CN111219269A - 基于液氢燃料活塞发动机的部分预混燃烧系统及发动机 - Google Patents

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Abstract

一种基于液氢燃料活塞发动机的部分预混燃烧系统及发动机，该部分预混燃烧系统，其特征在于，包括：液氢存储装置，用于存储液氢；至少一个气缸装置，其分别通过高压液氢装置和低压液氢装置与液氢存储装置连接；排气单元，用于排出气缸装置内的气体；控制装置，用于控制高压液氢装置和低压液氢装置的喷射以及气缸装置的火花塞点火。本发明提高了发动机的效率和总功率、提高了燃烧稳定性、降低发动机的氮氧化物排放。

Description

基于液氢燃料活塞发动机的部分预混燃烧系统及发动机
技术领域
本发明属于发动机技术领域，尤其是一种基于液氢燃料活塞发动机的部分预混燃烧系统及发动机。
背景技术
近年来，汽油机和柴油机高速发展，然而汽油和柴油都不是可再生能源，为了缓解能源匮乏以及减少污染物的排放，需要寻找一种更清洁的燃料。氢能源是一种可再生能源，氢元素也是宇宙中最广泛存在的元素，而且氢的燃烧能够实现碳零排放，燃氢发动机可以很好地解决石油燃料储量有限和环境污染问题。
氢燃料作为发动机燃料时，可以提高热效率，提高发动机的启动性，并且能够较容易地实现稀薄燃烧，提高燃油利用率。但是氢气作为发动机燃料时，也会产生异常燃烧的情况，如采用预混燃烧方式时，大量的混合气进入燃烧室之后同时燃烧，会产生压力波动和爆震现象；在高压缩比，高负荷条件下，氢发动机燃烧放出大量的热量，使得排温升高，增加氮氧化物排放；混合气在火花塞点火之前，可能会被燃烧室内炽热点点燃引起早燃。氢发动机在工作过程不会产生碳氢化合物，因此氢燃料发动机降低污染的主要目标使减少NOx污染物的排放，其中最主要的是减少热力学NOx的产生，因此需要避免燃烧室中出现局部高温，尽可能地使燃烧均匀，使氮氧化物的排放量处于一个较低水平。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的之一在于提出一种基于液氢燃料活塞发动机的部分预混燃烧系统及发动机，以期至少部分地解决上述技术问题中的至少之一。
为了实现上述目的，作为本发明的一个方面，提供了一种基于液氢燃料活塞发动机的部分预混燃烧系统，包括：
液氢存储装置，用于存储液氢；
至少一个气缸装置，其分别通过高压液氢装置和低压液氢装置与液氢存储装置连接；
排气单元，用于排出气缸装置内的气体；以及
控制装置，用于控制高压液氢装置和低压液氢装置的喷射以及气缸装置的火花塞点火。
作为本发明的另一个方面，还提供了一种发动机，内含有如上所述的部分预混燃烧系统。
基于上述技术方案可知，本发明的基于液氢燃料活塞发动机的部分预混燃烧系统及发动机相对于现有技术至少具有以下优势之一：
1、提高了发动机的效率和总功率
利用液氢的冷能，降低了进气温度，增加了气缸进气量，能够同时提高效率和总功率；采用的高压喷射装置，使得发动机实现了更高的缸内压力下的稳定燃烧，提高发动机做功效率；高压喷射装置在同样气缸容积下，增加了燃料喷射量，提升了总功率；
2、提高了发动机的燃烧稳定性
利用低压喷射控制混合气的燃料系数，避免发动机在高燃料系数下的爆震和早燃，从而增加燃烧的稳定性；
3、降低了发动机的氮氧化物排放
利用液氢的冷能，降低燃料和空气混合气的温度，并结合了部分预混合燃烧技术，从而减少燃烧的峰值温度，降低氮氧化物的排放。
