CN111255560A - 一种氢氨双燃料活塞机及控制方法 - Google Patents

一种氢氨双燃料活塞机及控制方法 Download PDF

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Abstract

一种氢氨双燃料活塞机及控制方法，具体涉及一种氢气/氨气双燃料燃烧的活塞发动机及控制方法，属于内燃机控制领域。主要包括电控氢气喷射系统，电控汽油喷射系统与电控空气供给系统等。ECU(E)通过转速传感器(17)传递来的信号17(S17)，依据转速大小对空气体积流量控制器(3)、氨气体积流量控制器(7)、氢气体积流量控制器(12)控制，使发动机在适合的氨氢混合比下混合燃烧。同时，氨气与排气管路上SCR后处理连接，极大的消除了尾气中氮氧化物的排放。

Description

一种氢氨双燃料活塞机及控制方法
技术领域
一种氢氨双燃料活塞机及控制方法，具体涉及一种氢气/氨气双燃料混合燃烧活塞发动机及控制方法，属于内燃机领域。
背景技术
温室效应使得全球变暖、水平面升高带来的危害也越来越为人们关注，如何减少温室气体的排放也逐渐成为世界关心的重点，而如何降低作为温室气体的主要贡献者——碳氢燃料发动机的排放则成为重中之重。
故而本申请设计了一种以氨气/氢气为燃料的双燃料发动机及控制方法，通过燃烧无碳燃料——氨气、氢气，从而减少二氧化碳等温室气体的排放，同时，氨气输入到SCR后处理系统中，减少了氮氧化物的排放。此外，为了克服氨气燃烧速度慢，点火难的缺点，采用掺混氢燃烧的方法进行解决，
发明内容
为了改善发动机的排放，减少温室气体的产出，本申请提供了一种氨气/氢气双燃料活塞机，通过优化燃烧，实现节能减排的目的。
本发明解决上述技术问题是通过以下技术方案解决的：
一种氢氨双燃料活塞机及控制方法，涉及一种氢气/氨气双燃料燃烧的活塞发动机及控制方法，包括：空气供给管路(P1)上依次串联有：大气(1)、节气门(2)、空气体积流量控制器(3)、空气滤清器(4)；氨气供给管路(P2)上依次串联有:氨气罐(5)、氨气管路减压阀(6)、氨气体积流量控制器(7)、氨气滤清器(8)、氨气喷嘴(9)，氨气经过氨气喷嘴(9)喷入进气道与空气混合进入缸内；氢气供给管路(P3)上依次串联有：氢气罐(10)、氢气管路减压阀(11)、氢气体积流量控制器(12)、氢气滤清器(13)、氢气喷嘴(14)，氢气经氢气喷嘴(14)直接喷入缸内进行燃烧；气缸(15)；排气管路(P4)，其上有SCR后处理器(16)；氨气输送管(P5)，氨气输送管(P5)连接至SCR后处理器(16)；转速传感器(17)；ECU(E)，ECU(E)与节气门(2)、氨气体积流量控制器(7)、氢气体积流量控制器(12)和转速传感器(17)间存在信号交互，且分别为信号3(S3)、信号7(S7)、信号12(S12)、信号17(S17)。
通过调节节气门开度(2)使空气流入进气道，并通过空气滤清器(4)净化后流入缸内；同时，打开氨气减压阀(6)，通过调节氨气体积流量控制器(7)，并通过氨气滤清器(8)，经氨气喷嘴(9)进入进气道与空气混合后进入气缸。当活塞运行至上止点前时氢气供给管路(P3)上的氢气体积流量控制器(12)控制一定量的氢气通过，并通过氢气喷嘴(14)直接喷入缸内，与氨气空气形成分层混合气。燃烧后的尾气通过排气管路(P4)排出，同时，氨气罐(5)输出一根氨气输送管路(P5)进入SCR后处理器(16)，通过氨气对尾气中的氮氧化物进行催化还原。并且根据不同工况调节节气门(2)开度、氨气体积流量控制器(7)和氢气体积流量控制器(12)使整个过程中混合物的过量空气系数η维持在1.0-1.2之间。
氢气/氨气双燃料活塞机包括以下控制过程：
发动机ECU(E)接收来自转速传感器(17)的信号17(S17)，当转速n从0变为非0后的3s内，此时为起动阶段，为了顺利起动以及减少排放物，采取氢氧加浓燃烧，ECU(E)分别输出信号3(S3)至节气门(2)和信号12(S12)至氢气体积流量控制器(12)，调节氢气和空气流量，使燃烧过量空气系数η＝0.9，浓燃起动；同时，ECU(E)输出信号7(S7)至氨气体积流量控制器(7)，使氨气流量为0。
发动机ECU(E)接收来自转速传感器(17)的信号17(S17)，当转速0<n≤3000rpm，此时为中低转速运行阶段，采取氢空氨燃烧，同时因为此时处于中低速，因此采取低氢气比例掺混。ECU(E)分别输出信号3(S3)至节气门(2)、信号7(S7)至氨气体积流量控制器(7)和信号12(S12)至氢气体积流量控制器(12)，调节氢气、空气和氨气流量，使混合物燃烧过量空气系数η＝1，同时氢气占总燃料中的摩尔分数VH2＝10％。
