CN115030813B - 氨氢融合燃料零碳高效发动机及燃烧组织方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于新能源领域，提供一种氨氢融合燃料零碳高效发动机及燃烧组织方法，第二燃料供给组件用于向主燃室供给液氨，第一燃料供给组件用于向射流室内供给氢气或者含氢混合气。火花塞的点火端位于射流室内，火花塞将射流室内的氢气点燃，氢气易点燃且燃烧速度快，可在射流室内形成高温、高速的火焰射流，射流火焰穿过射流室进入主燃室可引燃主燃室内的氨气和空气的混合气，实现主燃室内的氨气的稳定着火。如此，通过氢气燃烧点燃氨气，解决了氨气反应活性低，着火困难以及燃烧速度慢，导致将氨气用作发动机燃料点燃较困难的问题。

Description

氨氢融合燃料零碳高效发动机及燃烧组织方法
技术领域
本发明涉及新能源技术领域，尤其涉及一种氨氢融合燃料零碳高效发动机及燃烧组织方法。
背景技术
氢气是备受关注的零碳清洁燃料，氢气具有燃烧速度快、最小点火能量低、燃烧清洁等优点，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)远大于液氢的密度(71kg/m3)，具有较高的含氢密度。
将氨气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，氨气的化学当量比混合气热值与汽油相当，可以满足发动机的动力性要求。
然而，氨气在发动机上的应用目前仍存在需要解决的问题。氨气的自燃温度较高、最小点火能量高、层流火焰速度低，因此氨气是一种低反应活性燃料，其着火困难和燃烧速度慢是限制其在发动机中应用的重要难题。
发明内容
本发明提供一种氨氢融合燃料零碳高效发动机及燃烧组织方法，用以解决现有技术中由于氨气反应活性低，着火困难以及燃烧速度慢，导致将氨气用作发动机燃料较困难的缺陷，实现利用氢气来引燃氨气的效果。
本发明提供一种氨氢融合燃料零碳高效发动机，包括：
燃烧室，所述燃烧室包括主燃室和射流室，至少所述射流室的射流端位于所述主燃室内；
第一燃料供给组件，所述第一燃料供给组件的出口与所述射流室连通，所述第一燃料供给组件用于向所述射流室内供给氢气或者含氢混合气；
火花塞，至少所述火花塞的点火端位于所述射流室内；
第二燃料供给组件，所述第二燃料供给组件的出口与所述主燃室连通，所述第二燃料供给组件用于向所述主燃室内通入液氨。
根据本发明提供的氨氢融合燃料零碳高效发动机，所述第一燃料供给组件包括第一燃料储罐、第一减压管路和第一喷射器，所述第一减压管路连通在所述第一燃料储罐和所述第一喷射器之间，至少所述第一喷射器的喷射端位于所述射流室内。
根据本发明提供的氨氢融合燃料零碳高效发动机，所述第二燃料供给组件包括第二燃料储罐、增压管路和第二喷射器，所述增压管路连通在所述第二燃料储罐和所述第二喷射器之间，至少所述第二喷射器的喷射端位于所述主燃室内。
根据本发明提供的氨氢融合燃料零碳高效发动机，所述第一燃料储罐中的储存有氢气或含氢气体，氢气由氨气裂解生成或来源于工业副产氢。
根据本发明提供的氨氢融合燃料零碳高效发动机，所述第二燃料供给组件还包括第二减压管路，所述第二减压管路连通在所述第二燃料储罐与所述第一喷射器之间。
根据本发明提供的氨氢融合燃料零碳高效发动机，还包括气体混合装置，所述第一减压管路、所述第二减压管路和所述第一喷射器均与所述气体混合装置连通。
根据本发明提供的氨氢融合燃料零碳高效发动机，所述第一减压管路和所述第二减压管路均包括减压阀，所述减压阀位于靠近所述第一燃料储罐或所述第二燃料储罐的位置。
根据本发明提供的氨氢融合燃料零碳高效发动机，所述第一减压管路和所述第二减压管路还包括单向阀，所述单向阀位于靠近所述第一喷射器的位置。
根据本发明提供的氨氢融合燃料零碳高效发动机，所述第一减压管路和所述第二减压管路还包括流量控制组件，所述流量控制组件位于所述减压阀和所述单向阀之间。
