基于气液两相流耦合的柴油、氨双燃料发动机燃烧系统及燃烧方法技术方案

本发明专利技术的目的在于提供基于气液两相流耦合的柴油、氨双燃料发动机燃烧系统及燃烧方法，包括气缸套、气缸盖、活塞，所述气缸套、气缸盖和活塞形成燃烧室，气缸盖上设置主喷油器、副喷油器、液氨喷射阀、进气门、排气门，燃烧室通过进气门连接进气道，燃烧室通过排气门连接排气道，主喷油器垂直安装在气缸盖内，副喷油器倾斜安装在气缸盖内靠近排气道的一侧。本发明专利技术根据发动机不同运行工况，灵活调节燃油与液氨的喷射正时、喷射压力、喷射规律和喷射量，优化缸内燃料的空间分布状态，实现缸内混合气反应活性和浓度梯度耦合分层，实现各负荷下双燃料发动机的稳定着火与燃烧，从而提高发动机动力性、经济性和排放性。经济性和排放性。经济性和排放性。

【技术实现步骤摘要】
基于气液两相流耦合的柴油、氨双燃料发动机燃烧系统及燃烧方法


[0001]本专利技术涉及的是一种发动机系统，具体地说是发动机燃烧系统及方法。

技术介绍

[0002]虽然氨具有价格低廉、能量密度高、抗爆性能好的优点，但是氨的燃点比柴油、汽油、天然气等燃料要高，导致氨存在最小点火能量高、火焰传播速度慢、可燃极限窄的问题，降低了氨发动机的着火稳定性与燃烧效率，而采用柴油引燃式氨发动机是推广氨燃料应用的关键技术途径。
[0003]目前柴油/氨双燃料发动机多采用歧管预混喷射和缸内直喷两种工作模式，歧管预混喷射模式需要复杂的电控单元实现液氨与空气的定时定量配比，在变负荷工况下，进气量难以得到精确控制，并且液氨汽化会占据部分进气体积，降低发动机充量系数，从而限制发动机效率。采用缸内直喷液氨能够显著减小歧管进气导致的充量效率损失，同时能够避免扫气产生的氨逃逸问题，也有利于抑制爆震。为提高缸内直喷液氨/柴油双燃料发动机在各负荷工况的动力与排放性能，需要协同优化燃料喷射系统(喷射正时、喷射角度、喷射量、喷射次数)及燃烧组织方法，以改善缸内进气质量与分布状态，强化燃烧过程的控制，从而实现混合气多点分层高效燃烧，提高发动机热效率。
[0004]在氨燃料发动机燃烧系统上，公开号CN115111089A提供了一种预燃式氨燃料发动机系统，通过将氨燃料分解制氢系统在线制取氢气，氢气经分离提纯后与氢燃料电池、蓄电池和换热器连接，同时将氢气喷射入预燃室引燃氨；公开号CN114320572A提供了一种多模式氨燃料发动机及其控制方法，通过缸盖上的射流点火装置引燃氨喷射器提供的混合气，并通过控制主燃烧室氨气喷射与预燃室射流产生的时序，调节氨混合气燃烧状态，但是以上专利均未涉及通过优化匹配液氨/柴油双燃料缸内高低压直喷策略与燃烧系统结构耦合，组织混合气浓度梯度分层状态，达到改善混合气燃烧效果，实现双燃料发动机高效清洁运行的目的。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供能满足柴油、氨双燃料发动机在不同负荷下的动力性能、经济性能与排放性能要求的基于气液两相流耦合的柴油、氨双燃料发动机燃烧系统及燃烧方法。
[0006]本专利技术的目的是这样实现的：
[0007]本专利技术基于气液两相流耦合的柴油、氨双燃料发动机燃烧系统，其特征是：气缸套、气缸盖、活塞，所述气缸套、气缸盖和活塞形成燃烧室，气缸盖上设置主喷油器、副喷油器、液氨喷射阀、进气门、排气门，燃烧室通过进气门连接进气道，燃烧室通过排气门连接排气道，主喷油器垂直安装在气缸盖内，其中心轴线与气缸轴线重合，副喷油器倾斜安装在气缸盖内靠近排气道的一侧，其中心轴线与气缸轴线夹角为10
