CN114215639B - 一种氢燃料发动机结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种氢燃料发动机结构，其特征在于，所述氢燃料发动机利用分流通道对氢气进行分流，使氢气在各分流通道内的流速以及流出方向发生变化，以使氢气与空气混合均匀，包括：用以储存氢气的氢气储存罐；用以储存空气的高压空气储存罐；发动机；所述氢气储存罐和所述高压空气储存罐分别通过氢气进气管道和空气进气管道与混合腔室相连，所述喷气嘴与混合腔室与相连，用以向发动机内喷射氢氧混合气体；所述氢气进气管道内设置有分流通道。通过本发明，可以使氢气与空气在进入发动机燃烧室内进行充分混合，从而使氢气的燃烧更加充分，增加了氢气的利用效率，增加了发动机的工作效率，同时，降低了氢气的消耗。

Description

一种氢燃料发动机结构

技术领域

本发明涉及动力机械设备技术领域，尤其涉及一种氢燃料发动机结构。

背景技术

进入二十一世纪，汽车发动机工业得到了迅速地发展，然而目前汽油机和柴油机依然是车用发动机的主要机种。汽油和柴油都是不可再生资源，为了减缓石油资源的匮乏所带来的一系列负面影响以及减少大气污染和汽车发动机尾气排放，需要寻找发动机的代用燃料，而氢能源是目前最理想的清洁燃料。氢能源是众多替代能源中的一种可再生资源，热值高，并且燃烧后大部分生成物是水蒸气，是一种理想的绿色燃料。作为代用燃料的氢能源可以解决二大难题：一是石油燃料储量有限，二是使用石油燃料带来的环境污染。

环境污染和能源短缺已经成为当今社会的两大突出问题，为寻求人类社会与汽车产业的可持续发展，燃料电池汽车是公认的可同时解决能源和环境问题的绿色环保车，也被认为是电动汽车的最终选择，是今后汽车发展的主要方向之一。然而受储氢系统技术、成本、寿命和可靠性诸多因素的制约，使得纯燃料电池汽车很难真正市场化运行，针对汽车的起动需要输出较大的功率、瞬态响应特性、燃料电池系统的成本等问题，世界各国汽车制造商开始把注意力转到混合动力汽车，提高了汽车的经济性。

现有技术中，发动机使用氢燃料进行功能时，在氢气与空气混合时，大多数都是在缸体内进行混合，存在氢气与空气混合不充分，导致氢气燃烧不充分，造成氢气能源的浪费，由于氢气燃烧不充分，导致发动机动力不足。

发明内容

为此，本发明提供一种氢燃料发动机结构，用以克服现有技术中在氢气与空气混合时，大多数都是在缸体内进行混合，存在氢气与空气混合不充分，导致氢气燃烧不充分，造成氢气能源的浪费，由于氢气燃烧不充分，导致发动机动力不足的问题。

为实现上述目的，本发明提供一种氢燃料发动机结构，所述氢燃料发动机利用分流通道对氢气进行分流，使氢气在各分流通道内的流速以及流出方向发生变化，以使氢气与空气混合均匀，包括：

用以储存氢气的氢气储存罐，在氢气储存罐出气口处设有氢气进气管道，在氢气进气管道内设置有分流通道，用以对氢气进行分流

用以储存空气的高压空气储存罐，在高压空气储存罐出气口处设有空气进气管道

发动机，包括缸体和设置在缸体内的活塞，在发动机外分别设置有喷气嘴、火花塞、排气阀门以及排气管道；所述喷气嘴与所述混合腔室相连，用以向缸体内喷射氢氧混合气体；

所述分流通道中第一分流通道的第一外弧段的形状段根据下列公式(1)确定，其中，第一外弧段为第一端点a1至第二端点b1，第一外弧段的形状公式为：

其中，La1表示第一外弧段的弧长，ra1表示第一分流通道注入口的半径，αa1表示第一外弧段与水平方向的夹角，夹角根据发动机的排量来确定，设定标准发动机排量与标准夹角，当发动机排量增加时，夹角增加，以使氢气与空气混合的更加均匀；αa1的具体数值根据公式确定，

