用于氢内燃机的氢进气组件的制作方法

1.本发明涉及一种用于氢内燃机的氢进气组件、一种包括所述氢进气组件的氢内燃机、一种包括所述氢进气组件的车辆以及一种用于制造氢内燃机的方法。
2.本发明可以应用于重型车辆，诸如卡车、公共汽车和建筑设备等。尽管本发明将针对重型车辆进行描述，但是本发明不限于该特定车辆，而是还可以用于其它车辆，诸如乘用车等。


背景技术：

3.内燃机通过在燃烧室内存在氧化剂的情况下燃烧诸如柴油或汽油的燃料来运行。因此，燃料会转化为其它化学物质或燃烧产物，诸如二氧化碳(co2)、水(h2o)以及诸如氮氧化物(nox)这样的副产物。此外，还会产生机械能和热能。排放的化学物质或燃烧产物作为废气被释放。为了减少no
x
排放，必须对废气进行后处理。
4.内燃机通常以循环方式工作，包括：
[0005]-进气阶段，在该进气阶段中，燃料被引入燃烧室中，
[0006]-压缩阶段，在该压缩阶段中，通过在上止点位置和下止点位置之间可滑动地移动的活塞对燃料进行压缩，以及
[0007]-燃烧阶段，在该燃烧阶段中，燃料被点燃。
[0008]-排气阶段，在该排气阶段中，燃烧后的气体被排出。
[0009]
汽车行业正在努力减少二氧化碳和副产品的排放。为此目的，已经开发了柴油和汽油的各种替代品来为车辆提供动力。一种这样的替代方案是使用氢气作为燃料。氢气与空气反应的化学能可以转化为机械能以推动车辆。
[0010]
更准确地，氢气和空气分别通过进气口直接注入到内燃机的燃烧室中。化学反应主要在高温高压下产生h2o。废气通过排气口释放。
[0011]
jp2016118109公开了一种氢发动机，该氢发动机包括：第一注水装置，该第一注水装置将水注入到气缸的对应的进气口中，该进气口被形成在氢发动机的每一个气缸处；进气通道，该进气通道经由进气歧管被连接到氢发动机的进气口；第二注水装置，该第二注水装置被布置在进气通道处；以及控制装置，该控制装置基于氢发动机中的回火的发生状况而决定由注水装置的注入的水量，并且使注水装置注入所决定的水量。
[0012]
然而，在内燃机内使用氢气作为燃料存在几个问题。氢气在高温下非常容易、非常快速地燃烧。因此，点火能量非常低，并且可能会引起异常燃烧，诸如自动点火和爆震，而且还可能会从燃烧室回火到进气口。
[0013]
为了缓解这些主要问题，已知的是，在宽的功率范围内以远高于λ＝2的空气比在极稀薄的条件下运行，因此no
x
排放水平可以忽略不计。与废气的后处理之后的基于碳氢化合物的排放工序相比，在这种基于氢气的操作中，即使是粗制废气也具有显著降低的no
x
浓度。只有在需要相对较高的功率输出时，才需要使燃料-空气混合物在1≤λ≤2范围内变得更浓，这又会涉及no
x
排放量急剧增加，因此需要对废气进行后处理。然而，这种解决方案昂
贵。
[0014]
另一种解决方案是使用所谓的废气再循环(egr)单元来用废气稀释氢气。但由于冷却时有水凝结的风险以及驱动内燃机的废气的低焓，因此不容易具有足够量的egr。此外，egr需要废气泵送系统，这会降低内燃机的整体效率。
[0015]
另一种解决方案是在液相中用水稀释氢气，以降低燃烧产物的温度以及过热部件的温度。该解决方案避免在内燃机中实施废气泵送系统。通过点燃氢气，水会立即蒸发成蒸汽。此外，与egr相比，该解决方案可以通过在较低稀释度下工作来减少增压耗力。
[0016]
使用氢气作为燃料的传统内燃机不能做到消除上述缺点。


技术实现要素：

[0017]
本发明的目的是提供一种氢内燃机，特别是一种氢进气组件，该氢进气组件特别地通过减少异常燃烧(诸如自动点火和爆震)和回火以及通过减少残余氢气来解决上述缺点。此外，本发明的目的是提供一种容易生产且成本低的氢内燃机、特别是氢进气组件。
[0018]
所述目的通过一种用于氢内燃机的氢进气组件来实现，其特征在于，所述氢进气组件包括：
[0019]-至少一个空气进气歧管，所述至少一个空气进气歧管包括：
[0020]
·
空气进气管道，所述空气进气管道包括至少一个空气入口和多个空气出口：
[0021]
·
空气进气流道，所述空气进气流道包括空气入口和空气出口，所述空气进气流道的所述空气入口被连接到所述空气进气管道的所述空气出口，
