CN104675515B - 一种汽车发动机的汽油与氨双燃料供应装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种汽车发动机的汽油与氨双燃料供应装置，工作过程中，接通电源后氨生成装置电解制氨并利用分离器分离出氨气储存到液氨罐中。或采用电源加热的方式在废气换热氨分解器中分解氨气生成氢气和氮气，氢气存入储氢罐，氮气放空。行驶过程中，经分离器分离的氢气或者由储氢罐供应的氢气与经氨换热器出来的氨气或者经废气换热氨分解器加热过的氨气以缸内直喷的形式一起进入气缸燃烧；氢气、氨气和汽油以缸内直喷的形式进入气缸，利用ECU进行比例调节，使发动机达到最优的燃烧和最低的排放。本发明装置结构简单，可以有效减少石油燃料的过度使用，同时大幅降低二氧化碳等气体的排放，是一种绿色环保的汽车燃料供应系统。

Description

一种汽车发动机的汽油与氨双燃料供应装置

技术领域

本发明涉及一种发动机的燃料供应装置，特别涉及一种汽车发动机的汽油与氨双燃料供应装置。

背景技术

随着现代社会的不断发展，石油燃料供需矛盾日益加剧，汽车发动机导致的环境污染问题日益严重，二氧化碳的大量排放是导致温室效应的主要原因之一，而CO、PM等有害物的排放也对环境造成了很大损害。氨作为发动机燃料，燃烧产物中不含CO2，对温室效应的改善有积极作用，还可以降低人们对化石燃料不可再生资源的依赖。

根据目前氨燃料研究状况得知，氨作为发动机燃料，因其惰性而点火性较差不易燃烧，尤其是在低负荷低转速下燃烧不充分。为了解决氨气在缸内不易燃烧的问题，本发明选择氢气作为助燃剂对发动机缸内燃烧过程进行调节。同时，原发动机汽油管路系统保留，一是可以利用汽油对氨在缸内的燃烧过程进行调节，使其作为双燃料发动机运行；二是在储备氨气耗尽的情况下，可以利用汽油运行；三是，因氨气发动机启动较为困难，可以在发动机启动时利用汽油进行启动。当废气换热氨分解器达到氨分解所需的温度后，通过氨分解产生氢气对发动机进行调节，条件成熟后切换到氨气、汽油双燃料，或氨气和氢气混合燃料进行运行。

日本造船株式会社在专利CN102216588A中，采用氨分解产生氢的方法，利用氢气对氨气在发动机缸内的燃烧过程进行调节，但其为了保证氨分解产生氢所需的温度，在系统内加了一个氨氧化装置，使得系统结构更加复杂。同时其氨燃料只能从外部进行加注，因而也只能依靠加氨站，无法实现自给自足。

发明内容

本发明的目的在于提供一种汽车发动机的汽油与氨双燃料供应装置，以解决现有的化石燃料发动机所存在的污染较大的问题，以及氨发动机结构复杂、不易点火、燃料加注不便的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种汽车发动机的汽油与氨双燃料供应装置，包括发动机、氨生成装置、液氨罐、储氢罐、分离器、第一压缩机、第二压缩机、氨换热器、废气换热氨分解器、空调换热器及汽油箱；

所述分离器具有第一入口、第二入口、第一出口、第二出口、第三出口及第四出口；

所述氨生成装置的出口分别与废气换热氨分解器及所述第一入口相连通，所述第一出口与所述第一压缩机相连通，第三出口与外部空气相通；所述第二出口与所述第二压缩机相连通，所述第四出口与所述废气换热氨分解器相连通；

所述空调换热器的入口与所述液氨罐相连通，所述空调换热器的出口与所述氨换热器的入口相连通；所述氨换热器的第一出口与所述废气换热氨分解器相连通，所述氨换热器的第二出口与所述分离器相连通；

所述废气换热氨分解器的第一出口与所述发动机相连通，第二出口与氨换热器相连通；所述第二压缩机的第一出口与储氢罐的相连通，所述储氢罐与所述发动机相连通，同时所述第二压缩机的第二出口与所述发动机相连通；所述汽油箱与所述发动机相连通；

还包括一电控装置，所述电控装置用于控制所述发动机的燃料为汽油箱中的汽油或汽油与氨气或汽油及氨气、氢气的混合气体。

较佳地，所述氨生成装置用于生成氨气，同时所述氨气中还混有来自空气中的氮气，包括所述氨气及氮气的混合气体经所述第一入口输入所述分离器；

所述分离器用于将所述氨气和氮气的混合气体分离为氨气和氮气，并将分离后的氨气经第一出口送入所述第一压缩机进行压缩送入所述液氨罐进行储存，同时所述分离器将分离后的氮气经第三出口放入空气中。

