CN116146361A - 氢、柴油、氨三元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氢、柴油、氨三元燃料发动机燃烧系统及燃烧方法，包括燃烧系统、电控系统、双共轨燃油供给系统、氢气产生及供给系统、氨燃料供给系统和外部EGR系统；采用多点低压喷射方式向每缸供给氢气，用于改善中低负荷双燃料模式下氨与空气混合气的活性，确保低反应活性燃料的可靠着火和加快燃烧速度，有效提升发动机的综合性能和效率；外部EGR系统工作使得废气经冷却后与新鲜空气一同进入缸内，降低最高燃烧温度，降低发动机高负荷下NOx排放和抑制爆震现象。本发明能综合控制柴油、氢气与氨燃料喷射，实现发动机多模式燃烧，从而实现发动机低碳、高效率和低排放目标。

Description

氢、柴油、氨三元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，具体地说是发动机燃烧系统及方法。

背景技术

氨燃料是零碳燃料不会产生碳排放，但其着火温度高、点火能量大、火焰传播速度慢、可燃极限窄,导致其不易着火燃烧,且燃烧性能及稳定性较差。氢是氨裂解的产物之一，氢燃料的辛烷值高、抗爆震性好,且燃烧速度快、着火极限宽广，因此可以用少量的氢燃料改善氨燃料的燃烧效率。燃烧是实现发动机高效率和低排放的核心和关键,要实现发动机全工况的高效稳定燃烧需要掺混其他的高反应活性燃料，通过调整双燃料发动机在燃烧过程中的燃烧策略，搭配米勒循环提高热效率，就能在提高双燃料发动机动力性的同时降低污染物排放。

公开号CN114109587A的专利燃烧装置及系统，通过点燃氢燃料在第二燃烧室内燃烧产生的射流火焰引燃第一燃烧室中的氨燃料束，实现扩散燃烧，具有较高热效率。但其结构复杂，需要引燃装置，未考虑多工况下发动机工作的稳定性问题，且增大了高温型NO_X生成的概率。公开号CN115217622A的专利一种基于反应活性调控的氨氢融合燃料控制系统，用车载制氢装置制备氢气，通过在进气道喷射氨气和氢气，在气缸内形成氨氢融合燃料，并通过控制氢气喷射量来调控氨氢融合燃料的反应活性。但进气道喷射氨气易产生泄露，并且需要更高能量的点火装置形成氢气射流，装置的安全稳定性问题可能并不适合车用。现有氨燃料发动机专利问题集中在高能点火装置和贮存输运方式并未解决，选用氢气改善燃烧的稳定性问题并不能保证，需要对氢气来源以及喷射策略进行更合理的设计。

发明内容

本发明的目的在于提供能实现发动机多模式燃烧、满足双燃料发动机全工况范围高效率和低排放的氢、柴油、氨三元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：

本发明氢、柴油、氨三元燃料发动机燃烧系统，其特征是：包括储氨罐、储氢罐、柴油箱、氢气发生系统、气缸、气缸盖、活塞，所述气缸、气缸盖和活塞组成燃烧室，燃烧室连接进气道和排气道，气缸盖上安装有同心双针阀喷油器、缸内直喷氨喷射器、氢燃料喷射器，同心双针阀喷油器中心轴线与气缸中心轴线重合；

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；

柴油箱通过燃油轨连接同心双针阀喷油器，氢气发生系统分别连接储氨罐和储氢罐，储氨罐通过氨轨连接缸内直喷氨喷射器，储氢罐通过氢轨连接氢燃料喷射器。

本发明氢、柴油、氨三元燃料发动机燃烧系统还可以包括：

1、氢气发生系统通过余热回收装置连接排气道。

2、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、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、缸内直喷氨喷射器具有多孔结构，缸内直喷氨喷射器位于气缸盖靠近进气道一侧，喷孔关于缸内直喷氨喷射器中心轴线呈轴对称分布。

