CN116201644A - 大型涡轮增压二冲程单流十字头压燃式内燃机及操作方法 - Google Patents

大型涡轮增压二冲程单流十字头压燃式内燃机及操作方法 Download PDF

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Abstract

描述了一种大型涡轮增压二冲程单流十字头压燃式内燃发动机，该内燃发动机具有至少一种操作模式，在所述操作模式中，该内燃发动机以氨和点火流体、例如燃料油作为在该内燃发动机中燃烧的燃料来操作，该内燃发动机包括：‑至少一个气缸，‑燃烧室，‑氨燃料系统(30)，和‑点火流体系统(40)，其特征在于，所述点火流体系统(40)被配置为以氨燃料燃烧的确定持续时间的至少20％的喷射持续时间将点火流体供应到所述燃烧室中。还描述了一种用于操作大型涡轮增压二冲程单流十字头压燃式内燃发动机的方法。因此，确保了氨的更完全燃烧。此外，可以省略先导燃料油喷射体系，从而显著降低了成本并为在气缸盖中安装燃料喷射阀提供了更好的空间。

Description

大型涡轮增压二冲程单流十字头压燃式内燃机及操作方法
技术领域
本发明涉及一种大型涡轮增压二冲程单流十字头压燃式内燃发动机，该发动机具有至少一种操作模式，在所述操作模式中，该发动机使用氨和点火流体(例如燃料油)作为在该发动机中燃烧的燃料来操作，该发动机包括：
-至少一个气缸，所述气缸具有气缸套和在该气缸套中的往复活塞以及覆盖所述气缸的气缸盖，
-燃烧室，所述燃烧室在所述往复活塞和所述气缸盖之间形成在所述气缸内部，
-氨燃料系统，所述氨燃料系统被配置用于将加压的氨供应到至少一个氨燃料阀，所述氨燃料阀布置在所述气缸盖或所述气缸套中，以及
-点火流体系统，所述点火流体系统被配置用于将加压的点火流体供应到至少一个点火液体阀，所述点火液体阀布置在所述气缸盖或所述气缸套中。
背景技术
大型涡轮增压二冲程单流十字头压燃式内燃发动机通常用作大型远洋船舶(如集装箱船或发电厂)中的原动机。这些发动机非常经常地使用重质燃料油或燃料油来操作。仅仅是尺寸、重量和功率输出就使它们与普通燃烧发动机完全不同，并将大型二冲程涡轮增压压燃式内燃发动机自身归为一类。
内燃发动机过去主要使用碳氢化合物燃料、例如燃料油(如柴油)或燃料气(如天然气或石油气)来操作。碳氢化合物燃料的燃烧会释放二氧化碳(CO2)以及其他温室气体，其导致大气污染和气候变化。与导致副产品排放的化石燃料杂质不同，CO2是碳氢化合物燃烧不可避免的结果。燃料的能量密度和CO2足迹取决于碳氢化合物链的长度及其碳氢化合物分子的复杂性。因此，气态碳氢化合物燃料比液态碳氢化合物燃料具有更少的足迹，缺点是气态碳氢化合物燃料在处理和储存方面更具挑战性且成本更高。为了减少CO2足迹，正在对非碳氢化合物燃料进行研究。
氨是一种从化石燃料、生物质或可再生资源(风、太阳、水力或热)中获得的产品，并且当由可再生资源产生时，氨在燃烧时几乎没有碳足迹或排放任何CO2、SOx、颗粒物或未燃烧的碳氢化合物。目前，氨因此作为内燃发动机的燃料受到了非常高的关注，主要是因为它可以通过使用可再生能源(如太阳能、风能和波浪能)的电力以气候友好的方式生产，并且因为氨本身的燃烧不会形成含碳的温室气体，如二氧化碳。
在WO 2020/252518 A1中描述了一种在开头提到的类型的大型涡轮增压二冲程单流十字头压燃式内燃发动机。
当氨被用作内燃发动机的燃料时，发动机可以根据奥托原理操作，其中在活塞的压缩冲程期间以相对低的压力引入氨燃料，或者发动机可以在柴油原理之后操作，其中在活塞接近上止点(TDC)时氨燃料在高压下喷射到燃烧室中。在活塞循环的氨燃料喷射和燃烧阶段期间，由于燃烧室的压缩/膨胀并且由于燃烧的发生，气缸压力正在经历级别上的急剧变化。
