CN103321762A - 一种氢/汽油双燃料发动机气液燃料混合方法及其混合装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种氢/汽油双燃料发动机的气液燃料混合方法及混合装置，采用如下步骤：步骤一，确定混合气均匀性评价指标，采用缸内混合气不均匀系数n_index来评价缸内混合气的混合均匀性：步骤二，建立进气道和气缸的CFD仿真模型，基于模型仿真确定氢气喷嘴位置和喷射夹角以及喷射压力；步骤三，安装氢气喷嘴：根据三维仿真模型中的氢气喷嘴的位置，在汽油发动机内安装氢气喷嘴，氢气喷嘴与汽油喷嘴成夹角设置，氢气喷嘴和汽油喷嘴的射流交叉。本发明不仅能够实现发动机同时燃用氢气和汽油两种燃料，同时能够最大限度的改善汽油的雾化过程，实现汽油、氢气与空气的充分混合和扩散。

Description

一种氢/汽油双燃料发动机气液燃料混合方法及其混合装置

技术领域

本发明主要涉及发动机领域，具体为一种氢/汽油双燃料发动机气液燃料混合方法及其混合装置。

背景技术

石油资源逐渐短缺与生态环境不断恶化是21世纪人类面临的严峻问题，汽车工业的可持续发展必须满足节能和环保的迫切需求。氢气作为一种清洁燃料，具有燃烧速度快、可燃范围广以及点火能量低等优点，非常适合作为传统内燃机的替代燃料或与传统燃料进行掺混燃烧以改善燃烧和排放性能。目前，汽油和氢气掺混燃烧的研究日益受到广泛关注，最大程度的发挥氢气和汽油的优势，不仅能够改善发动机的燃烧性能，而且能够有效提高发动机的排放性能。

为了实现氢气与传统燃料的掺混燃烧，一般采用软管将氢气引入到气缸进气门附近，这种方式虽然简单易于实施，但是系统密封性能较差，改变了进气门等结构增加了成本；另外，由于氢气的引入位置在进气门附近，它并没有改变传统液体燃料与空气混合的不均匀性。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种氢/汽油双燃料发动机气液燃料混合方法及其混合装置，不仅能够实现发动机同时燃用氢气和汽油两种燃料，同时能够最大限度的改善汽油的雾化过程，实现汽油、氢气与空气的充分混合和扩散。

本发明采用以下技术方案：

一种氢/汽油双燃料发动机的气液燃料混合方法，其中，采用如下步骤：

步骤一，确定混合气均匀性评价指标，采用缸内混合气不均匀系数n_index来评价缸内混合气的混合均匀性：

将气缸分成有限个体积单元，在单元小于一定尺度的时候，认为每个单元内的混合气完全均匀，以φ_i表示单元i的当量燃空比，V_i表示单元i的体积，V表示整个气缸的体积，φ_avg表示平均当量燃空比；则：

$n_{\mathrm{index}}=\frac{\mathrm{\Σ}|{\mathrm{\φ}}_i-{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{avg}}|V_i}{\mathrm{\Σ}{\mathrm{\φ}}_i{V}_i}---\left(1\right)$

${\mathrm{\φ}}_{\mathrm{avg}}=\frac{\mathrm{\Σ}{\mathrm{\φ}}_i{V}_i}{V}---\left(2\right)$

步骤二，建立进气道和气缸的CFD仿真模型，基于模型仿真确定氢气喷嘴位置和喷射夹角以及喷射压力。

基于具体的汽油发动机，建立包含进气管，喷油嘴，气门，气缸在内的三维实体模型，导入CFD仿真软件后生成三维网格；确定工况，计算氢气、汽油与空气混合气的气流运动和混合规律，得到氢气喷嘴在不同位置处、不同喷射夹角和不同喷射压力下对不均匀性的影响规律，确定氢气喷嘴的位置；

