CN116066229A - 氢气发动机燃烧系统结构及分区控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种氢气发动机燃烧系统结构，氢气发动机燃烧系统结构包括发动机缸、高压缩比活塞、燃料喷射器和辅助火花塞，发动机缸包括缸盖，发动机缸中形成有燃烧室；高压缩比活塞设置在发动机缸中，高压缩比活塞的压缩比不小于18；燃料喷射器包括易压燃燃料喷射模块和氢燃料喷射模块，能够向燃烧室中喷射燃料；辅助火花塞设置在缸盖上，能够向燃烧室中点火，采用“压燃+扩散”燃烧模式，并可通过喷射易压燃燃料辅助氢燃料压燃，或通过辅助火花塞辅助氢燃料点燃，实现氢燃料在高压缩比氢气发动机中的应用，显著提升热效率；同时较大程度地使用氢燃料作为发动机燃料以尽可能降低二氧化碳排放。

Description

氢气发动机燃烧系统结构及分区控制方法
技术领域
本发明涉及发动机技术领域，特别是涉及一种氢气发动机燃烧系统结构及分区控制方法。
背景技术
氢是一种零碳燃料，具备点火能量低、可燃空燃比范围广、火焰传播速度快等高效燃料特征。相比氢燃料电池发动机，氢气发动机具有成本低、零碳排放、可靠性高、技术成熟度高、可拓展现有生产线生命周期等多重优势，为承接双碳战略，主流OEM(OriginalEquipment Manufacturer，原始设备制造商)纷纷开始氢气发动机的产品布局。
氢气发动机普遍采用“预混+点燃”的燃烧模式，考虑到爆震、早燃等非正常燃烧的限制，采用该燃烧模式的氢气发动机压缩比与天然气发动机类似，约为10-13，严重地限制了热效率的提升。
发明内容
基于此，有必要提供一种能够适用于高压缩比，提升热效率的氢气发动机燃烧系统结构及分区控制方法。
本发明提供了一种氢气发动机燃烧系统结构，所述氢气发动机燃烧系统结构包括：
发动机缸，所述发动机缸包括缸盖，所述发动机缸中形成有燃烧室；
高压缩比活塞，设置在所述发动机缸中，所述高压缩比活塞的压缩比不小于18；
燃料喷射器，所述燃料喷射器包括易压燃燃料喷射模块和氢燃料喷射模块，能够向所述燃烧室中喷射燃料；
辅助火花塞，所述辅助火花塞设置在所述缸盖上，能够向所述燃烧室中点火。
在其中一个实施例中，所述燃料喷射器相对于所述缸盖倾斜设置，通过衬套和压板实现与所述缸盖的固定连接。
在其中一个实施例中，所述易压燃燃料喷射模块和所述氢燃料喷射模块相互独立，所述易压燃燃料喷射模块单独工作喷出易压燃燃料；或所述氢燃料喷射模块单独工作喷出氢燃料；或所述易压燃燃料喷射模块和所述氢燃料喷射模块均工作，分别喷出易压燃燃料和氢燃料进行混合。
在其中一个实施例中，所述易压燃燃料喷射模块包括易压燃燃料流道和易压燃燃料喷孔，易压燃燃料经由所述易压燃燃料流道从所述易压燃燃料喷孔喷出，所述氢燃料喷射模块包括氢流道和氢喷孔，氢燃料经由所述氢流道从所述氢喷孔喷出。
在其中一个实施例中，所述氢燃料喷射模块喷射的氢燃料为高压氢气或液氢；所述易压燃燃料喷射模块喷射的易压燃燃料为柴油或二甲醚；
和/或，所述辅助火花塞为冷型低能火花塞，点火方式包括高压电极击穿点火、电晕点火。
本发明还提供了一种氢气发动机分区控制方法，所述氢气发动机分区控制方法使用如上所述的氢气发动机燃烧系统结构，将所述氢气发动机的运行工况按负荷大小分为三个区域，包括第一负荷区、第二负荷区和第三负荷区；
所述第一负荷区中，压缩结束时温度低于氢气的自燃温度，氢燃料无法压燃，所述易压燃燃料喷射模块喷射易压燃燃料，所述氢燃料喷射模块喷射氢燃料，混合后能够压燃；