其中，α0表示初始设定的标准夹角，ω表示实际发动机排量，ω0表示初始设定的发动机排量。

所述第一分流通道的第二外弧段形状根据下列公式确定，第二外弧段为第二端点b1至第三端点c1：

其中，La2表示第二外弧段的弧长，D表示第一分流通道平均直径。

进一步地，所述第一分流通道的第三外弧段的形状根据下列公式确定，第三外弧段为第三端点c1至第四端点d1：

其中，La3表示第三外弧段弧长。

所述第一分流通道的第四外弧段的形状根据下列公式确定，第四外弧段为第四端点d1至第五端点e1：

其中，La4表示第四外弧段的弧长，αa2表示第四外弧段与水平方向的夹角。

所述第一分流通道的第五外弧段的形状根据下列公式确定，第五外弧段为第五端点e1至第六端点f1：

其中，La5表示第五外弧段的弧长，αa3表示第五外弧段与水平方向的夹角。

进一步地，从所述注入口的端部至所述第一分流通道的第一内弧段的形状根据下列公式进行确定，第一内弧段为第七端点g1至第八端点h1：

其中，la1表示第一内弧段的弧长；

所述第一分流通道的第二内弧段形状根据下列公式进行确定，第二内弧段为第八端点h1至第九端点j1，第二内弧段的形状公式为：

其中，la2表示第二内弧段的弧长；

所述第一分流通道的第三内弧段的形状根据下列公式进行确定，第三内弧段为第九端点j1至第十端点q1：

其中，la3表示第三内弧段的弧长。

进一步地，所述发动机为四冲程发动机，包括缸体，缸体的内部为燃烧室，燃烧室内设有活塞4，在缸体盖上分别设有喷气嘴、火花塞排气阀门以及排气管道。

进一步地，所述分流通道可以为直线通道或者曲线通道。

进一步地，所述分流通道的数量为至少一个。

进一步地，所述氢燃料发动机还设置有控制模块，控制模块通过检测发动机转速以调节喷气嘴的喷射压力。

进一步地，氢气与高压空气分开单独储存；高压空气储存在高压空气储存罐中，高压空气储存罐的储存压力为30～80MPa。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于，本发明通过设置分流通道，对氢气进行分流，通过分流通道改变氢气在分流通道的流速以及流出方向，可以在混合腔室内形成多个不同方向的氢气气流以使氢气与氧气混合更加充分，通过设置多个分流通道，可以使氢气与空气在进入发动机燃烧室内进行充分混合，从而使氢气的燃烧更加充分，增加了氢气的利用效率，增加了发动机的工作效率，同时，降低了氢气的消耗。

进一步地，通过分流通道的不同形状，可以使氢气在分流通道中改变流出方向，可以在混合腔室内形成涡流，通过涡流，可以使氢气与空气在进入发动机燃烧室内进行充分混合，从而使氢气的燃烧更加充分，增加了氢气的利用效率，增加了发动机的工作效率，同时，降低了氢气的消耗。

进一步地，分流通道可以根据需要设为多个，使用多个分流通道进行分流时，可以使氢气流出时具有多个流出方向，通过不同的流出方向，可以使氢气与空气在进入发动机燃烧室内进行充分混合，从而使氢气的燃烧更加充分，增加了氢气的利用效率，增加了发动机的工作效率，同时，降低了氢气的消耗。

附图说明

图1为本发明所述氢燃料发动机的结构示意图；

图2为本发明所述氢燃料发动机A处结构放大图。

附图标记：1-氢气储存罐，2-高压空气储存罐，3-喷气嘴，4-火花塞，5-排气阀，6-排气管道，7-活塞，8-缸体，9-混合腔室，101-氢气进气管道，201-空气进气管道。

具体实施方式

为了使本发明的目的和优点更加清楚明白，下面结合实施例对本发明作进一步描述；应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

下面参照附图来描述本发明的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非在限制本发明的保护范围。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述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。

此外，还需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

请参阅图1所示，为本发明实施例的氢燃料发动机的结构示意图，包括，氢气储存罐1、高压空气储存罐2以及发动机。发动机为四冲程发动机，设置有喷气嘴3、火花塞4、排气阀门5以及排气管道6。氢气储存罐1和高压空气储存罐2分别通过氢气进气管道101和空气进气管道201与混合腔室9相连，用以将空气与氢气混合以形成氢氧混合气体，混合腔室9与喷气嘴3相连，用以向发动机内喷射氢氧混合气体。发动机包括缸体8，缸体8的内部为燃烧室，燃烧室内设有活塞4，活塞通过连杆机构与曲轴连接。喷气嘴3、火花塞4、排气阀门5以及排气管道6设置气缸盖上。