较佳地，还包括一空调换热器，所述空调换热器的入口与所述液氨罐相连通，所述空调换热器的出口与所述氨换热器的入口相连通；液氨罐中的液氨通过所述空调换热器换热后送入所述氨换热器。

较佳地，所述氨换热器用于对氨气升温处理送入废气换热氨分解器，或将来自废气换热氨分解器的氢气和氮气的混合气体进行降温处理后送入所述分离器，同时将另一部分氨气加热后送入所述废气换热氨分解器；

所述分离器用于将所述氢气和氮气的混合气体分离为氢气和氮气，并将分离后的氢气经第二出口送入所述第二压缩机进行压缩后送入所述储氢罐进行储存，同时所述分离器将分离后的氮气经第三出口放入空气中，同时将部分未分解氨气送入所述废气换热氨分解器再催化分解；

其中，加热后的氨气温度为300℃~1000℃。

较佳地，所述分离器的第四出口与废气换热氨分解器相连通，所述分离器用于将未催化反应的氨气输入所述废气换热氨分解器中；当所述废气换热氨分解器中的氨气与氢气、氮气达到预定比例后，直接将氨气与氢气、氮气送入所述发动机。

较佳地，所述储氢罐为发动机提供氢燃料或所述第二压缩机为发动机提供氢燃料；当储氢罐中的氢气不足或液氨罐中的氨不足时，所述汽油箱用于为所述发动机提供汽油燃料。

较佳地，所述废气换热氨分解器为电能和/或废气热量加热的。

较佳地，所述发动机为直喷发动机，氨气及氢气、或汽油通过直喷的形式进入发动机的气缸。

较佳地，所述氨生成装置还与一电源连接，所述氨生成装置通过该电源进行电解制氨，所述电源为外接电源或电能来自车载发动机产生的电能。

较佳地，所述发动机工作时，发动机的燃料为来自汽油箱中的汽油，或者为汽油箱中的汽油与氨气构成的混合燃料，或者为汽油箱中的汽油与氨气、氢气构成的混合燃料；

其中，氨气为氨生成装置生成的氨气或来自液氨罐的氨气；氢气为储氢罐中的氢气或废气换热氨分解器催化反应后得到的氢气；

废气换热氨分解器中催化反应得到氢气全部与氨气混合构成混合燃料，或部分氢气储存以备用。

本发明提供了一种汽车发动机的汽油与氨双燃料供应装置，该装置的发动机可由汽油、氨气、氢气作为燃料进行动力的提供，其中，氨气、氢气由氨生成装置通过电解制氨的方法得到，通过适当的比例控制，可使得发动机达到最优的性能。该装置既实现了发动机燃料的绿色化，也以传统的汽油燃料作为补充，避免了单纯应用氨燃料所造成的燃料供应不可靠的问题。采用本发明装置，可以有效减少石油燃料的使用，同时大幅降低二氧化碳等气体的排放，是一种绿色环保的汽车燃料供应装置。

该装置结构简单、点火容易、燃料加注方便，由该装置为汽车发动机供应燃料的点火可靠性较好。

附图说明

图1为本发明实施例一的汽车发动机氢氨混合燃料供应装置的结构示意图；

图2为本发明一优选实施例的汽车发动机氢氨混合燃料供应装置的结构示意图；

图3为本发明另一优选实施例的汽车发动机氢氨混合燃料供应装置的结构示意图。

标号说明：1-电源装置；2-氨生成装置；3-压缩机；4-液氨罐；5-空调换热器；6-氨换热器；7-废气换热氨分解器；8-压缩机；9-分离器；10-发动机；11-储氢罐；12-汽油箱。

具体实施方式

为更好地说明本发明，兹以一优选实施例，并配合附图对本发明作详细说明，具体如下：

实施例一：

如图1所示，本实施例提供的汽车发动机的汽油与氨双燃料供应装置包括：发动机10、氨生成装置2、液氨罐4、储氢罐11、分离器9、第一压缩机3、第二压缩机8、氨换热器6、废气换热氨分解器7、空调换热器5及汽油箱12，其中，氨生成装置2还与一电源1相连，氨生成装置2可以通过电源1进行电解制氨，从而得到氨气和氮气的混合气体。

