CN117869130A - 内燃机燃烧系统、内燃机及燃烧控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及内燃机领域，提供一种内燃机燃烧系统、内燃机及燃烧控制方法，其中，内燃机燃烧系统包括：燃烧室包括气缸盖；液氨喷射器安装在气缸盖上，且向燃烧室内喷射液氨；电热塞安装在气缸盖上，且伸入至燃烧室内，电热塞的高温端置于液氨喷射器的喷射口下方。用以解决现有技术中燃烧热效率低的缺陷，本发明提供的内燃机燃烧系统，通过在燃烧室的气缸盖上直接安装液氨喷射器和电热塞，液氨喷射器将液氨直接喷射到燃烧室内的电热塞上，在燃烧室内为纯空气或低浓度氨混合气的状态下，实现大面积着火，并在局部过浓的情况下在线改制，产生氢气，形成氨氢混合气，引燃燃烧室内剩余混合气或形成扩散燃烧，提高着火稳定性，提高热效率。

Description

内燃机燃烧系统、内燃机及燃烧控制方法

技术领域

本发明涉及内燃机技术领域，尤其涉及一种内燃机燃烧系统、内燃机及燃烧控制方法。

背景技术

氨、氢作为清洁燃料，二者燃烧均无碳排放。氢尽管有着体积能量密度高、强着火性等优点，但在制备、运输、存储、车载、动力等多方面还存在着亟待解决的问题。相比之下，全球氨能源非常丰富，而且我国是全球氨生产大国，氨产量高，生产、储运技术成熟，成本低。此外，氨作为燃料有着能量密度高、安全等优点，还是极好的氢能载体。

然而，由于氨的燃烧惰性即难以着火、燃烧速度慢，在以氨为燃料的内燃机中，往往需要添加活性燃料的方式改善其燃烧性能，燃烧的热效率低。

发明内容

本发明提供一种内燃机燃烧系统、内燃机及燃烧控制方法，用以解决现有技术中燃烧热效率低的缺陷，实现在燃烧室的气缸盖上直接安装液氨喷射器和电热塞，将液氨直接喷射到燃烧室内的电热塞上，实现大面积着火，产生活性自由基，并在局部过浓的情况下在线改制，产生氢气，形成氨氢混合气，引燃缸内剩余混合气或形成扩散燃烧，提高着火稳定性，提高热效率。

第一方面，本发明提供一种内燃机燃烧系统，包括：

燃烧室，所述燃烧室包括气缸盖；

液氨喷射器，所述液氨喷射器安装在所述气缸盖上，且向所述燃烧室内喷射液氨；

电热塞，所述电热塞安装在所述气缸盖上，且伸入至所述燃烧室内，所述电热塞的高温端置于所述液氨喷射器的喷射口下方。

根据本发明提供的内燃机燃烧系统，所述电热塞与所述液氨喷射器的夹角为45度。

根据本发明提供的内燃机燃烧系统，所述液氨喷射器沿所述气缸盖的中心线安装在所述气缸盖上。

根据本发明提供的内燃机燃烧系统，所述气缸盖上包括进气口，在所述燃烧室的进气阶段，所述液氨喷射器向所述燃烧室内喷射液氨。

第二方面，本发明还提供了一种内燃机，包括缸套、活塞和上述的内燃机燃烧系统，所述气缸盖安装在所述缸套上，所述活塞置于所述缸套内，所述气缸盖、缸套和活塞形成所述燃烧室。

