压燃氨氢融合发动机

1.本发明涉及发动机燃烧技术领域，特别地涉及一种压燃氨氢融合发动机。


背景技术：

2.我国提出了争取在2030年前实现“碳达峰”目标、2060年前实现“碳中和”的“双碳”目标。传统化石燃料会产生碳排放，因此在此大背景下，寻找合适的低碳、零碳燃料和开发高效的新型燃烧技术以降低内燃机碳排放成为全世界共同关注的问题。
3.氢气具有燃烧速度、极易点燃、可燃极限范围宽等优点，但是由于基础设施、运输存储和安全问题的限制，氢气目前仍难以被大规模应用于内燃机中。而氨气是良好的氢能载体，在25℃、9bar的条件下即可完全液化，便于存储和运输，且液氨的密度(602kg/m3)远大于液氢(71kg/m3)，具有较高的含氢密度，因此氨气被认为是目前最具前景的碳中和燃料。另外，氨气产业链与基础设施开发均已成熟，全球氨气年产量已超过2亿吨，这为氨气作为碳中和燃料的大规模推广应用提供了重要前提。
4.氨气作为碳中和燃料应用于内燃机具有很多优势。第一，氨气具有较高的汽化潜热，可作为发动机制冷剂进行余热回收，从而提高发动机热效率；第二，氨气具有较高的辛烷值，有利于抑制发动机爆震，使得氨气发动机可以在较高得压缩比下运行，从而提高循环热效率；第三，与传统燃料相比，氨气发动机得润滑油消耗少，功率损失低；第四，氨气绝热火焰温度较低，可降低传热损失，进而提高发动机热效率；第五，氨气得化学当量比混合气热值与汽油相当，可以满足发动机得动力性要求。
5.将氨燃料应用于压燃发动机中，取代传统的柴油等化石燃料，可以极大地降低碳排放。但是氨气难以着火且燃烧速度慢，在压燃发动机中很难燃烧。
6.以上也就是说，现有技术中存在氨气在压燃发动机中很难压燃的问题。


技术实现要素：

7.本发明提供一种压燃氨氢融合发动机，用于解决氨气在压燃发动机中很难压燃的问题。
8.本发明提供一种压燃氨氢融合发动机，包括：气缸，具有内腔；以及活塞，在内腔内往复运动，活塞的上端面与内腔限定出燃烧室；以及第一进气管路，与燃烧室的连通，用于向燃烧室通入氨气和空气的混合气体；以及排气管路，与燃烧室连通，用于排出在燃烧室燃烧后生成的气体；以及第二进气管路，与燃烧室连通，第二进气管路以喷射的方式向燃烧室通入氢气；其中，活塞在内腔内运动能够压缩燃烧室内的混合气体，当活塞运动至上止点时，喷入燃烧室内的氢气发生自燃，以引燃混合气体。
9.在一个实施方式中，第二进气管路包括：氢气供给管道，具有输入端和输出端；以及氢气减压阀，设置在氢气供给管道上；以及氢气喷射器，设置在输出端上；其中，氢气从输入端流入氢气供给管道，经过氢气减压阀减压后从输出端流出，再通过氢气喷射器喷入燃烧室内。
10.在一个实施方式中，第二进气管路还包括氢气储罐，氢气储罐与氢气供给管道的输入端连通，用于向氢气供给管道输入氢气。
11.在一个实施方式中，氢气喷射器上设置有一个或多个喷射孔，喷射孔能够将氢气喷入燃烧室。
12.在一个实施方式中，当氢气喷射器上设置有多个喷射孔时，多个喷射孔间隔设置，能够同时将氢气喷入燃烧室。
13.在一个实施方式中，第一进气管路包括：进气管道，具有输出端和输入端，输出端与燃烧室连通；以及氨气供给管路，设置在进气管道上，氨气供给管路用于向进气管道通入氨气；其中，外部空气通过进气管道的输入端进入进气管道，氨气通过氨气供给管路进入进气管道，外部空气与氨气在进气管道内混合后通入燃烧室内。
14.在一个实施方式中，第一进气管路还包括温压控制系统，温压控制系统设置在进气管道上，且位于氨气供给管路和输出端之间，温压控制系统用于调节向燃烧室通入的混合气体的温度和压力。
15.在一个实施方式中，氨气供给管路包括：氨气供给管道，具有输出端和输入端；以及氨气喷射器，设置在输出端上；以及氨气减压阀，设置在氨气供给管道上；其中，氨气从输入端流入氨气供给管道，经过氨气减压阀减压后从输出端流出，再通过氨气喷射器喷入燃烧室内。
