一种基于火焰射流控制的高燃点燃料压燃及燃烧调控装置

1.本发明属于内燃机技术领域，具体涉及一种基于火焰射流控制的高燃点燃料压燃及燃烧调控装置。


背景技术：

2.随着温室效应的不断加剧，以及国内“碳中和”与“碳达峰”目标的驱动下，发动机燃用低碳/零碳燃料(天然气、氢气、氨等)替代传统化石燃料，以减少碳排放成为行业发展的趋势和研究的热点。然而，对于低碳燃料/零碳燃料而言，其发化学反应活化能较高、低温活性弱、发生自着火的热力学条件较为苛刻；尤其对于氨燃料还存在点火能量高、自由基传播速度慢、可燃极限窄等问题。因此，目前上述低碳/零碳燃料一般采用火花塞点燃预混气体的方式组织燃烧。然而，这种燃烧组织方式在高速大负荷情况下，预混气体的自着火可能会造成早燃、爆燃等不正常的燃烧现象，因此限制了发动机的压缩比和热效率的进一步高；此外由于壁面淬熄的作用，近壁面处的部分燃料未能完全燃烧会造成污染物排放。目前，少部分低碳/零碳燃料采用直喷高活性的燃料(如柴油)引燃高燃点的燃料的方式实现高燃点燃料的着火燃烧。但双燃料燃烧系统结构复杂，不利于低碳/零碳燃料的推广应用。传统的射流点火装置一方面用于点燃式发动机中替代火花塞，实现预混气体的稀薄燃烧；另一方面用于控制压燃式发动机高活性的长碳链燃料(如柴油)的着火时刻，即射流控制压燃；而本发明提出的基于火焰射流控制的高燃点燃料压燃及燃烧调控装置能够实现高燃点的低碳/零碳燃料在压燃式发动机上的应用。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种基于火焰射流控制的高燃点燃料压燃及燃烧调控装置，其用于解决活化能较高、低温活性较差、发动机工作条件下难以压燃的低碳\零碳燃料(天然气、氨气等)在压燃式发动机上应用所面临的挑战，实现在较宽的工况条件下低碳\零碳燃料能够可靠压燃且稳定燃烧，以提高压燃式发动机的压缩比及热效率，同时降低有害排放物和温室气体二氧化碳的排放，促进绿色燃料的推广与应用。
4.本发明采用如下技术方案来实现的：
5.一种基于火焰射流控制的高燃点燃料压燃及燃烧调控装置，包括火花塞、预燃室喷射器、主燃室喷射器和预燃室主体；
6.预燃室主体设置在主燃烧室上，预燃室主体内部开设有预燃室腔体，预燃室喷射器和预燃室火花塞分别安装在预燃室主体一侧上的两个不同位置，且预燃室喷射器头部和预燃室火花塞头部伸入预燃室腔体内部，预燃室腔体与主燃烧室之间通过喷孔连通；主燃烧室喷射器固定在预燃室主体的另一侧且头部伸入到主燃烧室中。
7.本发明进一步的改进在于，预燃室喷射器用于向预燃室腔体内提供预设量的高燃点燃料，形成设定当量比的可燃混合气。
8.本发明进一步的改进在于，高燃点燃料为天然气、氨燃料或氢气燃料。
9.本发明进一步的改进在于，预燃室火花塞用于点燃预燃室腔体内部的可燃混合气，形成火焰。
10.本发明进一步的改进在于，火焰能够通过喷孔加速后，向主燃烧室内喷射出高温的含有大量活性自由基的火焰射流。
11.本发明进一步的改进在于，主燃烧室喷射器用于向主燃烧室内提供高燃点燃料，在高温和活性自由基的作用下高燃点燃料着火，然后随着燃料扩散燃烧。
12.本发明进一步的改进在于，预燃室喷射器和预燃室火花塞的夹角不超过90
°
。
13.本发明进一步的改进在于，预燃室腔体与主燃烧室之间的喷孔孔径不超过2mm。
14.本发明进一步的改进在于，预燃室腔体与主燃烧室的体积比小于3％。
15.本发明至少具有如下有益的技术效果：
16.与现有的低碳或零碳燃烧系统相比具有以下优势：
