采用废气回流捕气活性重整的柴油、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燃烧方法。


背景技术：

2.氨具有较高的含氢量，体积能量密度与液化天然气、甲醇相近，且氨完全燃烧只产生无污染的水和氮气，氨由于能够进行清洁可再生替代燃烧逐渐受到人们越来越多的关注。但是氨存在着火温度高、可燃极限窄、火焰传播速度慢和nox排放高的缺点，因此，如何提高氨的燃烧效率、着火稳定性和no
x
排放性能是氨燃料实现清洁高效应用的重点研究方向。
3.为克服发动机使用氨燃料存在的低放热率、低燃烧效率和较差的火焰稳定性能缺陷，专利cn202210575359.6提出了一种带预燃室氨燃料发动机系统，通过排气热量的回收利用，在催化分解制氢装置中的催化床中对氨进行热分解制取氢气，再通过进气道注射氢气改善氨燃烧速度慢的问题。专利cn202123144032.3提出了一种氨燃料燃烧系统及发动机，通过监测单元和控制单元的配合，基于活塞位置和状态控制喷油时间、气门开闭，通过压燃第二燃烧室的燃料引燃第一燃烧室的氨燃料，而这些专利均未考虑各负荷工况下采用哪种喷射策略和燃烧模式来组织缸内混合气形成，以提高发动机燃烧效率和排放性能，且均未采用废气回流活性重整方法解决液氨/柴油双燃料发动机中高负荷工况氨逃逸大和no
x
排放多的问题。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供以实现发动机在全负荷工况下高效清洁运行的采用废气回流捕气活性重整的柴油、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.本发明采用废气回流捕气活性重整的柴油、氨双燃料发动机燃烧系统，其特征是：包括气缸盖、气缸、活塞、进气道、排气道，所述气缸盖、气缸合和活塞形成燃烧室，气缸盖上设置主喷油器、副喷油器、液氨喷射阀、进气门、排气门，燃烧室通过进气门连接进气道，燃烧室通过排气门连接排气道，燃烧室为滚流燃烧室，气缸盖底面为圆棚顶形，活塞顶面为凸顶形，靠近进气门一侧的凸起面为圆弧形，靠近排气门一侧的凸起面为斜坡形，排气门对应的排气凸轮上增加一个小凸轮，当排气行程结束进入进气行程时，与本气缸相邻的气缸进入排气行程初期，排气门在进气冲程后期开启设定的角度和升程，随着活塞继续下行，排气道内的压力高于气缸内压力，通过利用活塞下行产生的低压将排气道内的废气倒吸入燃烧室，在气缸内大尺度进气滚流带动下，回流的高温废气贴燃烧室的外围壁面旋转运动，实现缸内废气浓度分层。
7.本发明采用废气回流捕气活性重整的柴油、氨双燃料发动机燃烧系统还可以包
括：
8.1、进气道为切向进气道，进气道末端为倾斜缩口。
9.2、主喷油器垂直安装在气缸盖上，其中心轴线与气缸轴线重合，副喷油器倾斜安装在气缸盖内靠近排气门的一侧，其中心轴线与气缸轴线夹角为20-30
°
；液氨喷射阀倾斜安装在气缸盖内靠近进气门的一侧，其中轴线与气缸轴线夹角为15-25
°
。
10.3、主喷油器为大流量多孔喷油器，副喷油器为小流量多孔喷油器，液氨喷射阀为单孔喷射阀，主喷油器喷孔和副喷油器喷孔在喷嘴上均为非对称分布，使燃油喷雾喷射到活塞顶圆弧面一侧。
