一種氫氣燃料內燃機及其氫氣噴射系統和燃燒方法
2023-10-04 16:18:44 1
專利名稱：一種氫氣燃料內燃機及其氫氣噴射系統和燃燒方法
技術領域：
本發明涉及一種氫氣燃料內燃機的氫氣噴射系統，還涉及一種使用該系統 的內燃機及其燃燒方法。
背景技術：
目前，現有的氫氣燃料內燃機多採用氣道噴射、缸外預混，或者缸內直噴 的單一形式。氣道噴射氫燃料發動機的氫氣噴入各缸進氣道中，氫氣與空氣在 氣道中混合後再進入氣缸，這在一定程度上限制了燃料供給的響應速度和燃燒 控制，從而限制了發動機動力性能以及經濟性的提升。此外，傳統進氣道噴射 發動機中，氣道中殘餘的氫氣會導致回火等異常燃燒現象的產生；而且缸內的 氫氣與空氣混合氣體在壓縮行程中有早燃和爆震的趨勢，不僅影響發動機的效 率，還會大大縮短發動機壽命。缸內直噴氫燃料發動機是將液態氫燃料通過高 壓噴嘴，在壓縮行程終點時直接噴射到發動機燃燒室中，由於液氫溫度非常低， 在冷啟動階段容易造成燃燒熱效率低、冷啟動困難的現象，同時容易發生早燃 等異常燃燒現象。
發明內容
本發明的目的在於提供一種氫氣燃料內燃機的氫氣噴射系統；本發明的另 一目的在於提供一種使用該系統的內燃機及其燃燒方法。
本發明所提供的汽車氫氣燃料內燃機燃燒方法和裝置，用以解決現有汽車氫 氣燃料內燃機燃燒方法和裝置因燃料供給的響應速度和燃燒控制受到限制影響 了發動機動力性能、經濟性、排放性能和啟動性能等。
為了實現上述目的，本發明所採用的技術方案是
當發動機工作時， 一部分液態氫燃料經過汽化後在進氣歧管處噴入氣道， 與空氣進行預混合； 一部分液態氫燃料在壓縮行程終點時，由氫燃料噴嘴噴入 發動機燃燒室。通過兩種燃料供給方式相結合，在提高發動機動力性的同時， 避免出現異常燃燒現象。
具體的燃燒方法是內燃機燃料有兩條供給通道(一)、低溫的液態氫燃料存 儲在氫氣存儲裝置中，由氫氣泵抽出，並經氫氣濾清器過濾後， 一部分液氫燃 料汽化後由氣道氫氣噴射器噴入發動機進氣與空氣進行混合，在燃燒室內形成 預混合可燃氣體；(二)、 一部分液氫燃料經限壓閥和穩壓腔對燃料壓力進行調 整後，由缸內高壓噴氫器在發動機壓縮行程終點噴入發動機燃燒室。(三)、火 花塞點火使混合氣燃燒。(四)、燃燒後的氣體經過排氣道排出發動機，並經過 催化器對尾氣進行處理。
該汽車氫氣燃料內燃機燃燒的裝置包括活塞，燃燒室，排氣道，催化器，缸 內高壓噴氫器，穩壓腔，限壓閥，進氣道，氣道氫氣噴射器，汽化器，三通閥， 氫氣濾清器，氫氣泵，氫氣存儲裝置，ECU,火花塞。火花塞、進氣道、排氣道、 缸內高壓噴氫器均與燃燒室連接，缸內高壓噴氫器與穩壓腔、限壓閥、氫氣濾 清器、氫氣泵和氫氣存儲機構連接，氣道氫氣噴射器出口與進氣道連接，氣道 氫氣噴射器入口依次與氫氣濾清器、氫氣泵和氫氣存儲機構連接。
雙通道混合噴射氫氣燃料內燃機是將兩種燃料供給方式結合起來，採用合 適的噴射比例和噴射時間，在提升發動機動力性的同時，很好的解決了氫燃料 發動機冷啟動問題。雙通道混合噴射氫氣燃料內燃機燃燒系統和燃燒組織方法， 主要應用於氫氣燃料內燃機，可在對傳統電子燃油噴射汽油機改變較小的基礎 上，使發動機燃燒氫氣燃料，從而替代傳統的石油能源。
具體技術方案如下
一種氫氣燃料內燃機的氫氣噴射系統，包括氫氣存儲裝置，缸內高壓噴氫 器，氣道氫氣噴射器和汽化裝置；其中，氫氣存儲裝置內的部分液態氫燃料由 汽化裝置汽化後，經氣道氫氣噴射器進入內燃機進氣歧管，氫氣存儲裝置內的 部分液態氫燃料由缸內高壓噴氫器噴入內燃機燃燒室。
