CN117803497A - 氨制氢内燃机燃烧方法及内燃机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及内燃机领域，提供一种氨制氢内燃机燃烧方法及内燃机，其中，氨制氢内燃机燃烧方法，包括：向射流室内喷射氢气，在所述射流室内点火，向燃烧室内第一次喷射液氨，其中，所述射流室与所述燃烧室通过射流孔连通；向所述燃烧室内第二次喷射液氨。用以解决现有技术中燃烧室内氢的不规则爆震的缺陷。本发明提供的氨制氢内燃机燃烧方法，通过向射流室内喷射氢气，并点火引燃氢气，形成高能氢火焰，并通过射流孔将火焰喷射至燃烧室内，燃烧室内第一次喷射液氨，在火焰的引燃下，液氨分层富燃，裂解产生氢气，实现大面积氢火焰；第二次喷射液氨，对燃烧室内吸热降温，形成抗爆震氛围，抑制氢自燃引发的爆震，提升内燃机的热效率和稳定性。

Description

氨制氢内燃机燃烧方法及内燃机

技术领域

本发明涉及内燃机技术领域，尤其涉及一种氨制氢内燃机燃烧方法及内燃机。

背景技术

能源领域以及内燃机领域的低碳化、零碳化是“双碳”目标下的重要技术趋势。氢能因其不含碳、来源广泛得到了学者的广泛关注，但氢气液化困难，导致氢燃料储存成本高，限制了其大面积推广。

氨是氢的优良载体，与氢单质相比，氨更易于液化，极大方便了储存与运输。同时，氨是工、农业生产中的常见产品，相关制造、储存、运输设施成熟完善。因此，氨已经成为近年来能源领域的研究热点。现有研究表明，氨也可以作为发动机燃料进行使用。不过，氨燃烧性能差，因此需要利用其他高活性燃料与氨混烧，以提升掺氨发动机的运行效果。氢是促进氨燃烧的理想选择。一方面，氨氢混烧不产生碳排放，且有机会实现全生命周期碳中和；另一方面，氢化学活性极强，燃烧性能好，少量氢气即可显著加速氨的燃烧。因此，基于“氨氢融合”技术路线，有望实现零碳内燃机的高效清洁燃烧。

然而，在燃烧室内燃烧的过程中，火焰未到达氢气所在位置时，氢气在高温环境中即发生过早的自燃，即发生氢的爆震，氢的爆震发生在燃烧室的不同位置，且燃烧强度不同，因此在燃烧室内对活塞造成波动，产生噪音，进而影响内燃机的整体性能。

发明内容

本发明提供一种氨制氢内燃机燃烧方法及内燃机，用以解决现有技术中燃烧室内氢的不规则爆震的缺陷，实现向燃烧室进行二次喷射液氨，第一次喷射液氨满足大面积燃烧，第二喷射液氨对环境温度进行吸热降温，抑制氢的爆震。

