一种氨燃料内燃机燃烧装置

1.本发明涉及一种氨燃料内燃机燃烧装置，属于内燃机燃烧技术领域。


背景技术：

2.内燃机是交通运输领域主要的动力源，传统内燃机以化石能源为燃料经过燃烧产生热，再经过热功转换对外做功。化石能源属于碳氢燃料，在内燃机上应用不可避免地产生nox、pm、hc、co、co2等排放污染物，而co2是温室气体，是全球变暖的元凶，为了控制全球变暖，2015年12月12日在巴黎气候变化大会上通过了《巴黎协定》。《巴黎协定》长期目标是将全球平均气温较前工业化时期上升幅度控制在2摄氏度以内，并努力将温度上升幅度限制在1.5摄氏度以内，并且提出在本世纪下半叶实现温室气体人为排放与清除之间的平衡。
3.各领域都转向低碳或无碳新能源应用技术研发，作为内燃机也兴起了氢/氨无碳燃料燃烧技术研发。特别是氢燃料在内燃机上燃烧非常清洁，除了nox排放外没有碳氢燃料燃烧所产生的co2、co、hc、pm等有害排放物。但是由于氢燃料能量密度低、储存及运输难、安全性差，目前在内燃机上商业化应用氢燃料还不太现实。而作为氢能载体的同样是无碳的氨燃料，在能量密度、制备、储存及运输、安全性等方面与现有的汽油、柴油相当，因此有可能成为内燃机较好的无碳替代燃料。然而，由于氨的自燃温度高、燃烧速度慢、点火能量高，在内燃机上应用面临着需要攻克的技术难点。
4.现有氨燃料在内燃机上实现正常燃烧的技术是借助助燃剂，如柴油、汽油、等与氨一同参与燃烧，例如如图1所示，由图可知，为了实现氨燃料在现有内燃机上正常燃烧，图1所示的装置需要碳氢燃料如柴油作助燃剂，也就是将氨燃料喷入进气道303，与空气混合后在进气行程进入发动机燃烧室9，形成氨-空气混合气(具体结构为，氨燃料压力罐4通过导管与氨燃料压力轨道7相连通，氨燃料压力轨道7的另一端通过管道与氨燃料喷射器101的顶端相连通，进气道303安装在发动机汽缸盖301上，并伸入燃烧室9中，且氨燃料喷射器101的底部与进气道303相连通)。作为碳氢燃料的助燃剂，从碳氢燃料罐11吸入碳氢燃料增压泵12经增压后，送入碳氢燃料轨道13，最后送入碳氢燃料喷射器10由触发信号启动后，在压缩上止点附近将碳氢燃料喷入燃烧室9(具体结构为：碳氢燃料罐11的一端通过导管与碳氢燃料增压泵12相连通，碳氢燃料增压泵12的出口端通过导管与碳氢燃料轨道13相连通，所述碳氢燃料轨道13的另一端通过导管与碳氢燃料喷射器10的顶部相连通，碳氢燃料喷射器10安装在发动机气缸盖301上，并伸入燃烧室9，发动机汽缸盖301上还设有排气道304)，碳氢燃料如柴油首先压燃后，引起发动机气缸内氨-空气混合气的温度、压力加剧升高，促成氨燃料着火，实现氨燃料的正常燃烧。由此可见，现有技术需要两种燃料喷射系统，即氨燃料喷射系统和碳氢燃料喷射系统，系统复杂，燃料加注麻烦；而且主要燃料氨是在发动机气缸外喷射的，与缸内直喷相比热效率低；再有碳氢燃料助燃剂的参与不可避免温室气体co2的产生。
5.为此，针对上述缺陷，设计一种只用氨燃料的内燃机燃烧装置来解决上述缺陷很有必要。


