CN217538873U - 液氢发动机使用的低温氢气喷射结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种液氢发动机使用的低温氢气喷射结构，包括氢气供给与喷射装置和测量控制装置，所述氢气供给与喷射装置用于向发动机进气支管内喷射低温氢气，从而实现进气口喷射，所述测量控制装置用于测量和控制氢气供给与喷射装置喷射的氢气的喷射量。喷射的为低温氢气，在低温氢气与空气混合后，降低空气的温度，从而能提高进入到发动机气缸的空气质量，进而发动机的功率、降低氢发动机发生回火、爆震的可能性，液氢存储质量大，汽车续驶里程长。

Description

液氢发动机使用的低温氢气喷射结构

技术领域

本实用新型属于汽车发动机技术领域，具体涉及一种液氢发动机使用的低温氢气喷射结构。

背景技术

二氧化碳排放的增加会造成大气温度升高，对全球的生态环境带来灾难性的后果。因此，未来汽车的发展方向是燃料低碳化，汽车排放低污染化。氢气H₂分子结构简单，不含碳元素，可作为发动机的燃料，当发动机用氢气作燃料时，其燃烧速度快，热效率高，燃烧后的产物只有水，不会产生一氧化碳、碳氢化合物、颗粒物等有害物质，也不会产生二氧化碳排放(温室气体)。并且，近年来，用可再生能源(风能、太阳能)发电取得巨大的发展，装机容量不断扩大，为电解水制氢提供了能源基础。电解水生产的氢气可以用作燃料电池的燃料，部分可用在氢气发动机上，从而降低发动机的污染物排放和二氧化碳排放。

氢气的存储主要有高压气氢和液氢两种方式，其中高压气氢有35MPa和70MPa两种压力规格，并且以35MPa压力为主。高压气氢的密度较小，存储一定质量的氢气对应的气瓶容积较大，高压气瓶在汽车上安装困难，并且高压气瓶及管路系统容易发生氢气泄漏，产生安全隐患。

氢气发动机有两种供气方式，一种是缸内直喷方式，另一种是缸外进气口喷射方式。缸内直喷方式是将氢气喷嘴直接安装在发动机的气缸盖上，在进气门关闭后将高压氢气直接喷入燃烧室内，喷入的氢气不占据气缸容积，进入气缸的空气量大，氢气发动机的功率大、热效率高。缸内直喷的压力较高(例如10MPa)，在氢气瓶的压力下降到12MPa附近时，氢气喷射系统就不能正常工作。对35MPa氢气瓶来讲，气瓶内约1/3质量的氢气得不到有效利用，这样就会减少氢燃料汽车的续驶里程，增加氢燃料汽车到加气站加气的次数。并且直喷氢气喷嘴的制造难度大，可靠性较差。

缸外进气口喷射方式，是将氢气喷嘴安装在发动机的进气支管上，进气口喷射的压力较低，约0.5MPa左右，氢气发动机在进气时，喷射的氢气与空气一起被吸入气缸，由于氢气的密度很小(约为空气密度的十三分之一)，当进入发动机的氢气质量较大时，氢气会占据较大的气缸容积，这就限制了进入发动机的空气量，使发动机的最大输出功率相对较小，热效率较低。同时采用进气口喷射方式，在发动机进气门打开后，气缸内的高温气体回流到进气管，容易引燃氢气发生回火现象。由于进气口喷射方式采用的压力低，高压氢气瓶内的氢气可以得到充分利用，汽车的续驶里程就会更长。

实用新型内容

本实用新型拟提供一种液氢发动机使用的低温氢气喷射结构，采用低温氢气喷射，降低空气温度，提高进入发动机的空气量，提高汽车储存的氢气质量，增加续驶里程。

为此，本实用新型所采用的技术方案为：一种液氢发动机使用的低温氢气喷射结构，包括氢气供给与喷射装置和测量控制装置，所述氢气供给与喷射装置用于向发动机进气支管内喷射低温氢气，从而实现进气口喷射，所述测量控制装置用于测量和控制氢气供给与喷射装置喷射的氢气的喷射量。

作为上述方案中的优选，所述氢气供给与喷射装置包括通过管路连接的液氢罐、手动阀、汽化器、稳压罐、压力调节器、第一电磁阀和氢气轨喷嘴体，所述氢气轨喷嘴体包括氢气轨和在氢气轨上并排设置的氢气喷嘴，每个氢气喷嘴的另一端分别对应伸入到发动机的每个进气支管内。

进一步优选，所述液氢罐靠近上端的位置处设置有泄压装置，所述泄压装置包括通过管路设置有泄压阀和第二电磁阀，所述泄压装置与氢气供给与喷射装置之间设置有泄放气体利用管路，所述泄放气体利用管路的一端连接在泄压阀和第二电磁阀之间，另一端连接在汽化器和稳压罐之间。