16.在一个实施方式中，氨气供给管路还包括氨气储罐，氨气储罐与氨气供给管道的输入端连通，用于向氨气供给管道输入氨气。
17.在一个实施方式中，第一进气管路与燃烧室的第一连通处同排气管路与燃烧室的第二连通处在第一方向上间隔设置，第二进气管路与燃烧室的第三连通处位于第一连通处和第二连通处之间。
18.与现有技术相比，本发明的优点在于，设置第一进气管路用于向燃烧室通入氨气和空气的均匀混合气体。增设第二进气管路用于向气缸内直喷氢气。利用氢气引燃氨气和空气的均匀混合气体。从而解决了相关技术中氨气在柴油机中难以压燃的问题。进而确保压燃氨氢融合发动机能够正常地工作。
附图说明
19.在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。
20.图1是本发明的实施例中压燃氨氢融合发动机的结构示意图。
21.附图标记：
22.10、气缸；11、缸盖；12、缸体；20、活塞；21、上端面；30、燃烧室；40、第一进气管路；41、进气管道；42、氨气供给管路；421、氨气供给管道；422、氨气喷射器；423、氨气减压阀；424、氨气储罐；43、温压控制系统；50、第二进气管路；51、氢气供给管道；52、氢气减压阀；53、氢气喷射器；54、氢气储罐；60、进气门；70、排气门；80、排气管路。
具体实施方式
23.下面将结合附图对本发明作进一步说明。
24.如图1所示，本发明提供一种压燃氨氢融合发动机，其包括气缸10、活塞20、第一进
气管路40、排气管路80和第二进气管路50。其中，气缸10具有内腔。活塞20在内腔内往复运动，活塞20的上端面21与内腔限定出燃烧室30。第一进气管路40与燃烧室30的连通，用于向燃烧室30通入氨气和空气的混合气体。排气管路80与燃烧室30连通，用于排出在燃烧室30燃烧后生成的气体；第二进气管路50与燃烧室30连通，以喷射的方式向燃烧室30通入氢气。活塞20在内腔内运动能够压缩燃烧室30内的混合气体，当活塞20运动至上止点时，喷入燃烧室30内的氢气发生自燃，以引燃混合气体。
25.上述设置中，设置第一进气管路40用于向燃烧室30通入氨气和空气的均匀混合气体。增设第二进气管路50用于向气缸10内直喷氢气。利用氢气引燃氨气和空气的均匀混合气体。从而解决了相关技术中氨气在柴油机中难以压燃的问题。进而确保压燃氨氢融合发动机能够正常地工作。
26.需要说明的是，本技术中发动机“压燃”的具体实现方式为：在压缩冲程时，进排气门均关闭，气缸10、活塞20和缸盖底面形成封闭的燃烧室30，随着活塞20上行，燃烧室30的空间被压缩。根据热力学定律，燃烧室30内氨气和空气的混合气的温度和压力升高。区别于传统的火花点火发动机，本技术中的发动机采用更高的压缩比，当活塞20运行到上止点(燃烧室30的空间最小时，对应的活塞20的位置点)时氨气和空气混合气的压力和温度更高，当氢气喷入燃烧室30时，在当前的压力和温度环境下，氢气会发生自燃，进而引燃氨气和空气的混合气，而不需要额外设置火花塞等辅助设备来点燃。
27.具体地，如图1所示，在一个实施例中，第一进气管路40与燃烧室30的第一连通处同排气管路80与燃烧室30的第二连通处在第一方向上(图1中的水平方向)间隔设置，第二进气管路50与燃烧室30的第三连通处位于第一连通处和第二连通处之间。
28.具体地，如图1所示，在一个实施例中，气缸10包括缸盖11和缸体12。第一连通处和第二连通处分别位于缸盖11的两侧，且相对与缸盖11的的中心轴线对称设置。第三连通处则位于缸盖11的中心位置。
