TWI695929B

TWI695929B - 柴油引擎氫氣預助燃方法

Info

Publication number: TWI695929B
Application number: TW107117411A
Authority: TW
Inventors: 施國亮
Original assignee: 國立雲林科技大學
Priority date: 2018-05-22
Filing date: 2018-05-22
Publication date: 2020-06-11
Also published as: TW202004006A

Abstract

本發明揭示一種柴油引擎氫氣預助燃方法。柴油引擎包含一汽缸以及連通於汽缸之一進氣歧管。柴油引擎氫氣預助燃方法包含：透過一氣體噴嘴將一氫氣霧化形成一氫氣噴霧；於柴油引擎運行於一壓縮行程之一上死點前，將氫氣噴霧以一預設角度及一預設噴量噴入進氣歧管內；將氫氣噴霧經過進氣歧管噴入汽缸內；透過一柴油噴嘴將一柴油霧化形成一柴油噴霧，並將柴油噴霧噴入汽缸內；以及透過氫氣噴霧燃燒預先輔助汽缸內之柴油噴霧燃燒。

Description

柴油引擎氫氣預助燃方法

本發明係關於一種柴油引擎預助燃方法及其裝置，更特別言之，係關於一種柴油引擎氫氣預助燃方法及其裝置。

汽油引擎及柴油引擎為各式車輛載具或各式工業機具所常用。大致而言，柴油引擎基於其輸出動力大及轉速低等特性，多應用於重型車輛、船舶及大型工業機具；而汽油引擎基於其體積小、重量輕，轉速高等特性，多應用於汽機車、小型螺旋槳飛機及割草機等小型工業機具。現基於引擎技術的進步及對不同輸出動力之需求，已見愈多小型轎車、商用車或休旅車等，配置柴油引擎。

柴油引擎之運作，大致可概分為二行程及四行程。此述及一般較為常見之四行程。柴油引擎運作之四行程，大致為進氣行程、壓縮行程、動力行程及排氣行程。進氣行程係進氣歧管中之空氣經由進氣門被吸入汽缸中。壓縮行程係於進氣行程結束後，活塞由下死點開始向上位移。於活塞向上位移同時，壓力和溫度便開始增加，空氣被壓縮加熱至點火溫度以上。動力行程係當壓縮行程接近結束時，柴油噴嘴將柴油以霧化方式噴出，經壓縮加熱後之空氣即會點燃被霧化之柴油。此時，汽缸內之壓力迅速上升並將活塞向下推，此推力變成讓曲軸產生轉動的力量。排氣行程係於柴油燃燒過程結束後，當活塞往下位移接近下死點時，排氣門即開啟。當活塞再度向上位移時，廢氣便經由排氣門及排氣歧管排放至大氣中。

於上述行程中，柴油是否可完全燃燒，攸關於引擎之輸出動力，若柴油無法完全燃燒，將導致引擎動力不足，甚或導致空氣污染或能源浪費等缺失。基於上述，具高的燃燒效率且低污染之柴油引擎仍有開發必要。

本發明之一目的，在於柴油引擎之運轉行程中，於壓縮行程上死點前，藉由氣體噴嘴將氫氣噴霧噴入進氣歧管中，再經過進氣歧管吸氣帶動氫氣噴霧進入汽缸中與柴油噴霧共同燃燒。藉此，透過氫氣噴霧易燃之特性，對汽缸中之柴油噴霧預助燃，達到增進燃燒效率，兼具減少廢氣排放及提昇引擎動力效果。

於一實施方式中，本發明揭示一種柴油引擎氫氣預助燃方法，其係應用於一柴油引擎。柴油引擎包含一汽缸以及連通於汽缸之一進氣歧管。柴油引擎氫氣預助燃方法包含：透過一氣體噴嘴將一氫氣霧化形成一氫氣噴霧；於柴油引擎運行於一壓縮行程之一上死點前，將氫氣噴霧以一預設角度及一預設噴量噴入進氣歧管內；將氫氣噴霧經過進氣歧管噴入汽缸內；透過一柴油噴嘴將一柴油霧化形成一柴油噴霧，並將柴油噴霧噴入汽缸內；以及透過氫氣噴霧燃燒預先輔助汽缸內之柴油噴霧燃燒。

