CN114033549A - 氢能发动机及其燃烧组织方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于新能源领域，提供一种氢能发动机及其燃烧组织方法，将至少由氨气和空气组成的燃空当量比大于1的混合气通入改质气缸内不完全燃烧，在高温高压条件下，部分氨气改质为氮气和氢气。改质气通入燃烧气缸内，再次与空气和氨气混合后形成燃空当量比小于1的稀混合气，进而完全燃烧，且改质气中的氢气可加速稀混合气的燃烧，提高燃烧稳定性。由于改质气缸内为浓混合气，氧气含量低，氮氧化物排放低，燃烧气缸内为稀混合气，采用废气再循环，燃烧温度低，氮氧化物排放低，从而实现清洁燃烧。本发明提供的氢能发动机可将现有发动机的其中一个或多个气缸改造为改质气缸进行使用，成本低，且燃烧稳定，热效率高，实现氮氧化物近零排放的效果。

Description

氢能发动机及其燃烧组织方法
技术领域
本发明涉及新能源技术领域，尤其涉及一种氢能发动机及其燃烧组织方法。
背景技术
我国机动车保有量逐年上涨，而内燃机在目前乃至未来很长一段时间内，都将是汽车的主要动力源。为实现“碳达峰”和“碳中和”的目标，需要使用清洁低碳的能源代替传统化石燃料。氢气是一种清洁可再生能源，它具有燃烧速度快，可燃极限范围宽和燃烧清洁等优点，是重要的能源载体和内燃机清洁燃烧的理想燃料。
近阶段来，利用氨气制取氢气的方法得到了推广应用。氨气是良好的氢能载体，在高温高压下可裂解为氢气。目前有很多采用催化剂将氨气转化为氢气，然后引入发动机气缸进行燃烧的方法，但是这些方法反应响应慢，转化成本高，难以投入使用。
发明内容
本发明提供一种氢能发动机及其燃烧组织方法，用以解决现有技术中使用催化剂将氨气转化为氢气，然后引入发动机气缸进行燃烧的方法，反应响应慢、转化成本高的问题，实现在发动机气缸内直接将氨气转化为氢气并进行燃烧的效果。
本发明提供一种氢能发动机，包括：发动机本体，所述发动机本体包括至少一个改质气缸和至少一个燃烧气缸，所述改质气缸的出气端与所述燃烧气缸的进气端连通；空气管路，所述空气管路的出气端分别与所述改质气缸的进气端和所述燃烧气缸的进气端连通；氨气管路，所述氨气管路的出气端分别与所述改质气缸的进气端和所述燃烧气缸的进气端连通；控制装置，用于控制通入所述改质气缸内的氨气和空气的燃空当量比大于1，且用于控制通入所述燃烧气缸内的氨气和空气的燃空当量比小于1。
根据本发明提供的一种氢能发动机，所述氨气管路与所述改质气缸连通的一端设置有氨气喷射器，所述氨气喷射器至少喷射端伸入所述改质气缸内。
根据本发明提供的一种氢能发动机，还包括氨气储存装置，所述氨气管路的进气端与所述氨气储存装置连通。
根据本发明提供的一种氢能发动机，还包括进气总管，所述进气总管的进气端与所述空气管路的出气端、所述氨气管路的出气端以及所述改质气缸的出气端连通，所述进气总管的出气端分别与所述燃烧气缸一一对应连通。
根据本发明提供的一种氢能发动机，还包括SCR系统，所述燃烧气缸的排气端通过所述SCR系统与大气连通。
根据本发明提供的一种氢能发动机，所述燃烧气缸与所述SCR系统之间还设置有排气总管，所述排气总管的进气端分别与所述燃烧气缸的出气端一一对应连通，所述排气总管的出气端与SCR系统连通。
根据本发明提供的一种氢能发动机，所述控制装置包括第一控制阀和第二控制阀，所述第一控制阀设置在所述氨气管路用于与所述改质气缸连接的管段上，所述第二控制阀设置在所述氨气管路用于与所述燃烧气缸连接的管段上。
本发明还提供一种氢能发动机的燃烧组织方法，包括：改质气缸内通入至少由氨气和空气混合形成的第一混合气并燃烧生成改质气，所述第一混合气的燃空当量比大于1；燃烧气缸内通入至少由所述改质气、空气和氨气形成的第二混合气并燃烧，所述第二混合气的燃空当量比小于1。
本发明还提供一种氢能发动机的燃烧组织方法，所述第一混合气的燃空当量比大于等于2且小于等于3，所述第二混合气的燃空当量比大于等于0.5且小于1。