根据本发明提供的内燃机，在所述活塞运动至上止点的状态下，所述液氨喷射器向所述电热塞上喷射液氨。

第三方面，本发明还提供了一种燃烧控制方法，包括：

燃烧室内为纯净的空气，在所述燃烧室内处于上止点压力状态下，液氨喷射器向所述燃烧室内电热塞喷射液氨；

所述电热塞处于设定温度下，引燃所述液氨，在所述燃烧室内进行燃烧。

根据本发明提供的燃烧控制方法，在所述燃烧室内处于上止点压力状态下，所述液氨喷射器向所述电热塞喷射液氨之前，还包括：

在所述燃烧室的进气阶段，所述液氨喷射器向所述电热塞喷射液氨；

所述电热塞使液氨蒸发，使所述燃烧室内为空气与氨的混合气。

根据本发明提供的燃烧控制方法，在所述燃烧室内处于上止点压力状态，包括：

所述燃烧室内的活塞运行至上止点。

根据本发明提供的燃烧控制方法，在所述燃烧室内处于上止点压力状态下，所述液氨喷射器向所述电热塞喷射液氨之前，还包括：

在所述燃烧室进气阶段，从所述燃烧室的进气口，向所述燃烧室内通入氨。

本发明提供的内燃机燃烧系统，通过在燃烧室的气缸盖上直接安装液氨喷射器和电热塞，液氨喷射器将液氨直接喷射到燃烧室内的电热塞上，在燃烧室内为纯空气或低浓度氨混合气的状态下，实现大面积着火，产生活性自由基，并在局部过浓的情况下在线改制，产生氢气，形成氨氢混合气，引燃燃烧室内剩余混合气或形成扩散燃烧，提高着火稳定性，提高热效率，实现零碳排放。

进一步，在本发明提供的内燃机中，由于具备如上所述的内燃机燃烧系统，因此同样具备如上所述的各种优势，在本发明提供的燃烧控制方法，可以采用如上所述的内燃机燃烧系统实现，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燃烧系统结构示意图；

图2是本发明提供的燃烧控制方法的流程示意图之一；

图3是本发明提供的燃烧控制方法的流程示意图之二。

附图标记：

100：液氨喷射器；101：电热塞；200：燃烧室；201：气缸盖；202：缸套；203：活塞；204：曲轴。

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。

在严寒时期柴油发动机冷启动时，传统的柴油机电热塞可以提供热能，提升启动性能，它具有快速升温和持久保持高温状态的特性，最高温度可达1000摄氏度以上。本发明在装有电热塞的气缸燃烧室中，通过向高温电热塞上喷射液氨，可以实现快速着火，产生大量活性自由基，并可以在局部过浓情况下实现改制，产生氢气，形成氨氢混合气，进一步引燃缸内的剩余混合气或形成扩散燃烧。高效的提高热量，进一步提升启动性能。

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燃烧系统，包括：燃烧室200、液氨喷射器100和电热塞101，燃烧室200包括气缸盖201；液氨喷射器100安装在气缸盖201上，且向燃烧室200内喷射液氨；电热塞101安装在气缸盖201上，且伸入至燃烧室200内，电热塞101的高温端置于液氨喷射器100的喷射口下方。

在液氨喷射器100向燃烧室200内喷射液氨的过程中，液氨的射流流束直接喷射在电热塞101上，实现大面积着火，产生活性自由基，并在线改制形成氨氢混合气，进一步引燃燃烧室200中剩余的氨混合气或形成扩散燃烧。由于电热塞101的高温作用，实现氨的稳定着火以及在线改制，这能够提高混合气的着火性能，拓宽稀燃极限，进一步提高内燃机热效率。

其中，电热塞101具有快速升温和持久保持高温状态的特性，电热塞101可以将燃烧室200加热至高温环境。

现有技术中，液氨喷射器燃烧需要单独的射流室，结构复杂，需要在射流室内建立高浓度的氨氢混合物，然后喷射至燃烧室中，在燃烧室内需要具备一定浓度的氨混合物，才能实现在燃烧室中燃烧。其中，在射流室内如果想要建立高浓度的氨氢混合物，需要在电热塞101上喷涂催化剂层，才能实现对氨的改制制氢。并且，射流室内部空间小，液氨喷进射流室之后直接形成过浓，导致与空气混合不好，燃烧不好调控；在燃烧室内为空气的情况下，火焰贯穿距比较短，火焰喷出之后无法扩散燃烧，因为氨大部分被限制在射流室内。

可见，本发明的内燃机燃烧系统无需设置单独的射流室，将液氨喷射器100和电热塞101直接安装在燃烧室200的气缸盖201上，液氨喷射器100直接向燃烧室200内喷射液氨，简化了燃烧系统的整体结构。

