本发明专利技术提出一种适用于氢燃料发动机的超稀薄燃烧系统、分区燃烧控制方法及车辆，通过分层稀燃模式，在火花塞附近组织相对较浓混合气，外围辅以均质混合气实现高热效率低氮氧排放。该系统包括：进气道、排气道、活塞、进气门、排气门、火花塞、高压喷氢嘴、和喷氢导流罩；高压喷氢嘴在气缸盖上的布置位置布置于两个进气门之间；高压喷氢嘴的轴线与气缸中心线位于同一平面，并同气缸轴线形成夹角；喷氢导流罩包裹高压喷氢嘴头部的喷氢孔，喷氢导流罩具有导流孔，喷氢导流罩的导流孔位置深入发动机燃烧室安装面，喷氢导流罩的导流方向为火花塞的点火位置。点火位置。点火位置。
【技术实现步骤摘要】
一种适用于氢燃料发动机的超稀薄燃烧系统、分区燃烧控制方法及车辆
[0001]本专利技术涉及汽车用发动机系统结构设计及优化，特别是一种氢燃料发动机的超稀薄燃烧系统、分区燃烧控制方法及车辆。
技术介绍
[0002]氢气作为一种零碳燃料，是实现未来净零排放的重要燃料结构端组成部分。当前，氢燃料的利用主要有氢燃料电池和氢燃料发动机两种方式。其中氢燃料电池综合效率高于氢燃料发动机，但其对氢燃料纯度要求较高，高效工作区域在小负荷工况区间，且功率输出低于氢燃料发动机；氢燃料发动机高效工作区间在中高负荷工况，能够利用粗氢。因此，依托目前成熟的发动机制造工艺及技术，氢燃料发动机可作为氢能利用过渡期的首选。
[0003]从理化特性看，氢气扩散性好，点火能量低，自燃温度高，着火极限宽且燃烧速度快。在点燃式发动机中，氢气燃烧放热率高且更为集中，产生缸内爆压更高，往往需要通过稀燃的方式控制火焰速度，改善缸内爆压；在压燃式发动机中，需要混合气加热才能满足氢气自燃温度条件。目前氢气发动机多以点燃式为主，为了提高充气效率，同时避免回火和早燃，喷氢方式由气道喷射向缸内直喷发展。由于氢气相比汽油燃烧温度高，火焰淬熄距离短，中高转速区域产生传热损失更多，故高热效率点向低速高负荷偏移；同时，低转速工况N2氧化时间充裕，使得高热效率区域对应高NOx区。因此目前氢燃料发动机开发难点在于扩展高效区和低NOx区重叠范围，同时达到高热效率和低NOx排放，如图1所示。对此，当行业内多采用超稀薄燃烧模式，通过增大过量空气系数，避开高NOx区域；同时利用氢气着火界限宽的特点，匹配高压比增压器，实现更高的热效率。这种技术路线面临一些问题：1、当氢气混合气过量空气系数高于1.8时，其预混火焰速度也迅速降低，从而影响着火稳定性；2、氢气密度较低，集中在缸盖底部燃烧产生大量传热损失；3、稀燃产生的排气能量较低，往往无法满足氢气发动机大的进气量需求。为了实现氢气稀薄混合气的稳定燃烧，同时满足高进气量的需求，行业多采用高压缩比或预燃室点火的方案，专利CN114183262A提出一种基于含预燃室的柴油机改制的射流点火缸内直喷的实现方案，通过预燃室实现氢气的稳定燃烧，但预燃室设计较为复杂且面临氢脆问题。专利CN114109627A提出通过火花辅助点燃+扩散燃烧（SI
‑
CI）的燃烧控制方式在一台高压缩比柴油机上实现氢气直喷燃烧，但未对燃烧系统做结构优化。专利CN114017178A提出两阶段喷氢和点火，增加废气焓值，改善涡轮做功能力。但在做功冲程喷氢在一定程度上造成了氢气燃烧能量的浪费。
技术实现思路
