一种氢燃料内燃机缸内旋流喷射系统技术方案

本实用新型专利技术公开一种用于氢燃料内燃机的缸内旋流喷射系统，包括气体喷射模块、氢气减压模块、液压控制模块以及使三模块相互配合的电子控制系统。气体喷射模块包括喷嘴壳体，其中设置有可纵向移动的活塞，其与控制喷射口开关的喷射阀相连，活塞将喷射系统主体分成储氢空间和液压控制空间上下两个部分。液压控制模块负责控制液压空间的压力变化，经过氢气减压模块后的减压氢气进入储氢空间。电子控制系统使三模块相互配合，负责控制喷射阀进行周期性纵向运动。从储氢空间中喷出的氢气经过氢气旋流器后形成高压氢气涡流，最终进入燃烧室，完成缸内旋流喷射过程。

【技术实现步骤摘要】
一种氢燃料内燃机缸内旋流喷射系统
本技术涉及氢燃料内燃机领域，特别涉及到一种引发氢气旋流的缸内喷射系统及其控制方法。
技术介绍
在应对全球气候异常、环境质量下降和能源短缺的诸多问题中，“低碳”或“脱碳”是当前国际上能源利用的主要方向。氢气以其燃烧速度快、热效率高、清洁无污染等优势，被认为是最具发展前景的车辆发动机燃料之一，是受到高度关注的一种新能源。由于氢燃料具有完全不同于传统内燃机燃料(如汽油、柴油等)的燃烧特性，若沿用传统内燃机结构，采用缸外预混进气管式低压喷氢系统开展氢气燃烧的能源利用过程，组织过程中极易发生早燃和回火等异常燃烧现象，这直接影响到氢燃料内燃机的动力性、经济性以及氮氧化物的排放特性。针对上述异常燃烧现象，缸内直喷式内燃机可以有效解决早燃和回火的问题，但是由于压缩过程与膨胀做功过程间隔时间极短，喷射的氢燃料与空气的混合程度不高，增大了混合和点火组织的难度。而且，混合气在混合度差的条件下燃烧，将导致氮氧化物的排放量增加。考虑到高压氢气的喷射需求，对缸内直喷式内燃机喷射系统的可靠性要求更高。这些因素使现有氢燃料内燃机在喷射系统的改进和发展方面面临着更多的挑战。
技术实现思路
鉴于以上背景，本技术的目的在于提供一种氢燃料内燃机缸内旋流喷射系统，解决缸内直喷式内燃机燃烧热效率低，及有害物质排放问题。本技术的氢内燃机缸内喷射系统的技术方案为：一种新型氢燃料内燃机缸内旋流喷射系统，主要由气体喷射模块，液压驱动模块，氢气减压模块及各模块相应的的电子控制系统组成。气体喷射模块由喷嘴壳体活塞、活塞止动件、弹簧、弹簧支撑件、喷射阀、喷射口、储氢空间、氢气旋流器、密封环及接触传感器组成。液压驱动模块由液压控制空间、输送导管、压力泵、液体减压阀、回流管道、液体灌及液体压力传感器组成。氢气减压模块由二级氢气减压装置，储氢罐及氢气压力传感器组成。此外，还有控制上述三个模块相互配合，共同运行的电子控制系统。所述的气体喷射模块，在所述喷嘴壳体中设置有纵向位移的活塞与活塞止动件，所述活塞止动件从所述喷嘴壳体内壁略向内突出，内径大于弹簧的外径，限制所述活塞位移最低点。所述弹簧一端承载在活塞上，另一端与弹簧支撑件相连，所述弹簧支撑件置于所述活塞止动件下方，内径小于所述弹簧的内径。所述喷射阀包括阀杆和锥形喷射阀盘两部分，所述阀杆顶端与所述活塞底部以铰接的方式相连接；设置喷射口处于关闭状态时，所述阀盘的锥形表面与喷射口接合密封。所述喷射口由对应电子控制系统控制，其处于开启状态时，所述喷射阀纵向向下移动，经由减压模块二级减压的氢气由储氢空间的所述喷射口喷出，形成气流锥。