CN114165341A - 基于两相流氨供给的氨-柴油双燃料动力系统及控制方法 - Google Patents

基于两相流氨供给的氨-柴油双燃料动力系统及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于两相流氨供给的氨‑柴油双燃料动力系统及控制方法，包括液氨供给组件、双燃料内燃机、液氨气化组件、混合器、柴油供给组件、空气供给组件，发明双燃料内燃机设置有液氨喷射装置、柴油共轨喷射装置；通过设计液氨喷射装置、氨气和空气混合气双燃料内燃机的进气总管进气，实现了氨两相流燃料供给，液氨供给组件提供的液氨可直接进入液氨喷射装置，液氨喷射装置将液氨喷射到双燃料内燃机的各缸进气道内；液氨供给组件提供的液氨还可经过液氨气化组件气化后，再进入混合器与空气进行混合进入双燃料内燃机的进气总管，两相流氨燃料供给可以联合工作，又可以单独进行燃料供给，实现氨燃料的质和量的供给，达到了燃烧效率最大化。

Description

基于两相流氨供给的氨-柴油双燃料动力系统及控制方法
技术领域
本发明涉及汽车的领域，特别涉及一种基于两相流氨供给的氨-柴油双燃料动力系统及控制方法。
背景技术
传统柴油内燃机的技术已经非常成熟，想通过技术提升，进一步降低内燃机的油耗进而降低二氧化碳排放非常困难。
氨(NH3)是全球第二大化工产品，全球的氨产量超过2亿吨/年，氨制取方便、成本低，相关基础及产业链完善。氨不但可以作为氢能的载体，用于制氢，而且氨的物化特性决定它可以直接作为燃料，用于内燃机，氨-柴油双燃料内燃机解决了氨点火困难，火焰传播速度慢，燃烧稳定差的问题，同时降低了二氧化碳的排放，但由于氨是含氮的燃料，氮氧化物的排放增加。
发明内容
本发明目的在于提供一种基于两相流氨供给的氨-柴油双燃料动力系统及控制方法，以解决现有技术中所存在的一个或多个技术问题，至少提供一种有益的选择或创造条件。
为解决上述技术问题所采用的技术方案：
首先本发明提供一种基于两相流氨供给的氨-柴油双燃料动力系统，其包括：液氨供给组件、双燃料内燃机、液氨气化组件、混合器、柴油供给组件、空气供给组件，所述双燃料内燃机设置有液氨喷射装置、柴油共轨喷射装置；
所述液氨供给组件的液氨输出端通过管路分别与液氨气化组件的液氨输入端、液氨喷射装置的氨轨输入端并联连接；
所述液氨气化组件的氨气输出端通过管路与混合器的氨气输入端连接，在所述液氨气化组件的氨气输出端与混合器的氨气输入端之间设置有第一电控流量控制装置，所述空气供给组件的空气输出端通过管路与混合器的空气输入端连接，所述混合器的气体输出端通过管路与双燃料内燃机的进气总管输入端连接；
所述柴油供给组件的柴油输出端通过管路与柴油共轨喷射装置的油轨输入端连接。
本发明的有益效果是：通过设计液氨喷射装置、氨气和空气混合气双燃料内燃机的进气总管进气，实现了氨两相流燃料供给，具体地：液氨供给组件提供的液氨可直接进入液氨喷射装置，液氨喷射装置将液氨喷射到双燃料内燃机的各缸进气道内；液氨供给组件提供的液氨还可经过液氨气化组件气化后，再进入混合器与空气进行混合，之后氨气与空气混合气进入双燃料内燃机的进气总管，其中液氨的供给可降低进气温度，提高内燃机的充气效率，控制发动机NOx产生，氨气的供给可保证小负荷时燃烧的稳定性，两相流氨燃料供给可以联合工作，又可以单独进行燃料供给，同时实现了氨燃料的质和量的供给，达到了燃烧效率最大化，且对基础机柴油机的改动小，易实现。
作为上述技术方案的进一步改进，所述双燃料内燃机设置有内燃机冷却系统，所述液氨气化组件包括水泵、蒸发器、散热器，所述水泵、内燃机冷却系统、蒸发器、散热器通过管路依次闭环连接形成冷却液回路，所述蒸发器设置有所述液氨气化组件的液氨输入端和氨气输出端。
本方案中对于液氨的气化，通过内燃机冷却系统的热量与液氨换热气化，具体地，与内燃机冷却系统换热后的高温冷却液经过蒸发器，而液氨供给组件提供的液氨经过蒸发器时与高温冷却液换热，冷却液提供液氨气化所需要的热量，液氨气化成氨气，这样对内燃机的热量实现充分的利用，起到节能的效果。