具体而言，在发动机工作时，氢气储存罐1和高压空气储存罐2分别通过氢气进气管道101和空气进气管道201在混合腔室9内进行混合，混合完成后，喷气嘴3将氢氧混合物喷射到燃烧室，火花塞4将氢氧混合物点燃以为发动机提供动能。

具体而言，发动机控制单元(ECU)采集氢燃料发动机转速、油门踏板位置和氢气稳压轨压力等信号，判断氢气燃料发动机的当前工况，并调节喷气嘴的喷气压力。

具体而言，其发动机的某一个缸的工作时序如下：当该缸体活塞到达上止点前30度时，排气门5提前关闭并相应打开喷气嘴3将氢氧混合气体喷入缸内，在瞬间完成“基本”的直接供给任务，当活塞继续上升到超过了上止点359——0(360)度时，由火花塞4点燃燃烧室内的氢氧混合气体，快速地形成缸内爆燃做功的工作状态，迫使活塞向下迅速移动——把热能转化成了机械能的同时，当活塞再继续下行到下止点前5度(指曲轴转角为175度)时，排气门5提前打开以减小排气时的“脉动压力”，起到平衡排气气流压力、节省动力能源的作用。当活塞再次上行排气快到上止点的“专用时刻”时，排气门又将提前进行了关闭，重新开始了下一轮次的有序重复的工作循环。

请参阅图2所示，在进行氢气与空气混合时，氢气在分流通道A处进行分流，分流后，通过不同的分流通道内的氢气的流速以及方向发生变化，以在混合腔室9内形成涡流，以使氢气和氧气的混合更加均匀，从而使氢气的燃烧更加充分，增加了氢气的利用效率，增加了发动机的工作效率，同时，降低了氢气的消耗。

请继续参阅图2所示，分流通道A可以设置为多个，只要满足可以改变氢气的流速以及方向以在混合腔室9内形成涡流即可，优选的设置为三个。分流通道从上至下依次为：第一分流通道、第二分流通道以及第三分流通道。

具体而言，第一分流通道的第一外弧段的形状段根据下列公式确定，其中，第一外弧段为第一端点a1至第二端点b1，第一外弧段的形状公式为：

其中，La1表示第一外弧段的弧长，ra1表示第一分流通道注入口的半径，αa1表示第一外弧段与水平方向的夹角，夹角根据发动机的排量来确定，设定标准发动机排量与标准夹角，当发动机排量增加时，夹角增加，以使氢气与空气混合的更加均匀；αa1的具体数值根据公式确定，

其中，α0表示初始设定的标准夹角，ω表示实际发动机排量，ω₀表示初始设定的发动机排量。

所述第一分流通道的第二外弧段形状根据下列公式确定，第二外弧段为第二端点b1至第三端点c1：

其中，La2表示第二外弧段的弧长，D表示第一分流通道平均直径。

具体而言，所述第一分流通道的第三外弧段的形状根据下列公式确定，第三外弧段为第三端点c1至第四端点d1：

其中，La3表示第三外弧段弧长。

所述第一分流通道的第四外弧段的形状根据下列公式确定，第四外弧段为第四端点d1至第五端点e1：

其中，La4表示第四外弧段的弧长，αa2表示第四外弧段与水平方向的夹角。

所述第一分流通道的第五外弧段的形状根据下列公式确定，第五外弧段为第五端点e1至第六端点f1：

其中，La5表示第五外弧段的弧长，αa3表示第五外弧段与水平方向的夹角。

具体而言，从所述注入口的端部至所述第一分流通道的第一内弧段的形状根据下列公式进行确定，第一内弧段为第七端点g1至第八端点h1：

其中，la1表示第一内弧段的弧长；

所述第一分流通道的第二内弧段形状根据下列公式进行确定，第二内弧段为第八端点h1至第九端点j1，第二内弧段的形状公式为：

其中，la2表示第二内弧段的弧长；

所述第一分流通道的第三内弧段的形状根据下列公式进行确定，第三内弧段为第九端点j1至第十端点q1：

其中，la3表示第三内弧段的弧长。

具体而言，通过设置分流通道，对氢气进行分流，通过分流通道改变氢气在分流通道的流速以及流出方向，可以在混合腔室内形成多个不同方向的氢气气流以使氢气与氧气混合更加充分，通过设置多个分流通道，可以使氢气与空气在进入发动机燃烧室内进行充分混合，从而使氢气的燃烧更加充分，增加了氢气的利用效率，增加了发动机的工作效率，同时，降低了氢气的消耗。