本发明提供一种氨制氢内燃机燃烧方法，包括：

向射流室内喷射氢气，在所述射流室内点火，向燃烧室内第一次喷射液氨，其中，所述射流室与所述燃烧室通过射流孔连通；

向所述燃烧室内第二次喷射液氨。

根据本发明提供的氨制氢内燃机燃烧方法，所述向射流室内喷射氢气，包括：

在进气行程内，向射流室第一次喷射氢气；

在压缩行程内，向所述射流室第二次喷射氢气。

根据本发明提供的氨制氢内燃机燃烧方法，所述在所述射流室内点火，包括：在压缩行程末端，在第二次喷射氢气之后，在所述射流室内点火。

根据本发明提供的氨制氢内燃机燃烧方法，向所述射流室内喷射氢气，使得所述射流室内的氢混合气的当量比为1。

根据本发明提供的氨制氢内燃机燃烧方法，所述第一次喷射液氨和所述第二次喷射液氨，使得所述燃烧室内的混合气的当量比为1。

根据本发明提供的氨制氢内燃机燃烧方法，所述氢气的喷射压力为5～15兆帕，所述液氨的喷射压力为10～50兆帕。

本发明还提供了一种用于实现上述的氨制氢内燃机燃烧方法的内燃机，包括：

燃烧室；

射流室，所述射流室开设有射流孔，所述射流孔将所述射流室与所述燃烧室连通；

氢气喷射组件，所述氢气喷射组件的喷射口与所述射流室连通，用于向所述射流室内喷射氢气；

火花塞，所述火花塞的点火电极置于所述射流室内，用于点燃所述射流室内的气体；

液氨喷射组件，所述液氨喷射组件的喷射口与所述燃烧室连通，用于向所述燃烧室内喷射液氨。

根据本发明提供的内燃机，所述液氨喷射组件包括液氨储罐和液氨喷射器，所述液氨喷射器与所述液氨储罐连接；

所述氢气喷射组件包括氢气喷射器、氢气储罐和催化分解装置，所述催化分解装置连接在所述液氨储罐与所述氢气储罐之间，所述氢气喷射器与所述氢气储罐连接。

根据本发明提供的内燃机，所述射流孔的数量为4～8个，所述射流孔的截面为直径0.5～2毫米的圆形。

根据本发明提供的内燃机，所述射流室的体积为活塞运动至上止点时所述燃烧室的剩余体积的3～5％。

本发明提供的氨制氢内燃机燃烧方法，通过向射流室内喷射氢气，并点火引燃氢气，形成高能氢火焰，并通过射流孔将火焰喷射至燃烧室内，燃烧室内第一次喷射液氨，在火焰的引燃下，液氨分层富燃，裂解产生氢气，实现大面积氢火焰；第二次喷射液氨，对燃烧室内吸热降温，形成对氢的抗爆震氛围，抑制氢自燃引发的爆震，实现内燃机大负荷工况下的无爆震运行，提升了内燃机大负荷下的热效率和运行稳定性。

进一步，在本发明提供的内燃机中，其用于实现如上所述的氨制氢内燃机燃烧方法，因此同样具备如上所述的各种优势。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，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是本发明提供的内燃机结构示意图；

图2是本发明提供的氨制氢内燃机燃烧方法的流程示意图之一；

图3是本发明提供的氨制氢内燃机燃烧方法的流程示意图之二。

附图标记：

100：燃烧室；101：活塞；102：进气道；103：排气道；104：缸盖；200：射流室；201：液氨喷射器；202：液氨储罐；203：液氨泵；204：第一管路；210：射流；300：火花塞；301：氢气喷射器；302：氢气储罐；303：减压阀；304：第二管路。

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“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”、“第三”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至图3，对本发明的实施例进行描述。应当理解的是，以下所述仅是本发明的示意性实施方式，并不对本发明构成限定。

如图1所示，本发明提供了一种内燃机，包括：燃烧室100、射流室200、氢气喷射组件、火花塞300和液氨喷射组件，射流室200开设有射流孔，射流孔将射流室200与燃烧室100连通；氢气喷射组件的喷射口与射流室200连通，用于向射流室200内喷射氢气；火花塞300的点火电极置于射流室200内，用于点燃射流室200内的气体；液氨喷射组件的喷射口与燃烧室100连通，用于向燃烧室100内喷射液氨。

具体地，火花塞300点火将射流室200内氢气喷射组件喷射的氢气点燃，火焰从射流孔喷射至燃烧室100内，将燃烧室100内氨喷射组件喷射的氨及其他气体形成的氨混合气点燃，形成扩散燃烧。其中，氢气喷射组件将氢气喷射在射流室200内，并随着时间的推移扩散到燃烧室100内，因此，燃烧室100内可能存在氢气、氨和空气。液氨喷射组件可以实现多次喷射，在燃烧室100内的混合气燃烧时，再次喷射液氨可以对燃烧室100进行降温，从而防止氢的爆震，使燃烧室100的燃烧更加稳定，波动较小。射流室200使用氢气作为射流室200内的引燃燃料，氢气活性高，仅需使用微量氢气即可在射流室200内快速形成高能氢火焰，并在燃烧室100内产生多个高能活性射流210，多源快速引燃大量氨燃料；提升了低活性氨燃料的引燃速度和燃烧稳定性，解决了氨在内燃机中着火难的问题。

