CN113202622A - 一种氢气内燃机燃烧系统及燃烧控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及内燃机技术领域，提供了一种氢气内燃机燃烧系统及燃烧控制方法，包括射流室和主燃室，射流室内设有火花塞，射流室的底部设有射流孔，主燃室通过射流孔与射流室相连通，还包括：氢喷射器，氢喷射器的喷嘴设置于射流室内，用于分别在进气冲程和压缩冲程末期向射流室内喷射氢气，在进气冲程，主燃室内分布有稀混合气；在压缩冲程末期，射流室内分布有浓混合气。本发明基于射流室主动射流点火技术，可以提高内燃机的热效率，同时采用氢气两次喷射技术，分别在主燃室和射流室内形成稀混合气和浓混合气，可以在整个燃烧室内有效抑制NOx生成，大幅度降低NOx的排放。

Description

一种氢气内燃机燃烧系统及燃烧控制方法

技术领域

本发明涉及内燃机技术领域，尤其涉及一种氢气内燃机燃烧系统及燃烧控制方法。

背景技术

为了满足日益严格的油耗需求，必须大幅度提高内燃机的热效率，其中，稀薄燃烧(简称“稀燃”)是众多技术路线中比较具有潜力的一条。但是在稀燃条件下，尤其是混合气过量空气系数达到2.0以上的极稀条件时，容易出现点火不稳定和火焰传播不稳定的情况，需要提高点火能量。射流点火技术是解决这一问题的有效途径，主要包括带有射流室的射流点火系统，火花塞首先引燃射流室内燃气，射流室内温度和压力急剧升高，通过射流孔向主燃室喷射具有高能量和高速度的射流火焰，这些射流火焰的能量比传统火花点火的能量高两个数量级，能够稳定地引燃主燃室内的稀混合气，并且高速射流在主燃室内形成高强度的湍流，可以加速火焰传播进程，从而实现抑制爆震的效果。

为了实现“碳中和”的目标，需要使用低排放的清洁燃料，而氢气则是众多燃料中有潜力的一种。氢气的可燃极限范围宽，火焰传播速度快，同时燃烧产物只有水，无碳排放，是实现高效燃烧、零碳排放的燃料。有关氢气内燃机的研究表明，内燃机使用氢气作为燃料，可以实现较高的热效率，同时可以解决THC和碳烟排放的问题。但是，研究表明，由于氢气燃烧速度快，燃烧温度高，导致NOx的排放很高，可达6000ppm以上，NOx净化后处理成本很高。

发明内容

本发明提供一种氢气内燃机燃烧系统及燃烧控制方法，基于射流室主动射流点火技术，可以提高内燃机的热效率，同时采用氢气两次喷射技术，分别在主燃室和射流室内形成稀混合气和浓混合气，主燃室混合气过稀和预燃室混合气过浓都不利于NOx的生成，实现在整个燃烧室内均抑制NOx生成的效果，可以大幅度降低NOx的排放。

本发明提供一种氢气内燃机燃烧系统，包括射流室和主燃室，所述射流室内设有火花塞，所述射流室的底部设有射流孔，所述主燃室通过所述射流孔与所述射流室相连通，还包括：氢喷射器，所述氢喷射器的喷嘴设置于所述射流室内，用于分别在进气冲程和压缩冲程末期向所述射流室内喷射氢气，在所述进气冲程，所述主燃室内分布有稀混合气；在所述压缩冲程末期，所述射流室内分布有浓混合气。

根据本发明提供的一种氢气内燃机燃烧系统，所述稀混合气的过量空气系数为2～4。

根据本发明提供的一种氢气内燃机燃烧系统，所述浓混合气的过量空气系数为0.5～0.8。

根据本发明提供的一种氢气内燃机燃烧系统，所述射流室的底部均匀设置有多个所述射流孔。

根据本发明提供的一种氢气内燃机燃烧系统，所述射流孔包括第一射流孔和第二射流孔，所述第一射流孔设置于所述射流室的底部正下方，多个所述第二射流孔以所述第一射流孔为中心环布于所述射流室的底部侧面。

