CN116044582A - 采用混合气活性重整的柴油、氨双燃料发动机燃烧系统及燃烧方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供采用混合气活性重整的柴油、氨双燃料发动机燃烧系统及燃烧方法，气缸盖上设置有垂直安装的同心双针阀喷油器和倾斜安装的缸内直喷氨喷射器；进气门和排气门由可变配气系统驱动，根据发动机各种工况调整配气相位和气门运动规律，用于实现米勒循环、排气捕集和燃料重整等功能要求；利用主副燃油供给系统独立向同心双针阀喷油器供给燃油。本发明能够灵活调整柴油和氨燃料的比例、喷射规律和喷射正时，实现发动机多模式燃烧，高效率清洁燃烧的同时覆盖全部工况稳定运行。

Description

采用混合气活性重整的柴油、氨双燃料发动机燃烧系统及燃烧方法

技术领域

本发明涉及的是一种氨燃料发动机，具体地说是氨燃料发动机燃烧系统及方法。

背景技术

氨作为一种可再生无碳能源，来源广泛，生产成本极低，是优质的替代能源，采用氨作为燃料的发动机，可显著减少CO₂温室气体的排放。但氨的火焰传播速度极慢，自燃温度高，纯氨的压燃发动机着火和稳定燃烧十分困难，需要掺混其他燃料以及更多组织方式、优化技术解决燃烧稳定性差、混合不充分、压缩损失大等缺陷。

目前有关于氨燃料的内燃机专利主要集中在两个方面：一是公开号CN114294129A的专利氨发动机的氢气射流点燃式燃烧系统，预燃室和氢气射流的设计旨在解决氨发动机点火困难，总体燃烧效率低的问题，但对点火装置要求高，发动机系统控制不足，稳定性差。一是公开号CN114483299A的专利一种降低氨发动机未燃氨排放的系统和方法，利用尾气余热裂解未燃氨气生成氢气，实现发动机掺氢燃烧，从而提高氨发动机的燃烧速度和效率。但氨裂解温度较高，发动机大多数工况尾气余热均难以使氨裂解效率达到实际运用的要求，降低排放浓度未燃氨含量不能满足需求。

基于氨燃料发动机目前存在的一系列问题，本发明通过可变气门正时实现米勒循环和燃料重整，配合柴油引燃模式及纯柴油模式，提高发动机系统稳定性，弥补氨燃料滞燃期长和层流火焰速度慢的劣势，降低负功耗损、提升燃烧效率和改善尾气排放。

发明内容

本发明的目的在于提供能够灵活调整柴油和氨燃料的比例、喷射规律和喷射正时，实现发动机多模式燃烧，高效率清洁燃烧的同时覆盖全部工况稳定运行的采用混合气活性重整的柴油、氨双燃料发动机燃烧系统及燃烧方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明采用混合气活性重整的柴油、氨双燃料发动机燃烧系统，其特征是：包括气缸、气缸盖、活塞、主副燃油供给系统、供氨装置；

所述气缸、气缸盖和活塞组成燃烧室，气缸盖上安装有同心双针阀喷油器、缸内直喷氨喷射器，所述同心双针阀喷油器包括外部大流量喷油器、内部小流量喷油器，外部大流量喷油器包括外部大流量喷油器针阀体、内部小流量喷油器针阀体，外部大流量喷油器针阀体位于内部小流量喷油器针阀体外部，且二者之间形成外部大流量喷油器油道，内部小流量喷油器包括内部小流量喷油器针阀体、内部小流量喷油器针阀，内部小流量喷油器针阀体位于内部小流量喷油器针阀外部，且二者之间形成内部小流量喷油器油道，内部小流量喷油器针阀体的端部为外部大流量喷油器轴针；

所述主副燃油供给系统包括高压共轨燃油供给系统和电控单体泵燃油供给系统，高压共轨燃油系统包括共轨管、燃油泵、高压共轨系统油箱、滤油器、泄压阀，高压共轨系统油箱内柴油经滤油器由燃油泵抽入共轨管中，共轨管连接内部小流量喷油器，共轨管通过回油管连接高压共轨系统油箱，泄压阀安装在回油管上，燃油泵连接泄压阀前的回油管；所述电控单体泵燃油供给系统包括电控单体泵、单体泵系统油箱、低压油泵，电控单体泵分别连接高压油路和低压油泵，低压油泵通过低压油路连接单体泵系统油箱，高压油路连接外部大流量喷油器；

