一种预燃室火花塞和船舶氨氢混合燃料发动机

本发明属于发电机预燃室领域，具体涉及一种预燃室火花塞和适用于船舶的氢氨混合燃料发动机。

背景技术：

1、能源及环境问题日益严峻，为解决现实或潜在的环境问题，进行替代燃料技术研究及产业化，实现能源多元化，已经变得刻不容缓。氨作为一种富氢化合物，它的优点有很多：能量密度高，不含碳，完全反应时产生水和氮气，不产生污染物和温室气体二氧化碳，便于储存运输，且氨有着良好的产业基础，并且在市场上价格比较低廉。

2、当今世界国际化贸易量飞速发展，超过80％的运输量是以船舶运输的方式来完成。

3、预燃室作为一种适用性相对较好的技术路线，在发动机上的研究和应用受到了广泛的重视。其原理是在发动机上设置与主燃烧室以一个或若干孔洞相连的小空腔(即预燃室)，预燃室内可以通过布置燃料供给装置实现主动配气，或者只依靠发动机本身的循环过程换气。着火方式可使用火花塞电极设置在预燃室内。预燃室火花塞进行优化是一项关键技术。预燃室火花塞与常规火花塞相似，所不同的是其电极布设于预燃室中，并可通过预燃室末端的喷孔与主燃烧室相通。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提出一种带有预燃室结构的预燃室火花塞和适用于船舶的氢氨混合燃料发动机，预燃室除具有与主燃室贯通的下喷孔外，还开有向预燃室内喷水和氢燃料的侧壁喷孔；所述侧壁喷孔可喷水和氢燃料至预燃室内，借以预燃室内的高温高压环境可将水气化分解形成高活性自由基(羟基oh、h、o等)帮助改善氨燃料的燃烧特性。

2、本发明第一个方面在于提出一种预燃室火花塞，包括预燃室和火花塞，所述火花塞从外向内依次包括壳体、绝缘体、中心电极和侧电极；所述壳体至少部分外壁上有螺纹用于固定在所述缸盖上；

3、所述绝缘体为管状结构，沿预燃室火花塞的中心轴向设置，一端固定连接在所述壳体上，另一端延伸至预燃室内；所述绝缘体的中空区域固定设置有中心电极，且中心电极的末端伸入预燃室，所述绝缘体和中心电极的末端超出壳体底部8-12mm；所述中心电极的中心轴与预燃室火花塞保持同轴设置；

4、所述侧电极位于预燃室内，其一端固设在所述壳体底部，另一端朝向中心电极的末端；中心电极与侧电极之间形成火花塞间隙,侧电极远离壳体的一端距离预燃室底部4-7mm；

5、所述壳体底部固接一预燃室壳体顶部，且所述壳体下端与预燃室壳体内壁合围形成的空腔作为预燃室；所述预燃室壳体下部设置有下喷孔和多个侧壁喷孔，所述下喷孔位于所述中心电极末端的延长线处，且贯通所述主燃室和预燃室；所述侧壁喷孔围绕下喷孔交错设置，所述侧壁喷孔外接管路，用于向所述预燃室内喷入氢燃料和含氢的氧化物或过氧化物；且所述预燃室腔体的体积不超过主燃室体积的5％。

6、进一步的，所述预燃室内喷入的所述含氢的氧化物或过氧化物选自水、过氧化氢、过氧化钠这种含有h、oh自由基或是能产生高能量的物质。

7、进一步的，所述侧壁喷孔绕所述火花塞的中心轴线呈圆周均匀分布，且所述侧壁喷孔的轴向与壳体轴向呈45-90度。

8、本发明第二个方面在于提出一种船舶氨氢混合燃料发动机，包括缸盖、缸套、主燃室和活塞，所述缸盖顶部设置有进气门、排气门、喷油器和所述预燃室火花塞；所述喷油器的喷油嘴伸入进气道中，用于向进气道中喷入部分氨燃料，剩余氨燃料由缸内直喷；所述发动机缸盖、缸套与活塞共同组成主燃室；

