CN116877305A - 喷管、供氢系统及氢气发动机的防回火控制方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种喷管、供氢系统及氢气发动机的防回火控制方法，应用于氢气发动机，喷管包括喷管本体，喷管本体具有用于接收气流的入口端和用于将气流喷出的出口端；出口端构造为拉法尔管状结构，拉法尔管状结构包括相连通的渐缩段及渐扩段，喷管的喷气口形成于渐扩段背离渐缩段的一侧；拉法尔管状结构被配置为能够使气流依次流经渐缩段及渐扩段后流速增大。本申请的喷管、供氢系统及氢气发动机的防回火控制方法能够有效降低回火风险。

Description

喷管、供氢系统及氢气发动机的防回火控制方法

技术领域

本申请涉及发动机的燃料供给技术领域，特别是涉及一种喷管、供氢系统及氢气发动机的防回火控制方法。

背景技术

随着环保意识的不断提高和化石燃料资源的日益枯竭，氢气燃料逐渐成为汽车行业的新兴研究领域。与传统的发动机相比，氢气发动机具有零排放、高效能等优势，因此备受关注。然而，氢气燃料的安全性、储存、供给和燃烧等问题仍是制约其商业化应用的瓶颈。其中，防回火技术是解决氢气发动机应用中最为关键的技术之一。

现有技术中，常见的防回火技术包括多点喷射、减压防回火、尾气再循环等。其中，多点喷射技术是目前应用较为广泛的一种。其原理是将氢气喷入发动机气缸时，通过多个喷射器同时进行喷射，形成高速气流，以加快燃烧速度，从而降低回火的概率。但是，因发动机结构的限制，相关技术的多点喷射系统中各喷射器都需要配备有喷管，喷射器内的气体经由喷管喷射入气缸内。然而，喷管的喷头与气缸的进气口之间往往存在着一定距离，氢气经由喷管的喷头喷出并达到气缸进气口的过程中，往往存在着氢气扩散的问题。由于氢气的易燃易爆性质，很容易发生氢气燃烧回火。因此，现有技术的氢气发动机仍存在很高的回火风险。

发明内容

基于此，有必要针对现有的氢气发动机回火风险较高的问题，提供一种喷管、供氢系统及氢气发动机的防回火控制方法。

第一方面，本申请提供一种喷管，应用于氢气发动机的供氢系统，喷管包括喷管本体，喷管本体具有用于接收气流的入口端和用于将气流喷出的出口端；出口端构造为拉法尔管状结构，拉法尔管状结构包括相连通的渐缩段及渐扩段，喷管的喷气口形成于渐扩段背离渐缩段的一侧；拉法尔管状结构被配置为能够使气流依次流经渐缩段及渐扩段后流速增大。

在其中一个实施例中，喷管还包括单向阀，单向阀连接于入口端，喷管的进气口形成于单向阀背离入口端的一侧，单向阀内构造有气流通道，气流通道被配置为能够使气流沿喷管的进气口至喷气口的方向进行单向流动。

在其中一个实施例中，单向阀被配置为特斯拉阀，单向阀包括阀体和阀芯。其中阀体具有阀腔，阀腔腔壁设有多个第一凸起部，各第一凸起部沿阀腔腔壁的周向整周设置，第一凸起部包括靠近进气口的第一斜面和背离进气口的第一弧面，多个第一凸起部沿阀腔的轴向依次间隔设置。阀芯设于阀腔内，阀芯外壁设有多个第二凸起部，各第二凸起部沿阀芯外壁的周向整周设置，第二凸起部包括靠近进气口的第二斜面和背离进气口的第二弧面，多个第二凸起部沿阀芯的轴向依次间隔设置。各第一凸起部与各第二凸起部沿阀芯的轴向分别交错布置，阀体的阀腔和阀芯共同限定出气流通道。

在其中一个实施例中，喷管还包括安装座，安装座构造有一端具有开口的容置腔，安装座与入口端密封连接且容置腔与入口端连通，开口的边缘处设有第一凸缘；阀体经开口设于容置腔内，阀芯设有第二凸缘，第二凸缘伸出容置腔，并与第一凸缘连接。

在其中一个实施例中，喷管本体的数量为两个，各喷管本体的入口端均密封连接于安装座的同一侧。

第二方面，本申请提供一种供氢系统，应用于氢气发动机，氢气发动机具有多个气缸，供氢系统包括多个如上述的喷管、共轨喷氢机构以及进气箱。共轨喷氢机构设有多个与喷管一一对应的喷氢器，各喷氢器分别与各喷管连通，以向喷管喷射高压气流。进气箱具有进气腔，各喷管设于进气腔内，各喷管分别与各气缸一一对应布置，各喷管的喷气口分别朝向与之对应的气缸的进气门设置。