根据本发明提供的氨氢融合燃料零碳高效发动机，所述第一减压管路还包括阻火器，所述阻火器位于所述单向阀和所述流量控制组件之间。
根据本发明提供的氨氢融合燃料零碳高效发动机，所述增压管路包括液氨升压泵。
本发明还提供一种燃烧组织方法，应用于以上任一项所述的氨氢融合燃料零碳高效发动机，包括：
向主燃室内喷入液氨；
向射流室内通入氢气或含氢混合气，并通过火花塞点燃。
根据本发明提供的燃烧组织方法，所述向主燃室内喷入液氨包括：
在进气冲程单次喷射液氨或者在进气冲程喷射液氨，并在压缩冲程再次喷射液氨。
根据本发明提供的燃烧组织方法，当发动机冷启动或者在小负荷工况下，在进气冲程，向射流室内喷入氢气，并通过射流室的射流孔进入主燃室，在主燃室内形成均质稀薄混合气，在压缩冲程，再次向射流室内喷入氢气，在射流室形成易燃浓混合气，并通过火花塞点燃射流室内的氢气。
根据本发明提供的燃烧组织方法，当发动机工作在中高负荷工况下，向射流室内喷射氢气，向主燃室内喷射液氨，并通过火花塞点燃射流室内的氢气。
根据本发明提供的燃烧组织方法，当发动机工作在大负荷工况下，向射流室内喷射氨氢混合气，向主燃室内喷射液氨，并通过火花塞点燃射流室内的氨氢混合气。
本发明提供的氨氢融合燃料零碳高效发动机，第二燃料供给组件用于向主燃室供给液氨，第一燃料供给组件用于向射流室内供给氢气或者含氢混合气。火花塞的点火端位于射流室内，火花塞将射流室内的氢气点燃，氢气易点燃且燃烧速度快，可在射流室内形成高温、高速的火焰射流，射流火焰穿过射流室进入主燃室可引燃主燃室内的氨气和空气的混合气，实现主燃室内的氨气的稳定着火。如此，通过氢气燃烧点燃氨气，解决了氨气反应活性低，着火困难以及燃烧速度慢，导致将氨气用作发动机燃料点燃较困难的问题。
本发明提供的燃烧组织方法，应用于上述的氨氢融合燃料零碳高效发动机，因此，具有与如上所述相同的优势。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的氨氢融合燃料零碳高效发动机的工作原理示意图；
附图标记：
1、第一燃料储罐；2、氢气减压阀；3、氢气流量计；4、氢气电磁阀；5、氢气流量控制器；6、阻火器；7、氢气单向阀；8、火花塞；9、氨氢混合腔；10、第一喷射器；11、射流室；12、氨气单向阀；13、主燃室；14、氨气电磁阀；15、第二喷射器；16、氨气流量计；17、氨气流量控制器；18、液氨升压泵；19、氨气减压阀；20、第二燃料储罐。
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，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合图1描述本发明的氨氢融合燃料零碳高效发动机及燃烧组织方法。
本发明提供的氨氢融合燃料零碳高效发动机采用射流点火模式，包括燃烧室、第一燃料供给组件、火花塞8和第二燃料供给组件。
其中，燃烧室分为主燃室13和射流室11，至少射流室11的射流端位于主燃室13内，用于向主燃室13内喷射火焰。
第二燃料供给组件包括第二燃料储罐20、增压管路和第二喷射器15，增压管路的两端用于连通第二燃料储罐20和第二喷射器15，第二喷射器15的喷射端位于主燃室13内，或第二喷射器15完全内置在主燃室13内，第二燃料储罐20内储存有液氨，液氨经过增压管路后变为高压液氨，并由第二喷射器15喷射进入主燃室13内，与空气混合形成氨空混合气。
第一燃料供给组件包括第一燃料储罐1、第一减压管路和第一喷射器10，第一减压管路的两端连通第一燃料储罐1和第一喷射器10，第一喷射器10的喷射端位于射流室11内，或者第一喷射器10完全内置在射流室11内，第一燃料储罐1内储存有氢气或者含氢混合气，第一喷射器10用于向射流室11内喷射氢气或含氢混合气。
