发动机缸内氨燃料多级喷射方法技术

提供一种发动机缸内氨燃料多级喷射方法，该方法结合缸内各阶段环境，分级实现氨燃料的喷射，在发动机缸内温度高于液氨沸点时对液氨采用闪急沸腾喷射，减小低背压液相贯穿距避免撞壁，实现急速吸热，降低压缩功；在发动机缸内环境压力小于氨的临界压力时对液氨采用压缩液体雾化喷射，可提高大背压下的液相贯穿距，充分利用大缸径内燃机的缸内空间；在发动机缸内环境压力大于氨的临界压力时对液氨采用燃料跨临界喷射，使氨燃料急速蒸发并与周围空气混合。上述方法能够充分利用氨的物理化学特性，使氨燃料在往复式发动机中高效使用。使氨燃料在往复式发动机中高效使用。使氨燃料在往复式发动机中高效使用。

【技术实现步骤摘要】
发动机缸内氨燃料多级喷射方法


[0001]本专利技术涉及发动机领域，具体涉及发动机内氨燃料燃烧领域。

技术介绍

[0002]作为最为经济和节能的运输方式，国际贸易中80％靠船舶海运实现，据国际海事组织(IMO)于2020年发布的温室气体研究报告统计，航运行业排放量全球占比从2.76％上升至2.89％。报告同时表明，若不采取措施，随海运贸易需求增长，2050年船舶碳排放预计比2008年高出90％
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130％。为此，IMO于2018年召开的海上环境保护委员会第72届会议通过了《IMO船舶温室气体减排初步战略》，提出了2030年国际航运碳排放强度相比2008年至少降低40％，到2050年力争降低70％，且2050年年度温室气体排放总量相比2008年至少降低50％，本世纪末实现零碳排放的碳减排量化要求。
[0003]降速运行、航线优化以及准时进港等设计和营运能效提升手段在国际航运界“去碳化”的征程中具有积极的推动作用，但其对实现船舶降碳目标的贡献能力十分有限。无论是远洋或内河近海船舶，设计能效耦合营运能效的优化路径仅能满足IMO2030的中短期减碳要求以及我国2030年前“碳达峰”的战略部署，在实现IMO长期降碳目标及我国2060年前“碳中和”方面存在困难。
[0004]由此可见，船用替代燃料，特别是低碳零碳燃料的研究、开发及利用在当前具有重要的意义。一方面，可以摆脱对传统石化燃料的依赖，避免出现能源短缺问题；另一方面，可以有效利用清洁燃料的理化特性，降低氨氧化物(NO
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)、颗粒物(PM)和温室气体排放。目前，常见的船用低碳燃料主要有液化天然气(LNG)、液化石油气(LPG)、甲醇、生物柴油、氨气和氢气等。
[0005]氨燃料在常温常压下为气体，常温加压时可成为液体，常温液化后属于过热液体燃料，在目前燃油价格上涨、国际国内对排放控制越来越严格的情况下，氨燃料发动机越来越受到市场的青睐。
[0006]液氨燃料粘度低、气化潜热高，可燃范围窄、气化后体积热值低，存在失火的风险，须采用先进的混合气调控及燃烧组织技术，用于改善氨燃料发动机的燃烧性能。当前研发中的氨燃料发动机燃烧组织方法主要包括两种方案：一是利用较低喷射压力将液氨或氨气喷入发动机涡轮增压器之前或之后的进气道中，氨燃料由空气在进气行程带入发动机气缸，再经由高活性燃料喷射引燃或预燃室射流火焰、火花塞、等离子或激光引燃；二是利用高喷射压力，以类似于传统柴油机的方式将液氨喷射到发动机气缸中，再由柴油喷射引燃的方式。
[0007]但前述两种方案均存在显著的缺点：氨燃料进气道低压喷射时，在多数往复式内燃机中存在进气
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排气重叠期，导致在气缸扫气期间氨逃逸至排气管，从而使得排放物中存在未燃氨，也增加了进排气系统中未燃氨着火爆炸的可能性；氨燃料缸内高压喷射时，由于液氨的气化潜热高，冷的液氨撞击到热的发动机部件上会急速蒸发，造成局部热应力大等问题；另外，由于燃烧室内单次大流量喷射液氨燃料会造成氨
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空气混合不均匀，导致燃烧
持续期延长；在压缩冲程后期喷射液氨，会降低液氨冷却减小压缩功的效果，进而降低了发动机热效率；以及由于扩散燃烧局部温度较高，导致氨氧化物排放较高。因此，目前缺乏适用于大缸径高功率内燃机液氨在压缩冲程的喷射策略。

