多点低压喷射氨、柴油双燃料发动机及燃烧组织方法

1.本发明涉及的是一种双燃料发动机，具体地说是双燃料发动机及其燃烧组织方法。


背景技术：

2.氨气能量密度大、易液化、抗爆性能好，其完全燃烧只产生清洁无污染的水和氮气，是理想的无碳替代燃料。但是氨存在火焰速度慢、燃点与最小点火能量高等问题，利用柴油作为氨燃料的引燃剂和助燃剂，可以有效提高氨的火焰传播速度，缩短燃烧持续期，从而提升发动机燃烧效率与排放性能。
3.对于柴油/氨双燃料发动机，在中低负荷工况下，存在柴油喷射比例大、氨气替代率低和逃逸量高的问题，在高负荷工况下，存在火焰稳定性差、易爆震和nox排放高的问题。为使柴油/氨双燃料发动机在各个工况下保持良好的动力性与经济性，需要构建合理的双燃料燃烧系统及燃烧方法。柴油/氨双燃料发动机中引燃柴油为多点同时着火，柴油和氨气在缸内的分布状态对整个着火阶段、燃烧进程乃至后续的排放均有着重要的影响，因此可以根据运行工况不同，通过改变进气条件、喷射策略(燃料喷射量、喷射次数、喷射角度)在缸内形成有差异的混合燃气分布效果，实现双燃料发动机燃烧与排放性能的控制优化。
4.在柴油/氨双燃料发动机油气喷射控制装置上，公开号cn113202637a提供了一种液氨-柴油双燃料喷射装置，液氨通过高压氨管连接液氨喷射器，液氨喷射器通过回氨管连接液氨储存罐，实现液氨与柴油的并联喷射。公开号cn113202638a提供了一种液氨-柴油双燃料供给系统，液氨储存罐的出口管路上安装低压泵、高压泵、温度控制器，实现液氨的高低压喷射。但是以上专利均未涉及通过优化氨/柴油双燃料喷射策略与燃烧系统结构匹配，实现组织混合气浓度分层状态，达到改善缸内混合气稳定着火与可靠燃烧的目的。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供可以满足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多点低压喷射氨、柴油双燃料发动机及燃烧组织方法。
6.本发明的目的是这样实现的：
7.本发明多点低压喷射氨、柴油双燃料发动机，其特征是：包括气缸套、气缸盖、活塞、燃油箱、液氨储存罐、高压共轨管、液氨共轨管，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、进气阀、排气阀，燃烧室通过进气阀连接进气道，燃烧室通过排气阀连接排气道，进气道里安装液氨喷射阀，燃油箱通过低压供油泵、第一泄压阀、高压油泵连接高压共轨管，高压共轨管分别连接主喷油器和副喷油器，液氨储存罐通过减压阀、流量计连接液氨共轨管，液氨共轨管连接液氨喷射阀。
8.本发明多点低压喷射氨、柴油双燃料发动机还可以包括：
9.1、高压共轨管通过第二泄压阀连接燃油箱。
10.2、液氨喷射阀倾斜安装在进气道上，液氨喷射阀中心轴线与进气道中心轴线夹角
为30-60
°
。
11.3、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，其中心轴线与气缸轴线倾斜夹角为15-35
°
。
12.4、主喷油器为大流量多孔喷油器，喷孔均匀分布在喷油嘴上，副喷油器为小流量多孔喷油器，喷孔集中分布在喷油嘴靠近气缸轴线的一侧面上，相同喷射脉宽下副喷油器喷射流量为主喷油器喷射流量的5-10％。
