氨气-聚甲氧基二甲醚双燃料发动机燃烧系统及其燃烧控制方法

1.本发明涉及发动机技术领域，尤其涉及一种氨气-聚甲氧基二甲醚双燃料发动机燃烧系统及其燃烧控制方法。


背景技术：

2.目前，氨气作为发动机燃料成为世界汽车行业的研究热点，它可由氢气与氮气合成获得。相比于氢气，氨气的储存输运能力较为成熟。氨气的完全燃烧产生的是水和氮气，有作为发动机替代燃料的潜力。但是氨气的着火温度远高于传统碳氢燃料的着火温度，着火性能差。此外氨气的火焰传播速度低，导致燃烧等容度降低，指示效率低。同时也会导致较多的未燃氨被排放到发动机的排气管道中。
3.相关技术中，为了解决氨气在压燃式发动机中点火难的问题，目前的研究多采取短滞燃期的活性燃料(例如柴油)引燃的方式，但是容易出现着火延迟增加、功率损失和失火等问题，并且燃烧效率低，容易产生大量的污染排放物，污染环境。


技术实现要素：

4.本发明提供一种氨气-聚甲氧基二甲醚双燃料发动机燃烧系统及其燃烧控制方法，能够实现高效、清洁、稳定燃烧，有效降低污染排放物，具有结构简单、成本低、节能环保等特点。
5.本发明提供一种氨气-聚甲氧基二甲醚双燃料发动机燃烧系统，包括：
6.发动机；
7.第一喷射单元，用于向所述发动机的进气管道内喷射氨气，喷射时刻为压缩上止点前360
°
ca；
8.第二喷射单元，用于采用两次喷射模式向所述发动机的燃烧室内喷射聚甲氧基二甲醚，所述两次喷射模式包括预喷和主喷，所述预喷的喷射时刻为压缩上止点前360-90
°
ca，所述主喷的喷射时刻为压缩上止点前40-0
°
ca。
9.根据本发明提供的一种氨气-聚甲氧基二甲醚双燃料发动机燃烧系统，还包括：
10.选择性催化还原器，与所述发动机的排气管道相连。
11.根据本发明提供的一种氨气-聚甲氧基二甲醚双燃料发动机燃烧系统，所述第一喷射单元包括：
12.氨气瓶；
13.第一喷射器，与所述氨气瓶相连且设置于所述进气管道。
14.根据本发明提供的一种氨气-聚甲氧基二甲醚双燃料发动机燃烧系统，所述第一喷射器与所述氨气瓶之间连接有减压阀。
15.根据本发明提供的一种氨气-聚甲氧基二甲醚双燃料发动机燃烧系统，所述第二喷射单元包括：
16.依次连接的油箱、油泵、高压共轨和第二喷射器；
17.所述油箱存储有聚甲氧基二甲醚，所述第二喷射器设置于所述燃烧室。
18.根据本发明提供的一种氨气-聚甲氧基二甲醚双燃料发动机燃烧系统，所述油泵与所述油箱之间连接有滤清器。
19.根据本发明提供的一种氨气-聚甲氧基二甲醚双燃料发动机燃烧系统，所述第一喷射单元的喷射压力不低于5bar。
20.根据本发明提供的一种氨气-聚甲氧基二甲醚双燃料发动机燃烧系统，所述第二喷射单元的喷射压力不低于500bar。
21.根据本发明提供的一种氨气-聚甲氧基二甲醚双燃料发动机燃烧系统，所述发动机的控制器分别与所述第一喷射单元和所述第二喷射单元电连接。
22.本发明还提供一种上述的氨气-聚甲氧基二甲醚双燃料发动机燃烧系统的燃烧控制方法，包括：
23.通过所述第一喷射单元向发动机的进气管道内喷射氨气，喷射时刻为压缩上止点前360
°
ca；
24.通过所述第二喷射单元采用两次喷射模式向发动机的燃烧室内喷射聚甲氧基二甲醚，所述两次喷射模式包括预喷和主喷，所述预喷的喷射时刻为压缩上止点前360-90
°
ca，所述主喷的喷射时刻为压缩上止点前40-0
°
ca。
25.本发明提供的氨气-聚甲氧基二甲醚双燃料发动机燃烧系统及其燃烧控制方法，通过第一喷射单元向发动机的进气管道内喷射氨气，喷射时刻为压缩上止点前360
°
ca，可以使氨气与进气管道中的空气等气体进行充分混合，有利于提高燃烧效率；通过第二喷射单元采用两次喷射模式向发动机的燃烧室内喷射聚甲氧基二甲醚作为引燃氨气的燃料，可以有效降低颗粒物排放；并且通过预喷的喷射时刻为压缩上止点前360-90
°
ca，可以使得预喷进入燃烧室内的聚甲氧基二甲醚有较长时间与周围的混合气混合，提高混合气活性；通过主喷的喷射时刻为压缩上止点前40-0
°
