CN220869534U - 一种氢气喷嘴组件、氢气燃烧室、氢气发动机以及车辆 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种氢气喷嘴组件、氢气燃烧室、氢气发动机以及车辆，涉及发动机技术领域。本申请中的氢气喷嘴组件安装在气缸盖上，包括喷嘴和导流件。喷嘴包括进气端和出气端，用于对氢气进行喷射。导流件与喷嘴连接，用于对喷射出来的氢气气流进行导流，且导流件形成有多个导流通道，多个导流通道与出气端连通，多个导流通道围绕导流件的中心轴线呈螺旋设置，其中，通过导流通道的设置使氢气气流呈发散状导入气缸，扩大氢气气流的空间流动范围，进一步增加与空气的接触面积。由此，本申请解决了缸内直喷氢气发动机在喷入氢气时与缸内空气混合不均匀的问题。

Description

一种氢气喷嘴组件、氢气燃烧室、氢气发动机以及车辆

技术领域

本申请涉及汽车领域，尤其涉及发动机技术领域，具体涉及一种氢气喷嘴组件、氢气燃烧室、氢气发动机以及车辆。

背景技术

内燃机目前的低碳排放路线有两条，一条是提高传统内燃机的燃烧效率，另一条是寻找新的替代燃料。氢气具有燃烧速度快、稀燃性能佳、燃烧产物清洁等优点。氢燃料发动机分为氢燃料电池发动机和氢气发动机，相比于氢燃料电池发动机，氢气发动机成本低，零碳排放，技术成熟度高。

氢气发动机大多采用直喷系统将氢气直接喷入气缸，但是如果缸内混合气浓度过度不均，会造成发动机运行状态不稳定。

实用新型内容

本申请提供一种氢气喷嘴组件、氢气燃烧室、氢气发动机以及车辆，以至少解决相关技术中缸内直喷氢气发动机的缸内气体浓度混合不均匀的技术问题。本申请的技术方案如下：

根据本申请涉及的第一方面，本申请提供一种氢气喷嘴组件，包括：喷嘴和导流件；喷嘴包括进气端和出气端；导流件与喷嘴连接，形成有多个导流通道，多个导流通道与出气端连通，多个导流通道围绕导流件的中心轴线呈螺旋设置。

根据上述技术手段，本申请通过设计喷嘴和导流件的结构，可以将氢气从导流件的多个螺旋设置的导流通道中喷出，氢气气流呈发散状导入气缸，扩大氢气气流的空间流动范围，进一步增加与空气的接触面积，使氢气气流能在气缸内与空气气流充分混合均匀。

同时，增加氢气气流的湍动能，从而提高缸内混合气体的均匀程度，从而提高缸内混合气体的均匀程度，保证了点火时刻的混合气流的均质度，使缸内的最高压力和最高温度降低，进而提高发动机工作的稳定性且能实现较低的排放。

在一种可能的实施方式中，上述氢气喷嘴组件还包括：导流件包括导流管、中心轴和多个叶片。

中心轴设于导流管内，中心轴的中心轴线形成导流件的中心轴线。

多个叶片设于导流管内，且围绕导流件的中心轴线呈螺旋设置；叶片与中心轴和导流管中的一者连接，中心轴和导流管均与喷嘴连接，或者，叶片与中心轴和导流管均连接，中心轴和导流管中的至少一者连接喷嘴。

多个叶片、中心轴以及导流管之间形成多个导流通道，一个导流通道形成于导流管、中心轴与相邻的两个叶片之间。

根据上述技术手段，通过对中心轴、多个叶片以及导流管之间的结构进行设计，能够限定导流通道的形状，使氢气气流在喷入气缸的过程中呈发散状。

在一种可能的实施方式中，上述组件还包括中心通道，中心通道由中心轴形成，中心通道与出气端连通，多个导流通道围绕中心通道呈螺旋设置。

根据上述技术手段，氢气气流在喷入气缸的过程中能从中心通道喷出，加速氢气气流和缸内空气的混合。

在一种可能的实施方式中，上述组件还包括：中心通道的中心轴线与中心轴的中心轴线同轴或者偏心设置。

根据上述技术手段，对中心通道的中心轴线与中心轴的中心轴线的位置设置，进而调整多个导流通道的大小和位置，由此，可以对氢气气流的发散方向进行微调。

在一种可能的实施方式中，上述组件还包括导流管与喷嘴固定连接，中心轴与喷嘴固定连接，叶片与中心轴绕中心轴的中心轴线转动连接，或者，叶片与中心轴固定连接，中心轴与喷嘴绕中心轴的中心轴线转动连接。

