CN111305977A - 一种氢气天然气全比例可变双燃料发动机 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的在于提供一种氢气天然气全比例可变双燃料发动机，包括气缸、气缸盖、活塞、进气歧管、排气歧管、氢气储挂、天然气储罐，涡轮增压器的压气机出口连通混合器，混合器连通进气总管，进气总管连接进气歧管，氢气储罐连接氢气气轨，氢气喷射阀安装在进气总管里并连接氢气气轨，氢气喷气阀的端部连接氢气喷管，氢气喷管设置在进气阀旁，天然气储罐连接天然气气轨，天燃气喷气阀安装在混合器里并连接天然气气轨。本发明能实现氢气天然气的全比例和氢气正时可变，提高全工况范围内燃料燃烧效率以及燃料经济性；同时，能够有效地避免使用单一氢气或天然气作为燃料所带的来诸如缸内爆震和失火等不正常燃烧现象以及甲烷碳氢高等问题。

Description

一种氢气天然气全比例可变双燃料发动机
技术领域
本发明涉及的是一种发动机，具体地说是双燃料发动机。
背景技术
日益严苛的排放法规和化石燃料总量的减少给整个内燃机行业带来了极大的挑战，寻找替代能源实现更加高效清洁燃烧十分重要。
氢气作为一种高效低排放的燃料被认为是一种具有很大发展潜力的新型能源。氢在地球上主要以化合态存在，储量极其丰富，氢能的优点主要有：燃烧热值高，燃烧同等质量的氢产生的热量，约为汽油的3倍，酒精的3.9倍，焦炭的4.5倍。并且其燃烧的产物是水，是世界上最干净的能源。同时，在各种化石燃料中，天然气以其资源丰富、排放污染低、价格低廉等优点，被认为是一种非常具有发展前景的燃料。采用氢气天然气作为双燃料发动机燃料，可以更好的满足发动机工作要求，提高发动机效率、提高燃料经济性、降低污染物排放。
随着氢燃料技术的逐步发展，已经出现了将氢燃料直接用做发动机燃料的应用。公开号为CN102039814A的专利提出了一种以甲醇制氢作为燃料的新能源发动机，该装置问题在于氢气作为一种极易燃烧的气体，喷入缸内的混合气燃烧速度过快不易控制，所以只采用单一氢气作为燃料易产生爆震及回火等问题。公开号为CN107939556A的专利设计了一种新型天然气发动机的天然气喷气方式，将燃气喷管安装在进气道末端，缩短了空气与天然气混合气进入缸内的时间。这一发明问题在于，没有解决天然气发动机排放气体中甲烷碳氢高的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供可以实现氢气天然气的全比例和氢气正时可变，降低甲烷碳氢排放，提高全工况范围内燃料燃烧效率以及燃料经济性的一种氢气天然气全比例可变双燃料发动机。
本发明的目的是这样实现的：
本发明一种氢气天然气全比例可变双燃料发动机，其特征是：包括气缸、气缸盖、活塞、进气歧管、排气歧管、氢气储挂、天然气储罐，活塞位于气缸里，气缸盖位于气缸上方，活塞、气缸和气缸盖组成燃烧室，进气歧管和排气歧管伸入至气缸盖里，进气歧管里设置进气阀，排气歧管里设置排气阀，涡轮增压器的压气机出口连通混合器，混合器连通进气总管，进气总管连接进气歧管，氢气储罐连接氢气气轨，氢气喷射阀安装在进气总管里并连接氢气气轨，氢气喷气阀的端部连接氢气喷管，氢气喷管设置在进气阀旁，天然气储罐连接天然气气轨，天燃气喷气阀安装在混合器里并连接天然气气轨。
本发明还可以包括：