在其中一个实施例中，进气箱的两侧相对设置有进气管和放气阀，进气管和放气阀均与进气箱的进气腔相连通。

在其中一个实施例中，进气箱还设有氢浓度传感器，氢浓度传感器被配置为用于获取进气腔内的氢气浓度。

第三方面，本申请提供一种氢气发动机的防回火控制方法，氢气发动机包括如上述的供氢系统以及气缸，防回火控制方法包括以下步骤：使共轨喷氢机构的各喷氢器将氢气喷入所对应的各喷管，并由各喷管将氢气供给至各气缸。

在其中一个实施例中，进气箱的两侧相对设置有进气管和放气阀，进气管和放气阀均与进气箱的进气腔相连通；防回火控制方法还包括以下步骤：获取进气腔内的氢气浓度，并与氢气浓度的阈值进行比对；当进气腔内的氢气浓度大于氢气浓度的阈值时，打开放气阀，使空气由进气管进入进气腔，并由放气阀排出。

在其中一个实施例中，防回火控制方法还包括以下步骤：确定出氢气发动机的工况，氢气发动机的工况为怠速工况、部分负荷工况或者额定工况中的其中一者；当氢气发动机为怠速工况时，使各喷氢器继续工作；当氢气发动机为部分负荷工况时，使至少两个相间隔的气缸对应的喷氢器交替停止工作预设时长；当氢气发动机为额定工况时，使至少两个相间隔的气缸对应的喷氢器同时停止工作。

在其中一个实施例中，防回火控制方法还包括以下步骤：获取进气腔内的压力，并对获取的进气腔内的压力对进气腔的进气量进行计算修正；将修正后的进气量与进气腔的进气量阈值进行比对；当修正后的进气量大于进气量阈值时，停止对供氢系统中各喷氢器供电。

在其中一个实施例中，防回火控制方法还包括以下步骤：获取气缸内的气压，并与气缸的气压阈值进行比对；当气缸内的气压大于气压阈值时，减小供氢系统中各喷氢器的喷射流量。

本申请提供的喷管、供氢系统及氢气发动机的防回火控制方法，通过在喷管本体入口端设置拉法尔管状结构，对经由喷管喷射的气流产生节流加速效果，使得氢气气流能够快速进入气缸，同时高速流动的气体在局部会产生负压，对氢气流束周边的气体形成虹吸效应，抑制了氢气扩散到进气箱的量，从而降低回火概率。因此，本申请提供的喷管、供氢系统及氢气发动机的防回火控制方法能够有效降低氢气发动机的回火风险，提高氢气发动机的安全性及可靠性。

附图说明

图1为本申请实施例中所提供的供氢系统的结构示意图。

图2为本申请实施例中所提供的喷管的结构示意图。

图3为本申请实施例中所提供的喷管的局部剖视图。

图4为本申请实施例中所提供的喷管的局部放大图。

图5为本申请实施例中所提供的单向阀的剖视图。

图6为本申请实施例中所提供的喷管的设计原理示意图。

图7为本申请实施例中所提供的氢气发动机的防回火控制方法的流程示意图。

附图标号:1、共轨喷氢机构；11、喷氢器；12、共轨管；13、第一温度压力传感器；14、进氢接头；15、输氢管；2、喷管；21、喷管本体；21a、入口端；21b、出口端；211、渐缩段；212、渐扩段；213、喉部；22、单向阀；220、气流通道；221、阀体；2211、第一凸起部；222、阀芯；2221、第二凸起部；2222、第二凸缘；23、安装座；231、第一凸缘；3、进气箱；31、进气管；32、放气阀；33、氢浓度传感器；34、第二压力传感器；4、气缸；41、进气门；42、第三传感器。

具体实施方式

为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本申请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申请。但是本申请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申请内涵的情况下做类似改进，因此本申请不受下面公开的具体实施例的限制。

在本申请的描述中，需要理解的是，若有出现这些术语“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，这些术语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申请和简化描述，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申请的限制。

此外，若有出现这些术语“第一”、“第二”，这些术语仅用于描述目的，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。在本申请的描述中，若有出现术语“多个”，“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。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，若有出现术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等，这些术语应做广义理解。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申请中的具体含义。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，若有出现第一特征在第二特征“上”或“下”等类似的描述，其含义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，若元件被称为“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。若一个元件被认为是“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。如若存在，本申请所使用的术语“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。

随着环保意识的增强和化石燃料的日益减少，氢燃料作为一种新型的绿色能源逐渐受到人们的关注。在发动机领域，氢气的燃烧能够产生较少的污染物，但同时也存在一些问题，其中之一就是氢气的回火现象。

