴喷入氢燃料发动机气缸内。含氮气量1.5%的氧气，在氢燃料发动机气缸内氢气与纯氧浓燃产生1700℃高温（氢气过量35%）推动活塞做功，还原气氛下氧气与氮气反应生成氮氧化物的转化率很低，尾气中氮氧化物含量15PPm以下。
[0042] 氧气和氢气在缸内燃烧，为防止燃烧超温影响气缸及活塞寿命，采用喷入过量氢气浓燃的方式控制反应温度，氧气和氢气的摩尔混合比例1：2.7。控制氮氧化物的生成和排放的主要方法是： 采用纯氧燃烧，微量氮气参与燃烧只有微量的氮氧化物产生； 采用氢气浓燃，使燃烧在还原性气氛下进行，只有微量的氮氧化物生成，尾气主要成分是水蒸汽、少量的Ar氩气和未燃烧的过量氢气。氢燃料发动机的工作温度可通过改变燃料进量、尾气排气时间、氧氢比例进行控制。发动机轴、发动机尾气膨胀机轴的膨胀机轴共轴连接或不共轴连接分别输出轴功。循环水箱内添加的润滑剂对氢燃料发动机整个系统运行无影响。在活塞做功时，活塞在上止点和下止点的中间任意位置都可以选择排气，这时燃料可以比标准加入量多25%，如氧氢比例为1:2.5。
[0043] 氢燃料发动机气缸采用四冲程涡轮增压运行模式，利用排出的尾气余压通过涡轮增压单元给氧气加压，尾气温度由850℃降到650℃，氧气压力由0.13MPa增加到0.5MPa，充分利用尾气能量增加氧气压力，提高发动机效率。在气缸排出的尾气中未反应的少量氧气与未燃烧的过量氢气在三元催化器中发生氧化化学反应（氧气浓度未达到爆炸极限），一定程度提高了尾气温度。通过循环冷却水管线连接到气缸的夹套，用于发动机和气缸的冷却；尾气冷凝水循环管连接到涡轮增压单元的氧气入口，必要时可以添加冷凝水稀释氧气的浓度，防止发动机气缸纯氧、纯氢燃烧超温；通过补水管与水底壳连接，发动机气缸正常工作时，通过补水管给水底壳加水，冷却连杆、曲轴和活塞，发动机气缸停止工作时，水底壳的水引出发动机外，防止冬季冻冰堵管。
[0044] 整套氢内燃机动力系统吸入常温常压空气、排出常温常压氮气、杂质气，杂质气中有氮气、氩气、少量氧气、氮氧化物和少量润滑物气体（如果加入其它润滑剂的话）。氧气与氢气燃烧做功，高温尾气水蒸汽经涡轮增压单元利用余压整套氢内燃机动力系统的单位重量轻、单位体积小，能量密度高，燃料可常压储存和常压使用，安全便利。发动机为冷机时可用点火器点火，热机时可自点火。
[0045] 氢燃料发动机的各运转部件的润滑与实施例1相同。作为水底壳的曲轴箱内加注发动机尾气冷凝后的冷凝水，冷却曲轴、连杆及活塞。
[0046] 实施例4本发明第四种实施方式如图8所示，氢燃料发动机为小冲程高频发动机，包括气缸5、曲轴箱、水底壳6、稳压器132和排气通道89，稳压器上设有加水口133，水通过加水口进入稳压器中与高温尾气直接接触换热并全部转化为水蒸汽。小冲程高频发动机4个缸体的排气口与排气通道连通，排气通道89通过稳压器132连接到尾气膨胀机的入口，排气通道的外部设有冷却水套88。曲轴箱内设有曲轴45，每个气缸内设有活塞43，活塞通过连杆44与曲轴连接，曲轴一头与发电机同轴连接，另一头通过一级减速器77与尾气膨胀机79连接，尾气膨胀机的另一头通过二级减速器78与另设的膨胀机连接。其中，图8中尾气膨胀机79适用于压力小温度高的情况。如果将尾气膨胀机79换成
汽轮机，则允许向排气通道89里面加水，降低了蒸汽的温度，但是提高了蒸汽的压力。氢燃料发动机的水底壳6下部出口连接到氢气提纯单元，液体出口连接到循环水箱，循环水箱通过补水管连接到水底壳6。
