CN116291980B - 气道喷射氢气发动机燃烧装置及全工况着火分区控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种气道喷射氢气发动机燃烧装置及全工况着火分区控制方法。燃烧装置包括气缸组件、第一进气机构和第二进气机构，气缸组件包括气缸和设于气缸内的活塞，气缸与活塞之间界定出一燃烧室，第一进气机构连接于气缸并用于向燃烧室供给氢气和空气，第二进气机构连接于气缸并用于向燃烧室供给易压燃燃料。全工况着火分区控制方法将整个发动机运行区域分为大、中、小三个负荷区。在小负荷工况，采用易压燃燃料引燃氢气。在中负荷工况，采用进气加热及火花塞辅助引燃氢气。在大负荷工况，采用进气加热，提升缸内温度，直接压燃氢气。确保氢气发动机压缩比提升及燃烧模式转换后，全工况下稳定着火与高效燃烧。

Description

气道喷射氢气发动机燃烧装置及全工况着火分区控制方法

技术领域

本发明涉及发动机技术领域，特别是涉及气道喷射氢气发动机燃烧装置及全工况着火分区控制方法。

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纷纷开始了氢气发动机的产品布局。

目前，氢气发动机普遍采用“点燃”的着火方式，考虑到爆震、早燃等非正常燃烧的限制，采用该着火方式的氢气发动机压缩比与天然气发动机类似，约10-13，严重地限制了热效率的提升。采用“压燃”着火方式，压缩比具备较大的提升空间，可以与柴油机相当，既能避免回火、充气效率低等问题，也可大幅提升热效率。

另外，需要一种全工况下氢气稳定、高效着火的分区控制方法，确保全工况气道喷射氢气发动机稳定着火与高效燃烧。

发明内容

基于此，为了确保压缩比提升后氢气发动机稳定着火，需要一种气道喷射氢气发动机燃烧装置以及全工况着火分区控制方法。

根据本申请的一个方面，提供了一种气道喷射氢气发动机燃烧装置，包括气缸组件、第一进气机构和第二进气机构。气缸组件包括气缸和设于气缸内的活塞，气缸与活塞之间界定出一燃烧室。第一进气机构连接于气缸，并用于向燃烧室供给氢气和空气。第二进气机构连接于气缸，并用于向燃烧室供给易压燃燃料，活塞被配置为能够沿气缸的轴向移动，以使燃烧室内的压力和温度变化，以压燃进入燃烧室内的氢气和/或易压燃燃料。易压燃燃料的燃点小于氢气的燃点。

在其中一个实施例中，气道喷射氢气发动机燃烧装置需要在大负荷工况下运行，当气道喷射氢气发动机燃烧装置处于大负荷工况时，着火时刻燃烧室的局部温度大于或等于氢气的燃点。

在其中一个实施例中，气道喷射氢气发动机燃烧装置需要在小负荷工况下运行，当气道喷射氢气发动机燃烧装置处于小负荷工况时，着火时刻燃烧室的局部温度大于或等于易压燃燃料的燃点。

在其中一个实施例中，气道喷射氢气发动机燃烧装置需要在中负荷工况下运行，气道喷射氢气发动机燃烧装置还包括布置于气缸并连通燃烧室的冷式低能火花塞，当气道喷射氢气发动机燃烧装置处于中负荷工况时，使用冷式低能火花塞引燃氢气，冷式低能火花塞点火时刻范围为上止点前5-20°CA。

在其中一个实施例中，第一进气机构包括连通于燃烧室的进气管，以及设置于进气管上且用于向进气管内喷射氢气的氢气气道单点喷射器或氢气气道多点喷射器。第一进气机构还包括设于进气管上且用于给流入进气管内的氢气和空气混合物加热的进气加热装置。

