氨燃料燃烧系统、发动机及燃烧控制方法

1.本发明涉及内燃机技术领域，尤其涉及一种氨燃料燃烧系统、发动机及燃烧控制方法。


背景技术：

2.氨燃料是一种清洁能源可较为有效的解决燃烧过程导致的碳排放问题。
3.但是氨燃料的着火温度高、点火能量大、火焰传播速度慢、可燃极限窄，导致其不易着火燃烧，且燃烧性能及稳定性较差。因此采用压缩自燃的方式需要很高的压缩比，纯氨燃料压燃燃烧会出现小负荷工况燃烧稳定性差甚至“失火”的难题，同时发动机压缩比过高，运行稳定性和可靠性差。
4.现阶段氨燃料在内燃机上的应用主要以预混合点燃或双燃料燃烧(如柴油/氨双燃料)方式为主。预混点燃方式存在燃烧效率低，且燃烧稳定性差等问题；而双燃料方式由于仍需要大量柴油引燃，降低碳排放效果差。


技术实现要素：

5.针对于现有的技术问题，本发明提供一种氨燃料燃烧系统、发动机及燃烧控制方法，用于至少部分解决以上技术问题。
6.本公开的一方面提供一种氨燃料燃烧系统，包括机体；活塞，安装在所述机体内；缸盖，安装在所述机体的开口位置，所述缸盖、机体和活塞限定第一燃烧室；第一燃烧部，包括：第一喷射器，设置在所述缸盖的中部，用以向所述第一燃烧室内喷射氨燃料；第二燃烧部，包括：第二燃烧室，形成于所述缸盖内并与所述第一燃烧室连通，用以先于所述第一燃烧室引燃燃料；第二喷射器，设置在所述第二燃烧室内，用以向所述第二燃烧室内喷射燃料，使得从第二喷射器喷出的燃料在压力下先于所述第一燃烧室内的氨燃料燃烧；以及射流孔，形成于所述缸盖和所述活塞同侧的表面，用以将所述第二燃烧室内燃烧的燃料形成射流火焰并引入所述第一燃烧室，并使得第一燃烧室内的氨燃料以扩散燃烧的方式进行燃烧。
7.根据本公开的实施例，还包括：进气道，形成于所述缸盖上；以及排气道，形成于与所述进气道对称的所述缸盖的径向另一侧上；其中，所述进气道内可开合的安装有进气门；所述排气道内可开合的安装有排气门。
8.根据本公开的实施例，所述第一喷射器沿所述缸盖的轴向方向延伸至所述第一燃烧室内。
9.根据本公开的实施例，所述第一喷射器位于所述第一燃烧室内的轴向第一端沿周向均匀间隔制出多个喷孔。
10.根据本公开的实施例，所述活塞和缸盖同侧的表面上形成凹槽，所述凹槽的表面光滑设置，由所述第一喷射器的喷孔喷射的氨燃料经所述凹槽的表面形成涡团。
11.本公开的另一方面还提供一种氨燃料发动机，包括氨燃料燃烧系统；监测单元，适
用于监测所述活塞的位置；以及控制单元，适用于根据所述活塞的位置控制所述第一喷射器和/或所述第二喷射器的喷油时间。
12.本公开的另一方面还提供一种燃烧控制方法，包括：监测氨燃料发动机的活塞的位置；根据所述活塞的位置控制第二喷射器的喷油时机；以及根据第二燃烧室的状态控制第一喷射器的喷油时机。
13.根据本公开的实施例，监测氨燃料发动机的活塞的位置包括，根据与所述活塞联动的曲轴在所述活塞的一个工作循环中相应曲轴转角的角度获取所述活塞的位置。
14.根据本公开的实施例，根据所述活塞的位置控制第二喷射器的喷油时机包括，在所述活塞的一个工作循环中，所述活塞在接近上止点的过程中所述第二喷射器喷射燃料。
15.根据本公开的实施例，根据第二燃烧室的状态控制第一喷射器的喷油时机包括，所述第二燃烧室内的燃料被引燃后在所述第一燃烧室中形成射流火焰，此时所述第一喷射器喷射氨燃料。
16.本公开提供了一种氨燃料燃烧系统，通过机体、活塞和缸盖配合形成第一燃烧室，缸盖内分别设置第一燃烧部和第二燃烧部。其中，第一燃烧部用以向第一燃烧室内输入氨燃料，第二燃烧部用以预燃一部分燃料，再通过预燃的燃料所形成的射流火焰点燃第一燃烧室内的氨燃料。