[0022]-间隔件，所述间隔件具有壁，所述壁限定内室，所述内室接收空气、水和氢气的混合物，并且所述间隔件包括空气入口以及输送所述混合物的混合物出口，所述间隔件的所述空气入口被连接到所述空气进气流道的所述空气出口，所述间隔件的所述混合物出口被构造成被固定在氢内燃机的气缸盖上，
[0023]-水轨，所述水轨包括至少一个水入口和多个水出口，所述水出口嵌入在所述间隔件的所述壁中，以及
[0024]-氢轨，所述氢轨包括至少一个氢入口和多个氢出口，所述氢出口被连接到氢进气管道，所述氢进气管道包括氢入口和氢出口，所述氢进气管道的所述氢出口嵌入在所述间隔件的所述壁中。
[0025]
通过提供根据本发明的氢进气组件，本发明提供了一种紧凑的氢进气组件，从而形成紧凑的氢内燃机。此外，每一个流道选择性地与氢内燃机中的气缸体中所包括的一个气缸协作，从而优化每一个流道的填充。此外，所述氢进气组件的构造优化了空气和氢气的气体速度。因此，没有残留的氢气上升到空气进气流道并且因此上升到进气歧管。所述氢进气组件的架构避免了异常燃烧(诸如自燃和爆震)或回火等。此外，所述氢进气组件允许高质量的间接注入。实际上，所述间隔件提高了将通过进气阀注入到氢内燃机的燃烧室中的氢气、水和空气的混合。所述间隔件将氢气、水和空气的混合物朝向所述气缸盖引导。
[0026]
根据一个实施例，所述水轨中的水压在1*105pa至20*105pa之间，优选在5*105pa至15*105pa之间，例如为大约10*105pa。
[0027]
根据一个实施例，所述氢轨中的氢气压力在15*105pa至45*105pa之间，优选在20*105pa至40*105pa之间，例如为大约30*105pa。
[0028]
根据一个实施例，每一个进气流道包括包围所述空气进气管道的至少一个环路。在该实施例中，所述空气进气流道的所述环路允许延伸进气流道，以优化空气速度，同时防止氢气沿着空气进气流道上升。此外，包括环路的空气进气流道允许更紧凑的氢进气组件并且优化所述流道的填充。
[0029]
根据一个实施例，每一个进气流道包括包围所述空气进气管道的至少两个环路。在该实施例中，可以认为，进一步提高了空气速度，抑制了氢气和水沿着所述空气进气流道上升，并且进一步优化了所述空气进气流道的填充。
[0030]
根据一个实施例，每一个进气流道的长度在500mm至2000mm之间，优选在500mm至1500mm之间，并且有利地在600mm至1200mm之间。选择截面以优化空气速度。在该实施例中，所述空气进气流道在空气速度性能、防止残留氢气以及同时保持了能够在任何发动机中实施紧凑的氢进气组件之间提供良好的平衡。
[0031]
根据一个实施例，所述空气进气流道的空气入口、所述空气进气流道的空气出口和/或所述空气进气管道的出口具有椭圆形状或收敛形状。在该实施例中，可以认为，空气速度被优化。
[0032]
根据一个实施例，所述氢进气管道的氢出口均包括氢注入器，所述氢注入器嵌入在所述间隔件的壁中。在该实施例中，已经研究了氢气注入的位置，以提高氢气、空气和水的混合。
[0033]
根据一个实施例，所述间隔件的所述内室的纵向轴线和所述氢注入器的纵向轴线形成在10
°
至40
°
之间的角度。在该实施例中，可以认为，氢气在指向阀轴线或进气轴线中的至少一个轴线的方向上流动，以避免氢气残留在进气中。
[0034]
根据一个实施例，所述水出口均包括水注入器，所述水注入器嵌入在所述间隔件的壁中。在该实施例中，已经研究了水注入的位置，以提高氢气、空气和水的混合。
[0035]
根据一个实施例，所述氢注入器和所述水注入器位于所述间隔件的壁的共同横截面上。换言之，所述间隔件限定内室，所述内室包括多个横向部段，所述多个横向部段中的一个横向部段包括一个氢注入器和一个水注入器。因此，氢气和水被注入到所述间隔件的内室中的同一位置处，从而提高混合。
[0036]
根据一个实施例，所述氢进气组件包括两个空气进气歧管，每一个空气进气歧管均包括一个空气入口。在该实施例中，可以认为，所述氢进气组件能够是可调节的，使得执行更好的空气再分配，并且因此更好地朝向每一个气缸再分配所述混合物。
[0037]
根据本发明的第二方面，所述目的通过一种氢内燃机来实现，所述氢内燃机包括：
[0038]-氢内燃机，所述氢内燃机包括：
[0039]
·