作为上述技术方案的进一步改进，所述基于两相流氨供给的氨-柴油双燃料动力系统还包括催化还原后处理器，所述液氨供给组件的液氨输出端通过管路与催化还原后处理器的氨输入端连接，所述催化还原后处理器的废气输入端通过管路与双燃料内燃机的废气输出端连接。
液氨供给组件也给催化还原后处理器供给氨，氨作为还原剂，对双燃料内燃机排出的废气进行净化，净化后的气体再排放到大气中，保护环境，用氨燃料作为还原剂进入催化还原后处理器，没有尿素喷射系统，降低了车辆成本。
作为上述技术方案的进一步改进，所述空气供给组件包括中冷器、节气门、涡轮增压器，所述涡轮增压器设置于催化还原后处理器的废气输入端与双燃料内燃机的废气输出端之间，所述涡轮增压器的涡轮输入端和涡轮输出端分别与双燃料内燃机的废气输出端、催化还原后处理器的废气输入端连接，所述涡轮增压器的空气输出端与所述中冷器的空气输入端连接，所述中冷器的空气输出端通过管路与混合器的空气输入端连接，所述节气门设置于中冷器和混合器之间，用于控制进入混合器的空气量，所述涡轮增压器的空气输入端与大气环境连通。
本方案中的还通过涡轮增压器对双燃料内燃机的废气能量进一步利用，涡轮增压器可提高进入双燃料内燃机的空气量，进一步提升了燃料能量的利用率，而中冷器对涡轮增压器用于降低增压后的高温空气温度、以降低双燃料内燃机的热负荷，提高进气量，进而增加双燃料内燃机的功率。其中本方案设置了为中冷器和散热器散热的风扇。
作为上述技术方案的进一步改进，在所述液氨供给组件的液氨输出端与催化还原后处理器的氨输入端之间设置有第二电控流量控制装置。根据不同的负荷工况，第二电控流量控制装置可精准地将一定量的氨气送入催化还原后处理器中作为还原剂。
作为上述技术方案的进一步改进，所述液氨供给组件包括依次连接的液氨存储器、电控截止阀、液氨泵，所述液氨泵的输出端为所述液氨供给组件的液氨输出端。本方案通过液氨泵将液氨存储器内的液氨抽出进行供应，提供液氨供给的压力，而电控截止阀可以控制液氨输出供给管路的开关。
作为上述技术方案的进一步改进，所述柴油供给组件包括依次连接的柴油存储器、粗滤器、输油泵、细滤器，所述细滤器的输出端为所述柴油供给组件的柴油输出端。
作为上述技术方案的进一步改进，所述液氨喷射装置的氨轨安装有温度传感器和第一压力传感器，所述柴油共轨喷射装置的油轨安装有第二压力传感器。温度传感器用于监测氨轨内的温度，第一压力传感器用于监测氨轨的轨压，第二压力传感器用于监测油轨的轨压。
作为上述技术方案的进一步改进，在所述液氨供给组件的液氨输出端与液氨喷射装置的氨轨输入端之间设置有稳压阀。稳压阀对进入液氨喷射装置的液氨进行稳压，保证燃料供给均匀性和燃烧的稳定性。
此外本发明还提供一种氨-柴油双燃料动力系统的控制方法，其上述的基于两相流氨供给的氨-柴油双燃料动力系统，具体运行控制方法如下：
在双燃料内燃机启机和小负荷工况时，液氨气化组件对液氨供给组件供给来的液氨气化成气态氨，第一电控流量控制装置控制一定量的气态氨进入混合器中，空气供给组件提供一定量的空气进入混合器中，在混合器内气态氨与空气充分混合后，进入双燃料内燃机进气总管，并进入双燃料内燃机的各个气缸燃烧，在此过程中，液氨喷射装置停止工作；
在双燃料内燃机大负荷工况时，液氨喷射装置运行工作，将液氨喷入双燃料内燃机的各缸进气道内，在此过程中，第一电控流量控制装置基本处于关闭状态；
在双燃料内燃机中度负荷工况时，气态氨和液态氨同时供给，液氨喷射装置运行工作，第一电控流量控制装置处于打开状态，两路燃料供给管路同时工作，分别控制第一电控流量控制装置的开度和液氨喷射装置的持续期，调整液氨及气态氨的配比，使内燃机的燃烧和排放达到最佳；
而柴油共轨喷射装置根据不同的负荷工况，将柴油供给组件来的柴油燃料喷入双燃料内燃机的气缸内。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明；