现有技术中，为了解决氢气回火问题，通常会采用减少氢气喷射量或者加大氧气供应量的方式。但是这种方法往往会导致氢气燃烧不充分，降低内燃机的性能表现。另外，现有技术中还有采用添加物或者复杂的气体循环系统来实现氢气的燃烧控制，但这些方法不仅成本高昂，而且操作复杂，难以广泛应用。

在现有技术中，氢气回火问题一直是氢燃料发动机领域的一个瓶颈问题。在燃气过程中，氢气会发生回火现象，产生的压力波会导致发动机的振动和噪音，并且还可能引起发动机的损坏。此外，氢气的扩散现象也会增加氢气的浓度，导致氢气爆炸的风险增加。

基于此，一方面，本申请提供一种应用于氢气发动机的供氢系统以及应用于该供氢系统的喷管2，以降低回火的概率，提高氢气发动机的安全性及可靠性。

参阅图1，图1为本申请实施例中所提供的供氢系统的结构示意图，本申请一实施例提供的供氢系统，应用于氢气发动机，该氢气发动机具有多个气缸4。具体的，该供氢系统包括共轨喷氢机构1、喷管2及进气箱3。其中，共轨喷氢机构1设有多个与喷管2一一对应的喷氢器11，各喷氢器11分别与各喷管2连通，以向喷管2喷射高压气流。其中，进气箱3具有进气腔，各喷管2设于进气腔内，各喷管2分别与各气缸4一一对应布置，各喷管2的喷气口分别朝向与之对应的气缸4的进气门41设置。

具体可以实现的，参阅图1至图4，图2为本申请实施例中所提供的喷管2的结构示意图，图3为本申请实施例中所提供的喷管2的局部剖视图，图4为本申请实施例中所提供的喷管2的局部放大图，上述应用于氢气发动机的供氢系统的喷管2包括喷管本体21，喷管本体21具有用于接收气流的入口端21a和用于将气流喷出的出口端21b。该出口端21b构造为拉法尔管状结构，该拉法尔管状结构包括相连通的渐缩段211及渐扩段212，喷管2的喷气口形成于渐扩段212背离渐缩段211的一侧。该拉法尔管状结构被配置为能够使气流依次流经渐缩段211及渐扩段212后流速增大。

在该方案中，本申请提供的喷管2在形成喷气口的喷管本体21入口端21a设置拉法尔管状结构，对经由喷管2喷射的气流产生节流加速效果，使得氢气气流能够快速进入气缸4，同时高速流动的气体在局部会产生负压，对氢气流束周边的气体形成虹吸效应，抑制了氢气扩散至进气箱3内，从而降低回火概率。因此，本申请提供的喷管2以及应用该喷管2的供氢系统能够有效降低氢气发动机的回火风险，提高氢气发动机的安全性及可靠性。

本申请对喷管本体21的形状不做具体限定，只要能实现喷射气流的功能即可。示例性的，喷管本体21可以构造为圆柱形管状结构。示例性的，喷管本体21背离入口端21a的一端可以设置有弯折部，该弯折部形成出口端21b。本申请对喷管本体21的截面尺寸不做具体限定，只要能满足氢气发动机的流量需求即可。示例性的，喷管2的内径范围可以是5-10mm，优选的，喷管2的内径可以为7mm。

本申请提供的喷管2在满足氢气发动机供氢流量需求的同时，能有效防止氢气燃烧回火，以使氢气发动机进气门41晚关，实现米勒循环，提高氢气发动机的功率，降低氢气发动机使用风险，同时喷管2的结构简单、成本低、可靠性好，无须维护保养，能够同氢气发动机等寿命。可以理解的是，本申请提供的喷管2包括但不限于应用于氢气发动机的供氢系统，在其他代用燃料发动机、或者油气混合发动机等也具有广泛的应用前景。

进一步的，在一些实施例中，如图4所示，出口端21b的渐缩段211及渐扩段212的连通处形成一喉部213，气流流经该喉部213时流动马赫数稍大于1，以便于使得气流的激波形成于该喉部213远离渐缩段211的一侧，避免产生噎流现象。示例性的，喉部213的截面尺寸可以通过CFD(Computational Fluid Dynamics)仿真计算，以使得气流流经喉部213时处于流动马赫数稍大于1的状态。示例性的，渐缩段211的最大截面尺寸与喉部213的截面尺寸差值可以为0.5-2mm，优选的，可以为1mm。

参阅图6，图6为本申请实施例中所提供的喷管2的设计原理示意图，图中a示出了喷管2设计时预设的气流流动马赫数的变化状态，图中b示出了喷管2实际使用时时其中一种可能的气流流动马赫数的变化状态，其中箭头方向指气流由喷管2的进气口至喷气口的流动方向，Ma指气流的流动马赫数，区域A指渐缩段211限定出的可供气流流动的区域，区域B指渐扩段212限定出的可供气流流动的区域，位置C指气流在喷管2内形成激波时的位置。

