一种采用加氢活性重整的柴油氨双燃料发动机燃烧系统及燃烧方法

1.本发明涉及的是一种发动机燃烧系统，具体地说是双燃料发动机燃烧系统及方法。


背景技术：

2.氨作为氮氢化合物，燃烧过程没有碳排放，且是目前除硫酸外产量最大的化工产品，来源广泛，成本低廉，但氨燃料存在燃点高、最小点火能量较高、燃烧速度慢、燃烧温度低等问题，限制了氨燃料发动机的广泛应用。
3.专利cn115111089a提及一种预燃室式氨燃料发动机系统，该专利采用缸内直喷供氨方式，并通过预燃室引燃氢气完成燃烧，该专利使用氢气为氨燃料催化分解所得，并利用氢燃料电池等设备为氨催化提供能量。该系统仅需提供氨燃料，减少排放污染物排放，但该专利对于制氢纯度要求高，同时对于维持发动机在全工况运行下系统稳定性以及运行起始条件存在技术盲区。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供能在不同工况下兼顾排放性、动力性和经济性，实现高效清洁燃烧的一种采用加氢活性重整的柴油氨双燃料发动机燃烧系统及燃烧方法。
5.本发明的目的是这样实现的：
6.本发明一种采用加氢活性重整的柴油氨双燃料发动机燃烧系统，其特征是：包括气缸盖、气缸壁、活塞、柴油油箱、氨燃料储存罐、氢气储气罐，所述气缸盖、气缸壁和活塞形成气缸，气缸盖上设置喷油器a、喷油器b、进气门、排气门，气缸通过进气门连接进气歧管，气缸通过排气门连接排气歧管，进气歧管里设置氨燃料喷射器和氢气喷射器，柴油油箱依次连接输油泵、燃料滤清器、喷油泵、高压油轨，高压油轨分别连接喷油器a和喷油器b，氨燃料储存罐依次连接氨燃料输送泵、氨燃料滤清器、喷氨泵、氨燃料油轨，氨燃料油轨连接氨燃料喷射器，氢气储气罐依次连接蒸发调压器、氢气气轨，氢气气轨连接氢气喷射器，喷油器a垂直安装于气缸盖上，其轴线与气缸中心线重合，喷油器b垂直安装于气缸盖上，其轴线与喷油器a轴线平行，氨燃料喷射器倾斜安装于进气歧管上，氨燃料喷射方向沿进气歧管指向所述气缸内部，氢气喷射器倾斜安装于进气歧管上且氢气喷射器轴线与氨燃料喷射器轴线共面，氢气喷射方向与氨燃料喷射方向交叉。
7.本发明一种采用加氢活性重整的柴油氨双燃料发动机燃烧系统还可以包括：
8.1、喷油器a、喷油器b均具有多喷孔结构喷嘴，喷油器a喷孔为均匀分布，喷油器b喷孔大小不同。
9.2、氨燃料喷射器带有中段加热和轴针式单孔喷射器结构，氨燃料喷射器中部安装有加热电阻。
10.本发明一种采用加氢活性重整的柴油氨双燃料发动机燃烧方法，其特征是：包括
纯柴油燃烧模式：根据发动机运行工况的不同，对喷油器a、喷油器b的工作状态进行动态调节，当发动机处于起动、怠速、低负荷工况时，仅有喷油器b处于工作状态，喷油器b在压缩上止点前开始喷射，喷射始点随着负荷增加而推迟，通过使用小流量喷射器，并使喷油器b在线性特性区工作，实现喷射油量的精确控制；当发动机处于中高负荷工况时，采用喷油器a、喷油器b同时工作方式，且喷油器a在线性特性区工作，喷油器a在压缩上止点前开始喷射，喷射始点随着负荷增加而推迟，喷油器b在发动机输出功率大于75％额定功率时进行柴油喷射，满足柴油/氨双燃料发动机动力需求。
11.本发明一种采用加氢活性重整的柴油氨双燃料发动机燃烧方法还可以包括：
