CN115306595B - 基于射流点火的氨气发动机燃烧系统及其燃烧控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及发动机技术领域，提供了一种基于射流点火的氨气发动机燃烧系统及其燃烧控制方法。基于射流点火的氨气发动机燃烧系统包括：发动机、第一喷射器和第二喷射器，发动机形成有相连通的射流室和主燃室，射流室设有火花塞；第一喷射器用于在压缩上止点前250°CA以后向主燃室内喷射氨气燃料；第二喷射器用于在压缩上止点前300°CA至250°CA向射流室内喷射汽油燃料。本发明采用汽油射流引燃氨气，解决了氨气点火难，燃烧速度慢等问题，实现了发动机高效可靠点火，加速了缸内燃烧，有利于提高发动机的燃烧等容度、燃烧稳定性和热效率。

Description

基于射流点火的氨气发动机燃烧系统及其燃烧控制方法
技术领域
本发明涉及发动机技术领域，尤其涉及一种基于射流点火的氨气发动机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，目前汽车行业的油耗及排放法规不断加严。为了实现内燃机的节能减排，采用低碳替代燃料是一种切实可行的方法。其中，氨气相比氢气是一种安全、便于存储的零碳燃料，有望成为新一代的替代燃料。
但是，由于氨气的可燃性差、火焰传播速度较低，导致氨气作为内燃机燃料时，存在点火困难、燃烧等容度差、燃烧效率低等问题，使得以氨气为燃料的发动机的热效率低。
发明内容
本发明提供一种基于射流点火的氨气发动机燃烧系统及其燃烧控制方法，采用汽油射流引燃氨气，解决了氨气点火难，燃烧速度慢等问题，实现了发动机高效可靠点火，加速了缸内燃烧，有利于提高发动机的燃烧等容度、燃烧稳定性和热效率。
本发明提供一种基于射流点火的氨气发动机燃烧系统，包括：
发动机，形成有相连通的射流室和主燃室，所述射流室设有火花塞；
第一喷射器，用于在压缩上止点前250°CA以后向所述主燃室内喷射氨气燃料；
第二喷射器，用于在压缩上止点前300°CA至250°CA向所述射流室内喷射汽油燃料。
根据本发明提供的一种基于射流点火的氨气发动机燃烧系统，所述主燃室连通有进气道，所述进气道设有第三喷射器，所述第三喷射器用于在压缩冲程向所述进气道内喷射汽油燃料。
根据本发明提供的一种基于射流点火的氨气发动机燃烧系统，
所述第一喷射器的喷射压力为5MPa-50MPa；
所述第二喷射器的喷射压力为5MPa-25MPa；
所述第三喷射器的喷射压力为4bar。
根据本发明提供的一种基于射流点火的氨气发动机燃烧系统，所述射流室的底部设有多个均匀分布的射流孔，所述主燃室通过所述射流孔与所述射流室相连通。
根据本发明提供的一种基于射流点火的氨气发动机燃烧系统，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基于射流点火的氨气发动机燃烧系统，所述第一射流孔的孔径为0.5mm-1mm；所述第二射流孔的孔径为1mm-2mm，且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40°-60°。
根据本发明提供的一种基于射流点火的氨气发动机燃烧系统，所述射流室的体积为所述发动机的活塞运动至上止点时的主燃室体积的3％-5％；和/或，
所述发动机的活塞为ω浅盆型，且所述活塞的压缩比大于等于15。
本发明还提供一种上述的基于射流点火的氨气发动机燃烧系统的燃烧控制方法，包括以下步骤：
通过第一喷射器在压缩上止点前250°CA以后向主燃室内喷射氨气燃料；
通过第二喷射器在压缩上止点前300°CA至250°CA向射流室内喷射汽油燃料。
根据本发明提供的一种基于射流点火的氨气发动机燃烧系统的燃烧控制方法，还包括步骤：
通过第三喷射器在压缩冲程向主燃室的进气道内喷射汽油燃料。