氨已经在小型的火花点火式内燃发动机中进行了测试和使用，但尚未在更大规模功率的压缩点火式内燃发动机中使用。
使用氨作为燃料有多个挑战。一个挑战是与典型的碳氢化合物燃料相比功率密度低，导致需要喷射的燃料体积明显更大，从而导致更大的流量。这种较大的流量可能会导致火焰熄灭，即尽管点火发生在喷射事件的一开始，但随后的大流量和由此产生的燃料射流的高速会熄灭(吹灭)火焰。另一个挑战是与液态碳氢化合物燃料相比，氨的点火意愿低(可燃性低)。再一个挑战是氨的高蒸发冷却，这会导致燃料在喷射时冷却，从而增加所需的点火能量。由于高蒸发冷却，燃烧室内的高温是稳定燃烧的先决条件。到目前为止，这些挑战的结合阻止了使用氨作为压燃式发动机中的主要燃料。
可以两种不同燃料操作的内燃发动机通常被称为双燃料发动机。双燃料发动机的两种不同燃料通常包括可压缩点火的燃料油、例如重质燃料油或柴油，以及另一种燃料、例如气态燃料、如氨、甲醇、液化石油气(LPG)、液化天然气(LNG)、乙烷，它们都需要点火流体，点火流体例如以先导燃料油的形式加入。因此，以氨和燃料油运转的双燃料发动机的现有技术方案的构思是，发动机仅使用油燃料以其最大额定值运转，或者使用氨燃料以最大额定值运转，其中使用最少的用于氨燃料点火的先导燃料油。现有构思涉及对于输送全速率部分燃料油优化的燃料油喷射系统、对于全速率氨运转优化的氨燃料系统和对于氨点火优化的先导燃料油系统，其中先导燃料油部分尽可能低，例如通过将先导燃料油喷射到预燃室中。此外，一些已知的双燃料发动机也对于先导燃料油喷射使用全速率燃料油喷射系统，其中当以气态燃料运转时，先导燃料油部分的尺寸范围在全速率部分的1.5％-5％之间。
然而，存在与现有的双燃料构思的发动机、例如以氨和燃料油为燃料的发动机相关联的问题，因为复杂之处在于其包括先导燃料油喷射系统。此外，双燃料构思涉及全速率燃料油喷射系统在氨燃料运转期间不操作。这意味着在氨燃料运转期间全速率燃料油喷射系统的喷射阀的喷嘴孔中形成沉积物的风险，并且当试图从氨操作切换到燃料油操作时，全速率燃料燃料油喷射系统可能因此不正常工作。此外，氨的层流火焰速度比大多数碳氢化合物的层流火焰速度小几乎10倍，因此即使在低湍流水平下也可能发生火焰的淬灭/熄灭，因此可能难以通过使用适用于已知燃料油/气体双燃料发动机的全速率燃料油喷射系统来维持氨的燃烧，因为这将不能确保所有氨燃料的点火和燃烧。先导燃料油喷射系统中燃料油的喷射持续时间通常为约1度曲柄角，这仅确保氨的点火，但不能完全燃烧所有氨燃料。
发明内容
本发明的目的是提供一种在开头提到的类型的大型涡轮增压二冲程单流十字头压燃式内燃发动机，其中至少显著减少了上述挑战。
上述和其他目的通过独立权利要求的特征来实现。进一步的实施形式根据从属权利要求、说明书和附图而明显。
根据第一方面，提供了一种大型涡轮增压二冲程单流十字头压燃式内燃发动机，该发动机具有至少一种操作模式，在所述操作模式中，该发动机以氨和点火流体、例如燃料油作为在该发动机中燃烧的燃料来操作，该发动机包括：
-至少一个气缸，所述至少一个气缸具有气缸套和在其中的往复活塞以及覆盖该气缸的气缸盖，
-燃烧室，所述燃烧室在所述往复活塞和所述气缸盖之间形成在所述气缸内部，
-氨燃料系统，所述氨燃料系统被配置用于将加压的氨供应到至少一个氨燃料阀，所述至少一个氨燃料阀布置在所述气缸盖或所述气缸套中，以及
-点火流体系统，所述点火流体系统被配置用于将加压的点火流体供应到至少一个点火液体阀，所述至少一个点火液体阀布置在所述气缸盖或所述气缸套中，并且其特征在于，所述点火流体系统被配置为以氨燃料燃烧的确定持续时间的至少20％的喷射持续时间将点火流体供应到所述燃烧室中。