17.1、该装置通过预燃室点火产生火焰射流，在主燃烧室中形成分布式高温环境，实现低碳燃料/零碳在主燃烧室中的扩散燃烧；与传统的点燃式发动机的预混燃/部分预混烧系统相比，抑制了爆震燃烧等不正常燃烧出现出现，同时可以提高发动机的压缩比以达到更高的热效率；与均质压燃发动机相比，可以有效解决高负荷爆震，低负荷失火的问题。
18.2、该装置可以在主燃烧室内部形成分布式高活性点火源，同时射流加强了主燃烧室内的湍流强度，可以有效扩大燃料的可燃界限，缩短了自由基传播距离，可以有效解决像氨燃料这样的高燃点燃料由于可燃范围窄、点火能量高，自由基速度慢而造成的失火，不完全燃烧等问题。
19.3、该装置结构简单、成本较低，对现有的燃烧室的改动较少，预燃室和主燃烧室可以采用相同的燃料实现高燃点燃料的着火燃烧；可以解决高高燃点双燃料系统的结构复杂、附件较多、制造成本高等问题，有利于低碳/零碳燃料的推广与应用。
20.4、通过对预燃室产生火焰射流时刻与主燃烧室燃料供给时刻，可以实现在不同工况下的燃烧策略的调控，实现低碳燃料在不同条件下预混压燃、部分预混压燃、扩散燃烧以及不同燃烧模式的比例调控。
21.5、通过灵活的设置预燃室和主燃室的燃料活性，能够有效的调控发动机的燃烧性能，采用活性相对较高的燃料作为预燃室燃料，引燃活性相对较弱的主燃室燃料，可以提高本装置的使用效果。
22.与现有的射流控制的燃烧系统相比具有以下优势：
23.1、对于传统的基于点燃式发动机的射流点火装置，通常采用火焰射流代替火花塞点燃主燃烧室中形成当量比较低的稀薄预混/部分预混可燃混合气，以达到更高的点火能量和多点着火燃烧，实现稀薄燃烧和快速燃烧。而本装置主要采用向火焰射流在主燃烧室中产生的高温活性区域喷射高燃点燃料的方式供给燃料以实现燃料可靠压燃，这能够有效解决预混气体提前着火或者爆震燃烧等问题；进而，能够通过进一步提高压缩比提高发动机热效率；同时，大部分燃料采用扩散燃烧的燃烧方式，有效减少由于火焰壁面淬熄而造成的燃料不完全燃烧。
24.2、对于传统的基于压燃式发动机的射流控制压燃装置，通常采用火焰射流引燃主燃烧室中形成预混/部分预混的高活性燃料(如柴油，一般具有较长的碳链)，以此实现高活性燃料着火时刻由化学反应控制，转变为由火焰射流控制，实现燃烧可控。而本装置主要针
对化学活化能较高、反应活性较低的低碳/零碳燃料在压燃式发动机中的压燃与燃烧调控的问题，能够有效推动自着火困难的低碳/零碳燃料在压燃式发动机中的应用，降低有害污染物(特别是碳烟)和温室气体二氧化碳的排放。
25.综上，为了实现低碳、零碳燃料在压燃式发动机上的推广与应用，解决现有的低碳燃料燃烧系统存在的布置，本发明设计了本发明是一种基于火焰射流控制的高燃点燃料压燃及燃烧调控装置，通过点燃预燃室内部形成的预混/部分预混的高燃点燃料可燃混合气，形成含有大量活性自由基的高温火焰射流，通过喷孔在主燃烧室中形成分布式点火源，在高温与自由基的作用下高燃点燃料可以在主燃烧室内着火燃烧，以实现高燃点燃料可靠压燃；同时，通过调节火焰射流的产生与主燃烧室内高燃点燃料供应的相对相位，可以使得燃料在主燃烧室内实现预混燃烧、部分预混燃烧以及扩散燃烧等燃烧模式的可靠调控。
附图说明
26.图1为基于火焰射流控制的高燃点燃料压燃及燃烧调控装置的结构图，其中图1(a)为装置爆炸图，图1(b)为装置剖面图。
27.图2为基于火焰射流控制的高燃点燃料压燃及燃烧调控装置的安装图。
28.图3为高燃点燃料扩散燃烧模式示意图，其中图3(a)为工作过程示意图，图3(b)为压力曲线及对应时刻的工作流程图。
