CN112012854A

CN112012854A - 面向可再生储氢燃料的发动机燃烧系统

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Publication number: CN112012854A
Application number: CN202010900748.2A
Authority: CN
Inventors: 潘家营; 万思萌; 卫海桥; 王磊; 舒歌群; 梁兴雨; 唐若月
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2020-08-31
Filing date: 2020-08-31
Publication date: 2020-12-01
Anticipated expiration: 2040-08-31
Also published as: CN112012854B

Abstract

本公开提供了一种面向可再生储氢燃料的发动机燃烧系统，包括：燃料重整器、中冷器、重整产物储存罐和EGR中冷器；燃料重整器套设在发动机排气管上，利用发动机排气管的高温预热对气态燃料与空气混合得到的混合气体进行重整得到重整产物；中冷器与燃料重整器通过管路相连，在管路上设置有氨气喷射装置，重整产物因燃料重整器内部和燃料重整器外部的压力差进入中冷器进行中冷；重整产物储存罐与中冷器通过管路相连，中冷后的氨气与重整后的混合气体通入重整产物储存罐；EGR中冷器输入端与重整产物储存罐通过管路相连，EGR中冷器输出端与发动机进气管相连。本公开基于低碳燃料互补燃烧，提升氨燃烧特性的同时，有效抑制NOx的排放。

Description

面向可再生储氢燃料的发动机燃烧系统

技术领域

本公开涉及能源与动力工程技术领域，尤其涉及一种面向可再生储氢燃料的发动机燃烧系统。

背景技术

我国是全球最大的能源消费国，面临能源安全、环境污染和CO₂排放等严峻挑战，因此低碳、碳中性和零碳化是内燃机的未来之路。氢气燃烧发热量高，且只生成水，不污染环境，可以利用可再生能源进行大规模生产，是未来最理想的能源和低碳燃料。然而，氢气能量密度极低且难以液化，使用成本很高。此外，氢气点火能量低，燃烧极限宽，火焰传播极快，导致储存、运输及使用时存在严重的安全问题。氨被认为是氢能的理想载体，容易液化，单位体积储能密度比氢高40％，具有成熟的合成工艺和储运技术。同时，氨的燃烧值和辛烷值高，可作为动力装置燃料。然而，纯氨反应活性较低，点火能量高、燃烧速率慢、可燃极限范围窄，限制了氨发动机的大规模应用。

研究表明，直链烷烃及醚类等燃料在着火之前会经历低温氧化过程，虽然仅释放少部分热量，但混合气成分却显著改变。试验研究发现，低温氧化产生的过氧化物在着火初期(400-600℃)会迅速分解出大量OH，强烈促进链支化反应，说明低温氧化过程具有潜在的燃料重整效果。同时，低温链反应过程中存在“三次加氧”现象，间接说明低温氧化过程是可调控的。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本公开提供了一种面向可再生储氢燃料的发动机燃烧系统，以至少部分解决以上所提出的技术问题。

