一种基于氧增强的氨燃料发动机及其富氨燃烧控制方法

本发明属于内燃机，具体涉及一种基于氧增强的反应活性控制的氨燃料发动机及其富氨燃烧控制方法。

背景技术：

1、在传统化石燃料应用的场合，燃用替代燃料氨气(nh3)是一种有前景且可行性高的碳减排技术路径.然而氨气燃烧存在两个关键的挑战：首先，氨气燃烧特性差，常规条件下着火和稳定燃烧非常困难；其次，由于自身含氮量高，因此氨气燃烧存在no排放高的风险.要实现氨气燃烧的工程应用必须充分了解氨气燃烧及nox排放特性，并针对性地研究燃烧强化及nox控制措施.

2、近几年来，研究人员针对氨气燃烧开展了深入研究，试图探索出经济、简便且高效的氨气燃烧强化措施及nox排放控制策略，取得了大量有价值的研究成果.氨气燃烧强化主要从燃料侧改进、氧化剂侧调整及燃烧条件改善等方面入手，强化措施主要包括掺烧、部分预分解燃烧、增氧燃烧、预热燃烧及强化混合.氨气燃烧nox主要来源于燃料本身含有的氮，因此nox控制策略主要从控制氨气的氧化条件入手，空气分级是最有效的方法之一。同时，氨气本身也是高效的nox还原剂，充分利用这个特性，根据燃烧温度条件合理配置混合策略也有利于实现nox的有效控制.但是，氨气作为发动机燃料时，氨气燃烧特性差，具体表现为自燃温度高、火焰传播速度慢、可燃范围窄等，导致氨燃料发动机面临燃烧不稳定、效率较低且性能较差等问题。此外，缸内燃烧状况差时，发动机还将面临氮氧化物排放量增加和氨逃逸的风险。因此，高效清洁燃烧模式的开发是氨燃料发动机面临的一大挑战。

技术实现思路

1、在现有技术中发现在预燃室内喷射高活性燃料(如氢气)仍然无法突破egr极限，本发明提供一种基于氧增强的反应活性控制的氨燃料发动机及其富氨燃烧控制方法，本发明从改变预燃室内氧气的角度实现高效燃烧，拓展稀燃极限，实现稳定点火和燃烧。

2、本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

3、一种基于氧增强的氨燃料发动机，包括射流点火装置、活塞、气缸盖、缸套和氨气喷射器；所述活塞和气缸盖之间形成一燃烧室，且所述射流点火装置和氨气喷射器的端部伸入燃烧室内；所述射流点火装置包括预燃室内腔、火花塞、氧喷射器和燃料喷射器，所述火花塞位于预燃室内腔内，所述氧喷射器和燃料喷射器的喷射口伸入预燃室内腔内；所述氧喷射器用于向所述预燃室内腔喷射氧气，以降低预燃室内腔中的混合气浓度。

4、所述基于氧增强的氨燃料发动机的富氨燃烧控制方法，包括：

5、所述氨燃料发动机运行过程中，由氨气喷射器向燃烧室中喷射氨燃料，在所述燃烧室内形成当量比为1.0-1.2的浓氨-空气混合气；

6、在压缩行程中，由于活塞的压缩作用，燃烧室中氨气通过射流孔进入预燃室内腔；

7、在所述火花塞点火之前，所述氧喷射器向预燃室内腔喷射氧气，以降低预燃室内腔中混合气中的氨浓度；

8、在压缩上止点附近，火花塞点火点燃预燃室内腔中混合气并通过射流孔形成射流火焰，而后引燃燃烧室中的氨-空气混合气，发动机完成燃烧做功。

9、进一步的，所述射流点火装置包括壳体和预燃室前端，所述壳体和预燃室前端为可拆卸连接，在所述壳体底部和预燃室前端内壁之间形成的腔体为预燃室内腔，所述预燃室前端底部设置有射流孔，用于连通预燃室内腔和燃烧室，且所述预燃室前端的部分外壁具有螺纹用于与发动机气缸盖螺纹连接。