图1是本发明所提供的基于两相流氨供给的氨-柴油双燃料动力系统，其一实施例的示意图。
具体实施方式
本部分将详细描述本发明的具体实施例，本发明之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本发明的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本发明保护范围的限制。
在本发明的描述中，如果具有“若干”之类的词汇描述，其含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。
本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
参照图1，本发明的基于两相流氨供给的氨-柴油双燃料动力系统作出如下实施例：
本实施例的基于两相流氨供给的氨-柴油双燃料动力系统包括液氨供给组件、双燃料内燃机6、液氨气化组件、混合器9、柴油供给组件、空气供给组件、催化还原后处理器20、风扇16，述双燃料内燃机6设置有液氨喷射装置5、柴油共轨喷射装置14和内燃机冷却系统。
其中液氨供给组件包括依次连接的液氨存储器1、电控截止阀2、液氨泵3，所述液氨泵3的输出端为所述液氨供给组件的液氨输出端。而液氨气化组件包括水泵15、蒸发器7、散热器17，所述水泵15、内燃机冷却系统、蒸发器7、散热器17通过管路依次闭环连接形成冷却液回路，所述蒸发器7设置有所述液氨气化组件的液氨输入端和氨气输出端。柴油供给组件包括依次连接的柴油存储器10、粗滤器11、输油泵12、细滤器13，所述细滤器13的输出端为所述柴油供给组件的柴油输出端，所述涡轮增压器18设置于催化还原后处理器20的废气输入端与双燃料内燃机6的废气输出端之间，所述涡轮增压器18的涡轮输入端和涡轮输出端分别与双燃料内燃机6的废气输出端、催化还原后处理器20的废气输入端连接，所述涡轮增压器18的空气输出端与所述中冷器的空气输入端连接，所述中冷器的空气输出端通过管路与混合器9的空气输入端连接，并通过节气门控制进入混合器9的空气量，所述涡轮增压器18的空气输入端与大气环境连通。
所述液氨供给组件的液氨输出端通过管路分别与液氨气化组件的液氨输入端、液氨喷射装置5的氨轨输入端、催化还原后处理器20的氨输入端连接并联连接，液氨气化组件的氨气输出端通过管路与混合器9的氨气输入端连接，在所述液氨气化组件的氨气输出端与混合器9的氨气输入端之间设置有第一电控流量控制装置8，所述混合器9的气体输出端通过管路与双燃料内燃机6的进气总管输入端连接，所述柴油供给组件的柴油输出端通过管路与柴油共轨喷射装置14的油轨输入端连接。
本实施例通过设计液氨喷射装置5、氨气和空气混合气双燃料内燃机的进气总管进气，实现了氨两相流燃料供给，具体地：液氨供给组件提供的液氨可直接进入液氨喷射装置5，液氨喷射装置5将液氨喷射到双燃料内燃机6的各缸进气道内；液氨供给组件提供的液氨还可经过液氨气化组件气化后，再进入混合器9与空气进行混合，之后氨气与空气混合气进入双燃料内燃机6的进气总管，其中液氨的供给可降低进气温度，提高内燃机的充气效率，控制发动机NOx产生，氨气的供给可保证小负荷时燃烧的稳定性，两相流氨燃料供给可以联合工作，又可以单独进行燃料供给，同时实现氨燃料的质和量的供给，达到了燃烧效率最大化，且对基础机柴油机的改动小，易实现。
本实施例对于液氨的气化，通过内燃机冷却系统的热量与液氨换热气化，具体地，与内燃机冷却系统换热后的高温冷却液经过蒸发器7，而液氨供给组件提供的液氨经过蒸发器7时与高温冷却液换热，冷却液提供液氨气化所需要的热量，液氨气化成氨气，这样对内燃机的热量实现充分的利用，起到节能的效果。
本实施例中的液氨供给组件也给催化还原后处理器20供给氨，氨作为还原剂，对双燃料内燃机6排出的废气进行净化，净化后的气体再排放到大气中，保护环境，用氨燃料作为还原剂进入催化还原后处理器20，无尿素喷射系统，降低了成本。