附图说明
图1为本发明实施例中部分预混燃烧系统的结构示意图。
图1中附图标记如下：
1-液氢存储装置、2-高压共轨单元、3-并行液氢管路、4-高压液氢流量控制阀、5-液氢高压喷射单元、6-流量控制阀、7-空气入口、8-节气门、9-进气歧管、10-液氢混合喷射单元、11-空气出口、12-气缸、13-火花塞、14-排气歧管、15-活塞。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
本发明的目的为提供一种采用液氢燃料的内燃机部分预混燃烧系统，通过时序精确控制燃料进入气缸以及点火的时间避免敲缸及早燃发生，提高单位气缸容积的总功率及效率，并能减少NOx污染物的排放。
本发明公开了一种部分预混燃烧系统，包括：
液氢存储装置，用于存储液氢；
至少一个气缸装置，其分别通过高压液氢装置和低压液氢装置与液氢存储装置连接；
排气单元，用于排出气缸装置内的气体；以及
控制装置，用于控制高压液氢装置和低压液氢装置的喷射以及气缸装置的火花塞点火。
在本发明的一些实施例中，所述低压液氢装置包括：
进气歧管，其与外部空气连通；以及
液氢混合喷射单元，其与液氢存储装置连通，用于喷射液氢到进气歧管中并与进气歧管中的外部空气混合，以降低外部空气温度从而增加气缸装置进气。
在本发明的一些实施例中，所述进气歧管上设有用于控制外部空气流量的节气门；
在本发明的一些实施例中，所述低压液氢装置还包括控制液氢进入进气歧管流量的流量控制阀；
在本发明的一些实施例中，所述外部空气包括自然空气、废气再循环的排气、涡轮增压后的空气中的任一种。
在本发明的一些实施例中，所述高压液氢装置包括：
高压共轨单元，用于将液氢存储装置内的液氢增压；以及
至少一个液氢高压喷射单元，用于将增压后的液氢喷射到气缸装置中。
在本发明的一些实施例中，所述液氢高压喷射单元与高压共轨单元之间设有用于控制液氢流量的高压液氢流量控制阀。
在本发明的一些实施例中，所述控制装置控制进气歧管内液氢与空气混合后的燃料系数为0.4至0.6。
在本发明的一些实施例中，所述控制装置根据发动机的进气参数和功率需求分别调节高压液氢装置和低压液氢装置的液氢喷射量和喷射时序。
在本发明的一些实施例中，所述控制装置根据高压液氢装置和低压液氢装置喷射的比例以及发动机工作环境和状态调节点火时间。
本发明还公开了一种发动机，内含有如上所述的部分预混燃烧系统。
在一个示例性实施例中，一种基于液氢燃料活塞发动机的部分预混燃烧系统，其中，液氢存储装置中的液氢燃料分为两路进入气缸，一路在进气歧管中采用气液两相混合的方式将液氢蒸发并将空气和氢气混合形成混合气，另一路与高压共轨单元相连，增压后的液氢进入液氢高压喷射单元喷射到缸内参与混合和燃烧过程。液氢存储装置通过流量控制阀和高压共轨单元分两路将液氢分别送到液氢混合喷射单元和液氢高压喷射单元，经过液氢混合喷射单元的液氢喷射进入进气歧管与从空气入口进入的外部空气进行预混合，在这个过程，液氢吸收来自空气的内能汽化，之后气态燃料混合物进入气缸中进行燃烧，空气流量由节气门的开度控制，节气门开度大小随着燃烧功率改变。高压共轨单元是将液氢增压的装置，可以将喷射压力的产生和喷射过程彼此完全分开，省去液氢高压喷射单元的增压机构，并且高压共轨单元连接多个液氢管路，将液氢输送到多个气缸中进行燃烧，在每个管路中都有液氢高压喷射单元，液氢高压喷射单元的液氢流量由高压液氢流量控制阀控制，使进入气缸的高压液氢流量更易于控制，使液氢喷射的时间更加精确，有利于提高燃烧的稳定性，液氢高压喷射单元后接气缸，将增压后的液氢喷入气缸中燃烧做功。