本申请的供氢系统中，经由喷氢器11喷射入喷管2内的气体流速很高，为超音速流动，故认为其接近等熵流动，即总压损失为零。对于气体在变截面管道内的等熵流动来说，流动马赫数等于1的截面总是管道截面积最小的截面。若气流在喉部213截面的上游，即渐缩段211就已经达到马赫数等于1，从这个位置再往下游流动，无论流动马赫数增大还是减小，所需的管道截面积都是增大的。但是实际上该位置处于渐缩段211，其截面尺寸是逐渐减小的，此时，喷管2的喉部213截面尺寸不足以满足由喷管2的进气口流入的全部气流的流量需求，从而造成喷管2进气口处气流的流动状态被迫发生改变，产生噎塞流，进而产生很大的总压损失，喷管2喷射出的气流流量受到抑制，导致供氢流量不足，喷管2喷气口处的氢气流速降低，进而增加了扩散到进气箱3内的氢气量，增加回火风险。因此，设计时(如图6中a所示)，本申请通过使喉部213的截面尺寸满足气流流经喉部213时流动马赫数稍大于1的状态，使得气流形成激波的位置C处于区域B内，此时气流通过激波转化为亚声速流动，由于激波前的马赫数不太大(稍大于1)，所以激波导致的总压损失也不太大。这样，即使实际使用时(如图6中b所示)，气流流经渐缩段211时流动马赫数稍有下降，也只是导致激波的位置C稍向喉部213移动，不会产生噎塞流导致氢气流速减慢的情况。

在一些实施例中，示例性的，喷管本体21的出口端21b和入口端21a均一体成型于喷管本体21，结简简单，可靠性高。示例性的，喷管本体21的入口端21a一体成型于喷管本体21，出口端21b与喷管本体21分别设置，出口端21b密封连接于喷管本体21背离入口端21a的一侧，且与入口端21a连通。示例性的，出口端21b与喷管本体21之间可以采用焊接、压接、螺纹连接等连接方式实现密封连接。

进一步的，参阅图2、图3和图5，图5为本申请实施例中所提供的单向阀22的剖视图，在一些实施例中，喷管2还包括单向阀22，单向阀22连接于入口端21a，喷管2的进气口形成于单向阀22背离入口端21a的一侧，单向阀22内构造有气流通道220，气流通道220被配置为能够使气流沿喷管2的进气口至喷气口的方向进行单向流动。本申请在喷管本体21的入口端21a设置单向阀22，使得气流能由喷管2的进气口至喷气口的方向进行单向流动，当发生回火时，火焰产生的压力波被单向阀22隔断，火焰无法回流到上游的零部件内，以对上游的零部件形成保护，进一步降低发动机的回火风险，提高安全性及可靠性。

在一些实施例中，上述单向阀22被配置为特斯拉阀，特斯拉阀通过固定的结构即能实现气流由喷管2的进气口至喷气口的方向单向流动，以在回火时对上游零部件形成保护。

具体可以实现的，参阅图5，该单向阀22包括阀体221和阀芯222。其阀体221具有阀腔，阀腔腔壁设有多个第一凸起部2211，各第一凸起部2211沿阀腔腔壁的周向整周设置，第一凸起部2211包括靠近进气口的第一斜面和背离进气口的第一弧面，多个第一凸起部2211沿阀腔的轴向依次间隔设置。其阀芯222设于阀腔内，阀芯222外壁设有多个第二凸起部2221，各第二凸起部2221沿阀芯222外壁的周向整周设置，第二凸起部2221包括靠近进气口的第二斜面和背离进气口的第二弧面，多个第二凸起部2221沿阀芯222的轴向依次间隔设置。各第一凸起部2211与各第二凸起部2221沿阀芯222的轴向分别交错布置，阀体221的阀腔和阀芯222共同限定出气流通道220。在该实施例中，阀体221和阀芯222共同组成特斯拉阀，易于装配，可靠性高，且阀体221与阀芯222之间的相对位置可以进行调整，以使提高气流的单向流动效果。

示例性的，该特斯拉阀还可以是一体成型设置，气流通道220形成于特斯拉阀内，优选的，特斯拉阀可以采用精密铸造工艺进行制造，可靠性高。

进一步的，参阅图2、图3和图5，在一些实施例中，喷管2还包括安装座23，用于安装喷管本体21。具体可以实现的，安装座23构造有一端具有开口的容置腔，安装座23与入口端21a密封连接且容置腔与入口端21a连通，开口的边缘处设有第一凸缘231；阀体221经开口设于容置腔内，阀芯222设有第二凸缘2222，第二凸缘2222伸出容置腔，并与第一凸缘231连接。安装座23的设置不仅便于实现喷管2的安装，且能够使得喷管本体21及单向阀22形成整体结构，提高应用的可靠性。

