射流点火组件、射流点火燃烧系统及燃烧组织方法

1.本发明涉及内燃机技术领域，尤其涉及一种射流点火组件、射流点火燃烧系统及燃烧组织方法。


背景技术：

2.目前，对汽车行业而言，车辆的排放成为了温室气体排放的重要来源。为了实现节能减排，车辆的电气水平逐渐提高，电动汽车的比例逐渐提高。然而，从能源安全性的角度考虑，汽车行业的动力能源势必要来源多样化。因此，以内燃机为动力的车辆仍将是未来一段时间内车辆动力的主流。具对传统以内燃机为动力的汽车而言，混动化已经成为主流趋势，这有助于降低碳排放。
3.从进一步降低碳排放的角度，可以采用稀燃方式提高发动机热效率以及采用新型的零碳燃料，如氢气、氨气等，实现内燃机的零碳排放。采用稀燃方式，混合气的可燃性恶化，为了实现混合气高效燃烧，点火能量需要进一步提升；对于采用零碳燃料方式而言，相比于氢气，氨气的存、储、运更加安全，而且氨气是氢气的高效载体，具有更大的推广及应用潜力。因此，氨气也被成为氢气的“2.0”时代。但是，氨气的可燃性差、火焰传播速度慢，导致发动机的燃烧等容度差，不利于发动机热效率的提升。为了实现氨气高效的燃烧，势必要采用高能的点火方式。
4.相比于传统的火花点火，射流点火是一种高能、可靠的点火方式。通过多束射流诱导多火焰面传播，加速缸内燃烧提高燃烧的等容度。此外，射流的高能有助于实现氨气的可靠点火。因此，基于射流点火，如何组织发动机缸内更加高效和清洁的燃烧是高效氨气发动机研发的关键。


