CN114183242A - 一种氨燃料发动机供给系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种氨燃料发动机供给系统，包括液氨供给通路和引燃气供给通路；所述液氨供给通路包括液氨电子喷射阀、高压共轨管、二级增压器、一级增压器；所述引燃气供给通路包括储氨罐、引燃气总成单元、发动机、电磁阀。本发明在氨发动机燃料加注中，可以只加注单一的氨燃料，即可满足氨燃料发动机的正常做功，避免了加注其它燃料所带来的额外负担与成本；可根据发动机的负荷情况，调节引燃气的温度和压力，能够自适应的调节发动机处于最佳的燃烧工况，另外高温高压的引燃气可以活化缸内的氨燃料，改善氨的燃烧特性，减少了对发动机的高压缩比、高进气压力温度等燃烧条件，使由单一氨燃料的供给系统能够更为广泛的应用在各类动力设备中。
Description
技术领域
本发明涉及一种发动机供给系统，具体涉及一种氨燃料发动机供给系统。
背景技术
目前，纯氨在发动机上的燃烧需要较高的燃烧条件，纯氨所需的压缩比高达35：1[1]。学者提出在缸内添加助燃剂以满足发动机正常的功率输出。常见的助燃剂有两类：氢燃料[2]和高活性燃料[3-5]。高活性燃料并不能避免碳排放，为了更好的面对日益严峻环保法规，因避免采用含碳燃料作为助燃剂来解决氨的燃烧问题。采用氢作为助燃剂，还面临着较大成本与安全隐患的问题。而且，引入额外的燃料会增加燃料供给系统的装置体积，提高对加注站的要求，增加机械运行过程的危险性。
另外，液氨的汽化潜热较高，在发动机内气化会导致缸内温度急剧下跌，影响着火。采用预燃室的方式引燃缸内气体，又会因为氨的燃烧速度过慢，导致缸内未燃氨、NOx排放增加。而随着发动机负荷的变化，喷射氨的量会有所不同，即气化吸热量不同，会导致缸内温度随时会产生较大的变化，氨的燃烧总不能达到较好的工况。
在本发明中，设计了新型的氨燃料发动机的供给系统与自适应的引燃策略，单一氨燃料在弱燃烧条件下的着火，可以不依靠助燃剂，即可满足氨燃料发动机的正常运行。而且一种类似预燃室功能的自适应引燃气装置，可以根据发动机的负荷调节最佳的引燃温度和压力，确保发动机的燃烧处于较好的工况之中。
引用文献：
[1]Reiter AJ,Kong S-C.Combustion and emissions characteristics ofcompression-ignition engine using dual ammonia-diesel fuel.Fuel 2011；90(1):87-97.
[2]郭朋彦,刘子川,邵方阁,申方,陈磊.氢氨清洁无污染无碳燃料在发动机上的应用分析[J].汽车实用技术.2016(04)
[3]Mei Z,Yuchun C,Zhao W,et al.Emission Characteristics of NH3-C3H8-Air Mixture for Carbon Reduction Combustion[J].Journal of Combustion Scienceand Technology,2020,26(03):257-264.
[4]Feng Y,Zhu J,Mao Y,et al.Low-temperature auto-ignitioncharacteristics of NH3/diesel binary fuel:Ignition delay time measurement andkinetic analysis[J].Fuel,2020,281.
[5]Yapicioglu A,Dincer I.Experimental investigation and evaluation ofusing ammonia and gasoline fuel blends for power generators[J].AppliedThermal Engineering,2019,154:1-8.
