CN114635786A - 一种热分解高压直喷型氨燃料的发动机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种热分解高压直喷型氨燃料的发动机，包括氨罐、氨增压泵、氨预热及分解装置、高压喷射阀、喷嘴、发动机、尾气处理装置；本发明中低温低压的氨经过增压后，进入由排气加热的氨分解装置，分解产生氨氢氮混合燃料，经高压喷射泵进入发动机燃烧做功，发动机排气经过氨分解装置，回收部分热能，再行排出，本发明利用氨燃料的特性回收排气能力提高内燃机效率，并解决点火困难等问题。

Description

一种热分解高压直喷型氨燃料的发动机
技术领域
本发明涉及发动机领域，具体涉及一种热分解高压直喷型氨燃料的发动机。
背景技术
随着环保理念的深入人心，对能源动力装置排放要求日趋严格，低碳无碳已经是大势所趋。
现有发动机使用的化石燃料都是含碳的，运行时会产生二氧化碳排放，随燃料不同排放量有所高低，技术上可行的替代方式有：1、全电替代，即由电动机替代内燃机，其电力来自动力电池，但是电力替代方式能量密度低、充电速度慢，不适用于重载车辆、船舶、航空等运输；2、氢能替代，氢作为清洁燃料，排放物仅有水，但氢密度小、液化温度低，储运困难，也难以在重载车辆、船舶、航空等领域应用；3、合成燃料，即采用光伏、风电等清洁电力制取氢，人工方式合成燃料(氢及其化合物)，其中氨作为氢氮化合物，因为不含碳、易于制取、易于运输，具有较好的应用前景。
氨作为化肥已经被发明100余年，生产技术较为成熟，全球每年生产运输2亿吨以上。现有氨生产方式采用煤、天然气等含碳原料制取，可以方便的替换为电解水制氢合成氨，实现全过程无碳排放。氨作为燃料，热值虽然较低，但储运都较氢为便利，是目前含氢量最高的化合物之一，但氨作为燃料还较少见，主要原因有，氢-氮-氢循环效率较低、燃料热值低、氢分离困难、燃烧困难，用于燃料电池总能效较低，用于内燃机存在燃烧慢、点火困难等问题，需要加入助燃燃料等，这些都影响了氨作为无碳燃料的推广和应用。
氨用于内燃机，具有压缩比高，更容易提高发动机效率。氨热值虽然低，从系统有效携带能量比例看，优于直接储氢系统；内燃机排气温度较高，与氨分解温度接近，可以通过热解氨为氢气和氮气混合气，氨热解时需要吸收一定能量，全部热解后的混合气体内能多于氨(大约可以增加16％的能量)，这样就可以回收部分排气能量，提高了发动机效率，同时混合气中的氢作为助燃燃料解决单纯氨燃料点火困难的问题。氨燃料发动机排放中不含二氧化碳，氨没有全部热解、燃烧时氮氧化物含量较高，可以采用催化分解，或使用氨或混合气注入排气管中催化分解排气氮氧化物。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：一种热分解高压直喷型氨燃料的发动机，包括氨罐、氨增压泵、氨预热及分解装置、高压喷射阀、喷嘴、发动机、尾气处理装置；
所述氨罐通过管路输出氨至氨增压泵，所述氨增压泵通过管路输出氨至氨预热及分解装置，所述氨预热及分解装置通过管路输出氨至高压喷射阀，所述高压喷射阀设置于发动机燃料注入口处并将混合燃料经喷嘴注入发动机，所述发动机通过其上设置的加热通道及管路，使其排出的热气体进入氨预热及分解装置，所述氨预热及分解装置通过管路与尾气处理装置连接，使其排出的气体进入尾气处理装置，所述尾气处理装置设置气体排出管道。
优选地，还包括辅助启动装置，所述辅助启动装置设置于发动机加热通道与氨预热及分解装置连接的管路上，同时，所述氨罐通过另一管路与辅助启动装置连接并输出氨至辅助启动装置，所述发动机入口处的进气管通过管路与辅助启动装置连接。
优选地，所述辅助启动装置为储气装置、补燃装置之中的一种或两种组合。
优选地，所述尾气处理装置为NSC尾气处理装置或SCR尾气处理装置。
优选地，所述发动机燃烧室内设置缸内辅助点火装置。
优选地，所述缸内辅助点火装置为电加热陶瓷点火装置或电火花塞点火装置。
采用以上方案后，本发明具有如下优点：本发明中低温低压的氨经过增压后，进入由排气加热的氨分解装置，分解产生氨氢氮混合燃料，经高压喷射泵进入发动机燃烧做功，发动机排气经过氨分解装置，回收部分热能，再行排出，本发明利用氨燃料的特性回收排气能力提高内燃机效率，并解决点火困难等问题，降低、消除排气中的氮氧化物含量，实现达标排放。本发明提供的热力学架构可以适用于活塞式、转子式、涡轮式等内燃机,也适用于斯特林发动机、蒸气机等外燃机。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解的是，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
图1是本发明一种热分解高压直喷型氨燃料的发动机实施例一的结构示意图。
图2是本发明一种热分解高压直喷型氨燃料的发动机实施例二的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。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。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，若出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，若出现术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本发明实施例的描述中，“多个”代表至少2个。
在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例一
