用于氢气的燃烧方法及燃料喷射系统与流程

本发明通常涉及一种氢气的燃烧方法以及一种用于将氢气喷射到发动机中以用于燃烧目的的燃料系统。本发明还涉及一种用于喷射氢气的燃料喷射系统。

背景技术：

1、生态转型规定了大幅减少大气中的二氧化碳排放，并且因此，用可再生能源取代碳基化石燃料的压力越来越大。在汽车工业中，替代使用化石燃料的传统内燃机的替代发电方式已出现了。虽然电动电池解决方案作为内燃机技术的可行性替代方案已经获得了相当大的发展势头，但是其确实有局限性，尤其是在考虑重型或越野车辆时，在当前技术水平下，电池的尺寸和重量是不切实际的。

2、一种替代方案是使用传统的内燃机技术，但是旨在用生态生产的氢气取代现有的碳基化石燃料。广泛的研究已经表明了这种解决方案的可行性，并且已经成功开发了中压氢气喷射系统。一旦缸体入口阀关闭，该中压系统就将氢气喷射到缸体中，并且继续喷射，直到缸体压力达到由喷射压力限定的压力极限。这种压力极限限制了喷射窗口，并且规定了由火花塞启动的“预混合”类型的燃烧策略。因此，该燃烧策略类似于汽油型(奥托循环)直接喷射系统中使用的燃烧策略。

3、在传统的柴油发动机中，将燃料喷射到燃烧室中由多个阶段构成，以便经由“先导喷射”启动燃烧，而主喷射事件则使“扩散燃烧”过程发展。之前已提出使用双燃料方法，即柴油“先导喷射”优先于中压下的氢气喷射。然而，这仍然会导致二氧化碳排放，并且降低氢气燃烧过程的效益，并且可能去除至关重要的“零排放车辆”分类。

4、正是在这种背景下，设计了本发明。

技术实现思路

1、在这种背景下，本发明提供了一种在发动机缸体中燃烧氢气以启动扩散燃烧过程的方法，该发动机缸体具有缸体活塞，该缸体活塞借助于曲轴而在下止点(bdc)与上止点(tdc)之间被驱动，以执行压缩冲程；所述方法包括：在所述压缩冲程期间，将氢气的先导喷射输送到所述燃烧室中，使得氢气的所述先导喷射与空气预混合，并且在发动机缸体火花塞附近形成能点燃的空气/氢气混合物；用火花塞产生火花，以点燃能点燃的空气/氢气混合物，从而生成一次燃烧事件，该一次燃烧事件导致燃料燃烧和一次气体云；以及将氢气的主喷射直接输送到一次气体的燃烧云中，使得氢气的所述主喷射在所述压缩冲程中点燃，以输送二次扩散燃烧事件。

2、除了氢气之外，燃烧过程不使用其他燃料(即，该方法涉及一种单燃料喷射系统)。

3、用于所述先导喷射和所述主喷射的氢气都被加压到超过50巴的水平。通常，用于待喷射的氢气的压力范围在50和300巴之间，这取决于发动机速度/负载要求。在某些情况下，氢气的压力可以高达500巴。

4、通过在高喷射压力下喷射氢气，所述主喷射在减少泵送和热损失方面提供了效率优势。通过启动由所述火花塞启动的“扩散燃烧”事件，可以实现进一步的效率增长。关键在于将足够数量和均匀性的氢燃料引至火花塞，以允许形成合适的火焰核。