根据上述技术手段，通过设置喷嘴固定，叶片与中心轴可以绕中心轴的中心轴线转动或者叶片固定，中心轴与喷嘴可以绕中心轴的中心轴线转动，这样一来，可以使氢气气流在喷入气缸的过程中发散的同时旋转起来，进一步加速氢气气流与缸内空气的混合。

在一种可能的实施方式中，上述组件还包括导流件为一体结构，且通过铸造加工而成。

根据上述技术手段，通过对导流件的一体铸造可以简化加工工艺，提高加工效率。

在一种可能的实施方式中，上述组件还包括：叶片在中心轴的轴向方向上的投影有重叠，或者叶片在中心轴的轴向方向上的投影没有重叠。

根据上述技术手段，为了调整氢气气流的发散程度，可以对叶片在中心轴的轴向方向的投影进行设计。这样一来，可根据不同流速的氢气气流优选出合适的叶片，达到氢气气流与缸内空气均匀混合的效果。

根据本申请提供的第二方面，提供一种氢气燃烧室，包括气缸；与气缸配合安装的气缸盖；活塞在气缸的缸孔中做往复运动，活塞的顶端与气缸盖之间形成燃烧室；火花塞安装在气缸盖顶端，用于向燃烧室内点火；进气道以及排气道设置在燃烧室的两侧；还包括上述的氢气喷嘴组件。

根据上述技术手段，本申请中的氢气燃烧室可以氢气在喷入气缸的过程中，使氢气从导流件的多个螺旋设置的导流通道中喷出，氢气气流呈发散状导入气缸，扩大了氢气气流的空间流动范围，进一步增加了与空气的接触面积，使氢气气流能够在气缸内与空气气流充分混合均匀。

根据本申请提供的第三方面，提供一种氢气发动机，包括上述的氢气燃烧室。

根据上述技术手段，本申请中的氢气发动机可以使氢气在喷入燃烧室的时候能够与缸内空气充分混合均匀，保证了点火时刻的混合气流的均质度，避免了发生后燃、回火或排气管烧蚀等问题。

根据本申请提供的第四方面，提供一种车辆，包括上述的氢气发动机。

根据上述技术手段，本申请中的车辆能够保证氢气发动机在工作过程中的氢气与缸内空气混合均匀，保证点火时刻的混合气流的均质度，避免了发生后燃、回火或排气管烧蚀等问题，同时还能提高燃烧效率，使燃烧产物清洁。

由此，本申请的上述技术特征具有以下有益效果：

(1)本申请中提供的氢气喷嘴组件，能够将氢气从多个螺旋设置的导流通道中喷出，使氢气气流呈发散状进入气缸，进而扩大氢气气流的空间流动范围，进一步的增加与空气的接触面积，使氢气气流能在气缸内与空气气流充分混合均匀。

(2)本申请中提供的氢气喷嘴组件，能够增加氢气气流的湍动能，从而提高缸内混合气体的均匀程度，保证了点火时刻的混合气流的均质度，能避免发生后燃、回火或排气管烧蚀等问题，同时还可以提高燃烧效率，使燃烧产物清洁，实现较低的排放。

需要说明的是，第二方面至第四方面中的任一种实现方式所带来的技术效果可参见第一方面中对应实现方式所带来的技术效果，此处不再赘述。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理，并不构成对本申请的不当限定。

图1是根据一示例性实施例示出的氢气燃烧室的结构示意图；

图2是根据一示例性实施例示出的导流件的结构示意图之一；

图3是根据一示例性实施例示出的导流件的结构示意图之二；

图4是根据一示例性实施例示出的导流件的结构示意图之三；

图5是根据一示例性实施例示出的混合气组织结构的示意图；

图6是根据一示例性实施例示出的点火时刻缸内燃气当量比分布示意图。

其中，1-火花塞；2-气缸盖；3-气缸；4-活塞；5-导流件；501-导流通道；502-导流管；503-中心轴；504-叶片；505-中心通道；6-喷嘴；601-进气端；602-出气端；7-氢气喷嘴组件。

具体实施方式

为了使本领域普通人员更好地理解本申请的技术方案，下面将结合附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

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数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。