還包括一穩壓腔和一限壓閥，設置在氫氣存儲裝置與缸內高壓噴氫器之間， 所述限壓閥和穩壓腔對燃料壓力進行調整。
還包括一氫氣濾清器和一氫氣泵，該氫氣泵將液態氫燃料從氫氣存儲裝置 中抽出，並送氫氣濾清器過濾。
所述汽化裝置為一汽化器；該氫氣噴射系統還包括一三通閥，其將氫氣濾 清器過濾後的氫燃料分別送至該汽化器和限壓閥。
還包括一電控單元ECU，其根據發動機工況讀取MAP，通過調整氣道氫氣噴 射器和缸內高壓噴氫器噴射脈寬，控制兩種燃料供給模式的比例。
一種使用上述氫氣噴射系統的氫氣燃料內燃機，包括活塞，燃燒室，排氣 道，進氣道，火花塞，其中，火花塞，進氣道，排氣道以及所述氫氣噴射系統 的缸內高壓噴氫器均與燃燒室連接，所述氫氣噴射系統的氣道氫氣噴射器出口 與進氣道連接。
還包括一催化器，其與排氣道連接，排氣道內氣體排出發動機之前由催化 器進行處理。
一種上述氫氣燃料內燃機的燃燒方法，其特徵在於，包括以下步驟
(1) 低溫的液態氫燃料存儲在氫氣存儲裝置中，由氫氣泵抽出，並經氫氣濾清 器過濾；
(2) —部分液氫燃料汽化後由氣道氫氣噴射器噴入發動機進氣道與空氣進行 混合，在燃燒室內形成預混合可燃氣體；
(3) —部分液氫燃料經限壓閥和穩壓腔對燃料壓力進行調整後，由缸內高壓噴 氫器噴入發動機燃燒室；
(4) 火花塞點火使混合氣燃燒；
(5) 燃燒後的氣體經過排氣道排出發動機，並經過催化器對尾氣進行處理。 步驟3中的所述液氫燃料由缸內高壓噴氫器在發動機壓縮行程終點噴入發
動機燃燒室。
步驟2中所述液氫的汽化由一汽化器進行，步驟2和3中的兩部分液氫燃 料由一三通閥分開並傳送。
與目前現有技術相比，本發明的有益效果體現在
雙通道混合噴射氫氣燃料內燃機是將兩種燃料供給方式結合起來， 一部分 燃料噴入氣道中，進行預混合。 一部分燃料直接噴入發動機燃燒室中，通過對 噴氣時刻及噴氣脈寬的精確控制，從而精確控制噴氣量。與單一燃料供給形式 的氫氣發動機相比，雙通道混合噴射氫氣燃料內燃機可採用較高的壓縮比，帶 來高動力輸出、高響應速度等方面的優勢，同時也能很好的解決發動機冷啟動 等問題。
將高壓氣態氫燃料在壓縮行程初期直接噴入氣缸，由電子控制單元精確控 制噴射時間和噴射脈寬，以精確控制噴氫量，還可減少進氣道內氫氣濃度，從 而避免發生回火等異常燃燒。
本發明公開的雙通道混合噴射氫燃料內燃機裝置，特別涉及氫氣燃料內燃 機採用氣道噴射和缸內直噴相結合的燃料供給控制方法，屬於汽車發動機、內 燃機燃燒技術領域。它包括燃料供給系統、燃燒室、火花塞、氣道、活塞等， 系統結構簡單、安全可靠、價廉實用，適合用於火花塞點火氫氣燃料內燃機。
圖l:雙通道混合噴射氫氣燃料內燃機裝置； 圖2:燃燒系統的基本構造附圖標記說明活塞l，燃燒室2，排氣道3，催化器4，缸內高壓噴氫器5，穩 壓腔6，限壓閥7，進氣道8，氣道氫氣噴射器9，汽化器IO，三通閥ll，氫氣 濾清器12，氫氣泵13，氫氣存儲裝置14， ECU 15，火花塞16。
具體實施例方式
下面根據附圖對本發明進行詳細描述，其為本發明多種實施方式中的一種 優選實施例。
圖1為該燃燒系統應用於雙通道混合噴射氫氣發動機的基本構造圖，由活 塞l，燃燒室2，排氣道3，催化器4，缸內高壓噴氫器5，穩壓腔6，限壓閥7， 進氣道8，氣道氫氣噴射器9，汽化器IO，三通閥ll，氫氣濾清器12，氫氣泵 13，氫氣存儲裝置14， ECU 15，火花塞16;組成。圖2為雙通道混合噴射氫氣 燃料內燃機裝置結構圖，主要由活塞l,燃燒室2，缸內高壓噴氫器5，火花塞 16，進氣道8，組成。