(二)技术方案

根据本公开的一个方面，提供了一种面向可再生储氢燃料的发动机燃烧系统，包括：

燃料重整器，套设在发动机排气管上；所述燃料重整利用所述发动机排气管的高温余热对气态燃料与空气混合得到的混合气体进行重整得到重整产物；

中冷器，与所述燃料重整器通过管路相连，所述管路上设置有氨气喷射装置；所述重整产物因所述燃料重整器内部和所述燃料重整器外部的压力差进入所述中冷器进行中冷；

重整产物储存罐，与所述中冷器通过管路相连，中冷后的氨气与重整后的混合气体通入所述重整产物储存罐；

EGR中冷器，所述EGR中冷器输入端与所述重整产物储存罐通过管路相连，所述EGR中冷器输出端与发动机进气管相连。

在本公开的一些实施例中，所述燃料重整器包括：

进气阀，将空气通入所述燃料重整器中；

喷油器，将燃料通入所述燃料重整器中；

微通道管状重整单元，套设在所述发动机排气管上；

所述喷油器将液态燃料输入至所述微通道管状重整单元，利用所述发动机排气管的高温余热对燃料与空气混合得到的混合气体进行重整。

在本公开的一些实施例中，还包括：

压力传感器，设置在所述燃料重整器与所述中冷器之间的管路上；根据所述压力传感器采集的压力信号，控制所述氨气喷射装置的开闭。

在本公开的一些实施例中，所述压力传感器采集的压力信号升高，所述氨气喷射装置开启，所述重整产物与所述氨气一通进入所述中冷器进行中冷。

在本公开的一些实施例中，所述燃料重整器套设在发动机排气管的位置的温度满足400～600℃。

在本公开的一些实施例中，所述微通道管状重整单元的反应腔材料为绝热陶瓷材料。

在本公开的一些实施例中，所述微通道管状重整单元外表面设置有隔热保温层。

在本公开的一些实施例中，所述重整产物储存罐内布满多孔介质材料。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开面向可再生储氢燃料的发动机燃烧系统至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：

本公开通过将低活性的氨燃料与具有显著低温氧化特性的碳氢燃料进行互补燃烧，在线调整氨混合燃料燃烧过程的化学反应路径，从而显著改善氨燃料燃烧性能，对于能源的高效清洁利用具有重要意义。

附图说明

图1为本公开实施例面向可再生储氢燃料的发动机燃烧系统的示意图。

图2为本公开中燃料重整器的剖视图。

【附图中本公开实施例主要元件符号说明】

1-EGR中冷器；

2-重整产物储存罐；

3-中冷器；

4-氨气喷射装置；

5-燃料重整器；

6-喷油器；

7-进气阀；

8-发动机排气管；

9-发动机缸体；

10-发动机进气管。

具体实施方式

本公开提供了一种面向可再生储氢燃料的发动机燃烧系统，包括：燃料重整器、中冷器、重整产物储存罐和EGR中冷器；燃料重整器套设在发动机排气管上，利用所述发动机排气管的高温余热对气态燃料与空气混合得到的混合气体进行重整得到重整产物；中冷器与所述燃料重整器通过管路相连，在管路上设置有氨气喷射装置，所述重整产物因所述燃料重整器内部和所述燃料重整器外部的压力差进入所述中冷器进行中冷；重整产物储存罐与所述中冷器通过管路相连，中冷后的氨气与重整后的混合气体通入所述重整产物储存罐；EGR中冷器输入端与重整产物储存罐通过管路相连，EGR中冷器输出端与发动机进气管10相连。本公开基于低碳燃料互补燃烧，提升氨燃烧特性的同时，有效抑制NOx的排放。

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。

本公开某些实施例于后方将参照所附附图做更全面性地描述，其中一些但并非全部的实施例将被示出。实际上，本公开的各种实施例可以许多不同形式实现，而不应被解释为限于此数所阐述的实施例；相对地，提供这些实施例使得本公开满足适用的法律要求。

在本公开的第一个示例性实施例中，提供了一种面向可再生储氢燃料的发动机燃烧系统。图1为本公开实施例面向可再生储氢燃料的发动机燃烧系统的示意图。如图1所示，本公开面向可再生储氢燃料的发动机燃烧系统包括：燃料重整器5、中冷器3、重整产物储存罐2和EGR中冷器1。如图2所示，燃料重整器5套设在发动机排气管8上，利用所述发动机排气管8的高温余热对气态燃料与空气混合得到的混合气体进行重整得到重整产物。具体的，燃料重整器5套设在发动机排气管8的位置的温度满足400～600℃。中冷器3与所述燃料重整器5通过管路相连，在管路上设置有氨气喷射装置4，所述重整产物因所述燃料重整器5内部和所述燃料重整器5外部的压力差进入所述中冷器3进行中冷。重整产物储存罐2与所述中冷器3通过管路相连，中冷后的氨气与重整后的混合气体通入所述重整产物储存罐2；EGR中冷器1输入端与重整产物储存罐2通过管路相连，EGR中冷器1输出端与发动机缸体9的发动机进气管10相连。

以下分别对本实施例面向可再生储氢燃料的发动机燃烧系统的各个组成部分进行详细描述。

燃料重整器5包括：进气阀7、喷油器6和微通道管状重整单元。进气阀7将空气通入所述燃料重整器5中；喷油器6将燃料通入所述燃料重整器5中；微通道管状重整单元套设在所述发动机排气管8上。所述喷油器6将液态燃料输入至所述微通道管状重整单元，利用所述发动机排气管8的高温余热对燃料与空气混合得到的混合气体进行重整。