所述氢气旋流器由旋流器杆与旋流器叶轮组成，所述旋流器杆顶端与所述阀盘的底部刚性连接，所述旋流器叶轮的外径略小于喷嘴壳体的内径，且叶片安装角为45°。活塞上设置有密封环，密封环将下方的氢气空间与上方的液压控制空间隔断。所述液压驱动模块，所述活塞上方设置液压控制空间，所述液压控制空间通过输送导管与压力泵联通。液压控制空间上方设置有液体减压阀，所述液体减压阀上方与回流管道相连接。所述压力泵与液体减压阀的交替工作使液压控制空间压力变化，从而驱动所述喷射阀上下运动，完成喷射过程。液体罐通过管道与压力泵及回流管道连接，储存有循环的液体(如机油)。所述氢气减压模块，设置有二级氢气减压装置，通过管道与储氢罐级储氢空间分别联通，将储氢罐中的高压氢气减压至一个合适的压力后输入储氢空间中。本技术的氢燃料内燃机缸内喷射系统的控制方法，包括如下控制过程:1)喷射系统的电子控制系统缸内旋流喷射系统的电子控制流程如图3所示。所述喷射系统的电子控制系统智能检测并计算控制所述喷射系统需要的喷氢量。空气进气管内设有流量传感器，所述空气流量传感器检测进入燃烧室的空气体积MC；转轴处设有转速传感器，所述转轴转速传感器检测转轴实际转速n；在燃烧室内设有压力传感器，所述燃烧室压力传感器检测燃烧室的压力p；所述测量值经由微电脑处理器运算，计算出喷氢量MH＝f(MC,p,n)。氢气进气管设有流量传感器，所述氢气流量传感器检测氢气流量MH(喷氢量)。所得喷氢量经由微电脑处理器处理，得出喷氢压力和喷氢时间分配的最优解。喷氢压力由氢气降压模块控制，喷氢时间由气体喷射模块/液压控制模块联合控制。2)气体喷射模块/液压控制模块的电子控制系统气体喷射模块/液压控制模块的电子控制流程如图4所示。所述气体喷射模块由所述液压控制系统控制，液压控制模块中，微电脑处理器控制所述压力泵开始运作，使所述液压控制空间的压力不断上升，所述活塞向下移动，当活塞与所述活塞止动件接触时，接触传感器开始工作，信号反馈至微电脑处理器，并使压力泵停止工作。当时间达到预设值时，降压阀开始工作，活塞向上运动。当液压控制空间中的压力传感器检测到压力降低到预设值时，信号反馈至微电脑处理器，使降压阀停止工作。活塞的纵向运动决定喷射口的开合，氢气喷射时间为微电脑处理器计算所得的最优解。3)氢气降压模块的电子控制系统氢气降压模块的电子控制流程如图5所示。所述氢气降压模块中，微电脑处理器控制所述氢气二级减压装置运行，压力传感器将信号反馈至微电脑处理器，最终使氢气压力达到由微电脑处理器计算所得最优解。本技术的氢内燃机缸内喷射系统的有益效果是：本技术的氢内燃机缸内喷射系统的气体喷射模块，液压驱动模块和氢气减压模块，采用所述气体喷射模块，能够解决现有缸内直喷式内燃机存在的问题，如由于混合气混合不均匀造成的燃烧热效率低、爆燃，以及氮氧化物排放量增加等。通过气体喷射模块所述的氢气旋流器，使喷出的锥状氢气在高速旋转叶轮的带动下，实现旋流喷射，加快其与燃烧室内氧气的混合，使混合更充分。通过液压驱动模块有利于实现控制氢燃料的喷射时间及喷氢量。例如，与所述液压驱动模块相连的电控系统，能够检测进气道的空气流量，当空气流量达到预设值时，控制所述液压驱动模块开始工作，在所述液压泵与液体减压阀的共同作用下，完成氢气的缸内旋流喷射。目前在缸内直喷领域对氢燃料内燃机喷射系统这一方面的科学研究尚不够深入，若沿用传统的缸外喷射形式，一方面，进气过程中会存在早燃、回火等异常燃烧问题；另一方面，由于氢气的点燃能量低，进气和燃烧过程中都极易发生爆燃现象，造成燃烧效率低，同时也对内燃机机体造成极大的影响。