本申请对喷管本体21和安装座23之间的连接方式不做具体限定，示例性的，喷管本体21的入口端21a可以与安装座23背离容置腔开口的一侧焊接，以实现两者之间的密封连接，优选为，入口端21a可以与安装座23通过氩弧焊焊接为一整体结构。

示例性的，上述单向阀22还可以设置于安装座23外，单向阀22与安装座23之间通过过渡法兰连接。

在一些实施例中，参阅图2和图3，喷管本体21的数量为两个，各喷管本体21的入口端21a均密封连接于安装座23的同一侧。一方面，一个喷管2设置有两个喷管本体21，能够增加喷射的气体流体，更充分的满足氢气发动机的氢气流量需求。另一方面，在一些应用场景中，氢气发动机的各个气缸4具有两个进气门41，喷管2具有两个喷管本体21，各喷管本体21分别对应一进气门41设置，以便于喷管2的喷气口尽可能靠近与之对应的进气门41，使得喷出的氢气到达气缸4内的距离尽可能短，从而缩短氢气流动的沿程时间，减少氢气溢出气缸4，降低回火概率。示例性的，喷管2的喷气口与与之对应的进气门41之间的距离范围可以是0-50mm，优选的，可以是20-30mm。

可以理解的是，本申请提供的喷管2中，喷管本体21的数量也可以设置为一个，该喷管本体21的入口端21a与安装座23的一侧密封连接。

进一步的，在一些实施例中，参阅图1，共轨喷氢机构1还包括共轨管12、第一温度压力传感器13、进氢接头14及输氢管15。其中，共轨管12用于使得氢气在进入各喷氢器11前供氢压力保持一致。具体的，上述多个喷氢器11均连通于该共轨管12，且沿该共轨管12的轴向间隔分布。共轨管12上设有进氢接头14，氢气由该进氢接头14进入共轨管12形成一定的供氢气压，然后再分别流入各个喷氢器11。进一步的，共轨管12上还设有第一温度压力传感器13，该第一温度压力传感器13可以用于检测共轨管12内的气压以及温度，以便于根据共轨管12内的气压及温度控制控制供氢流量。进一步的，输氢管15设有多个，各输氢管15分别连接于喷氢器11与喷管2的进气口之间，以便于各喷氢器11向各喷管2供气。

在一些实施例中，参阅图1，本申请提供的供氢系统中，进气箱3的两侧相对设置有进气管31和放气阀32，进气管31和放气阀32均与进气箱3的进气腔相连通。其中进气管31用于为空气进入进气腔提供通道，放气阀32用于在进气腔内氢气浓度异常时被打开，以便于由进气管31内进入的空气通过放气阀32流出。示例性的，该进气管31可以与进气箱3一体形成，也可以与进气箱3可拆卸的连接。示例性的，该放气阀32可以是电磁阀。

在一些实施例中，参阅图1，进气箱3还设有氢浓度传感器33，氢浓度传感器33被配置为用于获取进气腔内的氢气浓度，以便于判断是否需要开启放气阀32。示例性的，该氢浓度传感器33可以用于检测进气腔内的平均氢气浓度或者瞬时氢气浓度。

在一些实施例中，参阅图1，进气箱3上还设有第二压力传感器34，该第二压力传感器34被配置为用于检测进气腔内的气压，以便于监测进气腔内的进气量。

由于本申请提供的供氢系统及喷管2能够实现氢气整流和高速气束喷射，从而有效抑制氢气扩散和回火现象。这种技术方案具有较高的实用性和可行性，可以广泛应用于内燃机领域、燃料喷射系统领域和喷嘴领域等。同时，随着环保意识的增强和绿色能源的需求，氢燃料作为一种新型的燃料，市场需求日益增长。因此，本申请的技术方案在氢燃料内燃机、汽车、发电等领域都具有广阔的市场前景和应用前景。

另一方面，本申请还提供一种氢气发动机的防回火控制方法，其中，该氢气发动机包括上述任一实施例中所提到的供氢系统以及多个气缸4。参阅图7，图7为本申请实施例中所提供的氢气发动机的防回火控制方法的流程示意图，具体的，该防回火控制方法包括以下步骤：

