CN114109587A - 燃烧装置及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及内燃机技术领域，提供一种燃烧装置，包括：机体；活塞，安装在机体内；缸盖，安装在机体的开口位置，缸盖、机体和活塞限定第一燃烧室；第一燃烧部，设置在缸盖中部并与第一燃烧室连通，用以向第一燃烧室内喷射燃料；以及第二燃烧部，设置在缸盖内并与第一燃烧室连通，用以形成射流火焰并引燃第一燃烧室内的燃料；其中，第一燃烧部和氨燃料源导通，第二燃烧部和氢燃料源导通，并使得第一燃烧室内的燃料以扩散燃烧方式进行燃烧。本发明还提供一种燃烧系统，包括燃烧装置；以及燃气重整装置。

Description

燃烧装置及系统
技术领域
本发明涉及内燃机技术领域，尤其涉及一种燃烧装置及系统。
背景技术
氢燃料和氨燃料均是清洁能源，可较为有效的解决燃烧过程导致的碳排放问题。
其中，氨燃料的着火温度高、点火能量大、火焰传播速度慢、可燃极限窄，导致其不易着火燃烧，且燃烧性能及稳定性较差。而氢燃料的辛烷值高、抗爆震性好，且燃烧速度快、着火极限宽广使得氢燃料发动机有较高的燃烧效率及热效率。因此，可借助氢的理化特性较为有效的改善氨燃料的燃烧效率，进而将氨燃料应用在内燃机领域中。
发明内容
针对于现有的技术问题，本发明提供一种燃烧装置及系统，用于至少部分解决以上技术问题。
本公开的一方面提供一种燃烧装置，包括机体；活塞，安装在所述机体内；缸盖，安装在所述机体的开口位置，所述缸盖、机体和活塞限定第一燃烧室；第一燃烧部，设置在所述缸盖中部并与所述第一燃烧室连通，用以向所述第一燃烧室内喷射燃料；以及第二燃烧部，设置在所述缸盖内并与所述第一燃烧室连通，用以形成射流火焰并引燃所述第一燃烧室内的燃料；其中，所述第一燃烧部和氨燃料源导通，第二燃烧部和氢燃料源及氨燃料源导通，并使得第一燃烧室内的燃料以扩散燃烧的方式进行燃烧。
根据本公开的实施例，还包括：进气道，形成于所述缸盖上；以及排气管，形成于与所述进气道对称的所述缸盖的径向另一侧上；其中，所述进气道内可开合的安装有进气门；所述排气管内可开合的安装有排气门。
根据本公开的实施例，其中，所述第一燃烧部和第二燃烧部在所述缸盖的径向平面内形成的连线与所述进气道和排气管形成的连线相垂直。
根据本公开的实施例，其中，所述第一燃烧部包括第一喷射器，设置在所述缸盖中部位置并沿所述缸盖的轴向方向延伸至所述第一燃烧室内；所述第一喷射器位于所述第一燃烧室内的端部沿周向设置有喷孔。
根据本公开的实施例，所述活塞的与缸盖面对的表面上形成凹槽，所述凹槽的表面光滑设置，由所述第一喷射器的喷孔喷射的燃料经所述凹槽的表面形成涡团。
根据本公开的实施例，其中，所述第二燃烧部，包括：第二燃烧室，形成于所述缸盖内；第二喷射器，设置在所述第二燃烧室内，用以向所述第二燃烧室内喷射燃料；火花塞，设置在所述第二燃烧室内，用以引燃由所述第二喷射器喷射的燃料；以及射流孔，设置在所述缸盖的与所述活塞相对的表面，用以将所述第二燃烧室内燃烧的燃料形成所述射流火焰。
本公开的另一方面提供一种燃烧系统，包括：如权利要求至中任一所述的燃烧装置；以及燃气重整装置。
根据本公开的实施例，其中，所述燃气重整装置，包括：氨燃料储罐，用以输出氨燃料；重整器，和所述氨燃料储罐的排出端导通；以及分离器，和所述重整器的排出端导通，用以输出氢燃料。
根据本公开的实施例，其中，分离器的排出端和第二喷射器导通，氨燃料储罐的排出端和第一喷射器导通，用以向所述燃烧装置输出燃料。
根据本公开的实施例，其中，所述燃烧装置的排气管和所述重整器连接，以利用所述燃烧装置输出尾气的热量对所述重整器辅热。
本公开提供了一种燃烧装置，通过机体、活塞和缸盖配合形成第一燃烧室，缸盖内分别设置第一燃烧部和第二燃烧部。其中，第一燃烧部用以向第一燃烧室内输入氨燃料，第二燃烧部用以输入氢燃料并通过预燃氢燃料来引燃第一燃烧室内的氨燃料。