根据本发明提供的一种基于射流点火的氨气发动机燃烧系统的燃烧控制方法，还包括步骤：
在冷启动工况时，当水温小于等于60℃，采用纯汽油模式燃烧；
在暖机工况中，当水温大于60℃小于90℃，逐渐降低第三喷射器的喷油量，且逐渐增加第一喷射器的喷氨量；
在热机工况中，当水温大于等于90℃，采用纯氨气模式燃烧。
本发明提供的基于射流点火的氨气发动机燃烧系统及其燃烧控制方法，通过发动机形成有相连通的射流室和主燃室，射流室设有火花塞，以便于引燃点火；通过第一喷射器可以在压缩上止点前250°CA以后向主燃室内喷射氨气燃料；通过第二喷射器可以在压缩上止点前300°CA至250°CA向射流室内喷射汽油燃料。因此，本发明采用汽油射流引燃氨气，解决了氨气点火难，燃烧速度慢等问题，实现了发动机高效可靠点火，加速了缸内燃烧，有利于提高发动机的燃烧等容度、燃烧稳定性和热效率；并且本发明通过控制喷射器的喷射时刻可以有效抑制发动机运行中的爆震燃烧现象，避免对发动机造成损伤。此外，通过高能的射流燃烧方式，可以降低发动机对压缩比的需求，本发明发动机燃烧系统具有燃烧稳定性好，热效率高，碳排放少等特点。
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是本发明提供的基于射流点火的氨气发动机燃烧系统的结构示意图；
图2是图1的A处局部放大图；
图3是本发明提供的基于射流点火的氨气发动机燃烧系统的燃烧工作原理示意图；
图4是本发明提供的基于射流点火的氨气发动机燃烧系统的燃烧控制方法的流程图之一；
图5是本发明提供的基于射流点火的氨气发动机燃烧系统的燃烧控制方法的流程图之二；
附图标记：
100：发动机；101：射流室；1011：射流火焰；102：主燃室；
103：火花塞；104：进气道；105：射流孔；1051：第一射流孔；
1052：第二射流孔；106：缸套；107：缸盖；108：活塞；
109：曲轴；110：排气道；111：进气阀门；112：排气阀门；
200：第一喷射器；201：第一混合气分区；
300：第二喷射器；301：第二混合气分区；
400：第三喷射器；401：第三混合气分区。
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”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“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5描述本发明的基于射流点火的氨气发动机燃烧系统及其燃烧控制方法。
根据本发明的一个实施例，参照图1-图3所示，本发明提供的基于射流点火的氨气发动机燃烧系统，主要包括：发动机100、第一喷射器200和第二喷射器300。其中，发动机100形成有相连通的射流室101和主燃室102，射流室101设有火花塞103，通过火花塞103可以点火引燃射流室101内的浓混合气。
第一喷射器200主要用于在压缩上止点前250°CA以后向主燃室102内喷射氨气燃料，即本发明通过将第一喷射器200的喷射时刻设置在进气冲程后期，可以在主燃室102中心形成以氨气为主的第一混合气分区201；第二喷射器300主要用于在压缩上止点前300°CA至250°CA向射流室101内喷射汽油燃料，可以在射流室101内形成以汽油为主的第二混合气分区301，第二混合气分区301为浓混合气，浓混合气是指过量空气系数小于1的混合气。
射流点火时，火花塞103首先点燃射流室101内的浓混合气，可以产生多束射流火焰1011射入主燃室102并点燃主燃室102内的氨混合气。本发明采用汽油射流引燃氨气，其中射流室101内部喷射汽油，可以创造易于点火的氛围，射流室101与主燃室102为汽油和氨气的混合气，采用汽油活化氨气的混合性，有利于可靠的火焰传播。其中，发动机的曲轴转角是以°CA表示的，即1°CA表示曲轴转动360度中的一度，一般是以活塞运动到上止点为0°CA。
