CN113518857B - 柴油发动机 - Google Patents

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Abstract

本发明提高氨的燃烧率而使未燃氨减少，谋求CO2的削减。柴油发动机具备燃烧室和向所述燃烧室内投入成为着火源的燃油和气体状的氨的燃料投入部件，利用所述燃料投入部件在所述燃烧室内形成氨预混合气并使该氨预混合气混合燃烧，该柴油发动机具有控制部件，该控制部件以在所述燃烧室内形成所述燃烧室的内侧侧壁面侧的氨浓度浓于所述燃烧室的中心部的氨浓度那样的氨预混合气的方式进行控制，并且，所述控制部件以成为比仅利用燃油进行运转时的空气过剩系数低的空气过剩系数的方式进行调整。

Description

柴油发动机
技术领域
本发明涉及一种柴油发动机，特别涉及一种使不含有碳(C)的无碳的氨NH3燃烧从而对于作为温室效应气体的二氧化碳CO2削减特别有效的柴油发动机，该不含有碳(C)的无碳的氨NH3能较佳地用于以重油、轻油等燃油为主燃料的船舶用柴油发动机且以往未作为燃料使用过。
背景技术
氨在燃烧情况下是无碳的，由于不伴随CO2的产生，因此，一直尝试在内燃机、特别是柴油发动机中进行燃烧。但现状是，与例如重油的着火温度250℃～380℃相比，氨的着火温度高达651℃，为难燃性，因此，燃烧率较差，所投入的氨的20％以上作为未燃部分排出。
为了解决该问题而进行了如下尝试：使用催化剂等对氨的一部分进行改性而使其成为氢，将该氢与氨同时投入燃烧室，使燃烧性优异的氢作为着火源来提高氨燃烧效率。
例如，在专利文献1中，为了使高温富氢氨和燃烧用空气燃烧，供给尿素水作为富氢氨的原料，由尿素水生成高温的氨，并且将氨的一部分添加于氢和氮，生成高温的富氢气体，由此构成无碳动力装置。也就是说，涉及一种由尿素水生成高温的氨并将氨的一部分添加于氢和氮而生成高温的富氢气体的富氢氨生成反应器。
另外，在专利文献2中，对氨进行改性而生成含有氢的改性气体，向氨燃烧内燃机的燃烧室内供给氨和改性气体。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特许第5315493号公报
专利文献2：日本特许第5310945号公报
发明内容
发明要解决的问题
本发明的目的在于，提供一种以比较简单的结构来提高氨的燃烧率并削减CO2的柴油发动机。
用于解决问题的方案
采用本发明的一个技术方案，提供一种柴油发动机，其具有燃烧室和向所述燃烧室内投入成为着火源的燃油和气体状的氨的燃料投入部件，利用所述燃料投入部件在所述燃烧室内形成氨预混合气并使该氨预混合气混合燃烧，其中，该柴油发动机具有控制部件，该控制部件以在所述燃烧室内形成所述燃烧室的内侧侧壁面侧的氨浓度浓于所述燃烧室的中心部的氨浓度那样的氨预混合气的方式进行控制。
由此，能够提供如下一种柴油发动机，其不必具备使用特殊的催化剂来对氢进行改性的改性装置等来使氨与氢等混烧，能够以简单的结构来提高氨的燃烧率并削减CO2。
优选的是，作为第2技术方案，所述控制部件以成为比仅利用燃油进行运转时的空气过剩系数低的空气过剩系数的方式进行调整。
另外，优选的是，作为第3技术方案，在所述第1技术方案或第2技术方案中，在所述燃烧室具有气缸盖，在所述气缸盖设置氨供给路径，并且在比所述燃烧室中心部靠所述燃烧室的内侧侧壁面侧的多个部位具备氨喷射孔，以在供气行程中向燃烧室内投入气化了的氨的方式进行控制。
另外，优选的是，作为第4技术方案，在所述第1技术方案至第3技术方案中的任一技术方案中，该柴油发动机具备对氨的投入量进行调整的气阀和对燃油的供给量进行调整的燃料喷射阀，所述控制部件控制所述气阀和所述燃料喷射阀中的至少任一者。