在其中一个实施例中，进气管的入口处还设有大流量增压器。

在其中一个实施例中，第二进气机构包括易压燃燃料喷射器，易压燃燃料喷射器与气缸轴线呈第一预设夹角设置。

在其中一个实施例中，易压燃燃料喷射器包括与燃烧室相连通的喷孔以及连通于喷孔的燃料流道，且喷孔的轴线方向与燃料流道之间呈第二预设夹角设置。

根据本申请的另外一个方面，提供了一种全工况着火分区控制方法，控制方法包括：结合发动机实际运行工况，向所述燃烧室内供给所述氢气、空气和/或易压燃燃料；结合发动机实际运行工况，采用不同的氢燃料引燃方式，确保稳定着火与高效燃烧。

在本申请的技术方案中，根据发动机实际运行工况，采取易压燃燃料引燃、火花塞辅助引燃、纯压燃等灵活多变的氢燃料引燃方式，改变传统燃气机“点燃”的着火方式，使压缩比提升成为了可能，进一步促进热效率提升。

附图说明

图1为本申请一实施例的气道喷射氢气发动机燃烧装置的结构示意图；

图2为本申请一实施例的发动机全工况稳定着火的分区控制示意图；

图3为本申请一实施例的氢气气道单点喷射器、氢气气道多点喷射器及进气加热装置的位置布局示意图。

附图标记：

气缸11；活塞12；燃烧室13；进气门14；排气门15；

第一进气机构200；

氢气气道单点喷射器23；氢气气道多点喷射器24；进气加热装置25；大流量增压器26；

易压燃燃料喷射器32；喷孔321；燃料流道322；

排气管400；冷式低能火花塞500。

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。

氢气发动机具有着成本低、可靠性高以及零碳排放等优势，但由于目前的氢气发动机普遍采用的“点燃”着火方式容易产生爆震和早燃等非正常燃烧的现象，使得氢气发动机压缩比提升空间有限，热效率不高。

基于此，为了确保压缩比提升后氢气发动机稳定着火，需要一种气道喷射氢气发动机燃烧装置以及全工况着火分区控制方法。

参阅图1，图1示出了本发明一实施例中的气道喷射氢气发动机燃烧装置的结构示意图，本发明一实施例提供了的气道喷射氢气发动机燃烧装置，包括气缸组件、第一进气机构200和第二进气机构。气缸组件包括气缸11和设于气缸11内的活塞12，气缸11与活塞12之间界定出一燃烧室13。第一进气机构200连接于气缸11，并用于向燃烧室13供给氢气和空气。第二进气机构连接于气缸11，并用于向燃烧室13供给易压燃燃料。活塞12被配置为能够沿气缸11的轴向移动，使燃烧室13内的压力和温度变化，以压燃进入燃烧室13内的氢气和/或易压燃燃料，易压燃燃料的燃点小于氢气的燃点。

可以理解的是，本申请既可以通过第一进气机构200向燃烧室13供给氢气和空气，也可以通过第二进气机构向燃烧室13中供给易压燃燃料。在不同工况下采用不同的燃料供给方式及引燃方式，确保氢气发动机着火模式改变后仍能够保持稳定着火。

特别指出，活塞12采用高压缩比活塞，以实现热效率的最大化。

可选地，易压燃燃料可采用柴油或二甲醚等低自燃温度燃料。

结合图2所示，图2示出了本申请一实施例的发动机全工况稳定着火的分区控制示意图。在一些实施例中，当气道喷射氢气发动机燃烧装置处于大负荷工况时（这里的大负荷工况的负荷范围为65%-100%），着火时刻燃烧室13的局部温度大于或等于氢气的燃点，氢气可被直接压燃。

在一些实施例中，当气道喷射氢气发动机燃烧装置处于小负荷工况时（这里的小负荷工况的负荷范围为0-40%），易压燃燃料的燃料替代率≤30%。着火时刻燃烧室13内的局部温度大于或等于易压燃燃料的燃点，在小负荷工况的压缩终了阶段缸内温度偏低，需要易压燃燃料引燃氢气。

进一步地，气道喷射氢气发动机燃烧装置还包括布置于气缸11并连通燃烧室13的冷式低能火花塞500。当气道喷射氢气发动机燃烧装置处于中负荷工况时（这里的中负荷工况的负荷范围为40%-65%），冷式低能火花塞500的放电时电极处的温度大于氢气的燃点，使用冷式低能火花塞500引燃氢气。