11.本发明采用废气回流捕气活性重整的柴油、氨双燃料发动机燃烧方法，其特征是：包括纯柴油工作模式：覆盖发动机全部运行工况条件，当发动机处于起动、怠速和低负荷工况时，控制小流量副喷油器在压缩上止点前喷射燃油工作，燃油喷射方向与进气滚流旋转方向相反，当发动机处于中高负荷工况时，在燃油流量进入主喷油器线性工作区后，控制大流量主喷油器和小流量副喷油器在压缩上止点前同时喷射燃油工作，主喷油器喷雾从副喷油器喷雾间隔中穿过，避免喷雾间碰撞接触，使燃油喷雾均匀分布在整个燃烧室。
12.本发明采用废气回流捕气活性重整的柴油、氨双燃料发动机燃烧方法还可以包括：
13.1、包括双燃料运行模式：当发动机处于中负荷工况时，控制排气门在进气冲程后期二次开启，将排气道内的高温废气倒吸入燃烧室内，在排气门二次开启期间，控制副喷油器向缸内喷射少量柴油，在高温回流废气的旋转带动下，促使柴油发生氧化反应生成高活性自由基，在压缩冲程中期，控制液氨喷射阀向缸内高压喷射液氨，在压缩冲程后期，利用凸顶活塞上行产生的挤压和分流作用，使大尺度滚流集中分布在活塞顶圆弧面一侧，小尺度挤流集中分布在活塞顶斜坡面一侧，在活塞顶斜坡面和气缸盖圆棚形凹坑的协同作用下，活塞顶斜坡面一侧的小尺度挤流不断向气缸中心运动，促使混合气在燃烧室中心区域梯度分布，在压缩冲程行至上止点附近时，控制副喷油器向混合气喷射引燃柴油，副喷油器采用两次喷射的控制策略；当发动机处于高负荷工况时，在进气冲程中期，控制液氨喷射阀向缸内低压喷射液氨，液氨喷射方向与进气滚流旋转方向相同，在进气冲程后期，控制排气门二次开启，在进气滚流的带动下，高温回流废气沿滚流外侧旋转流动，使循环废气分层分布于新鲜工质周围，在压缩冲程接近上止点附近时，控制副喷油器向缸内氨混合气单次喷射引燃柴油。
14.本发明的优势在于：本发明通过对主喷油器、副喷油器及液氨喷射阀喷射正时、喷射脉宽、喷射规律与燃烧室结构进行匹配设计，控制缸内混合气浓度梯度分布，实现分层燃烧；通过双峰排气凸轮型线设计，在进气冲程后期开启排气门，使部分高温废气倒流回气缸，促进柴油重整裂解生成高活性自由基，提高氨混合气的反应活性与燃烧速率，解决中高负荷工况下氨逃逸量大、nox排放量多的问题，满足液氨/柴油双燃料发动机清洁、高效运行需求。
附图说明
15.图1为本发明的结构示意图；
16.图2为双峰排气凸轮型线图；
17.图3为进排气门升程曲线图；
18.图4为回流废气与进气气流分层流动示意图；
19.图5为主喷油器和副喷油器喷雾分布示意图；
20.图6为中负荷工况柴油二次喷射时油气分布示意图；
21.图7为中负荷柴油两次不等量喷射速率图。
具体实施方式
22.下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：
23.结合图1-7，本发明双燃料发动机燃烧系统具体布置如附图1所示，包括进气道1、进气门2、液氨喷射阀3、主喷油器4、副喷油器5、排气门6、排气道7、燃烧室8、活塞9、气缸套10和气缸盖11等；进气道7为切向进气道，进气道7末端为倾斜缩口；主喷油器4垂直安装在气缸盖11上，液氨喷射阀3和副喷油器5倾斜安装在主喷油器5的两侧；本发明燃烧方法为通过排气凸轮双峰型线设计，实现进气过程中排气门二次开启，使排气道内部分废气回流入燃烧室，为柴油重整提供高温环境，促使柴油发生高温氧化裂解反应，生成高活性自由基，提高氨混合气的反应活性，根据发动机实际运行工况不同，灵活调节主喷油器、副喷油器和液氨喷射阀喷射正时、喷射压力、喷射规律和喷射量，优化控制双燃料喷射与进气滚流、废气回流的耦合流动过程，建立高低反应活性燃料、新鲜空气和回流废气的合理分层，改善燃烧效果，从而提升发动机的经济性、动力性和排放性。