本发明还提供一种氢能发动机的燃烧组织方法，所述改质气缸采用压燃或点燃的着火方式，所述燃烧气缸采用点燃的着火方式。
本发明提供的氢能发动机及其燃烧组织方法，在控制装置的控制下将至少由氨气和空气组成的燃空当量比大于1的混合气通入改质气缸内燃烧。由于混合气过浓，氨气无法完全燃烧，在高温高压条件下，部分氨气通过裂解反应改质为氮气和氢气。含有氢气和氨气的改质气通入燃烧气缸内，再次与空气和氨气混合后形成燃空当量比小于1的稀混合气，进而可完全燃烧，且改质气中的氢气可加速稀混合气的燃烧，提高燃烧稳定性。由于改质气缸内为浓混合气，氧气含量低，氮氧化物排放低，燃烧气缸内为稀混合气，采用废气再循环，燃烧温度低，氮氧化物排放低，从而实现清洁燃烧。本发明提供的氢能发动机可直接利用现有发动机的气缸，将其中一个或多个气缸改造为改质气缸进行使用，成本低，且燃烧稳定，热效率高，实现氮氧化物近零排放的效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的氢能发动机的结构示意图之一；
图2是本发明提供的氢能发动机的燃烧组织方法的流程示意图；
附图标记：
100：发动机本体； 101：改质气缸； 102：燃烧气缸；
201：第一出气管； 202：第二出气管；
301：第三出气管； 302：第四出气管； 303：第一控制阀；
304：第二控制阀；
400：氮气喷射器；
500：氮气储罐；
600：进气总管；
700：SCR系统；
800：排气总管。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合图1描述本发明的氢能发动机。
本发明提供的氢能发动机，包括发动机本体100、空气管路、氨气管路和控制装置。发动机本体100包括至少一个改质气缸101和至少一个燃烧气缸102，空气管路用于向改质气缸101和燃烧气缸102内通入空气，氨气管路用于向改质气缸101和燃烧气缸102内通入氨气。
在以下的实施例中，以发动机本体100由现有的直列四缸发动机改造，将其中一个气缸改造为改质气缸101，其余三个气缸为燃烧气缸102为例进行说明。
当然，本申请的实施例仅仅是示例性的，不会对本发明的保护范围进行限制，换言之，发动机本体100还可以为双缸发动机、三缸发动机、六缸发动机、八缸发动机等，不仅仅局限于四缸发动机。改质气缸101的数量也不仅仅局限于一个，也可以为两个、三个或更多个。同理，燃烧气缸102的数量也不仅仅局限于三个，可以为一个、两个、四个或更多个。
空气管路包括两个出气管，可分别为第一出气管201和第二出气管202。其中第一出气管201的出气端与改质气缸101的进气端连通，用于向改质气缸101内通入空气，第二出气管202的出气端与其余三个燃烧气缸102的进气端连通，用于向燃烧气缸102内通入空气。
氨气管路包括两个出气管，可分别为第三出气管301和第四出气管302。其中第三出气管301的出气端与改质气缸101的进气端连通，用于向改质气缸101内通入氨气，第四出气管302的出气端与其余三个燃烧气缸102的进气端连通，用于向燃烧气缸102内通入氨气。
在使用时，通过空气管路的第一出气管201和氨气管路的第三出气管301同时向改质气缸101内通入混合气，在控制装置的作用下，该混合气的燃空当量比大于1，为过浓混合气，即空气含量小于氨气燃烧所需的空气量。由于改质气缸101内氨气和空气的混合气过浓，导致氨气无法完全燃烧，在高温高压的条件下，部分氨气通过裂解反应改质为氮气和氢气。
然后，包含有氢气和氨气的改质气通入其余的三个燃烧气缸102内，同时，在控制装置的作用下，通过空气管路的第二出气管202和氨气管路的第四出气管302同时向三个燃烧气缸102内通入空气和氨气，改质气与空气和氨气混合后形成稀混合气，可以完全燃烧，且改质气中的氢气可加速混合气燃烧，提高燃烧稳定性。
由于改质气缸101内为浓混合气，氧气含量低，氮氧化物排放低。燃烧气缸102内为稀混合气，采用废气再循环的方式，燃烧温度低，氮氧化物排放低，从而实现清洁燃烧。
