CN115247602B - 一种氨气稀释汽油发动机控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种氨气稀释汽油发动机控制系统，包括氨气稀释汽油发动机和油箱；所述氨气稀释汽油发动机包括主燃烧室和预燃室，向发动机的主燃烧室内直喷氨燃料和来自油箱的汽油，利用直接喷入主燃烧室的氨燃料稀释主燃烧室内汽油，在主燃烧室内形成氨‑汽油‑空气混合气，预燃室出射的射流火焰在主燃烧室内点燃氨‑汽油‑空气混合气，完成燃烧做功；所述预燃室内喷射来自油箱的汽油或来自车载氨氢燃料供给系统的氢气；其中，所述氨‑汽油‑空气混合气的反应活性由氨燃料喷射量来调控，增加喷氨量从而降低氨‑汽油‑空气混合气活性。
Description
技术领域
本发明属于内燃机技术领域，具体涉及一种氨气稀释汽油发动机控制系统。
背景技术
随着传统能源需求的持续上升和全球变暖问题的突显，世界主要汽车生产国纷纷加快部署，将发展清洁能源汽车作为国家战略，发展无碳燃料成为降低碳排放的重要解决方案。大时代背景驱使着传统内燃机向高效清洁燃烧的技术路线发展。近几年，内燃机技术的不断成熟，热效率不断攀升。然而内燃机的碳排放和污染物排放的根源在于燃料本身元素组成。因此，内燃机燃料的低碳、碳中性和零碳化将是内燃机的未来之路。
汽油机小型强化是提高汽油机热效率的一项重要手段，即汽油机朝着小型化、高强化发展，同时保证较高的功率输出。但随着汽油机小型强化水平的不断提高，爆震成为限制汽油机大负荷提高热效率的主要技术障碍。爆震是由火焰未传播到的末端混合气，末端混合气先发生了自燃，末端自燃火焰和火花塞点火火焰相互作用导致的压力振荡。轻微爆震会燃烧恶化，导致燃烧不稳定并降低扭矩输出，同时爆震产生的压力波会破坏缸套表面的润滑油膜，使得高温气体热量直接传向缸套，使温度增加。强烈爆震会造成活塞熔化、气缸垫损坏、火花塞的损坏、拉缸等现象，造成严重的结构性破坏。
湍流射流点火作为一种分布式点火方式，通过较强的热射流引燃主燃室的混合气，缩短了火焰传播距离，能够极大地提升主燃室燃烧速率，提高燃烧稳定性，由于其结构简单、应用方便且具有较高的稀薄燃烧潜力，最近被广泛研究。
本项目提出了一种基于预燃室射流点火氨气稀释汽油发动机高效燃烧技术及控制方法，通过一定量的氨气稀释方式降低汽油机高增压高压缩比带来的爆震问题，从而提高发动机热效率，降低碳排放。
发明内容
本发明的目的在于提供一种氨气稀释汽油发动机控制系统，通过一定量的氨气稀释方式降低汽油机高增压高压缩比带来的爆震问题，从而提高发动机热效率，降低碳排放；同时采用紧凑式主动预燃室射流点火装置解决氨气稀释带来的点火困难及燃烧不稳定问题，同时可以提高热效率和降低排放。本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
本发明公开了一种氨气稀释汽油发动机控制系统，包括氨气稀释汽油发动机和油箱；
所述氨气稀释汽油发动机包括主燃烧室和预燃室，向发动机的主燃烧室内直喷氨燃料和来自油箱的汽油，利用直接喷入主燃烧室的氨燃料稀释主燃烧室内汽油，在主燃烧室内形成氨-汽油-空气混合气，预燃室产生的射流火焰在主燃烧室内点燃氨-汽油-空气混合气，完成燃烧做功；其中，所述氨-汽油-空气混合气的反应活性由氨燃料喷射量来调控，增加喷氨量从而降低氨-汽油-空气混合气活性，反之，减少喷氨量从而增加氨-汽油-空气混合气活性；所述氨燃料的喷射量不超过20％的氨-汽油-空气混合气体积分数；其中，当所述控制系统未设置用于制取氢气的车载氨氢燃料供给系统时，所述预燃室内喷射来自油箱的汽油实现发动机点火；当所述控制系统设置有车载氨氢燃料供给系统时，向预燃室内喷射来自车载氨氢燃料供给系统的氢气，实现发动机点火。
