CN115111089A - 一种预燃室式氨燃料发动机系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种预燃室式氨燃料发动机系统，属于发动机技术领域。解决了将氨燃料应用于发动机系统所存在的困难，也就是氨与其它传统燃料相比所存在的燃点及汽化潜热较高、燃烧速度慢等问题。它包括氨燃料供应系统、氨燃料分解制氢系统和带预燃室的发动机系统，其中，氨燃料供应系统包括依次连接的液氨罐、一号球阀、高压泵和液氨共轨管，氨燃料分解制氢系统包括依次连接的液氨罐、二号球阀、换热器、氨催化分解制氢装置和氢气分离提纯装置，氢气分离提纯装置依次与氢燃料电池、蓄电池和换热器连接。本发明采用的燃烧模式在一定程度上可以实现单一氨燃料在发动机上的应用，相比柴油引燃氨等燃烧模式，实现了更大程度上的减碳效果。
Description
技术领域
本发明属于发动机技术领域，特别是涉及一种预燃室式氨燃料发动机系统。
背景技术
内燃机在当今社会是工农业生产和交通运输中应用最为广泛的动力机械，是最常见的燃烧装置之一。随着能源短缺危机和环境问题的日益加重，不断迫使人们通过对内燃机理论和技术的不断补充发展和完善，从而使内燃机有效热效率和燃油利用率不断上升。然而面对目前日益增长的环保监管压力以及碳达峰、碳中和的强烈愿景，要想解决问题，不仅需要从技术和营运方面提高内燃机能效，还需进一步调整内燃机燃料的结构。因此，使用低碳或碳中和燃料，是实现低碳减排的“新选择”。
氢在内燃机减排方面有着巨大的潜力，但其储存、运输等基础设施方面的问题限制了其在发动机上的大量推广。而氨被视为是一种氢载体，且其含氢量高，氨所含氢气的质量比接近18％，体积比加压氢或液化氢本身所含氢气更多。同时由于其不含碳，完全燃烧只产生清洁无污染的水和氮气，最近作为碳氢化合物燃料的潜在替代品受到越来越多的关注。并且氨长期以来被广泛应用于化工和农业等诸多领域，且用量大、用途广，在生产、储运、供给等各方面积累了丰富的经验并已形成体系，各种安全措施已经较为完善，因而氨燃料具有良好的推广应用基础。
然而将氨燃料应用于发动机系统还存在一定困难，因为与其它传统燃料相比，氨存在燃点及汽化潜热较高、燃烧速度慢等问题。目前，针对氨燃料所存在的问题，找到一条合理的解决方案以实现氨燃料在发动机上高效稳定燃烧是急需要解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种预燃室式氨燃料发动机系统，以解决将氨燃料应用于发动机系统所存在的困难，也就是氨与其它传统燃料相比所存在的燃点及汽化潜热较高、燃烧速度慢等问题，从而增加了氨燃料在发动机上的合理应用途径。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种预燃室式氨燃料发动机系统，包括氨燃料供应系统、氨燃料分解制氢系统和带预燃室的发动机系统，其中，氨燃料供应系统包括依次连接的液氨罐、一号球阀、高压泵和液氨共轨管，所述氨燃料分解制氢系统包括依次连接的液氨罐、二号球阀、换热器、氨催化分解制氢装置和氢气分离提纯装置，所述氢气分离提纯装置依次与氢燃料电池、蓄电池和换热器连接；
所述带预燃室的发动机系统包括ECU控制单元、点火线圈、火花塞、进气道、排气道、液氨喷射器、氢气喷射器、预燃室和主燃烧室，所述主燃烧室上设置有预燃室、液氨喷射器、进气道和排气道，所述预燃室上设置有火花塞和氢气喷射器，所述液氨喷射器与液氨共轨管连接，所述氢气喷射器与氢气分离提纯装置连接，
所述ECU控制单元、点火线圈和火花塞连接，ECU控制单元控制火花塞的点火，所述ECU控制单元分别与液氨喷射器和氢气喷射器连接，所述ECU控制单元还分别与高压泵和液氨共轨管连接。
更进一步的，所述ECU控制单元用于合理控制氨燃料的喷射正时以及点火正时，实现发动机的稳定运行。
更进一步的，通过调控高压泵以及液氨共轨管来实现液氨喷射压力的调节，从而得到最佳的发动机性能。