29.具体地，如图1所示，在一个实施例中，第二进气管路50包括氢气供给管道51、氢气减压阀52和氢气喷射器53。其中，氢气供给管道51具有输入端和输出端，氢气减压阀52设置在氢气供给管道51上，氢气喷射器53设置在输出端上。氢气从输入端流入氢气供给管道51，经过氢气减压阀52减压后从输出端流出，再通过氢气喷射器53喷入燃烧室30内。
30.上述设置中，氢气喷射器53能够将氢气以雾状喷射入燃烧室30，以与氨气和空气的均匀混合气体充分混合。当氢气喷入燃烧室30时，氢气能够将混合气体引燃。从而驱动活塞20在内腔内往复运动做功，进而确保压燃氨氢融合发动机能够正常地工作。
31.具体地，如图1所示，在一个实施例中，第二进气管路50还包括氢气储罐54，氢气储罐54与氢气供给管道51的输入端连通，用于向氢气供给管道51输入氢气。
32.上述设置中，氢气储罐54能够为压燃氨氢融合发动机持续的提供氢气，从而确保燃烧室30内会有充足的氢气将混合气体引燃。从而驱动活塞20在内腔内往复运动做功，进而确保压燃氨氢融合发动机能够正常地工作。
33.具体地，如图1所示，在一个实施例中，氢气喷射器53的外圆周上间隔设置有多个喷射孔，多个喷射孔能够同时将氢气喷入燃烧室30。
34.上述设置中，多个喷射孔能够同时将氢气喷入燃烧室30。这样使得氢气能够快速地喷入燃烧室30与混合气体充分混合。进一步地确保有充足的氢气将混合气体引燃，驱动
活塞20在内腔内往复运动做功，进一步地确保了压燃氨氢融合发动机能够正常地工作。另外，也避免了设置单个喷射孔容易堵塞而导致氢气无法喷入燃烧室30引燃的问题。从而确保压燃氨氢融合发动机能够稳定且持续的工作。
35.需要说明的是，当活塞20即将运行到上止点时，可将氢气喷入燃烧室30内，燃烧室30内的氢气自燃以引燃混合气体。
36.具体地，如图1所示，在一个实施例中，第一进气管路40包括进气管道41和氨气供给管路42。其中，进气管道41具有输出端和输入端，输出端与燃烧室30连通。氨气供给管路42设置在进气管道41上，氨气供给管路42用于向进气管道41通入氨气。外部空气通过进气管道41的输入端进入进气管道41，氨气通过氨气供给管路42进入进气管道41，外部空气与氨气在进气管道41内混合后通入燃烧室30内。
37.上述设置中，将第一进气管路40设成上述结构，能够使得氨气和外部空气能够在进气管道41内充分混合均匀后再进入燃烧室30。这样能够提高混合气体的燃烧效率，从而能够提高活塞20的工作效率，进而提高了压燃氨氢融合发动机的工作效率。
38.具体地，如图1所示，在一个实施例中，第一进气管路40还包括温压控制系统43，温压控制系统43设置在进气管道41上，且位于氨气供给管路42和输出端之间，温压控制系统43用于调节向燃烧室30通入的混合气体的温度和压力。
39.上述设置中，温压控制系统43能够控制混合氨气和空气的混合气体的温度和压力。这样使得通入燃烧室30内的混合气体能够满足发动机燃烧的要求。从而确保压燃氨氢融合发动机能够高效地工作。
40.具体地，如图1所示，在一个实施例中，氨气供给管路42包括氨气供给管道421、氨气喷射器422和氨气减压阀423。其中，氨气供给管道421具有输出端和输入端，氨气喷射器422设置在输出端上，氨气减压阀423设置在氨气供给管道421上。氨气从输入端流入氨气供给管道421，经过氨气减压阀423减压后从输出端流出，再通过氨气喷射器422喷入燃烧室30内。
41.上述设置中，氨气喷射器422能够将氨气以雾状喷射入氨气供给管道421内，这样确保氨气能够与外部空气快速且均匀的混合。从而确保通入燃烧室30内的混合气体能够满足发动机的燃烧要求。进而确保压燃氨氢融合发动机能够稳定且高效的工作。
42.具体地，如图1所示，在一个实施例中，氨气供给管路42还包括氨气储罐424，氨气储罐424与氨气供给管道421的输入端连通，用于向氨气供给管道421输入氨气。