1、氢气喷管的形状为弯折管，氢气喷管的端部对准气门喉口，进气阀开启后氢气由氢气喷管喷出直接喷入气缸内实现准缸内直喷。
2、氢气气轨上安装氢气过滤器、氢气减压器，天然气气轨上安装天然气过滤器、天然气减压器。
3、在进气阀开启后且活塞下行过程中，当活塞的泵吸作用使气缸内压力小于进气歧管压力时，开始喷射氢气，以避免发生回火；同时采用零气门重叠角，从而避免进气总管喷射天然气引起的扫气损失。
本发明的优势在于：本发明可根据运行工况，控制系统通过控制氢气和天然气的喷射脉宽和氢气喷射正时，灵活调整氢气与天然气的比例关系，以实现氢气天然气的全比例和氢气正时可变，提高全工况范围内燃料燃烧效率以及燃料经济性；同时，通过将氢气与天然气进行不同比例混合，能够有效地避免使用单一氢气或天然气作为燃料所带的来诸如缸内爆震和失火等不正常燃烧现象以及甲烷碳氢高等问题。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为氢气喷嘴与进气门喉口的相对位置图；
图3为进排气升程曲线与喷气规律图。
具体实施方式
下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：
结合图1-3，图1为本发明总结构图，主要包括曲轴连杆机构、增压系统、天然气喷射系统、氢气喷射系统、冷却系统、点火系统、电控系统等。其中天然气喷射系统主要包括天然气储罐13、过滤器12、减压器11、喷气阀14；氢气喷射系统主要包括氢气储罐10、过滤器9、减压器8、气轨7、喷气阀6、燃气喷管3。本发明的一种氢气天然气全比例可变双燃料发动机采用废气涡轮增压，空气依次经由空气滤清器1、涡轮增压器2、中冷器15、进入混合器4；天然气从储罐13放出通过过滤器12、减压器11后，由天然气喷射阀14喷入混合器4，与混合器4内的增压空气进行混合，混合后的气体经由进气总管、歧管5输送到各缸；氢气储罐10释放的氢气通过供气管路经由过滤器9、减压器8进入气轨7后，通过喷气阀6以及燃气喷管3喷入缸内。图2为进气门开启时氢气喷管3与进气门喉口的相对位置图，燃气喷管3的形状为弯折管，后半段喷孔对准气门喉口，进气门开启后氢气由喷管喷出直接喷入缸内实现准缸内直喷。图3为进/排气阀升程曲线与喷气规律图，由图可见，氢气喷气正时选在进气门充分开启后，主要是由于氢气极易燃烧，必须等到进气门充分开启后，进气气流可以使气门温度降低，避免热点引起氢气自燃、回火等问题。电控单元16通过采集曲轴位置、转速、进气道温度、压力等信号对氢气、天然气的喷气脉宽和喷气正时进行控制。可以根据发动机不同负荷下氢气与天然气的不同掺混比例将发动机工作模式简要分为单一氢气作为燃料、单一天然气作为燃料以及氢气天然气/双燃料模式。单一氢气与单一天然气模式下，发动机与现有氢气天然气发动机工作过程相同；采用双燃料模式时发动机可根据运行工况，控制系统通过控制氢气和天然气的喷射脉宽和氢气喷射正时，灵活调整氢气与天然气的比例关系，提高全工况范围内燃料燃烧效率，提高燃料经济性。
