一种新型移缸喷水做功的氢内燃机的制作方法

本发明属于内燃机技术领域，具体涉及一种以氢为燃料、移缸和喷水做功的新型氢内燃机。

背景技术：

传统内燃机是一种将化石燃料的能量通过燃烧做功的方式转化为动能的机械装置。目前，内燃机的工作效率已经很难有大幅度的提升，燃油能量中只有35％左右是被汽车使用的，而真正用于汽车驱动和加速只有25％。但是排气中却携带了20％～50％的能量，这些能量全部以热量的形式被消散。而且，传统化石燃料的使用带来了一系列的环境污染和能源短缺等难题。

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。针对上述问题，新型移缸喷水做功氢燃料内燃机可以有效解决传统内燃机的工作效率低、污染严重以及氢气燃烧过程中异常燃烧等问题。

技术实现要素：

基于此，针对上述问题，提供一种新型移缸喷水做功的氢内燃机。

为解决上述问题，本发明采用如下技术方案：

内燃机中，每个工作单元为一大一小两个汽缸组成，小缸为冷缸，大缸为热缸。冷缸与冷缸进气道相连，二者之间设置有冷缸进气阀，冷缸进气道内距冷缸进气阀一段距离上开有氢气进气孔，冷缸进气道与外界大气相连通。氢气进气孔设置有氢气阀，氢气阀经管道与氢气减压器相连接，再由管道与高压储氢罐相连接。

冷缸与热缸相通，之间设置有冷缸排气阀。冷缸活塞通过冷缸连杆与冷缸曲轴相连接。

热缸内冷缸排气阀附近开有喷水口，喷水口设置有喷水器，喷水器经管道与热缸排气道上的换热器连通，换热器再经由管道与过滤器相连，经过滤器通过管道与水泵相连，水泵经由管道与汽车水箱相连通，水箱的出水口设置有粗滤装置。

热缸上方中心处设置有火花塞，以热缸中心轴为对称中心，冷缸排气阀相对对称中心的位置开有热缸排气孔，排气孔设置热缸排气阀。热缸活塞通过热缸连杆与热缸曲轴相连接。

热缸曲轴与冷缸曲轴之间通过一大一小两个齿轮相连接，大齿轮为冷缸齿轮，小齿轮为热缸齿轮，热缸曲轴靠近冷缸一端安装热缸齿轮，冷缸曲轴靠近热缸一端安装冷缸齿轮，两齿轮齿数比为2：1，模数根据具体需要来确定。

废气从热缸排出后，经热缸排气道进入换热器，废气从换热器出来后，经管道再通入氮氧化物处理装置，废气经氮氧化物处理装置处理后排入大气。

热缸排气道上的换热器内大体分为三个部分，第一个部分是经由热缸排出的炙热废气的高温部分；第二个部分是喷水装置预热部分；第三个部分是废气中水的冷凝回收部分。第三部分中将废气中的水冷凝之后经管道与冷凝水过滤器相连接，再将其循环回水箱再利用。

相较于传统内燃机，新型内燃机每个做功单元由一个冷缸和一个热缸构成，还新增了喷水做功的功能，并且燃料由燃油改为了氢气，于是，新型内燃机的做功循环也相较于传统内燃机有较大改变。

新型内燃机的单个做功单元的工作循环可大致概括为8个过程，第8个过程结束后再次从过程1开始。

1.冷缸活塞上升到将近最高点时热缸活塞也运动到将近最高点，但是相较于冷缸活塞会低一点；此时冷缸排气阀打开，将压缩后的氢气氧气混合物压进热缸，将热缸剩余的废气经热缸排气道挤出。

2.冷缸进气阀打开，冷缸进气道内氢气阀打开，喷射氢气，氢气与空气混合进入冷缸，冷缸活塞开始下移；热缸内废气被挤出后关闭热缸排气阀，冷缸内氢氧混合物最大程度挤入热缸后冷缸排气阀关闭，热缸内火花塞点燃混合气体推动热缸活塞下移。