43.上述设置中，氨气储罐424能够为压燃氨氢融合发动机持续的提供氨气，从而确保燃烧室30内有充足氨气和空气的混合气体。进而确保混合气体燃烧后，压燃氨氢融合发动机能够获得足够的能量而正常地工作。
44.具体地，如图1所示，在一个实施例中，压燃氨氢融合发动机还包括进气门60，进气门60设置在第一连通处，用于控制第一进气管路40与燃烧室30的通断。
45.具体地，如图1所示，在一个实施例中，压燃氨氢融合发动机还包括排气门70，排气门70设置在第二连通处，用于控制第二进气管路50与燃烧室30的通断。
46.下面结合图1，阐述一下本技术的一个完整的实施例：
47.如图1所示，此实施例提出的压燃氨氢融合发动机包括氨气储罐424、氨气减压阀423、氨气喷射器422、进气道(进气管道41)、进气压力温度控制系统(温压控制系统43)、进
气门60、燃烧腔体、活塞20、缸盖11、氢气喷射器53、氢气供给管道51、排气门70、排气道(排气管路80)、氢气减压阀52、氢气储罐54等。
48.具体地，压燃氨氢融合发动机采用压缩着火模式，发动机的压缩比高于或与现有柴油机持平。发动机的燃烧腔体由进气道、进气门60、排气道、排气门70、缸盖11、缸体12和活塞20等围成，燃烧腔体包括燃烧室30。发动机采用双燃料燃烧模式，使用氨气储罐424和氢气储罐54，可实现氨气和氢气的独立供应。
49.具体地，氨气储罐424内储存燃料液氨，出口处连接氨气减压阀423，氨气减压阀423通过管路连接氨气喷射器422，液氨蒸发形成压力为其饱和蒸汽压的气态氨气，经过氨气减压阀423后调节压力后通入氨气喷射器422。氨气喷射器422安装在进气道上，其喷孔朝向进气道内，在外部控制系统的作用下可向进气道喷射氨气，氨气喷射的时刻和喷射的时长均可由外部控制系统调节。喷入进气道的氨气与其内的空气混合后形成氨气混合气体，混合气体可由温压控制系统43调节其压力和温度，再从进气门60处进入燃烧室30。
50.具体地，氢气储罐54内存储有燃料氢气，出口处连接氢气减压阀52，氢气减压阀52通过氢气供给管路与氢气喷射器53连接，氢气喷射器53安装在缸盖11上，其喷孔朝向燃烧室30内部，可直接向燃烧室30内喷射氢气。氢气在压缩冲程末期开始喷射，用于引燃燃烧室30内的可燃氨气混合气体。氢气喷射器53至少有两个氢气喷孔，氢气喷孔与竖直方向有一定夹角且沿竖直方向成轴对称。氢气在压缩冲程末期开始喷射，可单次或多次喷射。在上止点附近，缸内压力和温度很高，氢气可发生自燃并引燃燃烧室30内的氨气。
51.本发明提出的压燃氨氢融合发动机具有以下优势：
52.1、零碳排放。发动机采用的燃料为氢气和氨气，其燃烧均不产生碳排放，对于实现“双碳”目标具有重要意义。
53.2、结构简单，成本低。发动机可由传统柴油机经过简单改造而来。只需将传统的柴油喷射器改装替换成氢气喷射器，并在进气道加装氨气喷射系统即可实现本发明的功能。
54.3、可实现氨气的快速、稳定着火。由于氢气易着火且燃烧速度快，喷入缸内与氨气混合，可提高混合气整体化学反应活性，使得氨气快速、稳定地着火，解决了氨气在压燃发动机难以着火的问题。
55.虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

技术特征：
