CN112483243A - 一种基于等离子体在线裂解、点火与助燃的氨发动机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于等离子体在线裂解、点火与助燃的氨发动机，包括氨燃料源、助燃燃料源、空气源、氨分解箱、等离子体点火器、等离子体助燃器、控制系统、尾气余热回收系统、发动机尾气处理系统和氨发动机，所述的氨燃料源在与助燃燃料源和空气源混合之前需要经过尾气余热回收系统和氨分解箱进行即时在线氨燃料源加热和分解，所述的氨分解箱包含有等离子体发生器、温度、压力和氢组分传感器，氨分解催化剂；所述等离子体发生器包括一个滑动电弧或者介质阻挡等离子体发生器；所述的等离子体点火器包括电火花等离子体发生器，所述的等离子体助燃器包括微波等离子体发生器；所述的尾气余热回收系统安装在发动机的出气口。

Description

一种基于等离子体在线裂解、点火与助燃的氨发动机
技术领域
本发明涉及内燃机领域，具体是等离子体在线裂解、点火与助燃氨发动机装置。
背景技术
目前的内燃机大部分都是使用化石燃料进行燃烧，但是化石燃料燃烧过程中产生的CO2是造成显著的温室效应，若要减少温室效应，采用新的燃料来替代或者部分替代现有的化石燃料是必经途径之一，氢能源作为一种清洁能源，燃烧过程稳定，燃烧释放的热值高，但是氢能源的储运问题始终无法得到有效地解决。因此，需要寻找新的清洁能源，氨能作为很好的储氢介质是一种十分有市场潜力的能源，不仅其燃烧过程中不会产生温室气体，而且氨燃料的辛烷值很高，因此其防爆性能优异，有着优异的安全性能，但是目前的氨能也仍然存在一定的问题，由于氨的燃点高和火焰的传播速率慢，因此当发动机使用纯氨作为燃料时，很容易燃烧不稳定，输出功率小，因此需要寻找新的技术手段对氨发动机进行优化，提高燃烧稳定性和燃烧充分性。
针对上述问题，日本丰田自动车株式会社提出了氨制氢技术，由于氨气的燃点是651.1℃，氢气的燃点是570℃，天然气的燃点是650℃，因此与纯氨相比，氨/氢混合物的着火点能够显著降低，利用发动机的尾气余热对氨燃料进行热分解，制备氨/氢混合物，以促进氨燃料在发动机中的燃烧。围绕这一技术以及相应配套的发动机结构调整与优化，申请了多个专利文件(“CN 102216588”，“CN 102272424”，“CN 102859170”，“CN 102414405”，“CN 102859171”，“CN102906408 A”，“CN 102906410 A”，“CN 102859169 A”，“CN102906409 A”，“CN 102282353 A”，“CN 102362058 A”，“CN 102362057 A”，“CN 102272427A”，“CN 102272428 A”，“CN 102149915 A”，“CN 102089237 A”)对氨发动机进行改进升级，这些升级对象主要包含进气端、发动机点火提前角、尾气和控制系统。专利文件“CN102859169 A”对不同氨气/助燃燃料配比下发动机的点火提前角进行了调整；专利文件“CN102362058 A”和“CN 102362057 A”阐述了氨燃料与助燃燃料的进料比例控制；专利文件“CN 102859170”和“CN 102414405”侧重讲述了利用催化剂促进氨发动机尾气中的氨和氮氧化物进行中和反应。
上述这些专利利用发动机的尾气余热对氨燃料进行热分解，存在着氨燃料分解率低和分解不及时等问题，因此需要寻找新技术来解决氨燃料分解问题，此外，针对氨燃料燃烧过程中燃烧不稳定的问题，需要开发新技术对氨燃烧进行助燃。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于等离子体在线裂解、点火与助燃的氨发动机，以解决现有氨制氢技术氨分解率较低、分解不及时等问题，以及氨燃烧不稳定、燃烧不充分等问题。