其中，所述燃料为常压或者加压液态氢燃料。
其中，在进气歧管中，液氢与外部空气混合冷却，混合后燃料系数为0.4-0.6，混合过程中，液氢汽化为氢气，汽化所需能量来自空气的内能，而非取自外部环境。所述低压喷射直接喷射液氢到歧管装置内混合，将歧管内空气降温的同时，实现液氢的汽化。其中，所述外部空气可以是自然空气，也可以是采用EGR(废气再循环)的排气，或者涡轮增压后的空气。
其中，从进气歧管中进入气缸的燃料是预混合气体，从液氢高压喷射单元进入气缸的燃料是纯液氢燃料，二者形成部分预混的燃烧环境。低压喷射与空气进气充分混合，采用预混合燃料组织方法；高压喷射在气缸压缩后喷射到预混合气氛中，采用扩散燃料组织方法；采用的部分预混燃烧模式结合了预混燃烧和扩散燃烧两种燃烧模式。高压液氢在气缸压缩后喷射，从而避免提前气化后占用气缸容积，进而减少压缩能耗。
其中，液氢高压增压在高压共轨单元中完成，加压后的液体燃料分多路输送到液氢高压喷射单元，之后经由液氢高压喷射单元喷出，液氢高压喷射单元可采用多喷射孔喷射，喷孔为4-12个，喷孔直径0.1-0.3mm。
其中，点火及燃烧控制装置固化在ECU(电子控制单元)中，具体程序及参数根据发动机的特性设计，点火及燃烧控制装置能够控制歧管进气、高压液氢喷射、以及火花塞点火。
在本发明的一些实施例中，本发明还公开了一种发动机，该发动机采用本发明所述的基于液氢燃料活塞发动机的部分预混燃烧系统。该发动机为特定四冲程，即进气冲程，压缩冲程，做功冲程，排气冲程，特定四冲程与传统活塞发动机四冲程既有相似也有不同之处。进气冲程：活塞向下运动，进气歧管中液氢和空气混合形成的气态燃料混合物从进气门进入气缸中；压缩冲程：当活塞运动到最低点时，进气阀关闭，活塞此时向上运动，气态燃料混合物被压缩，当活塞快到达上止点时，液氢高压喷射单元喷射液氢到气缸中，此时液氢燃料喷射时间及其流量是由高压液氢流量控制阀精确控制，有利于提高燃烧稳定性，液氢由于高温迅速汽化并与气态燃料混合物进行混合，进一步压缩后为燃烧做准备；做功及排气冲程：当活塞到达上止点时，火花塞进行点火，燃料混合物被点燃急剧膨胀做功，推动活塞向下运动到下止点，完成做功，做完功后排气阀打开，活塞向上运动，将燃烧后的废气排出，当活塞运动到上止点时，排气阀关闭完成排气。
其中，进气冲程中，液氢储备装置的一部分液氢经过液氢混合喷射单元进入进气歧管与外部空气混合，此时过量空气系数较高，进入燃烧室后，不易发生早燃和敲缸，并且液氢与空气混合汽化后的温度较低，使得燃烧室进气量增多，有利于增加功率。
其中，压缩冲程中高压喷射的液氢汽化需要吸热，可以同时降低气缸内最高压力值和温度，从而减少压缩冲程耗功，使燃烧更加平稳稳定，并通过降低峰值温度使得热力学NOx污染物排放量减少。应用多喷嘴，使得进入气缸中的液氢分布更加均匀，每个喷嘴喷出的流量更小，有利于蒸发扩散，防止局部高温，减少NOx的生成。
以下通过具体实施例结合附图对本发明的技术方案做进一步阐述说明。需要注意的是，下述的具体实施例仅是作为举例说明，本发明的保护范围并不限于此。
