CN218235247U - 氢能发动机燃烧系统及具有其的氢能发动机 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种氢能发动机燃烧系统及具有其的氢能发动机。氢能发动机燃烧系统包括：缸盖，缸盖包括进气侧棚顶和排气侧棚顶；活塞，活塞相对缸盖可相对运动地设置，缸盖与活塞之间形成主燃烧室；预燃室本体，预燃室本体与缸盖连接，预燃室本体具有预燃室，预燃室与主燃烧室连通，预燃室本体靠近活塞的一端设置有多个喷孔；预燃室本体靠近活塞的一端还设置有排水孔，排水孔用于将处于低温、低负载工况下的氢能发动机的预燃室内产生的冷凝水排出。采用本申请的技术方案，有效地解决了现有技术中氢能发动机的预燃室产生的冷凝水影响预燃室内外气体交换的技术问题。

Description

氢能发动机燃烧系统及具有其的氢能发动机

技术领域

本实用新型涉及发动机燃烧系统技术领域，具体而言，涉及一种氢能发动机燃烧系统及具有其的氢能发动机。

背景技术

目前全球变暖问题愈演愈烈，各国都寻求降低碳排放的方法，中国提出二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和的“双碳战略”，在此背景下，氢能发动机以氢气为燃料，燃烧产物为水，完全不排放二氧化碳，成为一种极具潜力的低碳排放路线，受到了各大企业的广泛关注。

氢气可燃极限广、燃烧速度快，有利于提高燃烧效率，然而氢气很容易被点燃，氢能发动机容易发生回火、早燃和爆震，限制了热效率的进一步提升。预燃室装置喷出的射流火焰可以进一步提高燃烧速度，降低爆震倾向，用于氢能发动机可进一步提高热效率。

目前预燃室的研究集中在预燃室装置本身的结构，预燃室内残余废气冲洗上，未见应用于氢能发动机相关研究。由于氢气燃烧产物为水，在低温、小负荷工况下，发动机存在水蒸气凝结成水珠，堵塞预燃室孔的风险。

针对现有技术中的氢能发动机在低温、小负荷工况下存在预燃室内产生冷凝水堵塞预燃室孔的风险。

实用新型内容

本实用新型的主要目的在于提供一种氢能发动机燃烧系统及具有其的氢能发动机，以至少解决现有技术中的氢能发动机的预燃室产生的冷凝水影响预燃室内外气体交换的技术问题。

为了实现上述目的，根据本实用新型的一个方面，提供了一种氢能发动机燃烧系统，包括：缸盖，缸盖包括进气侧棚顶和排气侧棚顶；活塞，活塞相对缸盖可相对运动地设置，缸盖与活塞之间形成主燃烧室；预燃室本体，预燃室本体与缸盖连接，预燃室本体具有预燃室，预燃室与主燃烧室连通，预燃室本体靠近活塞的一端设置有多个喷孔，各喷孔的中心轴线与预燃室本体的中心轴线之间具有第一夹角，靠近进气侧棚顶的部分喷孔与进气侧棚顶之间具有第二夹角，靠近排气侧棚顶的部分喷孔与排气侧棚顶之间具有第三夹角；预燃室本体靠近活塞的一端还设置有排水孔，排水孔用于将处于低温、低负载工况下的氢能发动机的预燃室内产生的冷凝水排出。