[0047] 本实施例氢燃料发动机采用小冲程高频发动机。如图9所示，小冲程高频发动机的气缸由活塞分隔成上下独立的两部分，气缸的上下两部分均设有独立的氢气喷嘴13、氧气喷嘴34、排气口和启动点火器。氧气喷嘴34和氢气喷嘴13的结构与实施例1的气体直喷喷嘴结构相同。活塞从气缸上止点到下止点的运动过程中，气缸的上部分先喷入氢燃料和氧气燃烧做功，然后进行排气；活塞从气缸下止点到上止点的运动过程中，气缸的下部分同样先喷入氢燃料和氧气燃烧做功，然后进行排气。气缸上部分燃料进口和氧气进口的开启可安排在活塞到达气缸上止点的前后，气缸上部分排气口的开启可安排在活塞从气缸上止点到下止点运行过程中的任意位置；气缸下部分燃料进口和氧气进口的开启安排在活塞到达气缸下止点的前后，气缸下部分排气口的开启安排在活塞从气缸下止点到上止点运行过程中的任意位置。高温高压的排气送到尾气膨胀机继续做功。
[0048] 小冲程高频发动机具有全氧气、自点火、尾气高温高压排放、小冲程、高频率、冷凝热全回收、自保护、燃料高进给量、高柯来浦系数等优点。小冲程高频发动机的性能采用柯来浦系数进行评价，柯来浦系数为发动机功率除以发动机有效体积与有效重量乘积的商。
[0049] 本发明氧气直喷纯氢燃烧内燃机动力系统的运行方式为： 4MPa的氢气，通过氢气喷嘴直喷进入氢燃料发动机气缸内。2MPa高压氧气，通过氧气喷嘴喷入氢燃料发动机气缸内。在氢燃料发动机气缸内氢气与纯氧浓燃产生1800℃高温（氢气过量25%）推动活塞做功，还原气氛下氧气与氮气反应生成氮氧化物的转化率很低，尾气中氮氧化物含量20PPm。
[0050] 氧气和氢气都采用缸内直喷，为防止燃烧超温影响气缸及活塞寿命，采用喷入过量氢气浓燃的方式控制反应温度，氧气和氢气的摩尔混合比例1：2.5。控制氮氧化物的生成和排放的主要方法是： 采用纯氧燃烧，微量氮气参与燃烧只有微量的氮氧化物产生；采用氢气浓燃，使燃烧在还原性气氛下进行，只有微量的氮氧化物生成，尾气主要成分是水蒸汽、少量的Ar氩气和未燃烧的过量氢气。氢燃料发动机的工作温度可通过改变燃料进量、尾气排气时间、氧氢比例进行控制。发动机轴，发动机尾气膨胀机轴的膨胀机轴共轴连接或不共轴连接分别输出轴功。循环水箱内添加的润滑剂对氢燃料发动机整个系统运行无影响。在活塞做功时，活塞在上止点和下止点的中间任意位置都可以选择排气，如在做功后上止点和下止点1/3行程处进行排气，这时燃料可以比标准加入量多50%，如氧氢比例为1:
2.3。
[0051] 氢燃料发动机为小冲程高频发动机，可以水平放置或卧式放置。在气缸排出的尾气中未反应的少量氧气与未燃烧的过量氢气在三元催化器中发生氧化化学反应（氧气浓度未达到爆炸极限），一定程度提高了尾气温度。尾气余热提供给尾气余热利用单元，尾气余热利用单元利用尾气余热发电满足变压
吸附制氧机的电力需求或给
蓄电池充电。经过尾气余热利用单元利用后的低温尾气主要成分是：氩气、水蒸汽冷凝后的冷凝水、过量氢气和微量的氮氧化物，尾气经过气液分离器分离后，冷凝水通过单向阀（防止倒流）进入冷却水箱，作为气缸冷却介质冷却气缸同时回收热量。气液分离器和冷却水箱通过防冻剂补加口加入防冻剂氯化
钙，形成5%的
氯化钙水溶液，在冬季可以耐受零下40℃的低温不结冰。
[0052] 整套氢内燃机动力系统吸入常温常压空气、排出常温常压氮气、杂质气，杂质气中有氮气、氩气、少量氧气、氮氧化物和少量润滑物气体（如果加入其它润滑剂）。
[0053] 氢燃料发动机的各运转部件的润滑与实施例1相同。作为水底壳的曲轴箱内加注发动机尾气冷凝后的冷凝水，冷却曲轴、连杆及活塞。整套氢内燃机动力系统的单位重量轻、单位体积小，能量密度高，燃料可常压储存和常压使用，安全便利。发动机为冷机时可用点火器点火，热机时可自点火。