24.本发明中燃烧室8为滚流燃烧室，滚流燃烧室是由气缸盖11底面、活塞9顶面和气缸套10壁面所围成的空间，气缸盖11底面为圆棚顶形，活塞9顶面为凸顶形，靠近进气门2一侧的凸起面为圆弧形，靠近排气门6一侧的凸起面为斜坡形，通过切向进气道与滚流燃烧室结构的合理匹配设计，能够促使新鲜空气进入燃烧室后形成大尺度的滚流运动，进而控制缸内工质的流动和浓度分布。
25.本发明中排气凸轮采用双峰型线设计，双峰型线排气凸轮如附图2所示，进排气门升程曲线如附图3所示，通过在排气凸轮上增加一个小凸轮，当排气行程结束进入进气行程时，与其相邻的气缸则进入排气行程初期，排气门6在进气冲程后期开启适当的较小角度和升程，随着活塞9继续下行，排气管内的压力高于缸内压力，通过利用活塞9下行产生的低压将排气道7内的废气倒吸入燃烧室，在缸内大尺度进气滚流带动下，回流的高温废气贴燃烧室的外围壁面旋转运动，实现缸内废气浓度分层，避免高浓度废气对缸内燃烧造成恶化，回流废气与新鲜空气分层如附图4所示。
26.本发明中燃油系统采用主喷油器4和副喷油器5的双直喷喷油器设计，主喷油器4垂直安装在气缸盖11上，其中心轴线与气缸轴线重合，副喷油器5倾斜安装在气缸盖11内靠近排气门6的一侧，其中心轴线与气缸轴线夹角为20-30
°
；液氨喷射阀倾斜安装在气缸盖内靠近进气门的一侧，其中轴线与气缸轴线夹角为15-25
°
；主喷油器4为大流量多孔喷油器，副喷油器5为小流量多孔喷油器，液氨喷射阀3为单孔喷射阀，主喷油器4喷孔和副喷油器5喷孔在喷嘴上均为非对称分布，使燃油喷雾喷射到活塞9顶圆弧面一侧；通过对主喷油器4、副喷油器5和液氨喷射阀3安装位置及喷孔分布进行协同匹配，合理组织燃料射流与缸内进气滚流、回流废气的耦合分层流动。
27.本发明所述的采用废气回流捕气活性重整的柴油/氨双燃料发动机燃烧系统及方
法，根据发动机不同运行工况，协同控制主喷油器4、副喷油器5和液氨喷射阀3的喷射正时、喷射次数、喷射压力和喷射量，实现废气回流活性重整和燃烧模式自由切换，使发动机以纯柴油工作模式或双燃料工作模式运行，当液氨储量不足或供给出现故障时，发动机可以从双燃料运行模式切换至纯柴油运行模式，由此实现发动机在全工况范围内的高效清洁运行。
28.本发明所述的采用废气回流捕气活性重整的柴油/氨双燃料发动机燃烧方法，包括纯柴油工作模式、双燃料运行模式。
29.所述纯柴油工作模式可以覆盖发动机全部运行工况条件，当发动机处于起动、怠速和低负荷工况时，控制小流量副喷油器5在压缩上止点前喷射燃油工作，燃油喷射方向与进气滚流旋转方向相反，加速燃油喷雾射流的蒸发、扩散过程，提高燃油与空气的混合速率；当发动机处于中高负荷工况时，在燃油流量进入主喷油器线性工作区后，控制大流量主喷油器4和小流量副喷油器5在压缩上止点前同时喷射燃油工作，主喷油器4和副喷油器5喷雾分布如附图5所示，主喷油器4喷雾从副喷油器5喷雾间隔中穿过，避免喷雾间碰撞接触，使燃油喷雾均匀分布在整个燃烧室8，从而提高燃烧的空气利用率，减少发动机碳烟排放。