射流室11内的氢气由火花塞8点燃，氢气易点燃且燃烧速度快，可在射流室11内形成高温、高速的火焰射流，射流火焰穿过射流室11进入主燃室13引燃主燃室13内的氨空混合气，实现主燃室13内氨气的稳定着火。本发明提供的氨氢融合燃料零碳高效发动机解决了氨气作为发动机燃料不易被点燃的缺陷。
在本发明提供的一个实施例中，上述的第二燃料供给组件还可以包括第二减压管路，第二减压管路的一端与第二燃料储罐20连接，第二减压管路的另一端与第一喷射器10连通。第二燃料储罐20内的液氨经过第二减压管路减压后气化，进入第一喷射器10，与一同进入第一喷射器10的氢气混合，然后经第一喷射器10一同喷入射流室11内，并被火花塞8点燃。
在本发明的一个实施例中，上述的第一燃料储罐1中储存有氢气或者含氢气体，氢气由氨气裂解生成或者来源于工业副产氢。例如上述的第二燃料储罐20可以与第一燃料供给组件的第一燃料储罐1连通，且在第二燃料储罐20与第一燃料储罐1之间设置氨气裂解组件，氨气裂解后可以产生氢气，用于向第一燃料储罐1内供给氢气或者氢气和氨气的混合气。
在进一步的实施例中，本发明提供的氨氢融合燃料零碳高效发动机还包括气体混合装置9，气体混合装置9包括混合腔和与混合腔连通的氢气入口、氨气入口和混合气出口，其中，第一减压管路连通在第一燃料储罐1和氢气入口之间，第二减压管路连通在第二燃料储罐20和氨气入口之间，混合气出口与第一喷射器10的入口连通。氨气通过氨气入口进入混合腔，氢气通过氢气入口进入混合腔，在混合腔内氨气和氢气形成氨氢混合气，最后氨氢混合气经第一喷射器10射入射流室11内。设置该气体混合装置9可在氨气和氢气通过第一喷射器10射入射流室11之前得到充分的混合。
在本发明的一个实施例中，上述的第一减压管路和第二减压管路均包括减压阀，减压阀均位于靠近第一燃料储罐1或第二燃料储罐20的位置。
例如，第一减压管路包括氢气管和连接在氢气管上的氢气减压阀2，氢气管的两端分别与第一燃料储罐1和气体混合装置9的氢气入口连通，当第一燃料储罐1内的氢气经过氢气减压阀2后压力降低。
例如，第二减压管路包括第一氨气管和连接在第一氨气管上的氨气减压阀19，第一氨气管的两端分别与第二燃料储罐20和气体混合装置9的氨气入口连通，当第二燃料储罐20内的液氨经过氨气减压阀19后压力降低，液氨转化成氨气进入气体混合装置9的混合腔内。
在本发明的一个实施例中，上述的第一减压管路和第二减压管路还包括单向阀，单向阀位于靠近第一喷射器10的位置。
例如，第一减压管路还包括连接在氢气管上的氢气单向阀7，氢气单向阀7连接在靠近气体混合装置9的氢气入口的位置，防止混合腔内的气体逆流回第一减压管路内。
同理，第二减压管路还包括连接在第一氨气管上的氨气单向阀12，氨气单向阀12连接在靠近气体混合装置9的氨气入口的位置，防止混合腔内的气体逆流回第二减压管路内。
在本发明提供的一个实施例中，第一减压管路和第二减压管路还各自包括流量控制组件，流量控制组件连接在氢气管或者第一氨气管上，且均位于减压阀和单向阀之间。
例如，设置在第一减压管路上的流量控制组件包括氢气流量计3、氢气电磁阀4和氢气流量控制器5，氢气流量控制器5与氢气电磁阀4连接，用于通过控制氢气电磁阀4来达到控制氢气流量以及导通或关闭第一减压管路的效果，氢气流量计3用于检测第一减压管路上的氢气流量。
同理，设置在第二减压管路上的流量控制组件包括氨气流量计16、氨气电磁阀14和氨气流量控制器17，氨气流量控制器17与氨气电磁阀14连接，用于通过控制氨气电磁阀14来达到控制氨气流量以及导通或关闭第二减压管路的效果，氨气流量计16用于检测第二减压管路上的氨气流量。
在本发明的一个实施例中，上述的第一减压管路上还设置有阻火器6，阻火器6位于氢气单向阀7和流量控制组件之间，设置阻火器6后可用于防止射流室11内的火焰回流进入第一减压管路进而引发爆炸。
