CN114922748A - 适用于氨燃料内燃机点火启动的氢气发生供给系统与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于氨燃料内燃机点火启动的氢气发生供给系统，包括液氨罐、电热器A、温度传感器A、压力传感器、气化罐、预热罐、温度传感器B、氨气分解装置以及控制器，其中，液氨罐连接于气化罐，电热器A设置在所述气化罐内，温度传感器A和压力传感器均设置在所述气化罐内；气化罐连接于预热罐，温度传感器B设置在所述预热罐内，预热罐连接于氨气分解装置；本发明的氢气发生供给系统和方法不仅为氨燃料内燃发动机提供了使用氢气作为助燃剂的点火解决方案，同时也提供了基于“高温+催化”法使用氨气制取氢气，以及基于氨燃料内燃机负荷实现氢气发生量精准控制。
Description
技术领域
本发明涉及适用于氨燃料内燃机点火启动的氢气发生领域。更具体地说，本发明涉及一种适用于氨燃料内燃机点火启动的氢气发生供给系统与控制方法。
背景技术
以零碳排放为目标的汽车动力系统技术路线有锂基电能纯电动系统、氢燃料电池电驱动系统、氢燃料内燃发动机系统和氨燃料内燃发动机系统四种形式。近年来，随着氨气点火和燃烧控制技术的突破，氨燃料内燃发动机技术逐步被行业所认知和关注，并已有市场化应用。
由于氨气燃点高达651℃，相较汽油和柴油点火困难，因此如果采用电火花的方式实现点火，则因需要火花塞的功率太大而不具工程实现性。行业现在采取的解决方案是使用柴油或汽油来辅助点火，虽然以柴油或汽油作为助燃剂的使用量不大，但还是会导致尾气有一定量的碳排出，所以并未真正意义上实现零碳排放。
本发明基于氨燃料内燃发动机系统现有条件，利用氨燃料发生氢气来作为氨气点火的助燃剂，有效解决了使用柴油或汽油作为助燃剂存在碳排放的问题。
同时，本发明通过匹配单次点火氨气消耗量所需点火能量即对应所需氢气供给量，实现动态闭环地控制氢气发生量，避免了不必要的能源消耗。
发明内容
为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种适用于氨燃料内燃机点火启动的氢气发生供给系统，包括液氨罐、电热器A、温度传感器A、压力传感器、气化罐、预热罐、温度传感器B、氨气分解装置以及控制器，其中，
所述液氨罐连接于所述气化罐，所述电热器A设置在所述气化罐内，所述温度传感器A和所述压力传感器均设置在所述气化罐内，以监测其内的温度和压力；所述气化罐连接于预热罐，所述温度传感器B设置在所述预热罐内，以监测其内的温度，所述预热罐连接于氨气分解装置；
所述温度传感器A、压力传感器、温度传感器B均连接于所述控制器。
根据本发明的一优选实施方案，在所述液氨罐与所述气化罐之间的连接管路上还设置有开关阀和供氨泵，所述开关阀和供氨泵均连接于所述控制器。
根据本发明的一优选实施方案，在所述气化罐下方设置热交换器A，所述热交换器A上安装有开关阀A，所述开关阀A连接有所述控制器。
根据本发明的一优选实施方案，所述气化罐和所述预热罐的连接管路上设置有流量阀B。
根据本发明的一优选实施方案，所述预热罐下方设置热交换器B，所述热交换器B上安装有开关阀B，所述开关阀B连接有所述控制器。
根据本发明的一优选实施方案，所述氨气分解装置内设置有隔热层和网状电热管。
根据本发明的一优选实施方案，所述隔热层为硅酸铝材料制成的纤维状膨化结构，所述网状电热管为铬镍合金制成的蜂窝网状结构。
本发明的另一优选实施方案提供一种适用于氨燃料内燃机点火启动的氢气发生供给方法，包括以下步骤：
步骤一、系统接收到上电信号后，控制打开开关阀，控制电压以PWM调制形式向网状电热管供电，其供电功率要与供氨量正相关，目标是控制网状电热管温度升至850℃；
步骤二、判断发动机是否已热机，如未热机，控制打开电热器A，如果已热机，不需要打开电热器A；
步骤三、判断发动机是否已热机，如果已热机，打开开关阀并根据需要控制阀门开关以控制排放废热供应量，进而达到控制热交换器传递给气化罐热量的速度以实现其内压力和温度可控；
步骤四、判断发动机是否已热机，如果已热机，打开开关阀并根据温度传感器B的反馈值来按需控制阀门开关以控制排放废热供应量，进而达到控制热交换器传递给预热罐热量的速度以实现其内温度可控，目标是在发动机热机情况下，预热罐内温度升至300℃以上；
步骤五、检测温度传感器所测温度是否达到预设值，如果未达到预设值，继续等待，如果已达预设值，控制供氨泵启动工作；
步骤六、检测压力传感器所测压力是否达到预设值，如果未达到预设值，继续等待，如果已达预设值，打开流量阀并根据需要控制阀门开度以控制氨气供应量；
步骤七、当在氨气分解装置作用下以后氢气产生并具备点火条件时，控制器通知仪表发动机可以点火的信息；
步骤八、发动机启动后，供氨泵、开关阀、流量阀、开关阀和网状电热管等进入常态化工作，目标是根据发动机负荷及温度传感器A、温度传感器B和压力传感器8的信息实现闭环控制、即持续进行相应用量氨气的分解，以相应适量供应氢气给发动机点火助燃。
本发明至少包括以下有益效果：本发明的氢气发生供给系统和方法不仅为氨燃料内燃发动机提供了使用氢气作为助燃剂的点火解决方案，同时也提供了基于“高温+催化”法使用氨气制取氢气，以及基于氨燃料内燃机负荷实现氢气发生量精准控制。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1为本发明中适用于氨燃料内燃机点火启动的氢气发生供给系统的结构示意图。
图2为本发明中适用于氨燃料内燃机点火启动的氢气发生供给方法的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变形。在以下描述中界定的本发明的基本原理可以应用于其他实施方案、变形方案、改进方案、等同方案以及没有背离本发明的精神和范围的其他技术方案。
本领域技术人员应理解的是，在本发明的揭露中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，其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，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。
可以理解的是，术语“一”应理解为“至少一”或“一个或多个”，即在一个实施例中，一个元件的数量可以为一个，而在另外的实施例中，该元件的数量可以为多个，术语“一”不能理解为对数量的限制。
如图1所示，本发明的一优选实施方案提供一种适用于氨燃料内燃机点火启动的氢气发生供给系统，包括液氨罐1、电热器A6、温度传感器A7、压力传感器8、气化罐9、预热罐11、温度传感器B14、氨气分解装置15以及控制器18，其中，
所述液氨罐1连接于所述气化罐9，所述电热器A6设置在所述气化罐9内，所述温度传感器A7和所述压力传感器8均设置在所述气化罐9内，以监测其内的温度和压力；所述气化罐9连接于预热罐11，所述温度传感器B14设置在所述预热罐11内，以监测其内的温度，所述预热罐11连接于氨气分解装置15；所述温度传感器A7、压力传感器8、温度传感器B14均连接于所述控制器18。
所述液氨罐1内的液氨被输入气化罐9内气化，气化后的氨气则经过预热罐11预热，达到一定温度之后，再进入氨气分解装置15，氨气被分解得到氢气。其中，所述气化罐9内设置有所述电热器A6，以对输入所述气化罐9内的液氨进行加热气化。
本发明的一些实施方案进一步提供以下技术方案，在所述液氨罐1与所述气化罐9之间的连接管路上还设置有开关阀2和供氨泵3，所述开关阀2和供氨泵3均连接于所述控制器18，设置供氨泵3，以将所述液氨罐1的液氨提供动力，将其中的液氨泵入所述气化罐9内，所述开关阀2则可以实现液氨输送管路的启闭，当需要开启/关闭的时候，所述控制器18控制所述开关阀2开启/关闭。
本发明的一些实施方案进一步提供以下技术方案，在所述气化罐9下方设置热交换器A5，所述热交换器A5上安装有开关阀A4，所述开关阀A4连接有所述控制器18，设置热交换器A5实现“在发动机热机后，气化罐9所需热量可以由发动机冷却液流过热交换器A5来提供，不再需要电热器A6工作，进而达到节能”的功能。
本发明的一些实施方案进一步提供以下技术方案，所述气化罐9和所述预热罐11的连接管路上设置有流量阀B10，这样可以实时监控经气化罐9气化的氨气进入预热罐11的量。
本发明的一些实施方案进一步提供以下技术方案，所述预热罐11下方设置热交换器B12，所述热交换器B12上安装有开关阀B13，所述开关阀B13连接有所述控制器18，此处设置热交换器B12实现“在发动机热机后，预热罐11通过热交换器B12使用来自发动机排放废热实现对氨气提前再升温，进而降低网状电热管17的电耗功率，达到节能”的功能。
本发明的一些实施方案进一步提供以下技术方案，所述氨气分解装置15内设置有隔热层16和网状电热管17。
其中，所述隔热层16为耐高温且隔热性优良的硅酸铝材料制成的纤维状膨化结构，所述网状电热管17为铬镍合金制成的蜂窝网状结构，可以实现氨气湍流、进而扩大氨气分子与网状电热管17表面的接触机会和接触均匀度，实现氨气被充分催化裂解。
所述网状电热管17采用PWM电压调制供电，控制供电功率与供氨量正相关，实质即发动机负荷越大、单次点火氨气消耗量越高、所需助燃剂氢气用量越高、则供电功率越大、PWM调制率也就越大。
下面参照上述实施方案详细描述适用于氨燃料内燃机点火启动的氢气发生供给方法，包括以下步骤：
步骤一、系统接收到上电信号后，控制打开开关阀2，控制电压以PWM调制形式向网状电热管17供电，其供电功率要与供氨量正相关，目标是控制网状电热管17温度升至850℃；
步骤二、判断发动机是否已热机，如未热机，控制打开电热器A6，如果已热机，不需要打开电热器A6；
步骤三、判断发动机是否已热机，如果已热机，打开开关阀A4并根据需要控制阀门开关以控制排放废热供应量，进而达到控制热交换器5传递给气化罐9热量的速度以实现其内压力和温度可控；
步骤四、判断发动机是否已热机，如果已热机，打开开关阀B13并根据温度传感器B14的反馈值来按需控制阀门开关以控制排放废热供应量，进而达到控制热交换器12传递给预热罐11热量的速度以实现其内温度可控，目标是在发动机热机情况下，预热罐11内温度升至300℃以上；
步骤五、检测温度传感器7所测温度是否达到预设值，如果未达到预设值，继续等待，如果已达预设值，控制供氨泵启动工作；
步骤六、检测压力传感器8所测压力是否达到预设值，如果未达到预设值，继续等待，如果已达预设值，打开流量阀10并根据需要控制阀门开度以控制氨气供应量；
步骤七、当在氨气分解装置15作用下以后氢气产生并具备点火条件时，控制器18通知仪表19发动机可以点火的信息；
步骤八、发动机启动后，供氨泵3、开关阀A4、流量阀10、开关阀B13和网状电热管17等进入常态化工作，目标是根据发动机负荷及温度传感器A7、温度传感器B14和压力传感器8的信息实现闭环控制、即持续进行相应用量氨气的分解，以相应适量供应氢气给发动机点火助燃。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。
Claims (9)
1.一种适用于氨燃料内燃机点火启动的氢气发生供给系统，其特征在于，包括液氨罐、电热器A、温度传感器A、压力传感器、气化罐、预热罐、温度传感器B、氨气分解装置以及控制器，其中，
所述液氨罐连接于所述气化罐，所述电热器A设置在所述气化罐内，所述温度传感器A和所述压力传感器均设置在所述气化罐内，以监测其内的温度和压力；所述气化罐连接于预热罐，所述温度传感器B设置在所述预热罐内，以监测其内的温度，所述预热罐连接于氨气分解装置；
所述温度传感器A、压力传感器、温度传感器B均连接于所述控制器。
2.根据权利要求1所述的适用于氨燃料内燃机点火启动的氢气发生供给系统，其特征在于，在所述液氨罐与所述气化罐之间的连接管路上还设置有开关阀和供氨泵，所述开关阀和供氨泵均连接于所述控制器。
3.根据权利要求1所述的适用于氨燃料内燃机点火启动的氢气发生供给系统，其特征在于，在所述气化罐下方设置热交换器A，所述热交换器A上安装有开关阀A，所述开关阀A连接有所述控制器。
4.根据权利要求1所述的适用于氨燃料内燃机点火启动的氢气发生供给系统，其特征在于，所述气化罐和所述预热罐的连接管路上设置有流量阀B。
5.根据权利要求1所述的适用于氨燃料内燃机点火启动的氢气发生供给系统，其特征在于，所述预热罐下方设置热交换器B，所述热交换器B上安装有开关阀B，所述开关阀B连接有所述控制器。
6.根据权利要求1所述的适用于氨燃料内燃机点火启动的氢气发生供给系统，其特征在于，所述氨气分解装置内设置有隔热层和网状电热管。
7.根据权利要求6所述的适用于氨燃料内燃机点火启动的氢气发生供给系统，其特征在于，所述隔热层为硅酸铝材料制成的纤维状膨化结构，所述网状电热管为铬镍合金制成的蜂窝网状结构。
8.根据权利要求6所述的适用于氨燃料内燃机点火启动的氢气发生供给系统，其特征在于，所述气化罐9和所述预热罐11使用发动机排气废热以进行持续性供热。
9.一种采用权利要求1-8任一所述的适用于氨燃料内燃机点火启动的氢气发生供给系统的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、接收到上电信号后，控制器控制打开开关阀，向网状电热管供电，其供电功率要与供氨量正相关，目标是控制网状电热管温度升至850℃；
步骤二、判断发动机是否已热机，如未热机，控制打开电热器A，如果已热机，不需要打开电热器A；
步骤三、判断发动机是否已热机，如果已热机，打开开关阀并根据需要控制阀门开关以控制排放废热供应量，进而达到控制热交换器传递给气化罐热量的速度以实现其内压力和温度可控；
步骤四、判断发动机是否已热机，如果已热机，打开开关阀并根据温度传感器B的反馈值来按需控制阀门开关以控制排放废热供应量，进而达到控制热交换器传递给预热罐热量的速度以实现其内温度可控；
步骤五、检测温度传感器所测温度是否达到预设值，如果未达到预设值，继续等待，如果已达预设值，控制供氨泵启动工作；
步骤六、检测压力传感器所测压力是否达到预设值，如果未达到预设值，继续等待，如果已达预设值，打开流量阀并根据需要控制阀门开度以控制氨气供应量；
步骤七、当在氨气分解装置作用下以后氢气产生并具备点火条件时，控制器通知发动机可以点火的信息；
步骤八、发动机启动后，供氨泵、开关阀、流量阀、开关阀和网状电热管进入工作。
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