CN114962080A - 一种氨氢燃料内燃机的富氧进气及燃料供给系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种氨氢燃料内燃机的富氧进气及燃料供给系统，包括燃料供给系统、进气系统、排气系统及控制系统四个子系统，其中燃料供给系统由车载液氨罐、氨供气组件、氨催化分解组件以及氨氢燃料喷射组件串联构成，并最终与进气歧管连接；利用位于排气氛围中的氨催化分解反应器组件B实现氨的在线分解制氢；同时以回路的形式设置富氧回路组件D，利用中空纤维膜组件进行富氧空气(OEA)的制备从而实现富氧进气。本发明基于重型商用车及分布式发电场景，通过引入氨及富氧空气两种助燃成分，给出了一种提高氨燃料内燃机燃烧速度及燃烧稳定性的解决方案，有利于提高氨氢动力系统热效率并降低其碳排放。
Description
技术领域
本发明涉及内燃机技术领域，尤其涉及一种氨氢燃料内燃机的富氧进气及燃料供给系统。
背景技术
为迎合减碳目标，内燃机燃料的低碳化成为了必然趋势。氨分子中不含碳，其完全燃烧产物为氮气和水，是一种面向低碳及清洁目标的理想内燃机燃料。但氨燃料作为内燃机燃料应用时，存在燃烧速度慢、可燃浓度范围窄、着火条件苛刻等问题，导致在实际使用中氨燃料内燃机燃烧组织困难且污染物排放较高。
面对氨燃料实际应用中的诸多问题，在内燃机工作过程中引入各种助燃成分是一种有效的解决方案。其中，氢作为一种良好的助燃燃料能够改善氨燃料燃烧过程，提高燃烧速度及热效率，降低排放污染物并抑制循环变动。因此，在发动机排气管中的高温氛围中通过钌- 氧化铝催化剂进行在线氨分解制氢是一种引入助燃剂氢的理想方式。该方式无需单独配置储氢设备及氢管路，其系统结构简单，安全性高且成本低廉。而在进气方面，通过富氧进气的方式实现富氧燃烧能够进一步提高氨燃料的燃烧速度及燃烧完全性。在发动机上实现富氧进气的方式主要为空气分离法，主要包括深冷分离、吸附分离(TSA/PSA) 及膜分离法等。相比于工业制氧，发动机富氧进气要求装置简单、氧气纯度不高且流量较小，因此膜分离法较为适用。
由于传统的内燃机供给系统难以满足氨燃料快速稳定燃烧的需求，不利于实现氨动力系统的能量高效利用及降碳目标的实现，因此需要针对氨燃料的特性设计相应的内燃机供给系统。
发明内容
1.要解决的技术问题
本发明的目的是为了解决氨燃料难以在传统内燃机中实现宽广工况范围下进行快速稳定燃烧问题，而提出的一种氨氢燃料内燃机的富氧进气及燃料供给系统。
2.技术方案
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种氨氢燃料内燃机的富氧进气及燃料供给系统，包括燃料供给系统Ⅰ、进气系统Ⅱ、排气系统Ⅲ及控制系统Ⅳ四个子系统，其中燃料供给系统Ⅰ由车载液氨罐、氨供气组件A、氨催化分解组件B以及氨氢燃料喷射组件C串联构成，并最终与进气歧管连接；
所述氨催化分解组件B置于排气管中，利用排气温度加热氨，使其温度满足催化分解反应条件；
所述进气系统Ⅱ由空气滤清器、增压器压气机、进气中冷器、电子节气门、进气歧管及富氧回路组件D组成，进气歧管最终与缸盖进气道连接，部分进气通过富氧回路分离得到富氧空气，并利用压气机前/后进气的负/正压状态差异同时提高富氧空气流量及氧浓度，并降低进气阻力；
所述排气系统Ⅲ由排气管、废气涡轮以及EGR组件E组成；控制系统Ⅳ由ECU、各类执行器如火花塞等、各类传感器如排气氧浓度传感器、涡后排气温度传感器、进气氧浓度传感器、氨氢燃气轨压传感器等组成。
