一种稀薄燃烧系统及方法与流程

1.本文涉及发动机技术领域，尤指一种稀薄燃烧系统及方法。


背景技术：

2.稀薄燃烧技术是氢气发动机节能减排的有效手段之一，稀薄燃烧技术可有效降低发动机燃烧过程中的爆震倾向，同时还能降低燃烧温度，提高发动机热效率，减少污染物排放。但是，氢气燃烧的理论空燃比远高于汽油和柴油等传统化石燃料，在相同的工作负荷下，氢气发动机的进气量需求因此远大于汽油发动机，稀燃技术的应用则进一步提高了发动机对空气的需求量。
3.同时，氢气发动机排气温度较低(大约600℃)，工质进入涡轮时焓值较低，涡轮增压器难以从工质中获取充足的能量，造成增压器增压压力较低，进气量受到限制，与氢气发动机对进气量的需求存在较大差距，发动机的稀燃程度及动力性受到较大局限。
4.目前，针对上述难题主要的解决方案是采用二级增压或者双增压系统，或者采用排气管绝热技术，但是两种方法都存在缺陷。首先，二级增压或双增压方案系统整体复杂，占用空间大，而排气管绝热技术仅能减少废气在排气管路中的部分能量损失，与发动机的需求仍有较大差距。


技术实现要素：

5.本技术提供了一种稀薄燃烧系统，应用于氢气发动机，包括燃烧室、排气机构、第一喷射机构、第一点火机构和涡轮增压机构；
6.所述排气机构的输入端与所述燃烧室连通，以将所述燃烧室中的废气引出；
7.所述涡轮增压机构包括相接的涡轮机和压气机，所述涡轮机设置在所述排气机构上，用以利用废气提供的能量带动所述压气机建立增压压力；
8.所述第一喷射机构和所述第一点火机构设置在所述排气机构上且位于所述涡轮机与所述燃烧室之间，所述第一喷射机构设置为向所述排气机构内的废气中喷射燃料，形成混合气，所述第一点火机构设置为点燃所述混合气，以提升废气的焓值。
9.一种可能的设计，所述排气机构包括排气管路，所述第一喷射机构、所述第一点火机构和所述涡轮机设置在所述排气管路上并沿所述排气管路延伸方向依次设置。
10.一种可能的设计，还包括第二喷射机构和第二点火机构，所述第二喷射机构和第二点火机构设置在所述燃烧室内，所述第二喷射机构设置为向所述燃烧室内喷射燃料，所述第二点火机构设置为点燃所述燃烧室内的气体。
11.一种可能的设计，还包括燃料箱，所述第一喷射机构和所述第二喷射机构都与所述燃料箱连接，所述燃料箱设置为向所述第一喷射机构和所述第二喷射机构供应相同的燃料；
12.或者所述燃料箱包括装有不同燃料的第一燃料箱和第二燃料箱，所述第一燃料箱与所述第一喷射机构连接，所述第一燃料箱设置为向所述第一喷射机构供应燃料；所述第
二燃料箱与所述第二喷射机构连接，所述第二燃料箱设置为向所述第二喷射机构供应燃料。
13.一种可能的设计，所述第一喷射机构和所述第二喷射机构都设置为氢气喷射器。
14.一种可能的设计，包括控制器和测温装置，所述测温装置对应所述涡轮机设置，以测量进入所述涡轮机气体的温度；
15.所述控制器与所述测温装置电连接，所述控制器设置为接收所述测温装置的测量值；
16.所述控制器还与所述第一喷射机构电连接，所述控制器设置为控制所述第一喷射机构的喷射量；
17.所述测温装置的测量值大于或等于预设值时，所述控制器控制所述第一喷射机构喷出体积为m的燃料；所述测温装置的测量值小于预设值时，所述控制器控制所述第一喷射机构喷出体积为n的燃料，n＝k
×
m，k为比例系数，1＜k≤5。
18.一种可能的设计，还包括隔热件，所述隔热件套在所述排气管路的外周，以减少废气在所述排气管路中的能量损失。
19.一种可能的设计，还包括进气管路，所述进气管路的一端连接所述燃烧室，以将新鲜空气引入所述燃烧室，所述压气机设置在所述进气管路上。
20.本技术还提供了一种稀薄燃烧方法，应用于上述的稀薄燃烧系统，包括：
21.废气排出所述燃烧室后，所述第一喷射机构先向所述排气机构内喷射燃料，形成混合气；
22.所述第一点火机构点燃所述混合气。
23.一种可能的设计，所述第一喷射机构间隔预设时间喷射一次燃料，每次喷射后，所述第一点火机构进行一次点火。
24.本技术的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本技术而了解。本技术的其他优点可通过在说明书以及附图中所描述的方案来实现和获得。
附图说明
25.附图用来提供对本技术技术方案的理解，并且构成说明书的一部分，与本技术的实施例一起用于解释本技术的技术方案，并不构成对本技术技术方案的限制。
26.图1为本技术实施例的稀薄燃烧系统示意图；
27.图2为本技术实施例的稀薄燃烧方法示意图；
28.图3为本技术实施例的稀薄燃烧系统转速与温度曲线图；
29.图4为本技术实施例的稀薄燃烧系统转速与制动扭矩曲线图。
30.附图标号说明：