所述供氨装置包括储氨罐、供给泵、氨轨、氨泄压阀，储氨罐通过供给泵连接氨轨，供给泵、氨轨通过回氨管连接储氨罐，回氨罐上设置氨泄压阀。

本发明采用混合气活性重整的柴油、氨双燃料发动机燃烧系统还可以包括：

1、所述外部大流量喷油器为轴针式喷油器，内部小流量喷油器为多孔式喷油器，喷孔数量为6-8个，外部大流量喷油器和内部小流量喷油器均包括独立的针阀、针阀体、弹簧、电磁阀和油道。

2、内部小流量喷油器针阀体流量相对于外部大流量喷油器针阀体流量，更早达到线性度区间。

3、缸内直喷氨喷射器具有多孔结构，喷孔关于缸内直喷氨喷射器中心轴线呈轴对称分布。

4、同心双针阀喷油器中心轴线与气缸中心轴线重合。

5、缸内直喷氨喷射器中心轴线和同心双针阀喷油器的中心轴线在同一空间平面内指向所述燃烧室的中心，且两个中心轴线夹角小于90度。

本发明采用混合气活性重整的柴油、氨双燃料发动机燃烧方法，其特征是：包括纯柴油模式：

纯柴油模式下，在启动、怠速和小负荷工况下，上止点前同心双针阀喷油器的内部小流量喷油器针阀抬起，外部大流量喷油器轴针下移，喷射小流量柴油；随着流量需要的增加且超出了小流量喷射器的供油能力时，切换为同心双针阀喷油器的大流量喷油器喷射燃油，同心双针阀喷油器的内部小流量喷油器针阀落下，内部小流量喷油器喷孔关闭，外部大流量喷油器轴针上移，当上移高度超过设定距离后，喷孔处的柴油流通面积迅速增加；在大负荷条件下，同心双针阀喷油器的大流量和小流量喷油器同时工作。

本发明采用混合气活性重整的柴油、氨双燃料发动机燃烧方法还可以包括：

1、包括双燃料模式：

双燃料模式下，发动机处在中低负荷时，以柴油的扩散燃烧为主，同心双针阀喷油器与缸内直喷氨喷射器协同工作，在排气阶段，提前关闭排气门，同心双针阀喷油器的内部小流量喷油器针阀抬起，外部大流量喷油器轴针下移，喷射少量柴油，在废气的高温条件下发生氧化反应，产生OH、H活性自由基；进气阶段，新鲜空气流入气缸内，与高温废气和活性自由基混合；压缩冲程后半段缸内直喷氨喷射器针阀抬起向缸内喷射高压液氨，喷射持续期小于半个压缩冲程，氨燃料与空气实现非均匀混合，上止点前同心双针阀喷油器的内部小流量喷油器针阀抬起，外部大流量喷油器轴针下移，喷射小流量柴油，实现柴油喷射持续期与氨燃料喷射持续期有部分重叠，形成浓度梯度分层，实现高反应活性柴油和氨燃料的耦合分层燃烧；

双燃料模式下，发动机处在高负荷时，发动机以氨燃料燃烧为主，同心双针阀喷油器与缸内直喷氨喷射器协同工作，在进气阶段，提前关闭进气门，实现膨胀比大于压缩比；在压缩冲程前半段缸内直喷氨喷射器针阀抬起喷射低压液氨，喷射持续期大于半个压缩冲程，获得稀且具有低浓度梯度的混合气，在上止点同心双针阀喷油器的外部大流量喷油器轴针下移，内部小流量喷油器针阀抬起，喷射小流量引燃柴油，实现缸内以氨燃料为主的混合燃料着火和稳定燃烧。