5、同心双针阀喷油器中心轴线与气缸中心轴线重合。

6、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。

本发明氢、柴油、氨三元燃料发动机燃烧方法，其特征是：包括纯柴油模式：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，当上移高度超过预设距离后，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。

本发明氢、柴油、氨三元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，柴油作为主燃料，进气门开启后，氢气经氢燃料喷射器喷射与新鲜空气一同经过进气道进入气缸内，形成氢预混合气；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，氨燃料与氢预混合气实现非均匀混合，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、氢气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，氨作为主燃料，柴油作为引燃燃料；进气门关闭时刻推迟，实现发动机实际压缩比小于膨胀比，同时控制EGR阀在排气阶段工作，使部分废气经冷却后流回缸内；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，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，通过设计合理、稳定的产氢、供氢装置，可调轨压的供氨装置和双共轨燃油供给系统，综合控制柴油、氢与氨燃料喷射，并采用同心双针阀喷油器避免在气缸盖上布置过多喷射器，以及电控系统灵活调整柴油、氢和氨燃料的比例、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；通过氢预混合气解决中低负荷缸内直喷氨燃料不易着火和燃烧不完全等问题，通过外部EGR系统降低缸内最高燃烧温度，以减少柴油模式和双燃料模式下的高负荷NOx排放和抑制爆震现象，实现发动机全工况的高效率和低排放；并且本发明采用双共轨燃油供给系统，可根据不同场合供给包含轻柴油、合成柴油、生物柴油等不同品质的柴油，节约成本。

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为氢/柴油/氨三元燃料发动机系统示意图；

图6为氢供给控制策略示意图；

图7为双燃料模式中低负荷燃料喷射质量流量示意图；

图8为双燃料模式高负荷燃料喷射质量流量示意图。

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，图1所示为本发明总体结构示意图，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、氢燃料喷射器10、进气道11、燃油轨12、氢轨13、储氢罐14、氢气发生系统(HGS)15、储氨罐16、氨轨17、余热回收装置18、压力传感器19、温度传感器20、油轨压力传感器21、氢轨压力传感器22、氨轨压力传感器23。燃烧系统包括活塞1、气缸2、气缸盖5、可变配气机构、氢燃料喷射器10、进气门8、排气门6、进气道11和排气道3，气缸盖5上设置有垂直安装的同心双针阀喷油器7和倾斜安装的缸内直喷氨喷射器9，同心双针阀喷油器7具有同心双针阀结构，其中心轴线与气缸2中心轴线重合，利用双共轨燃油供给系统独立向同心双针阀喷油器7供给燃油，同心双针阀两喷油器均采用单次喷射策略，分别实现两针阀喷油脉宽和喷油正时的精确调控；缸内直喷氨喷射器9位于气缸盖靠近进气道一侧，其轴线与气缸2轴线在同一空间平面上，由氨供给系统向缸内直喷氨喷射器9供给氨燃料，利用缸内高低压喷射技术实现氨混合气浓度的合理分层；采用多点低压喷射方式向每缸供给氢气，用于改善中低负荷双燃料模式下氨与空气混合气的活性，确保低反应活性燃料的可靠着火和加快燃烧速度，有效提升发动机的综合性能和效率；所述进气门8和排气门6由可变配气机构驱动，在电控系统控制下实现气门定时的连续可变、气门升程的连续可变以及开启持续期的连续可变；所述电控系统综合控制柴油、氢气与氨燃料喷射，实现发动机多模式燃烧，从而实现发动机低碳、高效率和低排放目标。

氢燃料喷射器10倾斜安装在进气歧管上，氢燃料喷射器10具有单孔结构且出口位于进气道11内，氢气喷射射流朝向进气门，利用氢气喷射方向与进气流动方向一致实现快速进气。

