水循环缸内喷水氢气内燃机及汽车

1.本发明涉及氢气内燃机领域，尤其是涉及水循环缸内喷水氢气内燃机及汽车。


背景技术：

2.氢能源作为车用动力能源对改善能源供给结构和发展低碳交通具有重大意义。目前车用氢能的发展集中在氢燃料电池上，但燃料电池成本昂贵，且对氢气的纯度要求较高。氢气内燃机较氢燃料电池技术难度小，成本更便宜，可以较快且较经济地应用氢能。
3.氢气作为内燃机燃料具有良好的燃烧特性，与汽油相比，氢气具有更高的热值和更低的点火能量，且由于氢气的可燃界限宽广，有利于实现稀薄燃烧。由于氢气的自燃温度较高，且稀燃时发动机的过程指数增加，有利于提高热效率。然而，由于氢发动机的充气效率低和混合气的气体常数大，其输出扭矩相较汽油机大幅降低；此外，由于氮气的存在，氢气燃烧时产生的高温也会导致no
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的生成。
4.现有技术中，针对氢气内燃机可以采用现有成熟的后处理技术来降低no
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排放；也可以通过控制no
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的生成可以使汽车尾气no
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排放直接达标，如中国专利cn109707505b公开的一种基于喷水控制压升率氧气闭路循环的零氮发动机及其控制方法中，采用纯氧燃烧，这种方案可以实现零氮排放，但是氧气的制备成本较高，从另一方面提高了成本，不利于产业化发展。