为了便于理解，以下结合附图对本申请提供的氢气喷嘴组件、氢气燃烧室、氢气发动机以及车辆进行具体介绍。

图1是根据一示例性实施例示出的氢气燃烧室的结构示意图，图1中还示出了氢气喷嘴组件7的结构，氢气喷嘴组件7包括喷嘴6和导流件5，喷嘴6包括进气端601和出气端602，导流件5与喷嘴6的出气端602连接，倾斜的安装在气缸盖2上。

图2是根据一示例性实施例示出的导流件5的结构示意图。导流件5形成有多个导流通道501，多个导流通道501与喷嘴6的出气端602连通，多个导流通道501围绕导流件5的中心轴线呈螺旋设置。

可以理解的，该喷嘴6和导流件5的结构设计能将氢气从导流件5的多个螺旋设置的导流通道501中喷出，氢气气流能够呈发散状导入气缸3，进而可以扩大氢气气流的空间流动范围，进一步增加与空气的接触面积，使氢气气流能在气缸3内与空气气流充分混合均匀。

同时，还可以增加氢气气流的湍动能，从而提高缸内混合气体的均匀程度，从而提高缸内混合气体的均匀程度，保证了点火时刻的混合气流的均质度，使缸内的最高压力和最高温度降低，进而提高发动机工作的稳定性且能实现较低的排放。

继续参见图1，图1中气流的流动方向A是缸内气体的气流方向。氢气气流经过导流件5的引导，运动路径与缸内气流A的流动方向趋同，有利于氢气气流与缸内空气混合均匀。

在一些实施例中，导流件5还包括导流管502、中心轴503和多个叶片504。中心轴503设置在导流管502内，中心轴503的中心轴线形成导流件5的中心轴线。

多个叶片504设于导流管502内，且围绕导流件5的中心轴线呈螺旋设置；叶片504与中心轴503和导流管502中的一者连接，中心轴503和导流管502均与喷嘴6连接，或者，叶片504与中心轴503和导流管502均连接，中心轴503和导流管502中的至少一者连接喷嘴6。多个叶片504、中心轴503以及导流管502之间形成多个导流通道501，一个导流通道501形成于导流管502、中心轴503与相邻的两个叶片504之间。

由此，通过对叶片504、中心轴503和导流管502的位置关系的设计，可以使导流通道501的形状得到限定，使氢气气流在进入气缸3时能够被分散。

示例性的，叶片504的厚度是可以根据实际需要的氢气分气流之间的间隔距离进行设计的。

在一些实施例中，图3是根据一示例性实施例示出的导流件5的结构示意图，导流件5的中心轴503还形成有中心通道505，中心通道505与喷嘴6的出气端602相连通，多个导流通道501围绕中心通道505呈螺旋设置。图4是根据一示例性实施例示出的导流件5的结构示意图，从图3以及图4中可以看出，在氢气气流喷入气缸3时，氢气气流除了可以通过导流通道501进入气缸3，还可以从中心通道505中进入气缸3。

可以理解的，当氢气气流在喷入气缸3时，氢气气流从中心通道505中喷出，进一步控制氢气的分散程度，从而可以加速氢气气流和缸内空气的混合。

在一些实施例中，导流件5的中心通道505的中心轴线与中心轴503的中心轴线可以是同轴设置，也可以是偏心设置。

由此，为了对氢气气流的发散方向进行微调，可以对中心通道505的中心轴线与中心轴503的中心轴线的相对位置进行设置，进而能够调整多个导流通道501的大小和位置。

在一些实施例中，氢气喷嘴组件7中的导流管502与喷嘴6固定连接，中心轴503与喷嘴6固定连接，叶片504与中心轴503绕中心轴503的中心轴线转动连接，或者，叶片504与中心轴503固定连接，中心轴503与喷嘴6绕中心轴503的中心轴线转动连接。

这样一来，在氢气气流喷入气缸3时，叶片504可以进行转动，进而可以使氢气气流在喷入气缸3的过程中气流被发散的同时进行旋转，进一步加速氢气气流与缸内空气的混合。

在一些实施例中，导流件5为一体结构，且通过铸造加工而成。

在此基础上，通过对导流件5的一体铸造可以简化加工工艺，提高加工效率。

在一些实施例中，氢气喷嘴组件7的导流件5中的叶片504在中心轴503的轴向方向上的投影有重叠，或者叶片504在中心轴503的轴向方向上的投影没有重叠。

在此基础上，为了调整氢气气流的发散程度，可以对叶片504在中心轴503的轴向方向的投影进行设计。这样一来，可根据不同流速的氢气气流优选出合适的叶片504，达到氢气气流与缸内空气均匀混合的效果。

