一种适用于缸内直喷式氢内燃机的进气系统的制作方法

本实用新型涉及氢内燃机领域，特别涉及到一种适用于缸内直喷式氢内燃机的进气系统。

背景技术：

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。氢气完全燃烧后的产物为H2O，不生成烟灰、HC、CO等产物。

目前氢内燃机根据氢气供给方式，可以分为缸外预混式(PFI)和缸内直喷式(DI)氢内燃机两种。采用在缸外预混式供氢方案的氢内燃机，在燃烧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。

缸内直喷式内燃机可以有效解决早燃和回火的问题，但是由于内燃机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，缸内混合气的浓度分布不均匀，增大了点火和充分燃烧的难度。而且，混合气在混合状态较差的条件下燃烧，将导致NOx的排放量增加。

废气再循环(EGR)是内燃机降低缸内温度，降低燃烧速度，减少NOx生成的有效方案，但废气再循环会使新鲜空气进入量减少，输出功率减小，在内燃机高负荷运行状态下可能导致燃料不充分燃烧。

这些因素使现有氢内燃机在进气系统的改进和发展方面面临着更多的挑战。

技术实现要素：

基于以上背景，本实用新型的目的在于提供一种适用于缸内直喷式氢内燃机的进气系统，提高空气在缸内分布的均匀度，促使混合气燃烧更充分，提高氢内燃机功率和效率，抑制NOx的生成。

氢内燃机进气系统包括进气模块、废气再循环模块及电子控制模块(ECU)。

进气模块包括进气歧管，空气旋流器，空气流量计，节气门，缸内氧气浓度传感器，曲轴位置传感器。废气再循环模块包括废气再循环管路，EGR流量阀，废气冷却装置，废气节流阀，温度传感器，排气管氧气浓度传感器。

所述进气模块采用双进气歧管，两侧进气歧管与内燃机缸体相连，在内燃机两侧对称分布，所述进气歧管进气口处设有空气空气旋流器，所述进气歧管上部设有空气流量计和节气门，两侧进气歧管的布置完全相同，废气再循环管路在靠近内燃机缸体处与两侧进气歧管连接。曲轴上设置曲轴位置传感器，当曲轴运动到预定位置时，ECU控制进气开始，空气从两侧进气歧管经过空气空气旋流器喷进燃烧室，空气在空气旋流器作用下形成涡流，获得径向速度，使空气更快地充满气缸，分布更均匀，在氢燃料喷射器喷射氢气后混合更充分。燃烧室内左右两侧对称布置缸内氧气浓度传感器，氧浓度传感器将信息反馈给ECU，调节两侧节气门开度，以调整两侧进气量，均衡燃烧室氧气浓度，使氢气与氧气混合更充分。空气流量计检测喷入空气量，燃烧所需空气量由ECU根据内燃机在缸内传感器收集的信息计算所得，当进气量达到计算值后，ECU控制进气停止。

所述的废气再循环模块在所述的排气管设有废气再循环管路，所述废气再循环管路上设有EGR流量阀，所述废气再循环管路在EGR流量阀之后设有废气冷却装置，所述废气再循环回路在经过所述废气冷却装置后分成两条管路，分别接入内燃机两侧的进气歧管，在两条管路靠近进气歧管处分别设置废气节流阀。所述EGR流量阀由ECU控制是否进行废气再循环。当进行废气再循环时，EGR流量阀处于全开状态，废气经过所述废气冷却装置后温度降低，能够更好地降低内燃机缸内温度。废气在被冷却后分成两部分，通过废气节流阀后进入进气歧管。所述废气节流阀由ECU控制其开度，当EGR流量阀关闭时，即不进行废气再循环时，废气节流阀处于关闭状态。ECU根据温度传感器和氧气浓度传感器检测的信息，调节节流阀和节气门开度，动态控制烟气循环量和空气进气量。再循环废气在进气歧管内与新鲜空气混合后，通过进气歧管口处的空气旋流器进入内燃机缸内，完成一次废气再循环过程。

ECU实时接受各传感器收集的信息，经过处理后控制各个模块工作。

本实用新型的适用于缸内直喷式氢内燃机的进气系统包括以下控制过程:

1)进气模块电子控制系统

所述进气模块电子控制系统通过曲轴位置传感器，监测曲轴的运动情况，控制节气门开合进气。燃烧室内两侧各设一个氧气浓度传感器，测量出缸内两侧氧气浓度c1，c2，两侧空气进气歧口各设一个空气流量计，监测空气流量v1，v2，所述测量值经由ECU进行处理，动态控制节气门开度，使两侧氧浓度均匀，确保与燃料的混合效果。缸内氧气浓度达到燃烧所需值时，ECU控制进气停止。