12.1、包括双燃料燃烧模式：氨燃料喷射器、氢气喷射器和喷油器b协同工作，氨燃料喷射器喷射始点在排气门关闭后10℃a-40℃a，喷射终点在进气门关闭前10℃a-20℃a，随着发动机负荷增加，喷射始点随之提前，所喷射氨燃料总热值占总燃料热值的80％-85％之间；氢气喷射器喷射始点在排气门关闭后20℃a-50℃a，喷射终点在氨燃料喷射器关闭前10℃a-20℃a，并且喷射始点随着氨燃料喷射量增加而提前，所喷射氢燃料总热值占总燃料热值的5％-10％之间；喷油器b在压缩上止点前且压缩行程的后半段进行喷射，所喷射柴油燃料热值占总燃料热值的10％-15％；在氨燃料喷射器喷射时氢气同时进行喷射，喷油器b在气缸压缩过程中进行柴油喷射，利用柴油预喷射形成的低温反应活性基团对缸内混合气的反应活性进一步改善，实现混合气活性的双重重整。
13.本发明的优势在于：本发明根据柴油/氨双燃料发动机运行工况不同，采用多模式燃料混合供给方式，结合米勒循环优化活塞做工以及双重重整提高氨燃料燃烧活性，充分发挥柴油/氨双燃料发动机燃料低碳和多燃料互补与协同优势，提高发动机燃料喷射精度控制，减少发动机污染物的排放，从而使柴油/氨双燃料发动机在不同工况下，兼顾排放性、动力性和经济性，实现氨柴双燃料发动机高效清洁燃烧，充分发挥氨燃料具有低污染、高辛烷值、经济性高等优势。
附图说明
14.图1为本发明的结构示意图；
15.图2为氨燃料喷射器结构示意图；
16.图3为纯柴油燃烧模式下低负荷工况缸内燃料分布图；
17.图4为纯柴油燃烧模式下中高负荷工况缸内燃料分布图；
18.图5为双燃料燃烧模式下发动机进气过程缸内燃料分布图；
19.图6为双燃料燃烧模式下发动机中高负荷缸内燃料分布图；
20.图7为纯柴油燃烧模式下燃料喷射器工作相位范围示意图；
21.图8为双燃料燃烧模式下燃料喷射器工作相位范围示意图；
22.图9为纯柴油燃烧模式下燃料喷射器工作状态；
23.图10为双燃料燃烧模式下燃料喷射器工作状态。
具体实施方式
24.下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：
25.结合图1-10，本发明包括喷油器a9、喷油器b10、氨燃料喷射器7、氢气喷射器20、高
压油轨5、气缸盖11、进气歧管28、进气门8、排气门27等；喷油器a9垂直安装于气缸盖11上，其轴线与气缸中心线重合；喷油器b10垂直安装于气缸盖11上，其轴线与喷油器a9轴线平行并保持一定距离；氨燃料喷射器7倾斜安装于进气歧管28上，氨燃料喷射方向沿进气歧管28指向所述气缸内部；氢气喷射器20倾斜安装于进气歧管28上且氢气喷射器20轴线与氨燃料喷射器7轴线共面，氢气喷射方向与氨燃料喷射方向交叉，以便在燃料喷射时形成对冲射流增强与空气的混合。根据柴油/氨双燃料发动机运行工况，采用纯柴油燃烧模式与双燃料燃烧模式两种工作模式，同时采用米勒循环以及双重重整提高氨燃料燃烧活性，充分发挥柴油/氨双燃料发动机燃料低碳和多燃料互补与协同优势，优化控制氨燃料喷射器7、氢气喷射器20、喷油器a9、喷油器b10的燃料喷射量、喷射正时及喷射规律，以增强发动机燃料喷射精度与实现缸内燃料分布的控制，提高发动机全工况运行条件下经济性与动力性。
26.单共轨双喷油器由高压油轨5、喷油器a9、喷油器b10等组成；所述的喷油器a9、喷油器b10均与高压油轨5连接；所述喷油器a9、喷油器b10均具有多喷孔结构喷嘴，喷油器a9喷孔为均匀分布，喷油器b10喷孔大小不同；所述喷油器a9柴油喷射量可以满足发动机中高负荷高转速下燃料供应需求；所述喷油器b10柴油喷射量可以满足发动机低负荷低转速工况、起动工况、怠速工况以及氨燃料活性重整及引燃工况下燃料供应的精确控制。采用单共轨双喷油器系统可以兼顾发动机在不同运行工况下大流量与小流量精确控制需求。