5、在一些实施方式中，氢气的所述先导喷射可以在空气和氢气的化学计量混合物强度的5％和30％之间，这导致所述燃烧室中的所有空气燃烧。

6、该方法可以包括：在所述缸体活塞(18)处于tdc之前，以60度和10度之间的曲轴角度(有时，称为曲轴角度)喷射氢气的所述先导喷射。

7、在一些实施方式中，对于氢气的所述先导喷射和所述主喷射，氢射流的锥角可以小于或等于90度(即射流相对聚焦)。

8、通常，所述一次燃烧事件的高达90％的燃料燃烧可以发生在10°的曲轴角度范围上。

9、该方法可以包括：在喷射氢气的所述主喷射所处的曲轴角度之前，以至少10°的曲轴角度产生火花。

10、该方法可以包括：在所述一次燃烧事件的90％的燃料燃烧已经发生之后，以不大于10°的曲轴角度生成用于所述主喷射的火花。

11、通常，所述燃烧室可以包括预燃室，该方法包括：在所述预燃室内产生火花，以将所述先导喷射的能点燃空气/氢气混合物点燃。

12、在一个示例中，所述预燃室可以是被动预燃室，该方法包括：由于燃料从主喷射器到燃烧室中的所述先导喷射而启动燃烧，并且当所述缸体活塞在bdc和tdc之间移动时，将空气压缩在所述预燃室内。

13、该方法可以包括：依次将由所述预燃室内的氢气的所述先导喷射生成的空气/氢气混合物点燃，然后将所述燃烧室内的氢气的所述主喷射点燃。

14、在一个示例中，所述预燃室可以是包括第二预燃室喷射器的主动预燃室，该方法包括：用所述第二预燃室喷射器将氢气的所述先导喷射直接喷射到所述预燃室中。

15、该方法可以包括：在低于50巴的压力下，用所述第二预燃室喷射器喷射氢气的所述先导喷射。

16、该方法可以包括：在与来自所述第二预燃室喷射器的氢气的所述先导喷射不同的压力范围下从所述主喷射器喷射氢气的所述主喷射。

17、根据本发明的另一个方面，提供了一种单燃料氢燃料喷射系统，该单燃料氢燃料喷射系统包括：缸体和缸体活塞，该缸体活塞在所述缸体内能够借助曲轴在下止点(bdc)与上止点(tdc)之间运动，以执行压缩冲程；燃烧室，所述燃烧室由所述缸体和缸体活塞限定；燃料喷射器，所述燃料喷射器用于将氢气的先导喷射和氢气的主喷射喷射到所述燃烧室中，氢气的所述先导喷射能够与空气混合，以形成一次能点燃空气/氢气混合物，该混合物导致燃料燃烧和一次气体云；并且氢气的所述主喷射可被喷射到所述一次气体云中，以生成扩散燃烧事件，并且火花塞居中地安装在所述缸体的顶部处，其中，所述火花塞被配置成生成用于点燃所述燃烧室的中心区域内的所述一次能点燃空气/氢气混合物的火花。

18、所述缸体活塞可以在所述缸体活塞的面向所述缸体顶部的上表面中限定凹入式活塞碗。

19、所述燃料喷射系统可以包括安装在所述缸体活塞的外周边缘处的二次火花塞。例如，所述二次火花塞可以安装在形成所述燃烧室的一部分的被动预燃室中(该被动预燃室可以位于所述外周边缘处)。

20、根据本发明的另一个方面，提供了一种单燃料氢燃料喷射系统，该单燃料氢燃料喷射系统包括：缸体和缸体活塞，该缸体活塞在所述缸体内能够借助曲轴在下止点(bdc)与上止点(tdc)之间运动，以执行压缩冲程；燃烧室，所述燃烧室由所述缸体和缸体活塞限定；一次燃料喷射器，该一次燃料喷射器用于将氢气的先导喷射喷射到形成所述燃烧室的一部分的预燃室中，氢气的所述先导喷射可与空气混合以形成能点燃的一次空气/氢气混合物；以及火花塞，该火花塞安装在所述预燃室内，其中，所述火花塞被配置成生成用于将所述预燃室内的所述一次能点燃空气/氢气混合物点燃的火花，这导致燃料燃烧和一次气体云穿过所述预燃室的壁而进入到所述燃烧室中；以及第二喷射器，该第二喷射器用于将氢气的主喷射喷射到所述燃烧室内的一次气体云中。

21、在上述方面中，通常，所述缸体活塞的表面可以与所述缸体的顶部一起限定位于所述活塞碗径向外侧的挤压区域，并且其中，该表面设置有至少一个凹部，以将氢气的所述先导喷射和主喷射引导到所述活塞碗中。

22、应将理解，本发明的任何方面的优选和/或可选特征也可以单独地或以适当的组合结合在本发明的任意其他方面中。