13.5、燃烧室顶部为圆蓬形；活塞为深ω形，其顶部凹坑较深，口径有收缩。
14.6、进气道为切向进气道，靠近进气门处气道中心线与气缸轴线倾斜夹角为10-25
°
，进气道内的氨混合气沿气缸圆周切线方向进入，并与气门和气缸壁发生碰撞分离，在气缸内形成大尺度滚流和小尺度涡流，通过进气滚流和进气涡流对氨与空气的协同掺混作用，进一步促进混合气的形成。
15.本发明多点低压喷射氨、柴油双燃料发动机燃烧组织方法，其特征是：在进气冲程阶段，液氨喷射阀沿中心轴线向进气道内壁低压喷射液氨，在进气道内构造出自由射流区域、碰撞附壁区域和反射射流区域，自由射流区域是液氨从喷孔喷出到撞壁的区域，在自由射流区域内，液氨射流沿喷射轴线呈楔形；碰撞附壁区域是液氨与进气道壁面碰撞接触形成的区域，在碰撞附壁区域内，液氨射流与壁面碰撞而加速破碎，部分液氨气化并沿壁面流动，不断形成贴壁涡旋结构；反射射流区域是液氨脱壁反射回进气道形成的区域，在反射射流区域内，液氨射流受气流主导作用被不断卷吸入空气中，通过液氨射流的碰壁、贴壁和反射流动的协同作用，强化液氨的气化、扩散和卷吸过程，提高氨与空气的混合速率。
16.本发明多点低压喷射氨、柴油双燃料发动机燃烧组织方法还可以包括：
17.1、当发动机处于稳定工作状态时，控制液氨喷射阀在排气阀关闭后向进气道内喷射一次液氨，当发动机处于瞬态加速的非稳定工作状态时，控制液氨喷射阀在排气阀关闭后向进气道内先后喷射两次液氨，第一次喷射的液氨与空气预混后在缸内形成均匀的稀混合气，第二次喷射的液氨与空气预混后集中分布在燃烧室上层，形成上浓下稀的氨混合气浓度分布。
18.2、(1)在发动机处于起动、怠速和低负荷工况时，采用柴油工作模式，液氨喷射阀不进行燃料喷射，空气在进气门开启至关闭的时间范围内进入气缸，控制主喷油器和副喷油器同时喷射柴油压燃着火工作，喷油正时为压缩冲程后期，副喷柴油雾束从主喷柴油雾束间隙穿过，避免主喷油雾与副喷油雾之间的干扰，实现nox和soot的平衡，雾束与深ω形缩口活塞上行产生的涡流与挤流相互作用，加快油气混合，减少燃烧持续期，使发动机在低速低负荷工况下运转柔和；
19.(2)在发动机处于中负荷工况时，采用双燃料工作模式，主喷油器不进行燃油喷射工作，副喷油器与液氨喷射阀共同工作，液氨喷射阀采用多点喷射模式将液氨低压喷射入进气道并与新鲜空气进行预混，在进气门开启至关闭的时间范围内，混合气进入气缸，在缸内先形成均质混合气，副喷油器采用两次喷射，第一次喷射正时为压缩冲程中期，柴油喷雾与缸内氨预混合气混合，在缸内温度的作用下发生初步低温裂解反应，生成高活性自由基，第二次喷射正时为压缩冲程行至上止点附近，进气滚流与涡流受活塞上行挤压迅速破碎成微涡旋，促使缸内混合气形成明显的反应活性分层和浓度分层，第二次喷射的柴油进一步提高缸内混合气反应活性，在温度、压力及当量比达到着火点时，活塞凹坑顶部的高活性区
域首先着火，实现柴油喷雾与氨气燃料的平稳燃烧；
20.(3)在发动机处于高负荷工况时，采用双燃料工作模式，主喷油器不进行燃油喷射工作，副喷油器与液氨喷射阀共同工作，液氨由喷射阀采用多点喷射模式将液氨低压喷射入进气道并于新鲜空气进行预混，在进气门开启与关闭的时间范围内，混合气进入气缸，在缸内形成均质混合气，副喷油器采用单次喷射模式，喷射正时为压缩冲程行至上止点附近，深ω形活塞上行产生的挤流促使氨预混合气集中到燃烧室中心位置，压缩冲程继续进行，温度、压力与当量比达到着火点时，柴油喷雾首先在上止点附近高活性区域自发多点着火，进而引燃氨燃料，实现可燃混合气的稳定着火与燃烧。