17.本公开还提供一种氨燃料发动机，在兼具氨燃料燃烧系统的优点的基础上，通过监测单元和控制单元的配合，基于活塞的位置和状态控制喷油的时间，气门的开闭用以压燃第二燃烧室内的燃料，继而引燃第一燃烧室内的氨燃料。
18.本公开还提供一种氨燃料发动机的燃烧控制方法，以实现氨燃料在燃烧过程中较为稳定且燃烧效率较高的设计目的。
附图说明
19.图1是根据本公开的一种示意性实施例的氨燃料燃烧系统的剖视示意图；
20.图2是图1所示的示意性实施例的另一角度的剖视示意图；
21.图3是图1所示的示意性实施例的燃烧系统喷射燃料状态的状态图；
22.图4是图1所示的示意性实施例中缸盖部分的仰视图；
23.图5是根据本公开的一种示意性实施例的氨燃料发动机的原理方框图；以及
24.图6是根据本公开的一种氨燃料发动机的燃烧控制方法的流程图。
25.附图标记
26.1、活塞；
27.2、机体；
28.3、缸盖；
29.4、第一燃烧室；
30.5、喷孔；
31.6、第一喷射器；
32.7、喷射器端盖；
33.8、第二燃烧室；
34.9、第二喷射器；
35.10、射流孔；
36.11、进气道；
37.12、进气门；
38.13、排气门；以及
39.14、排气道。
具体实施方式
40.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
41.在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
42.在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。
43.在使用类似于“a、b和c等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释(例如，“具有a、b和c中至少一个的系统”应包括但不限于单独具有a、单独具有b、单独具有c、具有a和b、具有a和c、具有b和c、和/或具有a、b、c的系统等)。在使用类似于“a、b或c等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释(例如，“具有a、b或c中至少一个的系统”应包括但不限于单独具有a、单独具有b、单独具有c、具有a和b、具有a和c、具有b和c、和/或具有a、b、c的系统等)。
44.图1是根据本公开的一种示意性实施例的氨燃料燃烧系统的剖视示意图；图2是图1所示的示意性实施例的另一角度的剖视示意图；图3是图1所示的示意性实施例的燃烧系统喷射燃料状态的状态图；图4是图1所示的示意性实施例中缸盖部分的仰视图；图5是根据本公开的一种示意性实施例的氨燃料发动机的原理方框图；图6是根据本公开的一种氨燃料发动机的燃烧控制方法的流程图。。
45.本公开提供一种氨燃料燃烧系统，如图1至图4所示，包括：机体2；安装在机体2内的活塞1；安装在机体2的开口位置的缸盖3，上述机体2、活塞1和缸盖3限定第一燃烧室4，还包括第一燃烧部和第二燃烧部。第一燃烧部包括设置在缸盖3中部第一喷射器6；第二燃烧部包括形成于缸盖3内并和第一燃烧室4连通的第二燃烧室8，设置在第二燃烧室8内的第二喷射器9，以及形成于缸盖3和活塞1同侧的表面的射流孔10。其中，第一喷射器6用以向第一燃烧室4内喷射氨燃料的；第二燃烧室8用以先于第一燃烧室4引燃燃料，使得从第二喷射器9喷出的燃料在压力下先于第一燃烧室4内的燃料燃烧；第二喷射器9用以向第二燃烧室8内喷射燃料，射流孔10用以将第二燃烧室8内燃烧的燃料形成射流火焰并引入第一燃烧室4，引燃第一燃烧室4中的氨燃料所形成的氨燃料雾束，并使得第一燃烧室4内的氨燃料以扩散燃烧的方式进行燃烧。