所述第二负荷区中，压缩结束时温度高于所述第一负荷区的压缩结束的温度，但仍低于氢气的自燃温度，氢燃料无法压燃，所述氢燃料喷射模块单独工作喷射氢燃料，通过所述辅助火花塞辅助引燃；
所述第三负荷区中，压缩结束时温度高于氢气自燃温度，所述氢燃料喷射模块单独工作喷射氢燃料，能够压燃。
在其中一个实施例中，所述第一负荷区的负荷范围为0-40％，易压燃燃料替代率≤30％。
在其中一个实施例中，所述第二负荷区，负荷范围为40-65％。
在其中一个实施例中，所述第三负荷区，负荷范围为65-100％。
在其中一个实施例中，燃料的供给方式能够切换为单一易压燃燃料模式，所述易压燃燃料喷射模块工作，所述辅助火花塞和所述氢燃料喷射模块停止工作。
本发明提供的上述氢气发动机燃烧系统结构及分区控制方法，采用“压燃+扩散”燃烧模式，通过燃料喷射器向氢气发动机的燃烧室中喷射氢燃料，将传统的燃料预混后喷出改为喷出燃料后混合扩散，再通过高压缩比活塞将燃烧室中的气体压燃，并可通过喷射易压燃燃料辅助氢燃料压燃，或通过辅助火花塞辅助氢燃料点燃，实现氢燃料在高压缩比氢气发动机中的应用，显著提升热效率；同时较大程度地使用氢燃料作为发动机燃料以尽可能降低二氧化碳排放。
附图说明
图1为本申请一些实施例的氢气发动机燃烧系统结构示意图；
图2为本申请一些实施例的分区控制方法的分区控制示意图。
附图标号：
1、辅助火花塞；2、进气门；3、排气门；4、缸盖的底面；5、活塞顶；6、气缸套的内壁；7、燃料喷射器；71、易压燃燃料喷射模块；711、易压燃燃料流道；712、易压燃燃料喷孔；72、氢燃料喷射模块；721、氢流道；722、氢喷孔。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，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。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
参阅图1，图1示出了本申请一些实施例的氢气发动机燃烧系统结构示意图。
本发明提供了一种氢气发动机燃烧系统结构，氢气发动机燃烧系统结构包括发动机缸、高压缩比活塞、燃料喷射器7和辅助火花塞1，发动机缸包括缸盖，发动机缸中形成有燃烧室；高压缩比活塞设置在发动机缸中，高压缩比活塞的压缩比不小于18；燃料喷射器7包括易压燃燃料喷射模块71和氢燃料喷射模块72，能够向燃烧室中喷射燃料；辅助火花塞1设置在缸盖上，能够向燃烧室中点火。
本发明提供的上述氢气发动机燃烧系统结构，采用“压燃+扩散”燃烧模式，通过燃料喷射器7向氢气发动机的燃烧室中喷射氢燃料，将传统的燃料预混后喷出改为喷出燃料后混合扩散，再通过高压缩比活塞将燃烧室中的气体压燃，并可通过喷射易压燃燃料辅助氢燃料压燃，或通过辅助火花塞1辅助氢燃料点燃，实现氢燃料在高压缩比氢气发动机中的应用，显著提升热效率；同时较大程度地使用氢燃料作为发动机燃料以尽可能降低二氧化碳排放。
在一些具体实施方式中，缸盖包括但不仅限于平底缸盖等形式，缸盖内的气道包括但不仅限于双切向气道、螺旋气道等形式。在一些具体实施方式中，高压缩比活塞可以为任何形式的活塞碗形状。
发动机缸还包括气缸套，缸盖还设置有进气门2和排气门3，在一些具体实施方式中，燃烧室为由缸盖的底面4、进气门2、排气门3、辅助火花塞1、高压缩比活塞的活塞顶5、气缸套的内壁6及燃料喷射器7围成的密闭空间。
在一些具体实施方式中，燃料喷射器7相对于缸盖倾斜设置，通过衬套和压板实现与缸盖的固定连接。