具体的，所述氨气稀释汽油发动机控制系统包括车载氨氢燃料供给系统、氨气稀释汽油发动机、油箱和ECU(Electric Control Unit，电控单元)；
所述ECU用于控制氨气稀释汽油发动机和车载氨氢燃料供给系统的喷气量/燃料量及压力值；
所述车载氨氢燃料供给系统包括低压氨燃料供给单元和车载制氢单元，用于向所述氨气稀释汽油发动机提供制备的低压氨燃料和氢气；其中所述低压氨燃料供给单元用于向氨气稀释汽油发动机的氨喷射器提供压力范围为0.5～1.0MPa的氨燃料，所述车载制氢单元接受所述低压氨燃料供给单元制备的氨燃料并向氨气稀释汽油发动机的湍流射流点火装置提供压力范围为1.0～2.0MPa的氢气；
所述氨气稀释汽油发动机包括发动机气缸盖、缸套、活塞、主燃烧室、进气通道、排气通道，其中，所述气缸盖上设置有带有预燃室的湍流射流点火装置、氨喷射器和汽油喷射器，所述氨喷射器和汽油喷射器分别设置在所述湍流射流点火装置的两侧，且所述湍流射流点火装置、氨喷射器和汽油喷射器的喷嘴伸入所述主燃烧室内；所述汽油喷射器连接油箱，用于将汽油喷射入发动机主燃烧室中，氨喷射器将氨燃料喷入主燃烧室并与汽油喷射器喷入的汽油和主燃烧室内的空气在主燃烧室内形成氨-汽油-空气混合气；
所述控制系统的工作过程包括：低压氨燃料供给单元在ECU的调控下生成压力为0.5～1.0MPa的氨燃料，随后氨燃料分为两路，一部分经管道进入氨喷射器，一部分进入车载制氢单元参与制取氢气；所述车载制氢单元在ECU调控下生成压力为1.0～2.0MPa的氢气，随后氢气供给至湍流射流点火装置，并在预燃室内腔中被火花塞点燃，在主燃烧室中形成射流火焰，而后在主燃烧室内点燃氨-汽油-空气混合气，完成燃烧做功。
进一步的，所述湍流射流点火装置包括预燃室内腔、火花塞、空气喷射器和氢气喷射器；所述空气喷射器的喷嘴伸入预燃室内腔用于向预燃室内腔喷射空气，所述氢气喷射器的喷嘴伸入预燃室内腔用于向预燃室内腔喷射氢气；所述预燃室内腔体积不超过主燃烧室体积的5％；所述火花塞、所述空气喷射器的喷嘴和氢气喷射器的喷嘴设置在所述预燃室的同一侧；所述湍流射流点火装置底部开有射流孔，所述预燃室内腔与主燃烧室通过射流孔相通；所述湍流射流点火装置具有两种工作模式，分别是双喷射模式和扫气模式；
当所述ECU控制所述湍流射流点火装置为双喷射模式时，所述空气喷射器和第二氢气喷射器分别向所述预燃室内腔喷射新鲜空气和氢气，用于在预燃室内部形成当量混合气；
当所述ECU控制所述湍流射流点火装置为扫气模式时，只有所述空气喷射器向预燃室内腔喷射新鲜空气，对预燃室进行扫气，而后喷射氢气，并再次喷射空气，形成氢-空气混合气。
优选的，所述射流孔为6～8个均匀分布的长通道射流孔，用于降低火焰到末端的传播距离。
进一步的，所述低压氨燃料供给单元包括依次连接的氨存储罐、加热器、稳压罐和压力控制器，所述氨存储罐中装有液氨；所述车载制氢单元包括依次连接的车载制氢装置、高压储氢罐和压力控制器。
进一步的，一进气阀设置在进气通道内，一排气阀设置在排气通道内，且进气阀和排气阀分别设置在缸盖的左右两侧，所述进气阀和排气阀用于结合发动机的节气门装置，改变进气量。