31.1-节气门、2-中冷器、3-压气机、4-进气歧管、5-氢气喷射器、6-燃烧室、7-火花塞、8-排气歧管、9-涡轮机、10-涡轮机、11-发动机本体、12-第一喷射机构、13-第一点火机构。
32.本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
33.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
34.为了解决氢气发动机因进气量受限而造成的稀燃程度及动力性受到较大局限问题，相关的氢气发动机会采用二级增压或者双增压系统，或者采用排气管绝热技术，但是两种方法不是结构复杂，占用空间大，就是收效甚微，都不理想。
35.请参照图1，本发明一实施例的稀薄燃烧系统，应用于氢气发动机，该稀薄燃烧系统包括燃烧室6、排气机构、第一喷射机构12、第一点火机构13和涡轮增压机构，其中，排气机构的输入端与燃烧室6连通，排气机构可将燃烧室6中的废气引出。涡轮增压机构包括相接的涡轮机9和压气机2，该涡轮机9设置在排气机构上，该涡轮机9可利用废气提供的能量带动压气机2建立增压压力。上述第一喷射机构12和第一点火机构13都设置在排气机构上，而且位于涡轮机9与燃烧室6之间，第一喷射机构12可向排气机构内的废气中喷射燃料，形成混合气，而第一点火机构13可点燃改混合气，以提升废气的焓值。由此，稀薄燃烧系统产生的废气会因排气机构内的喷射和点火而进行加热，以提高废气焓值，高焓值的废气会推动涡轮机9做功，提高压气机2的增压压力，增加发动机的进气量，满足氢气发动机对进气量的需求。
36.如图1所示，燃烧室6处于发动机本体11(氢气发动机)内，该稀薄燃烧系统还包括进气管路，该进气管路的一端连接燃烧室6，以将新鲜空气引入燃烧室，该进气管路通过进气歧管4连接至发动机本体11(氢气发动机)的燃烧室6，而进气门(图中未示出)可控制进气歧管4与发动机本体11的燃烧室6的连通。上述排气机构包括排气管路，该排气管路通过排气歧管8也连接至发动机本体11的燃烧室6，以引出燃烧后的废气，而排气门(图中未示出)可控制排气歧管8与发动机本体11的燃烧室6的连通。涡轮增压机构的涡轮机9处于排气管路上，涡轮增压机构的压气机2处于进气管路上，该涡轮机9可带动压气机2运行而提升进气量，该涡轮机9则是由流过其的气体获取能量，过其的气体的焓值影响其运行，由此，发动机排出气体的焓值较低会使得涡轮增压机构增压压力较低，进气量受到限制。
37.具体地，稀薄燃烧系统包括燃料箱(图中未示出)，该燃料箱存储有氢气。该发动机本体11上设有第二喷射机构和第二点火机构，其中，第二喷射机构为多个氢气喷射器5，可获取燃料箱内的氢气并喷入到燃烧室6内，第二点火机构由多个火花塞7构成，可点燃氢气与空气的混合气体。另外，进气管路上还设有中冷器3，该中冷器3与涡轮增压机构配套，可降低增压后的高温空气温度，以降低发动机的热负荷，提高进气量，进而增加发动机的功率。
38.由上述可知，该氢气发动机由压气机2将新鲜空气压入进气管路，经过中冷器3后进入排气歧管4，在进气门打开后进入燃烧室6中，进气门关闭后氢气可被氢气喷射器5喷入燃烧室6，混合空气形成可燃混合气，在上止点前由火花塞7进行点火，燃烧后，废气会经排气门进入排气歧管8，并流向涡轮机9，推动涡轮机7转动，涡轮机7则带动压气机2转动，建立增压压力。该氢气发动机的工作周期中活塞在上、下止点反复运动，具有四个冲程，即依次进行的吸气冲程、压缩冲程、做功冲程和排气冲程。在吸气冲程中，进气门打开，空气进入燃
烧室6内；在压缩冲程中，活塞向上止点运动，压缩混合气体，压缩冲程后段，第二喷射机构和第二点火机构分别进行喷氢和点火；在做功冲程中，被点燃的混合气体燃烧推动活塞向下止点运动；在排气冲程中，排气门打开，活塞向上止点运动，气体被排出到排气管路内。
39.又如图1所示，该第一喷射机构12为氢气喷射器，第一点火机构13为火花塞，第一喷射机构12、第一点火机构13和涡轮机9沿排气管路延伸方向依次设置，形成第一喷射机构12与第一点火机构13间隔开，第一点火机构13靠近涡轮机9，第一喷射机构12远离涡轮机9。
40.在一些示例性实施例中，第一喷射机构可一次性喷出预设的氢气，也可包括间隔进行的多次喷射，多次喷射定量的氢气，达到预设体积，第一次点火也非火花塞一次点火，而是多次，并在一次喷射后进行一次点火。在一些示例性实施例中，第一喷射机构12为氢气喷射器5一次性喷出预设的氢气。
41.在一些示例性实施例中，燃料箱包括装有不同燃料的第一燃料箱和第二燃料箱，第一燃料箱与第一喷射机构12连接，该第二燃料箱与第二喷射机构连接，例如，第一燃料箱内储存有汽油，其可向第一喷射机构12供应汽油，第一喷射机构12为汽油喷射器，而第二燃料箱内储存有氢气，其可向第二喷射机构供应氢气。
