一种液氢发动机点火系统

技术领域

本发明属于液氢发动机技术领域，涉及一种液氢发动机燃烧室点火系统。

背景技术

21世纪以来，随着二氧化碳排放的增加，大气温度持续升高，对全球的生态环境带来灾难性的后果。为积极响应国家“双碳”目标的落实，全面推行绿色制造，各个领域都在积极推进清洁能源转型。氢气H

现有氢气发动机中，常采用高压气态储氢。但高压气态储氢的储氢密度低，相同体积和重量下，液氢储氢方式能够储存更多的氢气。同时液态氢的热值大，在质量相同时，比其他燃料燃烧放出的热量多。在现有液氢储氢技术中，从液氢罐输出的液氢，在空温汽化器中与外界空气发生热交换，液氢汽化为气态氢，随后经过水热换热器将气态氢的温度提高到点火温度再采用火花塞进行点火。

现有的液氢发动机技术没有充分利用液氢的能量，能量利用率低。且传统点火方式具有着火稳定性差，火焰传播速度慢，燃烧效率低等缺点。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种液氢发动机点火系统，解决传统氢气发动机点火困难问题，改善燃烧效率，提高着火稳定性，提高液氢利用效率。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

本发明公开的一种液氢发动机点火系统，包括氢气供给与喷射装置、氩气瓶，氩气供应阀、氧气供给装置、点火系统和ECU控制器。所述氢气供给与喷射装置用于向燃烧室直接喷射低温氢气。氩气瓶、氩气供应阀用于提供低温氩气作为保护气体对燃烧室及管路进行降温防止回火，爆燃。所述氧气供给装置用于提供氧气。所述点火系统用于对氢气进行放电点火，所述ECU控制器与氢气供给与喷射装置、氩气瓶、氩气供应阀、氧气供给装置、点火系统连接，所述ECU控制器用于根据发动机缸体内压力及温度变化控制氢气供给与喷射装置、氩气供应阀、氧气供给装置、点火系统的启闭。

进一步的，所述氢气供给与喷射装置包括液氢罐、液氢供应阀、换热器、储氢罐、压力调节器、氢增压泵、氢气低压喷嘴、氢气高压喷嘴、泄压阀。当液氢罐压力超过阈值时，泄压阀打开，将氢气传入至稳压罐中。换热器将液氢气化后进入储氢罐，此外换热器还与氩气瓶，点火系统相连，用于对氩气及点火系统排出气体进行降温及冷凝，再将低温气体再次送回点火系统。

进一步的，所述氧气供给装置包括液氧瓶、氧换热器、氧气瓶、氧气供应阀。所述点火系统包括燃烧室、排气管、曲轴位置传感器、温度传感器、压力传感器和微波等离子点火器。

进一步的，所述控制器按照下述逻辑进行控制，通过控制所有电磁阀的开断保证按照预设的氢氧混合比向燃烧室输送氧气，根据燃烧室温度及压力信息控制氩气阀开启通入少量低温氩气对点火系统进行保护，关闭上述进气口，根据预设的氢氧混合比及曲轴位置传感器位置信息控制氢气低压喷嘴，氢气高压喷嘴分两次输送氢气，并控制微波等离子点火器进行点火。

优选的，第1次喷入通过氢气低压喷嘴在680-700°CA提前喷入少量氢气点燃后，对缸内进行预热，第2次通过氢气高压喷嘴推迟到90-110°CA喷入氢气扩散燃烧，从而避免爆震。

优选的，喷嘴采用3D打印一体化设计制造，大幅减少头部焊缝数量。喷管为大面积比喷管段，出口面积比达150-200的两段组合固定式轻质碳陶复合材料辐射冷却喷管。

优选的，所述主燃烧室内壁采用铜合金铣槽内壁、外壁为电铸镍、扩散钎焊或热等静压外壁，辅以低混合比边区、膜冷却隔热涂层。管道与各零部件连接采用电子束焊接结构。

优选的，进入燃烧室内氢氧的质量混合比为1-3。

有益效果：

1、本发明公开的一种液氢发动机点火系统，将废气再循环技术与惰性气体相结合，循环利用惰性气体能保护整个系统，降低燃烧温度与压力，有效抑制爆震，回火的发生，减少NOx排放。