[0054] 实施例5本发明第五种实施方式如图10所示，氢燃料发动机为六缸小冲程高频发动机，可以水平放置或卧式放置，包括气缸5、曲轴箱、水底壳6和排气通道89。六缸小冲程高频发动机的前两个缸为氢气燃烧缸，氢气燃烧缸的上部和下部分别设有氢气喷嘴13和氧气喷嘴34；后四个缸为尾气膨胀缸，尾气膨胀缸的上部和下部分别设有尾气喷口130、氧气和水喷口131。
氢气喷嘴13、氧气喷嘴34以及氧气和水喷口131的结构与实施例1的气体直喷喷嘴结构相同。曲轴箱内设有曲轴45，每个气缸内设有活塞43，活塞通过连杆44与曲轴连接，曲轴一头与发电机同轴连接，另一头通过减速器与尾气余热利用单元8的膨胀机连接。氢气燃烧缸排出的高温高压的尾气通过尾气总管进入尾气膨胀缸内膨胀推动活塞做功。尾气膨胀缸气缸同样由活塞分隔成上下独立的两部分，气缸的上下两部分均设有独立的尾气进口和排气口。活塞到达气缸上止点时，气缸上部分的尾气进口打开，高温高压尾气、氧气和液态水进入气缸推动活塞下行做功，同时气缸下部分的尾气进口关闭，排气口打开，进行下部排气；
活塞达到气缸下止点时，气缸下部分的尾气进口打开，高温高压尾气、氧气和液态水进入气缸推动活塞上行做功，同时气缸上部分的尾气进口关闭，排气口打开，进行上部排气。5MPa氧气、10MPa氢气进入氢气燃烧缸后，由于气缸的原有温度，使氢气达到着火点做功。在活塞做功时，活塞在上止点和下止点的中间任意位置都可以选择排气，由于提前排气，这时加入的氢燃料可增加到原配比的30%-800%。做功时，当活塞只进行到全行程的25%时，排气阀打开，温度在2000℃-2500℃的尾气快速进入尾气膨胀缸。与之相对应的另一氢气燃烧缸也与之相同，如在做功后上止点和下止点1/4行程处进行排气，这时燃料可以比标准加入量多
100%，如氧氢比例为1:2.2-1:2.4之间进行调节。由于燃料增加使活塞运行速度增加，做功后氢气燃烧缸处于高温状态，紧接着下一个循环所加入的氧气和氢气迅速降低了缸内的温度，这种自保护措施能防止机件损坏。只要能有效保护机件不被损坏的情况下，尽可能不加入水，也尽可能不过量氢气。氢气燃烧缸中温度在2000℃、2MPa的尾气进入尾气膨胀缸，此时尾气中的主要成分是水蒸汽、氢气和少量的未反应氧气，进入尾气膨胀缸后与加入的液态水和加入的当量的氧气燃烧做功，将多余的氢气燃尽做功，在活塞完成全行程的4/5时，排气
门打开，尾气降到1MPa、800℃进入排气通道。
[0055] 小冲程高频发动机4个尾气膨胀缸的排气口与排气通道89连通，排气通道89出口通过涡轮增压单元58的涡轮机64连接到三元催化器7。通过尾气冷凝水循环管连接到涡轮增压单元的氧气入口，连接口设有水过滤膜。氢燃料发动机的水底壳6下部出口连接到氢气提纯单元，液体出口连接到循环水箱，循环水箱通过补水管连接到水底壳6。小冲程高频发动机具有全氧气、自点火、尾气高温高压排放、小冲程、高频率、冷凝热全回收、自保护、燃料高进给量、高柯来浦系数等优点。小冲程高频发动机的性能采用柯来浦系数进行评价，柯来浦系数为发动机功率除以发动机有效体积与有效重量乘积的商。整套氢内燃机动力系统的单位重量轻、单位体积小，能量密度高，燃料可常压储存和常压使用，安全便利。发动机为冷机时可用点火器点火，热机时可自点火。氢燃料发动机的各运转部件的润滑与实施例1相同。
[0056] 实施例6本发明的氢燃料发动机动力系统的示意图如图11和图12所示。所述动力系统设有氢气气源、空气气源、尾气余热利用单元、气液分离器、氢气提纯单元86和冷却水箱30。