进一步的，所述氨燃料掺混量与发动机的压缩比和增压比相匹配，从而最大限度的提高发动机热效率。
进一步的，所述车载氨制氢装置由发动机余热加热用于促进车载制氢进程，或是单独安装电加热装置进行热量供给。
本发明的所述湍流射流点火装置除适用于主动式预燃室结构以外，也可使用被动式预燃室结构，方便简单易于推广；此外，无车载制氢装置时，所述预燃室内可喷射汽油，使发动机完成点火。
与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
1.本发明引入一定量氨气的稀释方式降低汽油机高增压高压缩比带来的爆震问题，从而提高发动机热效率，降低碳排放；
2.氨气稀释带来的点火困难及燃烧不稳定问题，通过采用紧凑式预燃室射流点火装置解决，大幅提高发动机点火能力，实现发动机稳定着火和燃烧；
3.所述湍流射流点火装置提供两种工作模式，其扫气模式通过在预燃室喷氢从而提高射流点火强度，解决氨燃烧点火难的问题，并进一步提高氨燃料火焰传播速度，使氨燃料内燃机一直在高效区工作，并实现二氧化碳零排放。
附图说明
图1是一种氨气稀释汽油发动机控制系统的流程示意图；
图2是氨气稀释汽油发动机的结构示意图；
图3是所述湍流射流点火装置剖面图。
图中：
1：活塞 2：主燃烧室 3：进气阀
4：氨喷射器 5：汽油喷射器 6：湍流射流点火装置
7：射流火焰 8：排气阀 9：气缸盖
10：缸套 11：预燃室内腔 12：火花塞
13：空气喷射器 14：压紧螺栓 15：氢气喷射器
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案、有益效果及显著进步更加清楚，下面结合本发明实例中所提供的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所有描述的这些实施例仅是本发明的部分实施例，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做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。
本发明提出的一种氨气稀释汽油发动机控制系统，通过缸内直喷一定量的氨燃料，稀释高增压高压缩比汽油机缸内混合气，从而降低缸内反应活性，以解决高强化汽油机的爆震问题，提高发动机热效率，降低碳排放。对于氨气稀释带来的点火困难及燃烧不稳定问题，通过采用紧凑式主动预燃室射流点火装置解决，射流点火装置所需的氢气来源于车载制氢装置，由氨气制备，配合湍流射流点火装置，形成射流火焰点燃主燃烧室混合气，实现发动机稳定着火和燃烧。下面结合附图对该装置的工作过程作进一步说明。
如图1所示，一种氨气稀释汽油发动机控制系统，包括车载氨氢燃料供给系统、氨气稀释汽油发动机、油箱和ECU；
所述车载氨氢燃料供给系统包括低压氨燃料供给单元和车载制氢单元，其中所述低压氨燃料供给单元用于提供压力范围为0.5～1.0MPa的低压氨燃料，包括依次连接的氨存储罐、加热器、稳压罐和压力控制器，所述氨存储罐中装有液氨；所述车载制氢单元用于提供压力范围为1.0～2.0MPa的低压氢气，包括依次连接的车载制氢装置、高压储氢罐和压力控制器；所述压力控制器用控制氨燃料/氢气的压力，优选低压氨燃料供给单元输出的压力值为0.8MPa，优选车载制氢单元输出的压力值为1.0MPa。制备的低压氨燃料(可以是氨气或是液氨)一路流入所述氨气稀释汽油发动机的氨喷射器4中另一路流入车载制氢单元；制备的低压氢气送入所述氨气稀释汽油发动机内的湍流射流点火装置6用于预燃室中参与预燃。