21.本发明的优势在于：本发明通过采用多点喷射方式，实现对各缸进气过程的精准控制，使各缸燃烧均匀性更加优越；通过采用不同流量特性的主、副喷油器将油束喷入燃烧室，与深ω形活塞和进气滚流协同作用，增强活塞凹坑附近的挤压涡流，实现了燃油喷雾与氨预混合气的快速均匀混合；通过对氨/柴油双燃料发动机不同负荷工况下燃烧模式与燃油喷射策略做出合理匹配设计，实现了缸内混合气合理分层，确保发动机稳定着火，提高了氨燃料火焰传播速度和燃烧稳定性，解决了柴油/氨双燃料发动机在中低负荷工况难启动、氨逃逸量大和高负荷工况nox排放高的问题。
附图说明
22.图1为本发明的结构示意图；
23.图2为液氨喷射示意图；
24.图3为进气涡流与滚流示意图；
25.图4为低负荷工况柴油喷射示意图；
26.图5为低负荷工况油束分布俯视图；
27.图6为中负荷工况副喷油器第一次喷射时油气分布示意图；
28.图7为中负荷工况副喷油器第二次喷射时油气分布示意图；
29.图8为中负荷工况副喷油器两次不等量喷射速率规律曲线；
30.图9为高负荷工况副喷油器喷射时油气分布示意图；
31.图10为高负荷工况液氨、柴油喷射速率规律曲线。
具体实施方式
32.下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：
33.结合图1-10，本发明双燃料发动机系统具体布置图如附图1所示，主要包括：液氨储存罐1、减压阀2、流量计3、液氨共轨管4、液氨喷射阀5、进气道6、进气门7、主喷油器8、副喷油器9、燃烧室10、活塞11、气缸套12、气缸盖13、燃油箱14、低压供油泵15、滤清器16、高压油泵17、泄压阀18、高压共轨管19、轨压传感器20、ecu21等；液氨喷射阀5倾斜安装在进气道6上，液氨喷射阀5中心轴线与进气道6中心轴线夹角为30-60
°
；主喷油器8垂直安装在气缸盖13内，其中心轴线与气缸轴线重合，副喷油器9倾斜安装在气缸盖13内，其中心轴线与气缸轴线倾斜夹角为15-35
°
，主喷油器8为大流量多孔喷油器，喷孔均匀分布在喷油嘴上，副喷油器9为小流量多孔喷油器，喷孔集中分布在喷油嘴靠近气缸轴线的一侧面上，相同喷射脉宽下副喷油器13喷射流量为主喷油器15喷射流量的5-10％；燃烧室10顶部为圆蓬形；活
塞11为深ω形，其顶部凹坑较深，口径有收缩；所采用氨/柴油双燃料发动机为四冲程发动机，工作循环包括进气冲程、压缩冲程、燃烧做功冲程及排气冲程；所述燃油箱14里的燃油先被低压供油泵15吸出输送给高压油泵17，高压油泵17给燃油增压，把燃油增压为高压油供给高压共轨管19，ecu21根据轨压力传感器20反馈信号对轨压进行调节，如果轨压过高，开启泄压阀18，部分高压油流回燃油箱，降低共轨压力；所述ecu21根据发动机运行工况控制液氨喷射策略与燃油喷射策略匹配协同，控制缸内混合气形成和燃烧过程。
34.在进气冲程阶段，液氨喷射阀沿中心轴线向进气道内壁低压喷射液氨，目的是在液氨喷射过程中在进气道内构造出自由射流区域、碰撞附壁区域和反射射流区域，射流运动如附图2所示，自由射流区域是液氨从喷孔喷出到撞壁的区域，在自由射流区域内，液氨射流沿喷射轴线呈楔形；碰撞附壁区域是液氨与进气道壁面碰撞接触形成的区域，在碰撞附壁区域内，液氨射流与壁面碰撞而加速破碎，部分液氨气化并沿壁面流动，不断形成贴壁涡旋结构；反射射流区域是液氨脱壁反射回进气道形成的区域，在反射射流区域内，液氨射流受气流主导作用被不断卷吸入空气中，通过液氨射流的碰壁、贴壁和反射流动的协同作用，强化液氨的气化、扩散和卷吸过程，提高氨与空气的混合速率。