S1:使共轨喷氢机构1的各喷氢器11将氢气喷入所对应的各喷管2，并由各喷管2将氢气供给至各气缸4。

在该方案中，由于本申请供气系统中的喷管2在形成喷气口的喷管本体21入口端21a设置了拉法尔管状结构，对经由喷管2喷射的气流产生节流加速效果，使得氢气气流能够快速进入气缸4，同时高速流动的气体在局部会产生负压，对氢气流束周边的气体形成虹吸效应，抑制了氢气扩散到进气箱3的量，从而降低回火概率。因此，本申请氢气发动机的防回火控制方法通过使氢气由该喷管2喷入至气缸4内，能够减少氢气扩散至进气箱3内，有效降低氢气发动机的回火风险，提高氢气发动机的安全性及可靠性。

具体的，氢气经由共轨喷氢机构1的输氢管15进入共轨管12，并由共轨管12分配给各个供氢器，各供氢器分别通过输氢管15将氢气喷射入喷管2内。示例性的，氢气也可以由喷氢器11直接喷入喷管2内。示例性的，第一温度压力传感器13能够获取共轨管12内的气压及温度，以便于通过该气压及温度确定并控制氢气的进气量。

进一步的，参阅图7，在一些实施例中，进气箱3的两侧相对设置有进气管31和放气阀32，进气管31和放气阀32均与进气箱3的进气腔相连通。上述防回火控制方法还包括以下步骤：

S2:获取进气腔内的氢气浓度，并与氢气浓度的阈值进行比对；

S3:当进气腔内的氢气浓度大于氢气浓度的阈值时，打开放气阀32，使空气由进气管31进入进气腔，并由放气阀32排出。

在该实施例中，当进气腔内的氢气浓度超过氢气浓度阈值时，则表明进气箱3内进入了大量氢气，存在较大的回火风险，此时打开放气阀32，新鲜空气经由进气管31进入进气腔，并由放气阀32排出，对进气腔进行吹扫，使得进气腔内氢气浓度降低，处于氢气燃烧极限以内，保证进气腔内的氢气不会发生燃烧，从而进一步降低回火的风险。

示例性的，进气箱3内可以设置有氢浓度传感器33，该氢浓度传感器33可以用于检测进气腔内的平均氢气浓度或者瞬时氢气浓度。当氢浓度传感器33检测进气腔内平均氢气浓度时，氢气浓度的阈值可以为4％，当进气腔内的平均氢气浓度大于4％时，打开放气阀32。或者，当氢浓度传感器33检测进气腔内瞬时氢气浓度时，氢气浓度的阈值可以为7％，当进气腔内的瞬时氢气浓度大于7％时，打开放气阀32。

在一些实施例中，防回火控制方法还包括以下步骤：

S2’:确定进气箱3的排气频率；

S3’:根据进气箱3的排气频率打开放气阀32预设时间，以使空气由进气管31进入进气腔，并由放气阀32排出。

在该实施例中，根据台架试验中氢气发动机工作的实际数据，确定进气箱3所需要的排气频率，在该排气频率下能满足进气腔内的氢气浓度始终低于氢气的爆炸极限，即氢气浓度低于4％。然后结合具体工况，根据所确定的排气频率定期的打开放气阀32预设的时间，以使空气由进气管31进入进气腔，并由放气阀32排出，从而达到对进气腔进行吹扫，以降低回火风险的目的。

进一步的，参阅图7，在一些实施中，防回火控制方法还包括以下步骤：

S4:确定出氢气发动机的工况，氢气发动机的工况为怠速工况、部分负荷工况或者额定工况中的其中一者；

当氢气发动机为怠速工况时，使各喷氢器11继续工作；

当氢气发动机为部分负荷工况时，使至少两个相间隔的气缸4对应的喷氢器11交替停止工作预设时长；

当氢气发动机为额定工况时，使至少两个相间隔的气缸4对应的喷氢器11同时停止工作。

在该实施例中，通过根据氢气发动机的工况控制喷氢器11的喷氢量，能够进一步减少氢气扩散至进气箱3内，降低回火概率。具体的，该步骤可以与步骤S3同时进行，也可以分别进行。当步骤步骤S3与S4同时进行时，一方面通过进气管31和放气阀32对进气箱3的进气腔进行吹扫，另一方面在氢气发动机的工况允许的状态下，使部分喷氢器11停止工作，减少氢气的喷出量，从而减少氢气的扩散量，进一步降低回火风险，保证氢气发动机的安全性及可靠性。示例性的，为了进一步节省耗能，在使喷氢器11停止工作的同时，还可以使与该喷氢器11对应的气缸4内的活塞停止运动，即使该气缸4实现断油停缸。