步骤三，安装氢气喷嘴：根据三维仿真模型中的氢气喷嘴的位置，在汽油发动机内安装氢气喷嘴，氢气喷嘴与汽油喷嘴成夹角设置，氢气喷嘴和汽油喷嘴的射流交叉。

作为优选，所述氢气喷嘴设在汽油发动机节气门与进气门之间的进气岐管内。

作为优选，所述氢气喷嘴的喷射压力为0.3Mpa～0.5Mpa。

作为优选，所述氢气喷嘴的喷射压力为0.4Mpa。

作为优选，所述氢气喷嘴与汽油喷嘴的夹角为30°～90°。

作为优选，所述氢气喷嘴与汽油喷嘴的夹角为60°。

一种氢/汽油双燃料发动机气液燃料混合装置，包括进气管壳体，进气管壳体内设有汽油喷嘴、节气门和进气歧管，其中，所述的进气歧管内设有氢气喷嘴，所述氢气喷嘴与汽油喷嘴成夹角设置。

在燃料喷射过程中，采用一定氢气喷射压力P，汽油与氢气的喷射同时进行并且汽油与氢气的喷射成一定夹角以实现氢气喷射射流能够与汽油射流相撞，迫使汽油油滴强制破碎并雾化、蒸发，改善汽油、氢气和空气的混合过程。

作为优选，所述氢气喷嘴设在汽油发动机节气门与进气门之间。

作为优选，所述氢气喷嘴与汽油喷嘴的夹角为30°～90°。

本发明的有益效果是：

本发明不仅能够实现发动机同时燃用氢气和汽油两种燃料，同时能够最大限度的改善汽油的雾化过程，实现汽油、氢气与空气的充分混合和扩散。在一定喷射压力下，氢气喷嘴与汽油喷嘴喷射方向成一定夹角保证在汽油喷射的过程中，氢气射流与汽油射流交叉，高速流动的氢气使汽油油滴强制破碎并雾化，以改善汽油的蒸发、破碎和雾化过程。特别是在发动机低温起动工况时，该方法避免了传统汽油机在低温情况为下实现发动机顺利起动而引起的喷油过多和油滴蒸发、破碎、雾化程度不足造成的混合气不均进而导致的排放性能恶化现象。利用本发明的方法能够有效促进汽油、氢气与空气的混合，较易形成均质混合气，对改善发动机的燃烧过程、提高发动机的运转稳定性具有重要的使用价值。

附图说明

图1是本发明氢/汽油双燃料发动机的结构示意图；

图2是本发明氢/汽油双燃料发动机汽油与氢气的喷射示意图；

图3是汽油发动机的汽油喷射示意图；

图4是汽油发动机喷射汽油时，燃料与空气混合气在气缸内的分布云图；

图5是氢/汽油双燃料发动机的氢气喷嘴与汽油喷嘴夹角为30°喷射压力0.4MPa，燃料与空气混合气在气缸内的分布云图；

图6是氢/汽油双燃料发动机的氢气喷嘴与汽油喷嘴夹角为60°喷射压力0.4MPa，燃料与空气混合气在气缸内的分布云图；

图7是氢/汽油双燃料发动机的氢气喷嘴与汽油喷嘴夹角为90°喷射压力0.4MPa，燃料与空气混合气在气缸内的分布云图；

图8是氢/汽油双燃料发动机的氢气喷嘴与汽油喷嘴夹角为60°喷射压力0.3MPa，燃料与空气混合气在气缸内的分布云图；

图9是氢/汽油双燃料发动机的氢气喷嘴与汽油喷嘴夹角为60°喷射压力0.5MPa，燃料与空气混合气在气缸内的分布云图；

图10是计算得到的不均匀系数对比图。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明作进一步描述：

如图1所示，本发明的氢/汽油双燃料发动机内设有汽油喷嘴1、氢气喷嘴2、节气门3、进气歧管4、进气门5、排气门6和气缸7，进气歧管4内设有氢气喷嘴2，氢气喷嘴2与汽油喷嘴1成夹角设置。氢气喷嘴2设在汽油发动机节气门3与进气门5之间。氢气喷嘴2的喷射角度与汽油喷嘴1喷射角度交叉。在进气过程中汽油喷射压力不变,优选氢气喷射压力0.3Mpa～0.5Mpa，优选通过汽油和氢气喷射的相对角度为30°～90°，汽油和氢气同时喷射，实现氢气与汽油射流的撞击，改善燃油破碎、雾化和蒸发效果。