‑
25
°
，主喷油器为大流量多孔
喷油器，副喷油器为小流量多孔喷油器，主喷油器喷孔均匀分布在喷嘴上，副喷油器喷孔在喷嘴上为不均匀分布，靠近气缸轴线一侧面上的喷孔数多于另一侧面上的喷孔数。
[0008]本专利技术基于气液两相流耦合的柴油、氨双燃料发动机燃烧系统还可以包括：
[0009]1、液氨喷射阀为单孔喷射阀，液氨喷射阀倾斜安装在气缸盖内靠近进气道的一侧，其中心轴线与气缸轴线夹角为20
‑
45
°
，通过调节液氨喷射阀的喷射正时、喷射脉宽与气门正时、气门升程进行协同匹配，实现缸内氨混合气浓度梯度分布。
[0010]2、燃烧室为由活塞顶部凹坑部分、气缸盖底部余隙和气缸套所围成的空间，燃烧室顶部为坡屋顶形，活塞顶部为ω形，其顶部凹坑较深，且口径有收缩。
[0011]本专利技术基于气液两相流耦合的柴油、氨双燃料发动机燃烧方法，其特征是：包括纯柴油模式：液氨喷射阀不工作，根据发动机实际运行工况不同，协同控制大流量主喷油器和小流量副喷油器向缸内喷射燃油工作，当发动机处于起动、怠速和低负荷工况时，大流量主喷油器不工作，控制小流量副喷油器在压缩上止点前喷射燃油，小流量副喷油器喷射正时随负荷增加而逐渐推迟；当发动机处于超负载工况时，控制小流量副喷油器和大流量主喷油器在压缩上止点前同时喷射柴油工作，并确保大流量主喷油器在线性特性区内工作，副喷油器喷雾从主喷油器喷雾间隔穿过，保证燃油喷雾的自由贯穿，且副喷油器喷射的油束填补主喷油器油束空缺，空气在进气门开启至关闭的时间范围内进入气缸，利用切向进气道产生进气涡流和ω形活塞上行产生的挤流作用，加速燃油喷雾前缘的卷吸扩散运动，使燃油与空气充分混合，实现发动机的高效率、低排放燃烧。
[0012]本专利技术基于气液两相流耦合的柴油、氨双燃料发动机燃烧方法还可以包括：
[0013]1、包括双燃料模式：大流量主喷油器不工作，根据发动机运行工况不同，协同控制小流量副喷油器和液氨喷射阀向缸内多次喷射燃料工作；
[0014]当发动机处于中负荷工况时，空气在进气门开启至关闭的时间范围内进入气缸，在进气门关闭后，控制液氨喷射阀向缸内高压喷射液氨，喷射脉宽随发动机转速增加而递减，切向进气道与坡屋顶形燃烧室产生的强进气滚流加快液氨的气化，液氨的快速气化降低缸内燃烧温度，减少NOx生成，并在燃烧室中心区域形成均匀的混合气，副喷油器采用两次喷射，在压缩冲程中期，控制副喷油器向缸内混合气第一次喷射少量柴油进行低温裂解反应，生成高活性自由基，提高氨燃料的反应活性与燃烧速度，ω形活塞上行产生的挤流在燃烧室中心区域形成相对浓的均质混合气，在压缩冲程行至上止点附近时，控制液氨喷射阀向缸内第二次喷射液氨，同时控制副喷油器向缸内喷射引燃柴油，使液氨射流前缘与柴油射流前缘交叉重叠，加速柴油与氨的混合，随着ω形活塞继续上行，进气滚流与进气涡流受挤压作用迅速破碎为微涡旋，在燃烧室顶部形成大梯度的反应活性分层和浓度分层，活塞凹坑附近为低浓度、低活性混合气，由此实现高反应活性柴油与低反应活性氨燃料的耦合分层燃烧；当发动机处于高负荷工况时，控制液氨喷射阀向缸内低压喷射液氨，液氨喷射始点位于进气冲程末期，液氨喷射终点位于压缩冲程前期，喷射脉宽随发动机转速增加而递减，液氨喷射正时为进气冲程末期，随着负荷增加，液氨喷射始点逐渐推迟，在进气冲程末期至进气结束阶段，利用液氨射流与进气涡流、进气滚流的耦合交互作用，组织氨混合气在燃烧室上层形成小梯度的浓度分层，在压缩冲程行至上止点附近时，控制副喷油器向缸内预混合气喷射引燃柴油，靠近上止点中心附近的混合气浓度高，率先着火燃烧，随着缸内温度和压力增加，外部较低浓度混合气持续燃烧，实现氨混合气可靠着火与稳定燃烧，避免