在本发明的一个实施例中，上述的增压管路包括第二氨气管和液氨升压泵18，第二氨气管连接在第二燃料储罐20和第二喷射器15之间，液氨升压泵18连接在第二氨气管上。当第二燃料储罐20内的液氨经过液氨升压泵18后压力升高，利用第二喷射器15将液氨喷射入主燃室13内。
本发明的氨氢融合燃料零碳高效发动机可采用高压缩比以实现较高的热效率，同时采用氢气、氨气作为燃料不会产生碳排放。
本发明还提供一种燃烧组织方法，该方法应用于上述的氨氢融合燃料零碳高效发动机，其步骤如下：
步骤S100、向主燃室13内喷入液氨。
步骤S200、向射流室11内通入氢气或含氢混合气，并通过火花塞8点燃。
其中，对于步骤S100包括两种实现方式：可以在发动机进气冲程进行单次喷射，或者可以在进气冲程进行一次喷射，然后在压缩冲程时进行二次喷射。
以下将对本发明提供的燃烧组织方法进行具体说明。
本发明提出的基于氨氢融合燃料零碳高效发动机的燃烧组织方法，发动机采用主动射流燃烧技术，主燃室13内直喷高压液氨，液氨有两种喷射策略：(1)进气冲程单次喷射，在主燃室13内形成氨气和空气的均质混合气；(2)二次喷射，即进气冲程第一次喷射形成均质混合气，压缩冲程第二次喷射形成分层混合气。射流室11的喷射点火包括两种策略：(1)向射流室11喷射氢气，火花塞8点燃氢气和空气的混合气形成氢气火焰射流；(2)向射流室11喷射氨氢混合气，火花塞8点燃氨氢混合气形成火焰射流。
因此，本发明提供的燃烧组织方法可根据上述的两种液氨喷射策略和两种射流室11喷射点火策略组合出四种喷射策略，实际使用时可根据不同的工况要求采用不同的喷射策略。
本发明提供的燃烧组织方法，第二燃料储罐20中的液氨经过液氨升压泵18后变为高压液氨，通过控制第二喷射器15的喷射脉宽可以调节喷入主燃室13的氨气的质量，同时主燃室13的进气压力也可调节，可在主燃室13内形成不同过量空气系数的混合气。液氨可采用单次喷射或者多次喷射策略，在主燃室13形成均质混合气或分层混合气。射流室11内喷射氢气或氨氢混合气，由火花塞8点燃后形成火焰射流进入主燃室13。
当发动机冷启动时，采用主燃室13内氨气二次喷射策略，首次喷射在进气冲程，在主燃室13内形成均质混合气，第二次喷射在压缩冲程，在主燃室13内形成分层混合气；中负荷时，射流室11喷射氢气，氢气火焰射流引燃主燃室13的氨空混合气；大负荷时，射流室11喷射氨氢混合气，氨氢混合气的射流火焰引燃氨气，可降低射流室11的热负荷，提高发动机的耐久性。
该氨氢融合燃料零碳高效发动机及燃烧组织方法可取得以下效果：
采用主动射流点火技术，向射流室11内喷射化学活性较高的氢气或者含氢混合气，例如含氢混合气可以为氨氢混合气。由于氢气最低点火能量较小，在射流室11内容易实现稳定着火。同时氢气的燃烧速度快，在射流室11内形成高温高压的氛围，可向主燃室13内喷射高温、高速的火焰射流。火焰射流的流速高，可在主燃室13内形成高强度的湍流，加速火焰传播。同时高温的火焰射流表面具有很多的点火位点，并携带大量的活性自由基OH基，可实现主燃室13内的氨气混合气的稳定着火和快速燃烧。由于氨气的辛烷值很高，抗爆性能好，因此可提高发动机的几何压缩比和负荷。由于主燃室13采用高压液氨喷射，因此便于灵活调节氨气喷射质量。液氨在燃烧室的蒸发吸热过程有利于提高发动机进气的充量系数，同时降低缸内温度也有利于抑制爆震。
综上所述，本发明提供的氨氢融合燃料零碳高效发动机及燃烧组织方法具有以下突出优势：可由现有发动机经过简单改造而来，成本较低；氢气射流可实现氨气混合气的稳定燃烧；氨气辛烷值高，抗爆性好，可以采用较高压缩比；氢气和氨气均为零碳燃料，不产生碳排放。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (12)

1.一种氨氢融合燃料零碳高效发动机，其特征在于，包括：