依據上述的柴油引擎氫氣預助燃方法，其中預設角度為柴油引擎運行於壓縮行程之上死點前70度~30度之間。

依據上述的柴油引擎氫氣預助燃方法，其中氣體噴嘴以35米/每秒(35m/s)之一出口速度及10英吋水柱(10inch-H₂O)之一壓差噴出氫氣噴霧。

依據上述的柴油引擎氫氣預助燃方法，其中氫氣噴霧之預設噴量之熱值為柴油引擎於一單次循環之柴油噴霧之噴量之熱值之2%~4%。

依據上述的柴油引擎氫氣預助燃方法中，其中汽缸可更包含一進氣門。進氣門於開啟時連通進氣歧管，氫氣噴霧透過開啟之進氣門噴入汽缸內。

於另一實施方式中，本發明提供一種柴油引擎氫氣預助燃裝置，其包含一汽缸、一進氣歧管、一進氣門、一氣體噴嘴、一柴油噴嘴以及一活塞。進氣歧管連通汽缸。進氣門設置於進氣歧管及汽缸之間。氣體噴嘴設置於進氣歧管上，氣體噴嘴之一噴氣方向朝向進氣門。柴油噴嘴連通汽缸。活塞於汽缸內位移。其中，於柴油引擎運行於一壓縮行程之一上死點前，氣體噴嘴將一氫氣噴霧以一預設角度及一預設噴量噴入進氣歧管，並透過開啟之進氣門噴入汽缸內。柴油噴嘴將一柴油噴霧噴入汽缸內。活塞位移壓縮由進氣歧管吸入之空氣，令氫氣噴霧燃燒預先輔助柴油噴霧燃燒。

依據上述的柴油引擎氫氣預助燃裝置，其中汽缸可更包含一排氣門及一排氣歧管。排氣歧管連通汽缸，排氣門設置於排氣歧管及汽缸之間。

依據上述的柴油引擎氫氣預助燃裝置，其中氣體噴嘴之一端形成一開口。開口之一直徑範圍由52微米至80微米。

依據上述的柴油引擎氫氣預助燃裝置，其中預設角度為柴油引擎運行於壓縮行程之上死點前70度~30度之間。

依據上述的柴油引擎氫氣預助燃裝置，其中氫氣噴霧之預設噴量之熱值為柴油引擎於一單次循環之柴油噴霧之噴量之熱值之2%~4%。

101‧‧‧進氣歧管

102‧‧‧排氣歧管

103‧‧‧氣體噴嘴

104‧‧‧柴油噴嘴

105‧‧‧進氣門

106‧‧‧排氣門

107‧‧‧活塞

108‧‧‧曲軸

109‧‧‧汽缸

A‧‧‧開口

H‧‧‧氫氣噴霧

F‧‧‧柴油噴霧

S101、S102、S103、S104、S105‧‧‧步驟

第1圖係繪示依據本發明一實施例之柴油引擎氫氣預助燃方法流程示意圖；第2圖係繪示依據本發明另一實施例之柴油引擎氫氣預助燃裝置結構示意圖；以及第3圖係繪示第2圖中之柴油引擎氫氣預助燃裝置中使用之氣體噴嘴結構立體圖。

於下列的描述中，將參照所附圖式說明本發明之具體實施例。許多實務上的細節將在以下敘述中一併說明。然而，這些實務上的細節不應該用以限制本發明。亦即，在本發明部分實施例中，這些實務上的細節是非必要的。此外，為簡化圖式起見，一些習知慣用的結構與元件在圖式中將以簡單示意的方式繪示之；並且重複之元件將可能使用相同的編號表示之。

第1圖係繪示依據本發明一實施例之柴油引擎氫氣預助燃方法流程示意圖。第1圖揭示之柴油引擎氫氣預助燃方法，係應用於一柴油引擎，其包含一汽缸以及連通於汽缸之一進氣歧管。柴油引擎氫氣預助燃方法包含下列步驟：步驟S101係透過一氣體噴嘴將一氫氣霧化形成一氫氣噴霧；步驟S102係於柴油引擎運行於一壓縮行程之一上死點前，將氫氣噴霧以一預設角度及一預設噴量噴入進氣歧管內；步驟S103係將氫氣噴霧經過進氣歧管噴入汽缸內；步驟S104係透過一柴油噴嘴將一柴油霧化形成一柴油噴霧，並將柴油噴霧噴入汽缸內；步驟S105係透過氫氣噴霧燃燒預先輔助汽缸內之柴油噴霧燃燒。