另外，优选的是，作为第5技术方案，在所述第1技术方案至第4技术方案中的任一技术方案中，以使氨的投入量按照热量比为燃油的供给量的15％以上且25％以下的方式进行调整。
另外，优选的是，作为第6技术方案，在所述第1技术方案至第5技术方案中的任一技术方案中，所述燃烧室内侧侧壁面处的氨浓度相对于所述燃烧室内的平均浓度的偏差为70％以上。
另外，优选的是，作为第7技术方案，在所述第2技术方案中，以使所述空气过剩系数比仅利用燃油进行运转时的空气过剩系数提高0.5～1.0的方式进行调整。
另外，优选的是，作为第8技术方案，在所述第2技术方案或第7技术方案中，利用在增压机的排气旁通设置的调整部件对空气量进行调整，从而对所述空气过剩系数进行调整。
附图说明
图1是表示发明人等在实验中使用的柴油发动机的气缸盖周边的概略结构的剖视图。
图2是表示发明人等的实验中的空气过剩系数变更所引起的燃烧温度分布的变化的图。
图3是对发明人等的实验中的空气过剩系数λ＝2.0、λ＝1.7的情况下的温度分布和缸内压进行比较并示出的图。
图4是对发明人等的实验中的空气过剩系数变更所引起的缸内压、发热率进行比较并示出的图。
图5是对发明人等的实验中的氨的分层度进行比较并示出的图。
图6是对发明人等的实验中的与氨的分层度关联的缸内压、发热率进行比较并示出的图。
图7是表示本发明的实施方式的整体结构的剖视图。
图8是表示发明人等的实验中的氨供给系统的立体图。
图9是表示发明人等的实验中的氨喷射孔的配置的俯视图。
图10是表示发明人等的实验中的氨喷射时刻的图。
图11是表示发明人等的实验中的止回阀的结构的剖视图。
图12是表示发明人等的实验中的止回阀的座阀芯的配置和动作的剖视图。
图13是表示发明人等的实验中的燃烧室内的分层度分布的例子的图。
具体实施方式
以下，参照附图详细说明本发明的实施方式。此外，本发明不受以下的实施方式和实施例记载的内容的限定。另外，在以下记载的实施方式和实施例中的构成要素中，包含本领域的技术人员容易想到的构成要素、实质上相同的构成要素、所谓的等同范围的构成要素。并且，在以下记载的实施方式和实施例中公开的构成要素既可以适当组合，也可以适当选择来使用。
如图1所示，发明人等通过分析的方式研究了如下方法：在具备机械式燃料喷射装置的柴油发动机中，将氨从作为气阀的氨喷射阀26向供气管20喷雾，使氨与发动机供气混合而制作氨-空气预混合气(也简称作预混合气)，使从燃料喷射阀24喷射出的作为主燃料的重油、轻油等燃油为着火源而进行混合燃烧。
在图1中，附图标记10是气缸，附图标记12是活塞，附图标记14是气缸盖，附图标记16是供气阀，附图标记18是排气阀，附图标记22是排气管。
具体而言，对实机基体(日文：実機ベース)(缸径×冲程＝400mm×500mm、4冲程)的燃烧室进行模型化，实施了燃烧模拟。向供气管20以气态供给热量比20％的氨，通过来自燃料喷射阀24的主要燃油(重油或轻油)喷射来进行氨预混合气的燃烧。以预混合气氨的浓度分布、主要燃油喷射压力、喷射模式、空气过剩系数为参数，调查了废气特性、效率、未燃氨的影响度。将调查结果示于表1。
[表1]
Figure GDA0003242999130000051
在与未供给氨、而以重油100％进行运转(case1)时相同的空气过剩系数λ＝3.2的条件下、投入按热量比为20％的氨NH3的情况(case4)下，未燃氨为37％，仅为大约60％的燃烧率。在此，在向过浓侧调整为λ＝2.5的情况(case5)下实施计算，确认了未燃氨为27％，改善了大约10％燃烧率。能够认为，这是随着燃烧温度的高温化，如图2所示那样氨预混合气的燃烧范围变大所导致的。由此，为了使空气过剩系数λ降低而掌握未燃氨量的减少率和各性能的变化，进行了λ＝3.2(case4)、λ＝2.5(case5)、λ＝2.0(case5-1)、λ＝1.7(case5-2)的条件下的计算。作为计算条件，使预混合气为均匀浓度，主要燃油喷射时期固定为9.5degBTDC。