并且，本发明的内燃机燃烧系统中的电热塞101也无需喷涂催化剂涂层，无需通过催化剂对液氨进行改制制氢，无需建立高浓度的氨氢混合气；本发明可以实现在燃烧室200内为稀薄的氨混合气或者为纯空气时，电热塞101直接将液氨引燃，在燃烧室200内的电热塞101附近形成局部过浓的氨混合气氛围，在一定的温度压力条件下，可实现氨燃烧状态下的改制制氢，使燃烧室内的气体分层燃烧，形成大面积火焰。节省了电热塞101镀膜工艺，简化电热塞101结构，节省成本，并保证燃烧效率，提高燃烧室200的热效率。

继续参考图1，在本发明的一个实施例中，电热塞101与液氨喷射器100的夹角为45度。可以使电热塞101的加热端更好的置于液氨喷射器100的正下方。

当然，在本发明的其它实施例中，电热塞101和液氨喷射器100也可以成其它角度，以使得液氨喷射器100所喷出的液氨直接接触电热塞101，且接触面积最大。

此外，在本发明的内燃机燃烧系统的气缸盖201还可以设置多个电热塞101，多个电热塞101均置于液氨喷射器100的喷射口下方，使得喷出的液氨可以尽可能多的与电热塞101接触，提高液氨的燃烧效率。例如，气缸盖201上设置有两个电热塞101，两个电热塞101分别置于液氨喷射器100的两侧，两个电热塞101均与液氨喷射器100成45度角，两个电热塞101的加热端均置于液氨喷射器100的喷射口正下方；或者两个电热塞101上下设置在液氨喷射器100的喷射口正下方。

另外，在本发明的另一个实施例中，液氨喷射器100沿气缸盖201的中心线安装在气缸盖201上。也就是说，液氨喷射器100置于气缸盖201的中部，并垂直于气缸盖201。液氨喷射器100置于气缸盖201的中部可以使得电热塞101在中部将液氨引燃，使燃烧的液氨均匀的向四周扩散，提高引燃均匀性，从而提高燃烧效率。

例如，在气缸盖201的中部顶端开设有安装孔，液氨喷射器100的喷射口与安装孔对接，使得液氨喷射器100从喷射口喷出的液氨直接进入燃烧室200内。

进一步地，在本发明的一些实施例中，气缸盖201上包括进气口，在燃烧室200的进气阶段，液氨喷射器100向燃烧室200内喷射液氨。具体而言，进气口设置有阀门，用于控制进气口的开闭，进气阶段，空气从进气口进入到燃烧室200内，此时，向燃烧室200内喷射液氨，将液氨与空气进行混合形成氨混合气，为进一步燃烧提供氨浓度。

此外，气缸盖201上还设置有排气口，同理，排气口上设置有阀门，用于控制排气口的开关。

本发明还提供了一种内燃机，包括缸套202、活塞203和上述实施例的内燃机燃烧系统，气缸盖201安装在缸套202上，活塞203置于缸套202内，气缸盖201、缸套202和活塞203形成燃烧室200。

并且，内燃机还包括曲轴204，曲轴204与活塞203连接。曲轴204带动活塞203在缸套202内往复运动。

更进一步地，在本发明的其它实施例中，在活塞203运动至上止点的状态下，液氨喷射器100向电热塞101上喷射液氨。其中，活塞203运动至上止点，燃烧室200内的压力不断升高，形成高压环境，此时在高温高压状态下，液氨喷射器100喷射液氨在电热塞101上，可以形成大面积火焰，在燃烧室200内进行氨的大面积着火。

如图2所示，本发明还提供了一种燃烧控制方法，包括以下步骤：

S1：燃烧室200内为纯净的空气，在燃烧室200内处于上止点压力状态下，液氨喷射器100向电热塞101喷射第二计量的液氨；

S2：电热塞101处于设定温度下，引燃液氨，在燃烧室200内进行燃烧。其中，设定温度的电热塞101将燃烧室200靠近液氨喷射器100的出口位置也进行加热，提高燃烧室200的环境温度。

