CN116122992B - 一种基于等离子体裂解技术的氨燃料发动机系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于等离子体裂解技术的氨燃料发动机系统，包括液氨储罐、氨气化/换热模块、等离子体氨裂解系统、恒温缓冲罐供氨模块、热管理控制系统和氨燃料发动机及控制系统。液氨储罐与氨气化器连接；氨气化器与换热器组合成氨气化/换热模块，换热器与等离子体氨裂解器连接；换热器低温裂解气输出端与恒温缓冲罐连接；缓冲罐出口与氨发动机燃料供给系统连接。冷却液管道连接氨气化/换热模块，恒温缓冲罐供氨模块，氨发动机系统等需热平衡单元，热管理控制系统调控各单元热量分配。本发明解决当前的氨燃料发动机需要另外配备引燃燃料系统等的问题；提高整机能量综合利用效率；适用于等离子体氨裂解技术的发动机设计及综合标定控制系统。

Description

一种基于等离子体裂解技术的氨燃料发动机系统
技术领域
本发明涉及高端装备领域，具体涉及一种基于等离子体裂解技术的氨燃料发动机系统，用于研制零碳氨燃料发动机。
背景技术
氢能作为汽车燃料，因氢气自身的理化性质，在存储、运输和安全等方面存在着一系列的问题。氨气作为一种优质的储氢载体，相较于氢气具有如下优势：（1）氨气易液化，液化、存储和运输成本较低；（2）氨气火焰传播速度慢，可燃范围较窄，安全性相对较高；（3）氨气有刺激性气味，泄露后易被觉察。同时，绿氨由太阳能、风能、水力发电等可再生能源制备合成，可作为重要的储能介质，且其不含碳元素。因此，从经济性、安全性、碳中和等方面综合考虑，氨作为内燃机燃料具有光明的前景。
但氨气用于汽车发动机燃料仍面临诸多挑战，由于氨气燃烧速度慢、活化性能低，存在氨燃料点火及燃烧困难的问题；氨气在燃烧过程中，可能会产生有毒的NOx，且当氨气燃烧不完全时，部分氨和NOx会直接释放到大气中，从而影响人类的身体健康。氨掺化石燃料引燃和富氧燃烧技术存在的火焰易熄灭、无法彻底解决碳排放、燃烧经济性差等问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于等离子体裂解技术的氨燃料发动机系统，实现氨燃料发动机单一燃料设计开发。本发明的一种基于等离子体裂解技术的氨燃料发动机系统，主要包括液氨储罐、氨气化/换热模块、等离子体氨裂解系统、恒温缓冲罐供氨模块、热管理控制系统和氨燃料发动机及控制系统。液氨储罐出液口和调压口分别与氨气化器的液氨入口和氨气出口连接；氨气化器出口端与换热器氨输入端对接组合成氨气化/换热模块，换热器氨输出端与等离子体氨裂解器氨输入端连接；等离子体氨裂解器的裂解气输出端与换热器高温裂解气输入端连接；等离子体氨裂解器尾气出口端与换热器高温尾气入口端连接；换热器低温裂解气输出端与恒温缓冲罐入口连接；缓冲罐出口与氨发动机燃料供给系统连接，供给压力、温度稳定的裂解混合气；氨发动机尾气出口端与换热器高温尾气入口端连接；换热器尾气出口端与尾气后处理装置入口端连接。冷却液管道连接氨气化/换热模块，恒温缓冲罐供氨模块，氨发动机系统等需热平衡单元，热管理控制系统调控各单元热量分配。热管理控制系统、等离子氨裂解控制系统和氨发动机控制系统相互通讯，共同构成本发明整机系统的综合控制单元。本发明具有的优势主要有：等离子体氨裂解系统可根据发动机运行工况按需实时提供不同氢浓度裂解混合气，解决了当前的氨燃料发动机需要另外配备引燃燃料（如：氢、甲烷、柴油等）系统等的问题；自增压液氨储罐可以在不采用液氨泵的条件下提供稳定的液氨供给；热管理控制系统综合利用氨气化吸热、尾气余热等能量源提高整机能量综合利用效率；适用于等离子体氨裂解技术的发动机设计及综合标定控制系统。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
一种基于等离子体裂解技术的氨燃料发动机系统，所述装置主要包括液氨储罐，所述液氨储罐具有加注口、出液口和调压口；