46.详细的，第二燃烧部采用高活性燃料，其中，高活性燃料表征相较于氨燃料易于燃烧的燃料，进一步的，以在第二燃烧室的压力和温度环境下易于被压燃为宜。
47.进一步的，第一燃烧部采用氨燃料，形成燃料雾束用于被第二燃烧部形成的射流火焰引燃。其中，燃料雾束并不限定燃料的类型，燃料除为液体外还应包括气态或超临界流体态。
48.更进一步的，第二燃烧部包括但不限于上述形式，上述第二燃烧部需配置相应的第二喷射器9，并将第二燃烧室8和第一燃烧室4设置在一个空间内。由第二喷射器9喷射的高活性燃料先于第一燃烧室4内的氨燃料燃烧，并形成射流火焰引燃燃料。
49.根据本公开的实施例，上述燃烧装置还包括形成于缸盖3上的进气道11，以及和进气道11对称设置在缸盖3上的排气道14。其中，进气道11内可开合的安装有进气门12，排气道14内可开合的安装有排气门13。
50.根据本公开的实施例，第一喷射器6沿缸盖3的轴向方向延伸至所述第一燃烧室4内。
51.根据本公开的实施例，如图3和图4所示，第一喷射器6位于第一燃烧室4内的轴向第一端沿周向均匀间隔制出多个喷孔5。
52.详细的，喷孔5数量为六至八个，上述六个喷孔5沿周向均匀间隔设置。
53.详细的，第一喷射器6通过喷射器端盖7固定在端盖上。
54.进一步的，喷孔5的数量可依据实际的燃料喷射需求和流量进行设计。应当理解，本公开的实施例不限于此。
55.例如，喷孔5数量为其他数量。
56.进一步的，喷孔5的位置也可依据燃料的类型以及与第二燃烧部的相对位置进行设计。
57.详细的，第二燃烧室8的下端部位于第一燃烧室4内。
58.进一步的，第二燃烧室8为相对于第一燃烧室4的偏置第二燃烧室。
59.更进一步的，第二燃烧室8所形成的多个射流孔10中，每个射流孔10均可依据实际的需求进行单独设计，例如，射流孔10的位置、数量及参数(包括但不限于角度、孔径及长度)等，以满足由第二燃烧室8能形成射流火焰且射流火焰能较为有效地引燃第一燃烧室4内的燃料为宜。
60.例如，射流孔10的数量和第一燃烧器6的喷孔5数量一致。并且，射流孔10所形成的射流火焰和喷孔5喷出的燃料的路径部分重合。
61.例如，射流孔10的数量和第一燃烧器6的喷孔5数量不一致。
62.例如，靠近第一喷射器6的射流孔10的向下倾斜的角度小于另一侧的射流孔10，以使得这两侧喷射出的射流火焰都可以与相应的氨燃料雾束接触并有效引燃，以提升火焰射流对第一燃烧室4内燃料的引燃效果。应当理解，本公开的实施例不限于此。
63.例如，各个射流孔10的角度和位置一致。
64.例如，通过射流孔10的长度、孔径和角度等参数的整体设计，以控制由射流孔10喷出的燃料的速度等等。
65.根据本公开的实施例，在缸盖3的径向方向所形成的平面内，第一燃烧部与第二燃烧部所形成的连线和进气道11与排气道14所形成的连线相垂直。以使得第二燃烧部相对于第一燃烧部形成偏置设计，有利于通过设计喷孔5及射流孔10的参数来实现第二燃烧部引燃第一燃烧部的设计目的。
66.根据本公开的实施例，活塞1和缸盖3同侧的表面上形成凹槽，凹槽的表面光滑设置，由第一喷射器的喷孔5喷射的燃料经凹槽的表面形成涡团。
67.详细的，活塞和缸盖同侧表面形成凹槽，凹槽的槽底光滑设置圆润过渡。
68.进一步的，凹槽的中部和第一燃烧部正投影的位置形成凸出部，上述凸出部和凹槽的槽底一体形成。以使得燃料喷射在凹槽内后，被凹槽的槽底阻挡，并沿槽底向径向外侧延伸以形成涡团。应当理解，本公开的实施例不限于此。
69.例如，凹槽的形状应当依据第一燃烧部的位置以及第一喷射器6所形成的喷孔5位置进行设计。