所述ECU用于控制氨气稀释汽油发动机和车载氨氢燃料供给系统的压力控制器，调控待进入氨气稀释汽油发动机的氨燃料、汽油以及湍流射流点火装置的喷气量及压力值。
如图2所示，所述氨气稀释汽油发动机包括缸套10和设置在缸套10顶部的发动机气缸盖9，所述发动机缸盖9顶部设置有进气阀3、排气阀8、湍流射流点火装置6、氨喷射器4和汽油喷射器5；所述进气阀3设置在进气通道内，所述排气阀8设置在排气通道内，且进气阀3和排气阀8分别设置在气缸盖9的左右两侧；所述缸套10内设置有活塞1；所述进气阀3和排气阀8用于结合氨气稀释汽油发动机的节气门装置，改变进气量。发动机气缸盖9与湍流射流点火装置6、氨喷射器4、汽油喷射器5和活塞1共同组成主燃烧室2，且所述湍流射流点火装置6位于主燃烧室正上方。所述氨喷射器4和汽油喷射器5分别设置在所述湍流射流点火装置6的两端，且所述湍流射流点火装置6、氨喷射器4和汽油喷射器5的喷射伸入所述主燃烧室内；所述汽油喷射器连接油箱，用于将油箱中的汽油喷射入主燃烧室中。氨气由氨喷射器4喷入主燃烧室2，与汽油喷射器5喷射的汽油形成氨-汽油融合燃料。一方面，在主燃烧室直喷氨气或者液氨燃料可降低缸内热力学环境温度，降低汽油末端自燃的可能；另一方面，氨气可降低缸内混合气反应活性，从而抑制爆震。另外，可根据发动机工况改变氨气喷射量，以调控缸内氨-汽油-空气混合气的反应活性，从而避免爆震发生。当喷氨量增加，氨-汽油融合燃料反应活性降低，反之，氨-汽油融合燃料反应活性提高，增加氨含量从而降低缸内氨-汽油-空气混合气的活性，从而降低爆震风险。所述氨喷射器4和汽油喷射器5由ECU和发动机燃料喷射系统配合控制调控。所述氨喷射器4优选液氨低压喷射器，所述汽油喷射器5具有高压喷嘴。
车载制氢装置制备的氢气供给湍流射流点火装置6，如图3所示，所述湍流射流点火装置6为配置双喷式预燃室形成带有扫气功能的湍流射流点火装置，包括一壳体，所述壳体底部通过螺纹安装于气缸盖9上；所述壳体内部安装有竖直设置的空气喷射器13和氢气喷射器15，所述空气喷射器13和氢气喷射器15分别通过一个压紧螺栓14固定于所述壳体上，所述压紧螺栓具有通孔且两端均具有螺纹，一端通过螺纹与壳体连接，用于固定空气喷射器13或第二氢气喷射器15，另一端用于连接气路，所述压紧螺栓的通孔用于将空气送入空气喷射器13或是将氢气送入氢气喷射器15。所述壳体下部形成一预燃室内腔11，预燃室内腔体积不超过主燃烧室体积的5％。一火花塞12安装在所述预燃室内腔顶部且火花塞12的电极伸入预燃室中；所述火花塞、所述空气喷射器的喷嘴和氢气喷射器的喷嘴设置在所述预燃室的同一侧；所述壳体底部开有射流孔，且所述预燃室与主燃烧室2通过射流孔相通。优选的，所述射流孔为6～8个均匀分布的长通道射流孔，采用长通道射流孔结构以降低火焰到末端的传播距离，从而进一步降低爆震倾向。所述空气喷射器13和氢气喷射器15通过ECU和发动机燃料喷射系统配合控制调控，所述空气喷射器13用于向预燃室内腔11喷射新鲜空气，配合氢气喷射器15喷入的氢气形成当量混合气。所述射流孔用于实现火焰加速传播，提高燃烧速率，进而提高发动机的经济性。
同时，空气喷射器13可单独喷射空气，对预燃室进行扫气过程，在主燃烧室2混合气过浓或者发动机工作在高EGR率工况时，该扫气过程可消除主燃烧室2中氨气或废气对预燃室氢气-空气混合气着火及燃烧的影响，进而保证射流点火强度，最终实现发动机稳定着火。