发动机ECU(E)接收来自转速传感器(17)的信号17(S17)，当转速3000<n≤5500rpm，此时为高转速运行阶段，采取氢空氨燃烧，此时转速过高，会导致混合物燃烧时间过短，为加快燃烧过程，采取高氢气比例掺混。ECU(E)分别输出信号3(S3)至节气门(2)、信号7(S7)至氨气体积流量控制器(7)和信号12(S12)至氢气体积流量控制器(12)，调节氢气、空气和氨气流量，使燃烧过量空气系数η＝1，同时氢气占总燃料中的摩尔分数nH2＝20％。
发动机ECU(E)接收来自转速传感器(17)的信号17(S17)，当转速5500rpm<n时，此时转速过高，为保证安全性，采取氨气稀薄燃烧，以降低动力输出以降低转速至安全转速。ECU(E)分别输出信号3(S3)至节气门(2)、信号7(S7)至氨气体积流量控制器(7)调节空气和氨气流量，使燃烧过量空气系数η＝1.2，同时，ECU(E)输出信号12(S12)至氢气体积流量控制器(12)，使氢气流量为0。
其中，燃烧过程混合物过量空气系数η＝VO2/(VH2*0.5+VNH3*0.75)，氢气占总燃料中的摩尔分数比nH2＝VH2/(VH2+VNH3)。
附图说明
图1.本发明的结构和工作原理
图1中：空气供给管路(P1)：大气(1)、节气门(2)、空气体积流量控制器(3)、空气滤清器(4)；氨气供给管路(P2):氨气罐(5)、氨气管路减压阀(6)、氨气体积流量控制器(7)、氨气滤清器(8)、氨气喷嘴(9)；氢气供给管路(P3)：氢气罐(10)、氢气管路减压阀(11)、氢气体积流量控制器(12)、氢气滤清器(13)、氢气喷嘴(14)；气缸(15)；排气管路(P4)：SCR后处理器(16)；氨气输送管(P5)；转速传感器(17)；ECU(E)：信号3(S3)、信号7(S7)、信号12(S12)、信号17(S17)。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对于本发明做进一步的说明：
包括：空气供给管路(P1)上依次串联有：大气(1)、节气门(2)、空气体积流量控制器(3)、空气滤清器(4)；氨气供给管路(P2)上依次串联有:氨气罐(5)、氨气管路减压阀(6)、氨气体积流量控制器(7)、氨气滤清器(8)、氨气喷嘴(9)，氨气经过氨气喷嘴(9)喷入进气道与空气混合进入缸内；氢气供给管路(P3)上依次串联有：氢气罐(10)、氢气管路减压阀(11)、氢气体积流量控制器(12)、氢气滤清器(13)、氢气喷嘴(14)，氢气经氢气喷嘴(14)直接喷入缸内进行燃烧；气缸(15)；排气管路(P4)，其上有SCR后处理器(16)；氨气输送管(P5)，氨气输送管(P5)连接至SCR后处理器(16)；转速传感器(17)；ECU(E)，ECU(E)与节气门(2)、氨气体积流量控制器(7)、氢气体积流量控制器(12)和转速传感器(17)间存在信号交互，且分别为信号3(S3)、信号7(S7)、信号12(S12)、信号17(S17)。
发动机ECU(E)接收来自转速传感器(17)的信号17(S17)，当转速n从0变为非0后的3s内，此时为起动阶段，为了顺利起动以及减少排放物，采取氢氧加浓燃烧，ECU(E)分别输出信号3(S3)至节气门(2)和信号12(S12)至氢气体积流量控制器(12)，调节氢气和空气流量，使燃烧过量空气系数η＝0.9，浓燃起动；同时，ECU(E)输出信号7(S7)至氨气体积流量控制器(7)，使氨气流量为0。
发动机ECU(E)接收来自转速传感器(17)的信号17(S17)，当转速0<n≤3000rpm，此时为中低转速运行阶段，采取氢空氨燃烧，同时因为此时处于中低速，因此采取低氢气比例掺混。ECU(E)分别输出信号3(S3)至节气门(2)、信号7(S7)至氨气体积流量控制器(7)和信号12(S12)至氢气体积流量控制器(12)，调节氢气、空气和氨气流量，使混合物燃烧过量空气系数η＝1，同时氢气占总燃料中的摩尔分数VH2＝10％。
发动机ECU(E)接收来自转速传感器(17)的信号17(S17)，当转速3000<n≤5500rpm，此时为高转速运行阶段，采取氢空氨燃烧，此时转速过高，以致于混合物燃烧时间过短，为加快燃烧过程，采取高氢气比例掺混。ECU(E)分别输出信号3(S3)至节气门(2)、信号7(S7)至氨气体积流量控制器(7)和信号12(S12)至氢气体积流量控制器(12)，调节氢气、空气和氨气流量，使燃烧过量空气系数η＝1，同时氢气占总燃料中的摩尔分数nH2＝20％。
发动机ECU(E)接收来自转速传感器(17)的信号17(S17)，当转速5500rpm<n时，此时转速过高，为保证安全性，采取氨气稀薄燃烧，以降低动力输出以降低转速至安全转速。ECU(E)分别输出信号3(S3)至节气门(2)、信号7(S7)至氨气体积流量控制器(7)调节空气和氨气流量，使燃烧过量空气系数η＝1.2，同时，ECU(E)输出信号12(S12)至氢气体积流量控制器(12)，使氢气流量为0。
其中，燃烧过程混合物过量空气系数η＝VO2/(VH2*0.5+VNH3*0.75)，氢气占总燃料中的摩尔分数比nH2＝VH2/(VH2+VNH3)。