进一步地，第一夹角为α1，第二夹角为α2，第三夹角为α3，其中，-75°≤α1≤45°，10°≤α2≤20°，10°≤α3≤20°。

进一步地，第二夹角与第三夹角相同地设置，或，第二夹角与第三夹角不同地设置。

进一步地，多个喷孔沿预燃室本体底部的周向间隔设置。

进一步地，沿预燃室本体的轴线方向的最低位置设置有排水孔，排水孔位于多个喷孔围成的环形区域的中部。

进一步地，排水孔为直孔，排水孔的直径大于喷孔的直径，或，排水孔为斜孔，排水孔沿预燃室本体的轴线方向的孔径逐渐减小地设置。

进一步地，活塞的顶面的中部设置有凹坑，凹坑的中心轴线与排水孔的中心轴线重合。

进一步地，凹坑的深度为H，凹坑的直径为L1，其中，5mm≤H≤6mm，10mm≤L≤20mm。

进一步地，喷孔的直径为L2，排水孔的直径为L3，其中，1.25mm≤L2≤1.5mm，1.5mm≤L3≤2mm。

根据本实用新型的另一方面，提供了一种氢能发动机，包括氢能发动机燃烧系统，氢能发动机燃烧系统为上述的氢能发动机燃烧系统。

应用本实用新型的技术方案，通过将预燃室本体靠近活塞的一端设置有多个喷孔，并且对喷孔的布置角度进行特殊设计，使得预燃室内部分的冷凝水可通过喷孔排出的同时保持快速喷射射流火焰的特性，以及通过在预燃室本体靠近活塞的一端设置排水孔，排水孔用于将处于低温、低负载工况下的氢能发动机的预燃室内产生的冷凝水排出，可进一步降低预燃室内外气体交换受阻的风险。采用本申请的技术方案，有效地解决了现有技术中氢能发动机的预燃室产生的冷凝水影响预燃室内外气体交换的技术问题。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1示出了根据本实用新型的氢能发动机燃烧系统的第一实施例的结构示意图；

图2示出了根据本实用新型的氢能发动机燃烧系统的预燃室本体的第一实施例的结构示意图；

图3示出了根据本实用新型的氢能发动机燃烧系统的预燃室本体的第二实施例的结构示意图；

图4示出了根据本实用新型的氢能发动机燃烧系统的第二实施例的结构示意图；

图5示出了根据本实用新型的氢能发动机燃烧系统的活塞的实施例的结构示意图；

图6示出了根据本实用新型的氢能发动机燃烧系统的预燃室本体的第三实施例的结构示意图；

图7示出了根据本实用新型的氢能发动机燃烧系统的预燃室本体的第四实施例的结构示意图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

10、缸盖；11、进气侧棚顶；12、排气侧棚顶；

20、活塞；21、凹坑；

30、主燃烧室；

40、预燃室本体；41、预燃室；42、喷孔；43、排水孔；

50、缸套；51、氢气喷射器；52、进气道；53、进气门；54、火花塞；55、排气门；56、排气道；57、连杆；58、曲轴。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的术语在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施方式例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

现在，将参照附图更详细地描述根据本申请的示例性实施方式。然而，这些示例性实施方式可以由多种不同的形式来实施，并且不应当被解释为只限于这里所阐述的实施方式。应当理解的是，提供这些实施方式是为了使得本申请的公开彻底且完整，并且将这些示例性实施方式的构思充分传达给本领域普通技术人员，在附图中，为了清楚起见，有可能扩大了层和区域的厚度，并且使用相同的附图标记表示相同的器件，因而将省略对它们的描述。

结合图1至图7所示，根据本申请的具体实施例，提供了一种氢能发动机燃烧系统。

氢能发动机燃烧系统包括：缸盖10、活塞20、预燃室本体40。缸盖10包括进气侧棚顶 11和排气侧棚顶12。活塞20相对缸盖10可相对运动地设置，缸盖10与活塞20之间形成主燃烧室30。预燃室本体40与缸盖10连接，预燃室本体40具有预燃室41，预燃室41与主燃烧室30连通，预燃室本体40靠近活塞20的一端设置有多个喷孔42，各喷孔42的中心轴线与预燃室本体40的中心轴线之间具有第一夹角，靠近进气侧棚顶11的部分喷孔42与进气侧棚顶11之间具有第二夹角，靠近排气侧棚顶12的部分喷孔42与排气侧棚顶12之间具有第三夹角。预燃室本体40靠近活塞20的一端还设置有排水孔43，排水孔43用于将处于低温、低负载工况下的氢能发动机的预燃室41内产生的冷凝水排出。

应用本实施例的技术方案，通过将预燃室本体40靠近活塞20的一端设置有多个喷孔42，并且对喷孔42的布置角度进行特殊设计，使得预燃室41内部分的冷凝水可通过喷孔42排出的同时保持快速喷射射流火焰的特性，以及通过在预燃室本体40靠近活塞20的一端设置排水孔43，排水孔43用于将处于低温、低负载工况下的氢能发动机的预燃室41内产生的冷凝水排出，可进一步降低预燃室41内外气体交换受阻的风险。采用本申请的技术方案，有效地解决了现有技术中氢能发动机的预燃室产生的冷凝水影响预燃室内外气体交换的技术问题。采用本实施例的技术方案，还能够解决氢能发动机热效率提升问题，提供一种使用被动预燃室的氢能发动机燃烧系统方案，使用该燃烧系统可提高发动机燃烧效率2％-3％，避免冷凝水堵塞预燃室孔。

