压燃式柴油、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氨燃料发动机，具体地说是氨燃料发动机燃烧系统及方法。


背景技术：

2.氨作为良好的氢载体，燃烧不产生co2，且其辛烷值高达到130，发动机可实现更高的压缩比，并且可以使用可再生能源生产的特点使其快速成为近年来行业的热点。但其存在燃烧时燃烧速度慢、点火能量高、可燃极限范围窄等缺陷，难以直接应用在发动机上，并且由于气门重叠角的存在，使用歧管喷射可能会带来氨扫气泄露污染环境，危害人体健康。目前解决问题的有效手段是和其他燃料混合使用，采用缸内直喷的方式并合理组织燃烧方法。
3.公开号cn114483299a的专利一种降低氨发动机未燃氨排放的系统和方法，提出未燃氨易造成环境污染和危害人体健康的问题，通过icci燃烧模式和后处理来提高氨的利用率，降低排放浓度。公开号cn114407686a的专利一种基于氢氨发动机和氨燃料电池的多元动力系统，使用氢气改善燃料活性，使用燃料电池增加系统稳定性。
4.但这些装置都比较复杂，需要在原有机型上要做出重大改动，实现动态响应难度大，重整氢气不足将造成失火，系统稳定性差，并且相关技术都不成熟，掺混氢气不均匀的循环变动问题、氢气贮存输运问题、电池的使用寿命和废弃污染问题都需要得到解决。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供通过灵活调整柴油和氨燃料的比例、喷射规律和喷射正时等参数，实现燃烧模式的灵活切换、燃烧始点和放热速率精确控制，满足双燃料发动机全工况范围高效率和低排放的压燃式柴油、氨双燃料发动机燃烧系统及燃烧方法。
6.本发明的目的是这样实现的：
7.本发明压燃式柴油、氨双燃料发动机燃烧系统，其特征是：包括气缸、气缸盖、活塞，所述气缸、气缸盖和活塞组成燃烧室，气缸盖上安装有同心双针阀喷油器、缸内直喷氨喷射器，所述同心双针阀喷油器包括外部大流量喷油器、内部小流量喷油器，外部大流量喷油器包括外部大流量喷油器针阀体、内部小流量喷油器针阀体，外部大流量喷油器针阀体位于内部小流量喷油器针阀体外部，且二者之间形成外部大流量喷油器油道，内部小流量喷油器包括内部小流量喷油器针阀体、内部小流量喷油器针阀，内部小流量喷油器针阀体位于内部小流量喷油器针阀外部，且二者之间形成内部小流量喷油器油道。
8.本发明压燃式柴油、氨双燃料发动机燃烧系统还可以包括：
9.1、所述外部大流量喷油器为轴针式喷油器，内部小流量喷油器为多孔式喷油器，喷孔数量为6-8个，外部大流量喷油器和内部小流量喷油器均包括独立的针阀、针阀体、弹簧、电磁阀和油道。
10.2、内部小流量喷油器针阀体流量相对于外部大流量喷油器针阀体流量，更早达到线性度区间。
11.3、缸内直喷氨喷射器具有多孔结构，喷孔关于缸内直喷氨喷射器中心轴线呈轴对称分布。
12.4、同心双针阀喷油器中心轴线与气缸中心轴线重合。
13.5、缸内直喷氨喷射器中心轴线和同心双针阀喷油器的中心轴线在同一空间平面内指向所述燃烧室的中心。
14.本发明压燃式柴油、氨双燃料发动机燃烧方法，其特征是：