发明内容
本发明的目的是为了克服纯氨在发动机上的应用需要高的燃烧条件以及预燃室引燃缸内燃料燃烧时的不充分、不均匀和排放较高的问题，而提供了新型的氨燃料发动机供给系统。
由高温高压的引燃气引燃缸内的氨燃料，可以根据发动机的负荷和缸内温度下降量的不同，调节引燃气的温度与压力，从而避免了传统预燃室引燃的火舌难以控制所产生的燃烧问题。另外，本申请中由单一的氨燃料供给，便可以达到氨燃料发动机正常做功，避免加装助燃剂所带来的体积增大、风险性增高等问题。
本发明的技术方案是：
一种氨燃料发动机供给系统，包括液氨供给通路和引燃气供给通路；所述液氨供给通路包括液氨电子喷射阀、高压共轨管、二级增压器、一级增压器；所述引燃气供给通路包括储氨罐、引燃气总成单元、发动机、电磁阀；
液氨加注到储氨罐中，然后在一级增压器中进行增压，约为70bar，此时液氨分为两股通往引燃气总成单元和二级增压器中，引燃气总成单元将液氨加热到预设引燃温度并维持压力稳定，此时为高温高压的氨气，然后通向电磁阀中，等待ECU的指令；通向二级增压器中的液氨将进一步的增压，达到800bar，然后通向高压共轨管中，高压共轨管控制液氨的喷射压力保持稳定，然后通向液氨电子喷射阀之中，等待ECU的指令；
发动机的负荷、转速、功率信号经过ECU处理后，将电子喷射阀的开闭信号传到液氨电子喷射阀中，然后高压的液氨从燃烧室的缸壁中心处的四个喷油嘴以15°的夹角通向缸内，在缸内中心处形成凸起的氨气蒸发区，ECU将引燃温度信号传向引燃气总成单元中，引燃气总成单元控制附属设备中的废气换热器和辅助加热器对液氨进行加热，变成高温高压的氨气，引燃温度一般均超过氨的临界温度132.22℃，接着，ECU的信号控制电磁阀开启，高温高压的氨气从缸盖中心通向缸内，然后将凸起的氨气蒸发区中的氨气引燃。
进一步的，所述引燃气供给通路还包括气化罐、过滤腔、催化加热模块和增压器；液氨进入到气化罐中气化，气化后的氨气在过滤腔中进行过滤，获得纯度更高氨气；然后氨气在催化加热模块中加热并催化分解成氢气和氮气；然后残余的氨气、氢气和氮气的混合气体通向增压器，增压器增压混合气到ECU信号压力，接着通向引燃气总成单元，引燃气总成单元根据ECU的信号调节引燃气的喷射压力和温度到发动机负荷的最佳的参数，然后通向电磁阀中等待ECU的启闭指令；
若需要增加引燃气的含氢比例，即提高催化加热模块4中氨被催化的温度，或者降低进入催化加热模块中的进气压力，即减小氨气的流动速度，从而，氨气的催化反应更加充分，即可获得更高含氢率的混合气体，若再调节液氨电子喷射阀和电磁阀的喷入缸内的能量比，即可满足更低的燃烧条件下的缸内着火。
进一步的，所述引燃气供给通路还包括冷却器；氨气在催化加热模块中得到催化分解，经过冷却器冷却后，得到氢气和氮气的混合气体，然后将氢气和氮气的混合气体由增压器增压到ECU目标压力，接着引燃气总成单元加热高压的混合气体，并维持喷射所需的温度与压力值。
进一步的，还包括喷油结构，所述喷油结果包括电磁阀、液氨电子喷射阀、缸盖、进气阀、排气阀、活塞，所述电磁阀位于缸盖中心，包括主喷口和副喷口，副喷口与轴线呈一定夹角，保证喷射氨气时形成一个广域的锥面喷雾，预设4个液氨电子喷射阀均匀分布在燃烧室缸壁中心，并与燃烧室中心呈15°夹角。
本发明相比现有技术具有以下有益效果：
在氨发动机燃料加注中，可以只加注单一的氨燃料，即可满足氨燃料发动机的正常做功，避免了加注其它燃料所带来的额外负担与成本。可根据发动机的负荷情况，调节引燃气的温度和压力，能够自适应的调节发动机处于最佳的燃烧工况。另外，高温高压的引燃气可以活化缸内的氨燃料，改善氨的燃烧特性，减少了对发动机的高压缩比、高进气压力温度等燃烧条件，使由单一氨燃料的供给系统能够更为广泛的应用在各类动力设备中。