可以理解的，氢气发动机的缸内混合气体的混合是多参数的耦合问题，一旦发动机的运行工况产生少许变动，气体的混合就会产生较大变化，进而造成发动机运行状态不稳定。配合喷氢参数以及缸内气体参数，对导流件5的具体结构进行设计，使氢气喷入气缸3时是发散的气流，且能与缸内空气气流同向流动，促进氢气与缸内空气的混合。

示例性的，叶片504的数量可以根据导流开孔的尺寸设置为3-6个。

在一些实施例中，继续参见图1，本申请实施例还提供了一种氢气燃烧室，该氢气燃烧室包括气缸3，气缸盖2与气缸3配合安装。活塞4能够在气缸3的缸孔中做往复运动，进而对混合气体进行压缩，活塞4的顶端与气缸3及气缸盖2之间形成燃烧室。火花塞1安装在气缸盖2的顶端，火花塞1用于向燃烧室内点火。进气道以及排气道(图中未示出)设置在燃烧室的两侧，用于空气的进入以及燃烧废气的排出。该氢气燃烧室还包括上述的氢气喷嘴组件7，氢气喷嘴组件7倾斜安装在气缸盖2上，用于向燃烧室内喷入氢气。

在此基础上，本申请提供的氢气燃烧室可以氢气在喷入气缸3的过程中，使氢气从导流件5的多个螺旋设置的导流通道501中喷出，氢气气流呈发散状导入气缸3，扩大了氢气气流的空间流动范围，进一步增加了与空气的接触面积，使氢气气流能够在气缸3内与空气气流充分混合均匀。

在一些实施例中，本申请还提供一种氢气发动机，包括上述的氢气燃烧室。

由此，本申请中的氢气发动机可以使氢气在喷入燃烧室的时候能够与缸内空气充分混合均匀，保证了点火时刻的混合气流的均质度，避免了发生后燃、回火或排气管烧蚀等问题。

图5是根据一示例性实施例示出的混合气组织结构的示意图，混合气组织包括缸内气流组织和氢气组织。缸内气流组织是由空气经过进气道进入燃烧室构成，氢气组织是氢气由氢气导流装置喷出的发散状的氢气束构成，且氢气的喷氢参数设置为早喷。氢气组织和缸内气流组织混合均匀形成均质混合气。

可以理解的，该氢气发动机在进气行程中，进气道开启，排气道关闭，活塞4由上止点向下止点移动，活塞4上方的气缸3容积增大，空气进入气缸3内，进气过程一直延续到活塞4过了下止点进气道关闭为止。

接下来是压缩行程，进气道和排气道全部关闭，氢气通过氢气喷嘴组件7喷入气缸3内，此时氢气与缸内空气进行充分混合，活塞4由下止点向上止点移动，压缩缸内可燃混合气体。喷氢时刻设定在压缩行程的前中期，氢气与空气有充分时间进行接触，这样可以保证在氢气喷嘴组件7的辅助下形成均质混合气，且均质混合气在点火时刻缸内保持有较高的湍动能。

在做功行程中，进气道和排气道全部关闭，活塞4接近上止点时，装在气缸盖2上方的火花塞1发出电火花，点燃所压缩的可燃混合气体。可燃混合气体燃烧后释放出大量的热量，缸内燃气压力和温度迅速上升，高温高压燃气推动活塞4快速向下止点移动，通过曲柄连杆机构对外做功。

最后是排气行程，在做功行程结束后，进气道关闭，排气道开启，活塞4向上止点移动，废气便被排放到大气中。当活塞4到达上止点时，排气道关闭，完成一个工作循环。

示例性的，火花塞1的类型为冷型低能火花塞，点火方式包括高压电极击穿点火、电晕点火。

在一些实施例中，本申请还提供一种车辆，包括上述的氢气发动机。

可以理解的，本申请中的车辆能够保证氢气发动机在工作过程中的氢气与缸内空气混合均匀，保证点火时刻的混合气流的均质度，避免了发生后燃、回火或排气管烧蚀等问题，同时还能提高燃烧效率，使燃烧产物清洁。