在一些具体实施方式中，易压燃燃料喷射模块71和氢燃料喷射模块72相互独立，易压燃燃料喷射模块71单独工作喷出易压燃燃料；或氢燃料喷射模块72单独工作喷出氢燃料；或易压燃燃料喷射模块71和氢燃料喷射模块72分别喷出易压燃燃料和氢燃料进行混合。燃料喷射器7中由易压燃燃料喷射模块71和氢燃料喷射模块72组成，两模块构成独立一体化设计，两模块可以各自独立工作，也可以同时工作，既可以实现易压燃燃料或氢燃料的单一燃料喷射，也可以实现两种燃料的混合喷射。
在一些具体实施方式中，易压燃燃料喷射模块71包括易压燃燃料流道711和易压燃燃料喷孔712，易压燃燃料经由易压燃燃料流道711从易压燃燃料喷孔712喷出进入燃烧室内，氢燃料喷射模块72包括氢流道721和氢喷孔722，氢燃料经由氢流道721从氢喷孔722喷出进入燃烧室内。易压燃燃料喷孔712和氢喷孔722的具体形状根据燃烧室形状、缸内气流运动方向确定。
在一些具体实施方式中，易压燃燃料喷射模块71喷射时，喷射压力范围为100-200MPa，易压燃燃料喷孔712的轴线与易压燃燃料喷射模块71的轴线夹角不小于70°，易压燃燃料喷孔712直径范围为0.1-1mm，易压燃燃料喷孔712形状不局限于圆形，也可以为其他形状。
在一些具体实施方式中，氢燃料喷射模块72喷射时，喷射压力范围为35-70MPa，氢喷孔722的轴线与氢燃料喷射模块72的轴线夹角不小于70°，氢喷孔722直径范围为0.5-1.5mm，氢喷孔722形状不局限于圆形，也可以为其他形状。
在一些具体实施方式中，氢燃料喷射模块72喷射的氢燃料为高压氢气或液氢；易压燃燃料喷射模块71喷射的易压燃燃料为柴油或二甲醚。在一些具体实施方式中，易压燃燃料包括但不限于柴油、二甲醚等自燃温度较低的燃料，和氢燃料混合后的自燃温度相对于氢气的自燃温度更低，能够辅助氢燃料在低于氢气自燃温度的情况下压燃。
在一些具体实施方式中，辅助火花塞1为冷型低能火花塞，适用于高压缩比的发动机，以避免爆震、早燃等非正常燃烧发生。进一步地，冷型低能火花塞单次累积点火能量≤35mJ。点火方式包括但不限于高压电极击穿点火、电晕点火等点火形式。
在一些具体实施方式中，辅助火花塞1采用中置布置方式，设置在发动机缸轴线对应的缸盖区域处，通过机加通孔及螺纹实现与缸盖的固定连接。
参阅图2，图2示出了本申请一些实施例的分区控制方法的分区控制示意图。
本发明还提供了一种氢气发动机分区控制方法，使用如上所述的氢气发动机燃烧系统结构，将氢气发动机的运行工况按负荷大小分为三个区域，包括第一负荷区、第二负荷区和第三负荷区。
在一些具体实施方式中，小负荷区即为第一负荷区，中负荷区即为第二负荷区，大负荷区即为第三负荷区。
第一负荷区中，压缩结束时温度低于氢气的自燃温度，氢燃料无法压燃，易压燃燃料喷射模块71喷射易压燃燃料，氢燃料喷射模块72喷射氢燃料，混合后能够压燃；第二负荷区中，压缩结束时温度高于第一负荷区的压缩结束的温度，但仍低于氢气的自燃温度，氢燃料无法压燃，氢燃料喷射模块72单独工作喷射氢燃料，通过辅助火花塞1辅助引燃；第三负荷区中，压缩结束时温度高于氢气自燃温度，氢燃料喷射模块72单独工作喷射氢燃料，能够压燃。
在一些具体实施方式中，第一负荷区的负荷范围为0-40％，易压燃燃料替代率≤30％，也就是氢燃料在氢燃料与易压燃燃料的混合燃料中占比≥70％。
在一些具体实施方式中，第二负荷区，负荷范围为40-65％。
在一些具体实施方式中，第三负荷区，负荷范围为65-100％。
