CN116044583A - 基于复合egr回路的柴油、氨双燃料发动机燃烧系统及燃烧方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供基于复合EGR回路的柴油、氨双燃料发动机燃烧系统及燃烧方法，包括燃烧系统、电控系统、复合EGR回路系统、可变配气系统、高压共轨燃油系统和氨供给系统，复合EGR回路系统包括三种回路：1.基于可变配气的缸内高温EGR回路、2.缸外小流量低温EGR回路、3.缸外大流量低温EGR回路；电控系统针对不同工况以及燃料的燃烧特性，控制同心双针阀两喷油器和缸内直喷氨喷射器以灵活的喷射策略结合复合回路EGR系统，能有效控制缸内的混合特性、着火特性，从而优化缸内燃烧，同时大幅降低排放。本发明能够提高发动机全工况下的性能，实现高燃烧效率以及低排放，且具有良好的低温环境适应性。

Description

基于复合EGR回路的柴油、氨双燃料发动机燃烧系统及燃烧方法

技术领域

本发明涉及的是一种氨燃料发动机，具体地说是发动机燃烧系统及方法。

背景技术

全球化石能源的需求在不断增加，而且化石燃料燃烧时产生大量温室气体和污染物，为了进一步阻止全球变暖，降低人们对化石燃料等不可再生资源的依赖，国际上对工业、航运、汽车等行业发布一系列法规进行脱碳，柴油发动机使用可再生低碳或无碳特性的替代燃料是实现零碳排放最有效的方案。现今很多可再生低碳、零碳能源已经被广泛研究并应用于发动机。

氨燃料是零碳燃料不会产生碳排放，且其辛烷值高达到130，发动机可实现更高的压缩比。但氨的火焰传播速度小，这使得其在发动机内燃烧着火时所需时间较长，温度高，不容易着火。如何合理的组织燃烧方法，减少压缩功损失，提高系统稳定性成为开发氨燃料发动机所面临的挑战。

现有专利大多集中在通过添加氢气改善氨燃料活性的方式来改善燃烧。公开号CN114483299A的专利一种降低氨发动机未燃氨排放的系统和方法，设计了氨燃料多种喷射方式根据不同工况进行调整，同时利用废气余热置换氢气，达到助燃氨燃料的目的，但利用废气余热及未燃氨裂解制氢增强反应活性，难以在全部工况下实际实现，系统稳定性差。公开号CN114738140A的专利以氢气引燃的氨氢混合燃烧的零碳发动机及控制方法，通过提高进气温度实现氢气引燃氨燃料在压燃式发动机的实际应用，但氢贮存运输的成本很高且没有设计合理的燃烧组织方法，缺少可靠性。

发明内容

本发明的目的在于提供能在提高双燃料发动机动力性的同时消除爆震，保证发动机在全工况下高效、清洁和稳定工作的基于复合EGR回路的柴油、氨双燃料发动机燃烧系统及燃烧方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明基于复合EGR回路的柴油、氨双燃料发动机燃烧系统，其特征是：包括进气管、排气管、气缸、气缸盖、活塞、大流量低温EGR回路、小流量低温EGR回路，所述气缸、气缸盖和活塞组成燃烧室，气缸盖上设置同心双针阀喷油器、缸内直喷氨喷射器、进气道、排气道，所述同心双针阀喷油器包括外部大流量喷油器、内部小流量喷油器，外部大流量喷油器包括外部大流量喷油器针阀体、内部小流量喷油器针阀体，外部大流量喷油器针阀体位于内部小流量喷油器针阀体外部，且二者之间形成外部大流量喷油器油道，内部小流量喷油器包括内部小流量喷油器针阀体、内部小流量喷油器针阀，内部小流量喷油器针阀体位于内部小流量喷油器针阀外部，且二者之间形成内部小流量喷油器油道；

进气道连接进气管，排气道连接排气管，进气管上设置文丘里管，文丘里管后方设置压气机，排气管上设置涡轮，压气机与涡轮通轴，所述大流量低温EGR回路与小流量低温EGR回路为并联回路，并联回路的入口端与涡轮下游的排气管相连，并联回路的出口端与文丘里管的喉部相连，大流量低温EGR回路上设置大流量EGR阀和大流量EGR冷却器，小流量低温EGR回路上设置小流量EGR阀和小流量EGR冷却器。

本发明基于复合EGR回路的柴油、氨双燃料发动机燃烧系统还可以包括：

1、排气管上设置排气背压阀。

2、所述外部大流量喷油器为轴针式喷油器，内部小流量喷油器为多孔式喷油器，喷孔数量为6-8个，外部大流量喷油器和内部小流量喷油器均包括独立的针阀、针阀体、弹簧、电磁阀和油道。

