CN113309644B - 一种耦合热电-氢转换的缸内直喷天然气发动机进气系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种耦合热电氢转换的缸内直喷天然气发动机进气系统，属于发动机进气系统技术领域。包括发动机机体、天然气罐、空气滤清器和进气机构；进气机构包括氢气罐、氮气瓶、水箱和水喷射器；水箱的外部连通设有水电解机构，氮气瓶的出口连通着水箱顶部，氢气罐的出口连通着进气机构，氢气罐的进口连通着水电解机构的氢气出口；发动机的排气管上设有热电转换机构；工作时，根据发动机实时工况，协同控制天然气、氢气和水的喷射量，实现全负荷范围内高效低污染燃烧，减少有害排放；本发明利用排气余热制氢，提高了发动机节能水平，还能在线生产氢气，有利于实现氢气生产和消耗自我平衡。

Description

一种耦合热电-氢转换的缸内直喷天然气发动机进气系统

技术领域

本发明属于发动机进气系统技术领域，具体涉及一种耦合热电氢转换的缸内直喷天然气发动机进气系统。

背景技术

天然气是目前应用最为广泛的发动机清洁替代燃料。天然气发动机采用缸内直喷技术不仅可以精确控制空燃比，还能有效提高容积效率，弥补动力性下降问题。不过，缸内直喷天然气发动机还存在大负荷工况下缸内热负荷大、排气温度高以及爆震倾向加剧等问题，对发动机的功率密度提升和零部件可靠性造成不利影响。

水的蒸发潜热大，发动机采用喷水技术可以有效降低缸内燃烧温度、抑制爆震，有利于减少缸内热负荷，进一步提高发动机的热效率和功率密度。在中负荷工况下，适量喷水会促进缸内燃烧过程，提升发动机热效率。但是，在大负荷工况下，为有效降低缸内温度，喷水量较大，过多的喷水量会恶化燃烧过程，导致热效率降低。氢气的稀燃极限宽，燃烧速度快。掺氢燃烧不仅可以有效缓解大负荷工况下喷水过多引起的燃烧速度过慢，热效率降低的问题，还能改善小负荷工况下天然气发动机的燃烧质量，提高热效率和动力性。

发明内容

为了充分发挥天然气、氢气和水等工质在燃烧方面的互补性，实现缸内直喷天然气发动机在全负荷范围内的高效低污染燃烧，进一步提高发动机的功率密度和热效率，本发明提供一种耦合热电氢转换的缸内直喷天然气发动机进气系统。

一种耦合热电氢转换的缸内直喷天然气发动机进气系统包括发动机机体14、天然气罐2、空气滤清器12和进气机构；发动机机体14上部一侧设有进气管16，发动机机体14上部另一侧设有排气管13；进气管16的进气端上依次设有文丘里阀3和空气滤清器12；天然气罐2通过减压阀4、天然气管连通着喷射器5，喷射器5的喷嘴位于发动机机体14的燃烧室内；

所述进气机构包括氢气罐1、氮气瓶6、水箱7和水喷射器8；所述水箱7的外部连通设有水电解机构15，水箱7底部通过水管连接着水喷射器8，水喷射器8的喷嘴位于文丘里阀3出口外的进气管16上；所述氮气瓶6的出口通过出气管和减压阀11连通着水箱7顶部；所述氢气罐1的出口连通着文丘里阀3的支管，氢气罐1的进口连通着水电解机构15顶部的氢气出口；

所述排气管13上设有热电转换机构9，水电解机构15通过导线和热电转换开关10连接着热电转换机构9，水电解机构15接车载电源；

工作时，根据发动机实时工况，通过减压阀4、喷射器5和文丘里阀3的协同作用，实现控制天然气、氢气和水的喷射量；另一方面，当排气余热所转换的电压达到水电解机构15所需的电压，热电转换开关10接通；当转换的电能不满足时，热电转换开关10断开。