更进一步的，所述排气道贯穿换热器，所述换热器与从排气道排出的高温废气进行换热。
更进一步的，所述预燃室内的燃料被火花塞点燃形成一次混合燃烧，随着预燃室内混合燃料的燃烧，预燃室内压力和温度都快速增加，使燃烧产生的火焰通过预燃室喷孔形成火焰射流冲入主燃烧室内，形成二次涡流运动，喷射出来的火焰射流点燃主燃烧室内的燃料混合气，形成二次混合燃烧。
更进一步的，整个系统开始运行时，一号球阀和二号球阀首先打开，氨燃料自液氨存储罐流出后分为两条不同的供应路径，其中一条燃料供应路径是将氨作为发动机的主燃料，自液氨存储罐流出后到达高压泵，通过高压泵对氨燃料进行加压，然后进入液氨共轨管，同时利用ECU控制单元控制高压泵及液氨共轨管，从而得到需要的液氨喷射压力；最后，加压后的液氨通过液氨喷射器直接喷入主燃烧室内。
更进一步的，另一条燃料供应路径是将氨通入氨燃料催化分解制氢系统来制取氢气，氨燃料自液氨存储罐流出后到达换热器，与从排气道排出的高温废气进行换热，使氨温度升高达到催化分解所需的温度，接着温度升高后的氨气进入催化分解装置。
更进一步的，所述氨催化分解制氢装置中含有镍基催化剂。
更进一步的，氨气在氨催化分解制氢装置的催化床中进行热分解，得到氢气体积占75％和氮气体积占25％。
与现有技术相比，本发明所述的一种预燃室式氨燃料发动机系统的有益效果是：
(1)、本发明将发动机排气热量合理回收利用，以此来提高氨燃料温度从而制取氢气，实现了氢气的即产即用，解决了氢气在发动机上应用的储存问题。
(2)、本发明加入燃烧室结构具有加快燃料燃烧速度的作用，有利于解决氨燃料燃烧速度慢的问题，实现氨燃料在发动机缸内的稳定燃烧。
(3)、本发明将氢气喷入预燃室点燃，能够实现利用少量的氢引燃氨燃料，解决了氨催化分解制氢装置的制氢压力，防止产生氢气需求量大而分解装置制氢能力不足的问题。
(4)、相比氨气进气道喷射，将氨燃料以液态直接喷入缸内，避免了发动机充气效率的损失，并且能够防止进排气重叠角造成的氨逃逸问题。
(5)、本发明采用的燃烧模式在一定程度上可以实现单一氨燃料在发动机上的应用，相比柴油引燃氨等燃烧模式，实现了更大程度上的减碳效果。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明所述的预燃室式氨燃料发动机系统的整体结构装置图；
图2是图1所示预燃室式氨燃料发动机系统的预燃室及相关喷射器的具体布置示意图；
图3是本发明中氨催化裂解系统具体装置图；
图4是本发明的氢气燃料利用流程图；
图5是本发明中氢气喷射器的具体结构图；
图6是本发明中EGR阀和中冷器的连接示意图；
图中：1-ECU控制单元，2-点火线圈，3-氢气分离提纯装置，4-氨催化分解制氢装置，5-换热器，6-液氨共轨管，7-一号球阀，8-高压泵，9-液氨存储罐，10-发动机活塞，11-进气道，12-排气道，13-液氨喷射器，14-氢气喷射器，15-火花塞，16-预燃室，17-主燃烧室，18-氢燃料电池，19-蓄电池，20-EGR阀，21-中冷器，22-液氨进口，23-液氨出口，24-开关电磁阀，25-推杆，26-密封堵头，27-回位弹簧，28-氢气射流，29-氢气通道，30-氢气进口。
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、完整地阐述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合，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。
一、具体实施方式一，参见图1-6说明本实施方式，一种预燃室式氨燃料发动机系统，包括氨燃料供应系统、氨燃料分解制氢系统和带预燃室的发动机系统，其中，氨燃料供应系统包括依次连接的液氨存储罐9、一号球阀7、高压泵8和液氨共轨管6，通过调控高压泵8以及液氨共轨管6来实现液氨喷射压力的调节，从而得到最佳的发动机性能；