3、内部小流量喷油器针阀体流量相对于外部大流量喷油器针阀体流量，更早达到线性度区间。

4、缸内直喷氨喷射器具有多孔结构，喷孔关于缸内直喷氨喷射器中心轴线呈轴对称分布。

5、同心双针阀喷油器中心轴线与气缸中心轴线重合。

6、缸内直喷氨喷射器中心轴线和同心双针阀喷油器的中心轴线在同一空间平面内指向所述燃烧室的中心。

本发明基于复合EGR回路的柴油、氨双燃料发动机燃烧方法，其特征是：包括纯柴油模式：

在起动、怠速和小负荷工况下，上止点前利用同心双针阀喷油器的小流量喷油器向缸内喷射小流量柴油；随着流量需要的增加且超出小流量喷射器的供油能力时，切换为同心双针阀喷油器的大流量喷油器喷射燃油；在中高负荷条件下，控制同心双针阀喷油器的外部大流量喷油器、内部小流量喷油器以及大流量低温EGR、小流量低温EGR回路同时工作，使部分废气经冷却后流回缸内，降低缸内燃烧温度，减少高温NOx排放并有效消除爆震现象。

本发明基于复合EGR回路的柴油、氨双燃料发动机燃烧方法还可以包括：

1、包括双燃料模式：

(1)当发动机处于低负荷时，以柴油扩散燃烧为主，氨燃料替代率小于30％；在排气阶段，提前关闭排气门，实现缸内高温EGR；压缩冲程后半段喷射高压液氨，喷射持续期小于半个压缩冲程，氨燃料雾化蒸发与空气非均匀混合，上止点前利用小流量喷油器喷射柴油，柴油喷射持续期与氨燃料喷射持续期有部分重叠，形成较大浓度梯度分层，实现氨燃料的着火和稳定燃烧；

(2)当发动机处于中负荷时，以柴油扩散燃烧为主，氨燃料替代率大于30％小于50％；控制小流量低温EGR回路工作，使部分废气与空气形成预混合气后一同进入气缸内；调节氨燃料供给压力和正时，在压缩冲程前半段喷射一半的高压液氨，喷射持续期小于半个压缩冲程，上止点前利用小流量喷油器喷射柴油，并在喷射引燃柴油后补喷另一半高压液氨，上止点前完成喷射，在柴油的喷射路径上形成局部的浓当量比，形成柴油和氨燃料的活性分层，实现高反应活性柴油和氨燃料的耦合分层燃烧；

(3)当发动机处于高负荷时，氨作为主燃料，柴油作为引燃燃料；进气门关闭时刻推迟，实现发动机实际压缩比小于膨胀比，同时控制大流量低温EGR回路工作，使部分废气经冷却后与空气一同流回缸内；调节氨燃料供给压力和正时，在压缩冲程前半段喷射低压液氨，喷射持续期大于半个压缩冲程，上止点前利用小流量喷射器喷射引燃柴油作为点火源，实现以氨燃料为主燃料的高效率和清洁燃烧。

本发明的优势在于：本发明给出氨燃料在内燃机应用燃烧的具体燃烧模式，采用同心双针阀喷油器避免在缸盖上布置过多喷射器，通过设计复合EGR回路，以及协同控制同心双针阀喷油器和缸内直喷氨喷射器工作，实现多模式燃烧，解决氨/柴油双燃料发动机在不同负荷下存在的问题，实现氨燃料在缸内高效、清洁、稳定燃烧，在满足高功率要求的同时，覆盖全工况，符合燃料经济性和排放法规要求。低负荷下采用高温EGR，提高缸内温度，加速液氨蒸发同时提高分子活化能；中负荷下采用小流量低温EGR，降低最高燃烧温度，减少NOx排放；高负荷下推迟进气门关闭时刻并采用大流量低温EGR，减少NOx排放并抑制爆震现象。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为发动机燃烧系统结构示意图；