[0004]为了解决上述问题，本专利技术提出一种适用于氢燃料发动机的超稀薄燃烧系统、分区燃烧控制方法及车辆，通过分层稀燃模式，在火花塞附近组织相对较浓混合气，外围辅以均质混合气实现高热效率低氮氧排放。
[0005]本专利技术提供了一种适用于氢燃料发动机的超稀薄燃烧系统，包括：
进气道、排气道、活塞、进气门、排气门、火花塞、高压喷氢嘴、和喷氢导流罩；高压喷氢嘴在气缸盖上的布置位置布置于两个进气门之间；高压喷氢嘴的轴线与气缸中心线位于同一平面，并同气缸轴线形成夹角；喷氢导流罩包裹高压喷氢嘴头部的喷氢孔，喷氢导流罩具有导流孔，喷氢导流罩的导流孔位置深入发动机燃烧室安装面，喷氢导流罩的导流方向为火花塞的点火位置。
[0006]优选地，所述活塞顶面为排气侧凹坑，所述排气侧凹坑由相连的双圆柱曲面组成，双圆柱曲面的交接弧线中心位置为排气侧凹坑的最深处。
[0007]优选地，在气缸盖下表面、进气门底面和排气门底面分别涂覆有采用耐高温隔热材料制成的热障涂层。
[0008]优选地，高压喷氢嘴的喷气压力≥4MPa，产生氢束流量为1.5
ꢀ‑
8g/s；导流孔的孔径为喷氢孔的孔径的11.5倍，喷氢孔深入发动机燃烧室安装面的深度为0
‑
5mm，高压喷氢嘴的轴向与气缸轴线形成的夹角为65
°‑
70
°
。
[0009]优选地，所述排气侧凹坑的中心位置和排气门的中心位置水平距离位于8
‑
10mm之间；所述排气侧凹坑的深度为气缸直径的4%
‑
6%；双圆柱曲面交接弧线的弦长为双曲柱曲面的边缘弦长的2
‑
3倍。
[0010]优选地，热障涂层包括陶瓷面层和粘接层，粘接层用作于金属表面和陶瓷面层之间，陶瓷面层采用氧化钇稳定氧化锆陶瓷制成，粘接层采用镍铬铝合金NiCrAl制成，陶瓷面层和粘接层的厚度比为3:1,热障涂层的空隙率为5%
‑
30%。
[0011]优选地，进气道为切向气道，进气道和气缸盖的水平面夹角位于20
°‑
26
°
之间；排气道从排气门座位置起包括依次相连的第一直管段、弯管段和第二直管段，弯管段的外沿曲率半径R1为排气门的直径D2的1.2
‑
1.25倍，第二直管段的最大管径D3为排气门的直径D2的11.2倍。
[0012]优选地，氢气混合气过量空气系数全工况范围在1.8
‑
3.0之间，其中外特性区间过量空气系数为1.8，最高热效率点过量空气系数为2.3，其他工况范围过量空气系数介于1.8
‑
3.0。
[0013]本专利技术还提供了一种适用于氢燃料发动机的分区燃烧控制方法，应用于上述的适用于氢燃料发动机的超稀薄燃烧系统，所述方法包括：当氢燃料发动机工作在预设小负荷工况区间时，控制氢燃料发动机的过量空气系数为1.8，在进气门关闭之后到活塞到达上止点之前控制高压喷氢嘴8进行闭阀喷射，并通过喷氢导流罩的导流孔实现氢气气束导流，以在火花塞的点火位置形成浓度超过预设浓度的混合气；在50
°‑
70
°
CA BTDC时控制高压喷氢嘴8喷氢，在活塞到达上止点前1
°‑5°
CA时控制火花塞点火；当氢燃料发动机工作在预设额定工况区间时，在70
°‑
100
°
CA BTDC控制高压喷氢嘴喷氢，通过喷氢导流罩的导流孔92引导在火花塞的点火位置形成分层混合气，且在活塞到达上止点前5
°‑
10
°