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：为了解决在线裂解、氨制氢问题，在常规发动机尾气余热进行氨分解的基础上，利用滑动电弧等离子体或者其他等离子体对氨燃料进行快速重整，等离子体放电产生的高能电子能够打破氨分子的化学键，使其分解为原子态的氢原子和氮原子，两个氢原子结合产生氢气。为了解决氨燃料燃烧不充分问题，采用电火花等离子体对燃料进行点火，电火花放电电极上加载的电压在空载时可达两万伏特以上，即使燃烧室内的气压达到了十个大气压，也可以稳定地产生电火花等离子体，采用微波等离子体对燃料燃烧进行助燃，对电火花等离子体产生的种子电子和离子可进一步地吸收微波，碰撞、激发、电离产生更多的自由电子和离子，进而产生微波等离子体。
本发明的技术方案为：一种基于等离子体在线裂解、点火与助燃的氨发动机，包括氨燃料源、助燃燃料源、空气源、氨分解箱、等离子体点火器、等离子体助燃器、控制系统(ECU)、尾气余热回收系统、发动机尾气处理系统和氨发动机，所述的氨燃料源在与助燃燃料源和空气源混合之前需要经过尾气余热回收系统和氨分解箱进行即时在线氨燃料源加热和分解，所述的氨分解箱包含有等离子体发生器、温度、压力和氢组分传感器，氨分解催化剂；所述等离子体发生器包括一个滑动电弧等离子体发生器；
所述的等离子体点火器包括电火花等离子体发生器，所述的等离子体助燃器包括微波等离子体发生器，所述的等离子体点火器和等离子体助燃器安装在氨发动机的燃烧室内；所述的尾气余热回收系统安装在发动机的出气口，所述的尾气处理系统包含有氨气传感器、NOx传感器、氨吸附材料、阀门和净化催化剂；所述的控制系统控制的信号包括：燃料类别、燃料比例、点火提前角、气压力传感器的压力信号、氨燃料箱氢组分传感器信号、进气温度传感器的温度信号、转速传感器的转速信号。
进一步的，液态氨燃料汽化后或者高压氨气燃料以气态形式进入氨分解箱即时在线部分分解为氨气和氢气的混合气体，氨气的分解速率由等离子体发生器、分解温度和催化剂控制；
所述的氨分解箱中的滑动电弧等离子体发生器总体结构采用同轴结构，包括高压电极、地电极和喷嘴，高压电极为棒状结构，地电极为渐缩管状结构，喷嘴采用圆锥状结构，与地电极固定在一起，高压电极、地电极和喷嘴三者在空间上采用同轴方式固定；
所述的氨分解箱的等离子体输入功率由发动机控制系统控制；
所述的氨分解箱根据氢分解比例选择燃料临时储存箱以分阶段的形成释放，以达到气体的充分混合和预设的释放压力。
进一步的，所述的电火花等离子体发生器和微波等离子体发生器包括两种安装方式：独立分布于发动机缸体内，即分离式点火塞，或集成在一起，即集成式点火塞；电火花等离子体发生器采用针板状的电晕放电结构，微波等离子体发生器采用环状天线结构，微波功率来自于微波源系统，所述的微波源系统频率为0.915GHz或者2.45GHz，或2.45-30GHz频段内的频率。
进一步的，空气源在入气口由空压机加压，以提高空气和燃料混合比例。
进一步的，所述的控制系统，控制步骤如下：
(1)燃料设定步骤，在控制系统的设定单元中根据氨分解箱中氢气传感器信号或者预先设定的氨燃料氢气比例设定供应的氨燃料和可选助燃燃料的比例；
(2)点火提前角设定步骤，根据所述设定步骤中设定的燃料类别和比例，分别分配不同的启动点火提前角；
(3)点火提前角优化步骤，在发动机正常运转时，控制系统根据所设定的燃料类别以及进气压力传感器、进气温度传感器、转速传感器的数值，从控制系统的存储器中查找最佳的点火提前角数值和微波等离子体输入功率；
(4)计算步骤，控制系统根据所述查找步骤中获取的点火提前角数据计算得出延时时长。
进一步的，或者，所述氨分解箱中的等离子体发生器选择为同轴结构的介质阻挡放电等离子体发生器，所述介质阻挡放电等离子体发生器包括棒状高压电极、圆筒状绝缘介质管和地电极，所述的棒状高压电极与圆筒状绝缘介质管保持同轴，圆筒状绝缘介质管的外壁贴敷有地电极；