预燃室41可通过小孔连接主燃烧室30，可燃混合气则在进气过程中进入预燃室，并由点火花塞点燃。混合气点燃后形成的火焰锋面从预燃室表面的小孔流出，并且点燃主燃烧室内的可燃混合气。燃烧室内的多个点火位置可使混合气更快且更充分的进行燃烧，可进一步改善燃油经济性和功率。

如图1所示，氢能发动机燃烧系统包括缸套50、氢气喷射器51、缸盖10、预燃室本体40、活塞20。缸套50、缸盖10、活塞20围成的封闭空间为主燃烧室30；缸盖10包括进气道52、进气门53、排气门55、排气道56，进气门53打开时，空气可由进气道52进入主燃烧室30；排气门55打开时，缸内燃烧产生的废气可由主燃烧室30进入排气道56。活塞20 通过连杆57与曲轴58相连。

预燃室本体40中有火花塞54，预燃室本体40壁面设计有喷孔42，在进气和压缩过程中，主燃烧室中的气体可通过喷孔14进入预燃室本体40，通过火花塞54点火，预燃室41中的气体被点燃后温度、压力急剧升高，高温高压气体通过喷孔42进入主燃烧室30，形成射流火焰，射流火焰将主燃烧室30中的气体迅速点燃，相比不使用被动预燃室情况，可缩短燃烧持续期10％-20％，提高热效率2％-3％。

进一步地，第一夹角为α1，第二夹角为α2，第三夹角为α3，其中，-75°≤α1≤45°，10°≤α2≤20°，10°≤α3≤20°。

由于氢气燃烧产物为水，正常燃烧后以水蒸气形式存在，可通过喷孔42进入主燃烧室30 中。在发动机处于低温、小负荷工况下时，由于预燃室本体40壁面温度较低，水蒸气遇到壁面会凝结成水珠，水珠存在堵塞喷孔42的可能性。喷孔42一旦发生堵塞，主燃烧室30内的新鲜气体不会进入预燃室41内，预燃室41内仅有燃烧后的废气，在火花塞54点火时，预燃室41内不会着火，从而影响主燃烧室30内气体燃烧。采用本实施例的技术方案，预燃室41孔径和与相邻部件的夹角设计可以使得预燃室41内的冷凝水顺喷孔42流出，避免出现喷孔42堵塞现象。

优选地，喷孔42的个数为5-10个，分布在预燃室本体40靠近活塞20一端的侧壁上，其分布可以是均匀的，也可以根据需要设计成不均匀的。

进一步地，第二夹角与第三夹角相同地设置。第二夹角与第三夹角不同地设置。这样设置可在预燃室41内部形成多处分布的喷孔42，使各处的冷凝水均可被快速排出。

如图2和图3所示，多个喷孔42沿预燃室本体40底部的周向间隔设置。

进一步地，沿预燃室本体40的轴线方向的最低位置设置有排水孔43，排水孔43位于多个喷孔42围成的环形区域的中部。这样设置能够进一步避免冷凝水堵塞预燃室孔导致预燃室 41内外气体交换受阻的现象。

如图2所示，排水孔43为直孔，排水孔43的直径大于喷孔42的直径。如图6所示，排水孔43为斜孔，排水孔43沿预燃室本体40的轴线方向的孔径逐渐减小地设置。将排水孔43为斜孔有利于形成对冷凝水的导流，切加快排水速度。可选的，排水孔43还可以设置为漏斗形。

如图5所示，活塞20的顶面的中部设置有凹坑21，凹坑21的中心轴线与排水孔43的中心轴线重合。这样设置使得喷孔42喷出的射流火焰直接喷射到凹坑21中。

进一步地，凹坑21的深度为H，凹坑21的直径为L1，其中，5mm≤H≤6mm，10mm≤ L≤20mm。

在一个可选的实施例中，喷孔42的直径为L2，排水孔43的直径为L3，其中，1.25mm≤L2≤1.5mm，1.5mm≤L3≤2mm。

上述实施例中的还可以用于氢能发动机技术领域，根据本申请的另一具体实施例，提供了一种氢能发动机，包括氢能发动机燃烧系统，氢能发动机燃烧系统为上述实施例中的的氢能发动机燃烧系统。