此外，作为高温的燃烧温度，其也会根据该柴油发动机的规格、环境温度等而变动，其是远高于氨的着火温度的、使燃烧率提高的温度，作为一个基准，例如指的是1500K左右的燃烧温度。
其结果可知，在case5-1中，通过向富(燃料过浓)侧调整为λ＝2.0，未燃氨减少至21％。另外，在λ＝2.0～3.2的范围内都未看到效率、NOX有较大的变化。
但是，在case5-2中，在向富侧调整到λ＝1.7的情况下，由于空气量不足和压缩压力的降低导致产生急剧的燃烧延迟，最高燃烧压力降低了2.5MPa，与此相伴，效率变差了7％。但是，燃烧温度维持高温，未燃氨为22％，这与λ＝2.0时大致相同。另外，与λ＝2.0(case5-1)相比。燃烧最高温度高出70℃并得到长时间维持，因此，NOX值变高400ppm。并且，与效率降低相对应地，虽然未燃氨量等同，但CO2的削减率也变差了15％左右。由此，得到如下结果，即，在20％氨混合燃烧中，λ＝2.0左右是最佳的。
将加工空气过剩系数λ变更所引起的燃烧温度分布的变化示于图2，将λ＝2.0(case5-1)、λ＝1.7(case5-2)的条件下的温度分布和缸内压比较示于以发动机的曲轴角度deg为横轴、以缸内压为纵轴的图3，将基于空气过剩系数λ变更的缸内压比较示于图4。
接下来，研究了燃料喷射时期的影响。
在同一燃料喷射时期中变更了空气过剩系数λ的情况下，随着λ的降低，压缩压力降低，因此，在使主燃料喷射时期相同的情况下，最高燃烧压力也倾向于降低。为了维持效率并维持燃烧温度，需要调整为与λ相对应的(空气量或者供气压力)燃料喷射时期。对λ＝2.5、喷射时期17.5deg BTDC和λ＝2.0、喷射时期19.5deg BTDC进行了比较。可知的是，虽然最高燃烧压力存在1MP左右的差，但为与通常的柴油机相同的值，在对后者进行调整的情况下，得到发热率更良好的燃烧。与此相伴，未燃氨也减半为11.5％。由此可知，期望的是，根据各燃烧条件来调整燃料喷射时期，将最高燃烧压力维持为与基本规格的柴油机同等的最高燃烧压力。
接下来，研究了氨分层度的影响。
在基于主要燃油喷射的燃烧中，在气缸内壁面(以下，也简称作壁面)附近，燃烧温度上升，因此推断出，在为难燃性的氨-空气预混合气中，使壁面附近的氨浓度上升的做法可能对于未燃氨的减少有效。因此，为了验证其有效性，如表2所示，在使气缸燃烧室中心部与壁面部之间的浓度差(称作分层度)为±20％(case8-1)、±70％(直线浓度梯度：case8-4)和±80％(燃烧室顶部稀薄：case8-5)这3个情况下，实施了燃料计算。此外，在计算中，λ＝2.0、燃料喷射时期19.5BTDC是共通的。
[表2]
Figure GDA0003242999130000061
在分层度为±20％的case8-1中，未燃氨为11.5％，与均匀混合气相比，基本上未观察到减少，但在将分层度提高到±70％的情况(case8-4)下，未燃氨为6.2％，得到大幅改善效果。另外，在分层度为±80％的case8-5中，未燃氨量与±70％条件下的case8-4的未燃氨量大致相同，但燃烧效率稍微变好，效率提高了1.7％。对于其他废气成分，在case8-4、case8-5中，均将一氧化二氮N2O减少了115ppm，颗粒状物质PM为0.005g/KWh，特别表现出PM的大幅减少。
图6中以发动机曲轴角度deg为横轴，比较和显示与λ＝2.0条件下的氨分层度关联的缸内压、发热率。
