CN115306540B - 氢氨内燃机射流燃烧系统及其燃烧控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及内燃机技术领域，提供了一种氢氨内燃机射流燃烧系统及其燃烧控制方法。氢氨内燃机射流燃烧系统包括：主燃室、射流室、电热塞和氨喷射器；射流室与主燃室连通；电热塞设置于射流室内且涂覆有催化剂涂层；氨喷射器用于在压缩冲程末期，向射流室内喷射液氨，以在电热塞的加热作用和催化剂涂层的催化作用下形成氢氨混合气，并喷射入主燃室。本发明可以提高内燃机的点火稳定性，加快燃烧过程，提高热效率，实现零碳排放，并且可以降低NOx的生成量，对于实现内燃机节能减排，解决碳中和问题具有重要意义。

Description

氢氨内燃机射流燃烧系统及其燃烧控制方法
技术领域
本发明涉及内燃机技术领域，尤其涉及一种氢氨内燃机射流燃烧系统及其燃烧控制方法。
背景技术
为实现碳中和与碳达峰的目标，抑制内燃机碳排放，采用低碳替代燃料是一种切实可行的方法。其中，氨作为燃料有着能量密度高、生产效率高、易于运输、成本低、安全等优点。
但是，在以氨为燃料的内燃机中，往往难以引燃氨气，点火不稳定，氨燃烧火焰传播速度也较慢，导致燃烧效率低，NOx染污物排放量高。
发明内容
本发明提供一种氢氨内燃机射流燃烧系统及其燃烧控制方法，可以提高内燃机的点火稳定性，加快燃烧过程，提高热效率，实现零碳排放，并且可以降低NOx的生成量，对于实现内燃机节能减排，解决碳中和问题具有重要意义。
本发明提供一种氢氨内燃机射流燃烧系统，包括：
主燃室；
射流室，与所述主燃室连通；
电热塞，设置于所述射流室内且涂覆有催化剂涂层；
氨喷射器，用于在压缩冲程末期，向所述射流室内喷射液氨，以在所述电热塞的加热作用和所述催化剂涂层的催化作用下形成氢氨混合气，并喷射入所述主燃室。
根据本发明提供的一种氢氨内燃机射流燃烧系统，所述电热塞倾斜设置于所述射流室内。
根据本发明提供的一种氢氨内燃机射流燃烧系统，所述射流室的底部设有多个均匀分布的射流孔，所述射流室通过所述射流孔与所述主燃室相连通。
根据本发明提供的一种氢氨内燃机射流燃烧系统，所述射流孔包括第一射流孔和多个第二射流孔，所述第一射流孔设置于所述射流室的底部中心，所述多个第二射流孔以所述第一射流孔为中心环布于所述射流室的底部。
根据本发明提供的一种氢氨内燃机射流燃烧系统，所述第二射流孔的中轴线与所述射流室的中轴线的夹角为30°～60°。
根据本发明提供的一种氢氨内燃机射流燃烧系统，所述射流孔的孔径为1～2mm。
根据本发明提供的一种氢氨内燃机射流燃烧系统，还包括缸套和缸盖，所述缸套内设有可滑动的活塞，所述活塞的第一端与所述缸盖之间的空腔形成所述主燃室，所述活塞的第二端与曲轴铰接。
根据本发明提供的一种氢氨内燃机射流燃烧系统，所述射流室设置于所述缸盖的中心。
根据本发明提供的一种氢氨内燃机射流燃烧系统，所述催化剂涂层为钌催化剂涂层或铂铑催化剂涂层。
本发明还提供一种上述的氢氨内燃机射流燃烧系统的燃烧控制方法，包括以下步骤：
在压缩冲程末期，通过所述氨喷射器向所述射流室内喷射液氨，以在所述电热塞的加热作用和所述催化剂涂层的催化作用下形成氢氨混合气，并喷射入所述主燃室。
本发明提供的氢氨内燃机射流燃烧系统及其燃烧控制方法，通过射流室与主燃室连通，电热塞设置于射流室内且涂覆有催化剂涂层，氨喷射器用于在压缩冲程末期，向射流室内喷射液氨，液氨可以在电热塞的加热作用和催化剂涂层的催化作用下形成氢氨混合气，并喷射入主燃室，可以迅速引燃主燃室中的氨混合气，提高点火稳定性，加快燃烧过程，提高热效率，实现零碳排放，并且可以降低NOx的生成量，对于实现内燃机节能减排，解决碳中和问题具有重要意义。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或相关技术中的技术方案，下面将对实施例或相关技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，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是本发明提供的氢氨内燃机射流燃烧系统的结构示意图；
图2是本发明提供的射流室的结构示意图；
附图标记：
1：主燃室；2：射流室；201：第一射流孔；202：第二射流孔；
3：电热塞；4：氨喷射器；401：液氨；5：氢氨混合气；
6：氢氨混合气射流流束；7：缸套；8：缸盖；9：活塞；
10：曲轴。