图3为同心双针阀喷油器的具体结构示意图；

图4为同心双针阀喷油器喷油特性曲线示意图；

图5为双燃料模式下低负荷时，柴油喷射时缸内燃料分布示意图；

图6为双燃料模式下中负荷时，柴油喷射时缸内燃料分布示意图；

图7为双燃料模式下高负荷时，柴油喷射时缸内燃料分布示意图。

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1-7，图1是本发明的系统结构示意图，本发明包括燃烧系统、电控系统、复合EGR回路系统、可变配气系统、高压共轨燃油系统和氨供给系统，所述进气管上依次装有空气滤清器8、文丘里管9、压气机10、中冷器11和节气门12，所述排气管装有涡轮2和排气背压阀3；所述复合EGR回路系统包括三种回路：1.基于可变配气的缸内高温EGR回路、2.缸外小流量低温EGR回路、3.缸外大流量低温EGR回路；所述缸外大、小流量低温EGR回路为并联式回路，入口端与所述涡轮2下游排气管相连，出口端与所述安装在压气机10前进气总管上的文丘里管9喉部相连；缸外大、小流量低温EGR回路设有独立的EGR冷却器和EGR阀，且流通能力不同，通过小流量低温EGR回路实现小流量废气的精确控制，通过大流量低温EGR回路实现大流量废气的及时响应；所述EGR冷却器用于冷却流经该回路的废气，EGR阀用于控制回路通断；所述文丘里管9包含入口段、渐缩段、喉部和渐扩段，所述喉部空气流速大，压强小，使得废气随空气一起流进渐扩段内，经压气机10加压和中冷器11冷却后经节气门12流入歧管，保证涡轮效率且各缸的燃烧一致性较好；含有多原子气体的废气比热比大于空气，高比热容效应导致缸内最高燃烧温度降低，以减少高负荷下NOx排放和抑制爆震现象。

基于可变配气的缸内高温EGR回路具体工作方式为：电控系统通过控制进气门19、排气门17关闭时刻、升程曲线，实现内部高温废气捕集，解决低负荷低反应活性氨燃料着火困难和燃烧速度慢的问题；所述缸外小流量低温EGR回路工作方式为：电控系统控制排气背压阀开度并开启小流量EGR阀7，使得部分涡后废气流向缸外小流量低温EGR回路，与空气形成预混合气后一同进入气缸内，废气分子高比热容效应导致缸内最高燃烧温度降低，以减少中负荷下发动机NOx排放；所述缸外大流量低温EGR回路工作方式为：电控系统控制排气背压阀开度并开启大流量EGR阀6，使得部分涡后废气流向缸外大流量低温EGR回路，提高EGR率，与空气形成预混合气后一同流回缸内，降低缸内燃烧温度，减少高负荷NOx排放和抑制爆震现象。

图4是本发明发动机燃烧系统结构示意图，所述燃烧系统包括活塞13、气缸14、气缸盖16、进气管、排气管、进气门19和排气门17；所述气缸盖16上设置有垂直安装的同心双针阀喷油器18和倾斜安装的缸内直喷氨喷射器20，同心双针阀喷油器18位于气缸盖16中心，其轴线与气缸14中心线重合，利用单高压共轨燃油供给系统向同心双针阀喷油器18供给燃油，同心双针阀两喷油器均采用单次喷射策略，分别实现两针阀喷油脉宽和喷油正时的精确调控；缸内直喷氨喷射器20位于气缸盖16靠近进气道21一侧，轴线与气缸盖16底平面成一定夹角，夹角的角度根据所述气缸盖16实际结构来确定，由可变轨压的氨供给系统向缸内直喷氨喷射器20供给氨燃料，利用缸内高低压多次喷射技术，实现氨与空气混合气浓度的合理分层；

图2是本发明同心双针阀喷油器的具体结构示意图，所述的同心双针阀喷油器由外部大流量喷油器油道22、内部小流量喷油器油道23、内部小流量喷油器针阀24、内部小流量喷油器针阀体25、外部大喷油器针阀体26。所述同心双针阀喷油器18由外部大流量喷油器和内部小流量喷油器构成，外部大流量喷油器包括外部大流量喷油器油道22、内部小流量喷油器针阀体25和外部大流量喷油器针阀体26；内部小流量喷油器包括内部小流量喷油器油道23、内部小流量喷油器针阀24和内部小流量喷油器针阀体25，内部小流量喷油器针阀体25同时作为外部大流量喷油器针阀使用。所述的外部大流量喷油器与内部小流量喷油器共轴线布置在同心双针阀喷油器18内部；所述外部大流量喷油器为轴针式喷油器，内部小流量喷油器为多孔式喷油器，喷孔数量为6-8个，外部大流量喷油器和内部小流量喷油器均有独立的针阀、针阀体、弹簧、电磁阀和油道。

图3是本发明同心双针阀喷油器喷油特性曲线示意图，在一个优选的实施例当中，如图3所示，在相同脉宽条件下，所述内部小流量喷油器针阀体25流量远小于外部大流量喷油器针阀体26流量，但线性度区间不同，内部小流量喷油器针阀体25流量更早达到线性度区间，以实现在启动、怠速或中低负荷需要燃油量少的情况下实现更精准的控制。