本实施例还通过涡轮增压器18对双燃料内燃机6的废气能量进一步利用，涡轮增压器18可提高进入双燃料内燃机6的空气量，进一步提升了燃料能量的利用率，而中冷器对涡轮增压器18用于降低增压后的高温空气温度、以降低双燃料内燃机6的热负荷，提高进气量，进而增加双燃料内燃机6的功率，风扇16为中冷器和散热器17散热。
进一步地，在所述液氨供给组件的液氨输出端与催化还原后处理器20的氨输入端之间设置有第二电控流量控制装置19，根据不同的负荷工况，第二电控流量控制装置19可精准地将一定量的氨气送入催化还原后处理器20中作为还原剂。
本实施例通过液氨泵3将液氨存储器1内的液氨抽出进行供应，提供液氨供给的压力，而电控截止阀2可以控制液氨输出供给管路的开关。
更进一步地，在所述液氨供给组件的液氨输出端与液氨喷射装置5的氨轨输入端之间设置有稳压阀4，稳压阀4对进入液氨喷射装置5的液氨进行稳压，保证燃料供给均匀性和燃烧的稳定性。
本实施例的所述液氨喷射装置5的氨轨安装有温度传感器21和第一压力传感器22，所述柴油共轨喷射装置14的油轨安装有第二压力传感器23。温度传感器21用于监测氨轨内的温度，第一压力传感器22用于监测氨轨的轨压，第二压力传感器23用于监测油轨的轨压。
此外，本实施例还提供一种氨-柴油双燃料动力系统的控制方法，其上述的基于两相流氨供给的氨-柴油双燃料动力系统，具体运行控制方法如下：
在双燃料内燃机6启机和小负荷工况时，双燃料内燃机6的工质较少，压缩冲程终了时气缸内的温度低，此时液氨气化组件对液氨供给组件供给来的液氨气化成气态氨，第一电控流量控制装置8控制一定量的气态氨进入混合器9中，空气供给组件提供一定量的空气进入混合器9中，在混合器9内气态氨与空气充分混合后，进入双燃料内燃机6进气总管，并进入双燃料内燃机6的各个气缸燃烧，在此过程中，液氨喷射装置5停止工作，气态氨供给系统主要应用于小负荷工况，这有利于增强内燃机燃烧的稳定性；
在双燃料内燃机6大负荷工况时，双燃料内燃机6的工质较多，压缩冲程终了时气缸内温度较高，液氨喷射装置5运行工作，将液氨喷入双燃料内燃机6的各缸进气道内，利用液氨的气化潜热，降低中冷后空气的温度，提高了内燃机的充气效率，进而提生了燃料利用率和降低了氮氧化物排放，在此过程中，可以自动关闭第一电控流量控制装置8，停止供给气态氨，液氨供给系统主要应用大负荷工况，提升内燃的动力性和经济性，同时降低了内燃机排放；
在双燃料内燃机6中度负荷工况时，气态氨和液态氨同时供给，两路燃料供给系统同时工作，两路燃料供给管路同时工作，根据标定及ECU接收到燃烧过程的反馈信号，分别控制第一电控流量控制装置8的开度和液氨喷射装置5的持续期，调整液氨及气态氨的配比，使内燃机的燃烧和排放达到最佳；
而柴油共轨喷射装置14根据不同的负荷工况，将柴油供给组件来的柴油燃料喷入双燃料内燃机6的气缸内。
在一些实施例中，液氨气化组件和空气供给组件可采用其他单独的部件来实现各个功能。
以上对本发明的较佳实施方式进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种基于两相流氨供给的氨-柴油双燃料动力系统，其特征在于：其包括：液氨供给组件、双燃料内燃机(6)、液氨气化组件、混合器(9)、柴油供给组件、空气供给组件，所述双燃料内燃机(6)设置有液氨喷射装置(5)、柴油共轨喷射装置(14)；
所述液氨供给组件的液氨输出端通过管路分别与液氨气化组件的液氨输入端、液氨喷射装置(5)的氨轨输入端并联连接；
所述液氨气化组件的氨气输出端通过管路与混合器(9)的氨气输入端连接，在所述液氨气化组件的氨气输出端与混合器(9)的氨气输入端之间设置有第一电控流量控制装置(8)，所述空气供给组件的空气输出端通过管路与混合器(9)的空气输入端连接，所述混合器(9)的气体输出端通过管路与双燃料内燃机(6)的进气总管输入端连接；