氨气化/换热模块，所述氨气化/换热模块为氨气化器氨气出口端与换热器氨气入口端对接组合的一体化设计；所述的氨气化器液氨入口端与液氨储罐出液口连接，氨气化器出口端与液氨储罐调压口连接；
等离子体氨裂解系统，所述等离子体氨裂解系统氨入口与氨气化/换热模块的换热器氨气出口连接，等离子体氨裂解系统裂解气出口与氨气化/换热模块裂解气入口连接，等离子体氨裂解系统尾气出口与氨气化/换热模块尾气入口连接。
恒温缓冲罐供氨模块，所述恒温缓冲罐供氨模块氨气入口与氨气化/换热模块裂解气出口连接，恒温缓冲罐供氨模块氨气出口与氨燃料发动机燃料供给系统入口连接。
氨燃料发动机，所述氨燃料发动机燃料供给系统入口与恒温缓冲罐供氨模块氨气出口连接，氨燃料发动机尾气出口与氨气化/换热模块尾气入口连接。
尾气后处理模块，所述尾气后处理模块尾气入口与氨气化/换热模块尾气出口连接。
热管理控制系统，所述热管理控制系统通过冷却液管道连接氨气化/换热模块、恒温缓冲罐供氨模块、氨发动机系统等需热平衡单元。
氨发动机控制系统，所述氨发动机控制系统与热管理控制系统、等离子氨裂解控制系统相互通讯，共同构成整机综合控制系统。
进一步的所述液氨储罐加注口用于液氨加注；出液口为液氨出口与氨气化器液氨入口端管道连接；调压口用于调整罐内压力与氨气化器出口端管道连接，设定目标值区间0.6-2MPa。罐内压力高于设定值则优先用气氨，降低罐内压力；罐内压力低于设定值则引导充入汽化后的氨气，提高罐内压力至设定压力。
进一步的所述氨气化/换热模块，氨气化器液氨入口端与液氨储罐出液口连接，氨气化器出口端与液氨储罐调压口连接；氨气化/换热模块氨气出口与等离子体氨裂解系统氨入口连接，氨气化/换热模块裂解气入口与等离子体氨裂解系统裂解气出口连接，氨气化/换热模块尾气入口与等离子体氨裂解系统尾气出口连接；氨气化/换热模块裂解气出口与恒温缓冲罐供氨模块氨气入口连接；氨气化/换热模块尾气入口与氨燃料发动机尾气出口连接；氨气化/换热模块尾气出口与尾气后处理模块尾气入口连接；并有冷却液管道与热管理控制系统连接。利用等离子体氨裂解辅助燃烧尾气余热，解决液氨低温汽化的问题，稳定获得氨的裂解气实现氨燃料发动机冷启动。热交换器实现能量的综合管理利用提高系统整体热效率。液氨汽化部分采用冷却液提供汽化的热量，液体热容量高能够实现液氨稳定汽化的设计目的。利用冷却液换热收集燃烧尾气、发动机尾气的余热。气氨再次与尾气换热，提高尾气余热利用效率，并能够降低等离子辅助燃烧/裂解器的功耗。
进一步的所述等离子体氨裂解系统氨入口与氨气化/换热模块的换热器氨气出口连接，等离子体氨裂解系统裂解气出口与氨气化/换热模块裂解气入口连接，等离子体氨裂解系统尾气出口与氨气化/换热模块尾气入口连接。等离子体氨裂解系统把氨气裂解为含氢的裂解气，以改善氨燃料的燃烧特性；裂解器控制系统可根据发动机运行工况即时调控氨燃料的裂解比例。可选等离子体实时在线裂解氨燃料、等离子体辅助氨燃烧及氨催化裂解。可选液氨、气氨供应裂解。
进一步的所述恒温缓冲罐供氨模块氨气入口与氨气化/换热模块裂解气出口连接，恒温缓冲罐供氨模块氨气出口与氨燃料发动机燃料供给系统入口连接；并有冷却液管道与热管理控制系统连接。能够向氨发动机提供压力、温度稳定的裂解气燃料。另可选液氨喷射掺混裂解气，调整裂解混合气的温度和氢比例。
进一步的所述氨燃料发动机燃料供给系统入口与恒温缓冲罐供氨模块氨气出口连接，氨燃料发动机尾气出口与氨气化/换热模块尾气入口连接；并有冷却液管道与热管理控制系统连接。等离子体氨燃料发动机设计压缩比可选区间10-30；气氨、液氨喷射；预燃室；等离子点火器等可选。
进一步的所述热管理控制系统通过冷却液管道连接氨气化/换热模块、恒温缓冲罐供氨模块、氨发动机系统等需热平衡单元，热管理控制系统调控各单元热量分配。