為使氫氣噴霧對柴油噴霧之預助燃效果最佳，則選取運轉參數之較佳值。具體而言，上述的柴油引擎氫氣預助燃方法中，預設角度為柴油引擎運行於壓縮行程之上死點前70度~30度之間。上述的柴油引擎氫氣預助燃方法中，氣體噴嘴以35米/每秒(35m/s)之一出口速度及10英吋水柱(10inch-H₂O)之一壓差噴出氫氣噴霧。上述的柴油引擎氫氣預助燃方法中，氫氣噴霧之預設噴量之熱值設定為柴油引擎於一單次循環之柴油噴霧之噴量之熱值之2%~4%。

第2圖係繪示依據本發明另一實施例之柴油引擎氫氣預助燃裝置結構示意圖。由第2圖可知，柴油引擎氫氣預助燃裝置包含一汽缸109、一進氣歧管101、一排氣歧管102、一進氣門105、一排氣門106、一氣體噴嘴103、一柴油噴嘴104、一活塞107以及一曲軸108。進氣歧管101及排氣歧管102連通於汽缸109。於進氣歧管101及汽缸109間設置有一進氣門105，並於排氣歧管102及汽缸109間設置有一排氣門106。氣體噴嘴103設置於進氣歧管101上，其噴氣方向朝向進氣門105。柴油噴嘴104則直接連通汽缸109。

於此述及第2圖中，柴油引擎氫氣預助燃裝置之作動。此先說明柴油引擎之運轉行程。進氣行程：排氣門106關閉而進氣門105開啟。活塞107由上死點往下死點位移時，於進氣歧管101中之空氣經由進氣門105被吸入汽缸109中。此時，燃油(即柴油)尚未進入汽缸109內。壓縮行程：於進氣行程結束後，當活塞107由下死點開始向上位移時，進氣門105關閉並停止進氣。於活塞107向上位移的同時，空氣被壓縮，壓力和溫度開始增加。於壓縮行程中，空氣必須被壓縮加熱直至到達柴油點火溫度以上。動力行程：當活塞107向上位移至接近上死點時，壓縮行程接近結束，柴油噴嘴104將柴油霧化形成柴油噴霧F，並噴入汽缸109 內，此時經壓縮加熱後之空氣即點燃柴油噴霧F。而當汽缸109內之壓力迅速上升，並將活塞107向下推，此推力形成讓曲軸108產生轉動之力量。排氣行程：於柴油噴霧F燃燒過程結束後，當活塞107向下位移至接近下死點時，排氣門106即開啟。當活塞107再度向上位移時，柴油噴霧F燃燒產生之廢氣便經由排氣門106及與其連通之排氣歧管102排放至大氣中。至此，即完成柴油引擎運轉之一單次循環。本發明即利用設置於進氣歧管101上之氣體噴嘴103，將氫氣霧化形成氫氣噴霧H，並於壓縮行程之上死點前(即活塞107位移至上死點前)，將氫氣噴霧H噴入進氣歧管101內，並透過開啟之進氣門105進入汽缸內。接續，柴油噴嘴104亦將柴油噴霧F噴入汽缸109內準備開始燃燒。因氫氣噴霧H具高度易燃特性，故可預先輔助柴油噴霧F的燃燒，令柴油噴霧F之燃燒更為完全。

第3圖係繪示第2圖中之柴油引擎氫氣預助燃裝置中使用之氣體噴嘴103結構立體圖。於一實施例中，本發明中之氣體噴嘴103，係採用預先經過三段減壓閥之工業用瓦斯爐噴嘴，其具有較習知產生氫氣噴霧H更為簡易之結構，成本更為便宜。並且，氣體噴嘴103一端之開口A之直徑範圍可由52微米至80微米。藉此，可噴出具35米/每秒(35m/s)之出口速度及10英吋水柱(10inch-H₂O)之壓差之氫氣噴霧H。氣體噴嘴103之材質可為銅或其他可能材質。請配合第2圖，氣體噴嘴103於壓縮行程之上死點前70度~30度之間，將氫氣噴霧H噴入汽缸109內，以獲致較佳的輔助燃燒效果。以下續說明本發明透過特殊結構之氣體噴嘴103，於特定時間點，配合選取之氫氣噴霧H之預設噴量、預設角度對柴油噴霧F產生之預助燃效果。

本發明選擇氫氣為柴油燃燒之預助燃，係基於氫氣之物質特性。舉例而言，氫氣於燃燒過程中，僅生成產生水及氮氧化物，而無生成一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO₂)、碳氫化合物(HC)、氮氧化物(NO_X)、黑煙及粉塵顆粒等環境有害之污染物質。再者，氫氣為高度易燃之氣體，其快速燃燒有利於加速柴油之完全燃燒。