30.发动机处于中高负荷工况时可以采用双燃料运行模式，当发动机处于中负荷工况时，控制排气门6在进气冲程后期二次开启，将排气道7内的高温废气倒吸入燃烧室8内，高温废气回流能够减少排气背压，降低泵气损失，在排气门6二次开启期间，控制副喷油器5向缸内喷射少量柴油，在高温回流废气的旋转带动下，促使柴油发生氧化反应生成高活性自由基，提高缸内混合气的反应活性，在压缩冲程中期，控制液氨喷射阀3向缸内高压喷射液氨，加速液氨喷雾的气化蒸发过程，在压缩冲程后期，利用凸顶活塞9上行产生的挤压和分流作用，使大尺度滚流集中分布在活塞9顶圆弧面一侧，小尺度挤流集中分布在活塞顶斜坡面一侧，在活塞顶斜坡面和气缸盖11圆棚形凹坑的协同作用下，活塞顶斜坡面一侧的小尺度挤流不断向气缸中心运动，促使混合气在燃烧室8中心区域梯度分布，在压缩冲程行至上止点附近时，控制副喷油器5向混合气喷射引燃柴油，此时缸内的油气分布如附图6所示，副喷油器5采用两次喷射的控制策略，为柴油重整裂解产物与氨混合气的掺混提供了充足的时间，有利于实现缸内混合气的稳定分层燃烧，能够有效降低发动机中负荷工况nox排放量，副喷油器5两次不等量喷油速率曲线如附图7所示；当发动机处于高负荷工况时，在进气冲程中期，控制液氨喷射阀3向缸内低压喷射液氨，液氨喷射方向与进气滚流旋转方向相同，加速液氨喷雾的气化和卷吸过程，促进氨混合气的形成，在进气冲程后期，控制排气门6二次开启，在进气滚流的带动下，高温回流废气沿滚流外侧旋转流动，使循环废气分层分布于新鲜工质周围，保证燃烧初期火焰传播不会受到高浓度废气阻碍，在压缩冲程接近上止点附近时，控制副喷油器5向缸内氨混合气单次喷射引燃柴油，由高温回流废气带入缸内的热量使着火延迟期燃油蒸发量增大、氨燃料活性增强，提高氨混合气燃烧初期的放热效率，达到减少高负荷工况未燃氨气排放高的目的，同时通过控制氨混合气与回流废气的分层分布，达到降低缸内最高燃烧温度，减少高负荷工况nox排放的目的。
31.综上所述，本发明通过双峰排气凸轮型线设计，在进气冲程后期开启排气门，使部分高温废气倒流回气缸，促进柴油重整裂解生成高活性自由基，提高氨混合气的反应活性与燃烧速率，并合理组织双燃料喷射射流与进气滚流、回流废气的耦合流动过程，控制缸内可燃混合气与回流废气分层分布，解决双燃料发动机中高负荷工况下氨逃逸量大、nox排放
量多的问题。

技术特征：
1.采用废气回流捕气活性重整的柴油、氨双燃料发动机燃烧系统，其特征是：包括气缸盖、气缸、活塞、进气道、排气道，所述气缸盖、气缸合和活塞形成燃烧室，气缸盖上设置主喷油器、副喷油器、液氨喷射阀、进气门、排气门，燃烧室通过进气门连接进气道，燃烧室通过排气门连接排气道，燃烧室为滚流燃烧室，气缸盖底面为圆棚顶形，活塞顶面为凸顶形，靠近进气门一侧的凸起面为圆弧形，靠近排气门一侧的凸起面为斜坡形，排气门对应的排气凸轮上增加一个小凸轮，当排气行程结束进入进气行程时，与本气缸相邻的气缸进入排气行程初期，排气门在进气冲程后期开启设定的角度和升程，随着活塞继续下行，排气道内的压力高于气缸内压力，通过利用活塞下行产生的低压将排气道内的废气倒吸入燃烧室，在气缸内大尺度进气滚流带动下，回流的高温废气贴燃烧室的外围壁面旋转运动，实现缸内废气浓度分层。2.根据权利要求1所述的采用废气回流捕气活性重整的柴油、氨双燃料发动机燃烧系统，其特征是：进气道为切向进气道，进气道末端为倾斜缩口。3.根据权利要求1所述的采用废气回流捕气活性重整的柴油、氨双燃料发动机燃烧系统，其特征是：主喷油器垂直安装在气缸盖上，其中心轴线与气缸轴线重合，副喷油器倾斜安装在气缸盖内靠近排气门的一侧，其中心轴线与气缸轴线夹角为20-30