进一步的，或者所述氨分解箱中的等离子体发生器选择为介质阻挡放电等离子体发生器，总体结构采取平板结构，高压电极和地电极均为板状结构，在高压电极和地电极表面贴附有绝缘介质，在等离子体放电区中放置氨分解催化剂，所述的催化剂，选择铂；所述的催化剂，选择Ru、Rh、Ni、Co、Ir、Fe、Pt、Cr、Pd等；
或者将催化剂放在介质阻挡放电发生器的尾端。
进一步的，尾气余热加热氨分解箱以增加氨分解速率。
进一步的，所述的尾气处理系统中净化催化剂对氨气(NH3)和NOx进行完全催化反应，产生水和氮气，此反应所需的气体体积比例为理想比例，当实际尾气中的NH3/NOx气体比例高于理想比例时，氨吸附材料的阀门打开，将多余的氨气吸收，当实际尾气中的NH3/NOx气体比例低于理想比例时，通过控制系统调整氨燃料进入比例，使得尾气中的NH3/NOx气体比例接近于理想比例。
进一步的，等离子体发生器的供电由电池和/或发动机发电提供。
进一步的，所述的助燃燃料源中的燃料选择汽油、甲烷、天然气或者其他化石燃料。
本发明的有益效果在于：
通过在氨燃料的进料管道内引入滑动电弧等离子体或者其他等离子体的方式，对氨燃料进行快速重整，并且可以通过调节等离子体放电功率可以精确调节氨气/氢气的比例，理想比例是氢气和氨气体积比1％到20％，使得氨/氢混合燃料能够在发动机燃烧室内稳定地燃烧。通过在燃烧室内安装等离子体点火器和等离子体助燃器，实现氨/氢混合物稳定地点火与助燃，有效地提升燃料燃烧效率和燃烧充分度。通过等离子体改变发动机的工作气体成分和在发动机内产生等离子体，将会有效提高氨发动机的稳定性；在线发动机尾气处理系统利用发动机系统已有的氨燃料对尾气进行净化处理，以达到排放标准。
附图说明：
图1是本发明设计的一种基于等离子体在线裂解、点火与助燃的氨发动机的示意图；
图2是本发明设计的一种基于等离子体在线裂解、点火与助燃的氨发动机中滑动电弧等离子体发生器结构示意图；
图3介质阻挡放电等离子体发生器；
图4是滑动电弧等离子体电源原理示意图；
图5(a)等离子体点火器与助燃器分离结构示意图；
图5(b)集成式等离子体点火器与助燃器结构示意图；
图6氨发动机的供电系统示意图；
图7是氨发动机尾气处理工艺流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
根据本发明的一个实施例，如图1所示，一种基于等离子体在线裂解、点火与助燃的氨发动机装置，包括氨燃料源、助燃燃料源、空气源、氨分解箱、等离子体点火器、等离子体助燃器、控制系统(ECU)、尾气余热回收系统、换热器、发动机尾气处理系统和氨发动机。氨燃料源依次经过尾气余热回收系统、氨分解箱后，再与助燃燃料源和空气源混合，氨分解箱包含有滑动电弧等离子体发生器、温度、压力和氢组分传感器；等离子体点火器包括电火花等离子体发生器，所述的等离子体助燃器包括微波等离子体发生器，所述的等离子体点火器和等离子体助燃器安装在氨发动机的燃烧室内；所述的尾气余热回收系统安装在发动机的出气口，所述的尾气处理系统包含有氨气传感器、NOx传感器、氨吸附材料、阀门和净化催化剂；所述的控制系统控制的信号包括：燃料类别、燃料比例、点火提前角、气压力传感器的压力信号、进气温度传感器的温度信号、转速传感器的转速信号。
氨分解箱中的滑动电弧等离子体发生器由高压电极、旋气环、地电极和喷嘴构成，如图2所示，总体结构采用同轴结构，高压电极为棒状结构，地电极为渐缩管状结构，喷嘴采用圆锥状结构，与地电极固定在一起，高压电极、地电极和喷嘴三者在空间上采用同轴固定。
可选的，根据本发明的另一实施例，当氨制氢的等离子体发生器的放电方式选择为介质阻挡放电时，可选的，所述氨分解箱中的等离子体发生器选择为同轴结构的介质阻挡放电等离子体发生器，所述介质阻挡放电等离子体发生器包括棒状高压电极、圆筒状绝缘介质管和地电极，所述的棒状高压电极与圆筒状绝缘介质管保持同轴，圆筒状绝缘介质管的外壁贴敷有地电极；
