CN103670808A - 一种氢燃料发动机氢气组合喷射及氢空气混合方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种氢内燃机氢气射流分散及氢空气混合方法，其中，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，基于模型仿真确定两个喷氢阀的夹角和位置；步骤三，安装喷氢阀：根据仿真得到两个喷氢阀的夹角和位置，将氢气喷嘴安装在内燃机内。本发明通过在气道内合理设置喷氢阀，使氢气射流发生对撞，加快氢空气的混合速度，改善氢气的扩散效果，增大氢空气的混合均匀性，实现混合气的均匀混合。

Description

一种氢燃料发动机氢气组合喷射及氢空气混合方法

技术领域

本发明主要涉及发动机领域，具体为一种氢燃料发动机氢气组合喷射及氢空气混合方法。 

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双重需求。氢气是一种可再生清洁燃料，其燃烧速度快、可燃范围广、点火能量低，作为燃料应用于传统发动机不需要做较大的改动，是一种很有前景的替代燃料。 

进气道顺序喷射是目前应用最广泛的氢内燃机燃料供给方式，这种方式不需对发动机本体进行改动，技术难度不大，同时由于喷射脉宽可以精确控制，燃料的供给精度很高。但在氢发动机高速工作时氢气供应能力不足，氢空气混合不够充分和均匀。 

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种氢燃料发动机氢气组合喷射及氢空气混合方法，不仅能够提高氢燃料发动机的氢气供应能力，也能通过射流相撞促进氢气射流的分散，提高氢气和空气的混合速度，提高氢空气混合均匀性。 

本发明采用以下技术方案： 

一种氢燃料发动机氢气组合喷射及氢空气混合方法，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。 

基于具体的氢气发动机，建立包含进气管，氢气喷嘴，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，计算氢气射流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、不同喷射夹角和不同喷射压力下对混合速度和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：根据仿真得到的氢气喷嘴位置，在氢气发动机内安装两个氢气喷嘴，两个氢气喷嘴成夹角设置，两个氢气喷嘴的射流交叉。 

作为优选，所述氢气喷嘴设在氢燃料发动机节气门与进气门之间的进气岐管内。 

作为优选，所述氢气喷嘴之间夹角为30°～90°。 

一种氢燃料发动机，其进气系统设有氢气喷嘴、节气门、进气歧管、进气门、排气门和气缸，其中，所述的进气歧管内设有两个氢气喷嘴，两个氢气喷嘴成夹角设置。 

在燃料喷射过程中，采用一定氢气喷射压力P，两个喷嘴同时开启并且使两股氢气的喷射成一定夹角以实现两股氢气射流相撞，迫使射流强制破碎，增大氢空气接触面积，提高气体的相互扩散速度，改善氢气和空气的混合过程。 

作为优选，所述氢气喷嘴设在发动机节气门与进气门之间。 

本发明的有益效果是： 

本发明不仅能够实现发动机氢气喷射量的增加，同时能够最大限度的提高氢气和空气的扩散速度，实现氢气与空气的充分混合。在一定喷射压力下，两个氢气喷嘴喷射方向成一定夹角保证在氢气喷射的过程中，两股射流交叉，高速流动的氢气射流撞击使氢气射流强制破碎，以改善氢气的混和过程。利用本发明的方法能够有效促进氢气与空气的混合，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是本发明氢燃料发动机的结构示意图； 

图2是本发明氢燃料发动机氢气的喷射示意图； 

图3是氢燃料发动机采用单一喷嘴喷射，燃料与空气混合气在气缸内的分布云图 

图4是两个氢气喷嘴夹角为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5是两个氢气喷嘴夹角为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6是两个氢气喷嘴夹角为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7是两个氢气喷嘴夹角为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8是两个氢气喷嘴夹角为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9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，本发明的氢燃料发动机包括壳体，壳体内设有氢气喷嘴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，氢气喷嘴2与氢气喷嘴1成夹角设置。氢气喷嘴1和2设在氢气发动机节气门3与进气门5之间。氢气喷嘴2的喷射角度与氢气喷嘴1喷射角度交叉。在进气过程中氢气喷射压力不变,优选氢气喷射压力,优选氢气喷射的相对角度，实现氢气与氢气射流的撞击，改善破碎和混合效果。能够显著改善氢内燃机混合气的均匀性，对氢气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。 

基于具体的氢气发动机，建立包含进气管，喷嘴，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，确定氢气喷嘴的角度； 

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 氢气发动机内安装氢气喷嘴，氢气喷嘴之间成夹角设置，形成射流交叉。 

本实施例中，选定一款4缸PFI氢发动机，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，氢气喷嘴喷射压力0.3-0.5MPa。 

由图3可知：安装单一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1.8，最小当量燃空比接近0.2。 

采用2个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4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1.6,最小当量燃空比约为0.5；图5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1.4，最小局部当量燃空比约为0.6；图6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0.5；图7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1.5，最小当量空燃比约为0.5;图8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1.3，最小当量空燃比约为0.7。 

图9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0.21；而采用氢气喷嘴，喷射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0.15、0.09、0.14、0.12、0.08。 

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。可以确定最终氢气喷嘴的位置、夹角、喷射压力。氢气喷嘴的安装位置示意图如图1，氢气喷嘴设在氢气发动机节气门与进气门之间的进气岐管内，两个氢气喷嘴成一定夹角。 

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，如改变喷氢阀的安装位置，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 (4)

1.一种氢燃料发动机氢气组合喷射及氢空气混合方法，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： 

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； 

基于具体的氢发动机，建立包含进气管，氢气喷嘴，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，计算氢气射流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，两个氢气喷嘴成夹角设置，形成射流交叉。 

2.根据权利要求1所述的一种氢燃料发动机氢气组合喷射及氢空气混合方法，其特征在于：所述氢气喷嘴设在氢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或2所述的一种氢燃料发动机氢气组合喷射及氢空气混合方法，其特征在于：所述氢气喷嘴之间的夹角为30°～90°。 

4.一种氢燃料发动机，包括壳体，壳体内设有氢气喷嘴、节气门、进气歧管、进气门、排气门和气缸，其特征在于：所述的进气歧管内设有两个 氢气喷嘴，所述氢气喷嘴之间成夹角设置。 

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