需要说明的是，与普通火花点火的单点点火方式不同，本发明采用的射流点火是一种高能可靠的主动式点火方式。具体地，主动式射流点火时，射流室101内部采用第二喷射器300喷射汽油燃料，对射流室101内部的混合气进行加浓，可以提高射流室101内部的能量密度和可燃性，从而使产生的射流点火能量更高，可以点燃惰性更高的氨气，并且射流点火通过多束射流火焰1011诱导多火焰面传播，可以加速缸内燃烧，提高发动机100的燃烧等容度。
因此，本发明实施例的基于射流点火的氨气发动机燃烧系统，采用汽油射流引燃氨气，解决了氨气点火难，燃烧速度慢等问题，实现了发动机100高效可靠点火，加速了缸内燃烧，有利于提高发动机100的燃烧等容度、燃烧稳定性和热效率；并且本发明通过控制第一喷射器200和第二喷射器300的喷射时刻可以有效抑制发动机100运行中的爆震燃烧现象，避免对发动机100造成损伤。此外，通过高能的射流点火燃烧方式，可以降低发动机100对压缩比的需求，本发明发动机燃烧系统具有燃烧稳定性好，热效率高，碳排放少等特点。
根据本发明的一个实施例，参照图1所示，发动机100的主燃室102连通有进气道104，进气道104设有第三喷射器400，第三喷射器400用于在压缩冲程向进气道104内喷射汽油燃料，可以活化主燃室102内的混合气氛围，并在主燃室102近壁处形成汽油为主的第三混合气分区401；射流点火时，火花塞103首先点燃射流室101内的浓混合气，产生多束射流火焰1011点燃主燃室102内的氨混合气，在多束射流火焰1011的多火焰面以及发动机100的活塞108的压缩下，主燃室102近壁处以汽油为主的第三混合气分区401发生低温反应，产生大量的低温活性基(例如甲醛基)，有利于主燃室102近壁处火焰的传播，同时，主燃室102近壁处混合气的活性较高，随着局部温度压力的上升，会产生局部温和自燃，加速燃烧。因此，本发明实施例采用射流诱导多火焰面传播，可以实现高效可靠的氨气燃烧，为高效氨气发动机的研发提供了技术参考途径，具有重要的意义。
根据本发明的一个实施例，第一喷射器200可以安装于主燃室102或进气道104，以向主燃室102内喷射氨气燃料。
并且，当第一喷射器200设置于进气道104时，第一喷射器200与第三喷射器400可以采用同一个喷射器，这样的话，可以仅通过一个喷射器向进气道104内喷射氨气燃料和汽油燃料，从而简化系统结构，降低成本。
根据本发明的一个实施例，第二喷射器300和火花塞103可以安装于射流室101的顶部，射流室101垂直安装在主燃室102顶部的正中间位置，即位于主燃室102的中轴线上，以使得射流室101内产生的射流火焰1011可以较为均匀地射入主燃室102内，从而提高主燃室102内氨气的燃烧效率。
根据本发明的一个实施例，第一喷射器200的喷射压力为5MPa-50MPa；第二喷射器300的喷射压力为5MPa-25MPa；第三喷射器400的喷射压力为4bar。本发明实施例通过控制不同喷射器的喷射压力，可以提高发动机100的燃烧热效率。
根据本发明的一个实施例，参照图1和图2所示，射流室101的底部设有多个均匀分布的射流孔105，主燃室102通过射流孔105与射流室101相连通。具体地，通过火花塞103点燃射流室101内的汽油混合气时，产生的多束射流火焰1011经射流孔105射入主燃室102内。在本示例中，多个射流孔105可以沿周向均匀分布，可以提高射流火焰1011的喷射均匀性，提高氨气的燃烧效果，从而提高进一步发动机100的热效率。
根据本发明的一个实施例，参照图2所示，射流孔105包括第一射流孔1051和多个第二射流孔1052，第一射流孔1051设置于射流室101的底部中心以进行直喷，多个第二射流孔1052以第一射流孔1051为中心环布于射流室101的底部。