3.氢气阀继续喷射氢气，冷缸活塞继续下移继续从冷缸进气道抽吸混合气体，此时冷缸活塞运动到接近全部向下行程的二分之一；热缸内混合气体燃烧膨胀推动热缸活塞下移做功，此时热缸活塞运行到最低点。

4.冷缸部分运动与过程三相同；热缸活塞经过最低点后开始向上运动，热缸排气阀打开，缸内混合气燃烧后产生废气在热缸活塞上移的作用下开始经热缸排气道排出热缸。

5.冷缸活塞运行到最低点，氢气阀准备停止喷氢，冷缸进气阀准备关闭；热缸活塞上升到接近最高点，热缸排气阀准备关闭。

6.冷缸进气阀关闭，氢气阀关闭，冷缸活塞经过最低点后准备上移；热缸排气阀在热缸活塞到达上止点之前关闭，在热缸内保留少量高温废气，热缸活塞达到上止点后准备下移时，喷水器喷出水雾，水在吸收热缸内废气的热量和热缸缸壁以及活塞的热量后气化膨胀，推动热缸活塞下移做功。

7.冷缸活塞继续上移，压缩混合气体，此时冷缸活塞位置接近向上行程的二分之一的位置；热缸活塞在水蒸气的膨胀推动下达到最低点。

8.冷缸运动与过程7相同；热缸活塞在经过最低点之后开始上移，热缸排气阀打开，热缸内废气在热缸活塞的推动下经热缸排气道排出。

附图说明

图1为新型移缸喷水做功的氢内燃机的汽缸结构图；

图2为新型移缸喷水做功的氢内燃机的系统工作流程图；

图2中：热缸排气阀1、热缸排气道2、热缸3、热缸活塞4、热缸连杆5、热缸曲轴6、热缸齿轮7、冷缸齿轮8、冷缸进气阀9、氢气阀10、冷缸进气道11、冷缸12、冷缸活塞13、冷缸连杆14、冷缸曲轴15、冷缸排气阀16、喷水器17、火花塞18、高压储氢罐19、氢气减压器20、大气21、水箱22、内燃机23、换热器24、过滤器25、水泵26、氮氧化物处理装置27、冷凝水过滤器28。

图3为内燃机单个做功单元的阶段图；

图2中：过程一29、过程二30、过程三31、过程四32、过程五33、过程六34、过程七34、过程八36。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解在此所描述的具体实施仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

内燃机中，每个工作单元为一大一小两个汽缸组成，小缸为冷缸(12)，大缸为热缸(3)。冷缸(12)与冷缸进气道(11)相连，二者之间设置有冷缸进气活塞(9)，冷缸进气道(11)内距冷缸进气活塞(9)一段距离上开有氢气进气孔，冷缸进气道(11)与外界大气相连同。氢气进气孔设置有氢气阀(9)，氢气阀(9)经管道与氢气减压器(20)相连接，再由管道与高压储氢罐(19)相连接。

冷缸(12)与热缸(3)相通，之间设置有冷缸排气阀(16)。冷缸活塞(13)通过冷缸连杆(14)与冷缸曲轴(15)相连接。

热缸内冷缸排气阀(16)附近开有喷水口，喷水口设置有喷水器(17)，喷水器(17)经管道与热缸排气管道上的换热器(24)连通，换热器(24)再经由管道与过滤器(25)相连，经过滤器(25)通过管道与水泵(26)相连，水泵(26)经由管道与汽车水箱(22)相连通，水箱的出水口设置有粗滤装置。

热缸(3)上方中心处设置有火花塞(18)，以热缸(3)中心轴为对称中心，冷缸排气阀(16)相对对称中心的位置开有热缸排气孔，排气孔设置热缸排气阀门(1)。热缸活塞(4)通过热缸连杆(5)与热缸曲轴(6)相连接。