氨燃料燃烧的持续时间由发动机控制系统根据发动机的实际速度来确定。
因此，与已知实践相比，通过在更长的时间段内将点火流体喷射到内燃发动机的气缸的燃烧室中，确保了氨的更完全燃烧。此外，由于可以使用全速率燃料油喷射系统，因此可以省略先导燃料油喷射系统，从而显著降低了成本，并为在气缸盖中安装燃料喷射阀提供了更好的空间。此外，在使用氨和点火流体、例如燃料油的双燃料操作期间，燃料油喷射系统也保持运转，从而保持清洁并准备好从氨双燃料操作切换到燃料油操作。
为了确保氨的更高的、优选完全的燃烧速率，点火流体系统可以被配置为以氨燃料燃烧的确定持续时间的至少50％、优选地至少80％和最优选地至少95％的喷射持续时间将点火流体供应到燃烧室中。
点火流体系统可以被配置为以如下喷射持续时间将点火流体供应到燃烧室中，所述喷射持续时间从低发动机速度下的2度曲轴角增加到全速率发动机速度下的20度曲轴角。就此而言，低发动机速度被定义为尽可能低的发动机速度。
点火流体系统可以被配置为在喷射持续时间内连续地或间歇地将点火流体供应到燃烧室中。如果点火流体系统被配置用于间歇喷射，则喷射次数可以被预先确定为在2到10次喷射之间，优选为5次，或者喷射次数可以是可变的并且由监测不同发动机操作参数(例如气缸压力)的控制系统来确定，所述操作参数指示燃烧性能，从而指示氨的燃烧。
点火流体系统可以被配置为将点火流体以如下量供应到燃烧室中，如果仅依赖点火流体、例如燃料油操作，则所述量的范围在全速率所需量的5％和50％之间、优选地在15％和40％之间且最优选地在25％和35％之间。
氨燃料系统可以被配置为将氨以发动机的全速操作所需要的燃料量的至少60％、优选至少70％且最优选至少95％的量供应到燃烧室中。通过减小氨燃料系统的尺寸，相应地降低了成本。
在本发明的一个实施例中，氨燃料阀可以连接到预燃室，所述预燃室通过开口连接到所述燃烧室。因此，通过经由这样的预燃室将氨燃料喷射到燃烧室中，在燃料从开口进入燃烧室之前引起燃料的显著减速，并且进一步地，预燃室可以用作预热室。因此，当燃料通过开口进入燃烧室时燃料的速度降低，而当燃料进入燃烧室时燃料的温度升高，从而至少部分地克服了氨作为上述压燃式内燃发动机的燃料的挑战。
在本发明的这种实施例中，发动机的点火流体阀可以与预燃室相关联，点火流体阀具有带喷嘴孔的点火流体喷嘴，并且点火流体阀联接到加压点火流体源。因此，点火流体可以在预燃室内与氨混合，以增强氨的可靠点火。通过在预燃室内以高压喷射点火流体，确保点火流体良好地分散到氨中，并确保当混合物进入燃烧室时点火流体已经与氨良好地混合。
预燃室可以形成在布置在气缸盖中的插入件中。因此，如果预燃室或在预燃室和燃烧室之间的开口损坏，则可以通过更换插入件容易地更换预燃室，而无需对整个气缸盖进行作业(加工)。
此外，预燃室可以与氨燃料阀一起形成为单个单元，并且其中所述单个单元是布置在气缸盖中的插入件。因此，预燃室和氨燃料阀可以在单次操作中安装在气缸盖中。
根据第二方面，提供了一种用于操作大型涡轮增压二冲程单流十字头压燃式内燃发动机的方法，该发动机具有至少一种操作模式，在所述操作模式中，该发动机以氨和点火流体、例如燃料油作为在该发动机中燃烧的燃料来操作，该发动机包括：
-至少一个气缸，所述至少一个气缸具有气缸套和在其中的往复活塞以及覆盖所述气缸的气缸盖，
-燃烧室，所述燃烧室在所述往复活塞和所述气缸盖之间形成在所述气缸内部，
-氨燃料系统，所述氨燃料系统被配置用于将加压的氨供应到至少一个氨燃料阀，所述至少一个氨燃料阀布置在所述气缸盖或所述气缸套中，以及