本发明的优势在于：本发明给出氨燃料在内燃机应用燃烧的具体燃烧模式，通过灵活调整柴油和氨燃料的比例、喷射规律和喷射正时等参数，实现燃烧模式的灵活切换、燃烧始点和放热速率精确控制，采用同心双针阀喷油器避免在气缸盖上布置过多喷射器，双燃料模式高负荷下，提前关闭进气门，实现膨胀比大于压缩比，降低上止点缸内温度，解决高负荷容易爆震的问题；双燃料模式中低负荷下，采用燃料重整技术，利用废气的高温作用使柴油氧化重整，产生大量OH、H等自由基，提高氨燃料的反应活性，解决以氨为主要燃料着火困难的难题，实现高效、清洁、稳定燃烧，在满足高功率要求的同时，覆盖全工况，符合燃料经济性和排放法规要求。此外，本发明能够根据发动机实际工况，通过控制同心双针阀喷油器选择纯柴油模式/双燃料模式，纯柴油模式仅用于启动、怠速工况或双燃料模式发生故障时，使用纯柴油供给；而双燃料模式用于常规工况，通过调节供氨轨道压力选择低压/高压供氨，实现缸内燃料高效清洁燃烧。高压直喷液氨的雾化效果好，燃烧更充分，浓度梯度大，所需引燃油量更少；低压直喷液氨预混合充分，供氨轨道和喷射器承受压力小，最高燃烧温度低，NO_X排放低，靠湍流强度和混合气成分控制着火和火焰传播。并且为节约成本，本发明采用主副燃油供给系统，单体泵燃油供给系统在深海区域正常行驶时使用成本低的重柴油(HFO)，而在近海或港口靠岸时使用成本稍高的普通柴油(MDO)或轻柴油(MGO)。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为同心双针阀喷油器结构示意图；

图3为同心双针阀喷油器外部大流量喷射示意图；

图4为同心双针阀喷油器内部小流量喷射示意图；

图5为燃料重整初始阶段示意图；

图6为燃料重整结束阶段示意图；

图7为纯柴油模式缸内燃料分布示意图；

图8为双燃料模式缸内燃料分布示意图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1-8，如附图1所示为本发明总体结构示意图，图中包括：活塞1、气缸2、燃烧室3、排气道4、气缸盖5、排气门6、同心双针阀喷油器7、进气门8、缸内直喷氨喷射器9、进气道10、储氨罐11、供给泵12、氨轨13、氨泄压阀14、ECU15、凸轮轴16、其他零部件17、共轨管18、燃油泵19、高压共轨系统油箱20、滤油器21、柴油泄压阀22、高压油路23、电控单体泵24、低压油泵25、低压油路26、单体泵系统油箱27。同心双针阀喷油器7采用嵌套式的双针阀结构，两针阀具有独立的油道，能够分别实现两针阀喷油脉宽和喷油正时的精确调控，垂直安装在气缸盖5上，中轴线与由气缸2中轴线重合，连接有主副燃油供给系统；缸内直喷氨喷射器9倾斜安装气缸盖上，轴线和气缸的中轴线在同一空间平面内，且两轴线夹角小于90度，具体角度根据气缸盖5实际结构来确定，连接有供氨装置。燃烧室3为半球形燃烧室，燃烧室3由活塞1上表面、气缸2部分缸套以及气缸盖5下表面组成，能够缩短火焰传播距离，且具有很强的挤流，能够提高混合燃气的湍流强度，有助于迅速着火与燃烧。

主副燃油供给系统包含电控单体泵和高压共轨两套独立的燃油供给系统，电控单体泵燃油供给系统包括电控单体泵24、单体泵系统油箱27、高压油路23、低压油路26和低压油泵25等，用于向外部大流量喷油器供给燃油；高压共轨燃油供给系统包括共轨管18、燃油泵19、高压共轨系统油箱20、滤油器21、泄压阀22和传感器等，用于向所述内部小流量喷油器供给燃油，高压共轨系统油箱20内柴油经滤油器21由燃油泵19抽入共轨管18中，当压力超过限定值时开启油泄压阀22，使柴油回流降低压力，实现喷射压力、喷射量、喷射正时和喷射规律的灵活控制，满足发动机燃料供给、浓度分层和活性重整等要求。