具体地，在一些具体实施方式中，在小负荷区，辅助火花塞1停止工作，易压燃燃料早于氢燃料喷射，易压燃燃料喷射时刻范围为上止点前5-20°CA，在上止点指发动机中活塞顶5离曲轴中心最大距离时的位置，“°CA”表示曲轴转角，即1°CA表示曲轴转动360度中的一度，一般是以活塞运动到上止点为0°CA，氢燃料喷射时刻范围为上止点前5-15°CA，易压燃燃料替代率≤30％。
在小负荷区中由于燃烧室压缩后温度会低于氢气自燃温度，将氢燃料与易压燃燃料混合来降低混合燃料的自燃温度，从而使之能够压燃，无需辅助火花塞1点火。
具体地，在一些具体实施方式中，在中负荷区，易压燃燃料喷射模块71停止工作，氢燃料喷射模块72在进气门2关闭后喷射，预喷时刻范围为上止点前120-150°CA，主喷时刻范围为上止点前5-15°CA，预喷的氢燃料的质量占总氢燃料质量的比例≤20％，辅助火花塞1点火时刻范围为上止点前5-20°CA，点火能量≤35mJ。
在中负荷区中由于压缩后温度高于小负荷区然而仍低于氢气自燃温度，此时无需加入易压燃燃料，通过辅助火花塞1辅助点火将氢燃料点着即可。
具体地，在一些具体实施方式中，在大负荷区，辅助火花塞1及易压燃燃料喷射模块71停止工作，氢燃料喷射模块72喷射时刻范围为上止点前5-15°CA。
在大负荷区压缩后温度高于氢气自燃温度，可以直接将氢燃料压燃。
结合小负荷区、中负荷区和大负荷区三个阶段不同的氢气点燃方式，能够看出在全程工作情况中，能够实现在“压燃+扩散”的新型燃烧模式下的全工况氢燃料稳定、高效着火。
上述氢气发动机分区控制方法能够解决当前氢气发动机压缩比低热效率低的问题，能够适用于高压缩比的氢气发动机，提高压缩比从而提高热效率，同时最大程度地使用氢气作为发动机燃料以最大程度地降低二氧化碳排放。
在一些具体实施方式中，燃料的供给方式能够切换为单一易压燃燃料模式，即易压燃燃料喷射模块71工作喷出易压燃燃料，由高压缩比活塞压燃，辅助火花塞1和氢燃料喷射模块72停止工作，工作控制方法与柴油机类似，可以拓展单一易压燃燃料模式实现全工况的应用。
本发明提供的上述氢气发动机燃烧系统结构及分区控制方法，一方面提供了一种适用于高压缩比的全新燃烧模式直喷氢气发动机燃烧系统结构，实现在新型燃烧模式下氢气稳定着火，另一方面提供一种全工况氢气稳定、高效着火的分区控制方法。
采用“压燃+扩散”燃烧模式，通过燃料喷射器7向氢气发动机的燃烧室中喷射氢燃料，将传统的燃料预混后喷出改为喷出燃料后混合扩散，再通过高压缩比活塞将燃烧室中的气体压燃，燃料喷射器7包括易压燃燃料喷射模块71和氢燃料喷射模块72，两模块构成独立一体化设计，两模块可以各自独立工作，也可以同时工作，既可以实现易压燃燃料或氢燃料的单一燃料喷射，也可以实现两种燃料的混合喷射，通过喷射易压燃燃料来辅助氢燃料压燃，或通过辅助火花塞1辅助氢燃料点燃。将氢气发动机的运行工况按负荷大小分为三个区域，小负荷区、中负荷区和大负荷区，在小负荷区中由于燃烧室压缩后温度会低于氢气自燃温度，将易压燃燃料喷出与氢燃料混合来降低混合燃料的自燃温度，从而使之能够压燃，无需辅助火花塞1点火；在中负荷区中由于压缩后温度高于小负荷区然而仍低于氢气自燃温度，此时无需加入易压燃燃料，通过辅助火花塞1辅助点火将氢燃料点着即可；在大负荷区压缩后温度高于氢气自燃温度，可以直接将氢燃料压燃；小负荷区、中负荷区和大负荷区三个阶段不同的氢气点燃方式，能够看出在全程工作情况中，能够实现在“压燃+扩散”的新型燃烧模式下的全工况氢燃料稳定、高效着火，明确了一种全工况下氢气稳定、高效着火的分区控制方法，解决了“压燃+扩散”燃烧模式下压缩比提升而工作过程中难以让氢气稳定、高效燃烧的难题，实现氢燃料在高压缩比氢气发动机中的应用，显著提升热效率，同时较大程度地使用氢燃料作为发动机燃料以尽可能降低二氧化碳排放；也可以拓展单一易压燃燃料模式实现全工况的应用。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种氢气发动机燃烧系统结构，其特征在于，包括：