-点火流体系统，所述点火流体系统被配置用于将加压的点火流体供应到至少一个点火液体阀，所述至少一个点火液体阀布置在所述气缸盖或所述气缸套中，并且所述方法的特征在于，将所述点火流体以氨燃料燃烧的确定持续时间的至少20％的喷射持续时间供应到所述燃烧室中。
附图说明
将参考附图中所示的示例性实施例来更详细地解释本发明，其中：
图1显示了根据示例性实施例的大型二冲程柴油发动机的立体前视图，
图2显示了图1的大型二冲程发动机的立体侧视图，以及
图3显示了根据图1的大型二冲程发动机的示意图。
具体实施方式
在下面的详细描述中，将参考具有十字头的大型二冲程单流扫气式内燃发动机来描述根据本发明的压燃式内燃发动机，但是应当理解，该内燃发动机可以是另一种类型。
图1、2和3显示了一种大型低速涡轮增压二冲程柴油发动机，该发动机带有曲轴8和十字头9。图3显示了大型低速涡轮增压二冲程柴油发动机及其进气和排气系统的示意图。在该示例性实施例中，发动机具有六个排成一行的气缸1。大型低速涡轮增压二冲程柴油发动机通常具有四到十四个排成一行的气缸1，其由气缸框架23承载，该气缸框架由发动机框架11承载。发动机可以例如用作船舶中的主发动机，或者用作用于操作发电站中的发电机的固定发动机。例如，发动机的总输出可以在1000千瓦至110000千瓦的范围内。
在该示例性实施例中，发动机是二冲程单流型的双燃料压燃式发动机，其在气缸套1的下部区域中具有扫气口18并且在每个气缸套1的顶部处具有中央排气门4。发动机具有至少一种操作模式，在所述操作模式中，发动机使用氨或基于氨的燃料和点火流体、例如燃料油来操作。发动机还可以具有至少一种常规燃料模式，在该常规燃料模式中发动机依赖常规燃料、如燃料油(船用柴油)或重质燃料油操作。
在发动机操作期间，扫气空气从扫气空气接收器2传递到各个气缸1的扫气口18。在气缸套1中在下止点(BDC)和上止点(TDC)之间往复运动的活塞10压缩扫气空气。氨和点火流体形式的燃料通过布置在气缸盖22中的燃料阀50喷射到气缸套1中的燃烧室中。氨和点火流体分别从氨燃料供应系统30和点火燃料供应系统40供应。氨的喷射可以在活塞10朝向TDC的冲程期间在相对低的压力下进行，或者在TDC处或附近在相对高的压力下进行。点火流体的喷射总是在TDC处或附近在高压下进行。燃烧随之而来，并产生排气。每个气缸盖22设有两个或更多个燃料阀50。燃料阀50可以被配置为分别只喷射一种特定类型的燃料、氨和在这种情况下的点火流体，并且相应地，将存在用于喷射氨的两个或更多个燃料阀50和用于将以例如常规燃料形式的点火流体喷射到燃烧室中的两个或更多个燃料阀50。因此，发动机将具有四个或更多个燃料阀50。在燃料阀50适合于预混合地或者通过单独的喷嘴孔同时喷射氨和常规燃料二者的情况下，对于每个气缸可以有两个或更多个燃料阀50。燃料阀50围绕中央排气阀4布置在气缸盖22中。点火流体是例如二甲醚(DME)或燃料油，但也可以是另一种形式的点火促进剂、例如氢气。由于发动机是双燃料发动机，因此其也可以在常规燃料模式中操作，在该常规燃料模式中发动机仅依赖点火流体、例如常规燃料、如燃料油(船用柴油)或重质燃料油操作。在一个实施例中，氨燃料阀50'沿着气缸套(由虚线示出)布置，并且在活塞10从BDC到TDC的途中经过氨燃料阀50'之前允许氨燃料在相对低压下进入气缸套1。因此，活塞10压缩扫气空气和燃料的混合物。在TDC处或附近的定时点火由点火流体喷射触发。在具有氨燃料阀50'的实施例中，允许燃料进入的压力基本上低于在具有燃料阀50的实施例中在气缸盖22中喷射燃料的压力。因此，氨燃料供应系统30需要输送燃料的压力可以显著降低，和/或可以避免通常在位于气缸盖中的燃料阀50中使用的升压器。