CA时控制火花塞点火；当氢燃料发动机工作在预设大负荷工况区间时，在进气门关闭后，控制高压喷氢嘴以30%
‑
50%的喷射比例进行喷氢，以产生过量空气系数位于3.6
‑
6的均质混合气；在70
°‑
100
°
CA BTDC时再次控制高压喷氢嘴进行喷氢，通过喷氢导流罩的导流孔引导在火花塞的
点火位置形成分层混合气，且在活塞到达上止点之前5
°‑
10
°
CA时控制火花塞点火。
[0014]本专利技术还提供了一种车辆，，包括所述的适用于氢燃料发动机的超稀薄燃烧系统。
[0015]本专利技术的有益效果为：面向混动零碳排放的氢本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种适用于氢燃料发动机的超稀薄燃烧系统，其特征在于，包括：进气道（5）、排气道（2）、活塞（1）、进气门（4）、排气门（3）、火花塞（7）、高压喷氢嘴（8）、和喷氢导流罩（9）；高压喷氢嘴（8）在气缸盖上的布置位置布置于两个进气门（4）之间；高压喷氢嘴（8）的轴线与气缸中心线位于同一平面，并同气缸轴线形成夹角；喷氢导流罩（9）包裹高压喷氢嘴（8）头部的喷氢孔，喷氢导流罩（9）具有导流孔，喷氢导流罩（9）的导流孔位置深入发动机燃烧室安装面，喷氢导流罩（9）的导流方向为火花塞（7）的点火位置。2.根据权利要求1所述的适用于氢燃料发动机的超稀薄燃料系统，其特征在于，所述活塞顶面为排气侧凹坑，所述排气侧凹坑由相连的双圆柱曲面组成，双圆柱曲面的交接弧线中心位置为排气侧凹坑的最深处。3.根据权利要求1或2所述的适用于氢燃料发动机的超稀薄燃烧系统，其特征在于，在气缸盖下表面、进气门底面和排气门底面分别涂覆有采用耐高温隔热材料制成的热障涂层（6）。4.根据权利要求1所述的适用于氢燃料发动机的超稀薄燃烧系统，其特征在于，高压喷氢嘴的喷气压力≥4MPa，产生氢束流量为1.5
ꢀ‑
8g/s；导流孔的孔径为喷氢孔的孔径的11.5倍，喷氢孔深入发动机燃烧室安装面的深度为0
‑
5mm，高压喷氢嘴（8）的轴向与气缸轴线形成的夹角为65
°‑
70
°
。5.根据权利要求2所述的适用于氢燃料发动机的超稀薄燃烧系统，其特征在于，所述排气侧凹坑的中心位置和排气门3的中心位置水平距离位于8
‑
10mm之间；所述排气侧凹坑的深度为气缸直径的4%
‑
6%；双圆柱曲面交接弧线的弦长为双曲柱曲面的边缘弦长的2
‑
3倍。6.根据权利要求3所述的适用于氢燃料发动机的超稀薄燃烧系统，其特征在于，热障涂层包括陶瓷面层和粘接层，粘接层用作于金属表面和陶瓷面层之间，陶瓷面层采用氧化钇稳定氧化锆陶瓷制成，粘接层采用镍铬铝合金NiCrAl制成，陶瓷面层和粘接层的厚度比为3:1,热障涂层的空隙率为5%
‑
30%。7.根据权利要求1所述的适用于氢燃料发动机的超稀薄燃烧系统，其特征在于，进气道（5）为切向气道，进气道（5）和气缸盖的水平面夹角位于20
°‑
26
°
之间；排气道（2）从排气门座位置...
【专利技术属性】
技术研发人员：马天宇，闫博文，李潜，汤雪林，胡铁刚，
申请(专利权)人：重庆长安汽车股份有限公司，
类型：发明
国别省市：
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