所述氨燃料分解制氢系统包括依次连接的液氨罐9、二号球阀、换热器5、氨催化分解制氢装置4和氢气分离提纯装置3，所述氢气分离提纯装置3依次与氢燃料电池18、蓄电池19和换热器5连接。
图3所示即为本发明的氨燃料分解制氢系统，其中换热器5自身带有电加热装置，其加热所需要的电能可以通过整个氨催化裂解系统中获得，而不需要增加额外的能量来源。当系统中的氢气流量检测装置检测到裂解产生的氢气量大于发动机正常燃烧所需的氢气量，甚至在高负荷时采用纯氨燃料运行时，此时便可以将多出的氢气引入到氢燃料电池18中，以此产生的电能可以储存在蓄电池19中。进而当发动机冷启动时或者发动机排气温度较低时，蓄电池19放电，为换热器5上的电加热装置提供电能，从而保证氨燃料温度达到氨催化裂解装置所需的温度。因此，总的来说氢气也有两条利用途径，从而避免了多余氢气的储存问题。在发动机正常运行后便可以关闭电加热装置，利用发动机排气道11排出的高温废气与氨燃料进行换热即可。
所述带预燃室的发动机系统包括ECU控制单元1、点火线圈2、火花塞15、发动机活塞10、进气道11、排气道12、液氨喷射器13、氢气喷射器14、预燃室16、主燃烧室17、EGR阀20、中冷器21和开关电磁阀24；所述带预燃室的发动机系统包括ECU控制单元1、点火线圈2、火花塞15、进气道11、排气道12、液氨喷射器13、氢气喷射器14、预燃室16和主燃烧室17，所述主燃烧室17上设置有预燃室16、液氨喷射器13、进气道11和排气道12，所述预燃室16上设置有火花塞15和氢气喷射器14，所述液氨喷射器13与液氨共轨管6连接，所述氢气喷射器14与氢气分离提纯装置3连接。
所述ECU控制单元1、点火线圈2和火花塞15连接，ECU控制单元1控制火花塞15的点火，所述ECU控制单元1分别与液氨喷射器13和氢气喷射器14连接，所述ECU控制单元1还分别与高压泵8和液氨共轨管6连接。ECU控制单元1用于合理控制氨燃料的喷射正时以及点火正时，实现发动机的稳定运行。
从图1中可以看到，本发明中的氨燃料发动机系统还带有EGR装置，包括EGR阀20和中冷器21。EGR阀20一端与排气管道12连接，另一端与中冷器21相连，而中冷器21连接进气管道11，如图6所示。一部分废气按顺序从排气管道12流经EGR阀20和中冷器21，最终到达进气管道11。
由于本发明中氨燃料喷射器13是将氨燃料以液态的形式喷入缸内，因此为了克服液态氨燃料汽化对发动机缸内燃烧的影响，通过EGR装置将一部分废气引入进气道11，与空气混合后提高了进气温度，加快了液态氨的汽化，有利于氨燃料与空气的充分混合。同时，发动机废气中含有未燃氨排放，通过EGR将废气重新引入缸内也有助于减少废气中的氨排放。当需要将废气重新引入缸内时，ECU控制单元1发送信号，打开EGR阀20，部分高温废气通过EGR阀20到达中冷器21被冷却到一定温度，进而到达进气道与空气混合后流入发动机缸内。其中，可以通过改变EGR阀20的开度来改变废气的再循环量。
此外，氢气喷射器14的具体结构包括液氨进口22、液氨出口23、推杆25、密封堵头26、回位弹簧27、氢气通道29和氢气进口30，所述氢气喷射器14的本体的上方一端设置有液氨进口22，另一端设置有液氨出口23，所述氢气喷射器14的本体的中部设置有氢气进口30，所述推杆25下方依次连接密封堵头26和回位弹簧27。