综上所述，本发明公开的氢能发动机具有以下突出优势：利用现有发动机进行改质，发动机改动小，成本低；燃烧稳定，热效率高；零氮氧化物排放。对于实现节能减排和解决碳中和难题具有重要意义。
在本发明的一个实施例中，上述的氨气管路的第三出气管301与改质气缸101连通的一端设置有氨气喷射器400，氨气喷射器400可以仅喷射端的喷射口伸入改质气缸101内部，氨气喷射器400可将氨气喷射入改质气缸101内，使氨气与空气充分混合，有利于燃烧反应的进行。
在本发明的一个实施例中，还包括氮气储存装置，可以为氮气储罐500，氮气储罐500上可以设置出气口，出气口与氨气管路的进气端连通。氨气管路可包括第一主管路，第一主管路一端与氮气储罐500的出气口连接，另一端与第三出气管301和第四出气管302连接，分别向改质气缸101和燃烧气缸102内通入氨气。
在本发明的一个实施例中，还包括进气总管600，进气总管600可以理解为一个混合容器，该混合容器的进气端分别与氨气管路的第四出气管302、空气管路的第二出气管202以及改质气缸101的出气端连通，该混合容器的出气端分别与三个燃烧气缸102一一对应连通。改质气缸101内不充分燃烧产生的改质气、空气和氨气同时进入该混合容器内，在该混合容器内完成混合，然后混合气分别进入各个燃烧气缸102内进行燃烧，充分混合后的混合气更利于燃烧反应的进行。
在本发明的一个实施例中，还包括SCR系统700(选择性催化还原技术)，SCR系统700是针对汽车尾气排放的氮氧化物的一项处理工艺，即在催化剂的作用下，喷入还原剂氨或尿素，把尾气中的氮氧化物还原成氮气和水。SCR系统700连接在燃烧气缸102的排气端，由燃烧气缸102排出的废气经过SCR系统700，废气中的氮氧化物被还原成氮气和水，不产生残余气体，即不产生二氧化碳和氮氧化物等，从而实现清洁燃烧。
在进一步的实施例中，在SCR系统700和燃烧气缸102的出气端之间还可以设置排气总管800，排气总管800的进气端与三个燃烧气缸102的出气端一一对应连通，排气总管800的出气端与SCR系统700连通，多个燃烧气缸102内排出的尾气在排气总管800内完成汇聚，然后在排放入大气时，通过SCR系统700催化净化后排入大气。
在本发明的一个实施例中，由于改质气缸101和燃烧气缸102采用不同的燃烧组织方法，改质气缸101内通入燃空当量比大于1的混合气，燃烧气缸102内通入燃空当量比小于1的混合气，改质气缸101和燃烧气缸102内所需的氨气量也必然不同。氨气量由控制装置进行控制，控制装置包括第一控制阀303和第二控制阀304。其中第一控制阀303设置在氨气管路用于与改质气缸101连接的管段，即第三出气管301上，第二控制阀304设置在氨气管路用于与燃烧气缸102连接的管段，即第四出气管302上。第一控制阀303和第二控制阀304可控制氨气的流量，进而分别对进入改质气缸101和燃烧气缸102内的氨气量进行控制。
下面结合图2对本发明提供的氢能发动机的燃烧组织方法进行描述，下文描述的氢能发动机的燃烧组织方法与上文描述的氢能发动机可相互对应参照。
本发明公开的氢能发动机的燃烧组织方法，包括以下步骤：
步骤S101、改质气缸内通入至少由氨气和空气混合形成的第一混合气并燃烧生成改质气，所述第一混合气的燃空当量比大于1。
通过氨气管路的第三出气管301和氨气喷射器400向改质气缸101内喷入氨气，同时通过空气管路的第一出气管201向改质气缸101内通入空气。氨气与空气组成的混合气的燃空当量比大于1，即空气含量小于通入的氨气完全燃烧所需的空气量，该混合气为过浓混合气，混合后在改质气缸101内燃烧，氨气的不完全燃烧形成改质气，改质气中包含氢气、氮气和氨气等。
步骤S102、燃烧气缸内通入至少由所述改质气、空气和氨气形成的第二混合气并燃烧，所述第二混合气的燃空当量比小于1。
改质气缸101内不完全燃烧产生的改质气由改质气缸101排出到进气总管600内，改质气与空气管路中的空气以及氨气管路中的氨气在进气总管600中完成混合，混合后形成燃空当量比小于1的稀混合气，然后进入各个燃烧气缸102内燃烧。由于燃空当量比小于1，因此可完全燃烧，而且氢气需要的点火能量低，燃烧速度快，可加速混合气燃烧，提高稀混合气的燃烧稳定性。