气缸盖，所述气缸盖包括混合物进气阀、排气阀和火花塞，
[0040]
·
气缸体，所述气缸体容纳多个气缸；每一个气缸包括活塞，
[0041]
·
所述气缸盖被构造成被固定在所述气缸体的顶部上，从而形成接收氢气、空气和水的混合物的燃烧室，以及
[0042]-根据本发明的氢进气组件，所述氢进气组件包括间隔件，所述间隔件具有混合物出口，所述混合物出口被固定在所述气缸盖上。
[0043]
根据本发明的氢内燃机是紧凑的，所述氢内燃机防止异常燃烧(诸如自燃和爆震)或回火，并且所述氢内燃机防止氢气通过流道上升，从而实现高质量的间接注入。
[0044]
根据一个实施例，每一个氢注入器位于被包括在所述氢内燃机的所述气缸盖中的进气阀的前方。在该实施例中，可以认为，提高了氢进气组件的紧凑性。
[0045]
根据本发明的第三方面，所述目的通过一种用于制造根据本发明的氢内燃机的方法来实现，所述方法包括以下步骤：
[0046]
a.提供柴油内燃机，所述柴油内燃机包括柴油进气组件和柴油内燃机，所述柴油内燃机包括：
[0047]-气缸盖，所述气缸盖包括混合物进气阀、排气阀和柴油注入器，
[0048]-气缸体,所述气缸体容纳多个气缸；每一个气缸包括活塞，
[0049]-所述气缸盖被构造成被固定在气缸体的顶部上,从而形成接收空气和柴油混合物的燃烧室，
[0050]
所述柴油进气组件包括空气出口，所述空气出口被固定在所述气缸盖上，
[0051]
b.在所述气缸盖中用火花塞替换柴油注入器，
[0052]
c.移除柴油进气组件，以及
[0053]
d.将根据本发明的氢进气组件设置在所述气缸盖上。
[0054]
本发明的方法允许以简单的方式再利用柴油内燃机，以制造氢内燃机。因此，不需要制造整个氢内燃机，从而节省成本。此外，氢进气组件的实施不会改变发动机的体积。因此，能够容易地在任何类型的车辆的任何柴油内燃机中实施所述氢进气组件。此外，能够轻松地实现所述用于制造氢内燃机的方法。
[0055]
在以下描述和从属权利要求中公开了本发明的其它优点和有利特征。
附图说明
[0056]
参考附图，下文是作为示例引用的本发明的实施例的更详细描述。
[0057]
在这些附图中：
[0058]
图1是根据本发明的一个实施例的氢进气组件，
[0059]
图2是根据本发明的一个实施例的空气进气流道，
[0060]
图3是根据本发明的一个实施例空气进气歧管，
[0061]
图4是根据本发明的另一实施例的空气进气流道，
[0062]
图5是根据本发明的一个实施例的空气进气歧管的局部视图，
[0063]
图6是根据本发明的一个实施例的氢进气组件的截面图，
[0064]
图7是根据本发明的一个实施例的氢进气组件的另一个截面图，
[0065]
图8是根据本发明的一个实施例的氢进气组件的另一个截面图，并且
[0066]
图9是根据本发明的一个实施例的空气进气歧管。
具体实施方式
[0067]
图1示出了用于车辆的氢内燃机(未示出)的氢进气组件1。
[0068]
氢进气组件1可以包括一个空气进气歧管2，该空气进气歧管2包括空气进气管道21，该空气进气管道21包括例如一个空气入口22和多个空气出口23，如图3所示。
[0069]
氢进气组件1包括空气进气流道24，该空气进气流道24包括空气入口25和空气出口26。空气进气流道24的空气入口25被连接到空气进气管道21的空气出口23(图2至图7)。
itv电动阀27可以调节空气的比例。
[0070]
如图7所示，氢进气组件1进一步包括间隔件3，该间隔件3具有壁31，该壁31限定了接收空气、水和氢气的混合物的内室，并且该间隔件包括空气入口32以及输送所述混合物的混合物出口33。空气入口32被连接到空气进气流道24的空气出口26，间隔件3的所述混合物出口33被构造成被固定在氢内燃机(未示出)的气缸盖6上。
[0071]
氢进气组件1进一步包括水轨4，该水轨4包括例如一个水入口41和多个水出口42，所述水出口42被嵌入在间隔件3的壁31中。水优选为液相。例如，水轨4中的水压为约10*105pa。
[0072]
氢进气组件1进一步包括氢轨5，该氢轨5包括一个氢入口51和多个氢出口52。氢出口52被连接到氢进气管道53，该氢进气管道53包括氢入口54和氢出口55，所述氢进气管道53的所述氢出口55被嵌入在间隔件3的壁31中。氢气优选为气相。例如，氢轨5中的氢气压力为约30*105pa。