将氢/汽油双燃料发动机的气液双燃料喷射混合过程（图2所示）与汽油发动机的燃料喷射混合过程（图3所示）进行对比，得出：本发明的混合方法能够实现在汽油喷射过程中，汽油油滴被氢气射流强制破碎，改善汽油的雾化过程。特别是在低温环境下，传统发动机为了实现汽车的顺利起动，通常采用加大汽油喷射量的办法，形成过浓混合气以改善汽油低温蒸发、雾化变差的现象，但是这会导致发动机的排放性能恶化且降低了汽车的经济性。通过该装置能够有效改善低温环境下的汽油雾化过程，减少喷油量，使发动机的起动过程更加顺利，同时排放性能得到显著改善。

汽油喷射过程与氢气喷射过程同步进行，由于氢气的喷射流速较高，高速氢气能够有效促进汽油油滴的破碎、蒸发和雾化过程，能够显著改善汽油机混合气的均匀性，特别是低温起动过程的燃油混合效果，对汽油掺氢发动机的应用和推广具有重要的使用价值。

本发明的方法采用如下步骤：

步骤一，确定混合气均匀性评价指标，采用缸内混合气不均匀系数n_index来评价缸内混合气的混合均匀性：

将气缸分成有限个体积单元，在单元小于一定尺度的时候，认为每个单元内的混合气完全均匀，以φ_i表示单元i的当量燃空比，V_i表示单元i的体积，V表示整个气缸的体积，φ_avg表示平均当量燃空比；则：

$n_{\mathrm{index}}=\frac{\mathrm{\Σ}|{\mathrm{\φ}}_i-{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{avg}}|V_i}{\mathrm{\Σ}{\mathrm{\φ}}_i{V}_i}---\left(1\right)$

${\mathrm{\φ}}_{\mathrm{avg}}=\frac{\mathrm{\Σ}{\mathrm{\φ}}_i{V}_i}{V}---\left(2\right)$

由式（1）可知，不均匀系数n_index越小，各体积单元的混合气燃空比和缸内平均当量燃空比的差值越小，混合气均匀性越好。

步骤二，建立进气道和气缸的CFD仿真模型，基于模型仿真确定氢气喷嘴位置和喷射夹角以及喷射压力。

基于具体的汽油发动机，建立包含进气管，喷油嘴，气门，气缸在内的三维实体模型，导入CFD仿真软件后生成三维网格；确定工况，计算氢气、汽油与空气混合气的气流运动和混合规律，得到氢气喷嘴在不同位置处、不同喷射夹角和不同喷射压力下对不均匀性的影响规律，确定氢气喷嘴的位置；

步骤三，安装氢气喷嘴：根据三维仿真模型中的氢气喷嘴的位置，在汽油发动机内安装氢气喷嘴，氢气喷嘴与汽油喷嘴成夹角设置，氢气喷嘴和汽油喷嘴的射流交叉。

本实施例中，选定一款4缸PFI氢内燃机，其基本技术参数为：排量2.0L,缸径87mm，冲程86mm，连杆长度125mm，气缸余隙高度1.3mm，压缩比10，进气道内径40mm，汽油喷嘴喷射压力0.3MPa。

由图4可知：不安装氢气喷嘴时混合气最为不均匀，气缸内局部的最大当量燃空比接近2.0，最小当量燃空比接近0。

加装氢气喷嘴且喷射夹角和喷射压力分别取一定值时，燃料与空气混合气在气缸内的分布云图如下图5、6、7、8、9。

图5为喷射夹角30°和氢气喷射压力0.4MPa情况下，气缸内局部最大当量燃空比为1.8,最小当量燃空比约为0.4；图6为喷射夹角60°和氢气喷射压力0.4MPa情况下，最大局部当量燃空比约为1.6，最小局部当量燃空比约为0.2；图7为喷射夹角90°和氢气喷射压力0.4MPa情况下，气缸内局部最大当量空燃比约为1.6，最小当量空燃比约为0.8；图8为喷射夹角60°和氢气喷射压力0.3MPa情况下，缸内局部最大当量空燃比约为1.8，最小当量空燃比约为0.6；图9为喷射夹角60°和氢气喷射压力0.5MPa情况下，缸内局部最大当量空燃比约为1.2，最小当量空燃比约为0.2。