35.上述进气道为切向进气道，靠近进气门处气道中心线与气缸轴线倾斜夹角为10-25
°
，受切向进气道和圆蓬顶形燃烧室导向作用，进气道内的氨混合气沿气缸圆周切线方向进入气缸，并与气门和气缸壁发生碰撞分离，在气缸内形成大尺度滚流和小尺度涡流，形成的气流运动如附图3所示，通过进气滚流和进气涡流对氨与空气的协同掺混作用，进一步促进混合气的形成。
36.当发动机处于稳定工作状态时，控制液氨喷射阀在排气阀关闭后向进气道内喷射一次液氨，当发动机处于瞬态加速的非稳定工作状态时，控制液氨喷射阀在排气阀关闭后向进气道内先后喷射两次液氨，第一次喷射的液氨与空气预混后在缸内形成均匀的稀混合气，第二次喷射的液氨与空气预混后集中分布在燃烧室上层，形成上浓下稀的氨混合气浓度分布，有利于缩短燃烧持续期，从而提高发动机加速灵敏性。
37.多点低压喷射氨/柴油双燃料发动机燃烧组织方法：通过对液氨喷射阀、主喷油器和副喷油器的喷射正时、喷射量和喷射规律的协同优化控制，实现不同工况下纯柴油模式和双燃料模式的灵活切换，实现高低反应活性燃料浓度梯度耦合分层，控制混合气的燃烧过程。
38.具体控制过程如下：
39.(1)在发动机处于起动、怠速和低负荷工况时，氨/柴油双燃料发动机采用柴油工作模式，液氨喷射阀不进行燃料喷射，空气在进气门开启至关闭的时间范围内进入气缸，为避免碳烟堵塞副喷油器喷孔，ecu控制主喷油器和副喷油器同时喷射柴油压燃着火工作，喷油正时为压缩冲程后期，此时主喷油器和副喷油器喷射的柴油雾束分布状态如附图4和附图5所示，副喷柴油雾束从主喷柴油雾束间隙穿过，避免主喷油雾与副喷油雾之间的干扰，实现nox和soot的平衡，，与单一中央喷油相比，采用副喷油器侧面喷油方式可以减少油雾火焰与气缸壁的接触，降低热损失，雾束与深ω形缩口活塞上行产生的涡流与挤流相互作用，加快油气混合，减少燃烧持续期，使发动机在低速低负荷工况下运转柔和。
40.(2)在发动机处于中负荷工况时，氨/柴油双燃料发动机采用双燃料工作模式，主喷油器不进行燃油喷射工作，副喷油器与液氨喷射阀共同工作，液氨喷射阀采用多点喷射
模式将液氨低压喷射入进气道并与新鲜空气进行预混，在进气门开启至关闭的时间范围内，混合气进入气缸，在缸内先形成均质混合气，副喷油器采用两次喷射，第一次喷射正时为压缩冲程中期，柴油喷雾与缸内氨预混合气混合，在缸内温度的作用下发生初步低温裂解反应，生成一定浓度的高活性自由基，提高氨气反应活性与燃烧速度，此时缸内油气分布如附图6所示，第二次喷射正时为压缩冲程行至上止点附近，进气滚流与涡流受活塞上行挤压迅速破碎成微涡旋，促使缸内混合气形成明显的反应活性分层和浓度分层，此时缸内油气分布如附图7所示，柴油两次喷射速率曲线如附图8所示，第二次喷射的柴油会进一步提高缸内混合气反应活性，在温度、压力及当量比达到着火点时，活塞凹坑顶部的高活性区域首先着火，实现柴油喷雾与氨气燃料的平稳燃烧。