所述柴油供给组件的柴油输出端通过管路与柴油共轨喷射装置(14)的油轨输入端连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于两相流氨供给的氨-柴油双燃料动力系统，其特征在于：所述双燃料内燃机(6)设置有内燃机冷却系统，所述液氨气化组件包括水泵(15)、蒸发器(7)、散热器(17)，所述水泵(15)、内燃机冷却系统、蒸发器(7)、散热器(17)通过管路闭环连接形成冷却液回路，所述蒸发器(7)设置有所述液氨气化组件的液氨输入端和氨气输出端。
3.根据权利要求1所述的一种基于两相流氨供给的氨-柴油双燃料动力系统，其特征在于：所述基于两相流氨供给的氨-柴油双燃料动力系统还包括催化还原后处理器(20)，所述液氨供给组件的液氨输出端通过管路与催化还原后处理器(20)的氨输入端连接，所述催化还原后处理器(20)的废气输入端通过管路与双燃料内燃机(6)的废气输出端连接。
4.根据权利要求3所述的一种基于两相流氨供给的氨-柴油双燃料动力系统，其特征在于：所述空气供给组件包括中冷器、节气门、涡轮增压器(18)，所述涡轮增压器(18)设置于催化还原后处理器(20)的废气输入端与双燃料内燃机(6)的废气输出端之间，所述涡轮增压器(18)的涡轮输入端和涡轮输出端分别与双燃料内燃机(6)的废气输出端、催化还原后处理器(20)的废气输入端连接，所述涡轮增压器(18)的空气输出端与所述中冷器的空气输入端连接，所述中冷器的空气输出端通过管路与混合器(9)的空气输入端连接，所述涡轮增压器(18)的空气输入端与大气环境连通。
5.根据权利要求3所述的一种基于两相流氨供给的氨-柴油双燃料动力系统，其特征在于：在所述液氨供给组件的液氨输出端与催化还原后处理器(20)的氨输入端之间设置有第二电控流量控制装置(19)。
6.根据权利要求1所述的一种基于两相流氨供给的氨-柴油双燃料动力系统，其特征在于：所述液氨供给组件包括依次连接的液氨存储器(1)、电控截止阀(2)、液氨泵(3)，所述液氨泵(3)的输出端为所述液氨供给组件的液氨输出端。
7.根据权利要求1所述的一种基于两相流氨供给的氨-柴油双燃料动力系统，其特征在于：所述柴油供给组件包括依次连接的柴油存储器(10)、粗滤器(11)、输油泵(12)、细滤器(13)，所述细滤器(13)的输出端为所述柴油供给组件的柴油输出端。
8.根据权利要求1所述的一种基于两相流氨供给的氨-柴油双燃料动力系统，其特征在于：所述液氨喷射装置(5)的氨轨安装有温度传感器(21)和第一压力传感器(22)，所述柴油共轨喷射装置(14)的油轨安装有第二压力传感器(23)。
9.根据权利要求1所述的一种基于两相流氨供给的氨-柴油双燃料动力系统，其特征在于：在所述液氨供给组件的液氨输出端与液氨喷射装置(5)的氨轨输入端之间设置有稳压阀(4)。
10.一种氨-柴油双燃料动力系统的控制方法，其特征在于：其采用如权利要求1至9任意一项所述的基于两相流氨供给的氨-柴油双燃料动力系统，具体运行控制方法如下：
在双燃料内燃机(6)启机和小负荷工况时，液氨气化组件对液氨供给组件供给来的液氨气化成气态氨，电控流量控制装置(8)控制一定量的气态氨进入混合器(9)中，空气供给组件提供一定量的空气进入混合器(9)中，在混合器(9)内气态氨与空气充分混合后，进入双燃料内燃机(6)进气总管，并进入双燃料内燃机(6)的各个气缸燃烧，在此过程中，液氨喷射装置(5)停止工作；
在双燃料内燃机(6)大负荷工况时，液氨喷射装置(5)运行工作，将液氨喷入双燃料内燃机(6)的各缸进气道内，在此过程中，电控流量控制装置(8)基本处于关闭状态；
在双燃料内燃机(6)中度负荷工况时，气态氨和液态氨同时供给，液氨喷射装置(5)运行工作，电控流量控制装置(8)处于打开状态，两路燃料供给管路同时工作，分别控制电控流量控制装置(8)的开度和液氨喷射装置(5)的持续期，调整液氨及气态氨的配比，使内燃机的燃烧和排放达到最佳；
而柴油共轨喷射装置(14)根据不同的负荷工况，将柴油供给组件来的柴油燃料喷入双燃料内燃机(6)的气缸内。
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