经三个燃烧气缸102排放的燃烧废气汇入排气总管800，再经过SCR系统700的催化净化后排入大气，不产生二氧化碳和氮氧化物等废气，实现清洁燃烧的效果。
在本发明的一个实施例中，改质气缸101内混合气的燃空当量比可以为2～3左右，采用过浓燃烧可抑制氮氧化物的生成，且高温高压的环境可快速实现氨气改质氢气的反应，无需催化剂的使用，且响应速度快，改质效率高。
具体的，改质气缸101内混合气的燃空当量比可以为但不局限于2、2.5或3。
改质气体作为废气全部再循环进入燃烧气缸102进行燃烧，燃烧气缸102中混合气的燃空当量比小于1，可以为0.5～0.8，采用稀燃，且高EGR率(EGR是Exhaust Gas Re-circulation的缩写，即废气再循环的简称)可使燃烧温度降低，抑制氮氧化物的生成，改质气体中含有氢气，使得混合气易燃烧且加快燃烧速度，提高燃烧稳定性。
具体的，燃烧气缸102内混合气的燃空当量比可以但不局限于0.5、0.6、0.7、0.8等。
在本发明的一个实施例中，改质气缸101的混合气着火方式可以为压燃着火或点燃着火，燃烧气缸102的混合气着火方式可以为点燃着火。具体实施中可根据发动机的工作条件调整改质气缸101和燃烧气缸102的压缩比以实现点燃或压燃的功能。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种氢能发动机，其特征在于，包括：
发动机本体，所述发动机本体包括至少一个改质气缸和至少一个燃烧气缸，所述改质气缸的出气端与所述燃烧气缸的进气端连通；
空气管路，所述空气管路的出气端分别与所述改质气缸的进气端和所述燃烧气缸的进气端连通；
氨气管路，所述氨气管路的出气端分别与所述改质气缸的进气端和所述燃烧气缸的进气端连通；
控制装置，用于控制通入所述改质气缸内的氨气和空气的燃空当量比大于1，且用于控制通入所述燃烧气缸内的氨气和空气的燃空当量比小于1。
2.根据权利要求1所述的氢能发动机，其特征在于，所述氨气管路与所述改质气缸连通的一端设置有氨气喷射器，所述氨气喷射器至少喷射端伸入所述改质气缸内。
3.根据权利要求1所述的氢能发动机，其特征在于，还包括氨气储存装置，所述氨气管路的进气端与所述氨气储存装置连通。
4.根据权利要求1所述的氢能发动机，其特征在于，还包括进气总管，所述进气总管的进气端与所述空气管路的出气端、所述氨气管路的出气端以及所述改质气缸的出气端连通，所述进气总管的出气端分别与所述燃烧气缸一一对应连通。
5.根据权利要求1所述的氢能发动机，其特征在于，还包括SCR系统，所述燃烧气缸的排气端通过所述SCR系统与大气连通。
6.根据权利要求5所述的氢能发动机，其特征在于，所述燃烧气缸与所述SCR系统之间还设置有排气总管，所述排气总管的进气端分别与所述燃烧气缸的出气端一一对应连通，所述排气总管的出气端与SCR系统连通。
7.根据权利要求1所述的氢能发动机，其特征在于，所述控制装置包括第一控制阀和第二控制阀，所述第一控制阀设置在所述氨气管路用于与所述改质气缸连接的管段上，所述第二控制阀设置在所述氨气管路用于与所述燃烧气缸连接的管段上。
8.一种氢能发动机的燃烧组织方法，其特征在于，包括：
改质气缸内通入至少由氨气和空气混合形成的第一混合气并燃烧生成改质气，所述第一混合气的燃空当量比大于1；
燃烧气缸内通入至少由所述改质气、空气和氨气形成的第二混合气并燃烧，所述第二混合气的燃空当量比小于1。
9.根据权利要求8所述的氢能发动机的燃烧组织方法，其特征在于，所述第一混合气的燃空当量比大于等于2且小于等于3，所述第二混合气的燃空当量比大于等于0.5且小于1。
10.根据权利要求8所述的氢能发动机的燃烧组织方法，其特征在于，所述改质气缸采用压燃或点燃的着火方式，所述燃烧气缸采用点燃的着火方式。
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