15.(1)当发动机处于低负荷时，发动机采用以柴油扩散燃烧为主，燃料替代率小于30％，压缩冲程后半段缸内直喷氨喷射器针阀抬起向缸内喷射高压液氨，喷射持续期小于半个压缩冲程，上止点前同心双针阀喷油器的内部小流量喷油器针阀抬起，外部大流量喷油器针阀下移，喷射小流量柴油，柴油喷射持续期与氨燃料喷射持续期有部分重叠，形成柴油和氨燃料的活性分层，柴油被压燃，进而引燃周围低反应活性氨燃料较浓混合气，实现高反应活性柴油作为主要动力耦合氨燃料的分层燃烧；
16.(2)当发动机处于中负荷时，发动机采用以柴油扩散燃烧为主，燃料替代率大于30％小于50％，压缩冲程前半段缸内直喷氨喷射器针阀抬起向缸内喷射高压液氨，喷射持续期小于半个压缩冲程，形成弱浓度分层，上止点前同心双针阀喷油器的内部小流量喷油器针阀抬起，外部大流量喷油器针阀下移，喷射小流量柴油，并在喷射引燃柴油后补喷另一半高压液氨，上止点前完成喷射，在柴油的喷射路径上形成了局部的浓当量比，增大浓度分层，并形成柴油和氨燃料的活性分层，高反应活性柴油被压燃形成的点火源形成扩散燃烧，进而引燃周围的浓氨混合气，缸内混合燃料完全燃烧，实现及时进气和高反应活性柴油作为主要动力耦合氨燃料的分层燃烧；
17.(3)当发动机处于高负荷时，发动机以氨燃料燃烧为主，燃料替代率大于50％，压缩冲程前半段缸内直喷氨喷射器针阀抬起向缸内喷射低压液氨，喷射持续期大于半个压缩冲程，上止点前同心双针阀喷油器的内部小流量喷油器针阀落下，外部大流量喷油器针阀上移，喷射大流量柴油，柴油被压燃形成的点火源形成扩散燃烧，进而引燃周围的氨燃料稀混合气，实现降低上止点温度、避免高温no
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生成和低反应活性氨燃料作为主要动力耦合柴油的分层燃烧。
18.本发明的优势在于：本发明能够根据发动机实际工况，通过切换同心双针阀喷油器选择纯柴油模式/双燃料模式，纯柴油模式仅用于启动、怠速工况或双燃料模式发生故障时，使用纯柴油供给；而双燃料模式用于常规工况，通过调节供氨轨道压力选择低压/高压供氨，高压直喷液氨的雾化效果好，进气更及时，燃烧更充分，所需引燃油量更少；低压直喷液氨预混合氨和空气，可以更精确控制氨燃料流量，供氨轨道和喷射器承受压力小，最高燃烧温度低，no
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排放低，靠湍流强度和混合气成分控制着火和火焰传播；在结构简单的前提下利用合理的燃烧组织方法，解决低反应活性氨燃料着火困难，燃烧效率低，易于泄露的问题，使得双燃料发动机在全工况范围内高效率和低排放燃烧。
附图说明
19.图1为本发明的结构示意图；
20.图2为同心双针阀喷油器结构示意图；
21.图3为同心双针阀喷油器喷油特性曲线示意图；
22.图4为双燃料模式低负荷时各燃料喷射质量流量示意图；
23.图5为双燃料模式低负荷柴油喷射时缸内燃料分布示意图；
24.图6为双燃料模式中负荷时各燃料喷射质量流量示意图；
25.图7为双燃料模式中负荷柴油喷射时缸内燃料分布示意图；
26.图8为双燃料模式高负荷时各燃料喷射质量流量示意图；
27.图9为双燃料模式高负荷柴油喷射时缸内燃料分布示意图。
具体实施方式
28.下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：