当排气阀4打开时，排气流过与气缸相关联的排气管道进入排气接收器3中并向前经由选择性催化还原(SCR)反应器38通过第一排气管道19到达涡轮增压器5的涡轮机6，排气从该涡轮机离开通过第二排气导管经由节能器20流到出口21并进入大气中。SCR反应器减少排放、特别是NOx排放。
涡轮机6通过轴驱动压缩机7，该压缩机通过进气口12供应新鲜空气。压缩机7将加压的扫气空气输送到通向扫气空气接收器2的扫气空气导管13。扫气空气导管13中的扫气空气经过用于冷却扫气空气的中间冷却器14。
冷却的扫气空气通过由电动马达17驱动的辅助鼓风机16，当涡轮增压器5的压缩机7没有为扫气空气接收器2输送足够的压力时，即在发动机的低负载或部分负载条件下，所述辅助鼓风机对扫气空气流加压。在较高的发动机负载下，涡轮增压器的压缩机7输送足够的压缩扫气空气，然后辅助鼓风机16通过止回阀15被旁通，并且电动马达17被停用。
氨在基本稳定的压力和温度下被供应到氨阀50，并且可以以液相或气相的形式被供应到氨阀50。氨液相可以是氢氧化铵(氨水混合物)。
根据本发明，与已知实践相比，点火流体在更长的时间段内被喷射到内燃发动机的气缸的燃烧室中，从而获得氨的更完全的燃烧。根据已知的实践，点火流体在大约1度的曲柄角上喷射，该曲柄角对应于氨燃料燃烧的持续时间的5％至10％。然而，根据本发明，点火流体系统40被配置为将点火流体以氨燃料燃烧的确定持续时间的至少20％的喷射持续时间供应到燃烧室中。
除了氨的更完全燃烧之外，本发明的另一个优点是，由于要使用的点火流体的必要量，全速率燃料油喷射系统可以用于点火流体的喷射。这意味着可以省略先导燃料油喷射系统，从而显著降低了成本，并为在气缸盖中安装燃料油喷射阀提供了更好的空间。此外，燃料油喷射系统也在发动机的所有操作模式中保持运转，从而保持清洁。
为了在氨和点火流体二者同时燃烧的情况下通过发动机的操作产生尽可能少的CO2，点火流体的量应保持尽可能少，而不损害氨的燃烧。然而，在一些情况下，为了确保氨的完全燃烧，点火流体应当以氨燃料燃烧的确定持续时间的至少50％或甚至至少80％或至少95％的喷射持续时间喷射到燃烧室中。也可能的是，点火流体应当以氨燃料燃烧的确定持续时间的100％的喷射持续时间喷射到燃烧室中。
点火流体系统40可以被配置为将点火流体以如下喷射持续时间供应到燃烧室中，所述喷射持续时间从低发动机速度下的约2度曲柄角增加到全速率发动机速度下的约20度曲柄角。
点火流体系统可以被配置为在喷射持续时间内连续地或间歇地将点火流体供应到燃烧室中。如果点火流体系统被配置用于间歇喷射，则喷射次数可以被预先确定为在2到10次喷射之间，优选为5次，或者喷射次数可以是可变的并且由监测不同发动机操作参数、例如气缸压力的控制系统来确定，所述操作参数指示燃烧性能，从而指示氨的燃烧。
点火流体系统可以被配置为将点火流体以如下量供应到燃烧室中，如果仅依赖点火流体、例如燃料油操作，则所述量的范围在全速率所需量的5％和50％之间、优选地在15％和40％之间且最优选地在25％和35％之间。
氨燃料系统可以被配置为将氨以至少60％、优选至少70％和最优选至少95％的量供应到燃烧室中。通过减小氨燃料系统的尺寸，相应地降低了成本。

Claims (10)

1.一种大型涡轮增压二冲程单流十字头压燃式内燃发动机，该内燃发动机具有至少一种操作模式，在所述操作模式中，该内燃发动机以氨和点火流体、例如燃料油作为在该内燃发动机中燃烧的燃料来操作，该内燃发动机包括：
-至少一个气缸，所述至少一个气缸具有气缸套(1)和在所述气缸套中的往复活塞(10)以及覆盖所述气缸的气缸盖(22)，
-燃烧室，所述燃烧室在所述往复活塞(10)和所述气缸盖(22)之间形成在所述气缸内部，
