CN101260846B - 一种氢气发动机及其燃气喷射方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种氢气发动机，包括燃气供给系统、进气歧管、CNG专用火花塞和气缸，燃气供给系统在进入发动机缸盖的端部不同位置设燃气喷射器，氢气通过燃气喷射器直接喷入发动机的气缸内；或者氢气通过燃气喷射器在进气道与进气混合后间接喷入发动机的气缸内。采用上述技术方案，使发动机直接在气缸内喷射氢气，与普通氢气发动机相比，可采用更高的压缩比，获得更高的充气效率和热效率，增加了发动机的功率和扭矩，具有高动力输出、高响应速度等方面的优势，同时改善燃烧，降低了排放。采用缸内直接喷射与进气道间接喷射相结合的控制方式来解决早燃和回火问题，同时发挥了氢气发动机的最大潜能和排放优势。
Description
技术领域
本发明属于汽车构造的技术领域，涉及汽车发动机，更具体地说，本发明涉及一种氢气发动机。另外，本发明还涉及这种氢气发动机所采用的燃气喷射方法。
背景技术
目前市场上氢气发动机一般采用外部形成混合气的方式，通常采用化油器、进气歧管喷射和进气口喷射等方法形成混合气。对于氢气发动机，通过化油器输送燃料是最简单的燃料供给方法，但化油器发动机容易产生早燃和回火等不正常燃烧。燃气与空气在气道中混合后再进入气缸，导致氢气发动机的充气效率和热效率不高，输出功率不足。另外，还会造成排放的增加。
发明内容
本发明所要解决的问题是提供一种氢气发动机，其目的是增加动力输出、改善燃烧状况、降低排放。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：所提供的这种氢气发动机，包括燃气供给系统、进气歧管、CNG专用火花塞和气缸，所述的燃气供给系统在进入发动机缸盖的端部不同位置设燃气喷射器，氢气通过所述的燃气喷射器直接喷入发动机的气缸内；或者氢气通过所述的燃气喷射器在进气道与进气混合后间接喷入发动机的气缸内。
为使本发明更加完善，还进一步提出了以下的更为详尽和具体的技术方案，以获得最佳实用效果：
所述的燃气喷射器包括用于间接喷射的外部混合燃气喷射器和用于直接喷射的内部混合燃气喷射器。
所述的外部混合燃气喷射器通过进气歧管与气缸盖的连接口与所述的气缸相通。
所述的内部混合燃气喷射器直接通过缸盖与所述的气缸相通，且位于紧邻CNG专用火花塞的缸盖的中央位置。
所述的燃气供给系统按下面的氢气流动顺序设置：CNG钢瓶、电磁阀、压力调节装置、燃气喷轨，直至燃气喷射器。
所述的氢气发动机设燃气喷射电控单元，所述的燃气喷射电控单元通过信号线路分别与电磁阀、压力调节装置、外部混合燃气喷射器、内部混合燃气喷射器和CNG专用火花塞连接。
所述的与燃气喷射电控单元连接的信号线路，所述的信号线路包括工况信号向燃气喷射电控单元传送的信号反馈线路和燃气喷射电控单元发出控制指令的控制指令信号线路。
所述的氢气发动机，其配气系统采用可变气门相位及脉宽的正时机构。
为了实现与上述技术方案相同的发明目的，本发明还提供了以上所述的氢气发动机所采用的燃气喷射方法，该方法为：
通过燃气喷射电控单元根据发动机的运行工况进行控制，实现向气缸内直接喷射燃料和进气道间接喷射燃料的两种控制方式的转换；即在部分负荷时，在进气道间接喷射燃料；在全负荷时，在气缸内直接喷射燃料；
其中，气缸内直接喷射的控制方式为：在燃气喷射电控单元控制下，发动机在全负荷时采用进气终了后用缸内直接喷射器即内部混合燃气喷射器向缸内喷射氢气，点火正时适当推迟；进气道间接喷射的控制方式为：在燃气喷射电控单元控制下，发动机在部分负荷时采用外部的低压喷油器即外部混合燃气喷射器在进气道将氢气与进气混合后向缸内间接喷射氢气；
在直接喷射时，压力调节装置在燃气喷射电控单元控制下，将CNG钢瓶内的氢气的压力降低，直接向气缸内喷射。
本发明采用上述技术方案，使发动机在全负荷工况时直接在气缸内喷射氢气，通过对喷气相位正时及喷气脉宽正时的精确控制，从而精确控制喷气量；与普通氢气发动机相比，缸内直喷氢气发动机可采用更高的压缩比，获得更高的充气效率和热效率，增加了发动机的功率和扭矩，具有高动力输出、高响应速度等方面的优势，同时改善燃烧，降低了排放。本发明采用缸内直接喷射与进气道间接喷射相结合的控制方式来解决早燃和回火问题，同时发挥了氢气发动机的最大潜能和排放优势。
附图说明