29.图4为高燃点燃料预混/部分预混燃烧模式示意图，其中图4(a)为工作过程示意图，图4(b)为压力曲线及对应时刻的工作流程图。
30.附图标记说明：
31.1、火花塞，2、预燃室喷射器，3、主燃室喷射器，4、预燃室主体，5、预燃室腔体，6、主燃烧室，7、活塞。
具体实施方式
32.以下结合附图对本发明做出进一步的说明。
33.如图1和图2所示，本发明提供的一种基于火焰射流控制的高燃点燃料压燃及燃烧调控装置，包括预燃室主体4、预燃室喷射器2、预燃室火花塞1和主燃烧室喷射器3。其中，预燃室主体4内部包含一个小容积的预燃室腔体5；预燃室喷射器2和预燃室火花塞1分别安装在预燃室主体4一侧上的两个不同位置，且预燃室喷射器2头部和预燃室火花塞1头部伸入预燃室腔体5内部；主燃烧室喷射器3固定在预燃室主体4的另一侧且头部伸入到主燃烧室6中。
34.本发明可以在不同的工况条件下实现不同点火和燃烧模式可靠调控，实施方式如下：
35.图3所示，为火焰射流引燃高燃点燃料扩散燃烧模式。当活塞7接近上止点前，预燃室喷射器2向预燃室腔体5内提供预设量的高燃点燃料(天然气、氨、氢气等)，形成设定当量比的可燃混合气，然后通过预燃室火花塞1点燃预燃室腔体5内部的可燃混合气。可燃混合气着火燃烧后，预燃室腔体5内的压力和温度急剧上升，火焰通过喷孔加速后，向主燃烧室6内喷射出高温的含有大量活性自由基的火焰射流。火焰射流在主燃烧室6内形成分布式高温的活性区域，随后主燃烧室喷射器3向主燃烧室6内提供高燃点燃料(天然气、氨、氢气
等)，在高温和活性自由基的作用下高燃点燃料着火，然后随着燃料扩散燃烧。
36.图4所示，为火焰射流引燃高燃点燃料预混、部分预混燃烧模式。当活塞7接近上止点前，主喷射器3向主燃烧室6内提供高燃点燃料(天然气、氨燃料等)，形成一定浓度的预混/部分预混或浓度分层的可燃混合气。接着预燃室喷射器2向预燃室腔体5内提供预设量的高燃点燃料(天然气、氨燃料等)，形成设定当量比的可燃混合气，接着通过预燃室火花塞1点燃预燃室腔体5内部的可燃混合气。混合气着火燃烧后，预燃室腔体5内的压力和温度急剧上升，自由基通过喷孔加速后，向主燃烧室6内喷射出高温的含有大量活性自由基的射流。火焰射流在主燃烧室6内形成分布式高温火核，在高温火核和活性自由基的作用下高燃点燃料着火后，火焰以不同火核为中心向外传播，迅速燃烧。
37.在不同工况条件下，通过调节预燃室喷射器2的燃料供给以及预燃室火花塞1的点火(即火焰射流产生时刻)与主燃烧室喷射器2供给高燃点燃料的相对时刻，能够有效控制高燃点燃料在不同工况下进行预混燃烧、部分预混燃烧或扩散燃烧等不同的燃烧组织形式，提高发动机的热效率。
38.通过调整预燃室喷射器2和主燃烧室喷射器3所提供的燃料的化学活性，以及高高燃点燃料的配合使用，可以有效提高本装置的使用性能。
39.综上，本发明提供的一种基于火焰射流控制的高燃点燃料压燃及燃烧调控装置，具体是通过点燃预燃室内部高燃点燃料形成的预混/部分预混的可燃混合气，通过喷孔在主燃烧室内形成含有大量活性自由基的高温火焰射流；在高温与自由基的作用下，喷射器在主燃烧室能产生的高燃点燃料射流可以在主燃烧室内着火燃烧，从而实现高燃点燃料的可靠压燃；同时，通过调节自由基射流的产生时刻与主燃烧室内高燃点燃料供应的相对相位，可以使燃料在主燃烧室内实现预混燃烧、部分预混燃烧以及扩散燃烧等燃烧模式，以实现不同运行工况下的最优燃烧模式匹配与燃烧调控。
40.虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。