包含纯柴油模式和双燃料模式，所述的纯柴油模式下功率可以覆盖发动机整个运行工况条件，在起动、怠速和小负荷工况下，上止点前利用同心双针阀喷油器18的小流量喷油器向缸内喷射小流量柴油；随着流量需要的增加且超出小流量喷射器的供油能力时，切换为同心双针阀喷油器18的大流量喷油器喷射燃油；在中高负荷条件下，电控系统控制同心双针阀喷油器的大流量、小流量喷油器以及大、小流量低温EGR回路同时工作，使部分废气经冷却后流回缸内，降低缸内燃烧温度，减少高温NOx排放并有效消除爆震现象。

如图4-6所示缸内燃料分布示意图，所述的双燃料模式，(1)当发动机处于低负荷时，发动机采用以柴油扩散燃烧为主，氨燃料替代率小于30％；在排气阶段，电控系统根据工况控制可变配气系统提前关闭排气门17，实现缸内高温EGR，提高缸内温度和分子活性，解决低负荷缸内直喷氨燃料不易着火和燃烧不完全等问题；压缩冲程后半段喷射高压液氨，喷射持续期小于半个压缩冲程，氨燃料迅速雾化蒸发，与空气非均匀混合，上止点前同心双针阀喷油器18的内部小流量喷油器针阀24抬起，外部大流量喷油器针阀25下移，喷射小流量柴油，精确控制引燃柴油正时和流量，柴油喷射持续期与氨燃料喷射持续期有部分重叠，形成较大浓度梯度分层，如图4所示，实现氨燃料的着火和稳定燃烧；

(2)当发动机处于中负荷时，发动机采用以柴油扩散燃烧为主，氨燃料替代率大于30％小于50％；控制小流量低温EGR回路工作，使部分废气与空气形成预混合气后一同进入气缸内，废气分子高比热容效应导致缸内最高燃烧温度降低，以减少NOx排放；并通过控制氨燃料供给系统，调节氨燃料供给压力和正时，在压缩冲程前半段喷射一半的高压液氨，喷射持续期小于半个压缩冲程，与空气较均匀混合，上止点前同心双针阀喷油器18的内部小流量喷油器针阀24抬起，外部大流量喷油器针阀25下移，喷射小流量柴油，并在喷射引燃柴油后补喷另一半高压液氨，上止点前完成喷射，在柴油的喷射路径上形成了局部的浓当量比，形成柴油和氨燃料的活性分层，如图5所示，实现高反应活性柴油和氨燃料的高效耦合分层燃烧；

(3)当发动机处于高负荷时，氨作为主燃料，柴油作为引燃燃料；电控系统控制可变配气系统使进气门19关闭时刻推迟，实现发动机实际压缩比小于膨胀比，同时控制大流量低温EGR回路工作，提高EGR率，使部分废气经冷却后与空气一同流回缸内，降低缸内燃烧温度，减少高负荷NOx排放和抑制爆震现象；并通过控制氨燃料供给系统，调节氨燃料供给压力和正时，在压缩冲程前半段喷射低压液氨，喷射持续期大于半个压缩冲程，获得较稀的且具有低浓度梯度的氨混合气，上止点前同心双针阀喷油器18的内部小流量喷油器针阀24抬起，外部大流量喷油器针阀25下移，喷射引燃柴油，如图6所示，实现以氨燃料为主燃料的高效率和清洁燃烧。

其中，燃料雾束并不限定燃料的形态，燃料除为液体外还为气态或超临界的流体态的。

Claims (9)

1.基于复合EGR回路的柴油、氨双燃料发动机燃烧系统，其特征是：包括进气管、排气管、气缸、气缸盖、活塞、大流量低温EGR回路、小流量低温EGR回路，所述气缸、气缸盖和活塞组成燃烧室，气缸盖上设置同心双针阀喷油器、缸内直喷氨喷射器、进气道、排气道，所述同心双针阀喷油器包括外部大流量喷油器、内部小流量喷油器，外部大流量喷油器包括外部大流量喷油器针阀体、内部小流量喷油器针阀体，外部大流量喷油器针阀体位于内部小流量喷油器针阀体外部，且二者之间形成外部大流量喷油器油道，内部小流量喷油器包括内部小流量喷油器针阀体、内部小流量喷油器针阀，内部小流量喷油器针阀体位于内部小流量喷油器针阀外部，且二者之间形成内部小流量喷油器油道；