9、所述预燃室火花塞竖直设置在缸盖内且位于主燃室的正上方，所述中心电极的中心轴与预燃室火花塞保持同轴设置；所述预燃室内通入含氢的氧化物或过氧化物和氢燃料；

10、当活塞处于上止点时，所述侧壁喷孔先向预燃室内喷入氢燃料，再从侧壁喷孔向预燃室内喷入含氢的氧化物或过氧化物；喷入的含氢的氧化物或过氧化物的量和氢燃料量根据用户所选取的掺氢比例确定；

11、当含氢的氧化物或过氧化物和混合的氢燃料所生成的h自由基在缸内的摩尔质量分数达到10-6-10-8范围时，发动机的ecu根据转速、进气温度、喷油量判断发动机的即时工况指示火花塞点火，预燃室内的火焰使喷入的含氢的氧化物或过氧化物和氢燃料气化分解形成含有活性自由基的射流火焰喷入主燃室，喷油器同时在缸内喷入氨燃料，被预燃室火花塞产生的含有活性自由基的射流火焰点燃。

12、进一步的，所述预燃室火花塞位于进气门和排气门之间，且进、排气门与主燃室的中轴线的夹角为不相等的气门锥角，且排气门的锥角大于进气门的锥角。

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、利用本发明所述的预燃室火花塞在预燃室点火，预燃室内的火焰使通过侧壁喷孔喷入的水和氢燃料气化分解形成含有活性自由基的射流火焰，射流火焰进入主燃室与氨燃料混合燃烧从而有利于氨氢燃料的稳定燃烧，与传统的船舶用发动机相比具有更高的热效率；

15、主燃室、预燃室火花塞和中心电极的中心轴和下喷孔均保持同轴设置，从而保证下喷孔喷入的燃料能够精确定位于主燃室的上止点，有利于实现燃料最佳的燃烧。

技术特征：

1.一种预燃室火花塞，包括预燃室(22)和火花塞(21)，其特征在于，所述火花塞(21)从外向内依次包括壳体(4)、绝缘体(5)、中心电极(6)和侧电极(7)；所述壳体(4)至少部分外壁上有螺纹用于固定在所述缸盖(11)上；

2.根据权利要求1所述的预燃室火花塞，其特征在于，所述侧壁喷孔(23)绕所述火花塞(21)的中心轴线呈圆周均匀分布，且所述侧壁喷孔(23)的轴向与壳体(4)轴向呈45-90度。

3.根据权利要求1所述的预燃室火花塞，其特征在于，所述预燃室内喷入的所述含氢的氧化物或过氧化物选自水、过氧化氢、过氧化钠。

4.一种船舶氨氢混合燃料发动机，包括缸盖(11)、缸套(12)、主燃室(3)和活塞(13)，所述缸盖(11)顶部设置有进气门(33)、排气门(34)、喷油器(35)，其特征在于，还包括如权利要求1所述的预燃室火花塞；所述喷油器(35)的喷油嘴伸入进气道(32)中，用于向进气道中喷入部分氨燃料，剩余氨燃料由缸内直喷；所述发动机缸盖(11)、缸套(12)与活塞(13)共同组成主燃室(3)；

5.根据权利要求4所述船舶氨氢混合燃料发动机，其特征在于，所述预燃室火花塞位于进气门(33)和排气门(34)之间，且进、排气门与主燃室(3)的中轴线的夹角为不相等的气门锥角，且排气门的锥角大于进气门的锥角。

技术总结
本发明公开一种预燃室火花塞和船舶氨氢混合燃料发动机，预燃室火花塞包括预燃室和火花塞，所述火花塞从外向内依次包括壳体、绝缘体、中心电极和侧电极；壳体下端与预燃室壳体内壁合围形成的空腔作为预燃室；所述预燃室壳体下部设置有下喷孔和多个侧壁喷孔，所述下喷孔位于所述中心电极末端的延长线处，且贯通所述主燃室和预燃室；所述侧壁喷孔围绕下喷孔交错设置，用于向所述预燃室内喷入水和氢燃料。所述船舶氨氢混合燃料发动机包括预燃室火花塞，侧壁喷孔先向预燃室内喷入氢燃料再喷入水，预燃室内的火焰使喷入的水和氢燃料气化分解形成含有活性自由基的射流火焰喷入主燃室，缸内喷入的氨燃料被含有活性自由基的射流火焰点燃。

技术研发人员：王洋,马炳成,张凯,刘龙
受保护的技术使用者：哈尔滨工程大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13