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。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。
在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
下面结合图1-图2描述本发明的氢氨内燃机射流燃烧系统及其燃烧控制方法。
根据本发明第一方面的实施例，参照图1所示，本发明提供的氢氨内燃机射流燃烧系统，主要包括：主燃室1、射流室2、电热塞3和氨喷射器4。其中，主燃室1为内燃机的燃烧腔室，主燃室1内具有氨混合气燃料，氨混合气一般为氨、氧等混合气；射流室2与主燃室1连通，主要用于向主燃室1内喷射氢氨混合气射流流束6；电热塞3设置于射流室2内，电热塞3具有快速升温和持久保持高温状态的特性，主要用于加热射流室2，使其内部处于高温环境，并且电热塞3涂覆有催化剂涂层，用于实现液氨401的在线改制，产生氢氨混合气5。
氨喷射器4可以竖直或者倾斜插入射流室2中，主要用于在压缩冲程末期，向射流室2内喷射液氨401，液氨401可以在电热塞3的加热作用和催化剂涂层的催化作用下形成氢氨混合气5，并以射流流束的形式喷射入主燃室1，引燃主燃室1中的氨混合气。
具体地，在压缩冲程末期，通过氨喷射器4可以直接将液氨401喷射到射流室2中带有催化剂涂层的电热塞3上，一部分液氨401在高温的作用下汽化生产氨气，另一部分液氨401在高温和催化剂的催化作用下反应产生氢气，两部分气体共同形成氢氨混合气5。本发明通过采用安装了带有催化剂涂层的电热塞3的射流室2，液氨401喷射到带有催化剂涂层的电热塞3上，可以实现液氨401的快速改制，制取氢气，形成氢氨混合气5喷射入主燃室1，引燃主燃室1中的氨混合气，提高着火性能，加快燃烧过程，提高热效率，实现零碳排放。
需要说明的是，氨是极好的氢能载体，并且氢氨混合气5中的氢气活性高，燃烧速度快，作为主要的引燃燃料，同时结合射流点火的燃烧方式可以使产生的氢氨混合气射流流束6的点火能量更高，从而迅速有效地引燃主燃室1中的氨混合气，提高点火稳定性和热效率。
因此，本发明实施例提供的氢氨内燃机射流燃烧系统，巧妙地利用带有催化剂涂层的电热塞3实现在线液氨401制氢，通过形成的氢氨混合气5进一步引燃主燃室1的氨混合气，提高着火性能，加快燃烧过程，提高热效率，实现零碳排放，并且可以降低NOx的生成量，对于实现内燃机节能减排，解决碳中和问题具有重要意义。
根据本发明的一个实施例，电热塞3倾斜设置于射流室2内。这样设计的话，可以提高氨喷射器4喷射的液氨401与电热塞3的催化剂涂层的接触面积，从而提高催化反应效果，以提高氢气生成量，进一步提高点火稳定性和热效率。
根据本发明的一个实施例，参照图1和图2所示，射流室2的底部设有多个均匀分布的射流孔，射流室2通过射流孔与主燃室1相连通。通过多个均匀分布的射流孔可以使得射流室2内生成的氢氨混合气5形成氢氨混合气射流流束6均匀地射入主燃室1内，提高热效率。
根据本发明的一个实施例，参照图1和图2所示，射流孔包括第一射流孔201和多个第二射流孔202，第一射流孔201设置于射流室2的底部中心，多个第二射流孔202以第一射流孔201为中心环布于射流室2的底部。
根据本发明的一个实施例，参照图2所示，第二射流孔202的中轴线与射流室2的中轴线的夹角a为30°～60°。这样设计的话，可以提高射流范围，从而加快燃烧过程，提高热效率。
特别地，第二射流孔202的中轴线与射流室2的中轴线的夹角a为45°，可以提高喷射均匀性，进一步提高热效率。
根据本发明的一个实施例，射流孔的孔径为1～2mm。
本发明实施例射流孔的具体数量不做特别限制，可根据实际工况进行设计。在本示例中，射流孔设置为三个，其中，第二射流孔202为两个。
根据本发明的一个实施例，参照图1所示，本发明氢氨内燃机射流燃烧系统还包括缸套7和缸盖8，缸套7内设有可滑动的活塞9，活塞9的第一端与缸盖8之间的空腔形成主燃室1，活塞9的第二端与曲轴10铰接，以便于压缩做功。
根据本发明的一个实施例，射流室2设置于缸盖8的中心。这样设计的话，可以使得多个射流孔至缸套7壁面的距离相等，提高射流均匀性，从而提高燃烧效率。
根据本发明的一个实施例，缸盖8的顶部左右两侧分别设有进气道和排气道，并且进气道和排气道分别与主燃室1连通，用于进排气。
根据本发明的一个实施例，进气道和排气道分别设有阀门，用于控制进气道和排气道的开闭。
根据本发明的一个实施例，本发明燃烧系统整体关于轴向对称分布。
根据本发明的一个实施例，液氨401可以通过专用的供给管道输送至氨喷射器4。
