CN115962052B - 采用双回路联动增压egr的氨柴油双燃料发动机及其燃烧方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供采用双回路联动增压EGR的氨柴油双燃料发动机及其燃烧方法，包括活塞、气缸套、气缸盖、缸内直喷氨喷射器、高压共轨喷油器、进气总管、排气总管、废气涡轮、增压涡轮、中冷器、柴油供给系统、氨供给系统、双路增压EGR系统，双路增压EGR系统具备对废气过滤、增压、调温、控制流量等功能，实现EGR温度和EGR率的精确调控，并且，通过缸内直喷氨喷射器和高压共轨喷油器的喷射规律耦合EGR供给规律，从而达到发动机全运行工况下高效率和低排放的目的。本发明可解决燃烧化石燃料带来的碳氧化物和硫氧化物排放问题，可解决氨燃料火焰传播速度慢和点火能量高带来的点火困难问题，有效控制氨燃料燃烧带来的NOx排放增加的情况。

Description

采用双回路联动增压EGR的氨柴油双燃料发动机及其燃烧 方法

技术领域

本发明涉及的是一种发动机装置与燃烧方法，具体地说是双燃料发动机装置与燃烧方法。

背景技术

氨是一种无碳化合物，燃烧不产生CO₂。另一方面，氨在世界范围内产量丰富，氨的生产、储运等条件相对成熟。综合来看，氨作为化石能源的替代燃料极具潜力。与典型的碳氢化合物燃料相比，氨在氧气中完全燃烧时仅排放水和氮气，但是在实际应用中，氨燃料在内燃机中NOx的产生几乎是不可避免的，并且与常规碳氢燃料相比，纯氨的层流燃烧速度和热值均比较低，而且点火所需要的能量较高，可燃性极限范围较窄，使得氨的燃烧更加困难。同时，由于氨具有毒性，如果氨不完全燃烧排出气缸，会对人员造成危害。因此，需要对传统燃烧系统进行改造或重新设计，以便能够可靠、安全和清洁地应用氨。

现有专利大多通过添加高反应活性物质改善氨燃料燃烧，但同时也会带来燃烧温度上升，NOx排放增加的问题。专利CN114483299A提及了一种降低氨发动机未燃氨排放的系统，利用智能充量压缩着火燃烧模式降低氨气排放浓度，同时利用发动机废气余热使尾气中的氨气裂解催化产生氢气，产生的氢气用于改善氨燃料燃烧，但是由于尾气中氨的含量有限，且氨气裂解催化所需温度较高，无法提供足够氢气改善燃烧，也存在尾气中氨气催化不完全的风险。专利CN114738140A提及一种氨氢混合燃烧的零碳发动机及控制方法，采用压燃氢气的方式引燃氨，同时利用氢的高反应活性促进缸内燃烧反应进行，以消除掺氨量过大出现的氨逃逸现象，但是该发明提及的内容属于实验研究，在实际应用上存在不确定性，如氢气燃点高难以被压燃，氢气本身容易发生爆炸等。

发明内容

本发明的目的在于提供可解决传统发动机燃烧化石燃料带来的碳氧化物和硫氧化物排放、氨燃料火焰传播速度慢和点火能量高带来的点火困难问题，有效控制氨燃料燃烧带来的NOx排放增加等情况的采用双回路联动增压EGR的氨柴油双燃料发动机及其燃烧方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明采用双回路联动增压EGR的氨柴油双燃料发动机，其特征是：包括燃烧室、双路增压EGR系统、进气总管、排气总管，所述燃烧室包括气缸、气缸盖、活塞，气缸盖里设置高压共轨喷油器、缸内直喷氨喷射器，燃烧室分别连接进气总管、排气总管，进气总管设置涡轮增压器的压气机，排气总管设置涡轮增压器的涡轮，涡轮后方的排气总管连接双路增压EGR系统的入口，双路增压EGR系统的出口连接EGR混流室，EGR混流室连接压气机后方的进气总管，所述双路增压EGR系统包括并联的高温EGR支路和低温EGR支路，高温EGR支路上设置高温EGR流量调节阀，低温EGR支路上设置宽流域EGR冷却器。

本发明采用双回路联动增压EGR的氨柴油双燃料发动机还可以包括：

1、所述宽流域EGR冷却器包括并联的第一-第三通路，第一-第三通路的两端分别连接宽流域EGR冷却器EGR入口和宽流域EGR冷却器EGR出口，第一通路的入口处设置第一流量调节阀，第二通路的入口处设置第二流量调节阀，第三通路的入口处设置第三流量调节阀。