本发明中的氢气喷射器14能够实现较小的体积占比，从而使氢气喷射器14、火花塞15、预燃室16组成的预燃室总成能够达到较小的体积。这有利于该预燃室总成在较小缸盖或者缸盖上空余位置小的情况下仍能正常安装，从而避免了对缸盖的重新设计。氢气喷射器14在运行时，氢气从氢气入口30通入氢气喷射器14内，同时加压后的液氨从液氨进口22进入喷射器中推杆25的上部空间，液氨出口23与开关电磁阀24相连，此时ECU控制单元1关闭开关电磁阀24。推杆25受压向下运动，并推动密封堵头26和复位弹簧27一起向下运动，使氢气进口30和氢气通道29连通，进而氢气射流28喷入预燃室16。当停止喷射时，ECU控制单元1使开关电磁阀24打开，液氨从液氨出口23流出。此时由于液氨出口23截面面积大于液氨进口22，推杆25上部空间压力降低，进而在复位弹簧27的作用下使推杆25和密封堵头26向上运动，最终密封堵头26复位，将氢气进口30和氢气通道29断开，喷射停止。对于氢气喷射器14可以通过ECU控制单元1控制改变开关电磁阀24的开启和关闭时刻来改变氢气的喷射时刻及喷气量。其中，液氨从液氨出口23流出后回到液氨高压泵8重新加压，然后再到达液氨进口22实现循环利用。
本发明为了实现氨燃料在发动机上的稳定运行，根据氨燃料在发动机上应用所存在的问题，提出一种预燃室式氨燃料发动机系统，具体工作原理如下：
(1)由于氨燃料的低火焰速度和高抗自燃性，为实现氨燃料在发动机上的稳定燃烧，需要加入引燃燃料。而氢具有较低的点火能量、较高的燃烧速度和较宽可燃性范围的特点，这些特点刚好能够弥补氨燃料的缺点，形成互补效果。因此，本发明选择使用氢气来引燃氨燃料。
(2)此外，本发明还采用预燃室结构。预燃室16内的燃料被火花塞15点燃形成一次混合燃烧，随着预燃室16内混合燃料的燃烧，预燃室16内压力和温度都快速增加，使燃烧产生的火焰通过预燃室16喷孔形成火焰射流冲入主燃烧室17内，形成二次涡流运动，喷射出来的火焰射流点燃主燃烧室内的燃料混合气，形成二次混合燃烧。该种燃烧模式，借助火焰射流的高能量提高点火稳定性并增强缸内湍流运动来加快燃烧，能够弥补氨燃料燃烧速度慢的缺点。
(3)液氨储存罐9一般为室温下采用高压的方式储存液氨，用来满足整个发动机系统对氨燃料的需求。当整个系统开始运行时，一号球阀7和二号球阀首先打开，氨燃料自液氨存储罐1流出后分为两条不同的供应路径，其中一条燃料供应路径是将氨作为发动机的主燃料，自液氨存储罐1流出后到达高压泵8，通过高压泵8对氨燃料进行加压，然后进入液氨共轨管6，同时利用ECU控制单元1控制高压泵8及液氨共轨管6，从而得到需要的液氨喷射压力。最后，加压后的液氨通过液氨喷射器13直接喷入主燃烧室17内。
另一条燃料供应路径是将氨燃料视为富氢载体，即将氨通入氨燃料催化分解制氢系统来制取氢气。氨燃料自液氨存储罐1流出后到达换热器5，与从发动机排气道12排出的高温废气进行换热，使氨温度升高达到催化分解所需的温度，接着温度升高后的氨气进入催化分解装置4。氨催化分解制氢装置4中含有镍基催化剂，氨气在催化床中进行热分解,得到氢气体积占75％和氮气体积占25％，具体反应方程式如下：
2NH3→N2+3H2
此时，管道内的燃料变为氨气、氢气、氮气的混合物，但是为了保证预燃室内高效稳定的燃烧，需要将氢气从混合物中分离出来，因此在催化分解装置4和氢气喷射器14之间加入氢气分离提纯装置3，而后分离出的氢气通过氢气喷射器14喷入预燃室16。
同时ECU控制单元1发出信号，然后利用点火线圈2将电源的低压电转变为高压电，使火花塞15两电极之间产生电火花，以此来点燃预燃室16中的氢气。氢气燃烧后产生射流火焰进入主燃烧室17，从而引燃由液氨喷射器13直接喷入主燃烧室17中的氨燃料，燃料燃烧膨胀做功使发动机不断产生动力。
然而，其中需要注意发动机的冷启动问题，因为在发动机未启动时没有高温废气来给氨分解制氢提供所需的热量，这就需要加入电加热装置来使氨燃料达到催化分解所需的温度。在发动机正常运行后便可以关闭电加热装置，利用排气道12排出的高温废气与氨燃料进行换热即可。
本发明提出的预燃室式氨燃料发动机提供了一种新型氨燃料应用模式，增加了氨燃料在发动机上的应用途径。
以上公开的本发明实施例只是用于帮助阐述本发明。实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。