技术实现要素：

6.本发明针对上述背景技术所提及的技术问题，而采用以下技术方案来实现：
7.一种氨燃料内燃机燃烧装置，包括氢气辅助氨燃料喷射器、氨催化裂解装置、氨氢燃烧系统、氨燃料压力罐、氢气增压泵；所述氢气辅助氨燃料喷射器的上部设有氨燃料喷射器，中部设有氨氢混合腔，下部设有氢气喷射器；
8.所述氨氢燃烧系统包括发动机气缸盖和火花塞；
9.所述氨燃料压力罐的一侧壁下端与氨催化裂解装置的入口通过管道相连通，用于将氨输送至氨催化裂解装置中，经催化裂解制氢气，所述氨燃料压力罐的顶部侧壁通过管道连通有氨燃料压力轨道，所述氨燃料压力轨道的出口端通过管道氨燃料喷射器相连通，所述氨燃料喷射器与氢气辅助氨燃料喷射器的氢气喷射器的顶部相连通；
10.所述氨催化裂解装置的一端通过管道连通有氢气增压泵，所述氢气增压泵的出口端通过管道连通有氢气压力轨道，所述氢气压力轨道通过管道与氢气喷射器的内顶端侧壁相连通，所述氢气喷射器的底部伸入燃烧室，并与燃烧室的内部相连通，
11.所述氢气辅助氨燃料喷射器的中部设有氨氢混合腔，所述氢气压力轨道的出口端通过管道与氨氢混合腔相连通，用于氨与氢气的混合；所述氨氢混合腔与氢气喷射器的内顶端侧壁相连通；
12.所述发动机气缸盖上安装有火花塞，并与燃烧室相连通，且所述火花塞靠近氢气喷射器，用于形成喷雾引导燃烧，实现分层燃烧。
13.作为优选实例，所述氨氢燃烧系统还包括排气道，排气道的一侧壁连通有废气管道，所述废气管道的顶部与氨催化裂解装置的底部相连通，用于向氨催化裂解装置提供热能，促进氨催化裂解成氢气，所述排气道的一端端部与外部环境相连通，另一端伸入发动机气缸盖，并与燃烧室相连通。
14.作为优选实例，所述氨氢燃烧系统还包括进气道和活塞，所述进气道的一端安装在发动机气缸盖上，并与燃烧室相连通，所述进气道与排气道在发动机气缸盖的上呈对称设置，且所述活塞位于燃烧室内部。
15.作为优选实例，所述氢气辅助氨燃料喷射器的氨燃料喷射器和氢气喷射器均安装在发动机气缸盖上。
16.有益效果：
17.1)只用一种氨燃料在内燃机上实现燃烧，系统简单，使用方便；
18.2)缸内低压直喷，成本低、可靠性高、热效率高；
19.本发明采用缸内低压氢气辅助氨燃料喷射技术，与现有柴油机缸内高压直喷技术相比，喷射压力低两个数量级(如现有柴油机缸内高压直喷所需压力大于2000bar，而本发明喷射压力小于20bar)，可靠性好；与气道喷射技术相比，计量精确、热效率高。
20.3)与现有碳氢燃料相比，氨是无碳燃料，没有co2温室气体排放问题。
21.4)部分氨催化裂解成氢后一起参与燃烧，有利于实现快速燃烧，解决氨燃烧速度慢的问题，提高热效率。
附图说明
22.图1为现有技术的结构示意图；
23.图2为本发明的装置示意图；
24.图中：1-氢气辅助氨燃料喷射器；101-氨燃料喷射器；102-氨氢混合腔；103-氢气喷射器；2-氨催化裂解装置；3-氨氢燃烧系统；301-发动机气缸盖；302-活塞；303-进气道；304-排气道；305-火花塞；4-氨燃料压力罐；5-氢气增压泵；6-废气通道；7-氨燃料压力轨道；8-氢气压力轨道；9-燃烧室；10-碳氢燃料喷射器；11-碳氢燃料罐；12-碳氢燃料增压泵；13-碳氢燃料轨道。
具体实施方式
25.为了对本发明的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。
26.如图2所示，一种氨燃料内燃机燃烧装置，包括氢气辅助氨燃料喷射器1、氨催化裂解装置2、氨氢燃烧系统3、氨燃料压力罐4、氢气增压泵5；氢气辅助氨燃料喷射器1包括上部的氨燃料喷射器101，中部的氨氢混合腔102，和下部的氢气喷射器103；氨氢燃烧系统3包括发动机气缸盖301和火花塞305；