氢气产生及供给系统包括氢燃料泵、缓冲罐、调压器、管路、氢气气轨13、储氢罐、催化装置、电加热装置和废气余热回收装置18，废气余热回收装置18的入口与发动机排气管相连通，出口与催化装置内换热器相连通，用于回收废气热量，废气余热回收装置18配合辅助电加热装置为氢气产生系统15供热，确保制氢量和制氢效率；所述氢气产生及供给系统15通过高温裂解氨燃料产生氢气，并向所述氢燃料喷射器10供给助燃氢气。

外部EGR系统包括冷却器、进气管、排气管、排气管旁路和EGR阀，通过所述电控系统控制EGR阀开度来调节排气背压，使部分废气从排气管旁路流出，流经冷却器后与空气一同进入发动机进气管；含有多原子气体的废气比热比大于空气，高比热容效应导致缸内最高燃烧温度降低，以减少柴油模式和双燃料模式下的高负荷NOx排放和抑制爆震现象。

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，图中包括：外部大流量喷油器轴针24、外部大流量喷油器针阀体油道25、内部小流量喷油器针阀体油道26、内部小流量喷油器针阀27、内部小流量喷油器针阀体28、外部大流量喷油器针阀体29。所述同心双针阀喷油器7由外部大流量喷油器针阀体29和内部小流量喷油器针阀体28构成，外部大流量喷油器针阀体29与内部小流量喷油器针阀体28共轴线布置在同心双针阀喷油器7内部，同心双针阀喷油器外部大流量喷油器针阀体29与同心双针阀喷油器内部小流量喷油器针阀体28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29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28的针阀直径，特别注意,小流量喷油器针阀体28安装于大流量喷油器针阀体29中,小流量喷油器针阀体28同时作为大流量喷油器针阀体29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28流量远小于外部大流量喷油器针阀体29流量，如附图3-4所示。由包含两套独立的高压共轨系统的双共轨燃油供给系统分别向所述同心双轴喷油器的外部大流量喷油器和内部小流量喷油器供给燃油，双共轨燃油供给系统采用相同或不同品质和特性的燃油，包含轻柴油、合成柴油、生物柴油等，在确保燃油系统可靠性的前提下，实现发动机低成本、高效率和低排放。

如附图5为本发明氢/柴油/氨三元燃料发动机系统示意图，图6为本发明氢供给控制策略示意图；结合图5-6对产氢、供氢及调节方式进行说明；图中包括燃烧系统、电控系统、双共轨燃油供给系统、氢气产生及供给系统、氨燃料供给系统和外部EGR系统，发动机电控系统与各个系统相连，协同控制氢/柴油/氨三元燃料供给和喷射；储氨罐16中氨燃料经氨燃料泵、缓冲罐和调压器后，一路管路通过氨轨17向缸内直喷氨喷射器9供给氨燃料，另一路管路与氢气发生系统(HGS)15相连，氢气发生系统(HGS)15通向储氢罐14，储氢罐14通过调压器、氢轨13和氢燃料喷射器10相连；氢气发生系统(HGS)15中的电加热装置和催化装置通过高温催化裂解氨燃料制取氢气，还可引入其他热源，如利用废气余热回收装置18作为辅热设备，回收高温废气为催化提供热量，节约成本；储氢罐14为临时储氢罐，在发动机工况发生变化而导致氢气需求量变化时起缓冲作用，保证氢气发生系统(HGS)能有时间调整产氢能力，提高氢供给的响应速度，如附图5所示。发动机电控系统可调控氢燃料喷射器根据发动机实际工况向进气道11喷射的不同氢气量，发动机排气通道设有监测排气温度、压力的温度传感器20和压力传感器19，氢气发生系统(HGS)15中还可配置具有检测或输出氢燃料和氨燃料比例的检测装置，首先判断发动机工况，根据工况查询MAP图，进而供给对应的燃料比例使发动机工作，接收发动机排气道温度和压力信号进行判断，不满足要求则调整氢气喷射脉宽，修正燃料供给比例，满足要求后更新MAP图。用于组织本发明氢/柴油/氨三元燃料发动机燃烧系统的燃烧组织方法将歧管供氢与缸内直喷氨、柴油相结合，解决现有缸内直喷氨发动机在中低负荷着火困难的问题，提高氨发动机的热效率；通过电控系统控制缸内直喷氨喷射器、低压氢喷射器以及同心双针阀喷油器独立或协同工作，实现双燃料发动机多模式燃烧，包括双燃料模式和纯柴油模式，满足发动机全工况高效率和低排放要求。