具体地，在本发明的实施例中，内燃机包括缸盖104，在缸盖104上开设有与燃烧室100连通的第一安装孔和第二安装孔，其中，第一安装孔置于缸盖104的中部，第一安装孔内用于安装射流室200，射流室200的端部开设有射流孔，射流室200置于燃烧室100的几何中心。第二安装孔内用于安装液氨喷射组件，第二安装孔置于第一安装孔附件，例如，第一安装孔与第二安装孔呈锐角。当然，在本发明的其它实施例中，缸盖104可以开设多个第二安装孔，多个第二安装孔置于第一安装孔的四周，多个第二安装孔内可以安装有液氨喷射组件或氢气喷射组件，实现向燃烧室100内喷射液氨或氢气。

在射流室200上设置有第一安装位和第二安装位，第一安装位用于安装火花塞300，第二安装位用于安装氢气喷射组件。第一安装位和第二安装位可以设置在射流室200的顶部或侧面。

此外，缸盖104上还开设有进气道102和排气道103，进气道102和排气道103可以设置在缸盖104的顶部或侧面。

进一步地，在本发明的一个实施例中，液氨喷射组件包括液氨储罐202和液氨喷射器201，液氨喷射器201与液氨储罐202连接；氢气喷射组件包括氢气喷射器301、氢气储罐302和催化分解装置，催化分解装置连接在液氨储罐202与氢气储罐302之间，氢气喷射器301与氢气储罐302连接。

也就是说，在第二安装孔内安装液氨喷射器201，在第二安装位安装氢气喷射器301，氢气储罐302中的氢气可以通过液氨储罐202中的液氨经过催化分解装置分解得到。液氨喷射器201将液氨储罐202内液氨喷射至燃烧室100内；催化分解装置将液氨储罐202内的液氨分解成氢气存储在氢气储罐302中，氢气喷射器301将氢气储罐302中的氢气喷射至射流室200内。

具体地，液氨喷射组件还包括液氮泵，液氮泵通过第一管路204连接在液氮储罐与液氮喷射器之间，液氮泵将液氮增压后，通过液氮喷射器喷射在燃烧室100内。氢气喷射组件还包括减压阀303，减压阀303通过第二管路304连接在氢气储罐302与氢气喷射器301之间，减压阀303将氢气减压后，通过氢气喷射器301喷射在射流室200内。其中，第一管路204和第二管路304可以为不锈钢管。

进一步地，在本发明的实施例中，内燃机还包括控制器，控制分别与液氨喷射器201、液氨泵203、氢气喷射器301、减压阀303、催化分解装置、火花塞300电连接，控制液氨喷射器201和氢气喷射器301的喷射时间和每次喷射的量等参数，控制液氨泵203、减压阀303、火花塞300以及催化分解装置的开闭等。例如，控制器获取内燃机的曲轴转角数据并在内燃机的活塞101运动至压缩上止点附近时控制火花塞300放电。

另外，在本发明的一些实施例中，射流孔的数量为4～8个，射流孔的截面为直径0.5～2mm的圆形。射流孔均匀的分布在射流室200与燃烧室100相连的端面上，从而将射流室200内的火焰均匀的喷射至燃烧室100内。例如，射流孔数量为6个，射流孔的单个孔的截面直径为1mm的圆形。

具体地，在本发明的其它实施例中，射流室200的体积为活塞101运动至上止点时燃烧室100的剩余体积的3～5％。换言之，燃烧室100的体积随活塞101的运动而变化，活塞101向上运动燃烧室100体积减小，活塞101向下运动燃烧室100体积增加。射流室200的体积不易过大，不利于形成较浓的氢气氛围，当射流室200的体积为上止点时燃烧室100的剩余体积的3～5％，更有利于射流室200内氢气的燃烧。

如图2所示，本发明提供了一种氨制氢内燃机燃烧方法，包括：

S1：向射流室200内喷射氢气，在射流室200内点火，向燃烧室100内第一次喷射液氨，其中，射流室200与燃烧室100通过射流孔连通；具体地，可以同时向射流室200内喷射氢气、同时点火，同时向燃烧室100内第一次喷射液氨。也可以，先向射流室200内喷射氢气并同时点火，再向燃烧室100内第一次喷射液氨。亦或，先向射流室200内喷射氢气，再点火，最后再向燃烧室100内第一次喷射液氨。