根据本发明的一个实施例，催化剂涂层为钌催化剂涂层或铂铑催化剂涂层。具体地，钌催化剂可以与液氨401发生裂解反应，产生氢气；铂铑催化剂可以与液氨401发生氧化还原反应，产生氢气。
下面对本发明提供的氢氨内燃机射流燃烧系统的燃烧控制方法进行描述，下文描述的燃烧控制方法与上文描述的燃烧系统可相互对应参照。
根据本发明第二方面的实施例，本发明还提供一种上述实施例的氢氨内燃机射流燃烧系统的燃烧控制方法，包括以下步骤：
在压缩冲程末期，通过氨喷射器4向射流室2内喷射液氨401，液氨401可以在电热塞3的加热作用和催化剂涂层的催化作用下形成氢氨混合气5，并喷射入主燃室1，从而引燃主燃室1中的氨混合气。
本发明实施例的燃烧控制方法能够控制液氨401喷射时刻和喷射量，结合带有催化剂涂层的电热塞3加热温度实现氢氨混合气5的在线制备，引燃主燃室1的氨混合气，实现内燃机的零碳排放。其中，液氨401的喷射量可根据具体工况进行设计，不做特别限制。
需要说明的是，本发明提供的燃烧控制方法的关键在于，在射流室2中通过带有催化剂涂层的电热塞3，可以实现液氨401的在线改制形成氢氨混合气5，进一步引燃主燃室1中的氨混合气，并且本发明燃烧控制方法在压缩冲程末期，通过合理地控制液氨401喷射压力和喷射持续时长，使用带有催化剂涂层的电热塞3，可以使得燃烧前射流室2内形成占有一定比例氢气的氢氨混合气5。射流室2内发生的这种改制过程可以取得以下效果：压缩冲程末期，射流室2中的氢氨混合气5喷射入主燃室1，迅速引燃主燃室1中的氨混合气，由于射流是气体射流并非火焰射流，温度相对较低，并不利于NOx的生成，即可以有效降低NOx生成量。
综上所述，本发明由于采用了在射流室2中液氨401在线改制产生氢气，并进一步形成氢氨混合气5射流引燃主燃室1氨混合气的方案，不仅可以获得稳定的着火性能，还能加快燃烧过程，同时NOx生成量相对较低，热效率高，对节能减排具有重要意义。
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 (10)

1.一种氢氨内燃机射流燃烧系统，其特征在于，包括：
主燃室；
射流室，与所述主燃室连通；
电热塞，设置于所述射流室内且涂覆有催化剂涂层；
氨喷射器，用于在压缩冲程末期，将液氨喷射到所述射流室中带有催化剂涂层的所述电热塞上，一部分液氨在高温的作用下汽化生产氨气，另一部分液氨在高温和催化剂涂层的催化作用下反应产生氢气，两部分气体共同形成氢氨混合气，氢氨混合气喷射入所述主燃室，引燃所述主燃室中的氨混合气。
2.根据权利要求1所述的氢氨内燃机射流燃烧系统，其特征在于，所述电热塞倾斜设置于所述射流室内。
3.根据权利要求1所述的氢氨内燃机射流燃烧系统，其特征在于，所述射流室的底部设有多个均匀分布的射流孔，所述射流室通过所述射流孔与所述主燃室相连通。
4.根据权利要求3所述的氢氨内燃机射流燃烧系统，其特征在于，所述射流孔包括第一射流孔和多个第二射流孔，所述第一射流孔设置于所述射流室的底部中心，所述多个第二射流孔以所述第一射流孔为中心环布于所述射流室的底部。
5.根据权利要求4所述的氢氨内燃机射流燃烧系统，其特征在于，所述第二射流孔的中轴线与所述射流室的中轴线的夹角为30°~60°。
6.根据权利要求3所述的氢氨内燃机射流燃烧系统，其特征在于，所述射流孔的孔径为1~2mm。
7.根据权利要求1所述的氢氨内燃机射流燃烧系统，其特征在于，还包括缸套和缸盖，所述缸套内设有可滑动的活塞，所述活塞的第一端与所述缸盖之间的空腔形成所述主燃室，所述活塞的第二端与曲轴铰接。
8.根据权利要求7所述的氢氨内燃机射流燃烧系统，其特征在于，所述射流室设置于所述缸盖的中心。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的氢氨内燃机射流燃烧系统，其特征在于，所述催化剂涂层为钌催化剂涂层或铂铑催化剂涂层。
10.一种根据权利要求1-9中任一项所述的氢氨内燃机射流燃烧系统的燃烧控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
在压缩冲程末期，通过所述氨喷射器将液氨喷射到所述射流室中带有催化剂涂层的所述电热塞上，一部分液氨在高温的作用下汽化生产氨气，另一部分液氨在高温和催化剂涂层的催化作用下反应产生氢气，两部分气体共同形成氢氨混合气，氢氨混合气喷射入所述主燃室，引燃所述主燃室中的氨混合气。
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