进一步地具体技术方案如下：

所述水电解机构15包括水电解腔，水电解腔环绕在水箱7外侧下部；水箱7的顶部设有氮气进口71，水箱7的底部设有出水口72，与水电解腔相连的水箱7壁上开设有一个以上的水口73，每个水口73上均设有电磁阀17；水电解腔内底部均布设有二根以上的电解棒18，一侧电解棒18a为阴极端，另一侧电解棒18b为阳极端，水电解腔的顶部分别设有氢气出口19和氧气出口20。

所述热电转换机构9包括储热材料21、P型材料23、N型材料24和散热材料22，所述储热材料21为石蜡-石墨复合蓄热材料，包裹在排气管13上；所述P型材料23为硅锗-硼掺杂半导体材料，所述N型材料24为硅锗-磷掺杂半导体材料，P型材料23通过导线接阳极电解棒18b，N型材料24通过导线接阴极电解棒18a；散热材料22为硅脂散热材料，固定在P型材料23、N型材料24顶部。

与现有技术相比，本发明的有益技术效果体现在以下方面：

（1）现有的缸内直喷天然气发动机在小负荷工况下天然气的喷射量少，混合气分布不均匀，着火滞燃期延长，燃烧相位推迟，发动机的燃烧循环波动大；在中、高负荷工况下，天然气的喷射量多，当量比燃烧引起的缸内热负荷高，容易诱发爆震。为解决上述问题，本发明通过协同控制天然气、氢气和水的喷射量，实现缸内直喷天然气发动机在全负荷范围内的高效清洁燃烧。试验和数值计算表明：小负荷下，该系统使发动机的CA10-CA50循环波动系数COV减少4.9%，指示热效率提高2.25%；中负荷下，该系统使发动机燃烧峰值温度降低约150K，爆震得到抑制；高负荷下，爆震得到有效的抑制，且燃烧重心（CA50）提前4°CA。

（2）发动机在长时间运行过程中，燃料燃烧后的排气余热和辐射热积聚在排气管上，燃料燃烧的热值不仅未得到高效利用，而且长时间的高温环境是汽车发动机稳定运行面临的主要问题。为了更加充分的利用燃料燃烧释放热，本发明通过在排气管上布置热电氢转换装置，利用余热制氢，实现了氢气的在线生产，提高了发动机的节能减排水平。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为水箱及水电解装置的结构示意图。

图3为热电转换装置结构的结构示意图。

上图中序号：氢气罐1、天然气罐2、文丘里阀3、天然气减压阀4、天然气喷射器5、氮气瓶6、水箱7、水喷射器8、热电转换器9、热电转换开关10、减压阀11、空气滤清器12、排气管13、发动机机体14、水电解机构15、进气管16、电磁阀17、电极棒18、氢气出口19、氧气出口20、储热材料21、散热材料22、P型材料23、N型材料24、氮气进口71、出水口72、水口73。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步地说明。

本实施例以本发明技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

参见图1，一种耦合热电氢转换的缸内直喷天然气发动机进气系统包括发动机机体14、天然气罐2、空气滤清器12和进气机构。

发动机机体14上部一侧设有进气管16，发动机机体14上部另一侧设有排气管13；进气管16的进气端上依次安装有文丘里阀3和空气滤清器12；天然气罐2通过减压阀4、天然气管连通着喷射器5，喷射器5的喷嘴位于发动机机体14的燃烧室内。

进气机构包括氢气罐1、氮气瓶6、水箱7和水喷射器8；水箱7的外部连通安装有水电解机构15，水箱7底部通过水管连接着水喷射器8，喷射器8的喷嘴位于文丘里阀3出口外的进气管16上。氮气瓶6的出口通过出气管和减压阀11连通着水箱7顶部；氢气罐1的出口连通着文丘里阀3的支管，氢气罐1的进口连通着水电解机构15顶部的氢气出口19。