如图1所示，分离器具有2个入口，三个出口，分别为：第一入口、第二入口、第一出口、第二出口、第三出口及第四出口。氨生成装置2与分离器的第一入口相连通，第一出口与第一压缩机3相连通，第三出口与外部空气相通；第二出口与第二压缩机8相连通，第四出口与废气换热氨分解器7相连通。

空调换热器5的入口与液氨罐4的出口相连通，空调换热器5的出口与氨换热器6的入口相连通；氨换热器6的第一出口与废气换热氨分解器7相连通。氨换热器6的第二出口与分离器9的第二入口相连通；

废气换热氨分解器7的第一出口与发动机10相连通，废气换热氨分解器7的第二出口与氨换热器6相连通；第二压缩机8的第一出口与储氢罐11的入口相连通，储氢罐11的出口与发动机10相连通，同时第二压缩机8的第二出口与发动机10相连通；汽油箱12与发动机10相连通。

该装置还包括一电控装置（ECU），该电控装置用于控制所述发动机的燃料为汽油箱中的汽油或汽油与氨气或汽油及氨气、氢气的混合气体。

在本实施例提供的装置的工作过程中，液氨可以通过电源1提供的电能在氨生成装置2中进行电解制备，并将所制的氨气储存在液氨罐4中，同时液氨罐4也具备了从外部直接加注的功能，即也可以由加氨站直接加注，这样液氨的供给有了双重保证。

具体地，氨生成装置2电解制氨得到氨气和氮气的混合气体，该混合气体经第一入口送入分离器9，分离器将该混合气体分离为氨气和氮气。其中，此处分离后的氨气进入第一压缩机3进行压缩，送入液氨罐进行储存。其中，分离器分离后的氨气温度为10℃~30℃。本实施例中的氨气温度为20℃左右，液氨罐中的压强为10~30bar。此外，由于氨生成装置中所得到的混合气体中会混有部分氧气，当该混合气体输入分离器9后，氧气随氮气一起从第三出口送入外部空气中。

在汽车行驶时，氨气直接送入废气换热氨分解器7参加催化反应，得到氢气和氮气的混合气体，温度不高时该混合气体中还混有部分未完全分解的氨气。当氢气与氨气达到预定的适宜发动机需要的比例时，即可直接从废气换热氨分解器7中输入发动机，供发动机燃烧使用。当氢气和氨气的比例不适合直接输入发动机时，则电子控制单元ECU进行调节。废气换热氨分解器7中氢气和氮气的混合气体经氨换热器降温后直接送入分离器9进行分离，分离后的氮气直接放空，分离后的氢气通过第二压缩机进行压缩，压缩后存储在储氢罐11中或直接输入发动机10，此时，氨燃料来自液氨罐4。具体地，液氨罐中的氨经空调换热器5。这种情况下，可以由电子控制单元ECU控制储氢罐11中向发动机10的氢气流量实现氢气与氨气的最佳比例。此时，储氢罐11中存储的氢燃料或者来自分离器分离的氢气与氨气以一定比例构成氨燃料一同输入发动机10，同时，如图2所示，汽车富余电能可电解制氨，产生的氧气可直接输入发动机10，供优化燃烧使用。

汽车行使时，液氨经汽化与空调换热器5换热后可吸收热量达到降低车内温度的目的。汽化后的氨气送入氨换热器6与热氨气交换后送入废气换热氨分解器7参加催化分解反应，得到氢气和氮气的混合气体，废气换热氨分解器7的温度由电子控制单元ECU进行调节，从而得到不同比例的的氢气和氨气。废气换热氨分解器7温度不高时得到的混合气体会有部分未分解氨气，经分离器分离后重新进入废气换热氨分解器7再进行催化分解。也可由电子控制单元ECU调节与储氢罐中的氢气达到最佳比例直接送入发动机进行燃烧。混合气体可再次经氨换热器6进行降温处理后送入分离器9，分离器9将氢气和氮气的混合气体分离为氢气、氮气及氨气。其中，氢气送入第二压缩机8进行压缩后送入储氢罐11进行储存。这部分氢气也可直接送入发动机燃烧，由电子控制单元ECU调整氢气流量与氨气形成最佳比例以提高发动机燃烧效率。这个过程中（废气换热氨分解器工作时，无论发动机是否工作），分离器9还可将来自氨换热器的混合气体中所混有的未完全催化反应的氨气再次分离出来并经第四出口送回至废气换热氨分解器7再次参加催化分解反应，以提高催化反应效率。