可选的，当所述控制系统没有车载制氢单元时，本发明的所述湍流射流点火装置6的氢气喷射器15替换为汽油喷射器或是所述湍流射流点火装置6直接链接油箱，用于喷射来自油箱的汽油实现发动机点火。结合图1，其工作过程为：
氨存储罐中的氨燃料依次流经加热器、稳压罐和压力控制器，ECU调控压力控制器中氨燃料的压力为0.5～1.0MPa，随后氨燃料分为两路，一部分经管道进入氨喷射器4，氨气由氨喷射器4喷入主燃烧室2，与汽油喷射器5喷射的汽油形成氨-汽油融合燃料。另一部分氨燃料进入车载制氢单元中的车载制氢装置用于制备氢气。车载制氢装置制备的氢气依次流经高压储氢罐和压力控制器，ECU调控压力控制器中氢气的压力为1.0～2.0MPa，随后氢气供给至湍流射流点火装置6，即由所述氢气喷射器15喷入预燃室内腔11，而后由火花塞12点燃，在主燃烧室2中形成射流火焰7，而后点燃主燃烧室2的氨-汽油融合燃料，完成燃烧做功。其中，空气喷射器13向预燃室内腔11中喷射新鲜空气，配合喷入预燃室的氢气可形成当量混合气。同时，空气喷射器13也可单独喷射空气，对预燃室进行扫气过程，在主燃烧室2混合气过浓或者发动机工作在高EGR率工况时，该扫气过程可消除主燃烧室2中氨气或废气对预燃室氢气/空气混合气着火及燃烧的影响，进而保证射流点火强度，最终实现发动机稳定着火。
同时发动机余热用于向车载氨制氢装置供热，也可以通过安装的电加热装置进行热量供给。图1中虚线表示ECU接收或发出的信号的传递路线。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非是对其的限制，尽管参照前述各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，或者对其中部分或者全部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范围，本领域技术人员根据本说明书内容所做出的非本质改进和调整或者替换，均属本发明所要求保护的范围。
Claims (7)
1.一种氨气稀释汽油发动机控制系统，其特征在于，包括氨气稀释汽油发动机和油箱；
所述氨气稀释汽油发动机包括主燃烧室和预燃室，向发动机的主燃烧室内直喷氨燃料和来自油箱的汽油，利用直接喷入主燃烧室的氨燃料稀释主燃烧室内汽油，在主燃烧室内形成氨-汽油-空气混合气，预燃室产生的射流火焰在主燃烧室内点燃氨-汽油-空气混合气，完成燃烧做功；其中，所述氨-汽油-空气混合气的反应活性由氨燃料喷射量来调控，增加喷氨量从而降低氨-汽油-空气混合气活性，反之，减少喷氨量从而增加氨-汽油-空气混合气活性；所述氨燃料的喷射量不超过20％的氨-汽油-空气混合气体积分数；
所述控制系统设置有车载氨氢燃料供给系统，向预燃室内喷射来自车载氨氢燃料供给系统的氢气，实现发动机点火；
所述氨气稀释汽油发动机控制系统还包括ECU；
所述ECU用于控制氨气稀释汽油发动机和车载氨氢燃料供给系统的喷气量/燃料量及压力值；
所述车载氨氢燃料供给系统包括低压氨燃料供给单元和车载制氢单元，用于向所述氨气稀释汽油发动机提供制备的低压氨燃料和氢气；其中所述低压氨燃料供给单元用于向氨气稀释汽油发动机的氨喷射器(4)提供压力范围为0.5-1MPa的氨燃料，所述车载制氢单元接受所述低压氨燃料供给单元制备的氨燃料并向氨气稀释汽油发动机的湍流射流点火装置(6)提供压力范围为1.0～2.0MPa的氢气；