示例性的，图6是根据一示例性实施例示出的点火时刻缸内燃气当量比(equivratio)分布示意图，基于一台压缩比为10.5的直列四缸四冲程涡轮增压中冷型缸内直喷氢发动机，在喷嘴6处安装能引导直喷氢气可均匀喷射到缸内的导流件5，其中导流件5与氢气喷嘴6轴线间的夹角为120°，导流件5中导流通道501的直径为1.5mm。仿真选择的计算工况为2000r/min。空气在进气行程中进入气缸3内。在压缩行程中，设置喷氢时刻供油提前角为80°CA BTDC，喷氢持续期供油提前角为42°CA BTDC。氢气束在导流件5作用下呈现发散状且密度均匀的喷入气缸3，通过与喷氢时刻，活塞4顶部的相互配合，与缸内空气气流A协同形成顺时针方向的滚流。在点火时刻供油提前角为2°CA BTDC下，缸内形成较为均匀的混合气，当量比分布如示意图6。图6中燃气当量比用不同颜色示意，从燃气当量比的分布可以看出，缸内气体在开始时刻处于不均匀状态，而后经过导流件喷入氢气，气体进一步混合均匀。在该导流件5的设计辅助下，可以实现氢气和空气在点火时刻形成均匀的混合气，而且又能保证缸内较高的湍流强度和湍动能，促使火焰可以稳定传播，同样由于氢气均匀分布且稀燃，燃烧时缸内温度不会太高，有利于控制氮氧化物排放。

以上，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何在本申请揭露的技术范围内的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种氢气喷嘴组件，其特征在于，所述氢气喷嘴组件(7)包括：

喷嘴(6)，包括进气端(601)和出气端(602)；

导流件(5)，与所述喷嘴(6)连接，形成有多个导流通道(501)，所述多个导流通道(501)与所述出气端(602)连通，所述多个导流通道(501)围绕所述导流件(5)的中心轴线呈螺旋设置。

2.根据权利要求1所述的氢气喷嘴组件(7)，其特征在于，所述导流件(5)包括：

导流管(502)；

中心轴(503)，所述中心轴(503)设于所述导流管(502)内，所述中心轴(503)的中心轴线形成所述导流件(5)的中心轴线；

多个叶片(504)，所述多个叶片(504)设于所述导流管(502)内，且围绕所述导流件(5)的中心轴线呈螺旋设置；所述叶片(504)与所述中心轴(503)和所述导流管(502)中的一者连接，所述中心轴(503)和所述导流管(502)均与所述喷嘴(6)连接，或者，所述叶片(504)与所述中心轴(503)和所述导流管(502)均连接，所述中心轴(503)和所述导流管(502)中的至少一者连接所述喷嘴(6)；

所述多个叶片(504)、所述中心轴(503)以及所述导流管(502)之间形成所述多个导流通道(501)，一个所述导流通道(501)形成于所述导流管(502)、所述中心轴(503)与相邻的两个所述叶片(504)之间。

3.根据权利要求2所述的氢气喷嘴组件(7)，其特征在于，所述中心轴(503)形成有中心通道(505)，所述中心通道(505)与所述出气端(602)连通，所述多个导流通道(501)围绕所述中心通道(505)呈螺旋设置。

4.根据权利要求3所述的氢气喷嘴组件(7)，其特征在于，所述中心通道(505)的中心轴线与所述中心轴(503)的中心轴线同轴或者偏心设置。

5.根据权利要求3所述的氢气喷嘴组件(7)，其特征在于，所述导流管(502)与所述喷嘴(6)固定连接；

所述中心轴(503)与所述喷嘴(6)固定连接，所述叶片(504)与所述中心轴(503)绕所述中心轴(503)的中心轴线转动连接，或者，所述叶片(504)与所述中心轴(503)固定连接，所述中心轴(503)与所述喷嘴(6)绕所述中心轴(503)的中心轴线转动连接。

6.根据权利要求1所述的氢气喷嘴组件(7)，其特征在于，所述导流件(5)为一体结构，且通过铸造加工而成。

7.根据权利要求2所述的氢气喷嘴组件(7)，其特征在于，所述叶片(504)在中心轴(503)的轴向方向上的投影有重叠。

8.一种氢气燃烧室，其特征在于，包括权利要求1-7中任一项所述的氢气喷嘴组件(7)。

9.一种氢气发动机，其特征在于，包括权利要求8中所述的氢气燃烧室。

10.一种车辆，其特征在于，包括权利要求9中所述的氢气发动机。