进一步优选，所述测量控制装置包括压力表、稳压罐氢气温度传感器、氢气轨温度传感器和氢气轨压力传感器，所述压力表用于测量液氢罐内的气态氢气压力，所述稳压罐氢气温度传感器设置在稳压罐上用于测量稳压罐内氢气温度，所述氢气轨温度传感器和氢气轨压力传感器设置在氢气轨上，用于测量喷射到进气支管内氢气的温度和压力，所述稳压罐氢气温度传感器、氢气轨温度传感器、氢气轨压力传感器均与控制器电连接。

进一步优选，发动机冷却循环水的输出端穿过所述汽化器，在发动机冷却循环水的输出端与汽化器之间设置有水流量调节阀，所述水流量调节阀与控制器电连接，用于调节进入到汽化器的水流量。

进一步优选，所述氢气供给与喷射装置还包括润滑装置，所述润滑装置通过管路设置在第一电磁阀和氢气轨喷嘴体之间。

本实用新型的有益效果：喷射的为低温氢气，在低温氢气与空气混合后，降低空气的温度，从而能提高进入到发动机气缸的空气质量，进而发动机的功率、降低氢发动机发生回火、爆震的可能性，液氢存储质量大，汽车续驶里程长。

附图说明

图1为本实用新型的示意图(图中箭头指示方向为气体的流向，虚线为电连接，实线为管路连接)。

图2为本实用新型中气缸内氢气与空气的比例示意图。

具体实施方式

下面通过实施例并结合附图，对本实用新型作进一步说明：

如图1所示，一种液氢发动机使用的低温氢气喷射结构，主要由氢气供给与喷射装置和测量控制装置组成，其中氢气供给与喷射装置用于向发动机进气支管内喷射低温氢气，从而实现进气口喷射，测量控制装置用于测量和控制氢气供给与喷射装置喷射的氢气的喷射量。

氢气供给与喷射装置的具体结构包括通过管路依次连接的液氢罐1、手动阀2、汽化器3、稳压罐4、压力调节器5、第一电磁阀6和氢气轨喷嘴体，氢气轨喷嘴体包括氢气轨8和在氢气轨8上并排设置的氢气喷嘴9，每个氢气喷嘴9的另一端分别对应伸入到发动机的每个进气支管内。其中液氢罐1用于储存液态氢气，压力调节器5用于调节氢气的压力，第一电磁阀6用于控制管路的通断，氢气轨8用于对氢气进行稳压并将氢气分配给各个氢气喷嘴9，氢气喷嘴9用于喷射氢气。手动阀2安装在液氢罐1上，且液氢罐1、手动阀2、汽化器3之间通过低温管路依次连接，汽化器3、稳压罐4、压力调节器5、第一电磁阀6和氢气轨喷嘴体之间通过普通管路依次连接。

虽然在液氢罐1上采取了多种绝热措施，但由于液氢罐内外的温差太大(例如温差265℃，液氢罐内－240℃，液氢罐外25℃)，外界的热量还是可以传递到液氢罐内，让液氢受热汽化，使得液氢罐内气态氢气的压力升高，从而威胁到液氢罐的安全。因此在液氢罐1靠近上端的位置处设置有泄压装置，泄压装置包括通过管路设置有泄压阀10和第二电磁阀11。当液氢罐1内的压力高于设定值时(例如1.5MPa)，泄压阀10打开，少量的氢气就会从泄压阀10排出(经过一段时间间歇排出)。如果不对泄放气体进行回收利用，氢气就会直接排到大气中，造成浪费和安全隐患。因此在泄压装置与氢气供给与喷射装置之间设置有泄放气体利用管路，泄放气体利用管路的一端连接在泄压阀10和第二电磁阀11之间，另一端连接在汽化器3和稳压罐4之间。其能有效将泄放的氢气进行回收利用，从而提高安全性。

测量控制装置的具体结构包括压力表12、稳压罐氢气温度传感器13、氢气轨温度传感器14和氢气轨压力传感器15，其中压力表12用于测量液氢罐1内的气态氢气压力，稳压罐氢气温度传感器13设置在稳压罐4上用于测量稳压罐4内氢气温度，氢气轨温度传感器14和氢气轨压力传感器15设置在氢气轨8上，用于测量喷射到进气支管内氢气的温度和压力，且稳压罐氢气温度传感器13、氢气轨温度传感器14、氢气轨压力传感器15均与控制器17电连接，同时第一电磁阀6和第二电磁阀11也与控制器17电连接。在本实施例中，压力表12安装在泄压阀10与液氢罐1之间的管路上。