技术实现思路

[0008]本专利技术的一个目的是提供发动机缸内氨燃料喷射组织方法，能够实现氨燃料的分级喷射，具有较佳的喷射及氨燃料与空气混合效果。
[0009]为实现上述目的的发动机缸内氨燃料喷射组织方法包括如下方式：在发动机缸内温度高于液氨沸点时，对液氨采用闪急沸腾喷射；在发动机缸内环境压力小于氨的临界压力时，对液氨采用压缩液体雾化喷射；在发动机缸内环境压力大于氨的临界压力时，对液氨采用燃料跨临界喷射。
[0010]在一个或多个实施例中，在发动机压缩行程的前、中、后期进行闪急沸腾喷射、压缩液体雾化喷射和燃料跨临界喷射。
[0011]在一个或多个实施例中，当发动机冷启动或者在小负荷工况下，对液氨采用压缩液体雾化喷射，形成燃空混合气；当发动机工作于中负荷工况下，采用闪急沸腾喷射和压缩液体雾化喷射组合喷射方式，形成燃空混合气；当发动机工作在高负荷工况下，采用闪急沸腾喷射、压缩液体雾化喷射和燃料跨临界喷射组合喷射方式，形成燃空混合气。
[0012]在一个或多个实施例中，根据不同目标参数确定组合喷射方式的各喷射比例，目标参数包括负荷、转速、喷射压力、喷射脉宽、排放要求。
[0013]在一个或多个实施例中，采用燃油反应活性控制压燃或预燃室射流火焰引燃或火花塞引燃或等离子引燃或激光引燃方式引燃氨燃料。
[0014]在一个或多个实施例中，采用燃油反应活性控制压燃方式时，高活性燃油与氨燃料在压缩液体雾化喷射阶段进行预混后，再在燃料跨临界喷射阶段喷射或活塞压缩行程后期引燃氨燃料。
[0015]在一个或多个实施例中，采用燃油反应活性控制压燃方式时，高活性燃油在燃料跨临界喷射阶段或活塞压缩行程后期喷射引燃氨燃料。
[0016]在一个或多个实施例中，采用预燃室射流火焰引燃方式时，使用气体燃料射流火焰在燃料跨临界喷射阶段或活塞压缩行程后期喷射引燃氨燃料。
[0017]在一个或多个实施例中，采用火花塞或等离子或激光引燃时，利用火花塞或等离子或激光在燃料跨临界喷射阶段或活塞压缩行程后期触发引燃氨燃料。
[0018]上述发动机缸内氨燃料喷射组织方法利用往复式内燃机气缸内环境变化的特性，并结合氨不易着火的特点，分别在往复式发动机缸内环境处于不同阶段时采用分级喷射策略，根据不同阶段分别选择适宜的喷射方式，在不同压缩冲程分别采用与其匹配的较佳的喷射策略，具有较佳的喷射及氨空混合气效果。
附图说明
[0019]本专利技术的上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变得更加明显，其中：
[0020]图1是氨燃料和往复式发动机缸内环境压力
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温度综合相图；
[0021]图2A是氨燃料处于闪急沸腾喷射阶段(活塞压缩行程前期)的示意图；
[0022]图2B是氨燃料处于压缩液体雾化喷射阶段(活塞压缩行程中期)的示意图；
[0023]图2C是氨燃料处于燃料跨临界喷射阶段(活塞压缩行程后期)示意图；
[0024]图3A是采用燃油反应活性控制压燃方式时氨燃料处于闪急沸腾喷射状态时的缸内环境示意图；
[0025]图3B是采用燃油反应活性控制压燃方式时引燃油与氨燃料在预混状态下的缸内环境示意图；
[0026]图3C是引燃油反应活性控制压燃氨燃料时的缸内环境示意图；
[0027]图4A是采用预燃室射流火焰引燃方式时氨燃料处于闪急沸腾喷射状态下的缸内环境示意图；
[0028]图4B是采用预燃室射流火焰引燃方式时氨燃料进行雾化喷射状态下的缸内环境示意图；
[0029]图4C是预燃室射流火焰引燃时的缸内环境示意图；
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.发动机缸内氨燃料多级喷射方法，其特征在于，该方法包括如下方式：在发动机缸内温度高于液氨沸点时，对液氨采用闪急沸腾喷射；在发动机缸内环境压力小于氨的临界压力时，对液氨采用压缩液体雾化喷射；在发动机缸内环境压力大于氨的临界压力时，对液氨采用燃料跨临界喷射。2.如权利要求1所述的发动机缸内氨燃料多级喷射方法，其特征在于，在发动机压缩行程的前、中、后期进行闪急沸腾喷射、压缩液体雾化喷射和燃料跨临界喷射。3.如权利要求1所述的发动机缸内氨燃料多级喷射方法，其特征在于，当发动机冷启动或者在小负荷工况下，对液氨采用压缩液体雾化喷射，形成燃空混合气；当发动机工作于中负荷工况下，采用闪急沸腾喷射和压缩液体雾化喷射组合喷射方式，形成燃空混合气；当发动机工作在高负荷工况下，采用闪急沸腾喷射、压缩液体雾化喷射和燃料跨临界喷射组合喷射方式，形成燃空混合气。4.如权利要求3所述的发动机缸内氨燃料多级喷射方法，其特征在于，根据不同目标参数确定组合喷射方式的各喷射比例。5.如权利要求4所述的发动机缸内氨燃料多级喷射方法，其特征在于，所述目标参数...

【专利技术属性】
技术研发人员：具德浩，李红梅，李华，郑亮，张文正，
申请(专利权)人：中国船舶集团有限公司第七一一研究所，
类型：发明
国别省市：