可选的，或者所述氨分解箱中的等离子体发生器选择为介质阻挡放电等离子体发生器，如图3所示，总体结构采取平板结构，高压电极和地电极均为板状结构，在高压电极和地电极表面贴附有绝缘介质，在等离子体放电区中放置氨分解催化剂，所述的催化剂，选择铂；所述的催化剂，选择Ru、Rh、Ni、Co、Ir、Fe、Pt、Cr、Pd等。
根据本发明的一个实施例，滑动电弧等离子体输入功率由发动机控制系统控制，滑动电弧等离子体电源的原理框图如图4所示，滑动电弧等离子体电源的供电由发电机提供，电源包括有整流电路、滤波电路、逆变电路和谐振电路，谐振电路的输出端连接到滑动电弧等离子体发生器的高压电极和地电极。
电火花等离子体发生器和微波等离子体发生器既可以独立分布于发动机缸体内，即分离式点火塞，也可以集成在一起，即集成式点火塞，分别如图5(a)、(b)所示。电火花等离子体发生器采用针板状的电晕放电结构，微波等离子体发生器采用环状天线结构。
发动机的供电系统来源于发电机，发电机产生的电能给四个子系统或部件供电，如图6所示，分别是等离子体点火器的点火塞、等离子体助燃器的助燃塞、滑动电弧等离子体发生器和负载。
根据本发明的一个实施例，控制系统的控制步骤如下：
(1)燃料设定步骤，在控制系统的设定单元中设定供应的氨燃料和助燃燃料的比例，例如NH3/H2/助燃燃料的比例，该比例可通过滑动电弧等离子体或者其他等离子体的方式，对氨燃料进行快速重整，并且可以通过调节等离子体放电功率可以精确调节氨气/氢气的比例；
(2)点火提前角设定步骤，根据所述设定步骤中设定的燃料类别，分别分配不同的启动点火提前角；
(3)点火提前角优化步骤，在发动机正常运转时，ECU根据所设定的燃料类别以及进气压力传感器、进气温度传感器、转速传感器的数值，从ECU的存储器中查找最佳的点火提前角数值；
(4)计算步骤，ECU根据所述查找步骤中获取的点火提前角数据计算得出延时时长。
根据本发明的一个实施例，氨发动机的尾气处理工艺流程如图7所示，氨发动机产生的尾气首先通入氨水中去除酸性气体CO2和NO2，随后经过配置有检测NOx浓度的NOx传感器和NH3浓度的NH3传感器，如果氨的浓度较高，则将尾气导入线路1中通过选择性催化还原催化剂(含有Fe离子且主要成分为Si、O、Al的沸石或钒催化剂等)净化NOx，处理后的含有较高浓度NH3的尾气导入氨发动机进行再利用，部分经过净化的NH3通入氨水中保持氨水浓度处于吸收酸性气体的最佳值；如果氨的浓度较低，则进入配置有适宜催化剂的线路2中通过NH3+NOx→N2+H2O反应进行NH3和NOx净化，随后处理净化CO可利用高温水煤气变换(350-550℃，Fe-Cr-O催化剂)、低温水煤气变换(200-300℃，Cu-Zn-Al-O催化剂)和选择氧化(Pt催化剂)，也可自己开发催化剂，处理后再进行尾气检测，如果污染物浓度达到排放要求则直接排放，如果未达排放要求，则将尾气再送入线路2中再净化，直到达到排放要求。该步统称为尾气处理装置。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于等离子体在线裂解、点火与助燃的氨发动机，其特征在于：
包括氨燃料源、助燃燃料源、空气源、氨分解箱、等离子体点火器、等离子体助燃器、控制系统(ECU)、尾气余热回收系统、发动机尾气处理系统和氨发动机，所述的氨燃料源在与助燃燃料源和空气源混合之前需要经过尾气余热回收系统和氨分解箱进行即时在线氨燃料源加热和分解，所述的氨分解箱包含有等离子体发生器、温度、压力和氢组分传感器，氨分解催化剂；所述等离子体发生器包括一个滑动电弧等离子体发生器；
所述的等离子体点火器包括电火花等离子体发生器，所述的等离子体助燃器包括微波等离子体发生器，所述的等离子体点火器和等离子体助燃器安装在氨发动机的燃烧室内；所述的尾气余热回收系统安装在发动机的出气口，所述的尾气处理系统包含有氨气传感器、NOx传感器、氨吸附材料、阀门和净化催化剂；所述的控制系统控制的信号包括：燃料类别、燃料比例、点火提前角、气压力传感器的压力信号、氨燃料箱氢组分传感器信号、进气温度传感器的温度信号、转速传感器的转速信号。