27.利用米勒循环提高双燃料发动机的经济性，采用长膨胀冲程和短压缩冲程设计，即在进气过程中，将进气门8开启周期缩短，在活塞运行到下止点前关闭进气门8，实现气缸压缩比小于膨胀比，提高发动机热效率。
28.氨燃料喷射器7带有中段加热和轴针式单孔喷射器结构，氨燃料喷射器7中部安装有加热电阻26，所述加热电阻26工作于氨燃料喷射阶段，促进氨燃料汽化，强化进气阶段氨燃料与空气之间的扰动使得混合均匀。
29.双重重整是：当柴油/氨双燃料发动机工作在双燃料模式下，在氨燃料喷射器7喷射时氢气同时进行喷射，氢气易燃特性可提高氨燃料与空气混合气的反应活性，同时氢气与氨燃料交叉喷射可强化与空气的混合的均匀性，喷油器b10在气缸压缩过程中进行多次柴油喷射，利用柴油预喷射形成的低温反应活性基团对缸内混合气的反应活性进一步改善，实现混合气活性的双重重整，解决氨燃料燃烧速度慢的问题。
30.通过综合调配喷油器a9、喷油器b10、氨燃料喷射器7、氢气喷射器20的喷射量、喷射正时及喷射规律，改变燃烧过程中燃料的比例分配、浓度与燃烧模式。本专利柴油/氨双燃料发动机能够实现纯柴油燃烧模式与双燃料燃烧模式两种工作模式，具体实施方案为：
31.(1)在纯柴油燃烧模式下：根据发动机运行工况的不同，对喷油器a9、喷油器b10的工作状态进行动态调节。当发动机处于起动、怠速、低负荷工况时，仅有喷油器b10处于工作状态，喷油器b10在压缩上止点前开始喷射，喷射始点随着负荷增加而逐步推迟，以优化燃烧正时，通过使用小流量喷射器，并使喷油器b10在线性特性区工作，实现喷射油量的精确控制，改善发动机经济性；当发动机处于中高负荷工况时，为解决喷油器b10的喷油量无法满足发动机燃料流量需求的问题，采用喷油器a9、喷油器b10同时工作方式，并确保喷油器a9在线性特性区工作，喷油器a9在压缩上止点前开始喷射，喷射始点随着负荷增加而逐步推迟，以优化燃烧正时，同时为防止喷油器b10因高温燃烧而产生积碳或烧蚀等问题，喷油器b10在发动机输出功率大于75％额定功率时进行柴油喷射，满足柴油/氨双燃料发动机动
力需求。
32.(2)在双燃料燃烧模式下：氨燃料喷射器7、氢气喷射器20和和喷油器b10协同工作，氨燃料喷射器7喷射始点在排气门27关闭后10℃a-40℃a，喷射终点在进气门8关闭前10℃a-20℃a，随着发动机负荷增加，喷射始点逐步提前，所喷射氨燃料总热值占总燃料热值的80％-85％之间；氢气喷射器20喷射始点在排气门27关闭后20℃a-50℃a，喷射终点在氨燃料喷射器关闭前10℃a-20℃a，并且喷射始点随着氨燃料喷射量增加逐步提前，所喷射氢燃料总热值占总燃料热值的5％-10％之间；喷油器b10在压缩上止点前且压缩行程的后半段进行多次喷射，所喷射柴油燃料热值占总燃料热值的10％-15％。在氨燃料喷射器7喷射时氢气同时进行喷射，氢气易燃特性可提高氨燃料与空气混合气的反应活性，同时氢气与氨燃料交叉喷射可强化与空气的混合的均匀性，喷油器b10在气缸压缩过程中进行多次柴油喷射，利用柴油预喷射形成的低温反应活性基团对缸内混合气的反应活性进一步改善，实现混合气活性的双重重整，加快火焰传播速度，在短时间内完成燃烧，减少排放的同时，为发动机提供强劲动力。

技术特征：