41.(3)在发动机处于高负荷工况时，氨/柴油双燃料发动机采用双燃料工作模式，主喷油器不进行燃油喷射工作，副喷油器与液氨喷射阀共同工作，液氨由喷射阀采用多点喷射模式将液氨低压喷射入进气道并于新鲜空气进行预混，在进气门开启与关闭的时间范围内，混合气进入气缸，在缸内形成均质混合气，副喷油器采用单次喷射模式，喷射正时为压缩冲程行至上止点附近，深ω形活塞上行产生的挤流促使氨预混合气集中到燃烧室中心位置，此时缸内油气分布如附图9所示，液氨与柴油的喷射速率曲线如附图10所示，压缩冲程继续进行，温度、压力与当量比达到着火点时，柴油喷雾首先会在上止点附近高活性区域自发多点着火，进而引燃氨燃料，实现可燃混合气的稳定着火与燃烧。

技术特征：
1.多点低压喷射氨、柴油双燃料发动机，其特征是：包括气缸套、气缸盖、活塞、燃油箱、液氨储存罐、高压共轨管、液氨共轨管，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、进气阀、排气阀，燃烧室通过进气阀连接进气道，燃烧室通过排气阀连接排气道，进气道里安装液氨喷射阀，燃油箱通过低压供油泵、第一泄压阀、高压油泵连接高压共轨管，高压共轨管分别连接主喷油器和副喷油器，液氨储存罐通过减压阀、流量计连接液氨共轨管，液氨共轨管连接液氨喷射阀。2.根据权利要求1所述的多点低压喷射氨、柴油双燃料发动机，其特征是：高压共轨管通过第二泄压阀连接燃油箱。3.根据权利要求1所述的多点低压喷射氨、柴油双燃料发动机，其特征是：液氨喷射阀倾斜安装在进气道上，液氨喷射阀中心轴线与进气道中心轴线夹角为30-60
°
。4.根据权利要求1所述的多点低压喷射氨、柴油双燃料发动机，其特征是：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，其中心轴线与气缸轴线倾斜夹角为15-35
°
。5.根据权利要求1所述的多点低压喷射氨、柴油双燃料发动机，其特征是：主喷油器为大流量多孔喷油器，喷孔均匀分布在喷油嘴上，副喷油器为小流量多孔喷油器，喷孔集中分布在喷油嘴靠近气缸轴线的一侧面上，相同喷射脉宽下副喷油器喷射流量为主喷油器喷射流量的5-10％。6.根据权利要求1所述的多点低压喷射氨、柴油双燃料发动机，其特征是：燃烧室顶部为圆蓬形；活塞为深ω形，其顶部凹坑较深，口径有收缩。7.根据权利要求1所述的多点低压喷射氨、柴油双燃料发动机，其特征是：进气道为切向进气道，靠近进气门处气道中心线与气缸轴线倾斜夹角为10-25
°
，进气道内的氨混合气沿气缸圆周切线方向进入，并与气门和气缸壁发生碰撞分离，在气缸内形成大尺度滚流和小尺度涡流，通过进气滚流和进气涡流对氨与空气的协同掺混作用，进一步促进混合气的形成。8.多点低压喷射氨、柴油双燃料发动机燃烧组织方法，其特征是：在进气冲程阶段，液氨喷射阀沿中心轴线向进气道内壁低压喷射液氨，在进气道内构造出自由射流区域、碰撞附壁区域和反射射流区域，自由射流区域是液氨从喷孔喷出到撞壁的区域，在自由射流区域内，液氨射流沿喷射轴线呈楔形；碰撞附壁区域是液氨与进气道壁面碰撞接触形成的区域，在碰撞附壁区域内，液氨射流与壁面碰撞而加速破碎，部分液氨气化并沿壁面流动，不断形成贴壁涡旋结构；反射射流区域是液氨脱壁反射回进气道形成的区域，在反射射流区域内，液氨射流受气流主导作用被不断卷吸入空气中，通过液氨射流的碰壁、贴壁和反射流动的协同作用，强化液氨的气化、扩散和卷吸过程，提高氨与空气的混合速率。9.根据权利要求8所述的多点低压喷射氨、柴油双燃料发动机燃烧组织方法，其特征是：当发动机处于稳定工作状态时，控制液氨喷射阀在排气阀关闭后向进气道内喷射一次液氨，当发动机处于瞬态加速的非稳定工作状态时，控制液氨喷射阀在排气阀关闭后向进气道内先后喷射两次液氨，第一次喷射的液氨与空气预混后在缸内形成均匀的稀混合气，第二次喷射的液氨与空气预混后集中分布在燃烧室上层，形成上浓下稀的氨混合气浓度分布。10.根据权利要求8所述的多点低压喷射氨、柴油双燃料发动机燃烧组织方法，其特征