根据本发明提供的一种氢气内燃机燃烧系统，所述射流孔的孔径为1～2mm。

根据本发明提供的一种氢气内燃机燃烧系统，还包括缸体和缸盖，所述缸体的内壁设有可滑动的活塞，所述活塞的第一端与所述缸盖之间的空腔为所述主燃室，所述活塞的第二端与曲轴铰接。

根据本发明提供的一种氢气内燃机燃烧系统，所述射流室设置于所述缸盖的顶部中心处。

根据本发明提供的一种氢气内燃机燃烧系统，所述缸盖的顶部设有与所述主燃室相连通的进气道和排气道，在所述进气道内设有进气阀门，在所述排气道内设有排气阀门。

本发明还提供一种根据氢气内燃机燃烧系统的燃烧控制方法，通过所述氢喷射器向所述射流室内喷射两次氢气，包括以下步骤：在进气冲程进行第一次喷射，使所述主燃室内分布有稀混合气；在压缩冲程末期进行第二次喷射，使所述射流室内分布有浓混合气。

本发明提供的氢气内燃机燃烧系统及燃烧控制方法，通过主动射流点火喷射氢气，提高了点火能量和燃烧热效率，同时巧妙地采用氢气两段喷射策略，在进气冲程进行第一次喷射，使主燃室内分布有稀混合气，在压缩冲程末期进行第二次喷射，使射流室内分布有浓混合气，取得在整个燃烧室内均抑制NOx生成的效果，大幅度降低NOx的排放，对于解决当今节能减排和碳中和难题具有重要意义。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的氢气内燃机燃烧系统的结构示意图；

图2是图1的A处局部放大图；

图3是本发明提供的氢气内燃机燃烧系统的燃烧控制方法流程图；

附图标记：

1、射流室；2、主燃室；3、火花塞；4、射流孔；

401、第一射流孔；402、第二射流孔；5、氢喷射器；501、喷嘴；

601、缸体；602、缸盖；7、活塞；8、曲轴；9、进气道；

10、排气道；11、进气阀门；12、排气阀门；13、射流流束。

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，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施例的限制。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。

在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

在本技术领域中，稀混合气指过量空气系数大于1的混合气，浓混合气指过量空气系数小于1的混合气，可以理解的是，本发明混合气包括空气与作为燃料喷射的氢气。下面结合图1-图2描述本发明的氢气内燃机燃烧系统。

根据本发明的实施例，如图1和图2所示，本发明提供的氢气内燃机燃烧系统包括燃烧室和氢喷射器5，燃烧室分为两部分，包括射流室1和主燃室2。其中，射流室1的内部集成有火花塞3，用于点燃射流室1内部的可燃混合气，且射流室1的底部设有射流孔4，主燃室2通过射流孔4与射流室1相连通。

氢喷射器5以水平或者一定角度插入射流室1中，使氢喷射器5的喷嘴501设置于射流室1内，用于分别在进气冲程和压缩冲程末期向射流室1内喷射氢气，具体的，在进气冲程，主燃室2内分布有稀混合气，在压缩冲程末期，射流室1内分布有浓混合气。可以理解的是，本发明氢喷射器5喷射的氢气直接进入射流室1中，并且经射流孔4扩散到主燃室2中。

由于压缩冲程末期在射流室1形成了浓混合气，在氢气的可燃极限范围内，可以在射流室1内达到高温和高压，通过射流孔4形成高强度的火焰射流流束13，提高了点火能量及燃烧的鲁棒性；并且上述射流流束13引起的高点火能量和高强度湍流，可以加速主燃室2内的火焰传播和燃烧进程，提高燃烧热效率，并且缩短火焰传播时间，有效防止爆震的产生。另一方面，目前氢气内燃机技术存在的比较大的问题在于NOx的排放较高。由于NOx的产生需要较高的温度和较为充足的氧气，而在本发明中，通过在压缩冲程末期向射流室1内喷射氢气，形成浓度高的氢气氛围，相对的，处于缺氧的氛围，可以有效抑制NOx的产生。

并且通过在进气冲程向射流室1内喷射氢气，使主燃室2内形成为稀混合气，此时燃烧温度低于1800K，即低于NOx生成所需的温度。因此，本发明可以同时解决射流室1和主燃室2NOx排放过高的问题，同时，总体稀薄燃烧可以大幅度提高内燃机热效率。