Claims (10)
1.一种预燃室式氨燃料发动机系统，其特征在于：包括氨燃料供应系统、氨燃料分解制氢系统和带预燃室的发动机系统，其中，氨燃料供应系统包括依次连接的液氨存储罐(9)、一号球阀(7)、高压泵(8)和液氨共轨管(6)，所述氨燃料分解制氢系统包括依次连接的液氨存储罐(9)、二号球阀、换热器(5)、氨催化分解制氢装置(4)和氢气分离提纯装置(3)，所述氢气分离提纯装置(3)依次与氢燃料电池(18)、蓄电池(19)和换热器(5)连接，
所述带预燃室的发动机系统包括ECU控制单元(1)、点火线圈(2)、火花塞(15)、进气道(11)、排气道(12)、液氨喷射器(13)、氢气喷射器(14)、预燃室(16)和主燃烧室(17)，所述主燃烧室(17)上设置有预燃室(16)、液氨喷射器(13)、进气道(11)和排气道(12)，所述预燃室(16)上设置有火花塞(15)和氢气喷射器(14)，所述液氨喷射器(13)与液氨共轨管(6)连接，所述氢气喷射器(14)与氢气分离提纯装置(3)连接，
所述ECU控制单元(1)、点火线圈(2)和火花塞(15)连接，ECU控制单元(1)控制火花塞(15)的点火，所述ECU控制单元(1)分别与液氨喷射器(13)和氢气喷射器(14)连接，所述ECU控制单元(1)还分别与高压泵(8)和液氨共轨管(6)连接。
2.根据权利要求1所述的预燃室式氨燃料发动机系统，其特征在于：所述ECU控制单元(1)用于合理控制氨燃料的喷射正时以及点火正时，实现发动机的稳定运行。
3.根据权利要求1所述的预燃室式氨燃料发动机系统，其特征在于：通过调控高压泵(8)以及液氨共轨管(6)来实现液氨喷射压力的调节，从而得到最佳的发动机性能。
4.根据权利要求1所述的预燃室式氨燃料发动机系统，其特征在于：所述排气道(12)贯穿换热器(5)，所述换热器(5)与从排气道(12)排出的高温废气进行换热。
5.根据权利要求1所述的预燃室式氨燃料发动机系统，其特征在于：所述预燃室(16)内的燃料被火花塞(15)点燃形成一次混合燃烧，随着预燃室(16)内混合燃料的燃烧，预燃室(16)内压力和温度都快速增加，使燃烧产生的火焰通过预燃室(16)喷孔形成火焰射流冲入主燃烧室(17)内，形成二次涡流运动，喷射出来的火焰射流点燃主燃烧室内的燃料混合气，形成二次混合燃烧。
6.根据权利要求1所述的预燃室式氨燃料发动机系统，其特征在于：整个系统开始运行时，一号球阀(7)和二号球阀首先打开，氨燃料自液氨存储罐(9)流出后分为两条不同的供应路径，其中一条燃料供应路径是将氨作为发动机的主燃料，自液氨存储罐(9)流出后到达高压泵(8)，通过高压泵(8)对氨燃料进行加压，然后进入液氨共轨管(6)，同时利用ECU控制单元(1)控制高压泵(8)及液氨共轨管(6)，从而得到需要的液氨喷射压力；最后，加压后的液氨通过液氨喷射器(13)直接喷入主燃烧室(17)内。
7.根据权利要求6所述的预燃室式氨燃料发动机系统，其特征在于：另一条燃料供应路径是将氨通入氨燃料催化分解制氢系统来制取氢气，氨燃料自液氨存储罐(9)流出后到达换热器(5)，与从排气道(12)排出的高温废气进行换热，使氨温度升高达到催化分解所需的温度，接着温度升高后的氨气进入氨催化分解制氢装置(4)。
8.根据权利要求1所述的预燃室式氨燃料发动机系统，其特征在于：所述氨催化分解制氢装置(4)中含有镍基催化剂。
9.根据权利要求8所述的预燃室式氨燃料发动机系统，其特征在于：氨气在氨催化分解制氢装置(4)的催化床中进行热分解，得到氢气体积占75％和氮气体积占25％。
10.根据权利要求1所述的预燃室式氨燃料发动机系统，其特征在于：所述氢气分离提纯装置(3)用于将氢气从管道内的氨气、氢气、氮气的混合物中分离出来，分离出的氢气通过氢气喷射器(14)喷入预燃室(16)。
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