一种热分解高压直喷型氨燃料的发动机，包括氨罐1、氨增压泵2、氨预热及分解装置3、高压喷射阀4、喷嘴5、发动机6、尾气处理装置7；
氨罐1通过管路输出氨至氨增压泵2，将氨燃料压力增加到燃烧室直喷至所需压力；氨增压泵2通过管路输出氨至氨预热及分解装置3，氨预热及分解装置3通过管路输出氨至高压喷射阀4，高压喷射阀4设置于发动机6燃料注入口处并将混合燃料经喷嘴5注入发动机6，发动机6通过其上设置的加热通道8及管路，使其排出的热气体进入氨预热及分解装置3，氨预热及分解装置3通过管路与尾气处理装置7连接，使其排出的气体进入尾气处理装置7，尾气处理装置设置气体排出管道。
在本实施例中，氨燃料预热和分解装置利用发动机排气加热燃料通道，燃料通道中有催化剂(可以是铂、钌、铁、镍等，或其他材料)，氨受热后与催化剂接触分解为氢氮混合气体；
高压喷射阀用于将混合燃料经高压喷射阀控制注入发动机燃烧做功，高压直喷的优势在于不仅可以利用燃料分解吸收的排气能量，而且排气的热量也得到利用；
尾气处理装置可以使用氮氧化物存储催化还原技术NSC，发动机排气富含氮氧化物，需要经过处理后，才能排入大气，采用NSC技术进行尾气处理，将氮氧化物分解还原为氮气和氧气。特征在于，可以使用补燃器调节进入NSC的尾气温度，确保还原效率；
尾气处理装置还可以使用选择性还原催化SCR技术，在发动机排气中，加入少量氨，与二氧化钛接触后催化还原NOx为氮、氧和水。特征在于，可以使用补燃器调节进入SCR的氨氢氮混合气体量，确保还原效率；
发动机6燃烧室内设置缸内辅助点火装置，缸内辅助点火状组织为电加热陶瓷点火装置，当压缩的空气温度不足以点燃喷入的高热混合气体时，电加热陶瓷体将点燃混合气体。特征在于，缸内直喷与电热辅助点火结合，简化了辅助点火控制。
实施例二
本实施例与实施例一的不同之处在于，本实施例中还设置启动装置10，辅助启动装置10设置于发动机加热通道8与氨预热及分解装置3连接的管路上，同时，氨罐1通过另一管路与辅助启动装置10连接并输出氨至辅助启动装置10，发动机入口处的进气管9通过管路与辅助启动装置10连接。
辅助起动装置包括储气装置和补燃装置，简易发动机可以不使用，或仅使用其中一个装置，发动机起动前，氨燃料没有热力分解，需要有辅助起动装置提供混合气体燃料，再由氨燃料维持发动机运行。辅助起动装置由储气装置和补燃装置组成，在发动机正常工作时，辅助起动装置储气装置将氨燃料预热和分解装置产生的富余混合燃料气体储存起来，待发动机起动时使用，在发动机起动后，排气温度不足时，辅助起动装置的补燃装置将直接燃烧氨加热氨燃料预热和分解装置。
本发明在使用时：(1)对氨燃料进行增压，得到5～30MPa的高压氨；
(2)经过加压后的氨，进入氨热解装置，通过发动机排气加热和催化剂(铁、铂、钌、铑、镍等)将氨燃料进行部分或全部热解，形成氢、氮、氨组成的混合气体燃料(以下简称混合气)。
(3)混合气体经过高压喷射阀注入发动机燃烧室，与压缩后的空气所含的氧混合后自燃。如果不能自燃，则缸内辅助点火装置高热陶瓷体将点燃混合气体。
(4)经过发动机燃烧排出的高温尾气进入氨热解装置，加热分解氨燃料。
(5)发动机排气通过氨热解器后，温度降低至200度左右，通过检测排气管内氮氧化物含量，适当注入部分混合气，在排气催化剂作用下，与氮氧化物进行选择性催化，降低、消除排气中的氮氧化物含量，实现达标排放。
本发明利用氨燃料的特性回收排气能力提高内燃机效率，并解决点火困难等问题。本发明提供的热力学架构可以适用于活塞式、转子式、涡轮式等内燃机,也适用于斯特林发动机、蒸气机等外燃机。
以上对本发明及其实施方式进行了描述，这种描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。总而言之如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种热分解高压直喷型氨燃料的发动机，其特征在于，包括氨罐、氨增压泵、氨预热及分解装置、高压喷射阀、喷嘴、发动机、尾气处理装置；
所述氨罐通过管路输出氨至氨增压泵，所述氨增压泵通过管路输出氨至氨预热及分解装置，所述氨预热及分解装置通过管路输出氨至高压喷射阀，所述高压喷射阀设置于发动机燃料注入口处并将混合燃料经喷嘴注入发动机，所述发动机通过其上设置的加热通道及管路，使其排出的热气体进入氨预热及分解装置，所述氨预热及分解装置通过管路与尾气处理装置连接，使其排出的气体进入尾气处理装置，所述尾气处理装置设置气体排出管道。
2.根据权利要求1所述的一种热分解高压直喷型氨燃料的发动机，其特征在于，还包括辅助启动装置，所述辅助启动装置设置于发动机加热通道与氨预热及分解装置连接的管路上，同时，所述氨罐通过另一管路与辅助启动装置连接并输出氨至辅助启动装置，所述发动机入口处的进气管通过管路与辅助启动装置连接。
3.根据权利要求2所述的一种热分解高压直喷型氨燃料的发动机，其特征在于，所述辅助启动装置为储气装置、补燃装置之中的一种或两种组合。
4.根据权利要求1所述的一种热分解高压直喷型氨燃料的发动机，其特征在于，所述尾气处理装置为NSC尾气处理装置或SCR尾气处理装置。
5.根据权利要求1所述的一种热分解高压直喷型氨燃料的发动机，其特征在于，所述发动机燃烧室内设置缸内辅助点火装置。
6.根据权利要求5所述的一种热分解高压直喷型氨燃料的发动机，其特征在于，所述缸内辅助点火装置为电加热陶瓷点火装置或电火花塞点火装置。
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