如图1所示，本实施例的基于液氢燃料活塞发动机的部分预混燃烧系统指的是从进气歧管9中进入气缸12的燃料是预混合气体，从液氢高压喷射单元5进入气缸12的燃料是纯液氢燃料，二者形成部分预混的燃烧环境。液氢存储装置1中的液氢燃料分为两路进入燃烧室，一路经过流量控制阀6控制液氢流量进入液氢混合喷射单元10，液氢混合喷射单元10接入进气歧管9，将液氢输送入进气歧管9中，进气歧管9一端为空气入口7，另一端与气缸12进口相连，外部空气从空气入口7进入后经过节气门8，节气门8的开度随着发动机的功率变化，节气门8通过不同的开度控制外部空气的流量，在进气歧管9中采用气液两相混合的方式将液氢蒸发并将外部空气和氢气混合形成混合气，外部空气可以是自然空气，也可以是采用EGR(废气再循环)的排气，或者涡轮增压后的空气，混合后燃料系数为0.4-0.6，液氢汽化所需能量来自外部空气的内能，而非取自外部环境，汽化的氢气与空气形成燃料混合物，实现了燃料和空气的预混，混合好的燃料混合物在进气冲程进入气缸中。液氢存储装置1另一路与高压共轨单元2相连，高压共轨单元2是将液氢增压的装置，可以将喷射压力的产生和喷射过程彼此完全分开，省去液氢高压喷射单元5的增压机构，并且高压共轨单元2可以连接多个并行液氢管路3，将液氢输送到多个气缸12中进行燃烧，在每个管路中，液氢高压喷射单元5的液氢流量由高压液氢流量控制阀4控制，并且液氢高压喷射单元5接入气缸12，将增压后的液氢喷入气缸12中燃烧做功。液氢高压喷射单元5可采用多喷射孔喷射(图1所示为2个)，喷孔直径0.1mm-0.3mm，多喷嘴可使进入气缸中的液氢分布更加均匀，每个喷嘴喷出的流量更小，小流量有利于液氢蒸发扩散，防止局部高温，减少NOx的生成，进入气缸12中的液氢由于处于高温环境中立马蒸发，并与先前进入气缸12的气态燃料混合物混合。活塞发动机一般为多缸，高压共轨单元2增压后的液氢分为多路送到高压喷射单元5中进行喷射，在每个管路中都有高压液氢流量控制阀4，使进入气缸12的高压液氢流量更易于控制，使液氢喷射的时间更加精确，有利于提高燃烧的稳定性。
点火及燃烧控制装置固化在ECU(电子控制单元)中，点火及燃烧控制装置能够控制进气歧管9进气、液氢高压喷射单元5喷射、以及火花塞13进行点火。在燃烧过程中，点火及燃烧控制装置通过关闭和减小液氢高压喷射单元5的燃料喷射，以及控制进气歧管9中最终产生的混合器燃料系数来实现低功率下的低污染物排放和稳定燃烧，同时，点火及燃烧控制装置也可以通过调节液氢高压喷射单元5的燃料喷射，以及控制进气歧管9中最终产生的混合器燃料系数来实现高功率下的低污染物排放和稳定燃烧；控制装置控制流量控制阀6改变进入到进气歧管9中的液氢流量，进一步改变进气歧管9中形成的气态燃料混合物的燃料系数；控制装置控制高压液氢流量控制阀4，控制进入气缸12中的液氢流量及喷射时间；控制装置通过控制火花塞13点火保证活塞发动机四冲程的稳定运行；高压共轨单元2增压后的液氢分为多路送到高压喷射单元中进行喷射，进入每个并行液氢管路3的液氢流量都是均匀的，控制装置通过控制每个管路各自的进气歧管9进气、液氢高压喷射单元5喷射、以及火花塞13点火时间，提高燃烧的稳定性，使整个发动机系统的运行更加平稳。