根据本发明的一个实施例，第一射流孔1051和第二射流孔1052可以为圆形，第一射流孔1051的孔径为0.5mm-1mm；第二射流孔1052的孔径为1mm-2mm，并且射流室101的底部可以为弧形，第二射流孔1052的中轴线与射流室101的中轴线的夹角a为40°-60°。本发明通过改设计，可以提高射流火焰1011的射流均匀性，以提高主燃室102内氨气的引燃效果。
本发明第二射流孔1052的具体数量不做特别限制，例如第二射流孔1052可以为4-8个。
根据本发明的一个实施例，参照图1所示，发动机100大致包括：缸套106、缸盖107、活塞108和曲轴109等部件，缸盖107设置于缸套106的顶部，活塞108可伸缩滑动地设置于缸套106的内壁，并且活塞108的第一端与缸盖107之间的上部空腔形成主燃室102，活塞108的第二端与曲轴109铰接，以进行做功。
根据本发明的一个实施例，进气道104设置于缸盖107上，并且缸盖107上还设有排气道110，排气道110与主燃室102连通，用于将燃烧产生的废气排出。
根据本发明的一个实施例，进气道104与主燃室102之间设有进气阀门111，排气道110与主燃室102之间设有排气阀门112，用于控制主燃室102的进排气。
根据本发明的一个实施例，射流室101的体积为发动机100的活塞108运动至上止点时的主燃室102体积的3％-5％。
根据本发明的一个实施例，发动机100的活塞108为ω浅盆型，且活塞108的压缩比大于等于15。
需要说明的是，压缩比过低时，发动机100容易出现动力不足的现象。因此，本发明通过将活塞108的压缩比大于等于15，可以保证发动机100具有较高的输出功率。
下面对本发明提供的基于射流点火的氨气发动机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。
根据本发明的一个实施例，参照图3和图4所示，本发明提供的基于射流点火的氨气发动机燃烧系统的燃烧控制方法，主要包括以下步骤：
S100、通过第一喷射器200在压缩上止点前250°CA以后向主燃室102内喷射氨气燃料。
具体地，第一喷射器200喷射氨气燃料为主要燃料，可以在主燃室102中心形成以氨气为主的第一混合气分区201。
S200、通过第二喷射器300在压缩上止点前300°CA至250°CA向射流室101内喷射汽油燃料。
具体地，第二喷射器300在射流室101内喷射汽油燃料，形成汽油为主的第二混合气分区301。
本发明实施例的燃烧控制方法采用汽油射流引燃氨气，其中射流室101内部喷射汽油，可以创造易于点火的氛围，射流室101与主燃室102为汽油和氨气的混合气，采用汽油活化氨气的混合性，有利于可靠的火焰传播。因此，本发明采用汽油射流引燃氨气，可以解决氨气点火难，燃烧速度慢等问题，实现发动机高效可靠点火，加速缸内燃烧，有利于提高氨气发动机的热效率。
根据本发明的一个实施例，参照图3和图5所示，本发明基于射流点火的氨气发动机燃烧系统的燃烧控制方法，还包括步骤：
S300、通过第三喷射器400在压缩冲程向主燃室102的进气道104内喷射汽油燃料。
具体地，第三喷射器400喷射的汽油主要用于活化主燃室102内的混合气氛围并在主燃室102近壁处形成汽油为主的第三混合气分区401，在射流室101产生的多束射流火焰1011的多火焰面以及活塞108的压缩下，主燃室102近壁处以汽油为主的第三混合气分区401发生低温反应，产生大量的低温活性基，有利于主燃室102近壁处火焰的传播，并且主燃室102近壁处混合气的活性较高，随着局部温度压力的上升，会产生局部温和自燃，加速燃烧。
因此，本发明实施例的燃烧控制方法采用射流诱导多火焰面传播，可以加速缸内燃烧，提高燃烧的等容度，实现高效可靠的氨气燃烧，为高效氨气发动机的研发提供了技术参考途径。
根据本发明的一个实施例，本发明基于射流点火的氨气发动机燃烧系统的燃烧控制方法，还包括步骤：