至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明；对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种氢燃料发动机结构，其特征在于，所述氢燃料发动机利用分流通道对氢气进行分流，使氢气在各分流通道内的流速以及流出方向发生变化，以使氢气与空气混合均匀，包括：

用以储存氢气的氢气储存罐，在氢气储存罐出气口处设有氢气进气管道，在氢气进气管道内设置有分流通道，用以对氢气进行分流；

用以储存空气的高压空气储存罐，在高压空气储存罐出气口处设有空气进气管道；

混合腔室，其分别与所述氢气进气管道和所述空气进气管道相连，用以将空气与氢气混合以形成氢氧混合气体；

发动机，包括缸体和设置在缸体内的活塞，在发动机外分别设置有喷气嘴、火花塞、排气阀门以及排气管道；所述喷气嘴与所述混合腔室相连，用以向缸体内喷射氢氧混合气体；

所述分流通道中第一分流通道的第一外弧段的形状段根据下列公式确定，其中，第一外弧段为第一端点(a1)至第二端点(b1)，第一外弧段的形状公式为：

其中，La1表示第一外弧段的弧长，ra1表示第一分流通道注入口的半径，αa1表示第一外弧段与水平方向的夹角，夹角根据发动机的排量来确定，设定标准发动机排量与标准夹角，当发动机排量增加时，夹角增加，以使氢气与空气混合的更加均匀；αa1的具体数值根据公式确定，

其中_，α0表示初始设定的标准夹角_，ω表示实际发动机排量_，ω₀表示初始设定的发动机排量；

所述第一分流通道的第二外弧段形状根据下列公式确定，第二外弧段为第二端点(b1)至第三端点(c1)：

其中，La2表示第二外弧段的弧长，D表示第一分流通道平均直径。

2.根据权利要求1所述的氢燃料发动机结构，其特征在于，所述第一分流通道的第三外弧段的形状根据下列公式确定，第三外弧段为第三端点(c1)至第四端点(d1)：

其中，La3表示第三外弧段弧长；

所述第一分流通道的第四外弧段的形状根据下列公式确定，第四外弧段为第四端点(d1)至第五端点(e1)：

其中，La4表示第四外弧段的弧长，αa2表示第四外弧段与水平方向的夹角；

所述第一分流通道的第五外弧段的形状根据下列公式确定，第五外弧段为第五端点(e1)至第六端点(f1)：

其中，La5表示第五外弧段的弧长，αa3表示第五外弧段与水平方向的夹角。

3.根据权利要求2所述的氢燃料发动机结构，其特征在于，从所述注入口的端部至所述第一分流通道的第一内弧段的形状根据下列公式进行确定，第一内弧段为第七端点(g1)至第八端点(h1)：

其中，la1表示第一内弧段的弧长；

所述第一分流通道的第二内弧段形状根据下列公式进行确定，第二内弧段为第八端点(h1)至第九端点(j1)，第二内弧段的形状公式为：

其中，la2表示第二内弧段的弧长；

所述第一分流通道的第三内弧段的形状根据下列公式进行确定，第三内弧段为第九端点(j1)至第十端点(q1)：

其中，la3表示第三内弧段的弧长。

4.根据权利要求3所述的氢燃料发动机结构，其特征在于，所述发动机为四冲程发动机，包括缸体，缸体的内部为燃烧室，燃烧室内设有活塞，在缸体盖上分别设有喷气嘴、火花塞排气阀门以及排气管道。

5.根据权利要求4所述的氢燃料发动机结构，其特征在于，所述分流通道为直线通道或者曲线通道。

6.根据权利要求5所述的氢燃料发动机结构，其特征在于，所述分流通道的数量为至少一个。

7.根据权利要求6所述的氢燃料发动机结构，其特征在于，所述氢燃料发动机还设置有控制模块，控制模块通过检测发动机转速以调节喷气嘴的喷射压力。

8.根据权利要求7所述的氢燃料发动机结构，其特征在于，氢气与高压空气分开单独储存；高压空气储存在高压空气储存罐中，高压空气储存罐的储存压力为30～80MPa。

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