发动机燃烧系统的工作系统分为特定四冲程，即进气冲程，压缩冲程，做功冲程，排气冲程，特定四冲程与传统活塞发动机四冲程既有相似也有不同之处。进气冲程：活塞15向下运动，进气歧管9中液氢和空气混合形成的气态燃料混合物从进气门进入气缸12中，进入的燃料混合物温度较低并且过量空气系数高，可以有效防止早燃，温度较低使得燃烧室进气量增多，有利于增加功率；压缩冲程：当活塞15运动到最低点时，进气阀关闭，活塞15此时向上运动，气态燃料混合物被压缩，当活塞15快到达上止点时，液氢高压喷射单元5喷射液氢到气缸12中，此时液氢燃料的喷射时间及其流量是由高压液氢流量控制阀4精确控制，有利于提高燃烧稳定性，液氢由于高温迅速汽化并与气态燃料混合物进行混合，并进一步压缩后为燃烧做准备；做功及排气冲程：当活塞15到达上止点时，点火及燃烧控制装置控制火花塞13进行点火，燃料混合物被点燃急剧膨胀做功，推动活塞15向下运动到下止点，完成做功，做完功后排气阀打开，活塞15向上运动，将燃烧后的废气排出，当活塞15运动到上止点时，排气阀关闭完成排气。
液氢存储装置1的一部分液氢经过液氢混合喷射单元10进入进气歧管9与外部空气混合，此时过量空气系数较高，进入燃烧室后，不易发生早燃和敲缸，并且液氢与空气混合汽化后的温度较低，使得燃烧室进气量增多，有利于增加功率。多喷嘴可使进入气缸中的液氢分布更加均匀，每个喷嘴喷出的流量更小，小流量有利于蒸发扩散，防止局部高温，减少NOx的生成。在活塞发动机运行一个四冲程过程中，高压喷射的液氢汽化需要热量，可降低气缸12内最高燃烧压力值，使燃烧更加平稳稳定，热力学NOx的生产量减少，降低了NOx污染物排放。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种部分预混燃烧系统，其特征在于，包括：
液氢存储装置，用于存储液氢；
至少一个气缸装置，其分别通过高压液氢装置和低压液氢装置与液氢存储装置连接；
排气单元，用于排出气缸装置内的气体；以及
控制装置，用于控制高压液氢装置和低压液氢装置的喷射以及气缸装置的火花塞点火。
2.根据权利要求1所述的部分预混燃烧系统，其特征在于，
所述低压液氢装置包括：
进气歧管，其与外部空气连通；以及
液氢混合喷射单元，其与液氢存储装置连通，用于喷射液氢到进气歧管中并与进气歧管中的外部空气混合，以降低外部空气温度从而增加气缸装置进气。
3.根据权利要求2所述的部分预混燃烧系统，其特征在于，
所述进气歧管上设有用于控制外部空气流量的节气门；
所述低压液氢装置还包括控制液氢进入进气歧管流量的流量控制阀。
4.根据权利要求2所述的部分预混燃烧系统，其特征在于，
所述外部空气包括自然空气、废气再循环的排气、涡轮增压后的空气中的任一种。
5.根据权利要求1所述的部分预混燃烧系统，其特征在于，
所述高压液氢装置包括：
高压共轨单元，用于将液氢存储装置内的液氢增压；以及
至少一个液氢高压喷射单元，用于将增压后的液氢喷射到气缸装置中。
6.根据权利要求5所述的部分预混燃烧系统，其特征在于，
所述液氢高压喷射单元与高压共轨单元之间设有用于控制液氢流量的高压液氢流量控制阀。
7.根据权利要求1所述的部分预混燃烧系统，其特征在于，
所述控制装置控制进气歧管内液氢与空气混合后的燃料系数为0.4至0.6。
8.根据权利要求1所述的部分预混燃烧系统，其特征在于，
所述控制装置根据发动机的进气参数和功率需求分别调节高压液氢装置和低压液氢装置的液氢喷射量和喷射时序。
9.根据权利要求1所述的部分预混燃烧系统，其特征在于，
所述控制装置根据高压液氢装置和低压液氢装置喷射的比例以及发动机工作环境和状态调节点火时间。
10.一种发动机，内含有如权利要求1至9任一项所述的部分预混燃烧系统。
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