天然气喷射系统和氢气喷射系统可以独立工作，天然气采用单点喷射进行供气，即压缩天然气从储罐经由过滤器、减压器后喷入混合器，与增压空气进行预混合形成均匀混合气，然后依次通过进气总管、歧管进入进气道，最后进入缸内。氢气采用多点喷射的方式进行供气，即储罐中的氢气通过供气管路经由过滤器、减压器进入气轨后，通过喷气阀和燃气喷管喷入缸内。氢气喷气阀出口端与燃气喷管相连，燃气喷管采用单孔弯管，喷管末端的喷孔对准进气门喉口处，进气门开启后，氢气直接从喷管喷入气缸，实现准缸内直喷。在进气门开启后且活塞下行过程中，当活塞的泵吸作用使气缸内压力小于进气道压力时，开始喷射氢气，避免发生回火；同时，为了避免进气总管喷射天然气引起的扫气损失，发动机采用零气门重叠角。在压缩上止点附近，利用火花塞作为点火源点燃缸内氢气、天然气和空气的混合气，发动机对外做功。所述双燃料发动机，该发动机可根据运行工况，控制系统通过控制氢气和天然气的喷射脉宽和氢气喷射正时，灵活调整氢气与天然气的比例关系，以实现氢气天然气的全比例和氢气正时可变，提高全工况范围内燃料燃烧效率以及燃料经济性；氢气在进气门充分开启和进气门受到进气冷却后喷射，避免热点导致的氢气自燃和回火问题；同时，通过将氢气与天然气进行不同比例混合，能够有效地避免使用单一氢气或单一天然气作为燃料所带的来诸如缸内燃烧爆震和失火等不正常燃烧现象以及甲烷碳氢高等问题。
氢燃料喷管与喷气阀采用螺纹连接，喷气阀可固定在气轨上，燃气喷管从进气歧管伸入进气道，使喷管末端喷孔对准进气门间隙。天然气喷气阀直接与混合器进气口连接，当发动机采用单一氢气作为燃料时，天然气喷气阀关闭，混合器只相当于进气管路的一部分。混合器的圆柱面上加工有柱状阶梯孔，孔表面形状与天然气喷气阀相匹配，因此能够将天然气喷气阀直接安装在混合器上。进气总管表面加工有柱状阶梯孔，孔表面形状与氢气喷气阀相匹配，因此能够将氢气喷气阀直接安装在进气总管上。电控单元通过传感器采集的曲轴位置、转速、缸内温压等信号，对氢气与天然气的喷气正时进行控制。

Claims (5)

1.一种氢气天然气全比例可变双燃料发动机，其特征是：包括气缸、气缸盖、活塞、进气歧管、排气歧管、氢气储挂、天然气储罐，活塞位于气缸里，气缸盖位于气缸上方，活塞、气缸和气缸盖组成燃烧室，进气歧管和排气歧管伸入至气缸盖里，进气歧管里设置进气阀，排气歧管里设置排气阀，涡轮增压器的压气机出口连通混合器，混合器连通进气总管，进气总管连接进气歧管，氢气储罐连接氢气气轨，氢气喷射阀安装在进气总管里并连接氢气气轨，氢气喷气阀的端部连接氢气喷管，氢气喷管设置在进气阀旁，天然气储罐连接天然气气轨，天燃气喷气阀安装在混合器里并连接天然气气轨。
2.根据权利要求1所述的一种氢气天然气全比例可变双燃料发动机，其特征是：氢气喷管的形状为弯折管，氢气喷管的端部对准气门喉口，进气阀开启后氢气由氢气喷管喷出直接喷入气缸内实现准缸内直喷。
3.根据权利要求1或2所述的一种氢气天然气全比例可变双燃料发动机，其特征是：氢气气轨上安装氢气过滤器、氢气减压器，天然气气轨上安装天然气过滤器、天然气减压器。
4.根据权利要求1或2所述的一种氢气天然气全比例可变双燃料发动机，其特征是：在进气阀开启后且活塞下行过程中，当活塞的泵吸作用使气缸内压力小于进气歧管压力时，开始喷射氢气，以避免发生回火；同时采用零气门重叠角，从而避免进气总管喷射天然气引起的扫气损失。
5.根据权利要求3所述的一种氢气天然气全比例可变双燃料发动机，其特征是：在进气阀开启后且活塞下行过程中，当活塞的泵吸作用使气缸内压力小于进气歧管压力时，开始喷射氢气，以避免发生回火；同时采用零气门重叠角，从而避免进气总管喷射天然气引起的扫气损失。
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