2、在满足高温EGR需求时，高温EGR流量调节阀开启，宽流域EGR冷却器的流量调节阀组全关，通过改变高温EGR流量调节阀开度和独立电驱压气机的供气压力调节EGR的供给量；在满足低温EGR需求时，高温EGR流量调节阀关闭，宽流域EGR冷却器流量调节阀组根据流量需求改变开启数量和开度；在满足中温EGR需求时，高温EGR流量调节阀和宽流域EGR冷却器流量调节阀同时开启，其中宽流域EGR冷却器流量调节阀组根据流量和温度需求改变开启数量和开度，高温EGR流量调节阀根据流量和温度需求改变开度，通过联合调控实现不同温度和不同流量的EGR。

3、涡轮后方的排气总管与双路增压EGR系统的入口之间设置废气滤清器和独立电驱压气机。

本发明采用双回路联动增压EGR的氨柴油双燃料发动机燃烧方法，其特征是：包括纯柴油燃烧方法：当发动机处于起动工况时，选择柴油作为燃料减少不完全燃烧或失火的情况发生；在全工况下，高压共轨喷油器在活塞运动至压缩上止点附近时喷射柴油燃烧。

本发明采用双回路联动增压EGR的氨柴油双燃料发动机燃烧方法还可以包括：

1、包括基于变温高压EGR的柴油、氨双燃料燃烧方法：在发动机低、中、高负荷下，由高压共轨喷油器喷射柴油，缸内直喷氨喷射器喷射液氨，根据负荷调整柴油和液氨的喷射比例；高负荷工况下，氨燃料作为主要燃料，柴油作为引燃燃料，双路增压EGR系统供给低温EGR；低负荷工况下，柴油作为主要燃料，氨燃料作为替代燃料，双路增压EGR系统供给高温EGR；中等负荷下，氨燃料作为主要燃料，柴油作为引燃燃料，柴油比例较高负荷工况有所提高，双路增压EGR系统根据全工况多目标优化要求，调整喷射的EGR温度和EGR率，使燃烧过程始终处于最佳状态。

本发明的优势在于：

1、采用高低温EGR技术，高温EGR能够循环利用高温废气，有效改善缸内工质的初始热力学状态，且废气中残留的上一循环的燃烧中间产物可提高混合气反应活性，有利于着火的发生和火焰的传播。低温EDR能够有效降低缸内最高燃烧温度，降低气缸内氧气浓度，从而实现降低NOx产生。通过调整二者的比例和量，能够实现EGR温度和EGR率无级调节，可以适应发动机的不同工况，使发动机达到功率、效率、排放的最优。

2、采用柴油缸内直喷技术和高低压液氨喷射技术，可以根据实际需求调整喷射次数、喷射脉宽和喷射正时，可以实现多种燃烧组织方案，以满足不同负荷下发动机的需求。

3、采用外接电源的电机驱动的压气机，使得压气机运行而不依赖发动机的运行工况，可以保证增压后废气压力大范围调节，满足全工况EGR流量需求。

4、双路增压EGR系统中配备废气滤清器过滤来自排气总管的废气，减少独立电驱压气机磨损，防止废气中的微粒沉积在宽流域EGR冷却器中影响换热效率，同时避免废气中的微粒进入气缸。

5、采用有效换热面积可变的宽流域EGR冷却器，实现在大流量和小流量情况下均保证高效冷却。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为双路增压EGR系统管内流体温度示意图；

图3为宽流域EGR冷却器结构示意图；

图4为双路增压EGR系统流量图；

图5为宽流域EGR冷却器流量调节阀组流量图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1-5，本发明采用双回路联动增压EGR的氨柴油双燃料发动机包括活塞1、气缸套2、废气涡轮增压器涡轮3、排气道4、排气阀5、缸内直喷氨喷射器6、高压共轨喷油器7、气缸盖8、进气阀9、进气总管10、中冷器11、废气涡轮增压器12、废气滤清器13、独立电驱压气机14、高温EGR流量调节阀15、宽流域EGR冷却器16、EGR混流室17。缸内直喷氨喷射器6和高压共轨喷油器7布置在气缸盖8上，分别由氨供给系统和柴油供给系统向其输送燃料。双路增压EGR系统的入口位于排气总管4上废气涡轮增压器涡轮3之后，双路增压EGR系统的出口位于进气总管10上的中冷器11之后。双路增压EGR系统由废气滤清器13、独立电驱压气机14、高温EGR流量调节阀15、宽流域EGR冷却器16、EGR混流室17、管路等构成。通过废气涡轮增压器涡轮3后的废气经废气滤清器13过滤后通向独立电驱压气机14，独立电驱压气机14对废气进行增压，确保废气被稳定引入经过废气涡流增压器12加压后的进气总管10高压段，废气经独立电驱压气机14加压后分别通向高温EGR支路和低温EGR支路，低温EGR支路上布置有宽流域EGR冷却器16，高温EGR支路上布置有高温EGR流量调节阀15，废气通过高温EGR支路和低温EGR支路之后在EGR混流室17混合，并通过管路引入进气总管10。

