发动机缸内氨燃料多级喷射方法与流程

1.本发明涉及发动机领域，具体涉及发动机内氨燃料燃烧领域。


背景技术：

2.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％-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。
3.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。
4.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
x
)、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。
5.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。
6.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。
7.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-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-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。


技术实现要素：

8.本发明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。
9.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。
10.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。
11.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。
12.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。
13.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。
14.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。
15.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。
16.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。
17.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。
18.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
19.本发明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：
20.图1是氨燃料和往复式发动机缸内环境压力-温度综合相图；
21.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；
22.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；
23.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；
24.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；
25.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；
26.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；
27.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；
28.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；
29.图4c是预燃室射流火焰引燃时的缸内环境示意图；
30.图5a是采用火花塞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；
31.图5b是采用火花塞引燃方式时压缩液氨进行雾化喷射时的缸内环境示意图；
32.图5c是火花塞点火引燃氨燃料时的缸内环境示意图。
具体实施方式
33.下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，在以下的描述中阐述了更多的细节以便于充分理解本发明，但是本发明显然能够以多种不同于此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下根据实际应用情况作类似推广、演绎，因此不应以此具体实施例的内容限制本发明的保护范围。
34.需要注意的是，这些以及后续其他的附图、特征数据均仅作为示例，其并非是按照等比例的条件绘制的，并且不应该以此作为对本发明实际要求的保护范围构成限制。
35.图1示出了氨的p-t相图和往复式发动机缸内环境p-t相图，纵坐标p为压力，横坐标t为温度。氨的临界温度tc为132.3℃，临界压力pc为11.2mpa，常压下沸点t
boil
为-33.5℃，常温(25℃)下氨的饱和蒸汽压为1.0mpa。
36.需要说明的是，上述数据作为氨特性的一个参考，而不应该认为对本发明实际要求的保护范围构成限制。
37.图1中实线表示氨饱和蒸汽压曲线，虚线表示往复式内燃机缸内环境曲线图，其上存在a、b、c三点，分别表示不同的缸内喷射环境。a点表示燃料闪急沸腾喷射环境，b点表示压缩液体雾化喷射环境，c点表示燃料跨临界喷射环境。相图中l所在区域表示氨处于液相区，cl表示氨处于压缩液体区，g表示氨处于气相区，ig表示理想气体区，s表示超临界区。其中，d点表示燃料喷射时初始状态所在位置。
38.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，本公开所述的方法能够根据不同冲程阶段分级将液氨燃料喷入气缸内，组织形成氨空混合气。
39.在该方法中，当发动机缸内温度高于液氨沸点t
boil
时，对液氨采用闪急沸腾喷射方式；当发动机缸内环境压力小于氨的临界压力pc时，对液氨采用压缩液体雾化喷射方式；
当发动机缸内环境压力大于氨的临界压力pc时，对液氨采用燃料跨临界喷射。通过以上多级喷射的方法减小单次喷射液氨燃料后燃烧缓慢而不充分的问题。
40.具体的，结合图2a和图1虚线所示，在发动机排气阀关闭后，活塞10压缩行程前期，此时发动机缸内15的温度高于液氨沸点t
boil
。这时液氨由液氨喷射器20喷入缸内15时，将产生闪急沸腾雾化效果，氨燃料的变化过程由d点变化到a点，如线
①
