一种氢气射流点火装置

1.本发明属于发动机领域，具体涉及一种氢气射流点火装置。


背景技术：

2.国家“碳达峰、碳中和”战略目标的发布和日益严格环境法规的执行，对内燃机性能提升提出了更高的要求。采用稀薄燃烧技术是一种改善燃烧性能、降低碳排放、助力双碳目标的有效途径。然而，发动机在稀燃工况下，点火和燃烧不稳定的问题需要关注，同时由于混合气着火性能变差，往往需要增加点火能量。为此，射流点火技术是当前一种主流、高效、可靠的高能点火方式。但是，射流火焰的着火燃烧过程极其复杂，其点火特性和燃烧的影响因素较多，目前射流点火装置的应用依旧不够广泛和普及。此外，一些射流点火装置由于使用燃料和射流孔径大小的限制还存在失火现象。氢气作为一种零碳型气体燃料，它具有燃烧速率快、可燃极限宽、点火能量低、易扩散和不含碳等优点，这些特性使其非常适合作为射流点火装置的基础燃料。特别是当发动机运行在稀燃工况下且射流孔径较小时，其突出的燃烧特性优势非常明显。因此，为进一步提高射流点火装置的点火及燃烧稳定性，本发明设计了一种汽车发动机用的氢气射流点火装置。


技术实现要素：

3.为解决上述问题，本发明提供一种结构简单、点火稳定的氢气射流点火装置。
4.本发明采用的技术方案：一种氢气射流点火装置，其特征是：包括氢气喷射器、火花塞以及固定件。所述氢气射流点火装置根据发动机的火花塞结构设计，可便携拆装；所述固定件包括预燃室和射流孔，其后部用于安装氢气喷射器和火花塞，前部通过螺纹链接安装在原火花塞孔内；所述氢气喷射器与火花塞平行安装于固定件内，它们的头部均插入所述预燃室内，且氢气喷射器连接发动机的燃料喷射系统、火花塞连接点火电控系统，均能实现精确控制；所述预燃室设计为漏斗型，可起到后期燃烧过程中火焰加速作用；所述射流孔位于固定件的最前端，并与发动机主燃烧室相通，可将燃烧自由基射入主燃烧室内；所述氢气喷射器用于将氢气喷入预燃室；所述火花塞可将预燃室内的氢气点燃，形成稳定火焰后经射流孔喷出，迅速点燃主燃烧室内混合气，形成持续、可靠的点火源。
5.上述氢气射流点火装置中：所述氢气喷射器能实现多次、多阶段喷射控制，其外径为6.0mm。
6.上述氢气射流点火装置中：所述火花塞能实现多次、多策略点火调控，其外径为10.0mm。
7.上述氢气射流点火装置中：所述固定件可固定氢气喷射器和火花塞，可设计成具有不同射流孔数目、射流角度的可拆部件，进而满足多工况需求。
8.上述氢气射流点火装置中：所述预燃室用于形成稳定的燃烧火焰，其高度为15.0mm，总体积为3.3cm3。
9.上述氢气射流点火装置中：所述射流孔将预燃室内的射流火焰喷入主燃烧室，射
流孔直径为1.0mm。
10.本发明的有益效果在于：
11.1、本发明所述的氢气射流点火装置，根据火花塞结构和尺寸设计，具有结构紧凑、便携拆装和成本低廉的优点，并能与原机的燃料喷射系统和点火电控系统连接，实现灵活控制。
12.2、本发明所述的氢气射流点火装置，通过充分利用氢气点火能量低、可燃极限宽、稀燃能力强、火焰传播速度快等燃烧特性来增强射流点火过程的点火稳定性，并形成稳定的射流火焰，达到持续点火的效果。
13.3、本发明所述的氢气射流点火装置，设计的漏斗型预燃室，可以起到加快预燃室内射流火焰传播速度的作用，同时氢气喷射器可实现多次多阶段喷射，火花塞可实现多次多策略点火，并且根据发动机类型射流孔可设计不同的孔径、个数和射流角度，可实现主燃烧室内多点、多区域同时点火，进而满足不同发动机和运行工况下点火系统及时稳定点火的高要求。
14.4、本发明所述的氢气射流点火装置，能够利用氢气优良的点火、燃烧特性和无碳排放优点，增强射流装置点火稳定性及燃烧特性，进而促进主燃烧室混合气的完全燃烧，同时降低碳排放。
附图说明
15.图1为本发明的装配图。
16.图2为本发明的射流孔布置方案示意图。
17.图中：1、氢气喷射器；2、火花塞；3、固定件；4、预燃室；5、射流孔。
具体实施方式
18.下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
19.如图一所示，一种氢气射流点火装置，包括氢气喷射器、火花塞和固定件。所述氢气射流点火装置根据发动机的火花塞结构设计，可便携拆装；所述固定件包括预燃室和射流孔，其后部用于安装氢气喷射器和火花塞，前部通过螺纹链接安装在原火花塞孔内；所述氢气喷射器与火花塞平行安装于固定件内，它们的头部均插入所述预燃室内，且氢气喷射器连接发动机的燃料喷射系统、火花塞连接点火电控系统，均能实现精确控制；所述预燃室设计为漏斗型，可起到后期燃烧过程中火焰加速作用；所述射流孔位于固定件的最前端，并与发动机主燃烧室相通，可将燃烧自由基射入主燃烧室内。所述氢气喷射器能实现多次、多阶段喷射控制，其外径为6.0mm；所述火花塞能实现多次、多策略点火调控，其外径为10.0mm；所述预燃室用于形成稳定的燃烧火焰，其高度为15.0mm，总体积为3.3cm3；所述射流孔直径为1.0mm；经过结构优化的预燃室体积为3.3cm3，可以保证从预燃室喷射出的热射流具有较高的点火能量，又能促进主燃烧室中的湍流混合。
20.装置运行时，适量的氢气以一定的喷射压力从所述氢气喷射器中喷射进入预燃室中，在所述预燃室中与空气迅速混合，当浓度适中的混合气流动扩散到火花塞附近时，所述火花塞产生电火花将可燃混合气流点燃，形成了高强度且富含自由基的湍流射流，在射流
火焰高速流动的过程中，热射流充当一个分散的点火源从射流孔喷出，从而使得主燃烧室内的燃料被迅速点燃。
21.如图2所示为射流孔的不同孔数、射流角度(与铅直中心线的角度)的方案。其中三孔方案，三个射流孔在距圆心2.5mm的同心圆处均匀布置，射流角度可取0
°
至45
°
；四孔方案在三孔方案的基础上，在圆心位置增加一个射流孔，射流角度为0
°
；五孔方案，四个射流孔在距圆心2.5mm的同心圆处均匀布置，射流角度可取0
°
至45
°
，一个射流孔位于圆心位置，射流角度为0
°
。
22.所述实施例为本发明优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。