发动机缸，所述发动机缸包括缸盖，所述发动机缸中形成有燃烧室；
高压缩比活塞，设置在所述发动机缸中，所述高压缩比活塞的压缩比不小于18；
燃料喷射器，所述燃料喷射器包括易压燃燃料喷射模块和氢燃料喷射模块，能够向所述燃烧室中喷射燃料；
辅助火花塞，所述辅助火花塞设置在所述缸盖上，能够向所述燃烧室中点火。
2.根据权利要求1所述的氢气发动机燃烧系统结构，其特征在于，所述燃料喷射器相对于所述缸盖倾斜设置，通过衬套和压板实现与所述缸盖的固定连接。
3.根据权利要求1所述的氢气发动机燃烧系统结构，其特征在于，所述易压燃燃料喷射模块和所述氢燃料喷射模块相互独立，所述易压燃燃料喷射模块单独工作喷出易压燃燃料；或所述氢燃料喷射模块单独工作喷出氢燃料；或所述易压燃燃料喷射模块和所述氢燃料喷射模块均工作，分别喷出易压燃燃料和氢燃料进行混合。
4.根据权利要求1所述的氢气发动机燃烧系统结构，其特征在于，所述易压燃燃料喷射模块包括易压燃燃料流道和易压燃燃料喷孔，易压燃燃料经由所述易压燃燃料流道从所述易压燃燃料喷孔喷出，所述氢燃料喷射模块包括氢流道和氢喷孔，氢燃料经由所述氢流道从所述氢喷孔喷出。
5.根据权利要求1所述的氢气发动机燃烧系统结构，其特征在于，所述氢燃料喷射模块喷射的氢燃料为高压氢气或液氢；所述易压燃燃料喷射模块喷射的易压燃燃料为柴油或二甲醚；
和/或，所述辅助火花塞为冷型低能火花塞，点火方式包括高压电极击穿点火、电晕点火。
6.一种氢气发动机分区控制方法，其特征在于，使用如权利要求1-5任一项所述的氢气发动机燃烧系统结构，将所述氢气发动机的运行工况按负荷大小分为三个区域，包括第一负荷区、第二负荷区和第三负荷区；
所述第一负荷区中，压缩结束时温度低于氢气的自燃温度，氢燃料无法压燃，所述易压燃燃料喷射模块喷射易压燃燃料，所述氢燃料喷射模块喷射氢燃料，混合后能够压燃；
所述第二负荷区中，压缩结束时温度高于所述第一负荷区的压缩结束的温度，但仍低于氢气的自燃温度，氢燃料无法压燃，所述氢燃料喷射模块单独工作喷射氢燃料，通过所述辅助火花塞辅助引燃；
所述第三负荷区中，压缩结束时温度高于氢气自燃温度，所述氢燃料喷射模块单独工作喷射氢燃料，能够压燃。
7.根据权利要求6所述的氢气发动机分区控制方法，其特征在于，所述第一负荷区的负荷范围为0-40％，易压燃燃料替代率≤30％。
8.根据权利要求6所述的氢气发动机分区控制方法，其特征在于，所述第二负荷区，负荷范围为40-65％。
9.根据权利要求6所述的氢气发动机分区控制方法，其特征在于，所述第三负荷区，负荷范围为65-100％。
10.根据权利要求6所述的氢气发动机分区控制方法，其特征在于，燃料的供给方式能够切换为单一易压燃燃料模式，所述易压燃燃料喷射模块工作，所述辅助火花塞和所述氢燃料喷射模块停止工作。
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CN117803486A (zh) * 2024-02-27 2024-04-02 潍柴动力股份有限公司 一种氢气发动机燃烧系统的控制方法及装置

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