1.一种压燃氨氢融合发动机，其特征在于，包括：气缸，具有内腔；以及活塞，在所述内腔内往复运动，所述活塞的上端面与所述内腔限定出燃烧室；以及第一进气管路，与所述燃烧室的连通，用于向所述燃烧室通入氨气和空气的混合气体；以及排气管路，与所述燃烧室连通，用于排出在所述燃烧室燃烧后生成的气体；以及第二进气管路，与所述燃烧室连通，所述第二进气管路以喷射的方式向所述燃烧室通入氢气；其中，所述活塞在所述内腔内运动能够压缩所述燃烧室内的所述混合气体，当所述活塞运动至上止点时，喷入所述燃烧室内的所述氢气发生自燃，以引燃所述混合气体。2.根据权利要求1所述的压燃氨氢融合发动机，其特征在于，所述第二进气管路包括：氢气供给管道，具有输入端和输出端；以及氢气减压阀，设置在所述氢气供给管道上；以及氢气喷射器，设置在所述氢气供给管道的输出端上；其中，氢气从所述氢气供给管道的输入端流入所述氢气供给管道，经过所述氢气减压阀减压后从所述氢气供给管道的输出端流出，再通过所述氢气喷射器喷入所述燃烧室内。3.根据权利要求2所述的压燃氨氢融合发动机，其特征在于，所述第二进气管路还包括氢气储罐，所述氢气储罐与所述氢气供给管道的输入端连通，用于向所述氢气供给管道输入所述氢气。4.根据权利要求2所述的压燃氨氢融合发动机，其特征在于，所述氢气喷射器上设置有一个或多个喷射孔，所述喷射孔能够将所述氢气喷入所述燃烧室。5.根据权利要求2所述的压燃氨氢融合发动机，其特征在于，当所述氢气喷射器上设置有多个喷射孔时，多个所述喷射孔间隔设置，能够同时将所述氢气喷入所述燃烧室。6.根据权利要求1所述的压燃氨氢融合发动机，其特征在于，所述第一进气管路包括：进气管道，具有输出端和输入端，所述进气管道的输出端与所述燃烧室连通；以及氨气供给管路，设置在所述进气管道上，所述氨气供给管路用于向所述进气管道通入氨气；其中，外部空气通过所述进气管道的输入端进入所述进气管道，所述氨气通过所述氨气供给管路进入所述进气管道，所述外部空气与所述氨气在所述进气管道内混合后通入所述燃烧室内。7.根据权利要求6所述的压燃氨氢融合发动机，其特征在于，所述第一进气管路还包括温压控制系统，所述温压控制系统设置在所述进气管道上，且位于所述氨气供给管路和所述进气管道的输出端之间，所述温压控制系统用于调节向所述燃烧室通入的所述混合气体的温度和压力。8.根据权利要求6所述的压燃氨氢融合发动机，其特征在于，所述氨气供给管路包括：氨气供给管道，具有输出端和输入端；以及氨气喷射器，设置在所述氨气供给管道的输出端上；以及氨气减压阀，设置在所述氨气供给管道上；其中，氨气从所述氨气供给管道的输入端流入所述氨气供给管道，经过所述氨气减压
阀减压后从所述氨气供给管道的输出端流出，再通过所述氨气喷射器喷入所述燃烧室内。9.根据权利要求8所述的压燃氨氢融合发动机，其特征在于，所述氨气供给管路还包括氨气储罐，所述氨气储罐与所述氨气供给管道的输入端连通，用于向所述氨气供给管道输入所述氨气。10.根据权利要求1所述的压燃氨氢融合发动机，其特征在于，所述第一进气管路与所述燃烧室的第一连通处同所述排气管路与所述燃烧室的第二连通处在第一方向上间隔设置，所述第二进气管路与所述燃烧室的第三连通处位于所述第一连通处和所述第二连通处之间。

技术总结
本发明涉及一种压燃氨氢融合发动机，涉及发动机燃烧技术领域，用于解决氨气在压燃发动机中很难压燃的问题，其包括：气缸，具有内腔；活塞，在内腔内往复运动，活塞的上端面与内腔限定出燃烧室；第一进气管路，与燃烧室的连通；排气管路，与燃烧室连通；第二进气管路，与燃烧室连通，第二进气管路以喷射的方式向燃烧室通入氢气。当活塞运动至上止点时，喷入燃烧室内的氢气发生自燃。本发明中设置第一进气管路用于向燃烧室通入氨气和空气的均匀混合气体。增设第二进气管路用于向气缸内直喷氢气。利用氢气引燃氨气和空气的均匀混合气体。从而解决了相关技术中氨气在柴油机中难以压燃的问题。进而确保压燃氨氢融合发动机能够正常地工作。而确保压燃氨氢融合发动机能够正常地工作。而确保压燃氨氢融合发动机能够正常地工作。


技术研发人员：王志 王巍 蔡开源 刘伟 刘尚 张日东 张启航 刘奕
受保护的技术使用者：清华大学
技术研发日：2023.01.31
技术公布日：2023/6/6