29.结合图1-9，如图1所示，本发明公开了一种压燃式柴油/氨双燃料发动机燃烧系统，包括：活塞1、气缸2、气缸盖3、排气道4、排气门5、进气门6、进气道7，所述气缸盖3、气缸2和活塞1组成燃烧室，气缸盖3上安装有同心双针阀喷油器8和缸内直喷氨喷射器9；所述同心双针阀喷油器8中心轴线与气缸中心轴线重合，且同心双针阀喷油器8具有同心双针阀结构；所述缸内直喷氨喷射器9中心轴线和同心双针阀喷油器8的中心轴线在同一空间平面内指向所述燃烧室的中心，缸内直喷氨喷射器9和同心双针阀喷油器8采用非平行布置方式，缸内直喷氨喷射器9中心轴线和同心双针阀喷油器8的中心轴线之间的夹角角度根据所述的气缸盖3实际结构来确定。
30.缸内直喷氨喷射器9具有多孔结构，喷孔关于缸内直喷氨喷射器9中心轴线呈轴对称分布，孔数和孔径根据发动机的功率进行匹配。在双燃料模式下，通过调节供氨轨道压力，实现缸内高低压喷射，消除歧管供氨气门重叠角带来的氨扫气泄露，满足氨燃料发动机优化要求。低压喷射应用于高负荷条件下，喷射压力约为10-20mpa，在压缩冲程前半段喷射，使氨燃料与空气均匀混合，供氨轨道和喷射器承受压力小，最高燃烧温度低，nox排放低；高压喷射应用于中低负荷条件下，喷射压力约为20-50mpa，在压缩冲程后半段喷射，实现不均匀混合，雾化效果好，燃烧更充分，所需引燃油量更少，中负荷时还可以在喷射引燃柴油后晚喷一半的氨燃料，形成局部浓当量比，利于快速引燃全局氨燃料。
31.如图2所示，同心双针阀喷油器8包括：外部大流量喷油器油道10、内部小流量喷油器油道11、内部小流量喷油器针阀12、内部小流量喷油器针阀体13、外部大喷油器针阀体14。所述同心双针阀喷油器8由外部大流量喷油器和内部小流量喷油器构成，外部大流量喷油器包括外部大流量喷油器油道10、内部小流量喷油器针阀体13和外部大流量喷油器针阀体14；内部小流量喷油器包括内部小流量喷油器油道11、内部小流量喷油器针阀12和内部小流量喷油器针阀体13，内部小流量喷油器针阀体13同时作为外部大流量喷油器针阀使用。所述的外部大流量喷油器与内部小流量喷油器共轴线布置在同心双针阀喷油器8内部；所述外部大流量喷油器为轴针式喷油器，内部小流量喷油器为多孔式喷油器，喷孔数量为6-8个，外部大流量喷油器和内部小流量喷油器均有独立的针阀、针阀体、弹簧、电磁阀和油道。
32.如图3所示，在相同脉宽条件下，所述内部小流量喷油器针阀体13流量远小于外部大流量喷油器针阀体14流量，但线性度区间不同，内部小流量喷油器针阀体13流量更早达到线性度区间，以实现在启动、怠速或中低负荷需要燃油量少的情况下实现更精准的控制。
33.本发明还公开了一种压燃式柴油/氨双燃料发动机燃烧组织方法，用于组织压燃
式柴油/氨双燃料发动机燃烧系统的燃烧，具体包括双燃料模式和纯柴油模式两种工作模式。
34.所述的纯柴油模式实施方式为：启动或怠速时，在上止点前向缸内喷射小流量柴油，发动机处于启动工况时，由于机件温度低，缸内压缩终点温度低，氨燃料不适宜使用，且启动、怠速工况所需燃料量少，因此使用同心双针阀喷油器8内部小流量喷射器喷射柴油可以实现更精确的控制，减少不完全燃烧或失火的情况发生。随着负荷增加，切换为大流量柴油，在高负荷条件下，大流量柴油也无法满足所需，为保证发动机稳定工作所需燃料量，在上止点前同心双针阀喷油器8同时喷射小流量柴油及大流量柴油，保证发动机稳定工作。
35.所述的双燃料模式具体实施方式为：