在上述过程中，氨气经空调换热器5换热后再经过氨换热器6换热后送入废气换热氨分解器7中进行催化分解反应。废气换热氨分解器7中得到的氢气、氮气及氨气的混合气体为500℃左右，该混合气体经氨换热器6换热后送入分离器9进行分离。当然，催化反应的温度可在100℃~1000℃之间变化，上述各部分物质温度也可根据实际需要调整，本发明不作特定限制。

当汽车停驶时，可外接电源由氨生成装置2进行电解制氨，并按上述分离过程及催化反应过程产生的物质进行物质交换和处理，将得到的氨气及氢气储存起来。

本实施例中，当发动机工作时，而液氨罐4中的液氨或储氢罐中的氢气不足时，可由汽油箱12中的汽油作为燃料，继续为发动机10提供动力。发动机为直喷发动机，氨气及氢气、或汽油通过直喷的方式进入发动机气缸燃烧。 废气换热氨分解器为通过电能或废气热量加热的，或者为电能和废气热量同时加热。其中，电能可以采取风能、太阳能等绿色电能，利用发动机废气热量及电能加热可以进一步减少空气污染及提高能源利用率。

采用本发明装置为发动机供应燃料时，首先，液氨、汽油均可通过外部加注。在发动机以纯汽油模式起动运行一段时间使得废气换热氨分解器温度达到氨气加热分解所需的温度时，将氨气分解产生的氢气储存到储氢罐备用，储氢罐达到一定压力后由ECU根据发动机实际工况调节切换到氨燃料运行模式。

其次，在车辆停驶状态下也可接通电源，利用各种电能通过氨生成装置产生氨气，将其分离出高纯度的氨气储存到液氨罐内，同时利用电源加热废气换热氨分解器产生氢气，通过分离器将分离出的纯净氢气储存到储氢罐中备用。液氨也可通过外界加注的方式加入液氨罐储存。

在氨燃料运行模式下，氨燃料首先经过空调换热器，在夏天需要开启空调时，可以利用氨气蒸发达到降低车内温度的目的。此外，汽油及从氨换热器出来的氨气（如图3所示）、或从废气换热氨分解器出来的氨气、氢气均以缸内直喷的形式进入气缸燃烧，储氢罐内的氢气可以对缸内的燃烧过程进行调节。其中汽油、氨气、氢气的比例由电子控制单元ECU进行调节控制，使发动机达到最优的性能，最低的排放。液氨罐的中液氨可以通过电源提供电能利用氨生成装置电解制氨，并将所制的氨气储存在液氨罐中，由于液氨罐具备了从外部直接加注的功能，从而双重保证了液氨的供给。

在其他优选实施例中，如图2所示，氨生成装置2还包括一氧气出口，该氧气出口与发动机10相连，当汽车富余电能进行电解制氨时，发动机10运转状态下，电解制氨产生的氧气可直接输入至发动机10供燃烧使用，进一步提高氨燃料在发动机缸内的充分燃烧，降低排放污染。如图3所示，液氨罐4中的氨气还可以直接经空调换热器5及氨换热器6后进入发动机进行燃烧，此时，氢气可以是经废气换热氨分解器7、分离器9及压缩机8直接进入发动机，也可以是来自储氢罐11。

当发动机处于高速运行时，废气换热氨分解器将会将氨气完全分解从而得到充足的氢气，此时可与经氨换热器出来的氨气一起进入发动机燃烧（如图3所示）。

综上，本发明装置的发动机工作时，发动机的燃料为来自汽油箱中的汽油，或者为汽油箱中的汽油与构成的混合燃料，或者为汽油箱中的汽油与氨气、氢气构成的混合燃料；其中，氨气为氨生成装置生成的氨气或来自液氨罐的氨气；氢气为储氢罐中的氢气或废气换热氨分解器催化反应后得到的氢气；废气换热氨分解器中催化反应得到氢气全部与氨气混合构成混合燃料，或部分氢气储存以备用。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何本领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，对本发明所做的变形或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述的权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种汽车发动机的汽油与氨双燃料供应装置，其特征在于，包括发动机、氨生成装置、液氨罐、储氢罐、分离器、第一压缩机、第二压缩机、氨换热器、废气换热氨分解器及汽油箱；