氢气作为射流室200内的引燃燃料，微量氢气即可在射流室200内快速形成高能氢火焰，并在燃烧室100内产生多个高能活性射流210，多源快速引燃大量氨燃料，提升了低活性氨燃料的引燃速度和燃烧稳定性。

例如，在活塞101运动至上止点附近时液氨喷射器201第一次向燃烧室100内直喷液氨，液氨在燃烧室100内气化，在燃烧室100内形成显著的氨浓度分层，靠近液氨喷射器201出口位置的氨浓度最好，也就是说，射流孔附近的氨浓度较高，越往外氨浓度越低。并利用高温氢火焰射流激发氨局部富燃，通过氨富燃过程热裂解产生氢气，进一步形成包围在氨燃料周围的大面积氢火焰，加速剩余氨的消耗，缩短了燃烧持续期。

S2：向燃烧室100内第二次喷射液氨。液氨在燃烧室100内的高温环境下快速气化，吸热降温，并形成对氢火焰的抗爆震氛围，有利于抑制大负荷工况下氢火焰产生的爆震。吸热同时液氨也会在氢火焰的引燃下，完全燃烧。

例如，在活塞101运动至上止点附近时，液氨喷射器201向燃烧室100内第二次直喷液氨，液氨在燃烧室100内吸热降温，并形成抗爆震氛围，利用氨抗爆震的特性，有效抑制上止点附近氢自燃引发的爆震，实现内燃机大负荷工况下的无爆震运行，提升了内燃机大负荷下的热效率和运行稳定性，解决了氢在发动机中易产生爆震的问题，其中，第二次喷射液氨需要在活塞101做功行程开始之前完成。

此外，两次向燃烧室100内喷射液氨，减少了氨燃料与其余燃气预混的时间，使氨燃料在燃烧室100内形成分层燃烧，且主要在燃烧室100中心高温区域聚集，燃烧室100末端低温壁面氨燃料较少，可以减少未燃氨的生成，解决了氨在内燃机中易产生未燃氨排放的问题。在本发明的实施例中，为了防止氢的爆震，可以少量多次的在燃烧室100内进行液氨喷射，即可以包括第三次、第四次液氨喷射。

针对本发明的第二次喷射液氨而言，本发明的上述实施例中的内燃机可以采用一个液氨喷射器201喷射两次，当然，也可以在第一次喷射液氨的时候采用一个液氨喷射器201，在第二次喷射液氨的时候采用另一个液氨喷射器201，两个液氨喷射器201的液氨温度可以不同，第二次喷射的液氨温度可以比第一次喷射液氨的温度低。

具体地，如图3所示，在本发明的一些实施例中，针对步骤S1中向射流室200内喷射氢气的步骤，包括：

S10：在进气行程内，向射流室200第一次喷射氢气；具体地，控制器控制氢气喷射器301在进气行程，向射流室200第一次喷射氢气，用以清除射流室200内残余废气，提高点火成功率，提升射流火焰的能量。并通过射流孔向燃烧室100内扩散，在燃烧室100内形成稀薄的氢混合气。

S11：在压缩行程内，向射流室200第二次喷射氢气。控制器控制氢气喷射器301在压缩行程，向射流室200第二次喷射氢气，即在靠近点火时间，或在点火同时第二次喷射氢气，避免氢气过多的扩散至燃烧室100中，在射流室200内形成一定浓度的氢气氛围，实现快速、稳定的点燃。

进一步地，在本发明的一个可选实施例中，针对步骤S1中在射流室200内点火的步骤，包括：在压缩行程末端，在第二次喷射氢气之后，在射流室200内点火。具体而言，在活塞101运动至压缩行程末端，且氢气喷射器301完成第二次喷射氢气之后，控制器控制火花塞300点火，使射流室200内的氢气被点燃。压缩行程的末端可以为内燃机的曲轴的角度在-30到0之间。