在冷启动工况时，当水温小于等于60℃，采用纯汽油模式燃烧，即第三喷射器400供给主要的汽油燃料，而第一喷射器200不供给氨气燃料；在暖机工况中，当水温大于60℃小于90℃，逐渐降低第三喷射器400的喷油量，且逐渐增加第一喷射器200的喷氨量，并保持发动机的负荷不变；在热机工况中，当水温大于等于90℃，采用纯氨气模式燃烧，即第一喷射器200供给主要的氨气燃料。
因此，本发明实施例的燃烧控制方法可以根据发动机100的不同燃烧工况，实现第一喷射器200和第三喷射器400的喷射过程的相匹配，从而实现喷射策略的精准控制，可以减小发动机100的磨损，并且降低燃料消耗，达到节能减排的目的。
在一些示例中，可以根据发动机100运行的转速及负荷工况，在一个工作循环内，使第三喷射器400的燃料能量喷射比例占三个喷射器总燃料量的0％至30％。这样设计的话，可以在保证发动机100燃烧效率的前提下，达到降低油耗的目的。
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 (8)

1.一种基于射流点火的氨气发动机燃烧系统，其特征在于，包括：
发动机，形成有相连通的射流室和主燃室，所述射流室设有火花塞；
第一喷射器，用于在压缩上止点前250°CA以后向所述主燃室内喷射氨气燃料；
第二喷射器，用于在压缩上止点前300°CA至250°CA向所述射流室内喷射汽油燃料；
所述主燃室连通有进气道，所述进气道设有第三喷射器，所述第三喷射器用于在压缩冲程向所述进气道内喷射汽油燃料。
2.根据权利要求1所述的基于射流点火的氨气发动机燃烧系统，其特征在于，
所述第一喷射器的喷射压力为5MPa-50MPa；
所述第二喷射器的喷射压力为5MPa-25MPa；
所述第三喷射器的喷射压力为4bar。
3.根据权利要求1所述的基于射流点火的氨气发动机燃烧系统，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，所述主燃室通过所述射流孔与所述射流室相连通。
4.根据权利要求3所述的基于射流点火的氨气发动机燃烧系统，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所述的基于射流点火的氨气发动机燃烧系统，其特征在于，所述第一射流孔的孔径为0.5mm-1mm；所述第二射流孔的孔径为1mm-2mm，且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40°-60°。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的基于射流点火的氨气发动机燃烧系统，其特征在于，所述射流室的体积为所述发动机的活塞运动至上止点时的主燃室体积的3％-5％；和/或，
所述发动机的活塞为ω浅盆型，且所述活塞的压缩比大于等于15。
7.一种根据权利要求1-6中任一项所述的基于射流点火的氨气发动机燃烧系统的燃烧控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
通过第一喷射器在压缩上止点前250°CA以后向主燃室内喷射氨气燃料；
通过第二喷射器在压缩上止点前300°CA至250°CA向射流室内喷射汽油燃料；
通过第三喷射器在压缩冲程向主燃室的进气道内喷射汽油燃料。
8.一种根据权利要求1-6中任一项所述的基于射流点火的氨气发动机燃烧系统的燃烧控制方法，其特征在于，包括步骤：
在冷启动工况时，当水温小于等于60℃，采用纯汽油模式燃烧；
在暖机工况中，当水温大于60℃小于90℃，逐渐降低第三喷射器的喷油量，且逐渐增加第一喷射器的喷氨量；
在热机工况中，当水温大于等于90℃，采用纯氨气模式燃烧。
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