下面对本说明书的附图所表达的内容及图中的标记作简要说明：
图1为本发明的结构示意图。
图中标记为：1、CNG钢瓶，2、电磁阀，3、压力调节装置，4、燃气喷轨，5、燃气喷射电控单元，6、进气歧管，7、外部混合燃气喷射器，8、缸盖，9、活塞，10、气缸，11、排气歧管，12、内部混合燃气喷射器，13、CNG专用火花塞。
具体实施方式
下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式如所涉及的各构件的形状、构造、各部分之间的相互位置及连接关系、各部分的作用及工作原理、制造工艺及操作使用方法等，作进一步详细的说明，以帮助本领域的技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。
如图1所表达的本发明的结构，本发明为一种氢气发动机，其配气及燃烧结构包括燃气供给系统、进气歧管6、CNG专用火花塞13、气缸10，缸盖8、具备一定表面特征形状的活塞9、排气歧管11等。所述的燃气供给系统设有CNG钢瓶1及相应的燃气管道、控制元件。
为了解决在本说明书背景技术部分所述的目前公知技术存在的问题并克服其缺陷，实现增加动力输出、改善燃烧状况、降低排放的目的，本发明采取的技术方案为：如图1所示，本发明在上述的燃气供给系统在进入发动机缸盖的端部不同位置设燃气喷射器，氢气通过所述的燃气喷射器直接喷入发动机的气缸10内；或者氢气通过所述的燃气喷射器在进气道与进气混合后间接喷入发动机的气缸10内。
结合缸内直喷和进气道喷射氢气的发动机，安装有专用氢气喷嘴及可变气门正时机构的缸盖8等。该发动机由内部和外部燃料和气体混合两种方式相结合的系统，可以使发动机在部分负荷时，在外部混合形式及低压下运转。通过VVT根据不同工况调整发动机配气相位，提高充气效率并实现内部EGR对NOX排放进行控制，从而达到高输出低排放和低气耗的目的，同时避免早燃及回火问题。
在缸内直接喷射氢气的发动机，达到与传统汽油机相似的性能，并且可以实现稀燃状态下的高功率输出，同时达到改善燃烧，提高性能，降低排放。氢气直接喷射到气缸内，提高了充气效率；同时缸内直喷结合进气道间接喷射的控制方式来解决早燃和回火问题。通过对喷气时刻及喷气脉宽的精确控制，从而精确控制喷气量；与普通氢气发动机相比，缸内直喷氢气发动机可采用更高的压缩比，获得更高的充气效率，带来高动力输出、高响应速度等方面的优势，同时改善燃烧状况。
在外部混合及当量工况下，通过优化喷射和气门正时可使发动机负荷升至IMEP＝9bar。由于氢气替代空气，这将比直喷汽油机降低30％的指示平均有效压力。氢直喷发动机所达到的负荷明显超出当前的汽油机(在相似空燃比下最大指示有效平均压力为12-13bar)。排放、油耗明显低于同功率的氢气发动机。比汽油机更高的燃烧速率以及减少了由不完全燃烧所造成的损失，也有助于增加动力输出。
为了使本发明更为完善，还提供以下实施示例作为本发明在具体实施时的参考：
实施例一：
以上技术所述的燃气喷射器包括用于间接喷射的外部混合燃气喷射器7和用于直接喷射的内部混合燃气喷射器12。
通过这两个不同的燃气喷射器实现直接喷射和间接喷射。并根据实际工况的需要，控制相应的燃气喷射器的在不同的状况下进行燃气喷射，或停止喷射。两种燃气喷射器的结合，实现所述的发明目的。
实施例二：
实施例一中所述的外部混合燃气喷射器7的结构安装方式：是通过进气歧管6与气缸盖8的连接口与所述的气缸10相通。
外部混合燃气喷射器7可使用3.5bar的KEIHIN二代CNG喷射器来实现喷射。外部混合燃气喷射器7将氢气在进气道混合，间接喷入气缸10。
实施例三：
实施例一中所述的内部混合燃气喷射器12的结构安装方式：是直接通过缸盖8与所述的气缸10相通，且位于紧邻CNG专用火花塞13的缸盖8的中央位置。
内部混合燃气喷射器12直接将氢气喷在气缸内。由于位于气缸中央位置的内部混合燃气喷射器12直喷在CNG专用火花塞13附近(进气门与排气门之间)，提高了充气效率，提升发动机的功率。
实施例四：
上述实施例中所述的燃气供给系统按下面的氢气流动顺序设置：CNG钢瓶1、电磁阀2、压力调节装置3、燃气喷轨4，直至燃气喷射器。
氢气从专用氢气钢瓶流经电磁阀，经压力调节装置压到10Mpa左右，经氢气喷嘴直接向气缸内喷入氢气。
高压氢气经CNG钢瓶1流出，经过电磁阀2、调节氢气压力用的压力调节装置3，从专用喷轨4均匀分配到每个燃气专用喷射器7或12中，再由喷射器7或12直接喷入进气道或者气缸内。