进一步的所述氨发动机控制系统与热管理控制系统、等离子氨裂解控制系统相互通讯，共同构成整机综合控制系统。氨燃料发动机控制系统，适用于等离子体氨燃料发动机控制标定。发动机控制系统与裂解器控制系统通讯实时调控所需裂解气氢比例；与热管理系统通讯调控整机系统的热平衡。
进一步的所述液氨储罐、氨气化/换热模块和恒温缓冲罐供氨模块组成供氨系统可供给氨气，液氨和气、液双供，任一种供氨形式。
本发明的有益效果在于：
液氨储罐增压可以在不采用液氨泵的情况下提供稳定的液氨供给；热交换器综合利用尾气余热提高能量综合利用效率，降低等离子辅助燃烧/氨裂解器的能耗；恒温缓冲罐提供压力、温度稳定的裂解混合气燃料。
本发明是利用等离子体辅助燃烧尾气余热解决了目前的氨发动机冷启动氨汽化问题，并采用综合换热控制调控整机系统热平衡，提高系统热效率。
基于等离子体裂解技术，把氨裂解为含氢气的混合气，从而改善氨燃料的燃烧特性。
氨燃料发动机控制系统，适用于等离子体氨燃料发动机综合控制标定，协同等离子体氨裂解可根据发动机运行工况提供实时调控所需裂解气的氢浓度。
附图说明
图1是本发明设计的一种基于等离子体裂解技术的氨燃料发动机系统原理示意图。
图中，1-液氨储罐、101-热管理控制系统、102-裂解器控制系统、103-氨发动机控制系统、2-氨气化/换热模块、2-1-氨气化器、2-2-换热器、3-等离子体氨裂解系统、4-恒温缓冲罐供氨模块、5-氨燃料发动机、6-尾气后处理模块。
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、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
根据本发明的一个实施例，如图1所示，
一种基于等离子体裂解技术的氨燃料发动机系统，所述装置主要包括：
液氨储罐设置有加注口、出液口和调压口。液氨储罐1加注口用于液氨加注；出液口为液氨出口，所述出液口与氨气化器2-1液氨入口端管道连接；调压口用于调整罐内压力，所述调压口与氨气化器2-1出口端管道连接，设定目标值区间0.6-2MPa。罐内压力高于设定值则优先用气氨，降低罐内压力；罐内压力低于设定值则引导充入汽化后的氨气，提高罐内压力至设定压力。氨气化/换热模块2，氨气化器2-1液氨入口端与液氨储罐1出液口连接，氨气化器2-1出口端与液氨储罐1调压口连接。所述氨气化/换热模块2为氨气化器2-1氨气出口端与换热器2-2氨气入口端对接组合的一体化设计；所述的氨气化器2-1液氨入口端与液氨储罐1出液口连接，氨气化器2-1出口端与液氨储罐1调压口连接。
氨气化/换热模块2氨气出口与等离子体氨裂解系统3氨入口连接，氨气化/换热模块2裂解气入口与等离子体氨裂解系统3裂解气出口连接，氨气化/换热模块2尾气入口与等离子体氨裂解系统3尾气出口连接；氨气化/换热模块2裂解气出口与恒温缓冲罐供氨模块4氨气入口连接；氨气化/换热模块2尾气入口与氨燃料发动机5尾气出口连接；氨气化/换热模块2尾气出口与尾气后处理模块6尾气入口连接；并有冷却液管道与热管理控制系统101连接。利用等离子体氨裂解辅助燃烧尾气余热，解决液氨低温汽化的问题，稳定获得氨的裂解气实现氨燃料发动机冷启动。热交换器实现能量的综合管理利用提高系统整体热效率。液氨汽化部分采用冷却液提供汽化的热量，液体热容量高能够实现液氨稳定汽化的设计目的。利用冷却液换热收集燃烧尾气、发动机尾气的余热。气氨再次与尾气换热，提高尾气余热利用效率，并能够降低等离子辅助燃烧/裂解器的功耗。
等离子体氨裂解系统3氨入口与氨气化/换热模块2的换热器2-2氨气出口连接，等离子体氨裂解系统3裂解气出口与氨气化/换热模块2裂解气入口连接，等离子体氨裂解系统3尾气出口与氨气化/换热模块2尾气入口连接。等离子体氨裂解系统3把氨气裂解为含氢的裂解气，以改善氨燃料的燃烧特性；裂解器控制系统102可根据发动机运行工况即时调控氨燃料的裂解比例。