缸内直喷氨喷射器9为多孔式喷射器，喷孔数量为6-8个，供氨装置由储氨罐11、供给泵12、氨轨13、氨泄压阀14组成，储氨罐11中的液氨经供给泵12供给氨轨13，当压力超过限定值时开启氨泄压阀14，使液氨回流降低压力，实现缸内高低压喷射，消除歧管供氨气门重叠角带来的氨扫气泄露，满足氨燃料发动机全工况运行。低压喷射应用于高负荷条件下，ECU15调节轨压限制，达到限定压力，控制氨泄压阀开启降低供氨轨道压力，喷射压力约为10-20MPa，采用提前喷射的方式，使氨燃料与空气充分混合，形成均匀混合气；高压喷射应用于中低负荷条件下，喷射压力约为20-50MPa，氨燃料与空气实现非均匀混合。

可变气门正时具体实施方法为：双燃料模式下高负荷时，ECU15控制凸轮轴16，使进气门8晚关以减少进气冲程实际压缩比，做功冲程膨胀比大于进气冲程实际压缩比，降低上止点缸内温度，解决高负荷容易爆震的问题；控制排气正时根据负荷变化而做出改变，双燃料模式下中低负荷时，早关排气门6使部分废气不能完全排出，残留废气进入下一个工作循环，排气门6关闭后有一小段负气门重叠角区间，同心双针阀喷油器7喷射少量柴油，利用废气高温使柴油发生氧化反应，产生OH、H等活性自由基提高缸内燃料反应活性，缩短滞燃期，有助于提高燃烧效率。

如附图2所示为本发明同心双针阀喷油器7具体结构示意图，图3-4为本发明同心双针阀喷油器7喷射示意图，结合图2-4对同心双针阀喷油器7进行具体介绍，图中包括：外部大流量喷油器轴针28、外部大流量喷油器针阀体油道29、内部小流量喷油器针阀体油道30、内部小流量喷油器针阀31、内部小流量喷油器针阀体32、外部大流量喷油器针阀体33。所述同心双针阀喷油器7由外部大流量喷油器针阀体33和内部小流量喷油器针阀体32构成，外部大流量喷油器针阀体33与内部小流量喷油器针阀体32共轴线布置在同心双针阀喷油器7内部，指向正下方燃烧室系统，同心双针阀喷油器外部大流量喷油器针阀体33与同心双针阀喷油器内部小流量喷油器针阀体32均有独立的针阀、弹簧、电磁阀和供油通道，同心双针阀喷油器外部大流量喷油器针阀体33的针阀直径远大于同心双针阀喷油器内部小流量喷油器针阀体32的针阀直径，特别注意,小流量喷油器针阀体32安装于大流量喷油器针阀体33中,小流量喷油器针阀体32同时作为大流量喷油器针阀体33的轴针。外部大流量喷油器为轴针式喷油器，内部小流量喷油器为多孔式喷油器，喷孔数量为6-8个，通过ECU15控制油轨压力和电磁阀调节两个喷油器的开启和关闭以及喷射量。相同喷射脉宽情况下，内部小流量喷油器针阀体32流量远小于外部大流量喷油器针阀体33流量，但线性度区间不同，内部小流量喷油器针阀体32流量更早达到线性度区间，可以在启动、怠速、低负荷或重整阶段需要燃油量少的情况下实现更精准的控制。所述外部大流量喷油器和内部小流量喷油器采用不同的燃油供给模式的主副燃油供给系统进行供油，外部大流量喷油器采用单体泵燃油供给系统，内部小流量喷油器采用高压共轨燃油喷射系统。

结合图1-8对本发明燃烧组织方法特征进行具体介绍：

具体包括纯柴油、双燃料两种运行模式。

所述的纯柴油模式下功率可以覆盖发动机整个运行工况条件，上止点前燃料喷射示意图如图7所示；在启动、怠速和小负荷工况下，上止点前同心双针阀喷油器7的内部小流量喷油器针阀31抬起，外部大流量喷油器轴针28下移，喷射小流量柴油。当发动机处于启动工况时，由于机件温度低，缸内压缩终点温度低，因此选择柴油可以减少不完全燃烧或失火的情况发生，且启动、怠速和小负荷工况所需燃料量少，因此使用内部小流量喷射器喷射柴油可以实现更精确的控制，减少不完全燃烧或失火的情况发生。随着流量需要的增加且超出了小流量喷射器的供油能力时，切换为同心双针阀喷油器7的大流量喷油器喷射燃油，同心双针阀喷油器7的内部小流量喷油器针阀31落下，内部小流量喷油器喷孔关闭，外部大流量喷油器轴针28上移，当上移高度超过一定距离后，喷孔处的柴油流通面积迅速增加；在大负荷条件下，同心双针阀喷油器的大流量和小流量喷油器同时工作，保证发动机稳定运行。