-氨燃料系统(30)，所述氨燃料系统被配置用于将加压的氨供应到至少一个氨燃料阀(50)，所述至少一个氨燃料阀布置在所述气缸盖(22)或所述气缸套(1)中，和
-点火流体系统(40)，所述点火流体系统被配置用于将加压的点火流体供应到至少一个点火液体阀(50)，所述至少一个点火液体阀布置在所述气缸盖(22)或所述气缸套(1)中，
其特征在于，所述点火流体系统(40)被配置为以氨燃料燃烧的确定持续时间的至少20％的喷射持续时间将点火流体供应到所述燃烧室中。
2.根据权利要求1所述的内燃发动机，其特征在于，所述点火流体系统(40)被配置为以氨燃料燃烧的确定持续时间的至少50％、优选至少80％和最优选至少95％的喷射持续时间将点火流体供应到所述燃烧室中。
3.根据前述权利要求中任一项所述的内燃发动机，其特征在于，所述点火流体系统(40)被配置为以如下喷射持续时间将点火流体供应到所述燃烧室中，所述喷射持续时间从低发动机速度下的2度曲轴角增加到全速率发动机速度下的20度曲轴角。
4.根据权利要求1、2或3所述的内燃发动机，其特征在于，所述点火流体系统(40)被配置为在所述喷射持续时间内将点火流体连续地供应到所述燃烧室中。
5.根据权利要求1、2或3所述的内燃发动机，其特征在于，所述点火流体系统(40)被配置为在所述喷射持续时间内间歇地将点火流体供应到所述燃烧室中。
6.根据权利要求5所述的内燃发动机，其特征在于，所述点火流体系统(40)被配置用于间歇喷射，其中喷射次数被预先确定为在2次和10次之间，优选为5次，或者喷射次数是可变的并且由监测不同发动机操作参数、例如气缸压力的控制系统来确定，所述操作参数指示燃烧性能并因此指示氨的燃烧。
7.根据前述权利要求中任一项所述的内燃发动机，其特征在于，所述点火流体系统(40)被配置为将点火流体以如下量供应到所述燃烧室中，如果仅依赖点火流体、例如燃料油操作，则所述量的范围在全速率所需量的5％至50％之间、优选地在15％至40％之间且最优选地在25％至35％之间。
8.根据前述权利要求中任一项所述的内燃发动机，其特征在于，所述氨燃料系统(30)被配置为将氨以所述内燃发发动机的全速操作所需的燃料量的至少60％、优选至少70％且最优选至少95％的量供应到所述燃烧室中。
9.一种用于操作大型涡轮增压二冲程单流十字头压燃式内燃发动机的方法，该内燃发动机具有至少一种操作模式，在所述操作模式中，该内燃发动机以氨和点火流体、例如燃料油作为在该内燃发动机中燃烧的燃料来操作，该内燃发动机包括：
-至少一个气缸，所述至少一个气缸具有气缸套(1)和在所述气缸套中的往复活塞(10)以及覆盖所述气缸的气缸盖(22)，
-燃烧室，所述燃烧室在所述往复活塞(10)和所述气缸盖(22)之间形成在所述气缸内部，
-氨燃料系统(30)，所述氨燃料系统被配置用于将加压的氨供应到至少一个氨燃料阀(50)，所述至少一个氨燃料阀布置在所述气缸盖(22)中或所述气缸套(1)中，和
-点火流体系统(40)，所述点火流体系统被配置用于将加压的点火流体供应到至少一个点火液体阀，所述至少一个点火液体阀布置在所述气缸盖或所述气缸套(1)中，
其特征在于，将所述点火流体以氨燃料燃烧的确定持续时间的至少20％的喷射持续时间供应到所述燃烧室中。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，将所述点火流体以氨燃料燃烧的确定持续时间的至少50％、优选至少80％和最优选至少95％的喷射持续时间供应到所述燃烧室中。