70.并且，由于活塞1是沿机体2移动的，因此，凹槽的形状还应依据活塞1相对于机体2的位置进行设计。
71.例如，凹槽的形状应满足活塞1在上行至某一位置时，由第一喷射器6喷射的燃料可在凹槽内形成怎样的涡团作为设计目的。
72.根据本公开的另一个方面还提供一种氨燃料发动机，如图6所示，包括氨燃料燃烧系统，监控单元和控制单元。其中，监测单元用于监测活塞1的位置，控制单元用于根据活塞1的位置控制第一喷射器6和/或所述第二喷射器9的喷油时间。
73.详细的，控制单元还控制进气门12和/或排气门13的开闭。
74.根据本公开的另一个方面还提供一种氨燃料发动机的燃烧控制方法，如图6所示，包括：监测氨燃料发动机的活塞1的位置；根据活塞1的位置控制第二喷射器9的喷油时机；以及根据第二燃烧室8的状态控制第一喷射器6的喷油时机。
75.根据本公开的实施例，监测氨燃料发动机的活塞1的位置包括，根据与活塞1联动的曲轴在活塞1的一个工作循环中相应曲轴转角的角度获取活塞1的位置。
76.根据本公开的实施例，根据活塞1的位置控制第二喷射器9的喷油时机包括，在活塞1的一个工作循环中，活塞1在接近上止点的过程中第二喷射器9喷射燃料。
77.根据本公开的实施例，根据第二燃烧室8的状态控制第一喷射器6的喷油时机包括，第二燃烧室8内的燃料被引燃后在第一燃烧室4中形成射流火焰，同时所述第一喷射器6喷射氨燃料。
78.详细的，活塞1首先从上止点下行，此时进气门12打开，排气门13处于关闭状态，新鲜空气通过进气道11进入第一燃烧室4和第二燃烧室8；当活塞1越过下止点时，进气门12关闭，活塞1向上运动压缩缸内的空气，使其温度和压力不断升高；在活塞1运动到接近上止点时，第二喷射器9开始喷射高活性燃料，高活性燃烧在高温高压作用下自燃着火燃烧，燃料燃烧放热导致第二燃烧室8内的温度和压力急剧增加，因此第二燃烧室8和第一燃烧室4内的压力差会逐渐增大，在压力差的作用下，第二燃烧室8内的燃烧火焰会从射流孔10喷出，形成射流火焰；与此同时，第一喷射器6也开始喷射氨燃料，由于较高的喷射压力，氨燃料喷雾会喷射至第一燃烧室4边缘，从而使得射流火焰可以点燃喷雾末端的可燃混合气；第一燃烧室喷雾末端的可燃混合气被点燃后，形成扩散燃烧火焰，燃料燃烧释放出大量的热量，推动活塞1向下运动，输出机械功；活塞1运动到接近下止点时，排气门13开启，活塞1向上运动排除燃烧室内的废气，完成整个工作过程。
79.依据本公开所提供的氨燃料燃烧系统、氨燃料发动机和氨燃料发动机的燃烧控制方法，1、利用高活性燃料在第二燃烧室内燃烧产生的射流火焰引燃第一燃烧室内的氨燃
料，可以使氨燃料实现扩散燃烧，扩散燃烧具有较高的效率，因此本公开所提供的氨燃料燃烧系统及氨燃料发动机具有较高的燃烧效率和热效率。2、射流火焰的引燃作用可较为显著的改善氨燃料在小负荷工况下的着火及燃烧稳定性。3、可以根据负荷的实时变化，调整进入第一燃烧室和/或第二燃烧室的燃料量，以较为有效的提升燃烧系统在全工况条件下的稳定燃烧。进而使得在小负荷条件下增加第二燃烧室的燃料量，增强射流火焰的引燃作用，较为有效的提升燃烧的稳定性，在大负荷条件下，优化燃料的喷射策略，较为有效的防止燃烧过于粗暴。
80.以上对本公开的实施例进行了描述。但是，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本公开的范围。尽管在以上分别描述了各实施例，但是这并不意味着各个实施例中的措施不能有利地结合使用。本公开的范围由所附权利要求及其等同物限定。不脱离本公开的范围，本领域技术人员可以做出多种替代和修改，这些替代和修改都应落在本公开的范围之内。