热缸曲轴(6)与冷缸曲轴(15)之间通过一大一小两个齿轮相连接，大齿轮为冷缸齿轮(8)，小齿轮为热缸齿轮(7)，热缸曲轴(6)靠近冷缸一端安装热缸齿轮(8)，冷缸曲轴靠近热缸一端安装冷缸齿轮(8)，两齿轮齿数比为2：1，模数根据具体需要来确定。

热缸排气道(2)与一换热器(24)相连接，从换热器(24)出来后，经管道再通入氮氧化物处理装置(27)，废气经氮氧化物处理装置(27)处理后排入大气。

热缸排气道(2)上的换热器(24)内大体分为三个部分，第一个部分是经由热缸(3)排出的炙热废气的高温部分；第二个部分是喷水装置预热部分；第三个部分是废气中水的冷凝回收部分。第三部分中将废气中的水冷凝之后经管道与冷凝水过滤器(28)相连接，再将其循环回水箱(22)再利用。

相较于传统内燃机，新型内燃机每个做功单元由一个冷缸(12)和一个热缸(3)构成，还新增了喷水做功的功能，并且燃料由燃油改为了氢气，于是，新型内燃机的做功循环也相较于传统内燃机有较大改变。

新型内燃机的单个做功单元的工作循环可大致概括为8个过程，第8个过程结束后再次从过程1开始。

1.冷缸活塞(13)上升到将近最高点时热缸活塞(4)也运动到将近最高点，但是相较于冷缸活塞(13)会低一点；此时冷缸排气阀门(9)打开，将压缩后的氢气氧气混合物压进热缸(3)，将热缸(3)剩余的废气经热缸排气道(2)挤出。

2.热缸(3)内废气被挤出后关闭热缸排气阀(1)，冷缸(12)内氢氧混合物最大程度挤入热缸(3)后冷缸排气阀门(16)关闭；冷缸进气阀(9)打开，冷缸进气道(11)内氢气阀(10)打开，喷射氢气，氢气与空气混合进入冷缸(12)，冷缸活塞(13)开始下移；热缸(3)内火花塞(18)点燃混合气体推动热缸活塞(4)下移。

3.氢气阀(10)继续喷射氢气，冷缸活塞(13)继续下移继续从冷缸进气道(11)抽吸混合气体，此时冷缸活塞(13)运动到接近全部向下行程的二分之一；热缸(3)内混合气体燃烧膨胀推动热缸活塞(4)下移做功，此时热缸活塞(4)运行到最低点。

4.冷缸部分运动与过程三相同；热缸活塞(4)经过最低点后开始向上运动，热缸排气阀(1)打开，缸内混合气燃烧后产生废气在热缸活塞(4)上移的作用下开始经热缸排气道(2)排出热缸(3)。

5.冷缸活塞(13)运行到最低点，氢气阀(10)准备停止喷氢，冷缸进气阀(9)准备关闭；热缸活塞(4)上升到接近最高点，热缸排气阀(1)准备关闭。

6.冷缸进气阀(9)关闭，氢气阀(10)关闭，冷缸活塞(13)经过最低点后准备上移；热缸排气阀(1)在热缸活塞(4)到达上止点之前关闭，在热缸(3)内保留少量高温废气，热缸活塞(4)达到上止点后准备下移时，喷水器(17)喷出水雾，水在吸收热缸(3)内废气的热量和热缸缸壁以及活塞的热量后气化膨胀，推动热缸活塞(4)下移做功。

7.冷缸活塞(13)继续上移，压缩混合气体，此时冷缸活塞(13)位置接近向上行程的二分之一的位置；热缸活塞(4)在水蒸气的膨胀推动下达到最低点。

8.冷缸运动与过程7相同；热缸活塞(4)在经过最低点之后开始上移，热缸排气阀(1)打开，热缸(3)内废气在热缸活塞(4)的推动下经热缸排气道(2)排出。