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Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20110259285A1 (en) * 2010-04-26 2011-10-27 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Ammonia burning internal combustion engine
CN102859169A (zh) * 2010-04-22 2013-01-02 丰田自动车株式会社 内燃机的控制装置
CN103249939A (zh) * 2010-12-09 2013-08-14 日立造船株式会社 二冲程发动机和四冲程发动机
CN113039355A (zh) * 2019-06-19 2021-06-25 联邦科学与工业研究组织 将氨燃料喷射到往复式发动机中的方法
CN113944541A (zh) * 2020-07-15 2022-01-18 曼能源解决方案公司(德国曼能源解决方案股份公司子公司) 内燃发动机
CN114320572A (zh) * 2022-01-13 2022-04-12 天津大学 多燃烧模式氨燃料发动机及其控制方法

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8327831B2 (en) * 2009-03-10 2012-12-11 Sturman Digital Systems, Llc Dual fuel compression ignition engines and methods
US8904994B2 (en) 2010-04-26 2014-12-09 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Ammonia burning internal combustion engine
DK178072B1 (en) * 2014-01-06 2015-04-27 Man Diesel & Turbo Deutschland A method of operating an internal combustion engine
KR102480585B1 (ko) * 2019-03-08 2022-12-23 제이에프이 엔지니어링 가부시키가이샤 디젤엔진

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102859169A (zh) * 2010-04-22 2013-01-02 丰田自动车株式会社 内燃机的控制装置
US20110259285A1 (en) * 2010-04-26 2011-10-27 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Ammonia burning internal combustion engine
CN103249939A (zh) * 2010-12-09 2013-08-14 日立造船株式会社 二冲程发动机和四冲程发动机
CN113039355A (zh) * 2019-06-19 2021-06-25 联邦科学与工业研究组织 将氨燃料喷射到往复式发动机中的方法
CN113944541A (zh) * 2020-07-15 2022-01-18 曼能源解决方案公司(德国曼能源解决方案股份公司子公司) 内燃发动机
CN114320572A (zh) * 2022-01-13 2022-04-12 天津大学 多燃烧模式氨燃料发动机及其控制方法

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