Claims (2)

1.一种氢氨双燃料活塞机，其特征在于，包括：空气供给管路(P1)上依次串联有：大气(1)、节气门(2)、空气体积流量控制器(3)、空气滤清器(4)；氨气供给管路(P2)上依次串联有:氨气罐(5)、氨气管路减压阀(6)、氨气体积流量控制器(7)、氨气滤清器(8)、氨气喷嘴(9)，氨气经过氨气喷嘴(9)喷入进气道与空气混合进入缸内；氢气供给管路(P3)上依次串联有：氢气罐(10)、氢气管路减压阀(11)、氢气体积流量控制器(12)、氢气滤清器(13)、氢气喷嘴(14)，氢气经氢气喷嘴(14)直接喷入缸内进行燃烧；气缸(15)；排气管路(P4)，其上有SCR后处理器(16)；氨气输送管(P5)，氨气输送管(P5)连接至SCR后处理器(16)；转速传感器(17)；ECU(E)，ECU(E)与节气门(2)、空气体积流量控制器(3)、氨气体积流量控制器(7)、氢气体积流量控制器(12)和转速传感器(17)间存在信号交互，且分别为信号3(S3)、信号7(S7)、信号12(S12)、信号17(S17)。
2.控制如权利要求1所述的一种氨氢双燃料活塞机的方法，其特征在于：
ECU(E)接收来自转速传感器(17)的信号17(S17)，当转速n从0变为非0后的3s内，此时为起动阶段，采取氢空燃烧，ECU(E)分别输出信号3(S3)至节气门(2)和信号12(S12)至氢气体积流量控制器(12)，调节氢气及空气流量，使燃烧过量空气系数η＝0.9，浓燃起动；同时，ECU(E)输出信号7(S7)至氨气体积流量控制器(7)，使氨气流量为0；
采取氢空燃烧，ECU(E)分别输出信号3(S3)至节气门(2)和信号12(S12)至氢气体积流量控制器(12)，调节氢气及空气流量，使燃烧过量空气系数η＝0.9，浓燃起动；同时，ECU(E)输出信号7(S7)至氨气体积流量控制器(7)，使氨气流量为0；
ECU(E)接收来自转速传感器(17)的信号17(S17)，当转速0<n≤3000rpm，此时为中低转速运行阶段，采取氢空氨燃烧，ECU(E)分别输出信号3(S3)至节气门(2)、信号7(S7)至氨气体积流量控制器(7)和信号12(S12)至氢气体积流量控制器(12)，调节氢气、空气和氨气流量，使燃烧过量空气系数η＝1，同时氢气占总燃料中的摩尔分数nH2＝10％；
ECU(E)接收来自转速传感器(17)的信号17(S17)，当转速3000<n≤5500rpm，此时为高转速运行阶段，采取氢空氨燃烧，ECU(E)分别输出信号3(S3)至节气门(2)、信号7(S7)至氨气体积流量控制器(7)和信号12(S12)至氢气体积流量控制器(12)，调节氢气、空气和氨气流量，使燃烧过量空气系数η＝1，同时氢气占总燃料中的摩尔分数nH2＝20％；
ECU(E)接收来自转速传感器(17)的信号17(S17)，当转速5500rpm<n时，此时转速过高，为保证安全性，采取氨空燃烧，ECU(E)分别输出信号3(S3)至节气门(2)、信号7(S7)至氨气体积流量控制器(7)调节空气和氨气流量，使燃烧过量空气系数η＝1.2，同时，ECU(E)输出信号12(S12)至氢气体积流量控制器(12)，使氢气流量为0；
其中，过量空气系数η＝VO2/(VH2*0.5+VNH3*0.75)，氢气占总燃料中的摩尔分数nH2＝VH2/(VH2+VNH3)。
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