优选地，所述氨供气组件A包括减压阀、氨供气管、缠绕在管上的电加热带、汽化稳压腔以及调压阀，对液氨进行可靠地减压汽化、调节燃气压力并通过发动机冷却系统吸收汽化过程产生的冷量。
优选地，所述氨催化分解组件B由氨催化分解反应器、电加热器和氨换热器组成，位于排气管中，氨催化分解反应器中填充钌催化剂，作为氨催化分解反应容器，氨换热器中填充铜线促进氨与排气的换热，达到催化反应所需温度，当排气温度不足时，电加热器介入工作保证氨催化分解反应的顺利进行。
优选地，所述氨氢燃气喷射组件C由氨氢燃气供气管、氨氢燃气共轨管、氨氢燃气喷嘴串联组成，氨氢燃气喷嘴固接于进气歧管上。
优选地，所述富氧回路组件D与增压器压气机、进气中冷器并联连接，由富氧回路调节阀、中空纤维膜组件、富氧回路以及富氧回路止回阀组成，富氧回路组件D进口位于EGR引入位置上游，设置富氧回路止回阀于防止增压器压气机未介入工作时在回路中产生逆流。
优选地，所述EGR组件E由EGR管路、EGR阀、EGR中冷器组成， EGR引入位置位于富氧回路组件D入口下游，避免废气进入膜分离组件。
优选地，所述中空纤维膜组件采用聚砜材质中空丝制成。
优选地，所述控制系统Ⅳ包括ECU、各类执行器如火花塞、各类传感器如排气氧浓度传感器、涡后排气温度传感器、进气氧浓度传感器、氨氢燃气轨压传感器等组成。
优选地，所述控制系统Ⅳ的控制方法包括以下步骤：
步骤1：涡后排气温度传感器检测到排气温度低于氨催化分解反应要求时，ECU控制电加热器对氨催化分解反应器组件进行电辅助加热，加热功率根据排气温度进行闭环控制；
步骤2：ECU基于氨氢燃气轨压传感器对调压阀进行控制，维持所需喷射压力；
步骤3：ECU根据当前工况及排气氧浓度传感器的空燃比反馈信号计算喷射脉宽，并驱动氨氢燃气喷嘴完成喷射动作；
步骤4：ECU基于当前工况及进气氧浓度传感器的氧浓度反馈信号控制富氧回路调节阀以实现目标进气氧浓度；
步骤5：ECU基于当前工况控制EGR阀实现所需EGR率；
步骤6：当发动机冷却液温度未达到正常工作温度时，ECU启用电加热带对氨供气管进行加热；
步骤7：ECU基于当前工况计算点火时刻并控制火花塞点火。
3.有益效果
相比于现有技术，本发明的优点在于：
(1)本发明中，采用将膜分离组件置于加氧回路组件D中的形式，将进气部分分流通过加氧回路制取浓度较高的富氧空气后引回进气从而实现富氧进气的目标，提高系统热效率。
(2)本发明中，膜分离组件的操作方式属于真空+压力的混合方式，由于膜分离富氧过程中，氧浓度取决于进气端与渗透端压比，而流量取决于进气端与渗透端压差，因此本发明借助压气机前后的正负压状态同时实现了进气端与渗透端间较大的压差与压比，进而同时提高富氧空气氧浓度和富氧空气流量，此外，该系统还有利于降低泵气损失进而提高机械效率。
(3)本发明中，基于重型商用车及分布式发电场景，通过引入氨及富氧空气两种助燃成分，给出了一种提高氨燃料内燃机燃烧速度及燃烧稳定性的解决方案，有助于实现动力系统高热效率低碳排放的目标。
附图说明
图1为本发明提出的富氧氨氢燃料内燃机进气及燃料供给系统示意图(图中控制系统Ⅳ未给出，实线箭头表示物质流向，点划线箭头表示热量流向)；
图2为本发明提出的富氧氨氢燃料内燃机进气及燃料供给系统结构图。