此外，目前氢气内燃机主要有两种燃烧系统，分别采用进气道喷射氢气和缸内直喷氢气，其中，采用进气道喷射容易导致内燃机燃烧回火，具有很大的安全隐患；采用缸内直喷具有氢气混合不均匀导致燃烧速度慢和NOx排放高的缺陷。因此，本发明通过采用向射流室1内两次喷射氢气策略，避免了进气道喷射导致内燃机燃烧回火的问题，同时解决了缸内直喷氢气混合不均匀导致燃烧速度慢和NOx排放高的问题，本发明提供的氢内燃机燃烧系统具有很好的安全性、经济性和排放性。

因此，本发明实施例通过主动射流点火喷射氢气，提高了点火能量和燃烧热效率，同时巧妙地采用氢气两段喷射策略，在进气冲程进行第一次喷射，使主燃室2内分布有稀混合气，在压缩冲程末期进行第二次喷射，使射流室1内分布有浓混合气，取得在整个燃烧室内均抑制NOx生成的效果，大幅度降低NOx的排放，对于解决当今节能减排和碳中和难题具有重要意义。

在一个优选实施例中，稀混合气的过量空气系数为2～4，本发明通过该系数，一方面，燃烧温度低于1800K，即低于NOx生成所需的温度，可以有效抑制NOx的产生，同时可以提高点火的稳定性和火焰传播的稳定性。

在一个优选实施例中，浓混合气的过量空气系数为0.5～0.8，本发明通过该系数，使得射流室1在燃烧时处于缺氧的氛围，可以有效抑制NOx的产生，同时可以提高点火的稳定性和火焰传播的稳定性。

根据本发明的实施例，如图2所示，射流室1的底部均匀设置有多个射流孔4，射流孔4的数量不作特别限制。在具体示例中，射流孔4包括第一射流孔401和第二射流孔402，第一射流孔401设置于射流室1的底部正下方，多个第二射流孔402以第一射流孔401为中心均匀环布于射流室1的底部侧面，本发明通过该设置方式，可以使混合气均匀混合，并且提高火焰传播的均匀稳定性，进而提高燃烧效率。第一射流孔401设置为1个，第二射流孔402设置为3-8个，并且射流孔4的孔径为1～2mm。射流室1和主燃室2之间通过多个射流孔4保持连通。

根据本发明的实施例，如图1所示，本发明燃烧系统还包括缸体601和缸盖602，缸体601的内壁设有可滑动的活塞7，活塞7的第一端与缸盖602之间的空腔为主燃室2，活塞7的第二端与曲轴8铰接，通过曲轴8向外做功。

并且，射流室1设置于缸盖602的顶部中心处，即位于主燃室2的顶部中心位置，使得多个射流孔4与缸体601壁面的距离相等，提高混合均匀性，抑制NOx的产生，并且提高燃烧效率。

此外，缸盖602的顶部设有与主燃室2相连通的进气道9和排气道10，在进气道9内设有进气阀门11，在排气道10内设有排气阀门12，用于分别控制各自气道的开闭。

下面对本发明提供的氢气内燃机燃烧系统的燃烧控制方法进行描述，下文描述的燃烧控制方法与上文描述的燃烧系统可相互对应参照。

如图3所示，本发明提供的氢气内燃机燃烧系统的燃烧控制方法，主要包括通过氢喷射器5向射流室1内喷射两次氢气，以在射流室1和主燃室2中分布不同浓度的混合气，即分区控制。并且本发明燃烧控制方法采用的氢气两次喷射策略，分别发生在进气冲程和压缩冲程末期，具体包括以下步骤。

S1、在进气冲程，通过氢喷射器5向射流室1内进行第一次喷射，使主燃室2内分布有稀混合气。具体的，该次喷射作为主喷，经过从进气到压缩冲程的长时间混合，在主燃室2内形成均质稀混合气，优选的，稀混合气的过量空气系数控制为2～4。可以理解的是，主燃室2中的氢气主要来源于进气冲程喷射的氢气，通过合理控制氢气的喷射压力和喷射持续期，使其充分混合均匀，在燃烧之前，主燃室2内分布有过量空气系数为2～4的稀混合气。