實施方式一發動機冷啟動階段，氫氣由氣道氫氣噴射器噴入進氣道中， 以解決氫燃料發動機冷啟動困難的問題。
實施方式二發動機全負荷或大負荷工況時，氫氣由缸內高壓噴氫器直接 噴入燃燒室內，以提高發動機動力性能和經濟性。
實施方式三發動機處於部分負荷工況時，發動機ECU根據標定數據控制
氣道氫氣噴射器和缸內高壓噴氫器開啟時間和開啟持續脈寬，來控制兩種進氣 方式的進氣量，以使發動機燃燒最優。
本發明的雙通道混合噴射氫燃料發動機機燃燒系統，通過將一部分液態氫 燃料汽化後，經過氣道噴射燃料供給系統，由氣道氫氣噴射器噴入發動機進氣
歧管，與空氣進行混合後進入燃燒室； 一部分液態氫燃料經過加壓後由缸內高 壓噴氫器直接將液態氫燃料噴入燃燒室內。ECU根據發動機工況讀取MAP，通過 調整氣道氫氣噴射器和缸內高壓噴氫器噴射脈寬，控制兩種燃料供給模式的比 例。
結合上面的工作原理圖對本技術方案作進一步的說明，
一種氫氣燃料內燃機的氫氣噴射系統，包括氫氣存儲裝置14,缸內高壓噴 氫器5,氣道氫氣噴射器9和汽化裝置；其中，氫氣存儲裝置14內的部分液態 氫燃料由汽化裝置汽化後，經氣道氫氣噴射器9進入內燃機進氣歧管，氫氣存 儲裝置14內的部分液態氫燃料由缸內高壓噴氫器5噴入內燃機燃燒室。還包括 一穩壓腔6和一限壓閥7，設置在氫氣存儲裝置14與缸內高壓噴氫器5之間， 所述限壓閥7和穩壓腔6對燃料壓力進行調整。還可包括一氫氣濾清器12和一 氫氣泵13，該氫氣泵13將液態氫燃料從氫氣存儲裝置14中抽出，並送氫氣濾 清器12過濾。所述汽化裝置為一汽化器10;該氫氣噴射系統還包括一三通閥 11，其將氫氣濾清器12過濾後的氫燃料分別送至該汽化器10和限壓閥7。還包 括一電控單元ECU15，其根據發動機工況讀取MAP待入中文解釋，通過調整氣道 氫氣噴射器和缸內高壓噴氫器噴射脈寬，控制兩種燃料供給模式的比例。
一種使用上述氫氣噴射系統的氫氣燃料內燃機，包括活塞l，燃燒室2，排 氣道3，進氣道8，火花塞16，其中，火花塞16，進氣道8，排氣道3以及所述 氫氣噴射系統的缸內高壓噴氫器5均與燃燒室2連接，所述氫氣噴射系統的氣 道氫氣噴射器9出口與進氣道8連接。還包括一催化器4，其與排氣道3連接， 排氣道3內氣體排出發動機之前由催化器4進行處理。
一種上述氫氣燃料內燃機的燃燒方法，其特徵在於，包括以下步驟
(1) 低溫的液態氫燃料存儲在氫氣存儲裝置14中，由氫氣泵13抽出，並經氫 氣濾清器ll過濾；
(2) —部分液氫燃料通過三通閥ll由汽化器10汽化後由氣道氫氣噴射器9噴 入發動機進氣道8與空氣進行混合，在燃燒室2內形成預混合可燃氣體；
(3) —部分液氫燃料通過三通閥11經限壓閥7和穩壓腔6對燃料壓力進行調 整後，由缸內高壓噴氫器5在發動機壓縮行程終點噴入發動機燃燒室2;
(4) 火花塞16點火使混合氣燃燒；
(5) 燃燒後的氣體經過排氣道3排出發動機，並經過催化器4對尾氣進行處理。 上面結合附圖對本發明進行了示例性描述，顯然本發明具體實現並不受上
述方式的限制，只要採用了本發明的方法構思和技術方案進行的各種改進，或 未經改進直接應用於其它場合的，均在本發明的保護範圍之內。
權利要求
1.一種氫氣燃料內燃機的氫氣噴射系統，其特徵在於，包括氫氣存儲裝置(14)，缸內高壓噴氫器(5)，氣道氫氣噴射器(9)和汽化裝置；其中，氫氣存儲裝置(14)內的部分液態氫燃料由汽化裝置汽化後，經氣道氫氣噴射器(9)進入內燃機進氣歧管，氫氣存儲裝置(14)內的部分液態氫燃料由缸內高壓噴氫器(5)噴入內燃機燃燒室。