图中：Ⅰ.燃料供给系统；Ⅱ.进气系统；Ⅲ.排气系统；A.氨供气组件；B.氨催化分解反应器组件；C.氨氢燃气喷射组件；D.加氧回路组件；E.EGR组件；1.发动机；2.排气管；3.火花塞；4.氨氢燃气供气管；5.排气氧浓度传感器；6.车载液氨罐；7.减压阀；8.电加热带；9.汽化稳压腔；10.涡后排气温度传感器；11.氨供气管；12.调压阀；13.氨催化分解反应器；14.电加热器；15.氨换热器；16.废气涡轮；17.EGR阀；18.ECU；19.EGR中冷；20.EGR管路；21.增压器压气机；22.空气滤清器；23.进气中冷；24.加氧回路止回阀；25. 加氧回路；26.中空纤维膜组件；27.加氧回路调节阀；28.电子节气门；29.进气氧浓度传感器；30.氨氢燃气喷嘴；31.氨氢燃气轨压传感器；32.氨氢燃气共轨管；33.进气岐管。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
实施例1：
参照图1-2，一种氨氢燃料内燃机的富氧进气及燃料供给系统，包括燃料供给系统Ⅰ、进气系统Ⅱ、排气系统Ⅲ及控制系统Ⅳ四部分；
本发明中，燃料供给系统Ⅰ中，液氨燃料由车载液氨罐6进行贮存，经氨供气组件A进行减压、汽化、加热、调压等操作后，进入氨催化分解反应器组件B中。
本发明中，氨供气组件A包括减压阀7、氨供气管11、缠绕在管上的电加热带8、汽化稳压腔9以及调压阀12。氨催化分解反应器组件B包括氨催化分解反应器13、电加热器14和氨换热器15。
本发明中，氨催化分解反应器13中填充钌催化剂，氨换热器15 中填充铜线以增强换热。部分氨在氨催化分解反应器13中经催化分解反应生成氢气和氮气，生成的氨氢混合燃气通过氨氢燃气喷射组件 C喷入进气歧管33。其中，氨氢燃气喷射组件C包括氨氢燃气供气管 4、氨氢燃气共轨管32以及四个氨氢燃气喷嘴30。
本发明中，进气系统中Ⅱ，进气由空气滤清器22吸入，经增压器压气机21及进气中冷23后，大部分经电子节气门28进入进气歧管33，与氨氢燃气混合后进入气缸；另一部分则进入加氧回路组件D 中进行加氧操作。
本发明中，加氧回路组件D由加氧回路调节阀27、中空纤维膜组件26、加氧回路25以及加氧回路止回阀24构成。
本发明中，加氧回路调节阀27调节回路流量以控制进气氧浓度，加氧回路止回阀24防止在涡轮增压器未介入工作时，空气经加氧回路逆流进入进气歧管。
本发明中，膜分离器作为氮氧分离过程的核心，主要包括三种形式：板框式、螺旋卷式及中空纤维式。其中，中空纤维式分离器具有气量大、填充密度高、承受压差大等特点，因此本发明中采用聚砜材质中空丝制成的中空纤维膜组件26，流型为原料气走丝外的错流流型，可靠性较好。
本发明中，排气系统Ⅲ由排气管2、废气涡轮16以及EGR组件E 组成。其中EGR组件E包括EGR管路20、EGR阀17、EGR中冷19等组成，后处理系统不在本发明范围内，但在实际应用中需加设。
本发明中，控制系统Ⅳ由ECU18；各类执行器如火花塞3等；各类传感器如排气氧浓度传感器5、涡后排气温度传感器10、进气氧浓度传感器29、氨氢燃气轨压传感器31等组成。
本发明中，燃料供给系统Ⅰ中，为保证较高的燃料能量密度从而提升车辆续航里程，氨燃料以液态的方式储存在液氨罐6中。由于氨的汽化潜热较大，汽化后的气态氨温度较低，管路易结冰且不利于后续催化分解反应的进行，因此在汽化稳压腔9中使用发动机冷却系统对氨燃料进行加热，并利用液氨汽化过程的冷量间接为发动机散热，降低冷却系统热量损失，减少散热风扇工作时间及轴功消耗。