2、本发明公开的一种液氢发动机点火系统，该系统利用废气的热量使液氢快速升华，同时利用液氢的冷能加速废气冷凝，降低氩气温度。通过能源的重复利用，提高了结构效率，提升了液氢的利用率。

3、本发明公开的一种液氢发动机点火系统，整体结构简单，重量轻，理论上只要有液氢，电源有电，即可实现发动机在多种复杂情况的点火，且点火次数不受其他因素的控制。

4、本发明公开的一种液氢发动机点火系统，采用二次喷氢技术，第一次喷氢采用低压提前喷射技术，气体混合更均匀，提高点火成功率，并对发动机进行预热，优化点火环境；第二次喷氢采用高压延迟喷射，显著提升功率和热效率。再结合缸内直喷技术，微波等离子点火器，有效抑制回火，提升发动机点火成功率，实现复杂条件下的快速安全启动。

附图说明

图1为本发明的一种液氢发动机点火系统示意图；

图2为本发明燃烧室示意图；

其中：1-液氢罐、2-液氢供应阀、3-换热器、4-储氢罐、5-压力调节器、6-氢增压泵、7-控制器、8-氩气瓶9-氩气供应阀、10-氢气低压喷嘴、11-氢气高压喷嘴、12-液氧瓶、13-氧换热器、14-氧气瓶、15-氧气供应阀、16-燃烧室、17-泄压阀、18-排气管、19-曲轴位置传感器、20-温度传感器、21-压力传感器、22-微波等离子点火器。

具体实施方式：

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明：

如图1所示，本实施例公开的一种液氢发动机点火系统，包括氢气供给与喷射装置、氩气瓶，氩气供应阀、氧气供给装置、点火系统和ECU控制器。所述氢气供给与喷射装置包括液氢罐1、液氢供应阀2、换热器3、储氢罐4、压力调节器5、氢增压泵6、氢气低压喷嘴11、氢气高压喷嘴12、泄压阀17。所述氧气供给装置包括液氧瓶12、氧换热器13、氧气瓶14、氧气供应阀15。

如图2所示所述点火系统包括燃烧室16、排气管18、曲轴位置传感器19、温度传感器20、压力传感器21、微波等离子点火器22。

从液氢罐1流出的液氢经过液氢供应阀2、换热器3、进入储氢罐4储存，经压力调节器5调节压力后一路进入氢气低压喷嘴11，进气压力约为0.2MPa，另一路经过氢增压泵6加压后进入氢气高压喷嘴12，进气压力约为7MPa。换热器3还与氩气瓶相连，用于对氩气进行降温。

所述ECU控制器7与氢气供给与喷射装置、氩气瓶8、氩气供应阀9、氧气供给装置、点火系统电连接用于根据发动机缸体内压力及温度变化控制氢气供给与喷射装置、氩气供应阀、氧气供给装置、点火系统的启闭。

控制器7根据燃烧室温度及压力信息控制氩气供应阀9开启，通入少量低温氩气对点火系统进行保护，所述氩气含量约为总气体含量的5％。按照预设的氢氧混合比1：3控制氧气经过液氧瓶12、氧换热器13、氧气瓶14、氧气供应阀15向燃烧室输送氧气，控制上述进气口关闭后，根据预设的氢氧混合比及曲轴位置传感器位置信息控制氢气低压喷嘴，氢气高压喷嘴分两次输送氢气，并控制微波等离子点火器进行点火。点火后开启排气管18，将燃烧室16内气体经换热器3冷凝，将冷凝后的液态水排出，再将低温气体送回点火系统循环利用。

所述换热器采用乙二醇进行冷却，通过进入换热器的低温氢气对乙二醇进行降温；换热器通过乙二醇将热量传递至氩气，水蒸气对氩气，水蒸气进行降温冷凝。

第1次喷入通过氢气低压喷嘴在690°CA提前喷入少量氢气点燃后，对缸内进行预热，第2次通过氢气高压喷嘴推迟到100°CA喷入氢气扩散燃烧，从而避免爆震。

喷嘴采用3D打印一体化设计制造，大幅减少头部焊缝数量。喷管为大面积比喷管段，出口面积比达160的两段组合固定式轻质碳陶复合材料辐射冷却喷管。

所述主燃烧室内壁采用铜合金铣槽内壁、外壁为电铸镍，辅以膜冷却隔热涂层。管道与各零部件连接采用电子束焊接结构。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。