所示，下述介绍中将该过程称为第一阶段。闪急沸腾喷射贯穿距短，液氨燃料将迅速沸腾气化，不会造成气缸内湿壁现象，也不会撞击到热的发动机部件而出现局部热应力大等问题。另外，液氨气化潜热高，闪急沸腾喷射过程中将吸收缸内大量的热，降低缸内温度，从而间接减小活塞压缩行程做功，提高发动机热效率。
41.继续结合图2b和图1所示虚线理解，在活塞处于压缩中期的冲程下，发动机缸内环境压力未达到氨的临界压力pc，此时利用压缩液氨密度大的特点，采用压缩液体雾化喷射方式喷入液氨。氨燃料的变化过程由d点到b点，如线
②
所示，下述介绍中将该过程称为第二阶段。此时喷射动量高的液氨，形成的液雾贯穿距长，可解决大功率发动机缸径大而无法充分利用燃烧空间的问题。
42.随着活塞进一步压缩，当发动机缸内环境压力超过了氨的临界压力pc，此时采用燃料跨临界喷射方式。如液氨可在活塞上止点前20
°
ca内喷射，利用缸内高温高压环境，液氨快速形成可燃混合气。氨燃料的变化过程由d点到c点，如线
③
所示，下述介绍中将该过程称为第三阶段。该方式可以有效减少未燃氨及氨逃逸。
43.上述发动机缸内氨燃料喷射组织方法充分利用往复式内燃机气缸内温度、压力环境变化的特点，并结合氨易液化但不易着火的特性，根据不同冲程分别采用不同的多级喷射策略。在活塞压缩后期和做功前期采用燃料跨临界喷射能够有效减少未燃氨及氨逃逸，利用缸内高温高压环境快速形成可燃混合气；在活塞压缩中期采用压缩液体雾化喷射能够充分利用大功率发动机的燃烧空间；在活塞压缩前期采用燃料闪急沸腾喷射，能够使液氨燃料迅速气化，不会造成气缸内湿壁现象，也不会产生因液氨撞击到发动机热部件而造成局部热应力大等问题，闪急沸腾喷射过程还可以吸收缸内大量的热，降低缸内温度，间接减小压缩功，从而充分利用氨燃料的物理化学特性，在往复式发动机中高效使用。
44.在船用发动机高负荷情况下，上述闪急沸腾喷射、压缩液体雾化喷射和燃料跨临界喷射分别对应内燃机的压缩前期、中期和后期的三个冲程阶段。但在低负荷的情况下，一般不考虑燃料跨临界喷射方式。
45.前述基于氨燃料的物理化学特性、使用多级喷射的方法，还需考虑不同负荷、转速、喷射压力、喷射脉宽、排放要求等发动机缸内压力因素。综合缸内各因素后，还可形成如下适用于大功率氨燃料氨空混合气喷射组织方案。
46.当发动机冷启动或者在小负荷工况下，由于缸内温度压力低，需避免闪急沸腾喷射方式中因闪急沸腾快速吸热而造成失火风险的问题，因此对液氨采用压缩液体雾化喷射，形成燃空混合气。
47.当发动机工作于中负荷工况下，由于缸内燃烧始点压力未达到氨燃料的临界压力11.2mpa，可根据不同负荷、转速、喷射压力、喷射脉宽、排放要求等目标参数，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。
48.当发动机工作在高负荷工况下，缸内燃烧始点压力超过氨燃料的临界压力，可根
据不同负荷、转速、喷射压力、喷射脉宽、排放要求等目标参数，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。
49.上述方法中进行组合喷射方式的比例由诸如负荷、转速、喷射压力、喷射脉宽、排放要求等不同目标参数具体确定。
50.此外，可以利用采用燃油反应活性控制压燃、预燃室射流火焰引燃、火花塞引燃、等离子引燃、激光引燃方式对将上述多级喷射后的氨燃料氨空混合气进行引燃。
51.燃油反应活性控制压燃(reactivity controlled compression ignition,rcci)是利用诸如燃油等高活性燃油进行喷射引燃的方式。如图3b所示，在一些实施例中，高活性燃油可以通过喷油器30在第二阶段、进行压缩液体雾化喷射过程中，先与氨燃料进行预混，进而再在第三阶段进行燃料跨临界喷射时引燃氨燃料；在另一些实施例中，如图3c所示，高活性燃油也可在第三阶段进行燃料跨临界喷射或活塞压缩行程后期时直接引燃氨燃料。
52.采用预燃室射流火焰引燃方式时，基于预燃室，利用诸如氢等气体燃料产生射流火焰40，在第三阶段，也即燃料跨临界喷射或活塞压缩行程后期时直接产射流火焰引燃氨燃料，如图4c所示。
53.也可采用火花塞、等离子或激光引燃等引燃方式，利用火花塞、等离子或激光在第三阶段，也即进行燃料跨临界喷射时触发引燃氨燃料。如图5c所示，火花塞50在内燃机压缩后期、做功前期直接触发，完成引燃缸内氨燃料。
54.上述发动机缸内氨燃料多级喷射方法及对应的引燃方式充分考虑到缸内环境因素和液氨的自身特性，提出分级喷射、组合喷射以及相对应的引燃组织策略，促进了氨空混合程度，避免产生局部热应力过大和氨失火爆燃的问题，从而充分利用氨燃料的物理化学特性，在往复式发动机中高效使用，进而使氨燃料发动机具有较佳的性能。
55.需要说明的是，上述介绍中使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，不代表主次，因此不能理解为对本技术保护范围的限制。
56.同时，本技术使用了特定词语来描述本技术的实施例。如“一个实施例”、“一实施例”、和/或“一些实施例”意指与本技术至少一个实施例相关的某一特征、结构或特点。因此，应强调并注意的是，本说明书中在不同位置两次或多次提及的“一实施例”或“一个实施例”或“一替代性实施例”并不一定是指同一实施例。此外，本技术的一个或多个实施例中的某些特征、结构或特点可以进行适当的组合。
57.本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化及修饰，均落入本发明权利要求所界定的保护范围之内。

技术特征：
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，所述目标参数包括负荷、转速、喷射压力、喷射脉宽、排放要求。6.如权利要求1或3所述的发动机缸内氨燃料多级喷射方法，其特征在于，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。7.如权利要求6所述的发动机缸内氨燃料多级喷射方法，其特征在于，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或活塞压缩行程后期喷射引燃氨燃料。8.如权利要求6所述的发动机缸内氨燃料多级喷射方法，其特征在于，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。9.如权利要求6所述的发动机缸内氨燃料多级喷射方法，其特征在于，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。10.如权利要求6所述的发动机缸内氨燃料多级喷射方法，其特征在于，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。

技术总结
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。


技术研发人员：具德浩 李红梅 李华 郑亮 张文正
受保护的技术使用者：中国船舶集团有限公司第七一一研究所
技术研发日：2022.12.02
技术公布日：2023/7/6