对于氨-空气预混合气的生成，为了得到均匀预混合气而采用如下方法，即，在图1所示的气缸盖14前的供气管20装备作为气阀的氨喷射阀26并供给氨，由此在供气管20内进行混合，从而以更均匀的状态通过供气阀16向气缸10供给氨-空气预混合气。
然而，在这样的以往的预混合气生成方法中，即使利用带喷嘴的气阀来形成涡流，也会使所形成的预混合气的不均匀度(分层度)的极限为20％左右，应在燃烧室高温部进行燃烧的氨的量不充分，残留有10％～20％左右的未燃氨。
在本发明中，向以燃油为主体的柴油发动机，利用气阀以与空气同时进行流量控制的方式供给氨，进行燃油燃烧的主燃烧，在燃烧温度变高的气缸内壁面使氨浓度过浓，提高燃烧效率。
在柴油机主燃烧区域的高温部，使氨的分层度(浓度差的程度、偏差)具有70％以上的极端的偏差。这在如下情况下无法成立，即，如通常的预混合气生成那样在燃烧室近前设置气体混合器，或者如图1所示那样在各气缸供气管20附近投入氨。
因此，在本实施方式的氨燃烧柴油发动机中，如图7所示，在气缸盖14设置氨供给路径(称作氨管线)40，在供气行程中从在比燃烧室中心部靠燃烧室的内侧侧壁面侧的多个部位(在本实施方式中为图8和图9所例示的两个部位)形成的氨喷射孔52投入气化了的氨，实现了在以往方式中未达到的70％以上的分层度。
此外，作为形成多个部位的在此所说的氨喷射孔的位置，在将从燃烧室中心到燃烧室的内侧侧壁面的距离设为100％时，该位置优选位于70％～90％的距离范围内。
并且，为了使燃烧温度为高温，使空气过剩系数比以往值浓，设为Δλ＝0.5～1.0。
所述氨管线40构成为包含氨罐42、气体截止阀44、气体调压阀46、气阀48、管49、止回阀50、连接器51和氨喷射孔52。
在图中，附图标记30是包含燃油罐32、燃料供给泵34、电磁阀36的燃油管线。另外，附图标记60是包含进气管线62、增压机64、排气管线66和排气旁通阀68的供排气系统，该增压机64具备通过排气涡轮64A进行旋转的进气涡轮64B，该排气旁通阀68设于在将该排气管线66的中途的排气涡轮64A的前后连结起来的旁通管线67。
所述电磁阀36由燃油喷射控制装置38控制，所述气阀48由氨气阀控制装置54控制，所述燃油喷射控制装置38、所述氨气阀控制装置54和所述排气旁通阀68由统一控制装置70控制。
在此，由所述燃油喷射控制装置38、所述氨气阀控制装置54、所述排气旁通阀68、所述统一控制装置70构成控制部件。
氨以液体状贮存于氨罐42，氨被气化而以气体状态供给。利用气体调压阀46调整气体压力，利用气阀48流量调整至规定的热量比(20％左右)，在图10所例示的预定的供气时刻向发动机供给氨。气阀48装备于各气缸10，利用图8所示的管49来分配由该气阀48控制的氨，并将该氨通过连接器51输送至多个喷射孔52。在该连接器51的部分设有止回阀50，以便使燃烧时燃烧气体不产生倒流。
如图11详细所示，该止回阀50被设为具有两个座阀芯50A、50B的双座阀芯的止回阀。在此，设为双座阀芯的原因在于，在长期使用中会在密封部产生磨损，存在产生泄漏的可能性，因此需要防止这种情况。
如在图12的(A)中示出座阀芯50A的例子那样，在各座阀芯50A、50B的侧面开设有孔50C，在图12的(B)所示的NH3投入时，如图12的(C)所示的阻断倒流时那样，座阀芯50A、50B向图的左右移动而防止NH3的倒流。即，在图12的(B)所示的NH3投入时，座阀芯50A、50B被NH3压力推动而向图的右方移动到与止挡件50D抵接，因此，NH3通过座阀芯50A、50B与座部50E之间的间隙向右方流动。另一方面，在图12的(C)所示的阻断倒流时，在缸内压力的作用下，座阀芯50A、50B被向左方推动，落座于座部50E而实现密封。
在本实施方式中，由于使用了双座阀芯的止回阀，因此能够可靠地防止泄漏的产生。此外，止回阀的种类并不限定于此。