是：(1)在发动机处于起动、怠速和低负荷工况时，采用柴油工作模式，液氨喷射阀不进行燃料喷射，空气在进气门开启至关闭的时间范围内进入气缸，控制主喷油器和副喷油器同时喷射柴油压燃着火工作，喷油正时为压缩冲程后期，副喷柴油雾束从主喷柴油雾束间隙穿过，避免主喷油雾与副喷油雾之间的干扰，实现nox和soot的平衡，雾束与深ω形缩口活塞上行产生的涡流与挤流相互作用，加快油气混合，减少燃烧持续期，使发动机在低速低负荷工况下运转柔和；(2)在发动机处于中负荷工况时，采用双燃料工作模式，主喷油器不进行燃油喷射工作，副喷油器与液氨喷射阀共同工作，液氨喷射阀采用多点喷射模式将液氨低压喷射入进气道并与新鲜空气进行预混，在进气门开启至关闭的时间范围内，混合气进入气缸，在缸内先形成均质混合气，副喷油器采用两次喷射，第一次喷射正时为压缩冲程中期，柴油喷雾与缸内氨预混合气混合，在缸内温度的作用下发生初步低温裂解反应，生成高活性自由基，第二次喷射正时为压缩冲程行至上止点附近，进气滚流与涡流受活塞上行挤压迅速破碎成微涡旋，促使缸内混合气形成明显的反应活性分层和浓度分层，第二次喷射的柴油进一步提高缸内混合气反应活性，在温度、压力及当量比达到着火点时，活塞凹坑顶部的高活性区域首先着火，实现柴油喷雾与氨气燃料的平稳燃烧；(3)在发动机处于高负荷工况时，采用双燃料工作模式，主喷油器不进行燃油喷射工作，副喷油器与液氨喷射阀共同工作，液氨由喷射阀采用多点喷射模式将液氨低压喷射入进气道并于新鲜空气进行预混，在进气门开启与关闭的时间范围内，混合气进入气缸，在缸内形成均质混合气，副喷油器采用单次喷射模式，喷射正时为压缩冲程行至上止点附近，深ω形活塞上行产生的挤流促使氨预混合气集中到燃烧室中心位置，压缩冲程继续进行，温度、压力与当量比达到着火点时，柴油喷雾首先在上止点附近高活性区域自发多点着火，进而引燃氨燃料，实现可燃混合气的稳定着火与燃烧。

技术总结
本发明的目的在于提供多点低压喷射氨、柴油双燃料发动机及燃烧组织方法，包括气缸套、气缸盖、活塞、燃油箱、液氨储存罐、高压共轨管、液氨共轨管，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、进气阀、排气阀，燃烧室通过进气阀连接进气道，燃烧室通过排气阀连接排气道，进气道里安装液氨喷射阀，燃油箱通过低压供油泵、第一泄压阀、高压油泵连接高压共轨管，高压共轨管分别连接主喷油器和副喷油器，液氨储存罐通过减压阀、流量计连接液氨共轨管，液氨共轨管连接液氨喷射阀。本发明组织混合气形成合理的活性浓度梯度分层，保证各负荷工况下双燃料发动机的可靠着火与稳定燃烧，从而提高双燃料发动机的动力性能和排放性能。排放性能。排放性能。


技术研发人员：杨立平 王豪杰 王立媛
受保护的技术使用者：哈尔滨工程大学
技术研发日：2023.02.09
技术公布日：2023/6/26