其中，所述微通道管状重整单元的反应腔材料为绝热陶瓷材料，例如碳化硅。

其中，所述微通道管状重整单元外表面设置有隔热保温层，可选用氧化铝多晶纤维棉。

其中，所述重整产物储存罐2内布满多孔介质材料，例如泡沫金属。

压力传感器，设置在所述燃料重整器5与所述中冷器3之间的管路上；根据所述压力传感器采集的压力信号，控制所述氨气喷射装置4的开闭。压力传感器采集的压力信号升高，所述氨气喷射装置4开启，所述重整产物与所述氨气一通进入所述中冷器3进行中冷。

本公开中进气阀7和喷油器6分别将空气和具有低温氧化特性的燃料通入燃料重整器5中后，利用排气管高温热源进行重整。根据发动机运行特点，优先选择发动机稳定工况，此时排气温度相对稳定，即重整反应进行的相对稳定。重整产物因燃料重整器5与外部的压力差进入中冷器3进行中冷，此时燃料重整器5与中冷器3连接的管道压力升高，控制器收到压力变化的信号，控制氨气喷射系统开启，将氨气喷入管道，与重整产物一同进入中冷器3进行中冷，当压力趋于恒定时，控制器控制氨气喷射系统关闭。中冷后的氨气与重整产物通入重整产物储存罐2中。控制器根据发动机不同转速、负荷运行要求，控制二者通入EGR中冷器1，单独或与EGR混合气一起通入发动机进气管10中，随新鲜空气一起进入发动机燃烧室中进行燃烧。重整产物中富含过氧化物和氢气等小分子燃料，在燃烧初期额外提供OH、H等自由基，氨燃烧特性因此将得到显著提升；同时，氨脱氢反应生成的NH₂将促进NO和N₂O还原，有效抑制NOx生成。

本公开通过控制系统将燃料重整器5重整策略和预燃室重整产物喷射策略与发动机控制单元进行标定和匹配。使得在发动机进气冲程时，根据发动机不同转速、负荷运行要求，通过控制将一定量的氨气、一定量的重整产物或一定量的氨气和重整产物与EGR混合气通入发动机进气歧管10中，随新鲜空气一起进入发动机燃烧室中进行燃烧。

至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开面向可再生储氢燃料的发动机燃烧系统有了清楚的认识。

综上所述，本公开提供一种本公开通过将低活性的氨燃料与具有显著低温氧化特性的碳氢燃料进行互补燃烧，在线调整氨混合燃料燃烧过程的化学反应路径，从而显著改善氨燃料燃烧性能，对于能源的高效清洁利用具有重要意义。

还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。

并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。

除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到「约」的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。

再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims

1.一种面向可再生储氢燃料的发动机燃烧系统，包括：

2.根据权利要求1所述的面向可再生储氢燃料的发动机燃烧系统，其中，所述燃料重整器包括：

进气阀，将空气通入所述燃料重整器中；

喷油器，将燃料通入所述燃料重整器中；

微通道管状重整单元，套设在所述发动机排气管上；

3.根据权利要求1所述的面向可再生储氢燃料的发动机燃烧系统，其中，还包括：

4.根据权利要求3所述的面向可再生储氢燃料的发动机燃烧系统，其中，所述压力传感器采集的压力信号升高，所述氨气喷射装置开启，所述重整产物与所述氨气一通进入所述中冷器进行中冷。

5.根据权利要求1所述的面向可再生储氢燃料的发动机燃烧系统，其中，所述燃料重整器套设在发动机排气管的位置的温度满足400～600℃。

6.根据权利要求2所述的湍流射流点火燃烧系统，其中，所述微通道管状重整单元的反应腔材料为绝热陶瓷材料。

7.根据权利要求2所述的湍流射流点火燃烧系统，其中，所述微通道管状重整单元外表面设置有隔热保温层。

8.根据权利要求1所述的湍流射流点火燃烧系统，其中，所述重整产物储存罐内布满多孔介质材料。