CNG钢瓶1相当于燃油发动机的油箱，用于储存燃气即氢气；电磁阀2用于控制气路的通断；压力调节装置3用于调节燃气的压力，主要进行燃气的减压；专用喷轨4用于向各个气缸均匀分配燃气。
实施例五：
所述的氢气发动机设燃气喷射电控单元5，即燃气ECU5，所述的燃气喷射电控单元5(ECU)通过信号线路分别与电磁阀2、压力调节装置3、外部混合燃气喷射器7、内部混合燃气喷射器12和CNG专用火花塞13连接。
通过燃气ECU 5对燃气压力调节装置3、两个喷油器(即外部混合燃气喷射器7和内部混合燃气喷射器12)、CNG专用火花塞13、电磁阀2进行控制，从而保证最佳点火和喷油时刻，根据信号反馈精确控制发动机的进气量，根据工况的不同控制两个喷油器的工作。
实施例六：
所述的与燃气喷射电控单元5连接的信号线路，所述的信号线路包括工况信号向燃气喷射电控单元5传送的信号反馈线路和燃气喷射电控单元5发出控制指令的控制指令信号线路。
在图1中，信号线路上的箭头指向ECU的，均为向ECU传送的信号反馈线路；信号线路上的箭头指向各个其它部件的线路，均为ECU发出控制指令的控制指令信号线路。在各部件上均设有工况传感器，用于获得各个部件的实际工作状态的信息，并反馈给ECU，ECU根据设定的程序和实际数据进行分析、判断，并作出决策，发出指令给各个部件，实现满足不同需要的动作控制。
实施例七：
本发明所述的氢气发动机，其配气系统采用可变气门相位及脉宽的正时机构。
通过正时机构对喷气时刻及喷气脉宽的精确控制，从而精确控制喷气量，满足在不同的工况下对燃气的需求。点火正时适当推迟可以大幅提高氢气发动机的充气效率，从而提高发动机的功率。
实施例八：
为了实现与上述技术方案相同的发明目的，本发明还提供了以上所述的氢气发动机所采用的燃气喷射方法，该方法为：
通过燃气喷射电控单元5根据发动机的运行工况进行控制，实现向气缸10内直接喷射燃料和进气道间接喷射燃料的两种控制方式的转换；即在部分负荷时，在进气道间接喷射燃料；在全负荷时，在气缸内直接喷射燃料；
其中，气缸内直接喷射的控制方式为：在燃气喷射电控单元5控制下，发动机在全负荷时采用进气终了后用缸内直接喷射器即内部混合燃气喷射器12向缸内喷射氢气，点火正时适当推迟；进气道间接喷射的控制方式为：在燃气喷射电控单元5控制下，发动机在部分负荷时采用外部的低压喷油器即外部混合燃气喷射器7在进气道将氢气与进气混合后向缸内间接喷射氢气；
在直接喷射时，压力调节装置3在燃气喷射电控单元5控制下，将CNG钢瓶1内的氢气的压力降低，直接向气缸内喷射。
在部分负荷时采用外部的外部混合燃气喷射器7，可以极大地降低NOx的排放；全负荷时采用进气终了后用内部混合燃气喷射器12，点火正时适当推迟可以大幅提高氢气发动机的充气效率，从而提高发动机的功率。
ECU根据进气量计算喷油量，由氢气压力调节装置3将高压的CNG钢瓶1内近15Mpar的氢气减压到10Mpar左右，直接向缸内喷射。通过VVT(可变气门机构)根据不同工况调整发动机配气相位，提高充气效率并实现内部EGR(废气再循环)对NOX的排放进行控制。采用内部和外部混合相结合的系统，可以使氢发动机运行在较好的工况下。
上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。
Claims (1)
1.一种氢气发动机的燃气喷射方法，其特征在于：
通过燃气喷射电控单元(5)根据发动机的运行工况进行控制，实现向气缸(10)内直接喷射燃料和进气道间接喷射燃料的两种控制方式的转换；即在部分负荷时，在进气道间接喷射燃料；在全负荷时，在气缸内直接喷射燃料；
其中，气缸内直接喷射的控制方式为：在燃气喷射电控单元(5)控制下，发动机在全负荷时采用进气终了后用缸内直接喷射器即内部混合燃气喷射器(12)向缸内喷射氢气，点火正时适当推迟；进气道间接喷射的控制方式为：在燃气喷射电控单元(5)控制下，发动机在部分负荷时采用外部的低压喷油器即外部混合燃气喷射器(7)在进气道将氢气与进气混合后向缸内间接喷射氢气；
在直接喷射时，压力调节装置(3)在燃气喷射电控单元(5)控制下，将CNG钢瓶(1)内的氢气的压力降低，直接向气缸内喷射。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |