CN114856802A - 一种氨发动机系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种氨发动机系统及其控制方法，氨发动机系统包括发动机主体，发动机主体设有进气入口、排气出口、燃料入口和点火装置，燃料入口设有氨喷射器，进气入口设有进气管，进气管设有加热装置。运行时可启动加热装置，对进气管内的气体进行加热，使发动机主体吸入的气体温度较高，防止液氨汽化后发动机缸内温度下降太多，避免造成发动机着火困难、点火延迟增加、燃烧速度慢的问题。

Description

一种氨发动机系统及控制方法

技术领域

本发明涉及燃烧发动机领域，特别涉及一种氨发动机系统及控制方法。

背景技术

现有的氨发动机一般采用气态氨喷射，即液态氨在专门的装置内吸热汽化，然后通过进气道喷射或者发动机缸内直喷进入发动机。气态喷射方式存在喷射策略可调参数较少和降低发动机的充气效率的问题。而缸内液态直喷，其喷射策略(喷射持续期、相位和次数)可以根据负载进行灵活调整，充气效率较高。由此，一种采用缸内液态直喷的氨发动机系统被需求着。

但是，液态氨由于具有非常大的汽化潜热，汽化潜热约为柴油的28倍，约为汽油的19倍，液态氨缸内直喷将会导致缸内工质温度在压缩冲程大幅下降，造成发动机着火困难、点火延迟增加、燃烧速度慢等问题。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种氨发动机系统及控制方法。

本发明解决其技术问题的技术方案是：

一种氨发动机系统，包括发动机主体，所述发动机主体设有进气入口、排气出口、燃料入口和点火装置，所述燃料入口设有氨喷射器，所述进气入口设有进气管，所述进气管设有加热装置。

通过上述技术方案，运行时可启动加热装置，对进气管内的气体进行加热，使发动机主体吸入的气体温度较高，防止液氨汽化后发动机缸内温度下降太多，避免造成发动机着火困难、点火延迟增加、燃烧速度慢的问题。

作为上述技术方案的进一步改进，所述排气出口设有排气管，所述加热装置包括第一废气再循环阀和第一回流管，所述第一回流管的一端与所述进气管连通、连通处称为第一连通口，所述第一回流管的另一端与所述排气管连通、连通处称为第二连通口，所述第一废气再循环阀设于所述第一回流管。

通过上述技术方案，运行时可控制第一废气再循环阀打开一定开度，发动机主体排出的高温气体有部分经第一回流管回流至进气管，利用高温排气提高发动机主体的进气温度，同时废气再循环能减少燃烧时氮氧化物的产生。

作为上述技术方案的进一步改进，所述进气通道设有节气门，所述第一连通口设于所述节气门与所述进气入口之间。

通过上述技术方案，可以调节节气门的开度实现对进气的节流作用，调整发动机主体的进气量，实现发动机的负荷调整。

作为上述技术方案的进一步改进，氨发动机系统还包括涡轮增压器，所述涡轮增压器包括涡轮部件和压气机部件，所述涡轮部件设于所述排气管，所述第二连通口设于所述排气出口和所述涡轮部件之间，所述压气机部件设于所述进气管，所述压气机部件设于所述节气门的上游侧。

通过上述技术方案，运行时高温排气从排气出口排出，部分或者全部进入涡轮部件，推动涡轮部件旋转做功，涡轮部件带动压气机部件旋转并对进气管的气体进行压缩，压缩后的气体压力和温度均上升。

作为上述技术方案的进一步改进，所述排气管设有旁通管，所述旁通管的两端均与所述排气管连通，所述旁通管的两端分别设于所述涡轮部件的上游侧、下游侧，所述旁通管设有放气阀。

通过上述技术方案，运行时控制放气阀开度可以控制涡轮部件回收的高温排气的量，同时影响压气机对压气机入口气体的压缩效果。

作为上述技术方案的进一步改进，氨发动机系统还包括第二回流管，所述第二回流管的一端与所述进气管连通、连通处设于所述压气机部件的上游侧，所述第二回流管的另一端与所述排气管连通、连通处设于所述涡轮部件的下游侧，所述第二回流管设有第二废气再循环阀。

通过上述技术方案，运行时可控制第二废气再循环阀打开一定开度，部分高温排气从第二回流管回流至进气管、并与外界新鲜空气混合以提高压气机部件入口处气体温度，经过压气机部件压缩后混合气体温度进一步提高，然后经进气入口进入发动机缸内，避免缸内直喷液态氨后缸内温度太低。

本发明的有益效果是：运行时可启动加热装置，对进气管内的气体进行加热，使发动机主体吸入的气体温度较高，防止液氨汽化后发动机缸内温度下降太多，避免造成发动机着火困难、点火延迟增加、燃烧速度慢的问题。