27.氨燃料压力罐4的一侧壁下端与氨催化裂解装置2的入口通过管道相连通，用于将氨输送至氨催化裂解装置2中，经催化裂解制氢气，氨燃料压力罐4的顶部侧壁通过管道连通有氨燃料压力轨道7，氨燃料压力轨道7的出口端通过管道与氨燃料喷射器101相连通，氨燃料喷射器101与氢气辅助氨燃料喷射器1的氢气喷射器103的顶部相连通；
28.氨催化裂解装置2的一端通过管道连通有氢气增压泵5，氢气增压泵5的出口端通过管道连通有氢气压力轨道8，氢气压力轨道8通过管道与氢气喷射器103的内顶端侧壁相连通，氢气喷射器103的底部伸入燃烧室9，并与燃烧室9的内部相连通，
29.氢气辅助氨燃料喷射器1的中部设有氨氢混合腔102，氢气压力轨道8的出口端通过管道与氨氢混合腔102相连通，用于氨与氢气的混合；氨氢混合腔102与氢气喷射器103的内顶端侧壁相连通；
30.发动机气缸盖301上安装有火花塞305，并与燃烧室9相连通，且火花塞305靠近氢气喷射器103，用于形成喷雾引导燃烧，实现分层燃烧。
31.氨氢燃烧系统3还包括排气道304，排气道304的一侧壁连通有废气管道6，废气管道6的顶部与氨催化裂解装置2的底部相连通，用于向氨催化裂解装置2提供热能，促进氨催化裂解成氢气，排气道304的一端端部与外部环境相连通，另一端伸入发动机气缸盖301，并与燃烧室9相连通。
32.氨氢燃烧系统3还包括进气道303和活塞302，进气道303的一端安装在发动机气缸盖301上，并与燃烧室9相连通，进气道303与排气道304在发动机气缸盖301的上呈对称设置，且活塞305位于燃烧室9内部。
33.氢气辅助氨燃料喷射器1的氨燃料喷射器101和氢气喷射器103均安装在发动机气缸盖301上。
34.工作原理：当内燃机运转时，活塞302上行在压缩行程的某个时刻，氢气辅助氨燃料喷射器1的氨燃料喷射器101首先启动打开，将氨燃料压力轨道7内的氨燃料以压力p1喷入中部的氨氢混合腔102，该氨氢混合腔102与氢气压力轨道8连通。因此，氨与氢气在氨氢混合腔102内进行混合；
35.经过一定时间后，当下部的氢气喷射器103打开后，将氨氢混合腔102内的氨氢混合气以压力p2喷向燃烧室9，在此过程中，压缩氢气膨胀撕裂氨喷雾的液滴，提高喷雾质量；
36.氢喷射量只需要氨氢喷射总量的30％左右；
37.氨催化裂解装置2从氨燃料压力罐4引入一部分氨进行催化裂解制氢，发动机的排气道304中的一部分废气通过废气通道6引入氨催化裂解装置2，向其提供热能，促进氨催化裂解成氢气，裂解制成的氢气随后经过氢气增压泵5增压到p2(p2小于p1)，随后通向氢气压力轨道8，提供给氢气辅助氨燃料喷射器1的氢气喷射器103；
38.活塞302继续向上运动，压缩缸内空气并形成一定的空气运动，在压缩上止点附近氢气喷射器103打开，将氨氢混合腔内的氨氢混合气以压力p2喷入燃烧室9时，以喷雾为引导，并配合燃烧室9内空气运动，形成在火花塞305附近为理论当量比的氨-氢-空气混合气，而远离火花塞305向燃烧室9外围方向混合气逐渐变稀，这样在整个燃烧内部形成以火花塞305附近较浓，离开火花塞305向燃烧室9外围逐渐变稀的分层氨-氢-空气混合气。随后在压缩行程上止点附近的某一时刻触发火花塞305点火，点燃氨-氢-空气混合气，燃烧由火花塞305附近开始逐渐向燃烧室9外围推进。由于氢气在燃烧室9内的弥漫改善了氨-氢-空气混合气的着火性能，确保正常燃烧。
39.如此循环确保在单一氨燃料供给下内燃机的正常工作，实现零碳排放燃烧。
40.以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