如以上那样，对于通过供气行程从氨喷射孔52投入的氨，其能够在壁面处成为70％以上的分层度。此外，氨喷射孔52的数量并不限定于两个，例如能够设为图9中的虚线所示的4个或6个等。
利用燃油喷射控制装置38对柴油机主燃料进行流量调整而使其成为规定的热量比(80％左右)，在规定的时刻从燃料喷射阀24喷射该柴油机主燃料。
对于空气过剩系数λ，利用在增压机64的排气涡轮64A侧设置的排气旁通阀68来调整排气通过量，从而将空气过剩系数λ调整为规定值。即，为了减少空气而使空气过剩系数λ过浓，稍微关闭排气旁通68来降低进气涡轮64B的转速，减少空气量。
对于预混合气的分层度，如图13所例示那样，相比于氨-空气预混合气浓度平均值，使中心部为-70％左右，使壁面部为+70％左右。
燃烧温度在壁面部成为高温，通过使氨集中于该壁面部附近，从而提高氨燃烧率。
此外，在所述实施方式中，使用了机械式燃料喷射装置，但也能够使用电子喷射式的共轨燃料喷射装置。氨管线、进排气系统的结构也不限定于实施方式。
另外，在所述实施方式中，本发明用于船舶用的柴油发动机，但本发明的应用对象并不限定于此，本发明还能够同样地应用于以轻油为燃料的柴油发动机、将柴油发动机那样的压缩点火和汽油发动机那样的火花点火组合起来的发动机。
产业上的可利用性
本发明被用作输送氨的运氨船的发动机时特别有效，但应用对象并不限定于此。
附图标记说明
10、气缸；12、活塞；14、气缸盖；16、供气阀；18、排气阀；20、供气管；22、排气管；24、燃料喷射阀；30、燃油管线；32、燃油罐；34、燃料供给泵；36、电磁阀；38、燃油喷射控制装置；40、氨管线；42、氨罐；44、气体截止阀；46、气体调压阀；48、气阀；50、止回阀；52、氨喷射孔；54、氨气阀控制装置；60、供排气系统；62、进气管线；64、增压机；66、排气管线；68、排气旁通阀；70、统一控制装置。

Claims (7)

1.一种柴油发动机，其具有在气缸盖内的燃烧室和向所述燃烧室内投入成为着火源的燃油和气体状的氨的燃料投入部件，从而在所述燃烧室内形成氨预混合气并使该氨预混合气混合燃烧，其特征在于，
该柴油发动机还具有控制部件，该控制部件以在所述燃烧室内形成所述燃烧室的内侧侧壁面侧的氨浓度浓于所述燃烧室的中心部的氨浓度那样的氨预混合气的方式进行控制，在所述气缸盖设置氨供给路径，并且在比所述燃烧室中心部靠所述燃烧室的内侧侧壁面侧的多个部位具备氨喷射孔，以在供气行程中向燃烧室内投入气化了的氨的方式进行控制。
2.根据权利要求1所述的柴油发动机，其特征在于，
所述控制部件以成为比仅利用燃油进行运转时的空气过剩系数低的空气过剩系数的方式进行调整。
3.根据权利要求1或2所述的柴油发动机，其特征在于，
该柴油发动机具备对氨的投入量进行调整的气阀和对燃油的供给量进行调整的燃料喷射阀，所述控制部件控制所述气阀和所述燃料喷射阀中的至少任一者。
4.根据权利要求1或2所述的柴油发动机，其特征在于，
以使氨的投入量按照热量比为燃油的供给量的15％以上且25％以下的方式进行调整。
5.根据权利要求1或2所述的柴油发动机，其特征在于，
所述燃烧室内侧侧壁面处的氨浓度相对于所述燃烧室内的平均浓度的偏差为70％以上。
6.根据权利要求2所述的柴油发动机，其特征在于，
以使所述空气过剩系数比仅利用燃油进行运转时的空气过剩系数降低0.5～1.0的方式进行调整。
7.根据权利要求2或6所述的柴油发动机，其特征在于，
利用在增压机的排气旁通设置的调整部件对空气量进行调整，从而对所述空气过剩系数进行调整。
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