ca，可以调节起燃时刻，并且通过主喷进入燃烧室内的聚甲氧基二甲醚点燃周围的混合气并通过火焰传播的方式扩散到整个燃烧室，从而达到最优的缸内燃烧效果，有效降低未燃氨排放，实现发动机高效、清洁、稳定燃烧，有效降低污染排放物，具有结构简单、成本低、节能环保等特点。
26.本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
27.为了更清楚地说明本发明或相关技术中的技术方案，下面将对实施例或相关技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
28.图1是本发明提供的氨气-聚甲氧基二甲醚双燃料发动机燃烧系统的结构框图；
29.图2是本发明提供的氨气-聚甲氧基二甲醚双燃料发动机燃烧系统的结构示意图；
30.附图标记：
31.100：发动机；101：气缸壁；102：气缸盖；103：活塞；
32.104：燃烧室；105：曲轴；106：进气管道；107：进气阀门；
33.108：排气管道；109：排气阀门；110：控制器；
34.200：第一喷射单元；201：氨气瓶；202：第一喷射器；
35.203：减压阀；
36.300：第二喷射单元；301：油箱；302：油泵；3021：低压油泵；
37.3022：高压油泵；303：高压共轨；304：第二喷射器；
38.305：滤清器；
39.400：选择性催化还原器。
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，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
41.在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
42.在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。
43.在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
44.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
45.下面结合附图描述本发明的氨气-聚甲氧基二甲醚双燃料发动机燃烧系统及其燃烧控制方法。
46.根据本发明的一个实施例，参照图1和图2所示，本发明提供的氨气-聚甲氧基二甲
醚双燃料发动机燃烧系统，主要包括：发动机100、第一喷射单元200和第二喷射单元300。
47.其中，发动机100大致包括气缸壁101、气缸盖102、活塞103 和进排气组件，气缸盖102设置于气缸壁101的顶部，并且，气缸壁 101、气缸盖102和活塞103所围成的上部区域为燃烧室104，活塞 103与曲轴105铰接并且可伸缩滑动地设置于气缸壁101内以进行做功，进排气组件包括进气管道106、进气阀门107、排气管道108和排气阀门109，进气管道106通过进气阀门107与气缸盖102的左侧相连，以向燃烧室104内通入气体，排气管道108通过排气阀门109 与气缸盖102的右侧相连，以将燃烧室104内燃烧产生的废气排出。
48.第一喷射单元200主要用于向发动机100的进气管道106内喷射氨气，并且氨气的喷射时刻为压缩上止点前360
°
ca，可以使得氨气与进气管道106中的空气等气体进行充分混合，有利于提高燃烧效率。
49.第二喷射单元300主要用于采用两次喷射模式向发动机100的燃烧室104内喷射聚甲氧基二甲醚，两次喷射模式包括预喷和主喷，预喷的喷射时刻为压缩上止点前360-90
°
ca，主喷的喷射时刻为压缩上止点前40-0
°
ca。其中，发动机的曲轴转角是以
°
ca表示的，即 1
°
ca表示曲轴转动360度中的一度，一般是以活塞运动到上止点为 0
°
ca。
50.需要说明的是，聚甲氧基二甲醚(pode)是一种新型无毒替代燃料。pode有着较高的化学活性，有助于在氨混合气氛围中起燃，同时挥发性高于相关技术中的柴油，能够更好的在气缸内扩散。并且不同于常见的碳氢燃料分子，pode中只包含c-o键，使得其在燃烧过程中极难生成碳烟前驱物，极高的含氧量也抑制了碳烟的生成量。