技术实现要素：

5.本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种水循环缸内喷水氢气内燃机及汽车。
6.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
7.一方面，本发明提供一种水循环缸内喷水氢气内燃机，包括供氢组件、进气组件、气缸、进气道、排气歧管、排气管、冷凝器、喷水机构、水循环组件，
8.所述的供氢组件用于为气缸提供氢气，所述的供氢组件的输出端与进气道连通；
9.所述的进气组件用于为气缸提供空气，所述的进气组件的输出端与进气道连通；
10.所述的气缸的进口与进气道连通，所述供氢组件提供的氢气与进气组件提供的空气在进气道内混合后形成混合气进入气缸，所述的气缸的出口与排气歧管的进口连通，所述的排气歧管的出口与排气管的进口连通，所述的冷凝器设于排气管上；
11.所述的喷水机构用于向气缸内喷入水，所述的喷水机构设于气缸内；
12.所述的水循环组件用于收集气缸排出气体的水并为喷水机构供水，所述的水循环组件的进水端与冷凝器连通，所述的水循环组件的出水端与喷水机构的进水端连通。
13.优选地，所述的喷水机构在氢气内燃机的压缩冲程或进气冲程向气缸内喷水。
14.优选地，所述的水循环组件包括通过管道依次连接的水箱、水泵，所述的水箱的进水端通过管道与冷凝器的出水口连通，所述的水泵的出水端通过管道与喷水机构的进水端连通。
15.优选地，所述的水循环组件还包括前过滤器、后过滤器，所述的前过滤器设于水箱与冷凝器间的管道上，所述的后过滤器设于水箱与水泵间的管道上。
16.优选地，所述的喷水机构包括高压水轨和多个喷水器，所述的高压水轨的进水口与水循环组件的出水端连通，所述的喷水器设于高压水轨上。
17.优选地，所述的供氢组件包括储氢罐、输氢管，所述的进气道上设有多个氢气喷射器，所述的输氢管的进口与储氢罐连通，所述的输氢管的出口与氢气喷射器连通。
18.优选地，所述的氢气喷射器喷出气态氢气或液态氢气。
19.优选地，所述的进气组件为自然吸气进气系统或增压进气系统。
20.另一方面，本发明提供一种汽车，包括上述的水循环缸内喷水氢气内燃机。
21.与现有技术相比，本发明具有如下优点：
22.1)本发明的内燃机基于水循环组件实现氢气内燃机的缸内喷水降温，能够降低氢气的燃烧温度和燃烧速率，一方面可以降低氢气内燃机的氮氧化物排放，并且不必采用纯氧作为氧化剂来实现零氮排放，从而可以降低成本，有利于产业化发展；另一方面，当氢气内燃机运行在满负荷或者大负荷时，由于缸内喷水降温可以抑制粗暴燃烧从而可以扩大氢气-空气比例并同时提高充气效率，，从而提高输出扭矩；
23.2)本发明基于水循环组件将废气中的水蒸气冷凝回收，实现氢气燃烧后产生的水的循环利用，更加环保、方便和经济，避免水箱的频繁加水。
附图说明
24.图1为本发明的结构示意图。
25.图中：1、气缸，2、进气道，3、排气歧管，4、储氢罐，5、输氢管，6、氢气喷射器，7、进气系统，8、水箱，9、前过滤器，10、后过滤器，11、水泵，12、高压水轨，13、喷水器，14、排气管，15、冷凝器，16、回水管。
具体实施方式
26.下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。注意，以下的实施方式的说明只是实质上的例示，本发明并不意在对其适用物或其用途进行限定，且本发明并不限定于以下的实施方式。
27.实施例
28.一种水循环缸内喷水氢气内燃机，如图1所示，包括供氢组件、进气组件、气缸1、进气道2、排气歧管3、排气管14、冷凝器15、喷水机构、水循环组件。
29.具体地，对于气缸1的结构，气缸1的进口与进气道2连通，气缸1的出口与排气歧管3的进口连通，排气歧管3的出口与排气管14的进口连通，冷凝器15设于排气管14上，喷水机构设于气缸1内，喷水机构包括高压水轨12和多个喷水器13，高压水轨12的进水口与水循环组件的出水端连通，喷水器13设于高压水轨12上，喷水机构用于向气缸1内喷入水，在氢气内燃机的压缩冲程或进气冲程向气缸1内喷水。
30.另外，对于供氢组件、进气组件的结构：供氢组件的输出端与进气道2连通，用于为气缸1提供氢气，进气组件的输出端与进气道2连通进气组件用于为气缸1提供空气，供氢组件提供的氢气与进气组件提供的空气在进气道2内混合后形成混合气进入气缸1。
31.本实施例中，供氢组件包括储氢罐4、输氢管5，进气道2上设有多个氢气喷射器6，输氢管5的进口与储氢罐4连通，输氢管5的出口与氢气喷射器6连通，供氢组件通过氢气喷射器6喷出气态氢气或液态氢气。进气组件为自然吸气进气系统7或增压进气系统7。
32.本发明的水循环组件用于收集气缸1排出气体的水并为喷水机构供水，水循环组件的进水端与冷凝器15连通，水循环组件的出水端与喷水机构的进水端连通。
33.为实现冷凝水收集和为喷水机构供水功能，水循环组件包括通过管道依次连接的前过滤器9、水箱8、后过滤器10、水泵11，水箱8的进水端通过管道与冷凝器15的出水口连通，水泵11的出水端通过管道与喷水机构的进水端及高压水轨12的进水口连通，前过滤器9设于水箱8与冷凝器15间的管道上，后过滤器10设于水箱8与水泵11间的管道上。
34.本发明具体使用时，进气组件通过自然吸气或增压方式泵入新鲜空气，由储氢罐4通过输氢管5和设置在进气道2上的氢气喷射器6向进气道2中喷入氢气。氢气与新鲜空气在进气道2内混合，混合气在进气冲程阶段进入气缸1内。
35.气缸1上设置的喷水机构，在压缩冲程或进气冲程，水泵11工作将水箱8中的水通过高压水轨12、喷水器13喷射进入气缸1内，水雾在气缸1内快速蒸发，利用液体的蒸发吸热效应降低了缸内工质温度。当氢气内燃机运行在低负荷时，缸内喷水降低了氢气的燃烧温度和燃烧速率，从而降低了no
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排放。一方面，燃烧温度的下降可以使no
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排放降低；另一方面，采用过量空气系数2.0及2.0以上的混合气时，no
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排放可以降低到相当低的水平。因此，在这两方面因素的作用下，低负荷工况的no
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排放可以显著降低。当氢气内燃机运行在满负荷或大负荷时，缸内喷水降低了氢气的燃烧温度和燃烧速率，抑制粗暴燃烧，从而可以燃用更多氢气，扩大氢气-空气比例，因此可以提高氢气内燃机的输出扭矩，同时降低燃烧温度可以降低no
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排放。
36.氢气和空气在气缸1内由火花塞点燃燃烧，生成水和氮氧化物；同时由于空气中含有大量氮气，燃烧高温足以使氮气被氧化，从而生成氮氧化物。燃烧产生的废气经由排气歧管3汇入排气管1414,废气经由冷凝器15将所含的水蒸气冷凝，所收集的液态水通过管道经过前过滤器9粗过滤后进入水箱8，水箱8中的水经由后过滤器10进行再次过滤，通过水泵11泵入高压水轨12，继而被喷入内燃机气缸1内，从而使燃烧产生的水经发动机水路循环利用。废气中的其他燃烧产物在经过冷凝器15后经排气管1414继续排出。
37.本发明也可以结合egr废气再循环系统，将部分废气送入进气道2再次进入气缸1，减少no
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的生成量。
38.本发明中喷水机构喷水时刻可以在进气冲程，也可以在压缩冲程，本实施例中采用压缩冲程后期，即活塞运行至上止点前0～90
°
曲轴转角。
39.另外，本发明实施例还提供一种汽车，包括上述的水循环缸内喷水氢气内燃机。
40.上述实施方式仅为例举，不表示对本发明范围的限定。这些实施方式还能以其它各种方式来实施，且能在不脱离本发明技术思想的范围内作各种省略、置换、变更。