参见图2，水电解机构15包括水电解腔，水电解腔环绕在水箱7外侧下部；水箱7的顶部设有氮气进口71，水箱7的底部设有出水口72，与水电解腔相连的水箱7壁上开设有一个以上的水口73，每个水口73上均设有电磁阀17；水电解腔内底部均布设有二根以上的电解棒18，一侧电解棒18a为阴极端，另一侧电解棒18b为阳极端，水电解腔的顶部分别设有氢气出口19和氧气出口20。氢气出口19连通着进气机构的氢气罐1，氧气出口20将氧气从进气机构排出。

排气管13上安装有热电转换机构9，水电解机构15通过导线和热电转换开关10连接着热电转换机构9。

参见图3，热电转换机构9包括储热材料21、P型材料23、N型材料24和散热材料22。储热材料21为石蜡-石墨复合蓄热材料，包裹在排气管13上。所述P型材料23为硅锗-硼掺杂半导体材料，所述N型材料24为硅锗-磷掺杂半导体材料，P型材料23通过导线接阳极电解棒18b，N型材料24通过导线接阴极电解棒18a。散热材料22为硅脂散热材料，附着在P型材料23、N型材料24顶部。

工作时，根据发动机实时工况，通过天然气减压阀4、天然气喷射器5、文丘里阀3以及水喷射器8的协同作用，实现控制天然气、氢气和水的喷射量。进气系统具体调控策略如下：

在小负荷工况下，天然气罐2中的天然气经天然气管、天然气减压阀4进入发动机机体14的燃烧室。空气经空气滤清器12进入进气管16。氢气罐1中的氢气经氢气管、文丘里阀3的支管进入进气管16，并与空气混合后进入发动机机体14的燃烧室。氢气、天然气和空气在发动机机体14的燃烧室内混合后燃烧做功。随着文丘里阀3的开度调小，通过文丘里阀3的支管进入进气管16的氢气量逐渐增大。进气管16内的氢气进入量随工况负荷的变化而变化。试验和数值计算表明：在发动机小于20%负荷工况范围内，进入发动机机体14燃烧室的氢气量最多可占甲烷和氢气喷射总量的30%（质量分数），最少是0%。当氢气量占总燃料的质量分数为30%时，相比纯甲烷工况，CA10-CA50减少了3.9°CA，且CA10-CA50循环波动系数COV减少了4.9%，指示热效率提高了2.25%。

在中负荷工况下，天然气罐2中的天然气经天然气管、天然气减压阀4进入发动机机体14的燃烧室。空气经空气滤清器12进入进气管16。氮气瓶6中的氮气经过氮气管、减压阀11进入水箱7，水箱7中的水经管路、水喷射器8进入进气管16，并与空气混合后进入发动机机体14的燃烧室。水、天然气和空气在发动机机体14的燃烧室内混合后燃烧做功。随着减压阀11的开度增大，水箱7的压力升高，喷入进气管16的水量逐渐增大。水的喷射量随着工况负荷的变化而变化。试验和数值计算表明：在发动机负荷处于20%-80%工况下，水的喷射量最多占甲烷和水喷射总量的63.5%（质量分数），最少是0%。当水的喷射量占甲烷和水的喷射总量的63.5%时，相比纯甲烷工况，燃烧峰值温度降低了约150K，爆震也得到抑制。