另外，氨燃料的供应系统对解决目前日益严重的环境提供了方向和思路。整个燃料供应系统中完全避免了碳排放，能够满足不同国家和地区的日益严格的排放需求。而且，氨作为全世界最大的化工产品，具有成熟的配套设施，加注燃料十分方便，无需对原来的设备进行大幅度的改装，便于快速应用到生活实际之中。
附图说明
图1是氨燃料供给系统示意图(示例一)；
图2是氨燃料供给系统示意图(示例二)；
图3是氨燃料供给系统示意图(示例三)；
图4是缸内喷油口分布结构示意图；
其中，1为储氨罐、2为气化罐、3为过滤腔、4为催化加热模块、5为增压器、6为引燃气总成单元、7为发动机、8为电磁阀、9为液氨电子喷射阀、10为高压共轨管、11为二级增压器、12为一级增压器、13为缸盖、14为进气阀、15为排气阀、16为活塞、17为冷却器、00为燃烧室。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明申请作进一步的说明：
本发明提供的新型氨燃料发动机供给系统及自适应引燃策略中，主要由两通路组成，液氨供给通路和引燃气供给通路。引燃气供给通路针对适用的不同条件进行不同的变化。
液氨供给通路：发动机的燃料主要供给通路，将常温高压的液氨喷向发动机。来自储氨罐的液氨，经过两次加压后通入共轨管。然后由电子喷射阀控制高压液氨向发动机缸内喷入。从燃烧室的中心轴线缸壁四周通入，形成一个自旋且带有凸起的氨气蒸发区，便于引燃气引燃。
引燃气供给通路：提供帮助氨燃料燃烧的引燃气。高温高压的混合气，能够活化反应区的氨燃料，提高引燃区域的温度，改变混合气体的成分，优化燃烧特性，即可加快氨燃料的燃烧速度、降低着火延迟以及NOx排放等。另外，根据发动机特点和应用领域，针对性改变引燃气的成分，如纯高温氨气、氢气、氮气自由组合。
氨具有毒性且带有腐蚀性，需要防范氨的泄漏问题以及氨设备的耐受性问题。氨气需采用专用的双层传输管路和专用阀件，管路与设备安装空间需装有氨气泄漏探针和氨气泄漏指示器，用于判断氨的泄漏。另外，发动机组件、电磁阀、共轨管等与氨接触的设备都需要具有氨的耐受性，避免使用各种铜制品等不耐受的材料。
在本发明的引燃气供给通路中：
储氨罐：储存外界加注的液氨，储存压力常约17bar，罐上装有常有的压力表、阀门等附属设备。
气化罐：将来自于储氨罐中的液氨进行气化，温度与压力约为310K和10bar，可以由燃烧的废气余热、冷却器、增压器散热、制冷循环中吸收的热量或者直接吸收环境的热量提供。
过滤腔：对氨气进行提纯，分离氨气中杂质气体，如H2O、O2等。下级连接催化加热模块。
催化加热模块：纯化的氨气在该系统中被加热，并且在催化剂下进行催化分解成N2和H2，涉及的反应为
管路为催化载体，常有Al2O3、MgO、TiO2、CNTs(碳纳米管)、AC(活性炭)、SiO2、分子筛等。催化剂安装在管路的内壁，常有Ru、Ir、Pt等。为了保证低温下的催化效果，还可以加装催化助剂，如碱金属、碱土金属和贵金属。热量可以由发动机的尾气提供。氨的催化效率与温度呈正相关，通过控制催化加热模块中的温度，控制混合气体中的含氢率，工作温度范围约为410-1000K。
冷却器：冷却经催化分解后的氢气和氮气，去除少部分未分解的氨。可以水冷或者与气化罐换热冷却。
增压器：增压混合气体，输出给稳压器，维持稳压器中的压力值稳定。
引燃气总成单元：提供的稳定的用于引燃的高温高压的气体。附属设备有温度传感器、换热器、辅助加热装置、泄压阀等，根据发动机的负荷信号调节混合气体温度。
电磁阀：安装在发动机缸盖的中心，法线指向燃烧室内。喷口可由较大的中心圆孔和侧向的环形喷孔组成，喷雾在燃烧室中呈广角圆锥型。具有电子控制系统，由ECU控制喷射定时、持续期以及喷油量等。喷射压力范围为40-200bar，温度范围为600K-1000K。
在本发明的液氨供给通路中：
一级增压器：将来自储氨罐的液氨进行一级增压。通向二级增压器。
二级增压器：来自一级增压的液氨进一步的增压并通入高压共轨管，维持共轨管的压力保持稳定。压力范围为600-2000bar。