2.根据权利要求1所述的一种基于等离子体在线裂解、点火与助燃的氨发动机，其特征在于：
液态氨燃料汽化后或者氨气燃料以气态形式进入氨分解箱即时在线部分分解为氨气和氢气的混合气体，氨气的分解速率由等离子体发生器、分解温度和催化剂控制；
所述的氨分解箱中的滑动电弧等离子体发生器总体结构采用同轴结构，包括高压电极、地电极和喷嘴，高压电极为棒状结构，地电极为渐缩管状结构，喷嘴采用圆锥状结构，与地电极固定在一起，高压电极、地电极和喷嘴三者在空间上采用同轴方式固定；
所述的氨分解箱的等离子体输入功率由发动机控制系统控制；
所述的氨分解箱根据氢分解比例选择燃料临时储存箱以分阶段的形成释放，以达到气体的充分混合和预设的释放压力。
3.根据权利要求1所述的一种基于等离子体在线裂解、点火与助燃的氨发动机，其特征在于：
所述的电火花等离子体发生器和微波等离子体发生器包括两种安装方式：独立分布于发动机缸体内，即分离式点火塞，或集成在一起，即集成式点火塞；电火花等离子体发生器采用针板状的电晕放电结构，微波等离子体发生器采用环状天线结构，微波功率来自于微波源系统，所述的微波源系统频率为0.915GHz或者2.45GHz，或2.45-30GHz频段内的频率。
4.根据权利要求1所述的一种基于等离子体在线裂解、点火与助燃的氨发动机，其特征在于：
空气源在入气口由空压机加压，以提高空气和燃料混合比例。
5.根据权利要求1所述的一种基于等离子体在线裂解、点火与助燃的氨发动机，其特征在于，所述的控制系统，控制步骤如下：
(1)燃料设定步骤，在控制系统的设定单元中根据氨分解箱中氢气传感器信号或者预先设定的氨燃料氢气比例设定供应的氨燃料和助燃燃料的比例；
(2)点火提前角设定步骤，根据所述设定步骤中设定的燃料类别和比例，分别分配不同的启动点火提前角；
(3)点火提前角优化步骤，在发动机正常运转时，控制系统根据所设定的燃料类别以及进气压力传感器、进气温度传感器、转速传感器的数值，从控制系统的存储器中查找最佳的点火提前角数值和微波等离子体输入功率；
(4)计算步骤，控制系统根据所述查找步骤中获取的点火提前角数据计算得出延时时长。
6.根据权利要求2所述的一种基于等离子体在线裂解、点火与助燃的氨发动机，其特征在于：
或者，所述氨分解箱中的等离子体发生器选择同轴结构的介质阻挡放电等离子体发生器，所述介质阻挡放电等离子体发生器包括棒状高压电极、圆筒状绝缘介质管和地电极，所述的棒状高压电极与圆筒状绝缘介质管保持同轴，圆筒状绝缘介质管的外壁贴敷有地电极；
或者，所述氨分解箱中的等离子体发生器选择平板结构的介质阻挡放电等离子体发生器，高压电极和地电极均为板状结构，在高压电极和地电极表面贴附有绝缘介质，在等离子体放电区中放置氨分解催化剂，所述的催化剂，选择Ru、Rh、Ni、Co、Ir、Fe、Pt、Cr、Pd；
或者将催化剂放在介质阻挡放电发生器的尾端。
7.根据权利要求1所述的一种基于等离子体在线裂解、点火与助燃的氨发动机，其特征在于：
尾气余热加热氨分解箱以增加氨分解速率。
8.根据权利要求1所述的一种基于等离子体在线裂解、点火与助燃的氨发动机，其特征在于：
所述的尾气处理系统中净化催化剂对氨气(NH3)和NOx进行完全催化反应，产生水和氮气，此反应所需的气体体积比例为理想比例，当实际尾气中的NH3/NOx气体比例高于理想比例时，氨吸附材料的阀门打开，将多余的氨气吸收，当实际尾气中的NH3/NOx气体比例低于理想比例时，通过控制系统调整氨燃料进入比例，使得尾气中的NH3/NOx气体比例接近于理想比例。
9.根据权利要求1所述的一种基于等离子体在线裂解、点火与助燃的氨发动机，其特征在于：
等离子体发生器的供电由电池和/或发动机发电提供。
10.根据权利要求1所述的一种基于等离子体在线裂解、点火与助燃的氨发动机，其特征在于：
所述的助燃燃料源中的燃料选择汽油、甲醇、天然气或者其他化石燃料。
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