[0057] 如图11所示的氢化镁储罐，由罐体135、罐体外部的保温层137组成，罐体的内部设有喷水管路134。罐体的下部设有压力传感器71、防爆阀72、氢气出口73、水气入口和温度传感器72。罐体的下部设有添加抽出口18，添加抽出口设有带密码锁的截止阀110，用于抽出使用过的氢化镁储罐中的以氢氧化镁为主的所有物质和添加新鲜的氢化镁。罐体135为金属材料、非金属材料或以上两者的组合材料。氢化镁储罐设有导热介质入口138，水气入口管设有伴热管路105，伴热管路入口设有水过滤膜33，氢气出口73设有氢气过滤膜2。
[0058] 如图12所示的氢燃料发动机动力系统，包括ECU、氢燃料发动机、氢化镁储罐1、凝汽器99、尾气膨胀机79、三元催化器7、尾气余热利用单元8、氢气提纯单元86、冷却水箱30、空气管路、气液分离器9和低压氢气缓冲罐56。氢燃料发动机为两冲程发动机，包括气缸5、缸盖和曲轴箱。缸盖上设有火花塞36和进气口38，气缸壁上设有排气孔。曲轴箱内设有曲轴，气缸内设有活塞，活塞通过连杆与曲轴连接。氢化镁储罐的氢气出口设有氢气过滤膜2，气液分离器的气体出口设有气体过滤膜10，氢气提纯单元出口设有氢气分离膜100，冷却水箱30和气液分离器9设有排水口129。气液分离器的水出口设有单向阀39，气液分离器9和冷却水箱30设有防冻剂补加口32。
[0059] 氢化镁储罐1的氢气出口与低压氢气缓冲罐56连接，低压氢气缓冲罐出口分为两路，一路连接到氢燃料发动机的进气口38；一路连接到尾气余热利用单元，尾气余热利用单元通过换热氢气管路连接到氢化镁储罐形成循环，将氢化镁储罐中的热量传递给尾气余热利用单元，为尾气余热利用单元提供热源。空气管路连接到氢燃料发动机的进气口38。气缸的排气孔通过尾气膨胀机79、三元催化器7和凝汽器99的壳程连接到气液分离器9。尾气余热利用单元通过换热管路与凝汽器的管程循环连通，尾气余热利用单元的发电机与外部电力系统电路连接。气液分离器的气体出口通过氢气提纯单元86连接到氢化镁储罐的水气入口，氢气提纯单元的杂质气出口连接到外排管路。气液分离器的水出口通过单向阀39连接到冷却水箱30，冷却水箱出口分为三路，一路通过循环冷却水管线31连接到气缸的夹套，气缸的夹套出口通过凝汽器99连接到冷却水箱30；一路通过水过滤膜33、伴热管线105连接到氢化镁储罐的水气入口；一路通过尾气冷凝水循环管19连接到空气管路，连接处设有水过滤膜33 。
[0060] 本发明氢燃料发动机动力系统的工作过程为：氢燃料发动机燃料氢气来源氢化镁储罐，氢化镁与水反应生成氢氧化镁和氢气：MgH2 + 2H2O = Mg（OH）2 +2 H2 ，反应在75℃常压下进行，产生的氢气储存在低压氢气缓冲罐中，从低压氢气缓冲罐出来0.15MPa—0.3MPa的氢气，通过进气口38进入氢燃料发动机气缸内。在氢化镁储罐内有氢气、少量水蒸汽、金属氢化镁及氢氧化镁粉末，在氢气出口设置氢气过滤膜，氢气过滤膜只容许氢气通过，不容许其它气体和物质通过。空气经过除尘
净化后通过进气口38进入氢燃料发动机气缸内，在氢燃料发动机气缸内氢气与空气浓燃产生1450℃高温（氢气过量10%）推动活塞做功，还原气氛下氧气与氮气反应生成氮氧化物的转化率很低，尾气中氮氧化物含量25PPm以下。
[0061] 控制氮氧化物的生成和排放的主要方法是采用氢气浓燃，使燃烧在还原性气氛下进行，只有微量的氮氧化物生成，尾气主要成分是水蒸汽、氮气和未燃烧的过量氢气。氢燃料发动机的工作温度可通过改变燃料进量、尾气排气时间、空氢比例进行控制。