[0073]
图1、图2、图6、图7和图9示出了如下示例：每一个空气进气流道24包括包围空气进气管道21的一个环路。在图3和图4中所示的另一个实施例中，每一个空气进气流道24包括包围空气进气管道21的两个环路。优选地，每一个进气流道具有在600mm至1200mm之间的长度。
[0074]
图5示出了如下示例：空气进气流道24的空气入口25和空气进气流道24的空气出口26具有椭圆形状。图5还示出了空气进气管道21的出口23具有收敛形状的示例。
[0075]
如图6至图8所示，氢进气管道53的氢出口55可以包括被嵌入在间隔件3的壁31中的每一个氢注入器56。优选地，间隔件3的内室31的纵向轴线a
l31
和氢注入器56的纵向轴线a
l56
形成10
°
至40
°
之间的角度(图8)。
[0076]
每一个水出口42可以均包括被嵌入在间隔件3的壁31中的水注入器43。
[0077]
如图所示，氢注入器56和水注入器43可以位于间隔件3的壁31的共同横截面s1上。例如，一个横截面代表小于间隔件3的整个横向壁的33％，优选小于间隔件3的整个横向壁的25％(图6和图7)。
[0078]
图9示出了另一个实施例，在该实施例中，氢进气组件1包括两个空气进气歧管2、2'，每一个空气进气歧管包括一个空气入口22、22'。该实施例允许更好的气流效率。
[0079]
根据本发明，氢内燃机包括：
[0080]-氢内燃机(未示出)，该氢内燃机包括：
[0081]
·
气缸盖6，该气缸盖6包括混合物进气阀61、排气阀(未示出)和火花塞(未示出)，
[0082]
·
气缸体(未示出)，该气缸体容纳多个气缸(未示出)；每一个气缸包括活塞(未示出)，
[0083]
·
所述气缸盖6被构造成被固定在气缸体的顶部上，以形成接收氢气、空气和水的混合物的燃烧室(未示出)，以及
[0084]-根据本发明的氢进气组件，该氢进气组件包括间隔件3，该间隔件3具有混合物出口33，该混合物出口33被固定在所述气缸盖6上。
[0085]
气缸盖6可以进一步包括进气口62，其中混合物可以流动以到达进气阀61和燃烧室(图8)。
[0086]
每一个氢注入器43可以位于被包括在氢内燃机的气缸盖6中的进气阀61的前方。
[0087]
在运行模式下，所述氢内燃机按照以下循环来工作，该循环包括：
[0088]-进气阶段，在该进气阶段中，混合物被引入燃烧室中，
[0089]-压缩阶段，在该压缩阶段中，混合物中的氢气由活塞压缩，以及
[0090]-燃烧阶段，在该燃烧阶段中，混合物中的氢气由设置在燃烧室中的火花塞点燃。
[0091]
因此，氢气、空气和水的混合物通过气缸盖6的进气口62和进气阀61被间接地注入到燃烧室中(图8)。氢气和空气反应形成水。此外，以液相注入的水通过降低燃烧气体的温度来控制氢气的燃烧，从而避免燃烧气体从燃烧室回流到进气口。
[0092]
根据本发明的氢进气组件是紧凑的，并且优化了空气进气流道的填充。此外，该氢进气组件的架构提高了空气和氢气的气体速度，并且抑制了残余氢气上升到流道和进气歧管。该氢进气组件避免了异常燃烧。此外，该氢进气组件允许高质量的间接注入。
[0093]
本发明对于具有配备有柴油内燃机的车辆或车队的用户来说也是有意义的，因为本发明使得能够将所述柴油内燃机转换成根据本发明的氢内燃机。
[0094]
柴油内燃机通常包括被连接到气缸盖的柴油进气组件。气缸盖设有进气阀61、排气阀和柴油注入器以及容纳多个气缸的气缸体；每一个气缸包括活塞。气缸盖6被构造成被固定在气缸体的顶部上，从而形成接收空气和柴油的混合物的燃烧室。柴油进气组件包括空气出口，该空气出口被固定在所述气缸盖上。
[0095]
本发明为移除柴油进气组件并将根据本发明的氢进气组件1装配在气缸盖6上作好准备。为了完成从柴油到氢气的转换，火花塞被放置在气缸盖中。
[0096]
根据本发明的用于制造氢内燃机的方法允许再利用柴油内燃机，从而产生成本节约的方法以及低环境影响。此外，可以在用于任何类型车辆的任何柴油内燃机上实施所述紧凑型氢进气组件。
[0097]
将理解的是，本发明不限于上述和附图中示出的实施例；而是，技术人员将认识到，可以在所附权利要求的范围内进行许多修改和变型。