42.在一些示例性实施例中，稀薄燃烧系统还包括控制器(图中未示出)，该控制器分别与第一喷射机构12和第一点火机构13电连接，可控制第一喷射机构12和第一点火机构13动作。具体地，在发动机完成一个工作循环后，即废气排入排气管路后，控制器可先后控制第一喷射机构12喷射和第一点火机构13点火，而引燃废气。另外，稀薄燃烧系统还包括测温装置(图中未示出)，该测温装置对应涡轮机9设置，可测量进入涡轮机气体的温度；该控制器与测温装置电连接，可接收测温装置的测量值；当测温装置的测量值大于或等于预设值时，该控制器控制第一喷射机构12喷出体积为m的燃料；而测温装置的测量值小于预设值时，控制器控制第一喷射机构12喷出体积为n的燃料，n＝k
×
m，k为比例系数，1＜k≤5。由此，通过调整第一喷射机构12的喷射时刻和喷射量，可快速调整混合气浓度及在排气管路中分布区域，根据发动机进气量的需求可对涡轮机9的转速进行有效控制，从而调整压气机2的增压压力。
43.在一些示例性实施例中，稀薄燃烧系统还包括隔热件，该隔热件为隔热材料制成的柔性件，其可包在排气管路的外壁，并通过紧固件箍在其上，其保温隔热，可减少废气在排气管路中的能量损失。另外，该排气管路的外壁还设有隔热涂层，进一步提升隔热效果。
44.又如图2所示，该稀薄燃烧系统依据稀薄燃烧方法，由压气机2将新鲜空气压入进气管路，经过中冷器3后进入排气歧管4，进气门打开后，进入吸气冲程，新鲜空气进入燃烧室6中，活塞向下止点运动。随后进入压缩冲程，活塞向上止点运动，进气门关闭，氢气可被氢气喷射器5喷入燃烧室6，混合空气形成可燃混合气，在压缩冲程末段(活塞即将到达上止点前)由火花塞7进行点火。接着进行做功冲程，被点燃的混合气体燃烧推动活塞向下止点运动。随后排气门开启，进入排气冲程，废气进入排气歧管8，排气管路中的第一喷射机构12向排气管路内喷射燃料，形成混合气，随后，利用第一点火机构点燃混合气，提高排气管路中工质的焓值，明显提升涡轮机9的转速，提高压气机2增压压力，增加进气歧管4中的空气流量，提升氢气发动机的动力性。另外，氢气燃烧过程中火焰传播速度快，燃烧持续时间短的特性可避免可燃混合气在燃烧终止前进入涡轮机9而对涡轮机9造成过大的热负荷。在发动机持续运行过程中，该第一喷射机构12间隔预设时间喷射一次燃料，每次喷射后，第一点
火机构13进行一次点火，保证排气管路中的废气焓值保持在一固定范围内不降低。
45.在一些示例性实施例中，做功冲程中，被点燃的混合气体燃烧推动活塞向下止点运动，在活塞到达下止点前(排气门打开前)，混合气体已燃烧完毕后，氢气喷射器5可向燃烧室6内喷入少量氢气，该氢气量远小于压缩冲程中喷射的氢气量，并在随后利用火花塞7进行点火，形成第二次点火，混合气被点燃，提升气体的焓值，随后排气门开启，进入排气冲程。另外，再在排气管路内喷射燃料，并利用第一点火机构点燃，进一步提高排气管路中工质的焓值。
46.又如图3和图4所示，图3中温度数据的测温点处于涡轮机9的入口处，其中的虚线为传统稀薄燃烧系统的转速与温度曲线，图3中实线为本技术的稀薄燃烧系统的转速与温度曲线，可见，在相同转速下，本稀薄燃烧系统产生废气在涡轮机9前侧的温度相对明显提升。图4为转速与制动扭矩曲线图，其中的虚线为传统稀薄燃烧系统的转速与制动扭矩曲线，图3中实线为本技术的稀薄燃烧系统的转速与制动扭矩曲线，可见，在相同转速下，本稀薄燃烧系统的制动扭矩也相对具有明显改善。
47.上述实施例的稀薄燃烧系统和方法，可提高废气焓值，推动涡轮机做功，提高涡轮增压机构的增压压力，增加进气量，而且，调整第一喷射机构的量及点火时刻来满足不同的焓值提升程度，有效提升发动机动力性及整车加速性。
48.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
49.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
50.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
51.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
52.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任
一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
53.尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。