[0062] 氢燃料发动机气缸采用二冲程运行模式。气缸排出的带有一定压力的高温尾气通过尾气膨胀机79继续做功降压降温后，再进入三元催化器。在三元催化器内，尾气中未反应的少量氧气与未燃烧的过量氢气发生氧化化学反应，一定程度提高了尾气温度；同时尾气中的微量NOx在三元催化器内发生还原反应，NOx被还原成N2。经三元催化器净化后的尾气送到凝汽器，在凝汽器中进行换热将尾气中的水蒸汽全部冷凝下来，同时将尾气大部分
显热和大多数冷凝热供给尾气余热利用单元使用，由尾气余热利用单元利用余热和冷凝热发电。经过凝汽器99的尾气和冷凝水送到气液分离器9进行分离，分离后的冷凝水通过单向阀（防止倒流）进入冷却水箱30；分离后的气体经过氢气提纯单元86提纯氢气，氢气经氢气出口到氢化镁储罐1的水气入口，杂质气经外排管路外排。气液分离器和冷却水箱通过防冻剂补加口加入氯化钙，形成4%的氯化钙水溶液，在冬季可以耐受零下40℃的低温不结冰。冷却水箱出口分为三路，一路用于发动机和气缸的冷却；一路经过水过滤
膜过滤掉氯化钙，进入氢化镁储罐作为金属氢化镁的水化反应原料使用；一路到空气管路，必要时可以添加冷凝水，防止发动机气缸纯氢燃烧超温；所述氢燃料发动机设置油底壳；尾气余热利用单元的膨胀机与发动机同轴或不同轴连接，利用尾气余热利用单元弥补发动机的动力不足问题。
[0063] 实施例7本发明的氢燃料发动机动力系统的另一实施例如图13所示，包括ECU、氢燃料发动机、氢化镁储罐1、尾气膨胀机79、三元催化器7、涡轮增压单元58、尾气余热利用单元8、氢气提纯单元86、冷却水箱30、空气管路、气液分离器9和低压氢气缓冲罐56。涡轮增压单元58包括涡轮机64、压气机63和尾气压气机141，涡轮机64、压气机63和尾气压气机141同轴连接。氢燃料发动机为二冲发动机，包括气缸、缸盖和曲轴箱，缸盖设有火花塞36，气缸壁设有进气孔37和排气孔。氢化镁储罐的氢气出口设有氢气过滤膜2，气液分离器的气体出口设有气体过滤膜10，氢气提纯单元出口设有氢气分离膜100，冷却水箱30和气液分离器9设有排水口
129。气液分离器水出口设有单向阀39，气液分离器9和冷却水箱30设有防冻剂补加口32。
[0064] 氢化镁储罐1的氢气出口与低压氢气缓冲罐56连接，低压氢气缓冲罐出口分为两路，一路经涡轮增压单元58的尾气压气机141连接到气缸的进气孔37，一路连接到尾气余热利用单元，尾气余热利用单元通过换热氢气管路连接到氢化镁储罐形成循环，将氢化镁储罐中的热量传递给尾气余热利用单元，为尾气余热利用单元提供热源。空气管路经涡轮增压单元58的压气机63连接到氢燃料发动机的进气孔37。气缸的排气孔通过涡轮增压单元58的涡轮机64、三元催化器7和尾气余热利用单元8连接到气液分离器9。尾气余热利用单元通过换热管路与凝汽器的管程循环连通，尾气余热利用单元的发电机与外部电力系统电路连接。气液分离器的气体出口通过氢气提纯单元86连接到氢化镁储罐的水气入口，氢气提纯单元的杂质气出口连接到外排管路。气液分离器的水出口通过单向阀39连接到冷却水箱30，冷却水箱出口分为三路，一路通过循环冷却水管线31连接到气缸的夹套，气缸的夹套出口通过尾气余热利用单元8连接到冷却水箱30；一路通过水过滤膜33、伴热管线105连接到氢化镁储罐的水气入口；一路通过尾气冷凝水循环管19连接到空气管路，连接处设有水过滤膜33。