当然，在本发明的其它实施例中，火花塞300可以在内燃机的曲轴角度为0至30度时进行点燃。

在本发明的另一个可选实施例中，向射流室200内喷射氢气，使得射流室200内的氢混合气的当量比为1。实现充分燃烧。

另外，在本发明的一个具体实施例中，第一次喷射液氨和第二次喷射液氨，使得燃烧室100内的混合气的当量比为1。液氨和氢气的具体喷射量可根据实际工况进行调整。

具体地，在本发明的一些实施例，氢气的喷射压力为5～15兆帕，液氨喷射压力为10～50兆帕。例如，当内燃机处于进气行程和压缩行程，控制器控制氢气喷射器301两次喷射氢气，同时控制减压阀303调节氢气喷射压力为5～15兆帕。控制器控制液氨喷射器201两次喷射液氨，同时控制液氨泵203调节液氨喷射压力为10～50兆帕。

氨、氢作为燃料来源广泛，燃烧过程不产生碳排放，更绿色环保，也不存在积碳堵塞射流孔的问题，氨作为主要燃料，相比氢，生产运输储存技术更成熟，成本更低廉。

本发明提供的氨制氢内燃机燃烧方法，通过向射流室200内喷射氢气，并点火引燃氢气，形成高能氢火焰，并通过射流孔将火焰喷射至燃烧室100内，燃烧室100内第一次喷射液氨，在火焰的引燃下，液氨分层富燃，裂解产生氢气，实现大面积氢火焰；第二次喷射液氨，对燃烧室100内吸热降温，形成对氢的抗爆震氛围，抑制氢自燃引发的爆震，实现内燃机大负荷工况下的无爆震运行，提升了内燃机大负荷下的热效率和运行稳定性。

进一步，在本发明提供的内燃机中，其用于实现如上所述的氨制氢内燃机燃烧方法，因此同样具备如上所述的各种优势。

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)

1.一种氨制氢内燃机燃烧方法，其特征在于，包括：

向射流室内喷射氢气，在所述射流室内点火，向燃烧室内第一次喷射液氨，其中，所述射流室与所述燃烧室通过射流孔连通；

向所述燃烧室内第二次喷射液氨。

2.根据权利要求1所述的氨制氢内燃机燃烧方法，其特征在于，所述向射流室内喷射氢气，包括：

在进气行程内，向射流室第一次喷射氢气；

在压缩行程内，向所述射流室第二次喷射氢气。

3.根据权利要求2所述的氨制氢内燃机燃烧方法，其特征在于，所述在所述射流室内点火，包括：在压缩行程末端，在第二次喷射氢气之后，在所述射流室内点火。

4.根据权利要求1所述的氨制氢内燃机燃烧方法，其特征在于，向所述射流室内喷射氢气，使得所述射流室内的氢混合气的当量比为1。

5.根据权利要求1所述的氨制氢内燃机燃烧方法，其特征在于，所述第一次喷射液氨和所述第二次喷射液氨，使得所述燃烧室内的混合气的当量比为1。

6.根据权利要求1所述的氨制氢内燃机燃烧方法，其特征在于，所述氢气的喷射压力为5～15兆帕，所述液氨的喷射压力为10～50兆帕。

7.一种用于实现权利要求1至6中任一项所述的氨制氢内燃机燃烧方法的内燃机，其特征在于，包括：

燃烧室；

射流室，所述射流室开设有射流孔，所述射流孔将所述射流室与所述燃烧室连通；

氢气喷射组件，所述氢气喷射组件的喷射口与所述射流室连通，用于向所述射流室内喷射氢气；

火花塞，所述火花塞的点火电极置于所述射流室内，用于点燃所述射流室内的气体；

液氨喷射组件，所述液氨喷射组件的喷射口与所述燃烧室连通，用于向所述燃烧室内喷射液氨。

8.根据权利要求7所述的内燃机，其特征在于，所述液氨喷射组件包括液氨储罐和液氨喷射器，所述液氨喷射器与所述液氨储罐连接；

所述氢气喷射组件包括氢气喷射器、氢气储罐和催化分解装置，所述催化分解装置连接在所述液氨储罐与所述氢气储罐之间，所述氢气喷射器与所述氢气储罐连接。

9.根据权利要求7所述的内燃机，其特征在于，所述射流孔的数量为4～8个，所述射流孔的截面为直径0.5～2毫米的圆形。

10.根据权利要求7所述的内燃机，其特征在于，所述射流室的体积为活塞运动至上止点时所述燃烧室的剩余体积的3～5％。