NO_X排放濃度之變化：於各種引擎轉速之不同負載下，觀察到NO_X濃度值均微幅升高。其可能原因，係氫氣具有強擴散性、高度易燃、熱值高等特性，因此對汽缸109內的柴油噴霧F產生顯著預助燃效果，故使缸內燃燒速度加快所致。

HC排放濃度之變化：於各種引擎轉速之不同負載下，均觀察到HC排放濃度降低，此係基於氫氣具有極佳的易燃性，縮短了柴油噴霧F燃燒結束的時間，因此可有效降低HC的排放。

CO排放濃度之變化：於各種引擎轉速之不同負載下，觀察到CO排放濃度均有下降。此係基於本發明所選取之氫氣噴霧H之預設噴量，對柴油噴霧F預助燃效果顯著，使其燃燒更為完全，並縮短了柴油噴霧F燃燒結束的時間。

CO₂排放濃度之變化：觀察到CO₂排放濃度隨氫氣噴霧H之預設噴量增加而逐漸下降。此係基於本發明所選取之氫氣噴霧H之預設噴量，對柴油噴霧F預助燃效果顯著，使其燃燒更為完全，並縮短了柴油噴霧F燃燒結束的時間。

黑煙排放濃度變化：加入所選取之預設噴量之氫氣噴霧H輔助柴油噴霧F燃燒後，可觀察到黑煙排放濃度降低。其主要原因係氫氣之著火點低及燃燒速率相當高，有助於引擎各轉速各負載時，柴油噴霧F的燃燒更為完全，而達到輔助柴油噴霧F的預助燃效果，使黑煙濃度值減低。

引擎扭力變化：同時，使用預設噴量之氫氣噴霧H作為柴油噴霧F燃燒之助燃劑時，亦可使產生點燃峰值壓力的溫度提前3~5度，並且引擎扭力有約5%的提昇。此亦表示使用氫氣噴霧H預助燃，對柴油噴霧F完全燃燒具有明顯助益。

引擎油耗變化：使用E-BSFC對引擎油耗進行評估。E-BSFC的單位主要係產生一千瓦的功率連續一小時所需要的燃料熱值。當使用預設噴量之氫氣噴霧H對柴油噴霧F燃燒進行預助燃時，E-BSFC可下降15%~30%，此顯示引擎燃燒效率增加，而此意謂油耗的減少。

綜上，雖然NO_X排放濃度觀察到微幅上升，然而HC、CO、CO₂之排放濃度及E-BSFC皆有下降趨勢。再者，亦觀察到引擎扭力的提升。因此，氫氣噴霧H的確對柴油噴霧F的燃燒具有顯著預助燃效果。亦即透過本發明之柴油引擎氫氣預助燃方法及裝置，不僅可減少油耗，提升引擎扭力，更兼具環保效果。

雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作各種的更動與潤飾，因此本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

S101、S102、S103、S104、S105‧‧‧步驟

Claims

一種柴油引擎氫氣預助燃方法，其應用於一柴油引擎，且該柴油引擎包含一汽缸以及連通於該汽缸之一進氣歧管，該柴油引擎氫氣預助燃方法包含：透過一氣體噴嘴將一氫氣霧化形成一氫氣噴霧，該氣體噴嘴以35米/每秒(35m/s)之一出口速度及10英吋水柱(10inch-H₂O)之一壓差噴出該氫氣噴霧；於該柴油引擎運行於一壓縮空氣點火行程時，柴油未自燃前，將該氫氣噴霧以一預設角度及一預設噴量噴入該進氣歧管內，該預設角度為該柴油引擎運行於該壓縮空氣點火行程時之一上死點前70度~30度之間，該氫氣噴霧之該預設噴量之熱值為該柴油引擎於一單次循環之該柴油噴霧之噴量之熱值之2%~4%；將該氫氣噴霧經過該進氣歧管噴入該汽缸內；透過一柴油噴嘴將一柴油霧化形成一柴油噴霧，並將該柴油噴霧噴入該汽缸內；以及透過該氫氣噴霧燃燒預先輔助該汽缸內之該柴油噴霧燃燒。
如申請專利範圍第1項所述的柴油引擎氫氣預助燃方法，其中該汽缸包含一進氣門，該進氣門於開啟時連通該進氣歧管，該氫氣噴霧透過開啟之該進氣門噴入該汽缸內。