[0065] 本发明的氢燃料发动机动力系统的工作过程为：氢燃料发动机燃料氢气来源氢化镁储罐，氢化镁与水反应生成氢氧化镁和氢气：MgH2 + 2H2O = Mg（OH）2 +2 H2 ，反应在78℃常压下进行，产生0.14MPa—0.5MPa的氢气，储存在低压氢气缓冲罐中，从低压氢气缓冲罐出来0.14MPa—0.5MPa的氢气经涡轮增压后，通过进气孔37进入氢燃料发动机气缸内。在氢化镁储罐内有氢气、少量水蒸汽、金属氢化镁及氢氧化镁粉末，在氢气出口设置氢气过滤膜，氢气过滤膜只容许氢气通过，不容许其它气体和物质通过。空气经除尘净化后经涡轮增压单元加压到0.3MPa，通过进气孔37进入氢燃料发动机气缸内。在氢燃料发动机气缸内氢气与空气浓燃产生1400℃高温（氢气过量15%）推动活塞做功，还原气氛下氧气与氮气反应生成氮氧化物的转化率很低，尾气中氮氧化物含量30PPm以下。
[0066] 控制氮氧化物的生成和排放的主要方法是采用氢气浓燃，使燃烧在还原性气氛下进行，只有微量的氮氧化物生成，尾气主要成分是水蒸汽、氮气和未燃烧的过量氢气。
[0067] 氢燃料发动机气缸采用二冲程涡轮增压运行模式，采用二冲程运行模式，利用排出的尾气余压通过涡轮增压单元给空气加压，尾气温度由720℃降到520℃，充分利用尾气能量增加空气压力，提高发动机效率，在气缸排出的尾气中未反应的少量氧气与未燃烧的过量氢气在三元催化器中发生氧化化学反应，一定程度提高了尾气温度。尾气余热提供给尾气余热利用单元，尾气余热利用单元利用尾气余热发电。经过尾气余热利用单元利用后的低温尾气主要成分是：氮气、水蒸汽冷凝后的冷凝水、过量氢气和微量的氮氧化物，尾气经过气液分离器分离后，冷凝水通过单向阀（防止倒流）进入冷却水箱，作为气缸冷却介质冷却气缸同时回收热量。气液分离器和冷却水箱通过防冻剂补加口加入氯化钙，形成3.5%的氯化钙水溶液，在冬季可以耐受零下35度的低温不结冰。冷却水箱出口分为三路，一路通过循环冷却水管线连接到气缸的夹套，气缸的夹套通过尾气余热利用单元连接到冷却水箱30，用于发动机和气缸的冷却；一路连接到氢化镁储罐的水气入口，冷却水箱中的热水通过水过滤膜过滤掉氯化钙，热水进入氢化镁储罐作为金属氢化镁的水化反应原料使用；一路通过尾气冷凝水循环管连接到涡轮增压单元的空气入口，必要时可以添加冷凝水防止发动机气缸纯氢燃烧超温；所述氢燃料发动机设置油底壳；尾气余热利用单元的膨胀机与发动机同轴或不同轴连接，利用尾气余热利用单元弥补发动机的动力不足问题。
[0068] 实施例8本发明的氢燃料发动机动力系统的再一实施例如图14所示，包括ECU、氢燃料发动机、氢化镁储罐1、尾气膨胀机79、三元催化器7、涡轮增压单元58、尾气余热利用单元8、氢气提纯单元86、冷却水箱30、空气管路、气液分离器9和低压氢气缓冲罐56。涡轮增压单元58包括涡轮机64和压气机63，涡轮机64和压气机63同轴连接。氢燃料发动机为四冲程发动机，包括气缸5和曲轴箱35，缸体的顶部设有火花塞36、进气口38和排气孔，曲轴箱内设有曲轴，气缸内设有活塞43，活塞通过连杆与曲轴连接。氢化镁储罐的氢气出口设有氢气过滤膜2，气液分离器的气体出口设有气体过滤膜10，氢气提纯单元出口设有氢气分离膜100，冷却水箱30和气液分离器9设有排水口129。气液分离器水出口设有单向阀39，气液分离器9和冷却水箱
30设有防冻剂补加口32。