技术实现要素：

5.本发明提供一种射流点火组件、射流点火燃烧系统及燃烧组织方法用以解决现有技术中缸内燃烧不完全的技术缺陷，使燃料在缸内燃烧更加完全、充分。
6.本发明提供一种射流点火组件，包括辅助喷油器、火花塞和射流室，所述射流室包括相互连通的射流室主体和射流通道，所述射流通道的内径小于所述射流室主体的内径，所述射流通道底部设有用于与主燃室连通的射流喷孔，所述辅助喷油器与所述射流室主体连通，所述火花塞的电极一端位于所述射流室主体内。
7.根据本发明提供的射流点火组件，所述辅助喷油器为单孔喷油器，所述辅助喷油器喷油雾的方向对准所述射流室主体与所述射流通道连接的台阶处。
8.根据本发明提供的射流点火组件，所述射流通道的内径与长度之比小于0.2。
9.本发明还提供一种射流点火燃烧系统，包括：
10.缸套，所述缸套内部形成有主燃室，所述主燃室内设有与其滑动配合的活塞；
11.进气道，所述进气道与所述主燃室连通，所述进气道上设有第一进气道喷油器和第二进气道喷油器；
12.缸盖，所述缸盖盖合于所述缸套的端口；
13.如上任一项所述的射流点火组件，所述射流点火组件设置在所述缸盖上，所述射流喷孔与所述主燃室连通。
14.根据本发明提供的射流点火燃烧系统，所述射流室主体、射流通道和所述主燃室三者同轴设置。
15.根据本发明提供的射流点火燃烧系统，所述射流室的体积为所述主燃室体积的3％～7％。
16.根据本发明提供的射流点火燃烧系统，所述射流喷孔面积与所述射流室体积的数值之比为0.03～0.05。
17.根据本发明提供的射流点火燃烧系统，当所述活塞位于上止点时，所述射流喷孔的射流落点与所述活塞上表面圆心之间的距离为所述主燃室半径的1/3～1/2。
18.本发明还提供一种燃烧组织方法，所述燃烧组织方法基于如上任一项所述的射流点火燃烧系统，包括：
19.射流点火燃烧阶段：所述辅助喷油器向所述射流室主体内喷油，油雾经过所述射流室主体与所述射流通道连接的台阶处分割为两部分，一部分油雾在所述火花塞的电极附近形成局部浓区，另一部分油雾进入所述射流通道内；
20.燃烧放热阶段：进气冲程中，当仅使用化石燃料时，通过所述第一进气道喷油器向所述主燃室内喷入化石燃料；当同时使用化石燃料和氨气燃料时，先通过所述第一进气道喷油器向所述主燃室内喷入化石燃料，再通过所述第二进气道喷油器向所述主燃室内喷入氨气燃料，使得氨气燃料包裹在醇类燃料或化石燃料的氛围中，氨气燃料聚集于所述主燃室的中心；
21.末端自燃阶段：采用进气道喷射方式，提前喷射时刻使燃油在所述进气道内蒸发。
22.根据本发明提供的燃烧组织方法，所述化石燃料中掺杂有醇类燃料，醇类燃料的体积比为20％～50％。
23.本发明提供的射流点火组件，通过将射流室设置成相互连通的射流室主体和射流通道，射流通道的内径小于射流室主体的内径，在进行点火过程中，狭长射流通道一方面可以加速射流室内部燃气喷射的速度，狭长射流通道的加速作用在发动机高负荷条件下使射流室内部的燃烧状态从爆燃至爆轰的转变，提高射流的速度；另一方面，狭长的射流通道可以使通道内部的湍流涡尺度降低、混合气分布更加均匀，降低射流室内部流场及浓度场不均匀性对射流火焰发展的影响，从而使各向射流更为均匀；
24.本发明提供的射流点火燃烧系统及燃烧组织方法，通过射流点火组件进行点火操作，能够有助于实现氨气的可靠点火；并且通过控制进气过程中，化石燃料和氨气燃料的喷射时序，使缸内混合气在近壁末端处以化石燃料(活性燃料)为主，而氨气燃料聚集于气缸中心，这样使混合气使末端气体的可燃性增强，提高燃烧效率，避免缸内燃烧中由于近壁处由于散热损失强烈导致的氨气不完全燃烧，降低氨气的排放。
附图说明
25.为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，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。
26.图1是本发明提供的射流点火组件实施例的示意图；
27.图2是本发明提供的射流点火组件点火时的示意图；
28.图3是本发明提供的射流点火组件点火时油雾的分布示意图；
29.图4是本发明提供的射流点火燃烧系统实施例的示意图；
30.图5是本发明提供的燃烧组织方法的燃烧组织示意图。
31.附图标记：
32.1、辅助喷油器；2、火花塞；3、射流室；301、射流室主体；302、射流通道；4、缸套；5、主燃室；6、活塞；7、进气道；8、第一进气道喷油器；9、第二进气道喷油器；10、局部浓区；11、射流主导的燃烧区；12、火焰速度主导的燃烧区；13、末端自燃区。
具体实施方式
33.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。
34.下面结合图1-图4描述本发明的射流点火组件、射流点火燃烧系统及燃烧组织方法。
35.实施例1
36.如图1所示，为本发明提供射流点火组件实施例的示意图。本实施例的射流点火组件包括辅助喷油器1、火花塞2和射流室3，射流室3包括相互连通的射流室主体301和射流通道302，射流通道302的内径小于射流室主体301的内径，射流通道302底部设有用于与主燃室5连通的射流喷孔，辅助喷油器1与射流室主体301连通，火花塞2的电极一端位于射流室主体301内。