高压共轨管：将二级增压器提供的高压液氨分配到各液氨电子喷射阀中，起蓄压器的作用。其部件包括共轨腔、高压油管、电控单元、各类传感器和执行器等。与现有的柴油机共轨系统类似。
液氨电子喷射阀：侧向均匀分布在燃烧室缸壁中间，法线指向燃烧室中心。具有电子喷射系统，由ECU控制喷射定时、喷油量、喷油曲线以及喷射速率。液氨喷射压力范围约为600-2000bar。
如图1所示为一种氨燃料供给系统的示例，它具有结构简单、可靠性强、体积小等特点，适用于对空间体积大小具有严格要求的小型发动机等轻型设备，也可以适用于超大型的船机设备当中。它包括储氨罐1、引燃气总成单元6、发动机7、电磁阀8、液氨电子喷射阀9、高压共轨管10、二级增压器11、一级增压器12。喷油结构如图4所示，包括电磁阀8、液氨电子喷射阀9、缸盖13、进气阀14、排气阀15、活塞16，所述电磁阀8位于缸盖13中心，包括主喷口和副喷口，副喷口与轴线呈一定夹角，保证喷射氨气时形成一个广域的锥面喷雾，预设4个液氨电子喷射阀9均匀分布在燃烧室缸壁中心，并与燃烧室中心呈15°夹角。
实施步骤：首先，加氨站的液氨加注到储氨罐1中。然后，在一级增压器12中进行增压，约为70bar。此时液氨分为两股通往引燃气总成单元6和二级增压器11中。引燃气总成单元6将液氨加热到预设引燃温度并维持压力稳定，此时为高温高压的氨气，然后通向电磁阀8中，等待ECU的指令。通向二级增压器11中的液氨将进一步的增压，达到800bar，然后通向高压共轨管10中。高压共轨管10控制液氨的喷射压力保持稳定，然后通向液氨电子喷射阀9之中，等待ECU的指令。
喷射方案示例：
发动机的负荷、转速、功率等信号经过ECU处理后，将电子喷射阀8的开闭信号传到液氨电子喷射阀9中，然后高压的液氨从燃烧室的缸壁中心处的四个喷油口以15°的夹角通向缸内，在缸内中心处形成凸起的氨气蒸发区。ECU将引燃温度信号传向引燃气总成单元6中，引燃气总成单元6控制附属设备中的废气换热器和辅助加热器对液氨进行加热，变成高温高压的氨气，引燃温度一般均超过氨的临界温度132.22℃。接着，ECU的信号控制电磁阀8开启，高温高压的氨气从缸盖中心通向缸内，然后将凸起的氨气蒸发区中的氨气引燃。由此，帮助了缸内的氨燃料燃烧。
如图2所示为第二种氨燃料供给系统示例，它包含催化分解模块，可以改变引燃气的成分，分解产生的氢气能够有效的提供氨燃烧初期所需要的游离态的氢，大大的减少了燃烧所需要的条件。该供给系统催化分解模块能够做到很小，发动机的尺寸也能减少，适用于对结构尺寸要求严格的汽车、卡车等小型的设备之中。包括有储氨罐1、气化罐2、过滤腔3、催化加热模块4、增压器5、引燃气总成单元6、发动机7、电磁阀8、液氨电子喷射阀9、高压共轨管10、二级增压器11、一级增压器12。
发动机燃料供给控制策略：
同样，先在加氨站加注液氨到储氨罐1。储氨罐中的液氨分为两股，一股是发动机的液氨燃料供给，同上述示例一。另一股的引燃气路径如下：液氨进入到气化罐2中气化，气化后的氨气在过滤腔3中进行过滤，获得纯度更高氨气(99.9％)。然后，氨气在催化加热模块4中，加热并催化，分解成氢气和氮气。然后残余的氨气、氢气和氮气的混合气体通向增压器5，增压器5增压混合气到ECU信号压力，接着通向引燃气总成单元6。引燃气总成单元6根据ECU的信号调节引燃气的喷射压力和温度到发动机负荷的最佳的参数，然后通向电磁阀8中等待ECU的启闭指令。
混合气成分调控示例：
若需要增加引燃气的含氢比例。即提高催化加热模块4中氨被催化的温度，或者降低进入催化加热模块4中的进气压力，即减小氨气的流动速度。从而，氨气的催化反应更加充分，即可获得更高含氢率的混合气体。若再调节液氨电子喷射阀9和电磁阀8的喷入缸内的能量比，即可满足更低的燃烧条件下的缸内着火。如发动机冷启动的时刻即可适用该种方式。