需要说明的是，本申请的技术方案中使用的冷式低能火花塞500的单次累计点火能量≤35mJ，避免爆震和早燃现象。

图3示出了本申请一实施例的氢气气道单点喷射器23、氢气气道多点喷射器24及进气加热装置25的位置布局示意图。在其中一个实施例中，第一进气机构200包括连通于燃烧室13的进气管，以及设置于进气管上且用于向进气管内喷射氢气的氢气气道单点喷射器23、氢气气道多点喷射器24。第一进气机构200还包括设于进气管上且用于给流入进气管内的氢气和空气加热的进气加热装置25。其中，氢气发动机采用氢气气道单点喷射器23或氢气气道多点喷射器24由发动机出厂配置决定。此外，由于氢气的燃点是575℃，而车辆在冷启动的情况下缸内温度相对偏低，易导致车辆的发动机出现失火的情况。本申请通过在进气管上设置进气加热装置24给氢气和空气加热，从而提高气缸11内的整体温度，使得气道喷射氢气发动机燃烧装置在冷启动的情况下也能够正常着火。

其中，进气加热装置25的温度调节范围为30-200℃，当发动机处于中负荷工况时，需要启动进气加热装置25并将氢气和空气加热至100-150℃。当发动机处于大负荷工况时，需要启动进气加热装置25并将氢气和空气加热至150-200℃，从而避免出现失火现象。

在一些实施例中，进气管的入口处还设有大流量增压器26，由于氢气发动机可燃极限较宽，为有效降低氮氧化物排放并抑制缸内爆震，氢气发动机所需进气量较大，需要配置大流量增压器26。在一些实施例中，应当理解的是，第二进气机构包括易压燃燃料喷射器32，易压燃燃料喷射器32与气缸11呈第一预设夹角设置。在小负荷工况，缸内的氢气、易压燃燃料、空气相互混合，并形成可燃混合气，为稳定着火做准备。

进一步地，易压燃燃料喷射器32包括与燃烧室13相连通的喷孔321以及连通于喷孔321的燃料流道322，且喷孔321的轴线方向与燃料流道322之间呈第二预设夹角设置，从而进一步加强混合效果。

其中，易压燃燃料喷射器32的喷射压力范围为100-200bar，第二预设角度不小于70°，喷孔321的直径范围为0.1-1mm，形状不局限于圆形，也可以为其他形状，实现良好的喷射与混合效果。

根据本申请的另外一个方面，提供了一种全工况稳定、高效着火分区控制方法，控制方法包括：

以氢气发动机为例，并根据本申请所提出的工况分区进行控制的方法具体如下：

本申请中小负荷工况的负荷范围为0-40%，易压燃燃料替代率≤30%，中负荷工况的负荷范围为40-65%，大负荷工况的负荷范围为65-100%。当发动机处于中负荷工况时，需要启动进气加热装置25并将氢气和空气加热至100-150℃。当发动机处于大负荷工况时，需要启动进气加热装置25将氢气和空气加热至150-200℃，从而避免出现失火现象。

以下对每一工况下的具体全工况稳定、高效着火分区控制方法展开进行详述。

在小负荷工况下，控制冷式低能火花塞500停止工作。在氢气发动机进气行程，氢气与空气通过进气管进入燃烧室13内，氢气气道单点喷射器23或氢气气道多点喷射器24停止喷射氢气的时刻为进气门14关闭前40-60°CA，易压燃燃料喷射时刻范围为上止点前5-20°CA，燃料替代率≤30%，避免出现回火现象的同时，实现先压燃易压燃燃料再引燃氢气，确保稳定着火。

在中负荷工况，控制易压燃燃料喷射器32停止工作停止工作，进气加热装置启动工作。在氢气发动机进气行程，氢气与空气通过进气管进入燃烧室13内，氢气气道单点喷射器23或氢气气道多点喷射器24停止喷射氢气的时刻为进气门14关闭前30-50°CA。冷式低能火花塞500点火时刻范围为上止点前5-20°CA，点火能量≤35mJ。进气加热装置25将氢气和空气加热至100-150℃，确保稳定着火。