燃烧室，所述燃烧室包括主燃室(13)和射流室(11)，至少所述射流室(11)的射流端位于所述主燃室(13)内；
第一燃料供给组件，所述第一燃料供给组件的出口与所述射流室(11)连通，所述第一燃料供给组件用于向所述射流室(11)内供给氢气或者含氢混合气；
火花塞(8)，至少所述火花塞(8)的点火端位于所述射流室(11)内；
第二燃料供给组件，所述第二燃料供给组件的出口与所述主燃室(13)连通，所述第二燃料供给组件用于向所述主燃室(13)内通入液氨；
所述第一燃料供给组件包括第一燃料储罐(1)、第一减压管路和第一喷射器(10)，所述第一减压管路连通在所述第一燃料储罐(1)和所述第一喷射器(10)之间，至少所述第一喷射器(10)的喷射端位于所述射流室(11)内；
所述第二燃料供给组件包括第二燃料储罐(20)、增压管路和第二喷射器(15)，所述增压管路连通在所述第二燃料储罐(20)和所述第二喷射器(15)之间，至少所述第二喷射器(15)的喷射端位于所述主燃室(13)内；
所述第二燃料供给组件还包括第二减压管路，所述第二减压管路连通在所述第二燃料储罐(20)与所述第一喷射器(10)之间；
还包括气体混合装置，所述第一减压管路、所述第二减压管路和所述第一喷射器(10)均与所述气体混合装置连通；
其中，在进气冲程单次喷射液氨或者在进气冲程喷射液氨，并在压缩冲程再次喷射液氨，当发动机工作在大负荷工况下，向射流室内喷射氨氢混合气，向主燃室内喷射液氨，并通过火花塞点燃射流室内的氨氢混合气。
2.根据权利要求1所述的氨氢融合燃料零碳高效发动机，其特征在于，所述第一燃料储罐(1)中的储存有氢气或含氢气体，氢气由氨气裂解生成或来源于工业副产氢。
3.根据权利要求1所述的氨氢融合燃料零碳高效发动机，其特征在于，所述第一减压管路和所述第二减压管路均包括减压阀，所述减压阀位于靠近所述第一燃料储罐(1)或所述第二燃料储罐(20)的位置。
4.根据权利要求3所述的氨氢融合燃料零碳高效发动机，其特征在于，所述第一减压管路和所述第二减压管路还包括单向阀，所述单向阀位于靠近所述第一喷射器(10)的位置。
5.根据权利要求4所述的氨氢融合燃料零碳高效发动机，其特征在于，所述第一减压管路和所述第二减压管路还包括流量控制组件，所述流量控制组件位于所述减压阀和所述单向阀之间。
6.根据权利要求5所述的氨氢融合燃料零碳高效发动机，其特征在于，所述第一减压管路还包括阻火器(6)，所述阻火器(6)位于所述单向阀和所述流量控制组件之间。
7.根据权利要求1所述的氨氢融合燃料零碳高效发动机，其特征在于，所述增压管路包括液氨升压泵(18)。
8.一种燃烧组织方法，其特征在于，应用于权利要求1～7任一项所述的氨氢融合燃料零碳高效发动机，包括：
向主燃室(13)内喷入液氨；
向射流室(11)内通入氢气或含氢混合气，并通过火花塞(8)点燃。
9.根据权利要求8所述的燃烧组织方法，其特征在于，所述向主燃室(13)内喷入液氨包括：
在进气冲程单次喷射液氨或者在进气冲程喷射液氨，并在压缩冲程再次喷射液氨。
10.根据权利要求9所述的燃烧组织方法，其特征在于，当发动机冷启动或者在小负荷工况下，在进气冲程，向射流室内喷入氢气，并通过射流室的射流孔进入主燃室，在主燃室内形成均质稀薄混合气，在压缩冲程，再次向射流室内喷入氢气，在射流室形成易燃浓混合气，并通过火花塞点燃射流室内的氢气。
11.根据权利要求10所述的燃烧组织方法，其特征在于，当发动机工作在中高负荷工况下，向射流室内喷射氢气，向主燃室内喷射液氨，并通过火花塞点燃射流室内的氢气。
12.根据权利要求11所述的燃烧组织方法，其特征在于，当发动机工作在大负荷工况下，向射流室内喷射氨氢混合气，向主燃室内喷射液氨，并通过火花塞点燃射流室内的氨氢混合气。
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