所述分离器具有第一入口、第二入口、第一出口、第二出口、第三出口及第四出口；

所述氨生成装置的出口分别与废气换热氨分解器及所述第一入口相连通，所述第一出口与所述第一压缩机相连通，第三出口与外部空气相通；所述第二出口与所述第二压缩机相连通，所述第四出口与所述废气换热氨分解器相连通；

所述氨换热器的入口与所述液氨罐相连通，所述空调换热器的出口与所述氨换热器的入口相连通；所述氨换热器的第一出口与所述废气换热氨分解器相连通，所述氨换热器的第二出口与所述分离器相连通；

所述废气换热氨分解器的第一出口与所述发动机相连通，第二出口与氨换热器相连通；所述第二压缩机的第一出口与储氢罐的相连通，所述储氢罐与所述发动机相连通，同时所述第二压缩机的第二出口与所述发动机相连通；所述汽油箱与所述发动机相连通；

还包括一电控装置，所述电控装置用于控制所述发动机的燃料为汽油箱中的汽油或汽油与氨气或氨气、氢气的混合气体。

2.根据权利要求1所述的汽车发动机的汽油与氨双燃料供应装置，其特征在于，所述氨生成装置用于产生氨气，同时所述氨气中还混有来自空气中的氮气，包括所述氨气及氮气的混合气体经所述第一入口输入所述分离器；

所述分离器用于将所述氨气和氮气的混合气体分离为氨气和氮气，并将分离后的氨气经第一出口送入所述第一压缩机进行压缩送入所述液氨罐进行储存，同时所述分离器将分离后的氮气经第三出口放入空气中。

3.根据权利要求1所述的汽车发动机的汽油与氨双燃料供应装置，其特征在于，还包括一空调换热器，所述空调换热器的入口与所述液氨罐相连通，所述空调换热器的出口与所述氨换热器的入口相连通；液氨罐中的液氨通过所述空调换热器换热后送入所述氨换热器。

4.根据权利要求1所述的汽车发动机的汽油与氨双燃料供应装置，其特征在于，所述氨换热器用于对氨气升温处理送入废气换热氨分解器，或将来自废气换热氨分解器的氢气和氮气的混合气体进行降温处理后送入所述分离器，所述分离器用于将所述氢气和氮气的混合气体分离为氢气和氮气，并将分离后的氢气经第二出口送入所述第二压缩机进行压缩，压缩后的氢气送入所述储氢罐进行储存，同时所述分离器将分离后的氮气经第三出口放入空气中，同时将部分未分解氨气送入所述废气换热氨分解器再催化分解；

其中，加热后的氨气温度为100℃～1000℃。

5.根据权利要求4所述的汽车发动机的汽油与氨双燃料供应装置，其特征在于，所述分离器的第四出口与废气换热氨分解器相连通，所述分离器用于将未催化反应的氨气输入所述废气换热氨分解器中；

当所述废气换热氨分解器中的氨气与氢气达到预定比例后，直接将氨气与氢气、氮气送入所述发动机。

6.根据权利要求1所述的汽车发动机的汽油与氨双燃料供应装置，其特征在于，所述储氢罐为发动机提供氢燃料或所述第二压缩机为发动机提供氢燃料当储氢罐中的氢气不足或液氨罐中的氨不足时，所述汽油箱用于为所述发动机提供汽油燃料。

7.根据权利要求1或4所述的汽车发动机的汽油与氨双燃料供应装置，其特征在于，所述废气换热氨分解器为电能和/或废气热量加热的。

8.根据权利要求1所述的汽车发动机的汽油与氨双燃料供应装置，其特征在于，所述发动机为直喷发动机，氨气及氢气、或汽油通过直喷的形式进入发动机的气缸。

9.根据权利要求1所述的汽车发动机的汽油与氨双燃料供应装置，其特征在于，所述氨生成装置还与一电源连接，所述氨生成装置通过该电源进行电解制氨，所述电源为外接电源或电能来自车载发电机产生的电能。

10.根据权利要求1所述的汽车发动机的汽油与氨双燃料供应装置，其特征在于，所述发动机工作时，发动机的燃料为来自汽油箱中的汽油，或者为汽油箱中的汽油与氨气构成的混合燃料，或者为汽油箱中的汽油与氨气、氢气构成的混合燃料；

其中，氨气为氨生成装置生成的氨气或来自液氨罐的氨气；氢气为储氢罐中的氢气或废气换热氨分解器催化反应后得到的氢气；

废气换热氨分解器中催化反应得到氢气或与氨气混合构成混合燃料，或部分氢气储存以备用。