进气道连接进气管，排气道连接排气管，进气管上设置文丘里管，文丘里管后方设置压气机，排气管上设置涡轮，压气机与涡轮通轴，所述大流量低温EGR回路与小流量低温EGR回路为并联回路，并联回路的入口端与涡轮下游的排气管相连，并联回路的出口端与文丘里管的喉部相连，大流量低温EGR回路上设置大流量EGR阀和大流量EGR冷却器，小流量低温EGR回路上设置小流量EGR阀和小流量EGR冷却器。

2.根据权利要求1所述的基于复合EGR回路的柴油、氨双燃料发动机燃烧系统，其特征是：排气管上设置排气背压阀。

3.根据权利要求1所述的基于复合EGR回路的柴油、氨双燃料发动机燃烧系统，其特征是：所述外部大流量喷油器为轴针式喷油器，内部小流量喷油器为多孔式喷油器，喷孔数量为6-8个，外部大流量喷油器和内部小流量喷油器均包括独立的针阀、针阀体、弹簧、电磁阀和油道。

4.根据权利要求1所述的基于复合EGR回路的柴油、氨双燃料发动机燃烧系统，其特征是：内部小流量喷油器针阀体流量相对于外部大流量喷油器针阀体流量，更早达到线性度区间。

5.根据权利要求1所述的基于复合EGR回路的柴油、氨双燃料发动机燃烧系统，其特征是：缸内直喷氨喷射器具有多孔结构，喷孔关于缸内直喷氨喷射器中心轴线呈轴对称分布。

6.根据权利要求1所述的基于复合EGR回路的柴油、氨双燃料发动机燃烧系统，其特征是：同心双针阀喷油器中心轴线与气缸中心轴线重合。

7.根据权利要求1所述的基于复合EGR回路的柴油、氨双燃料发动机燃烧系统，其特征是：缸内直喷氨喷射器中心轴线和同心双针阀喷油器的中心轴线在同一空间平面内指向所述燃烧室的中心。

8.基于复合EGR回路的柴油、氨双燃料发动机燃烧方法，其特征是：包括纯柴油模式：

在起动、怠速和小负荷工况下，上止点前利用同心双针阀喷油器的小流量喷油器向缸内喷射小流量柴油；随着流量需要的增加且超出小流量喷射器的供油能力时，切换为同心双针阀喷油器的大流量喷油器喷射燃油；在中高负荷条件下，控制同心双针阀喷油器的外部大流量喷油器、内部小流量喷油器以及大流量低温EGR、小流量低温EGR回路同时工作，使部分废气经冷却后流回缸内，降低缸内燃烧温度，减少高温NOx排放并有效消除爆震现象。

9.根据权利要求8所述的基于复合EGR回路的柴油、氨双燃料发动机燃烧方法，其特征是：包括双燃料模式：

(1)当发动机处于低负荷时，以柴油扩散燃烧为主，氨燃料替代率小于30％；在排气阶段，提前关闭排气门，实现缸内高温EGR；压缩冲程后半段喷射高压液氨，喷射持续期小于半个压缩冲程，氨燃料雾化蒸发与空气非均匀混合，上止点前利用小流量喷油器喷射柴油，柴油喷射持续期与氨燃料喷射持续期有部分重叠，形成较大浓度梯度分层，实现氨燃料的着火和稳定燃烧；

(2)当发动机处于中负荷时，以柴油扩散燃烧为主，氨燃料替代率大于30％小于50％；控制小流量低温EGR回路工作，使部分废气与空气形成预混合气后一同进入气缸内；调节氨燃料供给压力和正时，在压缩冲程前半段喷射一半的高压液氨，喷射持续期小于半个压缩冲程，上止点前利用小流量喷油器喷射柴油，并在喷射引燃柴油后补喷另一半高压液氨，上止点前完成喷射，在柴油的喷射路径上形成局部的浓当量比，形成柴油和氨燃料的活性分层，实现高反应活性柴油和氨燃料的耦合分层燃烧；

(3)当发动机处于高负荷时，氨作为主燃料，柴油作为引燃燃料；进气门关闭时刻推迟，实现发动机实际压缩比小于膨胀比，同时控制大流量低温EGR回路工作，使部分废气经冷却后与空气一同流回缸内；调节氨燃料供给压力和正时，在压缩冲程前半段喷射低压液氨，喷射持续期大于半个压缩冲程，上止点前利用小流量喷射器喷射引燃柴油作为点火源，实现以氨燃料为主燃料的高效率和清洁燃烧。

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