37.如图2所示，本实施例中，辅助喷油器1为单孔喷油器，辅助喷油器1喷油雾的方向对准射流室主体301与射流通道302连接的台阶处。如此，在辅助喷油器1喷喷出油雾时，在射流室主体301与射流通道302的连接处的分割作用下，如图3所示，一部分油雾经过破碎、雾化和蒸发后，在流场运输作用下到达火花塞2的电极附近形成局部浓区，从而创造更加有利于点火的混合气体氛围；另一部分油雾进入射流通道302内部，此过程中，大量油膜附着在射流通道302的壁面，在发动机活塞6压缩冲程中，活塞6压缩缸内混合气经射流喷孔形成进气射流，在进气射流的剪切作用下，加速附壁油膜的挥发，从而降低油膜的附壁量，实现喷雾更完全的蒸发，提高射流室3内部混合气的能量密度，提高射流室3内部的燃烧效率。
38.本实施例中，射流通道302的内径与长度之比小于0.2。能够保证射流通道302足够狭长，从而满足上述的射流点火需求。
39.实施例2
40.如图4所示，为本发明提供的射流点火燃烧系统实施例的示意图。本实施例的射流点火燃烧系统包括：
41.缸套4，缸套4内部形成有主燃室5，主燃室5内设有与其滑动配合的活塞6；
42.进气道7，进气道7与主燃室5连通，进气道7上设有第一进气道喷油器8和第二进气道喷油器9，本实施例中，第一进气道喷油器8用于向主燃室5内喷入化石燃料，第二进气道喷油器9用于向主燃室5内喷入氨气燃料；
43.缸盖10，缸盖10盖合于缸套4的端口；
44.如实施例1中所述的射流点火组件，射流点火组件设置在缸盖10上，射流喷孔与主燃室5连通。
45.本实施例中，射流室主体301、射流通道302和主燃室5三者同轴设置，射流室3的体积为主燃室5体积的3％～7％，射流喷孔面积与射流室3体积的数值之比为0.03～0.05，当活塞6位于上止点时，射流喷孔的射流落点与活塞6上表面圆心之间的距离为主燃室半径的1/3～1/2。以实现快速、均匀的射流，从而实现范围更广、分布更均匀的快速点火及火焰传播。
46.实施例3
47.本发明还提供一种燃烧组织方法，燃烧组织方法基于如实施例2中的射流点火燃烧系统，包括：
48.射流点火燃烧阶段：辅助喷油器1向射流室主体301内喷油，油雾经过射流室主体301的与射流通道302连接的台阶处分割为两部分，一部分油雾在火花塞2的电极附近形成局部浓区，另一部分油雾进入射流通道302内。相比于传统的火花点火，射流点火是一种高能、可靠的点火方式，通过多束射流诱导多火焰面传播，加速缸内燃烧提高燃烧的等容度。此外，射流的高能有助于实现氨气的可靠点火。
49.燃烧放热阶段：进气冲程中，当仅使用化石燃料时，通过第一进气道喷油器8向主燃室5内喷入化石燃料；当同时使用化石燃料和氨气燃料时，先通过第一进气道喷油器8向主燃室5内喷入化石燃料，再通过第二进气道喷油器9向主燃室5内喷入氨气燃料，使得氨气燃料包裹在醇类燃料或化石燃料的氛围中，氨气燃料聚集于主燃室5中心。
50.此过程中，包含燃料活性的优化方法，化石燃料在稀燃下，混合气体的着火性恶化而新型零碳燃料氨气混合气的火焰速度慢、可燃性低，针对化石燃料提出稀燃下低辛烷值燃料的方法，稀燃下研究法辛烷值较发动机在火花点火当量比主燃室5辛烷值低3～5，从而提高混合气的活性，使稀燃下火焰传播的速度及可靠性提高。针对新型零碳氨气燃料，本实施例提出采用双进气道7喷射的方法，第一进气道喷油器8喷射高活性的化石燃料，第二进气道喷油器9喷射氨气燃料，从而活化氨气混合气的氛围，其中在喷射时序上，首先喷射醇类燃料或高活性的化石燃料，再喷射氨气燃料，使氨气燃料包裹在活性燃料的氛围中，从而使缸内混合气在近壁末端处以活性燃料为主，而氨气燃料聚集于气缸中心，这样使混合气使末端气体的可燃性增强，提高燃烧效率，避免缸内燃烧中由于近壁处由于散热损失强烈导致的氨气不完全燃烧，降低氨气的排放。此外，针对化石燃料还可以通过提高燃料中醇类燃料的比例来提高火焰的传播速度，醇类燃料的体积比例占比在20％～50％之间。
51.末端自燃阶段：采用进气道喷射方式而非缸内直喷方式，从而尽可能提前喷射时刻实现燃油在进气道内充分蒸发，以组织均匀的混合气，避免缸内混合气因局部过浓导致自燃，产生不均匀的爆震燃烧。试验中使爆震的强度在理想的燃烧相位，即上止点后6～8度，缸压的最大波动幅值不超过0.1mpa，总体实现温和的自燃。
52.如图5所示，为上述燃烧组织方法的燃烧组织示意图，分为射流主导的燃烧区11、
火焰速度主导的燃烧区12和末端自燃区13。图5中，i、ii、iii分别对应的是射流主导的燃烧放热、火焰速度主导的燃烧放热阶段和均匀末端自燃区放热阶段。
53.通过以上的实施方式的描述，可知，本发明提供的燃烧组织方法具备如下优点：
54.给出了高效射流点火发动机的燃烧组织方法，实现缸内更完全的燃烧，具有高度的可行性及普适性，可以实现对高效射流点火发动机研发的指导；
55.新型的燃烧模式以进气道7喷射为主，相比于缸内直喷发动机，减轻了发动机缸盖10设计的难度，降低了颗粒物的排放浓度，对后处理系统的要求降低，使发动机和整车的研发成本降低。
56.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。