结合图3，宽流域EGR冷却器16其结构包括第一流量调节阀21、第二流量调节阀22、第三流量调节阀23、宽流域EGR冷却器EGR入口24、宽流域EGR冷却器冷剂出口25、宽流域EGR冷却器冷剂入口26、宽流域EGR冷却器EGR出口27。宽流域EGR冷却器16具有三通路并行结构，三条通路入口布置分别布置第一流量调节阀21、第二流量调节阀22、第三流量调节阀23，构成宽流域EGR冷却器流量调节阀组，通过调节流量调节阀开度，调节该通路的废气流量；宽流域EGR冷却器16工作的通路数量由通过宽流域EGR冷却器16的废气流量和目标温度所决定。通过控制第一流量调节阀21、第二流量调节阀22、第三流量调节阀23的开闭，实现宽流域EGR冷却器有效换热面积可变，实现在大流量和小流量情况下均保证高效冷却。第一流量调节阀21、第二流量调节阀22、第三流量调节阀23相互独立，通过对各个流量调节阀的开度联合控制，实现低温EGR温度的精确控制，保证在较宽流量范围内宽流域EGR冷却器16高效稳定换热。

结合图2，废气滤清器13过滤来自排气总管4的废气，减少独立电驱压气机14磨损，防止废气中的微粒沉积在宽流域EGR冷却器16中影响换热效率，同时避免废气中的微粒进入气缸。独立电驱压气机14为外接电源的电机驱动的压气机，独立电驱压气机14运行而不依赖发动机的运行工况，可以保证增压后废气压力大范围调节，满足全工况EGR流量需求。高温EGR流量调节阀15和宽流域EGR冷却器流量调节阀组相互独立，通过联合调控保证高温EGR和低温EGR回路流量比例精确控制，配合独立电驱压气机14控制，实现高温EGR和低温EGR混合后的EGR率的精确控制和变温EGR的稳定供应。

结合图4和图5，在满足高温EGR需求时，高温EGR流量调节阀15开启，宽流域EGR冷却器流量调节阀组全关，通过改变高温EGR流量调节阀15开度和独立电驱压气机14的供气压力调节EGR的供给量；在满足低温EGR需求时，高温EGR流量调节阀15关闭，宽流域EGR冷却器流量调节阀组根据流量需求改变开启数量和开度，低温EGR主要用于高负荷，此时EGR流量大，因此宽流域EGR冷却器流量调节阀组全开；在满足中温EGR需求时，高温EGR流量调节阀15和宽流域EGR冷却器流量调节阀同时开启，其中宽流域EGR冷却器流量调节阀组根据流量和温度需求改变开启数量和开度，高温EGR流量调节阀15根据流量和温度需求改变开度，通过联合调控实现不同温度和不同流量的EGR。

双燃料发动机高效燃烧方法包括纯柴油燃烧方法和基于变温高压EGR的柴油/氨双燃料燃烧方法，通过缸内直喷氨喷射器和高压共轨喷油器的喷射规律耦合EGR供给规律，实现发动机全运行工况下高效率和低排放。

纯柴油燃烧方法是：在全工况下，所述高压共轨喷油器在活塞运动至压缩上止点附近时喷射柴油燃烧，根据经济性和排放需求，能够与基于变温高压EGR的柴油/氨双燃料燃烧方法进行灵活切换。当发动机处于起动工况时，由于机件温度低，缸内压缩终点温度低，而柴油的燃点(527K)远低于氨的燃点(930K)，因此选择柴油可以减少不完全燃烧或失火的情况发生。