示例性的，该氢气发动机可以为六缸发动机，包括6个气缸4，相应的，进气箱3内设置有6个喷管2，各个喷管2分别与其中一个气缸4的进气口对应设置，且各个喷管2分别连接一喷氢器11，用于向该喷管2内喷射氢气。沿气缸4的排列方向，可以依次将各气缸4定义为1缸、2缸、3缸、4缸、5缸、6缸。

在上述步骤S4中，具体的，当判断氢气发动机为怠速工况时，发动机的转速低，供氢系统的喷氢量很少。因此，在进行进气腔吹扫时，不对氢气发动机的气缸4进行断油停缸，以便发动机怠速不稳，导致熄火。

当氢气发动机为部分负荷工况时，发动机转速一般在1000-1400rpm，转速较高，供氢系统的喷氢量相对较多。因此，在进行进气腔吹扫时，可以对氢气发动机的1缸、3缸交替进行断油停缸，以减少氢气扩散量。可以理解的是，当氢气发动机的工况为部分负荷工况时，也可以选择对1缸、3缸、5缸交替进行断油停缸，或者选择对2缸、4缸交替进行断油停缸，或者选择对2缸、4缸、6缸交替进行断油停缸，只要满足所选择的气缸4为至少两个相间隔的气缸4，使得该气缸4内的活塞在停止运动后不会影响其他活塞运动的平衡性即可。

当氢气发动机为额定工况时，发动机转速一般在1800rpm，转速高，供氢系统喷氢量大。因此，在进行进气箱3吹扫时，可以对发动机的1缸、3缸同时进行断油停缸，以减少氢气扩散量。可以理解的是，当氢气发动机的工况为额定工况时，也可以选择对1缸、3缸、5缸同时进行断油停缸，或者选择对2缸、4缸同时进行断油停缸，或者选择对2缸、4缸、6缸同时进行断油停缸，只要满足所选择的气缸4为至少两个相间隔的气缸4，使得该气缸4内的活塞在停止运动后不会影响其他活塞运动的平衡性即可。

可以理解的是，本申请的防回火控制方法也可以应用于单缸发动机、双缸发动机、三缸发动机、四缸发动机或者其他缸数的发动机。

进一步的，在一些实施例中，本申请的防回火控制方法还包括以下步骤：

S5:获取进气腔内的压力，并对获取的进气腔内的压力对进气腔的进气量进行计算修正；

S6:将修正后的进气量与进气腔的进气量阈值进行比对；

S7:当修正后的进气量大于进气量阈值时，停止对供氢系统中各喷氢器11供电。

在该实施步骤中，当通过获取的进气腔压力得到的进气量超过设定的进气量阈值时，则表明有回火情况发生，此时对氢喷器进行断电处理，切段气源抑制回火，从而保护共轨喷氢机构1等上游零部件，提高氢气发动机的安全性及可靠性。其中，进气箱3上可以设置有第二压力传感器34，通过第二压力传感器34获取进气腔内的压力。

进一步的，在一些实施例中，防回火控制方法还包括以下步骤：

S8:获取气缸4内的气压，并与气缸4的气压阈值进行比对；

S9:当气缸4内的气压大于气压阈值时，减小供氢系统中各喷氢器11的喷射流量。

在该实施例中，当气缸4内的压力大于气压阈值时，则表明氢气的燃烧异常，存在回火风险，此时减小喷氢器11的喷射流量，能够稳定缸内的燃烧情况，提前消除回火风险，进一步提高氢气发动机的安全性及可靠性。示例性的，氢气发动机包括缸体，多个气缸4形成于缸体，缸体上可以设置有第三传感器42，该第三传感器42用于检测各气缸4内的气压。示例性的，该第三传感器42可以是爆震传感器，通过爆震传感器获得气缸4振动加速度，并通过该振动加速度获得气缸4内的气压。示例性的，该第三传感器42也可以是压力传感器。

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申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (13)

1.一种喷管，应用于氢气发动机的供氢系统，其特征在于，所述喷管包括喷管本体，所述喷管本体具有用于接收气流的入口端和用于将气流喷出的出口端；所述出口端构造为拉法尔管状结构，所述拉法尔管状结构包括相连通的渐缩段及渐扩段，所述喷管的喷气口形成于所述渐扩段背离所述渐缩段的一侧；所述拉法尔管状结构被配置为能够使气流依次流经所述渐缩段及所述渐扩段后流速增大。

2.根据权利要求1所述的喷管，其特征在于，所述喷管还包括单向阀，所述单向阀连接于所述入口端，所述喷管的进气口形成于所述单向阀背离所述入口端的一侧，所述单向阀内构造有气流通道，所述气流通道被配置为能够使气流沿所述喷管的进气口至所述喷气口的方向进行单向流动。

3.根据权利要求2所述的喷管，其特征在于，所述单向阀被配置为特斯拉阀，所述单向阀包括：

阀体，所述阀体具有阀腔，所述阀腔腔壁设有多个第一凸起部，各所述第一凸起部沿所述阀腔腔壁的周向整周设置，所述第一凸起部包括靠近所述进气口的第一斜面和背离所述进气口的第一弧面，多个所述第一凸起部沿所述阀腔的轴向依次间隔设置；以及

阀芯，所述阀芯设于所述阀腔内，所述阀芯外壁设有多个第二凸起部，各所述第二凸起部沿所述阀芯外壁的周向整周设置，所述第二凸起部包括靠近所述进气口的第二斜面和背离所述进气口的第二弧面，多个所述第二凸起部沿所述阀芯的轴向依次间隔设置；

各所述第一凸起部与各所述第二凸起部沿所述阀芯的轴向分别交错布置，所述阀体的所述阀腔和所述阀芯共同限定出所述气流通道。

4.根据权利要求3所述的喷管，其特征在于，所述喷管还包括安装座，所述安装座构造有一端具有开口的容置腔，所述安装座与所述入口端密封连接且所述容置腔与所述入口端连通，所述开口的边缘处设有第一凸缘；所述阀体经所述开口设于所述容置腔内，所述阀芯设有第二凸缘，所述第二凸缘伸出所述容置腔，并与所述第一凸缘连接。

5.根据权利要求4所述的喷管，其特征在于，所述喷管本体的数量为两个；

各所述喷管本体的入口端均密封连接于所述安装座的同一侧。

6.一种供氢系统，应用于氢气发动机，所述氢气发动机具有多个气缸，其特征在于，所述供氢系统包括：

多个如权利要求1-5任一项所述的喷管；

共轨喷氢机构，所述共轨喷氢机构设有多个与所述喷管一一对应的喷氢器，各所述喷氢器分别与各所述喷管连通，以向所述喷管喷射高压气流；

进气箱，所述进气箱具有进气腔，各所述喷管设于所述进气腔内，各所述喷管分别与各所述气缸一一对应布置，各所述喷管的喷气口分别朝向与之对应的所述气缸的进气门设置。

7.根据权利要求6所述的供氢系统，其特征在于，所述进气箱的两侧相对设置有进气管和放气阀，所述进气管和所述放气阀均与所述进气箱的进气腔相连通。

8.根据权利要求6所述的供氢系统，其特征在于，所述进气箱还设有氢浓度传感器，所述氢浓度传感器被配置为用于获取所述进气腔内的氢气浓度。

9.一种氢气发动机的防回火控制方法，所述氢气发动机包括如权利要求6-8任一项所述的供氢系统以及气缸，其特征在于，所述防回火控制方法包括以下步骤：

使所述共轨喷氢机构的各所述喷氢器将氢气喷入所对应的各所述喷管，并由各所述喷管将氢气供给至各所述气缸。

10.根据权利要求9所述的氢气发动机的防回火控制方法，其特征在于，所述进气箱的两侧相对设置有进气管和放气阀，所述进气管和所述放气阀均与所述进气箱的进气腔相连通；所述防回火控制方法还包括以下步骤：

获取所述进气腔内的氢气浓度，并与氢气浓度的阈值进行比对；

当所述进气腔内的氢气浓度大于所述氢气浓度的阈值时，打开所述放气阀，使空气由所述进气管进入所述进气腔，并由所述放气阀排出。

11.根据权利要求10所述的氢气发动机的防回火控制方法，其特征在于，所述防回火控制方法还包括以下步骤：

确定出所述氢气发动机的工况，所述氢气发动机的工况为怠速工况、部分负荷工况或者额定工况中的其中一者；

当所述氢气发动机为怠速工况时，使各所述喷氢器继续工作；

当所述氢气发动机为部分负荷工况时，使至少两个相间隔的所述气缸对应的所述喷氢器交替停止工作预设时长；

当所述氢气发动机为额定工况时，使至少两个相间隔的所述气缸对应的所述喷氢器同时停止工作。

12.根据权利要求9所述的氢气发动机的防回火控制方法，其特征在于，所述防回火控制方法还包括以下步骤：

获取所述进气腔内的压力，并对获取的所述进气腔内的压力对所述进气腔的进气量进行计算修正；

将修正后的所述进气量与进气腔的进气量阈值进行比对；

当修正后的所述进气量大于所述进气量阈值时，停止对所述供氢系统中各所述喷氢器供电。

13.根据权利要求9所述的氢气发动机的防回火控制方法，其特征在于，所述防回火控制方法还包括以下步骤：

获取所述气缸内的气压，并与所述气缸的气压阈值进行比对；

当所述气缸内的气压大于所述气压阈值时，减小所述供氢系统中各所述喷氢器的喷射流量。