所述氨气稀释汽油发动机包括发动机气缸盖(9)、缸套(10)、活塞(1)、进气通道、排气通道，其中，所述气缸盖(9)上设置有带有预燃室的湍流射流点火装置(6)、氨喷射器(4)和汽油喷射器(5)，所述氨喷射器(4)和汽油喷射器(5)分别设置在所述湍流射流点火装置(6)的两侧，且所述湍流射流点火装置(6)、氨喷射器(4)和汽油喷射器(5)的喷嘴伸入所述主燃烧室内；所述汽油喷射器连接油箱，用于将汽油喷射入发动机主燃烧室(2)中，氨喷射器(4)将氨燃料喷入主燃烧室(2)并与汽油喷射器(5)喷入的汽油和主燃烧室内的空气在主燃烧室内形成氨-汽油-空气混合气；
所述控制系统的工作过程包括：低压氨燃料供给单元在ECU的调控下生成压力为0.5～1.0MPa的氨燃料，随后氨燃料分为两路，一部分经管道进入氨喷射器(4)，一部分进入车载制氢单元参与制取氢气；所述车载制氢单元在ECU调控下生成压力为1.0～2.0MPa的氢气，随后氢气供给至湍流射流点火装置，并在预燃室内腔中被火花塞点燃，在主燃烧室中形成射流火焰(7)，而后在主燃烧室内点燃氨-汽油-空气混合气，完成燃烧做功。
2.根据权利要求1所述的氨气稀释汽油发动机控制系统，其特征在于，所述湍流射流点火装置(6)包括预燃室内腔(11)、火花塞(12)、空气喷射器(13)和氢气喷射器(15)；所述空气喷射器(13)的喷嘴伸入预燃室内腔(11)用于向预燃室内腔(11)喷射空气，所述氢气喷射器(15)的喷嘴伸入预燃室内腔(11)用于向预燃室内腔(11)喷射氢气；所述预燃室内腔体积不超过主燃烧室体积的5％；所述火花塞(12)、所述空气喷射器(13)的喷嘴和氢气喷射器(15)的喷嘴设置在所述预燃室的同一侧；所述湍流射流点火装置(6)底部开有射流孔，所述预燃室内腔与主燃烧室通过射流孔相通；所述湍流射流点火装置(6)具有两种工作模式，分别是双喷射模式和扫气模式；
当所述ECU控制所述湍流射流点火装置(6)为双喷射模式时，所述空气喷射器(13)和氢气喷射器分别向所述预燃室内腔(11)喷射新鲜空气和氢气，用于在预燃室内部形成当量混合气；
当所述ECU控制所述湍流射流点火装置(6)为扫气模式时，只有所述空气喷射器向预燃室内腔(11)喷射新鲜空气，对预燃室进行扫气，而后喷射氢气，并再次喷射空气，形成氢-空气混合气。
3.根据权利要求2所述的氨气稀释汽油发动机控制系统，其特征在于，所述射流孔为6～8个均匀分布的长通道射流孔，用于降低火焰到末端的传播距离。
4.根据权利要求1所述的氨气稀释汽油发动机控制系统，其特征在于，所述低压氨燃料供给单元包括依次连接的氨存储罐、加热器、稳压罐和第一压力控制器，所述氨存储罐中装有液氨；所述车载制氢单元包括依次连接的车载制氢装置、高压储氢罐和第二压力控制器。
5.根据权利要求1所述的氨气稀释汽油发动机控制系统，其特征在于，一进气阀设置在进气通道内，一排气阀设置在排气通道内，且进气阀和排气阀分别设置在缸盖的左右两侧，所述进气阀和排气阀用于结合发动机的节气门装置，改变进气量。
6.根据权利要求1所述的氨气稀释汽油发动机控制系统，其特征在于，所述氨燃料掺混量与发动机的压缩比和增压比相匹配，从而最大限度的提高发动机热效率。
7.根据权利要求4所述的氨气稀释汽油发动机控制系统，其特征在于，所述车载制氢装置由发动机余热加热用于促进车载制氢进程，或是单独安装电加热装置进行热量供给。
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