技术特征：
1.一种氨燃料内燃机燃烧装置，其特征在于：包括氢气辅助氨燃料喷射器、氨催化裂解装置、氨氢燃烧系统、氨燃料压力罐、氢气增压泵；所述氢气辅助氨燃料喷射器的上部设有氨燃料喷射器，中部设有氨氢混合腔，下部设有氢气喷射器；所述氨氢燃烧系统包括发动机气缸盖和火花塞；所述氨燃料压力罐的一侧壁下端与氨催化裂解装置的入口通过管道相连通，用于将氨输送至氨催化裂解装置中，经催化裂解制氢气，所述氨燃料压力罐的顶部侧壁通过管道连通有氨燃料压力轨道，所述氨燃料压力轨道的出口端通过管道连通与氨燃料喷射器相连通，所述氨燃料喷射器与氢气辅助氨燃料喷射器的氢气喷射器的顶部相连通；所述氨催化裂解装置的一端通过管道连通有氢气增压泵，所述氢气增压泵的出口端通过管道连通有氢气压力轨道，所述氢气压力轨道通过管道与氢气喷射器的内顶端侧壁相连通，所述氢气喷射器的底部伸入燃烧室，并与燃烧室的内部相连通；所述氢气压力轨道的出口端通过管道与氨氢混合腔相连通，用于氨与氢气的混合；所述氨氢混合腔与氢气喷射器的内顶端侧壁相连通；所述发动机气缸盖上安装有火花塞，并与燃烧室相连通，且所述火花塞靠近氢气喷射器，用于形成喷雾引导燃烧，实现分层燃烧。2.根据权利要求1所述的一种氨燃料内燃机燃烧装置，其特征在于：所述氨氢燃烧系统还包括排气道，排气道的一侧壁连通有废气管道，所述废气管道的顶部与氨催化裂解装置的底部相连通，用于向氨催化裂解装置提供热能，促进氨催化裂解成氢气，所述排气道的一端端部与外部环境相连通，另一端伸入发动机气缸盖，并与燃烧室相连通。3.根据权利要求2所述的一种氨燃料内燃机燃烧装置，其特征在于：所述氨氢燃烧系统还包括进气道和活塞，所述进气道的一端安装在发动机气缸盖上，并与燃烧室相连通，所述进气道与排气道在发动机气缸盖的上呈对称设置，且所述活塞位于燃烧室内部。4.根据权利要求1所述的一种氨燃料内燃机燃烧装置，其特征在于：所述氢气辅助氨燃料喷射器的氨燃料喷射器和氢气喷射器均安装在发动机气缸盖上。

技术总结
本发明公开了一种氨燃料内燃机燃烧装置，属于内燃机燃烧技术领域。它包括氢气辅助氨燃料喷射器、氨催化裂解装置、氨氢燃烧系统、氨燃料压力罐、氢气增压泵；氢气辅助氨燃料喷射器的上部设有氨燃料喷射器，中部设有氨氢混合腔，下部设有氢气喷射器；氨燃料压力罐的一侧壁下端与氨催化裂解装置的入口通过管道相连通，用于将氨输送至氨催化裂解装置中，经催化裂解制氢气。本发明只用一种氨燃料在内燃机上实现燃烧，系统简单，使用方便；缸内低压直喷，成本低、可靠性高、热效率高；与现有碳氢燃料相比，氨是无碳燃料，没有CO2温室气体排放问题，部分氨催化裂解成氢后一起参与燃烧，有利于实现快速燃烧，解决氨燃烧速度慢的问题，提高热效率。效率。效率。


技术研发人员：缪雪龙 陈旭 邢付东 郑金保 狄亚格
受保护的技术使用者：上海工程技术大学
技术研发日：2023.02.07
技术公布日：2023/6/26