恒温缓冲罐供氨模块4氨气入口与氨气化/换热模块2裂解气出口连接，恒温缓冲罐供氨模块4氨气出口与氨燃料发动机5燃料供给系统入口连接；并有冷却液管道与热管理控制系统101连接。能够向氨发动机提供压力、温度稳定的裂解气燃料。另可选液氨喷射掺混裂解气，调整裂解混合气的温度和氢比例。
氨燃料发动机5燃料供给系统入口与恒温缓冲罐供氨模块4氨气出口连接，氨燃料发动机5尾气出口与氨气化/换热模块2尾气入口连接；并有冷却液管道与热管理控制系统101连接。氨发动机控制系统103与热管理控制系统101、等离子氨裂解控制系统102相互通讯，共同构成本发明整机综合控制系统。氨燃料发动机控制系统，适用于等离子体氨燃料发动机5控制标定。发动机控制系统103与裂解器控制系统102通讯实时调控所需裂解气氢比例；与热管理系统101通讯调控整机系统的热平衡。
热管理控制系统101通过冷却液管道连接氨气化/换热模块2、恒温缓冲罐供氨模块4、氨发动机系统5等需热平衡单元，热管理控制系统101调控各单元热量分配。
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 (5)

1.一种基于等离子体裂解技术的氨燃料发动机系统，其特征在于：包括：液氨储罐（1），所述液氨储罐（1）具有加注口、出液口和调压口；
氨气化/换热模块（2），所述氨气化/换热模块（2）为氨气化器（2-1）氨气出口端与换热器（2-2）氨气入口端对接组合的一体化设计；所述的氨气化器（2-1）液氨入口端与液氨储罐（1）出液口连接，氨气化器（2-1）出口端还与液氨储罐（1）调压口连接；
等离子体氨裂解系统（3），所述等离子体氨裂解系统（3）氨入口与氨气化/换热模块（2）的换热器（2-2）氨气出口连接，等离子体氨裂解系统（3）裂解气出口与氨气化/换热模块（2）裂解气入口连接，等离子体氨裂解系统（3）尾气出口与氨气化/换热模块（2）尾气入口连接；
恒温缓冲罐供氨模块（4），所述恒温缓冲罐供氨模块（4）氨气入口与氨气化/换热模块（2）裂解气出口连接，恒温缓冲罐供氨模块（4）氨气出口与氨燃料发动机（5）燃料供给系统入口连接；
氨燃料发动机（5），所述氨燃料发动机（5）燃料供给系统入口与恒温缓冲罐供氨模块（4）氨气出口连接，氨燃料发动机（5）尾气出口与氨气化/换热模块（2）尾气入口连接；
尾气后处理模块（6），所述尾气后处理模块（6）尾气入口与氨气化/换热模块（2）尾气出口连接；
热管理控制系统（101），所述热管理控制系统（101）通过冷却液管道连接氨气化/换热模块（2）、恒温缓冲罐供氨模块（4）和氨燃料发动机（5）需热平衡单元；
氨发动机控制系统（103），所述氨发动机控制系统（103）与热管理控制系统（101）、裂解器控制系统（102）相互通讯，共同构成所述氨燃料发动机系统的整机综合控制系统。
2.根据权利要求1所述的一种基于等离子体裂解技术的氨燃料发动机系统，其特征在于：所述液氨储罐（1）加注口用于液氨加注；调压口用于调整罐内压力，所述调压口与氨气化器（2-1）出口端管道连接，设定目标值区间0.6-2MPa；罐内压力高于设定值则用气氨，降低罐内压力；罐内压力低于设定值则引导充入汽化后的氨气，提高罐内压力至设定压力。
3.根据权利要求1所述的一种基于等离子体裂解技术的氨燃料发动机系统，其特征在于：等离子体氨裂解系统（3）把氨气裂解为含氢的裂解气；裂解器控制系统（102）能够根据发动机运行工况即时调控氨燃料的裂解比例。
4.根据权利要求1所述的一种基于等离子体裂解技术的氨燃料发动机系统，其特征在于：氨燃料发动机（5）设计压缩比区间10-30。
5.根据权利要求1所述的一种基于等离子体裂解技术的氨燃料发动机系统，其特征在于：所述液氨储罐（1）、氨气化/换热模块（2）和恒温缓冲罐供氨模块（4）组成供氨系统，能够供给氨气，液氨或者气、液双供供氨形式。
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