一种氨发动机系统的控制方法，采用上述的氨发动机系统，所述控制方法包括以下步骤：

吸气：控制所述进气入口打开、所述排气出口关闭、所述氨喷射器喷射液氨；

压缩：控制所述进气入口关闭、所述排气出口关闭、所述氨喷射器喷射液氨；

点火；控制所述点火装置进行点火；

排气：控制所述进气入口关闭、所述排气出口打开。

本发明的有益效果是：分别在发动机的吸气阶段和压缩阶段进行部分液态氨缸内直喷，降低吸气阶段缸内温度保持发动机充气效率，同时避免了进气阶段喷射的液态氨喷射量太多导致液态氨无法吸热汽化的问题。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明实施例的氨发动机系统的结构示意图；。

附图中：

100-氨喷射器；200-发动机主体；300-点火装置；400-第一废气再循环阀；500-节气门；610-压气机部件；620-涡轮部件；700-放气阀；800-第二废气再循环阀；910-进气管；920-排气管；930-第一回流管；940-第二回流管。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面描述的实施例仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，涉及到方位描述，如上、下、前、后、左、右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，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位操作，因此不能理解为对本发明的限制。若干的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。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示相对重要性或指明所指示的技术特征的数量或者指明所指示的技术特征的先后关系。

本发明的描述中，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。

下面参考图1描述本发明第一方面实施例的氨发动机系统。

氨发动机系统包括发动机主体200，发动机主体200为往复塞式内燃机，其具体结构为现有技术，在此不予赘述；发动机主体200设置有进气入口、燃料入口、排气出口和点火装置300，进气入口设置有进气管910、排气出口设置有排气管920，进气入口和排气出口均设置有开关阀门；点火装置300为现有技术的火花点火装置300、预燃室点火装置300或其它发动机点火装置300，在此对其具体结构不予赘述；燃料入口设置有氨喷射器100，氨喷射器100为液态氨的喷射器，其结构和形式与现有的柴油或者汽油发动机上的缸内直喷喷油器一致，在此对其具体结构不予赘述；

进气管910上设置有加热装置，加热装置可为缠绕在进气管910上的发热丝、电磁感应加热器或其他合适的装置，能对进气管910内的气体进行加热即可；加热装置也可为高压废气再循环装置，通过往进气管910通入高温气体以达到加热的目的，即加热装置包括第一回流管930和第一废气再循环阀400，第一回流管930的其中一端延伸至进气管910的下游侧、与进气管910连通，第一回流管930的另一端延伸至排气管920的上游侧、与排气管920连通，第一废气再循环阀400设置于第一回流管930；

氨发动机系统还包括低压废气再循环装置和涡轮增压器，低压废气再循环装置包括第二回流管940和第二废气再循环阀800，第二回流管940的其中一端延伸至进气管910的上游侧、与进气管910连通，第二回流管940的另一端延伸至排气管920的下游侧、与排气管920连通，第二废气再循环阀800设置于第二回流管940；涡轮增压器包括压气机部件610和涡轮部件620，涡轮增压器为现有技术，涡轮部件620能带动压气机部件610一起旋转，在此对其具体结构不予赘述，涡轮部件620设置于排气管920，压气机部件610设置于进气管910；

第一回流管930与进气管910的连通口称为第一连通口，第一回流管930与排气管920的连通口称为第二连通口，第二回流管940与进气管910的连通口称为第三连通口，第二回流管940与排气管920的连通口称为第四连通口，压气机部件610设置于第一连通口和第三连通口之间，涡轮部件620设置于第二连通口和第四连通口之间，进气管910上还设置有节气门500，节气门500设置于第一连通口和压气机部件610之间；涡轮增压器还包括放气阀700，放气阀700与涡轮部件620并连设置，即排气管920的旁侧设置有旁通管，旁通管的两端分别设置于涡轮部件620的上游侧、下游侧，旁通管的两端均与排气管920连通，放气阀700设置于所述旁通管上；

使用时氨发动机系统包括发动机电控系统，发动机电控系统为现有技术，发动机电控系统实时采集发动机的状态参数，之后电控系统根据内部控制逻辑输出控制参数，控制参数用于控制发动机各执行部件动作，执行部件包括氨喷射器100、节气门500、放气阀700、第一废气再循环阀400、第二废气再循环阀800阀、进气入口和排气出口的开关阀门等。

本实施例的工作原理：高温排气从排气出口排出，部分或者全部进入涡轮部件620，推动涡轮部件620旋转做功，涡轮部件620带动压气机部件610旋转并对进气管910的气体进行压缩，压缩后的气体压力和温度均上升；通过控制放气阀700开度可以控制涡轮部件620回收的高温排气的量，同时影响压气机对压气机入口气体的压缩效果；