高负荷发动机爆震。
[0015]本专利技术的优势在于：本专利技术通过匹配设计主喷油器、副喷油器和液氨喷射阀的安装位置及喷孔分布，满足发动机缸内燃油喷射量和空间分布状态的精确控制需求；通过协同控制进气涡流、进气滚流耦合流动过程，加速柴油喷雾与氨燃料的气液两相混合过程；通过协同设计发动机不同负荷工况下的燃料喷射策略，实现缸内高低反应活性燃料浓度梯度分布，解决液氨/柴油双燃料发动机启动易失火、高负荷易爆震及NOX排放高的问题。
附图说明
[0016]图1为本专利技术的结构示意图；<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于气液两相流耦合的柴油、氨双燃料发动机燃烧系统，其特征是：包括气缸套、气缸盖、活塞，所述气缸套、气缸盖和活塞形成燃烧室，气缸盖上设置主喷油器、副喷油器、液氨喷射阀、进气门、排气门，燃烧室通过进气门连接进气道，燃烧室通过排气门连接排气道，主喷油器垂直安装在气缸盖内，其中心轴线与气缸轴线重合，副喷油器倾斜安装在气缸盖内靠近排气道的一侧，其中心轴线与气缸轴线夹角为10
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25
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，主喷油器为大流量多孔喷油器，副喷油器为小流量多孔喷油器，主喷油器喷孔均匀分布在喷嘴上，副喷油器喷孔在喷嘴上为不均匀分布，靠近气缸轴线一侧面上的喷孔数多于另一侧面上的喷孔数。2.根据权利要求1所述的基于气液两相流耦合的柴油、氨双燃料发动机燃烧系统，其特征是：液氨喷射阀为单孔喷射阀，液氨喷射阀倾斜安装在气缸盖内靠近进气道的一侧，其中心轴线与气缸轴线夹角为20
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45
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，通过调节液氨喷射阀的喷射正时、喷射脉宽与气门正时、气门升程进行协同匹配，实现缸内氨混合气浓度梯度分布。3.根据权利要求1所述的基于气液两相流耦合的柴油、氨双燃料发动机燃烧系统，其特征是：燃烧室为由活塞顶部凹坑部分、气缸盖底部余隙和气缸套所围成的空间，燃烧室顶部为坡屋顶形，活塞顶部为ω形，其顶部凹坑较深，且口径有收缩。4.基于气液两相流耦合的柴油、氨双燃料发动机燃烧方法，其特征是：包括纯柴油模式：液氨喷射阀不工作，根据发动机实际运行工况不同，协同控制大流量主喷油器和小流量副喷油器向缸内喷射燃油工作，当发动机处于起动、怠速和低负荷工况时，大流量主喷油器不工作，控制小流量副喷油器在压缩上止点前喷射燃油，小流量副喷油器喷射正时随负荷增加而逐渐推迟；当发动机处于超负载工况时，控制小流量副喷油器和大流量主喷油器在压缩上止点前同时喷射柴油工作，并确保大流量主喷油器在线性特性区内工作，副喷油器喷雾从主喷油器喷雾间隔穿过，保证燃油喷雾的自由贯穿，且副喷油器喷射的油束填补主喷油器油束空缺，空气在进气门开启至关闭的时间范围内进入气缸，利用切向进...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨立平，王豪杰，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：