在高负荷工况下，天然气罐2中的天然气经天然气管、天然气减压阀4进入发动机机体14的燃烧室。空气经空气滤清器12进入进气管16。氮气瓶6中的氮气经过氮气管、减压阀11进入水箱7，水箱7中的水经水管、水喷射器8进入进气管16。氢气罐1中的氢气经氢气管、文丘里阀3的支管进入进气道16。水、氢气和空气在进气管16中混合后进入发动机机体14的燃烧室，并与天然气混合后燃烧做功。随着减压阀11的开度增大，水箱7的压力升高，喷入进气管16的水量逐渐增大。随着文丘里阀3的开度调小，通过文丘里阀3的支管进入进气管16的氢气量逐渐增大。进气管16内的水喷射量和氢气进入量随工况负荷的变化而变化。试验和数值计算表明，在发动机大于80%负荷工况范围内，水喷射量最多占甲烷、氢气和水的喷射总量的67.6%（质量分数），最少是0%。氢气喷射量最多占甲烷、氢气和水的喷射总量的1.7%（质量分数），最少是0%。当水喷射量占甲烷、氢气和水的喷射总量的66%时，氢气喷射量占甲烷、氢气和水的喷射总量的1%时，相比纯甲烷工况，爆震得到有效的抑制，燃烧重心（CA50）提前了约4°CA，容积效率提高了0.031%。

实施例2

本实施例中，当热电转换器9的电压低于12V时，热电转换开关10断开。水电解机构15接入车载电源供电，并电解水制取氢气，送入氢气罐1。其余同实施例1。

Claims (3)

1.一种耦合热电氢转换的缸内直喷天然气发动机进气系统，包括发动机机体（14）、天然气罐（2）、空气滤清器（12）和进气机构；发动机机体（14）上部一侧设有进气管（16），发动机机体（14）上部另一侧设有排气管（13）；进气管（16）的进气端上依次设有文丘里阀（3）和空气滤清器（12）；天然气罐（2）通过减压阀（4）、天然气管连通着喷射器（5），喷射器（5）的喷嘴位于发动机机体（14）的燃烧室内；其特征在于：

所述进气机构包括氢气罐（1）、氮气瓶（6）、水箱（7）和水喷射器（8）；所述水箱（7）的外部连通设有水电解机构（15），水箱（7）底部通过水管连接着水喷射器（8），水喷射器（8）的喷嘴位于文丘里阀（3）出口外的进气管（16）上；所述氮气瓶（6）的出口通过出气管和减压阀（11）连通着水箱（7）顶部；所述氢气罐（1）的出口连通着文丘里阀（3）的支管，氢气罐（1）的进口连通着水电解机构（15）顶部的氢气出口；

所述排气管（13）上设有热电转换机构（9），水电解机构（15）通过导线和热电转换开关（10）连接着热电转换机构（9），水电解机构（15）接车载电源；

工作时，根据发动机实时工况，通过减压阀（4）、喷射器（5）和文丘里阀（3）的协同作用，实现控制天然气、氢气和水的喷射量；另一方面，当排气余热所转换的电压达到水电解机构（15）所需的电压，热电转换开关（10）接通；当转换的电能不满足时，热电转换开关（10）断开。

2.根据权利要求1所述的一种耦合热电氢转换的缸内直喷天然气发动机进气系统，其特征在于：所述水电解机构（15）包括水电解腔，水电解腔环绕在水箱（7）外侧下部；水箱（7）的顶部设有氮气进口（71），水箱（7）的底部设有出水口（72），与水电解腔相连的水箱（7）壁上开设有一个以上的水口（73），每个水口（73）上均设有电磁阀（17）；水电解腔内底部均布设有二根以上的电解棒（18），一侧电解棒（18a）为阴极端，另一侧电解棒（18b）为阳极端，水电解腔的顶部分别设有氢气出口（19）和氧气出口（20）。

3.根据权利要求1所述的一种耦合热电氢转换的缸内直喷天然气发动机进气系统，其特征在于：所述热电转换机构（9）包括储热材料（21）、P型材料（23）、N型材料（24）和散热材料（22），所述储热材料（21）为石蜡-石墨复合蓄热材料，包裹在排气管（13）上；所述P型材料（23）为硅锗-硼掺杂半导体材料，所述N型材料（24）为硅锗-磷掺杂半导体材料，P型材料（23）通过导线接阳极电解棒（18b），N型材料（24）通过导线接阴极电解棒（18a）；散热材料（22）为硅脂散热材料，固定在P型材料（23）、N型材料（24）顶部。

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