技术特征：
1.一种射流点火组件，其特征在于，包括辅助喷油器、火花塞和射流室，所述射流室包括相互连通的射流室主体和射流通道，所述射流通道的内径小于所述射流室主体的内径，所述射流通道底部设有用于与主燃室连通的射流喷孔，所述辅助喷油器与所述射流室主体连通，所述火花塞的电极一端位于所述射流室主体内。2.根据权利要求1所述的射流点火组件，其特征在于，所述辅助喷油器为单孔喷油器，所述辅助喷油器喷油雾的方向对准所述射流室主体与所述射流通道连接的台阶处。3.根据权利要求1所述的射流点火组件，其特征在于，所述射流通道的内径与长度之比小于0.2。4.一种射流点火燃烧系统，其特征在于，包括：缸套，所述缸套内部形成有主燃室，所述主燃室内设有与其滑动配合的活塞；进气道，所述进气道与所述主燃室连通，所述进气道上设有第一进气道喷油器和第二进气道喷油器；缸盖，所述缸盖盖合于所述缸套的端口；如权利要求1-3任一项所述的射流点火组件，所述射流点火组件设置在所述缸盖上，所述射流喷孔与所述主燃室连通。5.根据权利要求4所述的射流点火燃烧系统，其特征在于，所述射流室主体、射流通道和所述主燃室三者同轴设置。6.根据权利要求4所述的射流点火燃烧系统，其特征在于，所述射流室的体积为所述主燃室体积的3％～5％。7.根据权利要求4所述的射流点火燃烧系统，其特征在于，所述射流喷孔面积与所述射流室体积的数值之比为0.03～0.05。8.根据权利要求4所述的射流点火燃烧系统，其特征在于，当所述活塞位于上止点时，所述射流喷孔的射流落点与所述活塞上表面圆心之间的距离为所述主燃室半径的1/3～1/2。9.一种基于如权利要求4-8任一项所述的射流点火燃烧系统的燃烧组织方法，其特征在于，包括：射流点火燃烧阶段：所述辅助喷油器向所述射流室主体内喷油，油雾经过所述射流室主体与所述射流通道连接的台阶处分割为两部分，一部分油雾在所述火花塞的电极附近形成局部浓区，另一部分油雾进入所述射流通道内；燃烧放热阶段：进气冲程中，当仅使用化石燃料时，通过所述第一进气道喷油器向所述主燃室内喷入化石燃料；当同时使用化石燃料和氨气燃料时，先通过所述第一进气道喷油器向所述主燃室内喷入化石燃料，再通过所述第二进气道喷油器向所述主燃室内喷入氨气燃料，以使氨气燃料包裹在醇类燃料或化石燃料的氛围中，氨气燃料聚集于所述主燃室的中心；末端自燃阶段：采用进气道喷射方式，提前喷射时刻使燃油在所述进气道内蒸发。10.根据权利要求9所述的燃烧组织方法，其特征在于，所述化石燃料中掺杂有醇类燃料，醇类燃料的体积比为20％～50％。

技术总结
本发明提供一种射流点火组件、射流点火燃烧系统及燃烧组织方法。射流点火组件包括辅助喷油器、火花塞和射流室，射流室包括相互连通的射流室主体和射流通道，射流通道的内径小于射流室主体的内径，射流通道底部设有用于与主燃室连通的射流喷孔，辅助喷油器与射流室主体连通，火花塞的电极一端位于射流室主体内。点火过程中，射流通道一方面可以加速射流室内部燃气的喷射速度，射流通道的加速作用在发动机高负荷条件下使射流室内部的燃烧状态从爆燃至爆轰的转变，提高射流速度；另一方面，狭长的射流通道可以使通道内部的湍流涡尺度降低、混合气分布更加均匀，降低射流室内部流场及浓度场不均匀性对射流火焰发展的影响，从而使各向射流更为均匀。射流更为均匀。射流更为均匀。


技术研发人员：王志 赵自庆 刘尚 蔡开源
受保护的技术使用者：清华大学
技术研发日：2022.12.07
技术公布日：2023/6/27