也就是说，在燃烧室200达到上止点压力和设定温度时，液氨喷射器100向电热塞101上喷射设定计量的液氨，液氨被引燃，实现大面积着火。燃烧室200内的环境为纯空气，依旧可以实现液氨直接引燃，进行快速大面积扩散燃烧。

具体地，液氨喷射器100直接将液氨喷射到高温电热塞101上，液氨在高温高压状态下，一部分直接被引燃，形成大面积火焰，产生大量活性自由基；另一部分液氨汽化并形成局部过浓氛围，在高温高压的燃烧室200环境以及高温电热塞101的作用下，部分氨在线改制，产生氢气，与其他汽化的氨气共同形成氨氢混合气，在燃烧的氨的引燃下氨氢混合气进行燃烧。

其中，设定温度大于等于1000K，上止点压力为15-30bar。换言之，燃烧室200处于高温高压状态下。

如图3所示，在本发明的一个具体实施例中，在步骤S1之前即在燃烧室200内处于上止点压力状态下，液氨喷射器100向电热塞101喷射第二计量的液氨之前，还包括以下步骤：

S10：在燃烧室200的进气阶段，液氨喷射器100向电热塞101喷射第一计量的液氨；

S11：电热塞101使液氨蒸发，使燃烧室200内为空气与氨的混合气。

具体来说，液氨喷射器100的第一次喷射可以在进气阶段即将结束时，液氨喷射器100将第一计量液氨喷射进入燃烧室200内，在电热塞101的高温作用下，液氨迅速蒸发，在燃烧室200内形成氨混合气。液氨喷射器100第二次喷射是在活塞203运行到上止点附近，液氨喷射器100直接将第二计量液氨喷射到高温电热塞101上，结合此时缸内的高温高压状态，实现大面积着火，进一步引燃燃烧室200内的氨混合气。液氨喷射器100的第一次喷射是将燃烧室200内的空气与氨进行混合，形成稀薄的氨混合气环境。

例如，设定一次燃烧室200内的燃烧所需的液氨总量为M，液氨喷射器100在进行两次喷射时，第二计量的液氨量为M2，第一计量的液氨量为M1，M1+M2＝M，其中，M2小于等于M1。

当然，在本发明的其它实施例中，在进气阶段，液氨喷射器100可以进行多次喷射，进而更好的混合空气和氨；在活塞203压缩阶段液氨喷射器100可以进行多次喷射，实现持续不断的燃烧，提高燃烧效率。

另外，在本发明的另一个具体实施例中，针对在燃烧室200内处于上止点压力状态而言，包括：燃烧室200内的活塞203运行至上止点。

换言之，在活塞203压缩冲程的末期，使燃烧室200内的压力达到上止点压力，进而使液氨喷射器100在高温高压环境喷射液氨，提高热效率。活塞203压缩过程把燃烧室200内的气体压缩到更高的温度和压力条件，也就是说，电热塞101表面的局部气体在压缩到上止点时，其温度高于电热塞101的设定温度，例如，电热塞101的设定温度为1000K，活塞203运动至上止点时，电热塞101附近的温度为1800K。活塞203压缩过程，燃烧室200内的其它区域的温度也上升，电热塞101附近的气体温度更高，所以液氨喷射器100喷射后先着火，进而引燃燃烧室200内其它区域的混合气。

具体地，在本发明的一些可选实施例中，在步骤S1之前即在燃烧室200内处于上止点压力状态下，液氨喷射器100向电热塞101喷射第一计量的液氨之前，还包括：

在燃烧室200进气阶段，从燃烧室200的进气口，向燃烧室200内通入氨。通入的氨与燃烧室200内的空气混合，使得燃烧室200内为氨混合气。

此外，针对本发明的液氨喷射器100而言，液氨喷射器100包括多个喷射口，至少一个喷射口置于电热塞101下方，其它喷射口喷射出的液氨直接喷射到燃烧室200内，与燃烧室200内气体进行混合，加快混合。