为方便汽化器3吸收热量，实现液氢的汽化，发动机冷却循环水的输出端穿过汽化器3，同时在发动机冷却循环水的输出端与汽化器3之间设置有水流量调节阀16，水流量调节阀16与控制器17电连接，用于调节进入到汽化器3的水流量。其不仅能减低发动机冷却循环水的温度，还能用于液氢的汽化。

由于氢气中没有润滑油，氢气喷嘴9的针阀在高频运动中极易发生磨损，发生漏气现象。为保证氢气喷嘴9的可靠性，需要对喷嘴9进行润滑。因此在氢气供给与喷射装置还包括润滑装置7，且润滑装置7通过管路设置在第一电磁阀6和氢气轨喷嘴体之间，在润滑装置7存储有少量的润滑油或润滑脂(需要定期添加，例如1个月)，当氢气流过润滑装置7时，会带走微量的润滑油或润滑脂，使氢气喷嘴9的针阀在运动时得到润滑，减少氢气喷嘴的磨损，提高氢气喷嘴的可靠性。

当液氢发动机工作时，手动阀2和第一电磁阀6打开，第二电磁阀11关闭。液氢罐1内的氢存在两种状态，上部为气态氢气，下部为液态氢。假设液氢处于临界状态(温度为－239.97℃，压力为1.31MPa)，在气体压力的作用下，液氢从液氢罐1流出，然后流入汽化器3。在汽化器3中，用发动机冷却循环水(通常的温度为80℃～90℃)对液氢进行加热。－239.97℃的液氢受热后汽化变成－239.97℃的气态氢气，然后进一步吸热升温变成－30℃～－20℃(该温度为综合考虑在低温下零部件的可靠性和发动机的冷起动性能后，期望氢气达到的温度，)的低温氢气。从汽化器3流出的低温气态氢气流入稳压罐4，温度传感器13测量低温氢气的温度。当氢气的温度高于－20℃时，控制器17减小流量调节阀16的开度，减小水流量，使氢气温度下降；当氢气的温度低于－30℃时，控制器17增加流量调节阀16的开度，增加水流量，使氢气温度上升。通过流量调节阀16动态调节水流量，控制氢气的温度在－30℃～－20℃范围内，再流入到稳压罐4内，对氢气的压力和温度进行稳定，稳定后流到压力调节器5内，让压力调节器5将氢气调节到所需的压力(例如0.5MPa)，然后通过润滑装置7并带着微量润滑油或润滑脂，再流到氢气轨内。

然后发动机进气门打开后，氢气喷嘴9按工作顺序喷射适量(由发动机电子控制单元ECU控制)的低温氢气(约－30℃～－20℃)，低温氢气与空气(例如25℃)混合后进入到气缸内进行燃烧。采用低温氢气，一方面可以降低空气的温度，增加进入发动机的空气量，提高发动机的功率；另一方面，当高温气体从气缸回流到进气管，遇到低温氢气(约－30℃～－20℃)，不容易发生回火(不容易达到氢的自燃温度585℃)。

当液氢发动机停机期间(不工作)，手动阀2和第一电磁阀6关闭，第二电磁阀11打开。当液氢罐1内的氢气压力高于设定值时，泄压阀10打开，泄放的氢气通过第二电磁阀11排到大气中，保证液氢罐1的安全。

通过计算可以算出低温氢气对空气的降温效果：假设发动机工作时氢气的流量为2kg/h、温度为－25℃，过量空气系数为2(稀薄燃烧)，空气的温度为25℃，根据空气流量＝氢气流量×空燃比×过量空气系数，能得到空气的流量为137.6kg/h。根据氢气和空气的比热容和能量平衡方程，在不考虑两种气体和零部件之间的热量传递的情况下，氢气的吸热量等于空气的放热量，即

氢气的吸热量＝空气的放热量

氢气的吸热量＝氢气流量×氢气比热×氢气温度的升高量

空气的放热量＝空气流量×空气比热×空气温度的下降量

能得到表1的计算结果。其中空气的温度从25℃下降到16.43℃，下降了8.57℃，放热1184.937kJ/h(0.329kW)；氢气的温度从－25℃上升到16.43℃，上升了41.43℃，吸热1184.937kJ/h。

