CN104675580B - 一种新型汽车发动机氢氨混合燃料供应装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种新型汽车发动机氢氨混合燃料供应装置，该装置包括氨生成装置，一般停车时可用外接电源电解制氨储存在液氨罐中，还可将氨分解制氢储存在储氢罐中，当发动机工作时，可以氨和氢气共同作为发动机燃料。该装置还可外部加注氨燃料，确保燃料的供应。该装置利用发动机废气热量或和电能加热氨气进行催化分解，有效提高热能利用效率；氨、氢作为发动机燃料，有效消除二氧化碳等温室气体的排放，大幅减少CO、PM等有害排放物对环境的污染；该装置可以有效缓解石油过度使用，替代汽油作为汽车的绿色环保燃料。该装置可以通过汽车电子控制单元ECU控制氢气及氨燃料的比例提高发动机燃烧效率，且燃料的点火可靠性极好。

Description

一种新型汽车发动机氢氨混合燃料供应装置

技术领域

本发明涉及一种发动机的燃料供应装置，特别涉及一种新型汽车发动机氢氨混合燃料供应装置。

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，同时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，对改善温室效应有着十分积极的促进作用，同时又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，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充分燃烧进行调节。在发动机包括排气管在内的废气换热氨分解器达到氨分解所需的温度后，通过氨分解产生的氢气或储氢器的氢气对发动机缸内燃烧进行优化调节，使发动机保持正常运行。

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。此外，在汽车启动时，因氨燃料不易点火，而此时又无法利用氨分解产生氢气进行助燃，因此其点火可靠性也无法保证。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新型汽车发动机氢氨混合燃料供应装置，以解决现有的氨发动机结构复杂、不易点火、燃料加注不便及汽车发动机点火可靠性较低等问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种新型汽车发动机氢氨混合燃料供应装置，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；

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的出口相连通，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。

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压缩至所述液氨罐储存，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，所述废气换热氨分解器用于将氨气进行催化分解反应，得到氢气和氮气的混合气体，所述氨换热器用于对低温的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、氨气和氮气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、氨气和氮气的混合气体分离为氢气、氨气和氮气，并将分离后的氢气经第二出口送入所述第二压缩机压缩送入所述储氢罐储存，将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℃。

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分解的氨气输入所述废气换热氨分解器中。

较佳地，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。

较佳地，所述废气换热氨分解器为电能或/和发动机废气热量加热的。

较佳地，所述发动机为直喷发动机，氨气及氢气以直喷的方式进入发动机气缸。

较佳地，所述氨生成装置还与电源连接，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；所述发动机工作状态良好时，以氨气和氢气为混合燃料提供动力，其中，所述废气换热氨分解器中的部分氢气直接通过所述分离器进入储氢罐中进行储存以备用。

本发明提供了一种新型汽车发动机氢氨混合燃料供应装置，该装置利用废气热量加热氨气进行催化分解，也可利用电能加热氨气进行催化分解，可有效提高发动机热能利用效率；氨、氢作为发动机燃料，有助于消除二氧化碳等温室气体的排放，同时大幅减少CO、PM等有害排放物对环境的污染；该装置可以有效缓解石油过度使用，替代汽油作为汽车的绿色环保燃料。

该装置结构简单、燃料加注方便，可在停车时进行自主生成氨燃料并储存，也可以外部加注，且该装置通过该装置可以通过汽车电子控制单元ECU控制氢气及氨燃料的比例提高发动机燃烧效率，且燃料的点火可靠性极好。

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。

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，本实施例提供的新型汽车发动机氢氨混合燃料供应装置包括：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及空调换热器5，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的供电进行电解制氨，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。

此外，氨生成装置2的出口还与废气换热氨分解器7相连通，用于直接将生成的氨气和氮气的混合气体送入废气换热氨分解器7进行催化反应。

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，这样双重保证了液氨的供给。

具体地，当通过电解制氨时，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，得到液氨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℃，液氨罐中的压强为10~30 bar。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，氨产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会混有部分未反应完全的氨气。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，可以通过控制储氢罐11中向发动机10的氢气流量实现氢气与氨气比例的控制。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，供发动机10供燃烧使用。

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，经空调换热器5后得到的氨气温度为20℃左右，氨气经氨换热器6换热后送入废气换热氨分解器7中进行催化反应。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。

本实施例中，发动机为直喷发动机，氨气及氢气通过直喷的方式进入发动机气缸进行燃烧提供动力。废气换热氨分解器为通过电能或和废气热量加热。其中，电能也可以采取风能、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，液氨可通过外部加注，也可以通过氨生成装置进行电解制氨，这样保证了液氨的双重供给。即在车辆停驶状态下也可接通电源，利用电能通过氨生成装置产生氨气，并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将氨气分解成氢气和氮气，并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进入液氨罐储存。

在发动机10运行时，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，经氨换热器出来的氨气、或从废气换热氨分解器出来的氨气、以及来自储氢罐中的氢气均以缸内直喷的形式进入发动机10的气缸燃烧，储氢罐11内的氢气可以对缸内优化燃烧过程进行调节。其中，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。经废气换热氨分解器出来的混合气体，若其NH₃和H₂的比例适合发动机燃烧需求，也可直接进发动机10进行燃烧。其尾气排放出的NO_x可以通过后处理的方式去除掉，这样即可大幅降低空气污染，也可实现汽车节能绿色环保。液氨罐中的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。

本实施例中，氨在压缩比为50 左右的等体积燃烧内燃机中燃烧可达到50% 以上的热效率，废气中氨和NOx的排放浓度为0.82g/m3，用硅酸盐沸石可以很容易地去除氨和NOx。采用火花点火的富氨低氧内燃机，NOx排放浓度小于0. 41g/m3。

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，当电量充足进行电解制氨时，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。

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。

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)

1.一种新型汽车发动机氢氨混合燃料供应装置，包括发动机、氨生成装置、液氨罐，其特征在于，还包括储氢罐、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；

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的出口相连通，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。

2.根据权利要求1所述的新型汽车发动机氢氨混合燃料供应装置，其特征在于，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压缩至所述液氨罐储存，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所述的新型汽车发动机氢氨混合燃料供应装置，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所述的新型汽车发动机氢氨混合燃料供应装置，其特征在于，所述废气换热氨分解器用于将氨气进行催化分解反应，得到氢气和氮气的混合气体，所述氨换热器用于对低温的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、氨气和氮气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、氨气和氮气的混合气体分离为氢气、氨气和氮气，并将分离后的氢气经第二出口送入所述第二压缩机压缩送入所述储氢罐储存，将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所述的新型汽车发动机氢氨混合燃料供应装置，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分解的氨气输入所述废气换热氨分解器中。

6.根据权利要求4所述的新型汽车发动机氢氨混合燃料供应装置，其特征在于，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。

7.根据权利要求1所述的新型汽车发动机氢氨混合燃料供应装置，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。

8.根据权利要求1或4所述的新型汽车发动机氢氨混合燃料供应装置，其特征在于，所述废气换热氨分解器为电能或/和发动机废气热量加热的。

9.根据权利要求1所述的新型汽车发动机氢氨混合燃料供应装置，其特征在于，所述发动机为直喷发动机，氨气及氢气以直喷的方式进入发动机气缸。

10.根据权利要求1所述的新型汽车发动机氢氨混合燃料供应装置，其特征在于，所述氨生成装置还与电源连接，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；所述发动机工作状态良好时，以氨气和氢气为混合燃料提供动力，其中，所述废气换热氨分解器中的部分氢气直接通过所述分离器进入储氢罐中进行储存以备用。