本发明的电热塞101辅助的燃烧室200内直喷内燃机系统的燃烧控制方法，能够控制液氨喷射器100的液氨喷射时间、喷射量以及电热塞101温度等多个参数条件，内燃机的可控高温高压状态，结合电热塞101局部高温直接将喷射到电热塞101上的氨引燃，形成大面积火焰，产生大量活性自由基，而液氨喷射形成的局部过浓氛围也可以实现氨氢混合气的在线制备氢，引燃燃烧室200内剩余的氨混合气或形成扩散燃烧。通过控制上述参数条件，实现可控的燃烧相位，进而实现对均质预混燃烧、局部过浓燃烧以及扩散燃烧等燃烧模式的调控。

本发明提供的内燃机燃烧系统，通过在燃烧室200的气缸盖201上直接安装液氨喷射器100和电热塞101，液氨喷射器100将液氨直接喷射到燃烧室200内的电热塞101上，在燃烧室200内为纯空气或低浓度氨混合气的状态下，实现大面积着火，产生活性自由基，并在局部过浓的情况下在线改制，产生氢气，形成氨氢混合气，引燃燃烧室200内剩余混合气或形成扩散燃烧，提高着火稳定性，提高热效率，实现零碳排放。

进一步，在本发明提供的内燃机中，由于具备如上所述的内燃机燃烧系统，因此同样具备如上所述的各种优势，在本发明提供的燃烧控制方法，可以采用如上所述的内燃机燃烧系统实现，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)

1.一种内燃机燃烧系统，其特征在于，包括：

燃烧室，所述燃烧室包括气缸盖；

液氨喷射器，所述液氨喷射器安装在所述气缸盖上，且向所述燃烧室内喷射液氨；

电热塞，所述电热塞安装在所述气缸盖上，且伸入至所述燃烧室内，所述电热塞的高温端置于所述液氨喷射器的喷射口下方。

2.根据权利要求1所述的内燃机燃烧系统，其特征在于，所述电热塞与所述液氨喷射器的夹角为45度。

3.根据权利要求1所述的内燃机燃烧系统，其特征在于，所述液氨喷射器沿所述气缸盖的中心线安装在所述气缸盖上。

4.根据权利要求1所述的内燃机燃烧系统，其特征在于，所述气缸盖上包括进气口，在所述燃烧室的进气阶段，所述液氨喷射器向所述燃烧室内喷射液氨。

5.一种内燃机，其特征在于，包括缸套、活塞和权利要求1至4中任一项所述的内燃机燃烧系统，所述气缸盖安装在所述缸套上，所述活塞置于所述缸套内，所述气缸盖、缸套和活塞形成所述燃烧室。

6.根据权利要求5所述的内燃机，其特征在于，在所述活塞运动至上止点的状态下，所述液氨喷射器向所述电热塞上喷射液氨。

7.一种燃烧控制方法，其特征在于，包括：

燃烧室内为纯净的空气，在所述燃烧室内处于上止点压力状态下，液氨喷射器向所述燃烧室内电热塞喷射液氨；

所述电热塞处于设定温度下，引燃所述液氨，在所述燃烧室内进行燃烧。

8.根据权利要求7所述的燃烧控制方法，其特征在于，在所述燃烧室内处于上止点压力状态下，所述液氨喷射器向所述电热塞喷射液氨之前，还包括：

在所述燃烧室的进气阶段，所述液氨喷射器向所述电热塞喷射液氨；

所述电热塞使液氨蒸发，使所述燃烧室内为空气与氨的混合气。

9.根据权利要求7所述的燃烧控制方法，其特征在于，在所述燃烧室内处于上止点压力状态，包括：

所述燃烧室内的活塞运行至上止点。

10.根据权利要求7所述的燃烧控制方法，其特征在于，在所述燃烧室内处于上止点压力状态下，所述液氨喷射器向所述电热塞喷射液氨之前，还包括：

在所述燃烧室进气阶段，从所述燃烧室的进气口，向所述燃烧室内通入氨。