表1空气温度下降计算

空气的热力学温度(开氏温度)为298K(273+25，开尔文)，混合后气体的热力学温度为289.43K(273+16.43，开尔文)。根据理想气体方程

PV＝nRT

其中P是指理想气体的压强；V为理想气体的体积；n表示气体物质的量；T表示理想气体的热力学温度；R为理想气体常数，可以得到

其中ρ为密度，M为摩尔质量。即能得到气体的密度与热力学温度成反比，与压强成正比。在气体压强不变的条件下，气体的密度只与热力学温度成反比。假设空气在298K(25℃)时的密度为1，则空气在289.43K(16.43℃)时的相对密度为1.0296(298/289.43)，即空气的温度从25℃下降到16.43℃后，密度增加了2.96％，进入发动机的空气量也会增加2.96％。在空燃比相同的条件下，发动机的功率会增加2.96％。只要氢气发动机的空燃比不变，在不同的氢气流量下，空气的降温效果是相同的。

当过量空气系数变为1时(即为理论空燃比燃烧时)，则空气的流量为68.8kg/h。空气的温度将从25℃下降到10.37℃，下降14.63℃，密度增加5.16％，放热1011.58kJ/h；氢气的温度从－25℃上升到10.37℃，上升35.37℃，吸热1011.58kJ/h。

在图2中，位于气缸内上面的球体表示氢气的多少，下面的球体表示空气的多少，左图表示常温喷射后气缸内氢气与空气的比例示意图，右图表示低温喷射后气缸内氢气与空气的比例示意图。能明显看到采用低温喷射氢气，进入气缸的氢气与空气数量较多，也就是发动机会有较大的功率。

从表2不同氢气的密度表可知，液氢的密度大约是35MPa气氢的3倍。存储10kg的氢气，35MPa氢气瓶的容积要435L，液氢罐的容积只需要141L。由此可见，采用液氢可显著减少氢气瓶容积，在相同气瓶容积的条件下，液氢罐可以储存更多质量的氢气，汽车的续驶里程更长。

表2不同氢气的密度比较

燃料	密度(kg/m<sup>3</sup>)	相对密度	10kg氢气对应的气瓶容积(L)
				35MPa氢气	23	1	435
70MPa氢气	40.2	1.75	249
				液氢	70.99	3.09	141

Claims (6)

1.一种液氢发动机使用的低温氢气喷射结构，其特征在于：包括氢气供给与喷射装置和测量控制装置，所述氢气供给与喷射装置用于向发动机进气支管内喷射低温氢气，从而实现进气口喷射，所述测量控制装置用于测量和控制氢气供给与喷射装置喷射的氢气的喷射量。

2.根据权利要求1中所述的液氢发动机使用的低温氢气喷射结构，其特征在于：所述氢气供给与喷射装置包括通过管路连接的液氢罐(1)、手动阀(2)、汽化器(3)、稳压罐(4)、压力调节器(5)、第一电磁阀(6)和氢气轨喷嘴体，所述氢气轨喷嘴体包括氢气轨(8)和在氢气轨(8)上并排设置的氢气喷嘴(9)，每个氢气喷嘴(9)的另一端分别对应伸入到发动机的每个进气支管内。

3.根据权利要求2中所述的液氢发动机使用的低温氢气喷射结构，其特征在于：所述液氢罐(1)靠近上端的位置处设置有泄压装置，所述泄压装置包括通过管路设置有泄压阀(10)和第二电磁阀(11)，所述泄压装置与氢气供给与喷射装置之间设置有泄放气体利用管路，所述泄放气体利用管路的一端连接在泄压阀(10)和第二电磁阀(11)之间，另一端连接在汽化器(3)和稳压罐(4)之间。

4.根据权利要求2中所述的液氢发动机使用的低温氢气喷射结构，其特征在于：所述测量控制装置包括压力表(12)、稳压罐氢气温度传感器(13)、氢气轨温度传感器(14)和氢气轨压力传感器(15)，所述压力表(12)用于测量液氢罐(1)内的气态氢气压力，所述稳压罐氢气温度传感器(13)设置在稳压罐(4)上用于测量稳压罐(4)内氢气温度，所述氢气轨温度传感器(14)和氢气轨压力传感器(15)设置在氢气轨(8)上，用于测量喷射到进气支管内氢气的温度和压力，所述稳压罐氢气温度传感器(13)、氢气轨温度传感器(14)、氢气轨压力传感器(15)均与控制器(17)电连接。

5.根据权利要求4中所述的液氢发动机使用的低温氢气喷射结构，其特征在于：发动机冷却循环水的输出端穿过所述汽化器(3)，在发动机冷却循环水的输出端与汽化器(3)之间设置有水流量调节阀(16)，所述水流量调节阀(16)与控制器(17)电连接，用于调节进入到汽化器(3)的水流量。

6.根据权利要求2中所述的液氢发动机使用的低温氢气喷射结构，其特征在于：所述氢气供给与喷射装置还包括润滑装置(7)，所述润滑装置(7)通过管路设置在第一电磁阀(6)和氢气轨喷嘴体之间。

Images