图10是计算得到的不均匀系数对比，无氢气喷嘴缸内混合气的不均匀系数达到0.37，而采用氢气喷嘴，喷射夹角（氢气喷嘴与汽油喷嘴的夹角）和喷射压分别为（30°，0.4MPa）、（60°，0.4MPa）、（90°，0.4MPa）、（60°，0.3MPa）、（60°，0.5MPa）时不均匀系数分别为0.18、0.11、0.14、0.23、0.16。即在喷射夹角为60°，氢气喷射压力为0.4Mpa时为最优的实施方式。

增加氢气喷嘴用于本发动机对混合气均匀性的提高较为显著，氢气喷嘴的安装位置示意图如图1，氢气喷嘴设在汽油发动机节气门与进气门之间的进气岐管内，与汽油喷嘴成一定夹角。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种氢/汽油双燃料发动机的气液燃料混合方法及混合装置，其特征在于：采用如下步骤：

步骤一，确定混合气均匀性评价指标，采用缸内混合气不均匀系数n_index来评价缸内混合气的混合均匀性：

将气缸分成有限个体积单元，在单元小于一定尺度的时候，认为每个单元内的混合气完全均匀，以φ_i表示单元i的当量燃空比，V_i表示单元i的体积，V表示整个气缸的体积，φ_avg表示平均当量燃空比；则：

$n_{\mathrm{imdex}}=\frac{\mathrm{\Σ}|{\mathrm{\φ}}_i-{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{avg}}|V_i}{\mathrm{\Σ}{\mathrm{\φ}}_i{V}_i}---\left(1\right)$

${\mathrm{\φ}}_{\mathrm{avg}}=\frac{\mathrm{\Σ}{\mathrm{\φ}}_i{V}_i}{V}---\left(2\right)$

步骤二，建立进气道和气缸的CFD仿真模型，基于模型仿真确定氢气喷嘴位置和喷射夹角以及喷射压力；

基于具体的汽油发动机，建立包含进气管，喷油嘴，气门，气缸在内的三维实体模型，导入CFD仿真软件后生成三维网格；确定工况，计算氢气、汽油与空气混合气的气流运动和混合规律，得到氢气喷嘴在不同位置处、不同喷射夹角和不同喷射压力下对不均匀性的影响规律，确定氢气喷嘴的位置；

步骤三，安装氢气喷嘴：根据三维仿真模型中的氢气喷嘴的位置，在汽油发动机内安装氢气喷嘴，氢气喷嘴与汽油喷嘴成夹角设置，氢气喷嘴和汽油喷嘴的射流交叉。

2.根据权利要求1所述的一种氢/汽油双燃料发动机的气液燃料混合方法，其特征在于：所述氢气喷嘴设在汽油发动机节气门与进气门之间的进气岐管内。

3.根据权利要求1所述的一种氢/汽油双燃料发动机的气液燃料混合方法，其特征在于：所述氢气喷嘴的喷射压力为0.3Mpa～0.5Mpa。

4.根据权利要求1所述的一种氢/汽油双燃料发动机的气液燃料混合方法，其特征在于：所述氢气喷嘴的喷射压力为0.4Mpa。

5.根据权利要求1或2所述的一种氢/汽油双燃料发动机的气液燃料混合方法，其特征在于：所述氢气喷嘴与汽油喷嘴的夹角为30°～90°。

6.根据权利要求1或2所述的一种氢/汽油双燃料发动机的气液燃料混合方法，其特征在于：所述氢气喷嘴与汽油喷嘴的夹角为60°。

7.一种氢/汽油双燃料发动机气液燃料混合装置，包括进气管壳体，进气管壳体内设有汽油喷嘴、节气门和进气歧管，其特征在于：所述的进气歧管内设有氢气喷嘴，所述氢气喷嘴与汽油喷嘴成夹角设置。

8.根据权利要求7所述的一种氢/汽油双燃料发动机气液燃料混合装置，其特征在于：所述氢气喷嘴设在汽油发动机节气门与进气门之间。

9.根据权利要求8所述的一种氢/汽油双燃料发动机气液燃料混合装置，其特征在于：所述氢气喷嘴与汽油喷嘴的夹角为30°～90°。

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