本公开还提供了一种燃烧系统，其中将燃气重置装置以氨燃料作为气源在重整过程中产生少量氢燃料作为第二燃烧部的燃料，继而通过第二燃烧部产生的射流火焰引燃第一燃烧部内的氨燃料，兼具燃烧装置的优点。并且由于燃气重置装置不存储氢燃料，因此也具有较高的安全性。
附图说明
图1是根据本公开的一种示意性实施例的燃烧装置的剖视示意图；
图2是图1所示的示意性实施例的另一角度的剖视示意图；
图3是图1所示的示意性实施例的燃烧系统喷射燃料状态的状态图；
图4是图1所示的示意性实施例中缸盖部分的仰视图；以及
图5是根据本公开的一种示意性实施例的燃烧系统的原理方框图。
附图标记
1、活塞；
2、机体；
3、缸盖；
4、第一燃烧室；
5、喷孔；
6、第一喷射器；
7、喷射器端盖；
8、第二燃烧室；
9、火花塞；
10、第二喷射器；
11、射流孔；
12、进气道；
13、进气门；
14、排气门；以及
15、排气管。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。
在使用类似于“A、B和C等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释(例如，“具有A、B和C中至少一个的系统”应包括但不限于单独具有A、单独具有B、单独具有C、具有A和B、具有A和C、具有B和C、和/或具有A、B、C的系统等)。在使用类似于“A、B或C等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释(例如，“具有A、B或C中至少一个的系统”应包括但不限于单独具有A、单独具有B、单独具有C、具有A和B、具有A和C、具有B和C、和/或具有A、B、C的系统等)。
图1是根据本公开的一种示意性实施例的燃烧装置的剖视示意图；图2是图1所示的示意性实施例的另一角度的剖视示意图；图3是图1所示的示意性实施例的燃烧系统喷射燃料状态的状态图；图4是图1所示的示意性实施例中缸盖部分的仰视图；图5是根据本公开的一种示意性实施例的燃烧系统的原理方框图。
本公开提供一种燃烧装置，如图1至图4所示，上述燃烧装置，包括：机体2；安装在机体2内的活塞1；安装在机体2的开口位置的缸盖3，上述机体2、活塞1和缸盖3限定第一燃烧室4；缸盖3中部设置有用以向第一燃烧室4内喷射燃料的第一燃烧部，缸盖3内还设置有用以形成射流火焰并引燃第一燃烧室4的燃料的第二燃烧部。其中，第一燃烧部和氨燃料源导通，以氨燃料作为燃料；第二燃烧部和氢燃料源及氨燃料源导通，以氢燃料和氨燃料作为燃料，并使得第一燃烧室4内的氨燃料以扩散燃烧的方式进行燃烧。
详细的，第二燃烧部所用燃料以氢燃料为主，氢燃料所占比例以能较为有效的引燃第二燃烧部内所导入的氨燃料为宜。
进一步的，氨燃料在催化作用下可形成氢燃料，因此，氢燃料可通过氨燃料源制取。应当理解，本公开的实施例不限于此。
例如，氢燃料源和氨燃料源可分别连通，再通过气阀等调节装置调节输入第二燃烧部内的氢燃料和氨燃料的比例。
根据本公开的实施例，上述燃烧装置还包括形成于缸盖3上的进气道12，以和进气道12对称设置在缸盖3上的排气管15。其中，进气道12内可开合的安装有进气门13，排气管15内可开合的安装有排气门14。
根据本公开的实施例，在缸盖3的径向平面内，第一燃烧部与第二燃烧部所形成的连线和进气道12与排气管15所形成的连线相垂直。以使得第二燃烧部相对于第一燃烧部形成偏置设计。
根据本公开的实施例，如图3所示，第一燃烧部包括设置在缸盖3中部并沿缸盖3的轴向方向延伸至第一燃烧室4内的第一喷射器6。其中，第一喷射器6位于第一燃烧室4内的端部沿周向设置有喷孔5。
详细的，喷孔5数量为六个，上述六个喷孔5沿周向均匀间隔设置。
详细的，第一喷射器6通过喷射器端盖7固定在端盖上。
进一步的，喷孔5的数量可依据实际的燃料喷射需求和流量进行设计。应当理解，本公开的实施例不限于此。
例如，喷孔5数量为六个以上或小于六个。
更进一步的，喷孔5的位置也可依据燃料的类型以及与第二燃烧部的相对位置进行设计。
根据本公开的实施例，活塞1的与缸盖3面对的表面上形成凹槽，凹槽的表面光滑设置，由第一喷射器的喷孔5喷射的燃料经凹槽的表面形成涡团。
详细的，活塞和缸盖同侧表面形成凹槽，凹槽的槽底光滑设置圆润过渡。
进一步的，凹槽的中部和第一燃烧部正投影的位置形成凸出部，上述凸出部和凹槽的槽底一体形成。以使得燃料喷射在凹槽内后，被凹槽的槽底阻挡，并沿槽底向径向外侧延伸以形成涡团。应当理解，本公开的实施例不限于此。
例如，凹槽的形状应当依据第一燃烧部的位置以及第一喷射器6所形成的喷孔5位置进行设计。
并且，由于活塞1是沿机体2移动的，因此，凹槽的形状还应依据活塞1相对于机体2的位置进行设计。
例如，凹槽的形状应满足活塞1在上行至某一位置时，由第一喷射器6喷射的燃料可在凹槽内形成怎样的涡团作为设计目的。
根据本公开的实施例，如图3和图4所示，第二燃烧部包括形成于缸盖3内的第二燃烧室8，第二燃烧室8内设置有第二喷射器10和火花塞9，并且在缸盖3的与活塞1相对的表面还设置有射流孔11，射流孔11用于将第二燃烧室和第一燃烧室连通，以使得第二燃烧室8内燃烧的燃料形成射流火焰。
详细的，第二燃烧室8的下端部位于第一燃烧室4内。
进一步的，第二燃烧室8为相对于第一燃烧室4的偏置第二燃烧室。
更进一步的，第二燃烧室8所形成的多个射流孔11中，每个射流孔11均可依据实际的需求进行单独设计，例如，射流孔11的位置、数量及参数(包括但不限于角度、孔径及长度)等，以满足由第二燃烧室8能形成射流火焰且射流火焰能较为有效地引燃第一燃烧室4内的燃料为宜。
例如，射流孔11的数量和第一燃烧器6的喷孔5数量一致。并且，射流孔11所形成的射流火焰和喷孔5喷出的燃料的路径部分重合。
例如，靠近第一喷油器6的射流孔11的向下倾斜的角度小于另一侧的射流孔11，以使得这两侧喷射出的射流火焰都可以与相应的燃料束接触并有效引燃，以提升火焰射流对第一燃烧室4内燃料的引燃效果。应当理解，本公开的实施例不限于此。
例如，射流孔11数量和喷孔5数量不一致。
例如，射流孔11的角度和位置一致。
例如，通过射流孔11的长度、孔径和角度的整体设计，以控制由射流孔11喷出的燃料的速度等等。
根据本公开的另一个方面还提供一种燃烧系统，包括燃烧装置以及燃气重整装置。
详细的，燃烧装置以氨燃料和氢燃料作为燃料分别用于第一燃烧室4和第二燃烧室8中。
进一步的，位于第二燃烧室8内的燃料不一定是单一的。例如，氨燃料和氢燃料可发生掺杂，或者包括其他燃料及不可避免的杂质或气体。
更进一步的，为有利于第二燃烧室8内的燃料着火燃烧，可提升第二燃烧室8中氢燃料在混合燃料中的比例。在满足第二燃烧室8内的燃烧条件的前提下，甚至可采用单独的氢燃料(含不可避免的杂质)在第二燃烧室8内点燃。
根据本公开的实施例，燃气重整装置，如图5所示，包括：氨燃料储罐16，重整器17和分离器18。其中，氨燃料储罐16用以输出氨燃料，分离器18用以输出氢燃料，重整器17设置在氨燃料储罐16和分离器18之间，用以至少将一部分氨燃料转化为氢燃料。
详细的，将氨燃料存储在氨燃料储罐16中，并以氨燃料储罐16中存储的氨燃料分别作为氨燃料源和氢燃料源。
进一步的，氨燃料储罐16输出的氨燃料分别和燃烧装置及重整器17连通，通入燃烧装置的氨燃料和第一燃烧室4连通，通入重整器17的氨燃料则在催化反应下形成包含氨燃料和氢燃料的混合气体通入分离器，用以分离氢燃料或调节氢燃料与氨燃料的比例。应当理解，本公开的实施例不限于此。
例如，除氨燃料储罐16外，还可配置其他储存有氢燃料的容器，用以作为氢燃料源或调节氢燃料和氨燃料的比例。以第二燃烧室8中的混合气体可以被点燃，并形成射流火焰为宜。
更进一步的，燃气重装装置中还可配置具有检测或输出氢燃料和氨燃料比例的检测装置。
根据本公开的实施例，分离器18的排出端和第二喷射器10导通，氨燃料储罐16的排出端和第一喷射器6导通，用以向所述燃烧装置输出燃料。
详细的，第二喷射器10中通入的燃料至少包含一部分氢燃料，第一喷射器6通入的燃料中至少包含一部分氨燃料。其中，氢燃料可被点燃并形成射流火焰，氨燃料可在第一燃烧室4中形成燃料雾束。
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。
根据本公开的实施例，燃烧装置的排气管15和重整器17连接，用以将燃烧装置输出的尾气对重整器17辅热。
详细的，排气管15和重整器17的连接方式包括但不限于直接连接。
例如，可将排气管15输出的尾气汇集在某装置中，再将装置和重整器17连接。
进一步的，重整器17作为催化反应的发生机构还可引入其他热源，以将排气管15排出的尾气作为辅热设备。以防止尾气的热量不足以满足催化反应的温度要求。
根据本公开的实施例，除上述燃烧装置和燃气重整装置外，上述燃烧系统还可设计其他用于对燃烧系统的状态进行检测和控制的其他装置。
详细的，包括监测单元和控制单元，其中，监测单元，适用于监测所述活塞1的位置；以及控制单元，适用于根据所述活塞1的位置控制第一喷射器6和/或第二喷射器10的喷射时间、进气门13和/或排气门14的开闭以及火花塞9的点火时机。
根据本公开的实施例，依据上述燃烧系统，还衍生相应的燃烧控制方法，包括监测燃烧系统的活塞1的位置；以及根据活塞1的位置控制火花塞9的点火时机。
详细的，监测燃烧系统的活塞1的位置包括，根据与活塞1联动的曲轴在活塞一个工作循环中的曲轴转角的角度获得活塞1的位置。
进一步的，根据活塞1的位置控制火花塞9的点火时机，包括在活塞的一个工作循环中，活塞1在次接近上止点的过程中所述喷射器10喷射燃料，之后火花塞9点火，并基于火花塞9的点火时机控制第一喷油器6向第一燃烧室4内喷射燃料，以实现射流火焰对第一喷油器所喷射的燃料的有效引燃。
详细的，活塞1首先从上止点下行，此时进气门13打开，排气门14处于关闭状态，新鲜空气通过进气道进入第一燃烧室4和第二燃烧室8；当活塞越过下止点时，进气门13关闭，活塞1向上运动压缩缸内的空气，使其温度和压力不断升高，与此同时喷油器开始喷射氢燃料，喷射的氢燃料与第二燃烧室8内的空气混合形成均匀的混合气；在活塞运动到接近上止点时，火花塞点火引燃第二燃烧室8内的可燃混合气，燃料燃烧放热导致第二燃烧室8内的温度和压力急剧增加，因此第二燃烧室8和第一燃烧室4内的压力差会逐渐增大，在压力差的作用下，第二燃烧室8内的燃烧火焰会从射流孔11喷出，形成射流火焰；与此同时，第一喷油器6也开始喷射氨燃料，由于较高的喷射压力，燃料喷雾会喷射至第一燃烧室4边缘，从而使得射流火焰可以点燃喷雾末端的可燃混合气；第一燃烧室4喷雾末端的可燃混合气被点燃后，形成扩散燃烧火焰，燃料燃烧释放出大量的热量，推动活塞1向下运动，输出机械功；活塞1运动到接近下止点时，排气门14开启，活塞1向上运动排除燃烧室内的废气，完成整个工作过程。
依据本公开所提供的然绕装置和燃烧系统，1、通过氢燃料在第二燃烧室内燃烧产生的射流火焰引燃第一燃烧室中的氨燃料束，可以使氨燃料实现扩散燃烧，扩散燃烧具有较高的效率，因此本公开所提供的燃烧系统及发动机具有较高的燃烧效率和热效率。2、利用燃烧系统所产生的废气的热量作为热源对重整器进行辅热以制取氢燃料，不需储存氢燃料，可较为有效的降低储存氢燃料所产生的安全问题。3、射流火焰的引燃作用可以较为显著的改善氨燃料在小负荷工况下的着火及燃烧稳定性的问题。4、可以根据负荷的实时变化，调整进入第一燃烧室和/或第二燃烧室的燃料量，以较为有效的提升燃烧系统在全工况条件下的稳定燃烧。进而使得在小负荷条件下增加第二燃烧室的燃料两，增强射流火焰的引燃作用，较为有效的提升燃烧的稳定性，在大负荷条件下，优化燃料的喷射策略，较为有效的防止燃烧过于粗暴。