基于此，采用本技术的氢燃料内燃机缸内喷射系统能够有效解决上述问题。在空气流量达到定量时开始喷射氢燃料，氢气在高压条件下直接喷入燃烧室内开始燃烧做功。这种方法可以消除进气过程中的早燃、回火等异常燃烧现象。考虑到高浓度氢气在助燃剂中极易爆燃，且在内燃机工作过程中两个冲程的间隔时间极短，不足以使氢气与氧气均匀混合，造成混合不均匀等问题。本技术的氢燃料内燃机缸内旋流喷射系统特别设置了所述氢气旋流阀，氢燃料经过该喷射系统后形成高压锥形气流。经过缸内旋流喷射得到的气体其混合效果明显优于缸内直接喷射，对所述问题的解决有很好的帮助。附图说明图1为新型氢燃料内燃机缸内旋流喷射系统的内部结构图。图2为新型氢燃料内燃机缸内旋流喷射系统的氢气旋流器零件图。图3为缸内旋流喷射系统的电子控制流程图图4为气体喷射模块/液压控制模块的电子控制流程图图5为氢气降压模块的电子控制流程图具体实施方式本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种氢燃料内燃机缸内旋流喷射系统，包括气体喷射模块，该气体喷射模块主体包括：圆柱体喷嘴壳体，在所述圆柱喷嘴壳体内部设有可纵向运动的活塞，所述活塞通过压力作用开合，控制氢燃料的喷射，所述活塞上部有与所述壳体相连的弹簧和提升阀，所述提升阀控制所述活塞上下运动，并压缩所述弹簧，当所述活塞到达活塞止动件则停止运动，锥形喷射阀盘与所述活塞下部相连，氢气旋流器与所述锥形喷射阀盘下部相连，在液压驱动模块作用下，所述活塞向下运动，所述锥形喷射阀盘打开，使得所述喷嘴壳体内的二级降压氢燃料经过所述的锥形喷射阀盘，呈锥形向下喷射，喷射的氢燃料通过所述氢气旋流器，所述氢气旋流器的叶轮具有叶片安装角为45°，均匀分布的叶片，所述叶轮高速旋转，带动喷射的氢燃料扰动，形成高压氢气涡流，高压氢气涡流通过与所述喷嘴壳体相连的排气口喷出，进入燃烧室。

【技术特征摘要】
1.一种氢燃料内燃机缸内旋流喷射系统，包括气体喷射模块，该气体喷射模块主体包括：圆柱体喷嘴壳体，在所述圆柱喷嘴壳体内部设有可纵向运动的活塞，所述活塞通过压力作用开合，控制氢燃料的喷射，所述活塞上部有与所述壳体相连的弹簧和提升阀，所述提升阀控制所述活塞上下运动，并压缩所述弹簧，当所述活塞到达活塞止动件则停止运动，锥形喷射阀盘与所述活塞下部相连，氢气旋流器与所述锥形喷射阀盘下部相连，在液压驱动模块作用下，所述活塞向下运动，所述锥形喷射阀盘打开，使得所述喷嘴壳体内的二级降压氢燃料经过所述的锥形喷射阀盘，呈锥形向下喷射，喷射的氢燃料通过所述氢气旋流器，所述氢气旋流器的叶轮具有叶片安装角为45°，均匀分布的叶片，所述叶轮高速旋转，带动喷射的氢燃料扰动，形成高压氢气涡流，高压氢气涡流通过与所述喷嘴壳体相连的排气口喷出，进入燃烧室。2.根据权利要求1所述的氢燃料内燃机缸内旋流喷射系统，其特征在于：在所述气体喷射模块中，所述氢气旋流器高速持续旋转，使通过所述氢气旋流器的二级减压氢燃料形成氢气涡流。3.根据权利要求1所述的氢燃...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜婕妤，张俊卿，许晨滨，谭睿，娄斐，
申请(专利权)人：青岛科技大学，
类型：新型
国别省市：山东,37