2)废气再循环模块电子控制系统

所述排气管氧气浓度传感器监测废气中剩余氧气浓度c3，所述燃烧室内温度传感器监测燃烧室平均温度t，由ECU对测量值进行处理，判断烟气是否进行循环。若进行循环，则循环进气量v3＝f(c3，t)，ECU通过废气节流阀控制循环废气量。ECU控制进气模块及废气再循环模块运行，相互配合，共同完成整个废气循环及进气过程。

本实用新型适用于缸内直喷式氢内燃机，空气及循环废气通过双进气歧管经由空气旋流器喷入内燃机缸内，内燃机安装的传感器收集信息反馈给ECU，ECU调节节气门控制新鲜空气量和废气循环量。之后ECU处理器控制氢燃料喷射器喷射高压氢气，火花塞点火，混合气燃烧，燃烧完成后氢内燃机排出废气，部分废气通过废气再循环管路后再次进入内燃机燃烧室。

采用本实用新型的氢内燃机进气系统的有益效果是：

进气模块采用双进气歧管，同时在进气歧管口处设置气体空气旋流器，使气体更快地充满整个气缸，氧气在缸内分布更加均匀，避免富氧区域燃烧局部过热导致的NOx生成量急剧增加，和贫氧区域混合气燃烧不充分等问题。进气模块能够根据缸内负荷自动调节空气进气量，保证氢气与空气的混合气能够充分燃烧。

废气再循环模块采用冷EGR方案，能够有效控制缸内温度及燃烧速度，达到抑制NOx生成的目的。废气再循环模块能够根据缸内负荷自动调节废气再循环量，在保证氢内燃机功率和效率的同时抑制NOx的生成。

附图说明

图1为适用于缸内直喷式氢内燃机进气系统的内部结构图

图2为进气歧管口处空气空气旋流器的零件图

图3为两侧节气门工作的电子控制流程图

图4为进气过程的电子控制流程图

图5为废气再循环过程的电子控制流程图

图6为节气门与废气节流阀配合运行的电子控制流程图

具体实施方式

本实用新型的氢内燃机进气系统主要由进气模块、废气再循环模块组成。如图1所示，进气模块包括进气歧管1，空气空气旋流器2，空气流量计3，节气门4，缸内氧气浓度传感器5，曲轴位置传感器6。废气再循环模块包括废气再循环管路7，EGR流量阀8，废气冷却装置9，废气节流阀10，温度传感器11，排气管氧气浓度传感器12，排气管13。此外有进气系统之外的其他内燃机组成部件：氢燃料喷嘴14，曲轴15。

一、氢内燃机进气系统的进气模块

在进气模块中，所述曲轴15运动到预定位置时，ECU接收曲轴位置传感器6传递的信息，控制两侧节气门4的开度，空气从两侧进气歧管1喷进燃烧室，经过进气歧管口1处布置的空气旋流器2，所述空气空气旋流器2具有安装角为45^°，均匀分布的叶片。空气在空气旋流器2作用下形成涡流，获得径向速度，使空气更快地充满气缸，分布更均匀，在氢燃料喷射器13喷射氢气后混合更充分。燃烧室内两侧对称布置缸内氧气浓度传感器5，监测氧气浓度分布状况，并将浓度分布信息反馈给ECU，从而调节两侧节气门4开度，调整平衡两侧进气量，使氢气与氧气混合更充分。空气流量计3检测喷入空气量，燃烧所需空气量由ECU根据内燃机在缸内传感器收集的信息计算所得，当进气量达到计算值后，ECU控制进气停止。

二、氢内燃机进气系统废气再循环模块

在废气再循环模块中，在所述的排气管上设有废气再循环管路7，所述废气再循环管路7上设有EGR流量阀8，燃烧室内温度传感器11和排气管氧气浓度传感器12将感应到的信息传递给ECU，如果温度，排气氧气含量均高于预设值，则ECU控制EGR流量阀开启，尾部烟气进行循环，所述废气再循环管路7在EGR流量阀8之后设有废气冷却装置9，所述废气冷却装置9能够将废气进行降温。降温后的废气分成两条管路，分别接入内燃机两侧的进气歧管1，在两条管路靠近进气歧管处分别设置废气节流阀10，与进气模块的节气门4共同配合运行。ECU通过调节节气门4的开度和废气节流阀10的开度来调整烟气循环量和空气进气量，烟气循环量和空气进气量的值由ECU通过各传感器收集的信息经计算后得到。被冷却后的废气经过废气节流阀10后在进气歧管1内与新鲜空气进行混合，通过空气旋流器2进入内燃机燃烧室，完成一次废气再循环过程。当温度和排气氧气含量之一低于预设值时，EGR流量阀8关闭，废气节流阀10处于闭合状态，不进行废气再循环。

以上实施方案仅用于说明而非限制本实用新型的技术方案。不脱离本实用新型精神的任何修改或局部替换，均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。