在大负荷工况，控制冷式低能火花塞500及易压燃燃料喷射器32停止工作，进气加热装置启动工作。在氢气发动机进气行程，氢气与空气通过进气管进入燃烧室13内，氢气气道单点喷射器23或氢气气道多点喷射器24停止喷射氢气的时刻为进气门14关闭前20-40°CA，从而避免出现回火现象。在大负荷工况区域内，缸内温度较高，加之进气加热装置25并将氢气和空气加热至150-200℃，可实现氢气压燃着火。

上述气道喷射氢气发动机燃烧装置以及利用该装置进行全工况稳定、高效着火分区控制方法，对发动机的实际负荷情况进行了分区并在不同区域内采用不同的着火方式。特别的，在小负荷工况，采用易压燃燃料引燃氢气，即在压缩行程结束后先压燃易压燃燃料，进而引燃氢气。在中负荷工况，采用进气加热及火花塞辅助引燃氢气。在大负荷工况，采用进气加热，提升缸内温度，直接压燃氢气。确保氢气发动机压缩比提升及燃烧模式转换后，全工况下稳定着火与高效燃烧。

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 (3)

1.一种气道喷射氢气发动机燃烧装置，其特征在于，所述气道喷射氢气发动机燃烧装置包括：

气缸组件，包括气缸和设于所述气缸内的活塞，所述气缸与所述活塞之间界定出一燃烧室；

第一进气机构，连接于所述气缸，并用于向所述燃烧室供给氢气和空气，所述第一进气机构包括连通于所述燃烧室的进气管，以及设置于所述进气管上且用于向所述进气管内喷射所述氢气的氢气气道单点喷射器或氢气气道多点喷射器，所述第一进气机构还包括设于所述进气管上且用于给流入进气管内的氢气和空气加热的进气加热装置，所述进气管的入口处还设有大流量增压器；

第二进气机构，连接于所述气缸，并用于向所述燃烧室供给易压燃燃料；所述活塞被配置为能够沿所述气缸的轴向移动，以使所述燃烧室内的压力和温度变化，以压燃进入所述燃烧室内的所述氢气和/或所述易压燃燃料，所述易压燃燃料的燃点小于所述氢气的燃点，所述第二进气机构包括易压燃燃料喷射器，所述易压燃燃料喷射器与所述气缸的轴线呈第一预设夹角设置；

所述气道喷射氢气发动机燃烧装置需要在大负荷工况下运行，当所述气道喷射氢气发动机燃烧装置处于所述大负荷工况时，着火时刻所述燃烧室的局部温度大于或等于所述氢气的燃点；

所述气道喷射氢气发动机燃烧装置需要在小负荷工况下运行，当所述气道喷射氢气发动机燃烧装置处于所述小负荷工况时，着火时刻所述燃烧室内的局部温度大于或等于所述易压燃燃料的燃点；

所述气道喷射氢气发动机燃烧装置需要在中负荷工况下运行，所述气道喷射氢气发动机燃烧装置还包括布置于所述气缸并连通所述燃烧室的冷式低能火花塞，当所述气道喷射氢气发动机燃烧装置处于所述中负荷工况时，所述冷式低能火花塞放电时，电极附近的局部温度大于所述氢气的燃点，所述冷式低能火花塞点火时刻范围为上止点前5-20°CA。

2.根据权利要求1所述的气道喷射氢气发动机燃烧装置，其特征在于，所述易压燃燃料喷射器包括与所述燃烧室相连通的喷孔以及连通于所述喷孔的燃料流道，且所述喷孔的轴线方向与所述燃料流道之间呈第二预设夹角设置。

3.一种全工况着火分区控制方法，其特征在于，根据权利要求1-2中任一项所述的气道喷射氢气发动机燃烧装置进行控制的方法，所述控制方法包括：

结合发动机实际运行工况，向所述燃烧室内供给所述氢气、空气和/或易压燃燃料；

结合发动机实际运行工况，采用不同的氢燃料引燃方式，确保燃烧模式转变后在氢气发动机全工况下稳定着火与高效燃烧。