结合图1-8对本发明燃烧组织方法特征进行具体介绍：

纯柴油模式下功率可以覆盖发动机整个运行工况条件；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27抬起，外部大流量喷油器轴针24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27落下，内部小流量喷油器喷孔关闭，外部大流量喷油器轴针24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，电控系统控制EGR阀在排气阶段工作，使部分废气经冷却后流回缸内，降低缸内燃烧温度，减少高负荷NOx排放。

双燃料模式下，发动机处在中低负荷时，燃料喷射质量流量如附图7所示，柴油作为主燃料，进气门8开启后，氢气经氢燃料喷射器喷射10与新鲜空气一同经过进气道进入气缸内，形成氢预混合气，解决中低负荷缸内直喷氨燃料不易着火和燃烧不完全等问题；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，氨燃料与氢预混合气实现非均匀混合，上止点前同心双针阀喷油器7的内部小流量喷油器针阀27抬起，外部大流量喷油器轴针24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、氢气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，燃料喷射质量流量如附图8所示，氨作为主燃料，柴油作为引燃燃料；为了防止燃烧温度与爆发压力过高，导致发动机性能恶化，氢气产生及供给系统不工作；电控系统控制可变配气机构使进气门8关闭时刻推迟，实现发动机实际压缩比小于膨胀比，同时控制EGR阀在排气阶段工作，使部分废气经冷却后流回缸内，降低缸内燃烧温度，减少高负荷NOx排放和抑制爆震现象；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24下移，内部小流量喷油器针阀27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 (9)

1.氢、柴油、氨三元燃料发动机燃烧系统，其特征是：包括储氨罐、储氢罐、柴油箱、氢气发生系统、气缸、气缸盖、活塞，所述气缸、气缸盖和活塞组成燃烧室，燃烧室连接进气道和排气道，气缸盖上安装有同心双针阀喷油器、缸内直喷氨喷射器、氢燃料喷射器，同心双针阀喷油器中心轴线与气缸中心轴线重合；

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；

柴油箱通过燃油轨连接同心双针阀喷油器，氢气发生系统分别连接储氨罐和储氢罐，储氨罐通过氨轨连接缸内直喷氨喷射器，储氢罐通过氢轨连接氢燃料喷射器。

2.根据权利要求1所述的氢、柴油、氨三元燃料发动机燃烧系统，其特征是：氢气发生系统通过余热回收装置连接排气道。

3.根据权利要求1所述的氢、柴油、氨三元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。

4.根据权利要求1所述的氢、柴油、氨三元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。

5.根据权利要求1所述的氢、柴油、氨三元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，缸内直喷氨喷射器位于气缸盖靠近进气道一侧，喷孔关于缸内直喷氨喷射器中心轴线呈轴对称分布。

6.根据权利要求1所述的氢、柴油、氨三元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。

7.根据权利要求1所述的氢、柴油、氨三元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。

8.氢、柴油、氨三元燃料发动机燃烧方法，其特征是：包括纯柴油模式：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，当上移高度超过预设距离后，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。

9.根据权利要求8所述的氢、柴油、氨三元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，柴油作为主燃料，进气门开启后，氢气经氢燃料喷射器喷射与新鲜空气一同经过进气道进入气缸内，形成氢预混合气；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，氨燃料与氢预混合气实现非均匀混合，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、氢气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，氨作为主燃料，柴油作为引燃燃料；进气门关闭时刻推迟，实现发动机实际压缩比小于膨胀比，同时控制EGR阀在排气阶段工作，使部分废气经冷却后流回缸内；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，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。

Images