[0069] 氢化镁储罐1的氢气出口与低压氢气缓冲罐56连接，低压氢气缓冲罐出口分为两路，一路连接到空气管路的涡轮增压单元58的涡轮机64入口，一路连接到尾气余热利用单元，尾气余热利用单元通过换热氢气管路连接到氢化镁储罐形成循环，将氢化镁储罐中的热量传递给尾气余热利用单元，为尾气余热利用单元提供热源。空气管路经涡轮增压单元58的压气机63连接到氢燃料发动机的进气口38。气缸的排气孔通过涡轮增压单元58的涡轮机64、三元催化器7和尾气余热利用单元8连接到气液分离器9。尾气余热利用单元的发电机与外部电力系统电路连接。气液分离器的气体出口通过氢气提纯单元86连接到氢化镁储罐的水气入口，氢气提纯单元的杂质气出口连接到外排管路。气液分离器的水出口通过单向阀39连接到冷却水箱30，冷却水箱出口分为三路，一路通过循环冷却水管线31连接到气缸的夹套，气缸的夹套出口通过尾气余热利用单元8连接到冷却水箱30；一路通过水过滤膜
33、伴热管线105连接到氢化镁储罐的水气入口；一路通过尾气冷凝水循环管19连接到空气管路，连接处设有水过滤膜33。
[0070] 本发明的氢燃料发动机动力系统的工作过程为：氢燃料发动机燃料氢气来源氢化镁储罐，氢化镁与水反应生成氢氧化镁和氢气：MgH2 + 2H2O = Mg（OH）2 +2 H2 ，反应在72℃常压下进行，产生的氢气储存在低压氢气缓冲罐中，从低压氢气缓冲罐出来0.12MPa—0.2MPa的氢气与空气混合后经涡轮增压单元加压到0.35MPa，通过进气口进入氢燃料发动机气缸内。在氢化镁储罐内有氢气、氮气、少量水蒸汽、金属氢化镁及氢氧化镁粉末，在氢气出口设置氢气过滤膜，氢气过滤膜只容许氢气通过，不容许其它气体和物质通过。空气经过除尘净化与氢气混合后，经涡轮增压单元加压到0.35MPa，通过进气口进入氢燃料发动机气缸内，在氢燃料发动机气缸内氢气与空气浓燃产生1380℃高温（氢气过量12%）推动活塞做功，还原气氛下空气与氮气反应生成氮氧化物的转化率很低，尾气中氮氧化物含量18PPm以下。
[0071] 空气和氢气在缸内燃烧，为防止燃烧超温影响气缸及活塞寿命，采用喷入过量氢气浓燃的方式控制反应温度。控制氮氧化物的生成和排放的主要方法是采用氢气浓燃，使燃烧在还原性气氛下进行，只有微量的氮氧化物生成。尾气主要成分是水蒸汽、氮气和未燃烧的过量氢气。氢燃料发动机的工作温度可通过改变燃料进量、尾气排气时间、空氢比例进行控制。氢燃料发动机气缸采用四冲程涡轮增压运行模式，利用排出的尾气余压通过涡轮增压单元给空气加压，尾气温度由750℃降到550℃，空气压力由0.1MPa增加到0.35MPa，充分利用尾气能量增加空气压力，提高发动机效率。在气缸排出的尾气中未反应的少量氧气与未燃烧的过量氢气在三元催化器中发生氧化化学反应，一定程度提高了尾气温度。尾气余热提供给尾气余热利用单元，尾气余热利用单元利用尾气余热和冷凝热发电给蓄电池充电。经过尾气余热利用单元利用后的低温尾气主要成分是：氮气、水蒸汽冷凝后的冷凝水和过量氢气，尾气经过气液分离器分离后，冷凝水通过单向阀（防止倒流）进入冷却水箱，作为气缸冷却介质冷却气缸同时回收热量。气液分离器和冷却水箱通过防冻剂补加口加入防冻剂氯化钙形成2.5%的氯化钙水溶液，在冬季可以耐受零下25度的低温不结冰。冷却水箱出口分为三路，一路通过循环冷却水管线连接到气缸的夹套，用于发动机和气缸的冷却；一路连接到氢化镁储罐的水气入口，冷却水箱中的热水通过水过滤膜过滤掉氯化钙，热水进入氢化镁储罐作为金属氢化镁的水化反应原料使用；一路通过尾气冷凝水循环管连接到涡轮增压单元的空气入口，必要时可以添加冷凝水，防止发动机气缸纯氢燃烧超温；所述氢燃料发动机设置油底壳；尾气余热利用单元的膨胀机与发动机同轴或不同轴连接，利用尾气余热利用单元弥补发动机的动力不足问题。