S2、在压缩冲程末期，通过氢喷射器5向射流室1内进行第二次喷射，使射流室1内分布有浓混合气。具体的，由于射流室1体积较小，因此只需喷射少量氢气，用于在射流室1内形成局部浓混合气，优选的，浓混合气的过量空气系数控制为0.5～0.8。可以理解的是，射流室1中的氢气主要来源于压缩冲程末期发生的第二次喷射，通过合理控制氢气喷射压力和喷射持续期，使得燃烧前射流室1内的浓混合气的过量空气系数为0.5～0.8。

因此，本发明通过以上的燃烧控制方法，实现了在射流室1内形成浓混合气而在主燃室2内形成均质稀混合气，这样的分区控制方法的原理主要包括：压缩冲程末期，射流室1中的浓混合气被火花塞3点燃，氢气快速燃烧，射流室1内的压力和温度迅速升高并且形成火焰射流流束13，虽然射流室1内的温度很高，但是因为混合气浓度较高，不利于NOx的生成，并且射流室1本身体积占比很小，因此，射流室1内NOx生成量很低；同时，主燃室2中为稀混合气，燃烧温度低，不利于NOx的产生，并且最有利于NOx生成的过量空气系数在1附近，混合气过浓或过稀都不利于NOx的生成，因此，在主燃室2中难以生成NOx。综上所述，在整个燃烧过程中，由于采用了分区燃烧控制的方法，不仅可以提高点火能量，进而实现稳定点火，同时整个燃烧室各部分的NOx生成量都很低，可以很好地解决目前氢气内燃机存在的NOx排放过高的问题，同时燃烧速度快，稀燃程度高且燃烧稳定，热效率高，对节能减排具有重要意义。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种氢气内燃机燃烧系统，包括射流室和主燃室，所述射流室内设有火花塞，所述射流室的底部设有射流孔，所述主燃室通过所述射流孔与所述射流室相连通，其特征在于，还包括：

氢喷射器，所述氢喷射器的喷嘴设置于所述射流室内，用于分别在进气冲程和压缩冲程末期向所述射流室内喷射氢气，在所述进气冲程，所述主燃室内分布有稀混合气；在所述压缩冲程末期，所述射流室内分布有浓混合气。

2.根据权利要求1所述的氢气内燃机燃烧系统，其特征在于，所述稀混合气的过量空气系数为2～4。

3.根据权利要求1所述的氢气内燃机燃烧系统，其特征在于，所述浓混合气的过量空气系数为0.5～0.8。

4.根据权利要求1所述的氢气内燃机燃烧系统，其特征在于，所述射流室的底部均匀设置有多个所述射流孔。

5.根据权利要求4所述的氢气内燃机燃烧系统，其特征在于，所述射流孔包括第一射流孔和第二射流孔，所述第一射流孔设置于所述射流室的底部正下方，多个所述第二射流孔以所述第一射流孔为中心环布于所述射流室的底部侧面。

6.根据权利要求1所述的氢气内燃机燃烧系统，其特征在于，所述射流孔的孔径为1～2mm。

7.根据权利要求1所述的氢气内燃机燃烧系统，其特征在于，还包括缸体和缸盖，所述缸体的内壁设有可滑动的活塞，所述活塞的第一端与所述缸盖之间的空腔为所述主燃室，所述活塞的第二端与曲轴铰接。

8.根据权利要求7所述的氢气内燃机燃烧系统，其特征在于，所述射流室设置于所述缸盖的顶部中心处。

9.根据权利要求7所述的氢气内燃机燃烧系统，其特征在于，所述缸盖的顶部设有与所述主燃室相连通的进气道和排气道，在所述进气道内设有进气阀门，在所述排气道内设有排气阀门。

10.一种根据权利要求1-9中任一项所述的氢气内燃机燃烧系统的燃烧控制方法，其特征在于，通过所述氢喷射器向所述射流室内喷射两次氢气，包括以下步骤：

在进气冲程进行第一次喷射，使所述主燃室内分布有稀混合气；在压缩冲程末期进行第二次喷射，使所述射流室内分布有浓混合气。

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