双燃料模式下，上止点前燃料喷射示意图如图8所示，发动机处在中低负荷时，以柴油的扩散燃烧为主，同心双针阀喷油器7与缸内直喷氨喷射器9协同工作。在排气阶段，控制系统根据工况控制可变配气系统提前关闭排气门6，实现高温排气的捕集，提高下一循环缸内初始温度，在排气门6关闭后同心双针阀喷油器7的内部小流量喷油器针阀31抬起，外部大流量喷油器轴针28下移，喷射少量柴油，在废气的高温条件下发生氧化反应，产生OH、H等活性自由基，解决中低负荷氨燃料不易着火和燃烧不完全等问题，如图5所示；进气阶段，新鲜空气流入气缸内，与高温废气和活性自由基混合，如图6所示；压缩冲程后半段缸内直喷氨喷射器9针阀抬起向缸内喷射高压液氨，喷射持续期小于半个压缩冲程，氨燃料与空气实现非均匀混合，上止点前同心双针阀喷油器7的内部小流量喷油器针阀31抬起，外部大流量喷油器轴针28下移，喷射小流量柴油，精确控制引燃柴油正时和流量，实现柴油喷射持续期与氨燃料喷射持续期有部分重叠，形成较大浓度梯度分层，实现高反应活性柴油和氨燃料的高效耦合分层燃烧；

双燃料模式下，发动机处在高负荷时，发动机以氨燃料燃烧为主，同心双针阀喷油器7与缸内直喷氨喷射器9协同工作。在进气阶段，ECU15根据工况控制可变配气系统提前关闭进气门8，实现膨胀比大于压缩比，降低上止点缸内温度，解决高负荷容易爆震的问题；在压缩冲程前半段缸内直喷氨喷射器9针阀抬起喷射低压液氨，喷射持续期大于半个压缩冲程，获得较稀的且具有低浓度梯度的混合气，在上止点同心双针阀喷油器7的外部大流量喷油器轴针28下移，内部小流量喷油器针阀31抬起，喷射小流量引燃柴油，精确控制引燃柴油正时和流量，实现缸内以氨燃料为主的混合燃料着火和稳定燃烧。

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。

Claims (8)

1.采用混合气活性重整的柴油、氨双燃料发动机燃烧系统，其特征是：包括气缸、气缸盖、活塞、主副燃油供给系统、供氨装置；

所述气缸、气缸盖和活塞组成燃烧室，气缸盖上安装有同心双针阀喷油器、缸内直喷氨喷射器，所述同心双针阀喷油器包括外部大流量喷油器、内部小流量喷油器，外部大流量喷油器包括外部大流量喷油器针阀体、内部小流量喷油器针阀体，外部大流量喷油器针阀体位于内部小流量喷油器针阀体外部，且二者之间形成外部大流量喷油器油道，内部小流量喷油器包括内部小流量喷油器针阀体、内部小流量喷油器针阀，内部小流量喷油器针阀体位于内部小流量喷油器针阀外部，且二者之间形成内部小流量喷油器油道，内部小流量喷油器针阀体的端部为外部大流量喷油器轴针；

所述主副燃油供给系统包括高压共轨燃油供给系统和电控单体泵燃油供给系统，高压共轨燃油系统包括共轨管、燃油泵、高压共轨系统油箱、滤油器、泄压阀，高压共轨系统油箱内柴油经滤油器由燃油泵抽入共轨管中，共轨管连接内部小流量喷油器，共轨管通过回油管连接高压共轨系统油箱，泄压阀安装在回油管上，燃油泵连接泄压阀前的回油管；所述电控单体泵燃油供给系统包括电控单体泵、单体泵系统油箱、低压油泵，电控单体泵分别连接高压油路和低压油泵，低压油泵通过低压油路连接单体泵系统油箱，高压油路连接外部大流量喷油器；