以上对本公开的实施例进行了描述。但是，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本公开的范围。尽管在以上分别描述了各实施例，但是这并不意味着各个实施例中的措施不能有利地结合使用。本公开的范围由所附权利要求及其等同物限定。不脱离本公开的范围，本领域技术人员可以做出多种替代和修改，这些替代和修改都应落在本公开的范围之内。

Claims (10)

1.一种燃烧装置，包括：
机体(2)；
活塞(1)，安装在所述机体(2)内；
缸盖(3)，安装在所述机体(2)的开口位置，所述缸盖(3)、机体(2)和活塞(1)限定第一燃烧室(4)；
第一燃烧部，设置在所述缸盖(3)中部并与所述第一燃烧室(4)连通，用以向所述第一燃烧室(4)内喷射燃料；以及
第二燃烧部，设置在所述缸盖(3)内并与所述第一燃烧室(4)连通，用以形成射流火焰并引燃所述第一燃烧室(4)内的燃料；
其中，所述第一燃烧部和氨燃料源导通，第二燃烧部和氢燃料源导通，并使得第一燃烧室(4)内的燃料以扩散燃烧的方式进行燃烧。
2.根据权利要求1所述的燃烧装置，还包括：
进气道(12)，形成于所述缸盖(3)上；以及
排气管(15)，形成于与所述进气道(12)对称的所述缸盖(3)的径向另一侧上；
其中，所述进气道(12)内可开合的安装有进气门(13)；所述排气管(15)内可开合的安装有排气门(14)。
3.根据权利要求2所述的燃烧装置，其中，所述第一燃烧部和第二燃烧部在所述缸盖(3)的径向平面内形成的连线与所述进气道(12)和排气管(15)形成的连线相垂直。
4.根据权利要求1-3中任一所述的燃烧装置，其中，所述第一燃烧部包括第一喷射器(6)，设置在所述缸盖(3)中部位置并沿所述缸盖(3)的轴向方向延伸至所述第一燃烧室(4)内；所述第一喷射器(6)位于所述第一燃烧室(4)内的端部沿周向设置有喷孔。
5.根据权利要求4所述的燃烧装置，其中，所述活塞(1)的与缸盖(3)面对的表面上形成凹槽，所述凹槽的表面光滑设置，由所述第一喷射器(6)的喷孔(5)喷射的燃料经所述凹槽的表面形成涡团。
6.根据权利要求1-3中任一所述的燃烧装置，其中，所述第二燃烧部，包括：
第二燃烧室(8)，形成于所述缸盖(3)内；
第二喷射器(10)，设置在所述第二燃烧室(8)内，用以向所述第二燃烧室(8)内喷射燃料；
火花塞(9)，设置在所述第二燃烧室(8)内，用以引燃由所述第二喷射器(10)喷射的燃料；以及
射流孔(11)，设置在所述缸盖(3)的与活塞(1)面对的表面，用以将所述第二燃烧室(8)内燃烧的燃料形成所述射流火焰。
7.一种燃烧系统，包括：
如权利要求1至6中任一所述的燃烧装置；以及
燃气重整装置。
8.根据权利要求7所述的燃烧系统，其中，所述燃气重整装置，包括：
氨燃料储罐(16)，用以输出氨燃料；
重整器(17)，和所述氨燃料储罐(16)的排出端导通；以及
分离器(18)，和所述重整器(17)的排出端导通，用以输出氢燃料。
9.根据权利要求8所述的燃烧系统，其中，分离器(18)的排出端和第二喷射器(10)导通，氨燃料储罐(16)的排出端和第一喷射器(6)导通，用以向所述燃烧装置输出燃料。
10.根据权利要求8所述的燃烧系统，其中，所述燃烧装置的排气管(15)和所述重整器(17)连接，以利用所述燃烧装置输出尾气的热量对所述重整器(17)辅热。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN114934839A (zh) * 2022-05-05 2022-08-23 北京工业大学 一种氢气射流点火氨内燃机及控制方法
CN115352609A (zh) * 2022-05-19 2022-11-18 哈尔滨工程大学 基于冗余式固态储氢法的多源能量协同式氨氢复合动力系统
CN115370469A (zh) * 2022-05-19 2022-11-22 哈尔滨工程大学 氨氢一体式多源能量混合动力系统

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