技术特征：
1.一种氢气射流点火装置，其特征是：包括氢气喷射器、火花塞和固定件，所述氢气射流点火装置根据发动机的火花塞结构设计，可便携拆装；所述固定件包括预燃室和射流孔，其后部用于安装氢气喷射器和火花塞，前部通过螺纹连接方式安装在原火花塞孔内；所述氢气喷射器与火花塞平行安装于固定件内，它们的头部均插入所述预燃室内，且氢气喷射器与发动机的燃料喷射系统相连，火花塞与点火电控系统相连，均能实现参数的精确控制；所述预燃室设计为漏斗型，可起到后期燃烧过程中火焰加速的作用；所述射流孔位于固定件的最前端，并与发动机主燃烧室相通，可将燃烧自由基射入主燃烧室内；所述氢气喷射器用于将氢气喷入预燃室；所述火花塞可将预燃室内的氢气点燃，形成稳定火焰后经射流孔喷出，迅速点燃主燃烧室内的可燃混合气，形成持续、可靠的点火源。2.根据权利要求书1所述的一种氢气射流点火装置，其特征是：所述氢气喷射器能实现多次、多阶段喷射控制，其外径为6.0mm。3.根据权利要求书1所述的一种氢气射流点火装置，其特征是：所述火花塞能实现多次、多时刻点火调控，其外径为10.0mm。4.根据权利要求书1所述的一种氢气射流点火装置，其特征是：所述固定件能够固定氢气喷射器和火花塞，可设计成具有不同射流孔数目和射流角度的可拆部件，满足不同类型发动机和不同运行工况的需求。5.根据权利要求书1所述的一种氢气射流点火装置，其特征是：所述射流孔可以设计为三孔方案，三个射流孔在距圆心2.5mm的同心圆处均匀布置，射流角度可取0
°
至45
°
。6.根据权利要求书1所述的一种氢气射流点火装置，其特征是：所述射流孔可以设计为四孔方案，三个射流孔在距圆心2.5mm的同心圆处均匀布置，射流角度可取0
°
至45
°
，一个射流孔位于圆心位置，射流角度为0
°
。7.根据权利要求书1所述的一种氢气射流点火装置，其特征是：所述射流孔可以设计为五孔方案，四个射流孔在距圆心2.5mm的同心圆处均匀布置，射流角度可取0
°
至45
°
，一个射流孔位于圆心位置，射流角度为0
°
。8.根据权利要求书1所述的一种氢气射流点火装置，其特征是：所述预燃室用于形成稳定的燃烧火焰，其高度为15.0mm，总体积为3.3cm3。9.根据权利要求书1所述的一种氢气射流点火装置，其特征是：所述射流孔将预燃室内的射流火焰喷入主燃烧室，其直径为1.0mm。

技术总结
发动机稀燃模式下射流点火技术的持续点火效应和燃烧稳定性非常重要。为此本发明提供了一种氢气射流点火装置，主要包括氢气喷射器、火花塞以及固定件，固定件包括预燃室和射流孔，其后部用于安装氢气喷射器和火花塞，前部通过螺纹链接安装在原火花塞孔内；氢气喷射器与火花塞平行安装于固定件内，预燃室设计为漏斗型，射流孔位于固定件最前端，并与发动机主燃烧室相通。氢气喷射器将氢气喷入预燃室，火花塞可将预燃室内的氢气点燃，形成稳定火焰后经射流孔喷出，迅速点燃主燃烧室内混合气，形成持续可靠的点火源。本发明基于现有射流点火装置结构设计，具有形成持续点火效应、增强点火稳定性，强化点火特性的功能。强化点火特性的功能。强化点火特性的功能。


技术研发人员：陈伟 杨旭 朱国辉 左青松 胡雨婷 余诗武
受保护的技术使用者：湘潭大学
技术研发日：2022.05.05
技术公布日：2022/9/13