基于变温高压EGR的柴油/氨双燃料燃烧方法是：在发动机低、中、高负荷下，由高压共轨喷油器喷射柴油，缸内直喷氨喷射器喷射液氨，根据负荷调整柴油和液氨的喷射比例，实现燃料高效燃烧。高负荷工况下，氨燃料作为主要燃料，柴油作为引燃燃料，双路增压EGR系统供给低温EGR。发动机处于中高负荷时，缸内燃烧温度高，容易增加NOx的排放，且易发生爆震，需要降低缸内燃烧温度满足降低气缸内燃烧温度、抑制NOx生成和抑制爆震的需求。低负荷工况下，柴油作为主要燃料，氨燃料作为替代燃料，双路增压EGR系统供给高温EGR。当发动机处于当发动机处于低负荷工况时，由于机件温度低，发动机散热损失较大，缸内压缩终点温度低，发动机容易失火，此时以高温EGR为主以升高发动机温度，满足低负荷下提高缸内反应物活性、避免失火的需求，提高燃烧效率。中等负荷下，氨燃料作为主要燃料，柴油作为引燃燃料，柴油比例较高负荷工况有所提高，双路增压EGR系统根据全工况多目标优化要求，调整喷射的EGR温度和EGR率，使燃烧过程始终处于最佳状态，保证排气中污染成分最低和发动机高效率运行。

Claims (2)

1.采用双回路联动增压EGR系统的氨柴油双燃料发动机，其特征是：包括燃烧室、双回路联动增压EGR系统、进气总管、排气总管，所述燃烧室包括气缸、气缸盖、活塞，气缸盖里设置高压共轨喷油器、缸内直喷氨喷射器，燃烧室分别连接进气总管、排气总管，进气总管设置涡轮增压器的压气机，排气总管设置涡轮增压器的涡轮，涡轮后方的排气总管连接双回路联动增压EGR系统的入口，双回路联动增压EGR系统的出口连接EGR混流室，EGR混流室连接压气机后方的进气总管，所述双回路联动增压EGR系统包括并联的高温EGR支路和低温EGR支路，高温EGR支路上设置高温EGR流量调节阀，低温EGR支路上设置宽流域EGR冷却器；

涡轮后方的排气总管与双回路联动增压EGR系统的入口之间设置废气滤清器和独立电驱压气机；

所述宽流域EGR冷却器包括并联的第一通路、第二通路、第三通路，第一通路、第二通路、第三通路的两端分别连接宽流域EGR冷却器的EGR入口和宽流域EGR冷却器的EGR出口，第一通路的入口处设置第一流量调节阀，第二通路的入口处设置第二流量调节阀，第三通路的入口处设置第三流量调节阀，其中，第一流量调节阀、第二流量调节阀、第三流量调节阀构成宽流域EGR冷却器的流量调节阀组；

在满足高温EGR需求时，高温EGR流量调节阀开启，宽流域EGR冷却器的流量调节阀组全关，通过改变高温EGR流量调节阀开度和独立电驱压气机的供气压力调节EGR的供给量；在满足低温EGR需求时，高温EGR流量调节阀关闭，宽流域EGR冷却器的流量调节阀组根据流量需求改变开启数量和开度；在满足中温EGR需求时，高温EGR流量调节阀和宽流域EGR冷却器的流量调节阀同时开启，其中宽流域EGR冷却器的流量调节阀组根据流量和温度需求改变开启数量和开度，高温EGR流量调节阀根据流量和温度需求改变开度，通过联合调控实现不同温度和不同流量的EGR；

采用双回路联动增压EGR系统的氨柴油双燃料发动机的燃烧方法，包括基于变温高压EGR的柴油、氨双燃料燃烧方法：在发动机低、中、高负荷下，由高压共轨喷油器喷射柴油，缸内直喷氨喷射器喷射液氨，根据负荷调整柴油和液氨的喷射比例；高负荷工况下，氨燃料作为主要燃料，柴油作为引燃燃料，双回路联动增压EGR系统供给低温EGR；低负荷工况下，柴油作为主要燃料，氨燃料作为替代燃料，双回路联动增压EGR系统供给高温EGR；中等负荷下，氨燃料作为主要燃料，柴油作为引燃燃料，柴油比例较高负荷工况有所提高，双回路联动增压EGR系统根据全工况多目标优化要求，调整EGR温度和EGR率，使燃烧过程始终处于最佳状态。

2.根据权利要求1所述的采用双回路联动增压EGR系统的氨柴油双燃料发动机，其特征是：包括纯柴油燃烧方法：当发动机处于起动工况时，选择柴油作为燃料减少不完全燃烧或失火的情况发生；在全工况下，高压共轨喷油器在活塞运动至压缩上止点附近时喷射柴油燃烧。