36.(1)当发动机处于低负荷时，发动机采用以柴油扩散燃烧为主，燃料替代率小于30％，通过电控单元控制供氨轨道压力，如图4所示，压缩冲程后半段缸内直喷氨喷射器9针阀抬起向缸内喷射高压液氨，喷射持续期小于半个压缩冲程，精确控制氨燃料流量与空气不均匀混合，形成较大浓度分层，如图5所示，上止点前同心双针阀喷油器8的内部小流量喷油器针阀12抬起，外部大流量喷油器针阀13下移，喷射小流量柴油，精确控制引燃柴油正时和流量，柴油喷射持续期与氨燃料喷射持续期有部分重叠，形成柴油和氨燃料的活性分层，柴油被压燃，进而引燃周围低反应活性氨燃料较浓混合气，实现高反应活性柴油作为主要动力耦合氨燃料的高效分层燃烧；
37.(2)当发动机处于中负荷时，发动机采用以柴油扩散燃烧为主，燃料替代率大于30％小于50％，通过电控单元控制供氨轨道压力，如图6所示，压缩冲程前半段缸内直喷氨喷射器9针阀抬起向缸内喷射高压液氨，喷射持续期小于半个压缩冲程，氨燃料迅速雾化蒸发，与空气较均匀混合，形成弱浓度分层，如图7所示，上止点前同心双针阀喷油器8的内部小流量喷油器针阀12抬起，外部大流量喷油器针阀13下移，喷射小流量柴油，精确控制引燃柴油正时和流量，并在喷射引燃柴油后补喷另一半高压液氨，上止点前完成喷射，在柴油的喷射路径上形成了局部的浓当量比，增大浓度分层，并形成柴油和氨燃料的活性分层，两喷射器所呈角度使得液氨与柴油充分接触混和，高反应活性柴油被压燃形成的点火源快速形成扩散燃烧，进而引燃周围的浓氨混合气，缸内混合燃料完全燃烧，实现及时进气和高反应活性柴油作为主要动力耦合氨燃料的高效分层燃烧；
38.(3)当发动机处于高负荷时，发动机以氨燃料燃烧为主，燃料替代率大于50％，通过电控单元控制供氨轨道压力，如图8所示，压缩冲程前半段缸内直喷氨喷射器9针阀抬起向缸内喷射低压液氨，喷射持续期大于半个压缩冲程，氨燃料雾化蒸发，大幅降低缸内温度，与空气均匀混合，形成较低的全局当量比，如图9所示，上止点前同心双针阀喷油器8的内部小流量喷油器针阀12落下，外部大流量喷油器针阀13上移，喷射大流量柴油保证大负荷所需引燃柴油量，高反应活性柴油被压燃形成的点火源快速形成扩散燃烧，进而引燃周围的氨燃料稀混合气，实现降低上止点温度、避免高温no
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生成和低反应活性氨燃料作为主要动力耦合柴油的高效分层燃烧。
39.所述的系统及应用于系统的燃烧组织方法适用于压燃式双燃料发动机，工作方式适用于米勒循环和传统压燃式发动机工作循环。
40.其中，燃料雾束并不限定燃料的形态，燃料除为液体外还为气态或超临界的流体态的。

技术特征：
1.压燃式柴油、氨双燃料发动机燃烧系统，其特征是：包括气缸、气缸盖、活塞，所述气缸、气缸盖和活塞组成燃烧室，气缸盖上安装有同心双针阀喷油器、缸内直喷氨喷射器，所述同心双针阀喷油器包括外部大流量喷油器、内部小流量喷油器，外部大流量喷油器包括外部大流量喷油器针阀体、内部小流量喷油器针阀体，外部大流量喷油器针阀体位于内部小流量喷油器针阀体外部，且二者之间形成外部大流量喷油器油道，内部小流量喷油器包括内部小流量喷油器针阀体、内部小流量喷油器针阀，内部小流量喷油器针阀体位于内部小流量喷油器针阀外部，且二者之间形成内部小流量喷油器油道。2.根据权利要求1所述的压燃式柴油、氨双燃料发动机燃烧系统，其特征是：所述外部大流量喷油器为轴针式喷油器，内部小流量喷油器为多孔式喷油器，喷孔数量为6-8个，外部大流量喷油器和内部小流量喷油器均包括独立的针阀、针阀体、弹簧、电磁阀和油道。