本发明中，在起动工况下，冷却液未达到工作温度，此时为保证氨汽化完全，使用电加热带8对氨供气管11进行加热。气态氨经调压阀12对供气压力进行调节后，进入置于排气管内部的氨换热器15，与高温废气进行换热以达到催化反应所需温度。氨催化分解反应器 13同样位于排气管内部，使用钌催化剂填充，部分氨气在其中发生催化分解反应生成氮气与助燃燃料氢气。
本发明中，氨氢燃气混合成为发动机所需燃气，经氨氢燃气喷射组件C喷入进气歧管33，与进气进行预混合后在气缸中燃烧。当涡后排气温度传感器10检测到排气温度较低不满足氨催化分解反应要求时(如起动工况)，ECU18将启动电加热器14对氨催化分解反应器组件进行电辅助加热从而保证氢气的供应量进而确保发动机稳定燃烧，
本发明中，同时加热功率取决于排气温度，氨氢燃气轨压传感器 31与调压阀12在ECU18的控制下共同维持需求的喷射压力，并由 ECU18根据当前工况进行喷射脉宽的计算，由排气氧浓度传感器5提供空燃比反馈控制信号。
本发明中，在膜法富氧进气方面，考虑到进气全部通过膜分离组件的方案将导致泵气损失增大，因此本发明采用将膜分离组件置于加氧回路组件D中的形式，将进气部分分流通过加氧回路制取浓度较高的富氧空气后引回进气从而实现富氧进气的目标，并降低泵气损失，提高机械效率。
本发明中，加氧回路进口位于增压器压气机21后，气体状态为正压，而出口位于增压器压气机21前，气体状态为负压，因此本发明中膜分离组件的操作方式属于真空+压力的混合方式。由于膜分离富氧过程中，氧浓度取决于进气端与渗透端压比，而流量取决于进气端与渗透端压差，因此本发明借助压气机前后的正负压状态同时实现了进气端与渗透端间较大的压差与压比，进而同时提高富氧空气氧浓度和富氧空气流量。
本发明中，系统还有利于降低泵气损失进而提高机械效率。膜分离组件渗余端气体为富氮空气，直接排入大气。在起动工况等增压器未介入的工况下，加氧回路进口压力低于出口，为防止部分进气由加氧回路出口逆流通过膜分离组件，在出口处设置加氧回路止回阀24。 ECU18根据进气氧浓度传感器29的氧浓度反馈信号控制加氧回路调节阀27以实现目标的进气氧浓度。
本发明中，进气温度由进气中冷23控制，进气温度过高时，充气效率降低，燃烧恶化，而进气温度过低时，氨氢火焰传播速度较慢，亦不利于燃烧，因此进气温度需控制在适中的范围内。为实现污染物的缸内净化，本发明采用高压方式引入EGR，EGR阀17及EGR中冷19调节EGR流量及温度。为防止EGR流入膜分离组件，EGR引入位置位于加氧回路进口的下游。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种氨氢燃料内燃机的富氧进气及燃料供给系统，包括燃料供给系统(Ⅰ)、进气系统(Ⅱ)、排气系统(Ⅲ)及控制系统(Ⅳ)四个子系统，其特征在于，其中燃料供给系统(Ⅰ)由车载液氨罐(6)、氨供气组件A、氨催化分解组件B以及氨氢燃料喷射组件C串联构成，并最终与进气歧管(33)连接；
所述氨催化分解组件B置于排气管(2)中，利用排气温度加热氨，使其温度满足催化分解反应条件；
所述进气系统(Ⅱ)由空气滤清器(22)、增压器压气机(21)、进气中冷器(23)、电子节气门(28)、进气歧管(33)及富氧回路组件D组成，并最终接入发动机(1)中，将部分进气通过富氧回路分离得到富氧空气，并利用压气机前/后进气的负/正压状态差异同时提高富氧空气流量及氧浓度，并降低进气阻力；
所述排气系统(Ⅲ)由排气管(2)、废气涡轮(16)以及EGR组件E组成；
所述控制系统(Ⅳ)由ECU(18)、各类执行器如火花塞(3)等、各类传感器如排气氧浓度传感器(5)、涡后排气温度传感器(10)、进气氧浓度传感器(29)、氨氢燃气轨压传感器(31)等组成。