所述供氨装置包括储氨罐、供给泵、氨轨、氨泄压阀，储氨罐通过供给泵连接氨轨，供给泵、氨轨通过回氨管连接储氨罐，回氨罐上设置氨泄压阀。

2.根据权利要求1所述的采用混合气活性重整的柴油、氨双燃料发动机燃烧系统，其特征是：所述外部大流量喷油器为轴针式喷油器，内部小流量喷油器为多孔式喷油器，喷孔数量为6-8个，外部大流量喷油器和内部小流量喷油器均包括独立的针阀、针阀体、弹簧、电磁阀和油道。

3.根据权利要求1所述的采用混合气活性重整的柴油、氨双燃料发动机燃烧系统，其特征是：内部小流量喷油器针阀体流量相对于外部大流量喷油器针阀体流量，更早达到线性度区间。

4.根据权利要求1所述的采用混合气活性重整的柴油、氨双燃料发动机燃烧系统，其特征是：缸内直喷氨喷射器具有多孔结构，喷孔关于缸内直喷氨喷射器中心轴线呈轴对称分布。

5.根据权利要求1所述的采用混合气活性重整的柴油、氨双燃料发动机燃烧系统，其特征是：同心双针阀喷油器中心轴线与气缸中心轴线重合。

6.根据权利要求1所述的采用混合气活性重整的柴油、氨双燃料发动机燃烧系统，其特征是：缸内直喷氨喷射器中心轴线和同心双针阀喷油器的中心轴线在同一空间平面内指向所述燃烧室的中心，且两个中心轴线夹角小于90度。

7.采用混合气活性重整的柴油、氨双燃料发动机燃烧方法，其特征是：包括纯柴油模式：

纯柴油模式下，在启动、怠速和小负荷工况下，上止点前同心双针阀喷油器的内部小流量喷油器针阀抬起，外部大流量喷油器轴针下移，喷射小流量柴油；随着流量需要的增加且超出了小流量喷射器的供油能力时，切换为同心双针阀喷油器的大流量喷油器喷射燃油，同心双针阀喷油器的内部小流量喷油器针阀落下，内部小流量喷油器喷孔关闭，外部大流量喷油器轴针上移，当上移高度超过设定距离后，喷孔处的柴油流通面积迅速增加；在大负荷条件下，同心双针阀喷油器的大流量和小流量喷油器同时工作。

8.根据权利要求7所述的采用混合气活性重整的柴油、氨双燃料发动机燃烧方法，其特征是：包括双燃料模式：

双燃料模式下，发动机处在中低负荷时，以柴油的扩散燃烧为主，同心双针阀喷油器与缸内直喷氨喷射器协同工作，在排气阶段，提前关闭排气门，同心双针阀喷油器的内部小流量喷油器针阀抬起，外部大流量喷油器轴针下移，喷射少量柴油，在废气的高温条件下发生氧化反应，产生OH、H活性自由基；进气阶段，新鲜空气流入气缸内，与高温废气和活性自由基混合；压缩冲程后半段缸内直喷氨喷射器针阀抬起向缸内喷射高压液氨，喷射持续期小于半个压缩冲程，氨燃料与空气实现非均匀混合，上止点前同心双针阀喷油器的内部小流量喷油器针阀抬起，外部大流量喷油器轴针下移，喷射小流量柴油，实现柴油喷射持续期与氨燃料喷射持续期有部分重叠，形成浓度梯度分层，实现高反应活性柴油和氨燃料的耦合分层燃烧；

双燃料模式下，发动机处在高负荷时，发动机以氨燃料燃烧为主，同心双针阀喷油器与缸内直喷氨喷射器协同工作，在进气阶段，提前关闭进气门，实现膨胀比大于压缩比；在压缩冲程前半段缸内直喷氨喷射器针阀抬起喷射低压液氨，喷射持续期大于半个压缩冲程，获得稀且具有低浓度梯度的混合气，在上止点同心双针阀喷油器的外部大流量喷油器轴针下移，内部小流量喷油器针阀抬起，喷射小流量引燃柴油，实现缸内以氨燃料为主的混合燃料着火和稳定燃烧。

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