51.因此，本发明通过利用pode以及对其采用两次喷射模式可以活化气缸内的氨气、氧气等混合气并引燃，实现发动机100的高效、清洁燃烧。具体地，本发明第二喷射单元300通过采用两次喷射模式向发动机100的燃烧室104内喷射聚甲氧基二甲醚作为引燃氨气的燃料，可以有效降低颗粒物排放；并且通过将预喷的喷射时刻设置为压缩上止点前360-90
°
ca，可以使得预喷进入燃烧室104内的聚甲氧基二甲醚有较长时间与周围的混合气混合，提高混合气活性；通过将主喷的喷射时刻设置为压缩上止点前40-0
°
ca，可以调节着火起燃时刻，并且通过主喷进入燃烧室104内的聚甲氧基二甲醚点燃周围的混合气并通过火焰传播的方式扩散到整个燃烧室104，从而达到最优的缸内燃烧效果，有效降低未燃氨排放，实现发动机100高效、清洁、稳定燃烧，有效降低污染排放物，具有结构简单、成本低、节能环保等特点。
52.相关技术中，采用柴油机氧化催化器和柴油机微粒过滤器等多种后处理装置对发动机100的排气进行处理，结构复杂，成本高，并且柴油机氧化催化器容易氧化未燃氨生成n2o，从而增加温室气体的排放。
53.为解决上述技术问题，本发明实施例的氨气-聚甲氧基二甲醚双燃料发动机燃烧系统还包括：选择性催化还原器400，选择性催化还原器400与发动机100的排气管道108相连，用于催化还原排气中的有害气体。具体地，通过选择性催化还原器400可以对于缸内燃烧产生的nox以及燃烧室104间隙中的未燃氨进行催化氧化还原反应，并且排气中的未燃氨可作为nox的还原剂，最终生成氮气和水，降低有害气体排放。本发明实施例仅通过设置选择性催化还原器400一个后处理装置即可实现有害气体排放的有效处理，相较于相关技术，可以有效减少有害气体排放，并且能够简化系统结构，大幅降低处理成本。
54.根据本发明的一个实施例，参照图2所示，第一喷射单元200主要包括：氨气瓶201
和第一喷射器202，氨气瓶201内存储有氨气，第一喷射器202通过管路与氨气瓶201相连，并且第一喷射器202设置于发动机100的进气管道106，用于向发动机100的进气管道106 内喷射氨气。
55.根据本发明的一个实施例，第一喷射器202整体呈倾斜设置，并且第一喷射器202的喷射方向沿着进气管道106的进气方向布置，这样设计的话，可以使得喷射的氨气顺着进气管道106内空气流动的方向同向汇入空气中，尽可能地避免对进气管道106内原有空气的进气流动造成干涉，从而使得氨气可以较为均匀地混入空气中，保证进气效果，从而提高燃烧效率。
56.并且，第一喷射器202的倾斜角度不做特别限制，可根据实际工况进行设计调节。
57.根据本发明的一个实施例，第一喷射器202与氨气瓶201之间连接有减压阀203。具体地，当氨气瓶201内存储有气压较高的液氨时，通过减压阀203可以对液氨进行减压并使其气化变为氨气，然后通过第一喷射器202喷入发动机100的进气管道106内。
58.本发明第一喷射器202的具体类型不做特别限制，在本示例中，第一喷射器202采用电控喷嘴，以便于与发动机100的控制器110电连接，通过控制器110可以对第一喷射器202的喷射过程实现精准控制。
59.根据本发明的一个实施例，参照图2所示，第二喷射单元300主要包括：依次连接的油箱301、油泵302、高压共轨303和第二喷射器304。其中，油箱301内存储有聚甲氧基二甲醚，第二喷射器304 设置于发动机100的燃烧室104，用于向燃烧室104内喷射聚甲氧基二甲醚。具体地，通过油泵302可以将油箱301中的聚甲氧基二甲醚泵入高压共轨303中，然后送入第二喷射器304中，通过第二喷射器 304采用两次喷射模式向燃烧室104内喷射聚甲氧基二甲醚，两次喷射模式为一次预喷及一次主喷。
60.可以理解的是，本发明实施例的第二喷射单元300为高压共轨喷射系统，可以提高聚甲氧基二甲醚的喷射效率和燃烧区域范围，从而提高发动机的燃烧效果。
61.根据本发明的一个实施例，第二喷射器304垂直设置于发动机 100的气缸盖102上，这样设计的话，可以使得聚甲氧基二甲醚以直喷的喷射方式喷入发动机100的燃烧室104内，有利于提高喷射范围，从而提高发动机的燃烧效果。