3.根据权利要求1所述的压燃式柴油、氨双燃料发动机燃烧系统，其特征是：内部小流量喷油器针阀体流量相对于外部大流量喷油器针阀体流量，更早达到线性度区间。4.根据权利要求1所述的压燃式柴油、氨双燃料发动机燃烧系统，其特征是：缸内直喷氨喷射器具有多孔结构，喷孔关于缸内直喷氨喷射器中心轴线呈轴对称分布。5.根据权利要求1所述的压燃式柴油、氨双燃料发动机燃烧系统，其特征是：同心双针阀喷油器中心轴线与气缸中心轴线重合。6.根据权利要求1所述的压燃式柴油、氨双燃料发动机燃烧系统，其特征是：缸内直喷氨喷射器中心轴线和同心双针阀喷油器的中心轴线在同一空间平面内指向所述燃烧室的中心。7.压燃式柴油、氨双燃料发动机燃烧方法，其特征是：(1)当发动机处于低负荷时，发动机采用以柴油扩散燃烧为主，燃料替代率小于30％，压缩冲程后半段缸内直喷氨喷射器针阀抬起向缸内喷射高压液氨，喷射持续期小于半个压缩冲程，上止点前同心双针阀喷油器的内部小流量喷油器针阀抬起，外部大流量喷油器针阀下移，喷射小流量柴油，柴油喷射持续期与氨燃料喷射持续期有部分重叠，形成柴油和氨燃料的活性分层，柴油被压燃，进而引燃周围低反应活性氨燃料较浓混合气，实现高反应活性柴油作为主要动力耦合氨燃料的分层燃烧；(2)当发动机处于中负荷时，发动机采用以柴油扩散燃烧为主，燃料替代率大于30％小于50％，压缩冲程前半段缸内直喷氨喷射器针阀抬起向缸内喷射高压液氨，喷射持续期小于半个压缩冲程，形成弱浓度分层，上止点前同心双针阀喷油器的内部小流量喷油器针阀抬起，外部大流量喷油器针阀下移，喷射小流量柴油，并在喷射引燃柴油后补喷另一半高压液氨，上止点前完成喷射，在柴油的喷射路径上形成了局部的浓当量比，增大浓度分层，并形成柴油和氨燃料的活性分层，高反应活性柴油被压燃形成的点火源形成扩散燃烧，进而引燃周围的浓氨混合气，缸内混合燃料完全燃烧，实现及时进气和高反应活性柴油作为主要动力耦合氨燃料的分层燃烧；(3)当发动机处于高负荷时，发动机以氨燃料燃烧为主，燃料替代率大于50％，压缩冲程前半段缸内直喷氨喷射器针阀抬起向缸内喷射低压液氨，喷射持续期大于半个压缩冲程，上止点前同心双针阀喷油器的内部小流量喷油器针阀落下，外部大流量喷油器针阀上移，喷射大流量柴油，柴油被压燃形成的点火源形成扩散燃烧，进而引燃周围的氨燃料稀混合气，实现降低上止点温度、避免高温no
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生成和低反应活性氨燃料作为主要动力耦合柴油
的分层燃烧。

技术总结
本发明的目的在于提供压燃式柴油、氨双燃料发动机燃烧系统及燃烧方法，气缸盖、气缸和活塞组成燃烧室，气缸盖上安装有同心双针阀喷油器和缸内直喷氨喷射器；高反应活性柴油采用双直喷技术；低反应活性氨燃料采用缸内高低压喷射技术，控制所述缸内直喷氨喷射器的喷射压力、喷射正时和喷射次数，根据发动机的运行状况形成不同梯度的混合气浓度分层。本发明通过控制缸内直喷氨喷射器和同心双针阀喷油器独立或协同工作，实现燃烧系统双燃料模式和纯柴油模式的切换和备份，确保覆盖发动机整个工作范围和运行的可靠性，实现发动机高效率和低排放运行。放运行。放运行。


技术研发人员：杨立平 姜峰 王立媛
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