在发动机主体200的全转速中小负荷以及高转速大负荷的工况下，排气出口的压力大于进气入口的压力，第一废气再循环阀400打开一定开度，发动机主体200排出的高温气体有部分经第一回流管930回流至进气管910，利用高温排气提高发动机主体200的进气温度，防止液氨汽化后发动机缸内温度下降太多，避免造成发动机着火困难、点火延迟增加、燃烧速度慢的问题，同时废气再循环能减少燃烧时氮氧化物的产生；

在中小转速大负荷发动机工况下，排气出口的压力小于进气入口的压力，此时可控制第一废气再循环阀400闭合、第二废气再循环阀800打开一定开度，部分高温排气从第二回流管940回流至进气管910、并与外界新鲜空气混合以提高压气机部件610入口处气体温度，经过压气机部件610压缩后混合气体温度进一步提高，然后经进气入口进入发动机缸内，避免缸内直喷液态氨后缸内温度太低；

本发明第二方面实施例的氨发动机系统的控制方法，采用如上述的氨发动机系统，控制方法包以下步骤：

吸气：控制进气入口打开、排气出口关闭、氨喷射器100喷射液氨；

压缩：控制进气入口关闭、排气出口关闭、氨喷射器100喷射液氨；

点火；控制点火装置300进行点火；

排气：控制进气入口关闭、排气出口打开。

本实施例的工作原理：在发动机主体200的吸气阶段，进气入口气体进入发动机主体200，同时由氨喷射器100将部分液态氨喷射进入发动机缸内，进入缸内的液态氨随即吸收缸内工质的热量进行汽化；整个发动机主体200的进气阶段，其进气过程、液氨喷射以及液氨汽化同时发生；在发动机主体200的压缩阶段，活塞压缩缸内工质，工质温度和压力均上升，氨喷射器100再将部分液态氨喷射进入缸内，进入缸内的液态氨随即再次吸收缸内工质的热量进行汽化，同时伴随与缸内工质进行混合形成可燃混合气；在发动机主体200的压缩上止点，在点火装置300的点火作用下可燃混合气进行燃烧，并推动活塞下行，对外输出动力；之后，发动机主体200进入排气阶段，在活塞的推动作用下高温排气从排气出口排出。分别在发动机的吸气阶段和压缩阶段进行部分液态氨缸内直喷，降低吸气阶段缸内温度保持发动机充气效率，同时避免进气阶段喷射的液态氨喷射量太多导致液态氨无法吸热汽化。

以上对本发明的较佳实施方式进行了具体说明，但本发明并不限于实施例，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 (7)

1.一种氨发动机系统，其特征在于：包括发动机主体，所述发动机主体设有进气入口、排气出口、燃料入口和点火装置，所述燃料入口设有氨喷射器，所述进气入口设有进气管，所述进气管设有加热装置。

2.根据权利要求1所述的氨发动机系统，其特征在于：所述排气出口设有排气管，所述加热装置包括第一废气再循环阀和第一回流管，所述第一回流管的一端与所述进气管连通、连通处称为第一连通口，所述第一回流管的另一端与所述排气管连通、连通处称为第二连通口，所述第一废气再循环阀设于所述第一回流管。

3.根据权利要求2所述的氨发动机系统，其特征在于：所述进气通道设有节气门，所述第一连通口设于所述节气门与所述进气入口之间。

4.根据权利要求3所述的氨发动机系统，其特征在于：氨发动机系统还包括涡轮增压器，所述涡轮增压器包括涡轮部件和压气机部件，所述涡轮部件设于所述排气管，所述第二连通口设于所述排气出口和所述涡轮部件之间，所述压气机部件设于所述进气管，所述压气机部件设于所述节气门的上游侧。

5.根据权利要求4所述的氨发动机系统，其特征在于：所述排气管设有旁通管，所述旁通管的两端均与所述排气管连通，所述旁通管的两端分别设于所述涡轮部件的上游侧、下游侧，所述旁通管设有放气阀。

6.根据权利要求5所述的氨发动机系统，其特征在于：氨发动机系统还包括第二回流管，所述第二回流管的一端与所述进气管连通、连通处设于所述压气机部件的上游侧，所述第二回流管的另一端与所述排气管连通、连通处设于所述涡轮部件的下游侧，所述第二回流管设有第二废气再循环阀。

7.一种氨发动机系统的控制方法，其特征在于：采用如权利要求1至6中任一项所述的氨发动机系统，所述控制方法包括以下步骤：

吸气：控制所述进气入口打开、所述排气出口关闭、所述氨喷射器喷射液氨；

压缩：控制所述进气入口关闭、所述排气出口关闭、所述氨喷射器喷射液氨；

点火；控制所述点火装置进行点火；

排气：控制所述进气入口关闭、所述排气出口打开。

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