62.根据本发明的一个实施例，第二喷射器304位于发动机100的竖向中轴线上，这样设计的话，可以提高聚甲氧基二甲醚的喷射均匀性，使得聚甲氧基二甲醚较为均匀地分布于燃烧室104内，从而进一步提高发动机100的燃烧效率。
63.本发明第二喷射器304的具体类型不做特别限制，在本示例中，第二喷射器304采用电控喷嘴，以便于与发动机100的控制器110电连接，通过控制器110可以对第二喷射器304的喷射过程实现精准控制。
64.根据本发明的一个实施例，油泵302与油箱301之间连接有滤清器305，通过滤清器305可以对管道中的聚甲氧基二甲醚进行过滤，提高其纯度，从而提高发动机100的燃烧效果。
65.根据本发明的一个实施例，油泵302可以包括低压油泵3021和高压油泵3022，低压油泵3021与滤清器305相连，高压油泵3022 分别与低压油泵3021和高压共轨303相连。具体地，经过滤清器305 过滤后的聚甲氧基二甲醚，再依次通过低压油泵3021和高压油泵 3022逐级泵入高压共轨303中，可以提高第二喷射器304的喷射压力，从而提高其喷射距离，增大
燃烧区域范围，进而提高发动机100 的燃烧效果。
66.根据本发明的一个实施例，第一喷射单元200的喷射压力不低于 5bar。具体地，第一喷射单元200的第一喷射器202的喷射压力不低于5bar，可以保证氨气的喷射效率。
67.根据本发明的一个实施例，第二喷射单元300的喷射压力不低于 500bar。具体地，第二喷射单元300的高压共轨303的压力不低于 500bar，可以使得第二喷射单元300的第二喷射器304获得较长的贯穿距离，这样的话，可以进一步增大燃烧区域范围，从而提高发动机 100的燃烧效果。
68.根据本发明的一个实施例，发动机100的控制器110分别与第一喷射单元200和第二喷射单元300电连接。具体地，控制器110分别与第一喷射器202和第二喷射器304电连接，通过控制器110可以精准控制第一喷射器202喷射氨气的喷射时刻和喷射量，并且控制器 110可以精准控制第二喷射器304喷射聚甲氧基二甲醚的喷射模式、喷射时刻以及喷射量。
69.可以理解的是，本发明第一喷射器202和第二喷射器304的燃料喷射量可以根据实际燃烧工况进行调整，不做特别限定。
70.下面对本发明提供的氨气-聚甲氧基二甲醚双燃料发动机燃烧系统的燃烧控制方法进行描述，下文描述的燃烧控制方法与上文描述的燃烧系统可相互对应参照。
71.根据本发明的一个实施例，本发明提供的氨气-聚甲氧基二甲醚双燃料发动机燃烧系统的燃烧控制方法，主要包括：
72.通过第一喷射单元200向发动机100的进气管道106内喷射氨气，喷射时刻为压缩上止点前360
°
ca。
73.具体地，通过将第一喷射单元200的第一喷射器202喷射氨气的时刻设置为压缩上止点前360
°
ca，可以使氨气与进气管道106中的空气等气体进行充分混合，有利于提高燃烧效率。
74.通过第二喷射单元300采用两次喷射模式向发动机100的燃烧室 104内喷射聚甲氧基二甲醚，两次喷射模式包括预喷和主喷，预喷的喷射时刻为压缩上止点前360-90
°
ca，主喷的喷射时刻为压缩上止点前40-0
°
ca。
75.具体地，第二喷射单元300的第二喷射器304喷射聚甲氧基二甲醚时，采用一次预喷及一次主喷的喷射模式，并且通过将预喷的喷射时刻设置为压缩上止点前360-90
°
ca，可以使得预喷进入燃烧室104 内的聚甲氧基二甲醚有较长时间与周围的混合气混合，提高混合气活性；通过将主喷的喷射时刻设置为压缩上止点前40-0
°
ca，可以调节着火起燃时刻，并且通过主喷进入燃烧室104内的聚甲氧基二甲醚点燃周围的混合气并通过火焰传播的方式扩散到整个燃烧室104，从而达到最优的缸内燃烧效果，有效降低未燃氨排放，实现发动机高效、清洁、稳定燃烧。
76.根据本发明的一个实施例，本发明燃烧控制方法还包括步骤：
77.通过选择性催化还原器400催化还原燃烧排气中的有害气体，从而可以进一步减少有害气体的排放。
78.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和
范围。