从以上的描述中，可以看出，本实用新型上述的实施例实现了如下技术效果：提供了一种使用被动预燃室的氢能发动机燃烧系统，被动预燃室喷射着火后从喷孔喷射出射流火焰，可有效缩短燃烧持续期10％-20％，提高发动机的热效率2％-3％。被动预燃室喷孔直径和角度特殊设计，使得发动机在低温、小负荷时预燃室41内产生的冷凝水可从喷孔42和排水孔43 流出，避免堵塞喷孔，影响预燃室内外气体交换。预燃室41底部最低位置设计排水孔43，进一步降低冷凝水堵塞预燃室喷孔风险。缸盖棚顶和活塞燃烧室形状与喷孔42和排水孔43匹配设计，使射流火焰能快速充满燃烧室。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位旋转90度或处于其他方位，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

除上述以外，还需要说明的是在本说明书中所谈到的“一个实施例”、“另一个实施例”、“实施例”等，指的是结合该实施例描述的具体特征、结构或者特点包括在本申请概括性描述的至少一个实施例中。在说明书中多个地方出现同种表述不是一定指的是同一个实施例。进一步来说，结合任一实施例描述一个具体特征、结构或者特点时，所要主张的是结合其他实施例来实现这种特征、结构或者特点也落在本实用新型的范围内。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种氢能发动机燃烧系统，其特征在于，包括：

缸盖(10)，所述缸盖(10)包括进气侧棚顶(11)和排气侧棚顶(12)；

活塞(20)，所述活塞(20)相对所述缸盖(10)可相对运动地设置，所述缸盖(10)与所述活塞(20)之间形成主燃烧室(30)；

预燃室本体(40)，所述预燃室本体(40)与所述缸盖(10)连接，所述预燃室本体(40)具有预燃室(41)，所述预燃室(41)与所述主燃烧室(30)连通，所述预燃室本体(40)靠近所述活塞(20)的一端设置有多个喷孔(42)，各所述喷孔(42)的中心轴线与所述预燃室本体(40)的中心轴线之间具有第一夹角，靠近所述进气侧棚顶(11)的部分所述喷孔(42)与所述进气侧棚顶(11)之间具有第二夹角，靠近所述排气侧棚顶(12)的部分所述喷孔(42)与所述排气侧棚顶(12)之间具有第三夹角；所述预燃室本体(40)靠近所述活塞(20)的一端还设置有排水孔(43)，所述排水孔(43)用于将处于低温、低负载工况下的氢能发动机的所述预燃室(41)内产生的冷凝水排出。

2.根据权利要求1所述的氢能发动机燃烧系统，其特征在于，所述第一夹角为α1，所述第二夹角为α2，所述第三夹角为α3，其中，-75°≤α1≤45°，10°≤α2≤20°，10°≤α3≤20°。

3.根据权利要求2所述的氢能发动机燃烧系统，其特征在于，所述第二夹角与所述第三夹角相同地设置，或，所述第二夹角与所述第三夹角不同地设置。

4.根据权利要求1所述的氢能发动机燃烧系统，其特征在于，多个所述喷孔(42)沿所述预燃室本体(40)底部的周向间隔设置。

5.根据权利要求4所述的氢能发动机燃烧系统，其特征在于，沿所述预燃室本体(40)的轴线方向的最低位置设置有所述排水孔(43)，所述排水孔(43)位于多个所述喷孔(42)围成的环形区域的中部。

6.根据权利要求5所述的氢能发动机燃烧系统，其特征在于，所述排水孔(43)为直孔，所述排水孔(43)的直径大于所述喷孔(42)的直径，或，所述排水孔(43)为斜孔，所述排水孔(43)沿所述预燃室本体(40)的轴线方向的孔径逐渐减小地设置。

7.根据权利要求5所述的氢能发动机燃烧系统，其特征在于，所述活塞(20)的顶面的中部设置有凹坑(21)，所述凹坑(21)的中心轴线与所述排水孔(43)的中心轴线重合。

8.根据权利要求7所述的氢能发动机燃烧系统，其特征在于，所述凹坑(21)的深度为H，所述凹坑(21)的直径为L1，其中，5mm≤H≤6mm，10mm≤L≤20mm。

9.根据权利要求5所述的氢能发动机燃烧系统，其特征在于，所述喷孔(42)的直径为L2，所述排水孔(43)的直径为L3，其中，1.25mm≤L2≤1.5mm，1.5mm≤L3≤2mm。

10.一种氢能发动机，包括氢能发动机燃烧系统，其特征在于，所述氢能发动机燃烧系统为权利要求1至9中任一项所述的氢能发动机燃烧系统。

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