10、进一步的，所述氧喷射器的喷氧量根据发动机运行工况而定，以产生不同强度的预燃室射流火焰。

11、进一步的，所述氨气喷射器的喷氨量由发动机ecu调控，且在燃烧室中实现燃空当量比大于1的热力学环境。

12、进一步的，所述预燃室内腔的体积和结构，以及射流孔的孔径和孔数根据发动机类型和运行工况选择。

13、与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

14、通过预燃室喷射氧气的方式提高预燃室射流温度和射流速度，同时结合可拆卸的预燃室前端结构实现预燃室反应活性和射流强度灵活可调。传统的主动式预燃室技术仅改变燃料种类来实现高速射流点火，本发明从改变预燃室内氧气的角度稀释预燃室内的混合气，同时提升混合气反应活性，最终实现高效燃烧；以向预燃室内喷射氧气的方式拓展超稀薄燃烧发动机的燃烧极限，提高点火能量和燃烧稳定性，尤其对氨燃料发动机有效。

技术特征：

1.一种基于氧增强的氨燃料发动机，其特征在于，包括射流点火装置(4)、活塞(1)、气缸盖(7)、缸套(8)和氨气喷射器(5)；所述活塞(1)和气缸盖(7)之间形成一燃烧室(2)，且所述射流点火装置(4)和氨气喷射器(5)的端部伸入燃烧室(2)内；所述射流点火装置(4)包括预燃室内腔(13)、火花塞(9)、氧喷射器(11)和燃料喷射器(12)，所述火花塞(9)位于预燃室内腔(13)内，所述氧喷射器(11)和燃料喷射器(12)的喷射口伸入预燃室内腔(13)内；所述氧喷射器(11)用于向所述预燃室内腔(13)喷射氧气，以降低预燃室内腔(13)中的混合气浓度。

2.根据权利要求1所述基于氧增强的氨燃料发动机，其特征在于，所述射流点火装置(4)包括壳体(10)和预燃室前端(15)，所述壳体(10)和预燃室前端(15)为可拆卸连接，在所述壳体(10)底部和预燃室前端(15)内壁之间形成的腔体为预燃室内腔(13)，所述预燃室前端(15)底部设置有射流孔(14)，用于连通预燃室内腔(13)和所述燃烧室(2)，且所述预燃室前端(15)的部分外壁具有螺纹用于与发动机气缸盖(7)螺纹连接。

3.根据权利要求2所述基于氧增强的氨燃料发动机的富氨燃烧控制方法，其特征在于包括：

4.根据权利要求3所述基于氧增强的氨燃料发动机的富氨燃烧控制方法，其特征在于，所述氧喷射器(11)的喷氧量根据发动机运行工况而定，以产生不同强度的预燃室射流火焰。

5.根据权利要求3所述基于氧增强的氨燃料发动机的富氨燃烧控制方法，其特征在于，所述氨气喷射器(5)的喷氨量由发动机ecu调控，且在所述燃烧室(2)中实现燃空当量比大于1的热力学环境。

6.根据权利要求3所述基于氧增强的氨燃料发动机的富氨燃烧控制方法，其特征在于，所述预燃室内腔(13)的体积和结构，以及射流孔(14)的孔径和孔数根据发动机类型和运行工况选择。

技术总结本发明公开了一种基于氧增强的反应活性控制的氨燃料发动机及其富氨燃烧控制方法，基于氧增强的氨燃料发动机包括射流点火装置和氨气喷射器，所述射流点火装置具有氧喷射器；在氨燃料发动机运行过程中，氨气喷射器先向燃烧室中喷射氨燃料，在压缩行程中燃烧室中氨气通过射流孔进入预燃室内腔，氧喷射器先向预燃室内喷射氧气以降低预燃室内腔中混合气中的氨浓度，稀释预燃室内的混合气，提升混合气反应活性，保证初期火焰的速度和强度；进而形成射流火焰，引燃燃烧室内过浓氨‑空气混合气，最终提升预燃室射流火焰的温度和速度，实现富氨燃烧过程，降低NOx排放。技术研发人员：周磊,刘宗宽,钟力嘉,卫海桥受保护的技术使用者：天津大学技术研发日：技术公布日：2024/6/18