1.一种采用加氢活性重整的柴油氨双燃料发动机燃烧系统，其特征是：包括气缸盖、气缸壁、活塞、柴油油箱、氨燃料储存罐、氢气储气罐，所述气缸盖、气缸壁和活塞形成气缸，气缸盖上设置喷油器a、喷油器b、进气门、排气门，气缸通过进气门连接进气歧管，气缸通过排气门连接排气歧管，进气歧管里设置氨燃料喷射器和氢气喷射器，柴油油箱依次连接输油泵、燃料滤清器、喷油泵、高压油轨，高压油轨分别连接喷油器a和喷油器b，氨燃料储存罐依次连接氨燃料输送泵、氨燃料滤清器、喷氨泵、氨燃料油轨，氨燃料油轨连接氨燃料喷射器，氢气储气罐依次连接蒸发调压器、氢气气轨，氢气气轨连接氢气喷射器，喷油器a垂直安装于气缸盖上，其轴线与气缸中心线重合，喷油器b垂直安装于气缸盖上，其轴线与喷油器a轴线平行，氨燃料喷射器倾斜安装于进气歧管上，氨燃料喷射方向沿进气歧管指向所述气缸内部，氢气喷射器倾斜安装于进气歧管上且氢气喷射器轴线与氨燃料喷射器轴线共面，氢气喷射方向与氨燃料喷射方向交叉。2.根据权利要求1所述的一种采用加氢活性重整的柴油氨双燃料发动机燃烧系统，其特征是：喷油器a、喷油器b均具有多喷孔结构喷嘴，喷油器a喷孔为均匀分布，喷油器b喷孔大小不同。3.根据权利要求1所述的一种采用加氢活性重整的柴油氨双燃料发动机燃烧系统，其特征是：氨燃料喷射器带有中段加热和轴针式单孔喷射器结构，氨燃料喷射器中部安装有加热电阻。4.一种采用加氢活性重整的柴油氨双燃料发动机燃烧方法，其特征是：包括纯柴油燃烧模式：根据发动机运行工况的不同，对喷油器a、喷油器b的工作状态进行动态调节，当发动机处于起动、怠速、低负荷工况时，仅有喷油器b处于工作状态，喷油器b在压缩上止点前开始喷射，喷射始点随着负荷增加而推迟，通过使用小流量喷射器，并使喷油器b在线性特性区工作，实现喷射油量的精确控制；当发动机处于中高负荷工况时，采用喷油器a、喷油器b同时工作方式，且喷油器a在线性特性区工作，喷油器a在压缩上止点前开始喷射，喷射始点随着负荷增加而推迟，喷油器b在发动机输出功率大于75％额定功率时进行柴油喷射，满足柴油/氨双燃料发动机动力需求。5.根据权利要求4所述的一种采用加氢活性重整的柴油氨双燃料发动机燃烧方法，其特征是：包括双燃料燃烧模式：氨燃料喷射器、氢气喷射器和喷油器b协同工作，氨燃料喷射器喷射始点在排气门关闭后10℃a-40℃a，喷射终点在进气门关闭前10℃a-20℃a，随着发动机负荷增加，喷射始点随之提前，所喷射氨燃料总热值占总燃料热值的80％-85％之间；氢气喷射器喷射始点在排气门关闭后20℃a-50℃a，喷射终点在氨燃料喷射器关闭前10℃a-20℃a，并且喷射始点随着氨燃料喷射量增加而提前，所喷射氢燃料总热值占总燃料热值的5％-10％之间；喷油器b在压缩上止点前且压缩行程的后半段进行喷射，所喷射柴油燃料热值占总燃料热值的10％-15％；在氨燃料喷射器喷射时氢气同时进行喷射，喷油器b在气缸压缩过程中进行柴油喷射，利用柴油预喷射形成的低温反应活性基团对缸内混合气的反应活性进一步改善，实现混合气活性的双重重整。

技术总结
本发明的目的在于提供一种采用加氢活性重整的柴油氨双燃料发动机燃烧系统及燃烧方法，包括单共轨双喷油器、氨燃料喷射器、氢气喷射器等，为实现发动机燃料喷射精度控制，氨燃料采用进气道多点喷射方式实现供给，柴油燃料采取单共轨双喷油器实现高低流量喷射方式完成供给。本发明根据柴油/氨双燃料发动机运行工况，采用纯柴油燃烧模式与双燃料燃烧模式两种工作模式，同时采用米勒循环优化活塞做工以及双重重整提高氨燃料燃烧活性，降低发动机全工况运行条件下污染物排放。工况运行条件下污染物排放。工况运行条件下污染物排放。


技术研发人员：杨立平 张风林
受保护的技术使用者：哈尔滨工程大学
技术研发日：2023.02.09
技术公布日：2023/6/27