2.根据权利要求1所述一种氨氢燃料内燃机的富氧进气及燃料供给系统，其特征在于，所述氨供气组件A包括减压阀(7)、氨供气管(11)、缠绕在管上的电加热带(8)、汽化稳压腔(9)以及调压阀(12)，对液氨进行可靠地减压汽化、调节燃气压力并通过发动机冷却系统吸收汽化过程产生的冷量。
3.根据权利要求1所述一种氨氢燃料内燃机的富氧进气及燃料供给系统，其特征在于，所述氨催化分解组件B由氨催化分解反应器(13)、电加热器(14)和氨换热器(15)组成，位于排气管(2)中，氨催化分解反应器(13)中填充钌催化剂，作为氨催化分解反应容器，氨换热器(15)中填充铜线促进氨与排气的换热，达到催化反应所需温度，当排气温度不足时，电加热器(14)介入工作保证氨催化分解反应的顺利进行。
4.根据权利要求1所述一种氨氢燃料内燃机的富氧进气及燃料供给系统，其特征在于，所述氨氢燃气喷射组件C由氨氢燃气供气管(4)、氨氢燃气共轨管(32)、氨氢燃气喷嘴(30)串联组成，氨氢燃气喷嘴(30)固接于进气歧管(33)上。
5.根据权利要求1所述一种氨氢燃料内燃机的富氧进气及燃料供给系统，其特征在于，所述富氧回路组件D与增压器压气机(21)、进气中冷器(23)并联连接，由富氧回路调节阀(27)、中空纤维膜组件(26)、富氧回路(25)以及富氧回路止回阀(24)组成，富氧回路组件D进口位于EGR引入位置上游，设置富氧回路止回阀(24)于防止增压器压气机(21)未介入工作时在回路中产生逆流。
6.根据权利要求1所述一种氨氢燃料内燃机的富氧进气及燃料供给系统，其特征在于，所述EGR组件E由EGR管路(20)、EGR阀(17)、EGR中冷器(19)组成，EGR引入位置位于富氧回路组件D入口下游，避免废气进入膜分离组件。
7.根据权利要求1所述一种氨氢燃料内燃机的富氧进气及燃料供给系统，其特征在于，所述中空纤维膜组件(26)采用聚砜材质中空丝制成。
8.根据权利要求1所述一种氨氢燃料内燃机的富氧进气及燃料供给系统，其特征在于，所述控制系统(Ⅳ)包括ECU(18)、各类执行器如火花塞(3)、各类传感器如排气氧浓度传感器(5)、涡后排气温度传感器(10)、进气氧浓度传感器(29)、氨氢燃气轨压传感器(31)等组成。
9.根据权利要求8所述一种氨氢燃料内燃机的富氧进气及燃料供给系统，其特征在于，所述控制系统Ⅳ的控制方法包括以下步骤：
步骤1：涡后排气温度传感器(10)检测到排气温度低于氨催化分解反应要求时，ECU(18)控制电加热器(14)对氨催化分解反应器组件进行电辅助加热，加热功率根据排气温度进行闭环控制；
步骤2：ECU(18)基于氨氢燃气轨压传感器(31)对调压阀(12)进行控制，维持所需喷射压力；
步骤3：ECU(18)根据当前工况及排气氧浓度传感器(5)的空燃比反馈信号计算喷射脉宽，并驱动氨氢燃气喷嘴(30)完成喷射动作；
步骤4：ECU(18)基于当前工况及进气氧浓度传感器(29)的氧浓度反馈信号控制富氧回路调节阀(27)以实现目标进气氧浓度；
步骤5：ECU(18)基于当前工况控制EGR阀(17)实现所需EGR率；
步骤6：当发动机冷却液温度未达到正常工作温度时，ECU(18)启用电加热带(8)对氨供气管(11)进行加热；
步骤7：ECU(18)基于当前工况计算点火时刻并控制火花塞(3)点火。
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