如图3所示为第三种氨燃料供给示例。它具有一个冷却器，冷却经催化加热模块4催化分解后的混合气体，增压器5能够达到更高的压力和流量，适用高流量、高压的引燃气需要。采用该种方式的供给方案，能够提高热效率，增加发动机的单缸功率。包括有储氨罐1、气化罐2、过滤腔3、催化加热模块4、增压器5、引燃气总成单元6、发动机7、电磁阀8、液氨电子喷射阀9、高压共轨管10、二级增压器11、一级增压器12、冷却器17。
引燃气供应旁路方案基本与示例二所述相同。不同点在于，氨气在催化加热模块4中得到催化分解，经过冷却器17冷却后，得到氢气和氮气的混合气体。然后将氢气和氮气的混合气体由增压器5增压到ECU目标压力，如200bar。接着，引燃气总成单元6加热高压的混合气体，并维持喷射所需的温度与压力值。其它同示例二所述。
Claims (4)
1.一种氨燃料发动机供给系统，其特征在于，包括液氨供给通路和引燃气供给通路；所述液氨供给通路包括液氨电子喷射阀、高压共轨管、二级增压器、一级增压器；所述引燃气供给通路包括储氨罐、引燃气总成单元、发动机、电磁阀；
液氨加注到储氨罐中，然后在一级增压器中进行增压，约为70bar，此时液氨分为两股通往引燃气总成单元和二级增压器中，引燃气总成单元将液氨加热到预设引燃温度并维持压力稳定，此时为高温高压的氨气，然后通向电磁阀中，等待ECU的指令；通向二级增压器中的液氨将进一步的增压，达到800bar，然后通向高压共轨管中，高压共轨管控制液氨的喷射压力保持稳定，然后通向液氨电子喷射阀之中，等待ECU的指令；
发动机的负荷、转速、功率信号经过ECU处理后，将电子喷射阀的开闭信号传到液氨电子喷射阀中，然后高压的液氨从燃烧室的缸壁中心处的四个喷油嘴以15°的夹角通向缸内，在缸内中心处形成凸起的氨气蒸发区，ECU将引燃温度信号传向引燃气总成单元中，引燃气总成单元控制附属设备中的废气换热器和辅助加热器对液氨进行加热，变成高温高压的氨气，引燃温度一般均超过氨的临界温度132.22℃，接着，ECU的信号控制电磁阀开启，高温高压的氨气从缸盖中心通向缸内，然后将凸起的氨气蒸发区中的氨气引燃。
2.根据权利要求1所述的一种氨燃料发动机供给系统，其特征在于，所述引燃气供给通路还包括气化罐、过滤腔、催化加热模块和增压器；液氨进入到气化罐中气化，气化后的氨气在过滤腔中进行过滤，获得纯度更高氨气；然后氨气在催化加热模块中加热并催化分解成氢气和氮气；然后残余的氨气、氢气和氮气的混合气体通向增压器，增压器增压混合气到ECU信号压力，接着通向引燃气总成单元，引燃气总成单元根据ECU的信号调节引燃气的喷射压力和温度到发动机负荷的最佳的参数，然后通向电磁阀中等待ECU的启闭指令；
若需要增加引燃气的含氢比例，即提高催化加热模块4中氨被催化的温度，或者降低进入催化加热模块中的进气压力，即减小氨气的流动速度，从而，氨气的催化反应更加充分，即可获得更高含氢率的混合气体，若再调节液氨电子喷射阀和电磁阀的喷入缸内的能量比，即可满足更低的燃烧条件下的缸内着火。
3.根据权利要求1所述的一种氨燃料发动机供给系统，其特征在于，所述引燃气供给通路还包括冷却器；氨气在催化加热模块中得到催化分解，经过冷却器冷却后，得到氢气和氮气的混合气体，然后将氢气和氮气的混合气体由增压器增压到ECU目标压力，接着引燃气总成单元加热高压的混合气体，并维持喷射所需的温度与压力值。
4.根据权利要求1-3任意一项权利要求所述的一种氨燃料发动机供给系统，其特征在于，还包括喷油结构，所述喷油结果包括电磁阀、液氨电子喷射阀、缸盖、进气阀、排气阀、活塞，所述电磁阀位于缸盖中心，包括主喷口和副喷口，副喷口与轴线呈一定夹角，保证喷射氨气时形成一个广域的锥面喷雾，预设4个液氨电子喷射阀均匀分布在燃烧室缸壁中心，并与燃烧室中心呈15°夹角。
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