°
；液氨喷射阀倾斜安装在气缸盖内靠近进气门的一侧，其中轴线与气缸轴线夹角为15-25
°
。4.根据权利要求1所述的采用废气回流捕气活性重整的柴油、氨双燃料发动机燃烧系统，其特征是：主喷油器为大流量多孔喷油器，副喷油器为小流量多孔喷油器，液氨喷射阀为单孔喷射阀，主喷油器喷孔和副喷油器喷孔在喷嘴上均为非对称分布，使燃油喷雾喷射到活塞顶圆弧面一侧。5.采用废气回流捕气活性重整的柴油、氨双燃料发动机燃烧方法，其特征是：包括纯柴油工作模式：覆盖发动机全部运行工况条件，当发动机处于起动、怠速和低负荷工况时，控制小流量副喷油器在压缩上止点前喷射燃油工作，燃油喷射方向与进气滚流旋转方向相反，当发动机处于中高负荷工况时，在燃油流量进入主喷油器线性工作区后，控制大流量主喷油器和小流量副喷油器在压缩上止点前同时喷射燃油工作，主喷油器喷雾从副喷油器喷雾间隔中穿过，避免喷雾间碰撞接触，使燃油喷雾均匀分布在整个燃烧室。6.根据权利要求5所述的采用废气回流捕气活性重整的柴油、氨双燃料发动机燃烧方法，其特征是：包括双燃料运行模式：当发动机处于中负荷工况时，控制排气门在进气冲程后期二次开启，将排气道内的高温废气倒吸入燃烧室内，在排气门二次开启期间，控制副喷油器向缸内喷射少量柴油，在高温回流废气的旋转带动下，促使柴油发生氧化反应生成高活性自由基，在压缩冲程中期，控制液氨喷射阀向缸内高压喷射液氨，在压缩冲程后期，利用凸顶活塞上行产生的挤压和分流作用，使大尺度滚流集中分布在活塞顶圆弧面一侧，小尺度挤流集中分布在活塞顶斜坡面一侧，在活塞顶斜坡面和气缸盖圆棚形凹坑的协同作用下，活塞顶斜坡面一侧的小尺度挤流不断向气缸中心运动，促使混合气在燃烧室中心区域梯度分布，在压缩冲程行至上止点附近时，控制副喷油器向混合气喷射引燃柴油，副喷油器采用两次喷射的控制策略；当发动机处于高负荷工况时，在进气冲程中期，控制液氨喷射阀向缸内低压喷射液氨，液氨喷射方向与进气滚流旋转方向相同，在进气冲程后期，控制排气门二次开启，在进气滚流的带动下，高温回流废气沿滚流外侧旋转流动，使循环废气分层分布于新鲜工质周围，在压缩冲程接近上止点附近时，控制副喷油器向缸内氨混合气单次喷
射引燃柴油。

技术总结
本发明的目的在于提供采用废气回流捕气活性重整的柴油、氨双燃料发动机燃烧系统及燃烧方法，包括进气道、进气门、液氨喷射阀、主喷油器、副喷油器、排气门、排气道、滚流燃烧室、凸顶活塞、气缸套和气缸盖等。本发明通过设计双峰型线排气凸轮，在进气冲程后期二次开启排气门，实现废气回流活性重整，起到强化燃烧的效果；通过优化进气系统、燃料喷射系统和燃烧室结构匹配设计，合理组织双燃料喷射射流与进气滚流、回流废气的耦合流动过程，控制缸内可燃混合气与回流废气分层分布，达到改善双燃料发动机燃烧效率和排放性能，从而实现在全工况范围内高效清洁运行的目的。围内高效清洁运行的目的。围内高效清洁运行的目的。


技术研发人员：杨立平 王豪杰
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：2023/5/23