2、 如權利要求1所述的氫氣噴射系統，其特徵在於，還包括一穩壓腔(6) 和一限壓閥(7)，設置在氫氣存儲裝置(14)與缸內高壓噴氫器(5)之間，所 述限壓閥(7)和穩壓腔(6)用於對燃料壓力進行調整。
3、 如權利要求1或2所述的氫氣噴射系統，其特徵在於，還包括一氫氣濾 清器(12)和一氫氣泵(13),該氫氣泵(13)將液態氫燃料從氫氣存儲裝置(14) 中抽出，並送氫氣濾清器(12)過濾。
4、 如權利要求3所述的氫氣噴射系統，其特徵在於，所述汽化裝置為一汽 化器(10);該氫氣噴射系統還包括一三通閥(11)，其將氫氣濾清器(12)過 濾後的氫燃料分別送至該汽化器(10)和限壓閥(7)。
5、 如權利要求1或2或4所述的氫氣噴射系統，其特徵在於，還包括一電 控單元ECU (15)，其根據發動機工況讀取MAP，通過調整氣道氫氣噴射器和缸 內高壓噴氫器噴射脈寬，控制兩種燃料供給模式的比例。
6、 一種使用如權利要求l-5所述的氫氣噴射系統的氫氣燃料內燃機，其特 徵在於，包括活塞(1)，燃燒室(2)，排氣道(3)，進氣道(8)，火花塞(16)， 其中，火花塞(16)，進氣道(8)，排氣道(3)以及所述氫氣噴射系統的缸內 高壓噴氫器(5)均與燃燒室(2)連接，所述氫氣噴射系統的氣道氫氣噴射器(9)出口與進氣道(8)連接。
7、 如權利要求6所述的氫氣燃料內燃機，其特徵在於，還包括一催化器(4)， 其與排氣道(3)連接，排氣道(3)內氣體排出發動機之前由催化器(4)進行 處理。
8、 一種如權利要求6或7所述的氫氣燃料內燃機的燃燒方法，其特徵在於， 包括以下步驟(1) 低溫的液態氫燃料存儲在氫氣存儲裝置(14)中，由氫氣泵(13)抽出， 並經氫氣濾清器(11)過濾；(2) —部分液氫燃料汽化後由氣道氫氣噴射器(9)噴入發動機進氣道(8)與 空氣進行混合，在燃燒室(2)內形成預混合可燃氣體；(3) —部分液氫燃料經限壓閥(7)和穩壓腔(6)對燃料壓力進行調整後，由 缸內高壓噴氫器(5)噴入發動機燃燒室(2);(4) 火花塞(16)點火使混合氣燃燒；(5) 燃燒後的氣體經過排氣道(3)排出發動機，並經過催化器(4)對尾氣進 行處理。
9、 如權利要求8所述的氫氣燃料內燃機的燃燒方法，其特徵在於，步驟(3) 中的所述液氫燃料由缸內高壓噴氫器(5)在發動機壓縮行程終點噴入發動機燃 燒室(2)。
10、 如權利要求9所述的氫氣燃料內燃機的燃燒方法，其特徵在於，步驟 (2)中所述液氫的汽化由一汽化器(10)進行，步驟(2)和(3)中的兩部分液氫燃料由一三通閥(11)分開並傳送。
全文摘要
本發明涉及一種氫氣燃料內燃機及其氫氣噴射系統和燃燒方法，通過將一部分液態氫燃料汽化後，經過氣道噴射燃料供給系統，由氣道氫氣噴射器噴入發動機進氣歧管，與空氣進行混合後進入燃燒室；一部分液態氫燃料經過加壓後由缸內高壓噴氫器直接將液態氫燃料噴入燃燒室內。通過兩種燃料供給方式相結合，在提高發動機動力性的同時，避免出現異常燃燒現象，並可減少進氣道內氫氣濃度，從而避免發生回火等異常燃燒。
文檔編號F02B15/00GK101368527SQ20081002177
公開日2009年2月18日 申請日期2008年8月13日 優先權日2008年8月13日
發明者湯緒雯 申請人:奇瑞汽車股份有限公司