CN116291919A - 天然气与氨气按特定比例掺和燃烧的控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及动力系统技术领域，具体为一种天然气与氨气按特定比例掺和燃烧的控制方法及系统，发动机采用两路燃料进气管喷射，一路燃料为天然气，另一路燃料为氨气，燃料氨的热值比例为20‑40％，在保障发动机稳定运行的前提下，通过调节节气门开度、燃料进气量、空燃比、点火角等，在不同的负荷和转速下，实现氨燃料最大比例的掺入，达到最大程度降碳的目的，发动机根据运行情况控制天然气连续流阀开度、氨喷射器喷嘴喷射次数、空燃比、点火提前角，可实现氨热值比例20‑40％稳定燃烧。

Description

天然气与氨气按特定比例掺和燃烧的控制方法及系统

技术领域

本发明涉及双燃料发动机技术领域，具体为一种天然气与氨气按特定比例掺和燃烧的控制方法及系统。

背景技术

传统发动机以碳基燃料为主，诸如汽油、柴油、天然气等化石燃料，其尾气排放大气污染的重要贡献者，也是碳排放的重要来源。氨为无碳燃料，燃烧不会产生二氧化碳，是理想的发动机降碳燃料。由于氨难以被点燃，燃烧速度慢，燃烧稳定性差，在现有的内燃机参数下不能单独实现稳定燃烧，通过与易于燃烧的非氨燃料混合燃烧，可达到发动机稳定运行，满足氮氧化物排放标准及减碳的目的。

目前实现氨燃料发动机稳定燃烧有直接掺加易于燃烧的非氨燃料和纯氨裂解两种技术方案。例如，一种氨发动机设备(中国专利，专利号为201420323281.X)、内燃机的控制装置(中国专利，专利号为201180020110.9)，这两个专利中公开的发动机在发动机燃料供给端直接添加易于燃烧的非氨燃料；氨发动机系统(中国专利，专利号为200980146125.2)公开了利用氨裂解装置裂解氨得到含氢分解气，与氨混合进行燃烧发动机；一种基于等离子体在线裂解、点火与助燃的氨发动机(中国专利，专利号为202011331827.2)公开一种利用等离子体裂解纯氨产生一定比例氢实现助燃的发动机。

现在技术中对混合燃料发动机的研发主要集中在系统结构的改进和创新上，但仍然存在掺氨比例小、整体热效率不够高、燃烧不稳定等问题。而混合燃料发动机的精准控制是解决上述问题的有效途径，因此，研究运行过程中如何控制实现特定比例掺氨燃烧发动机的稳定运行有利于改善双燃料发动机的性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种天然气与氨气按特定比例掺和燃烧的控制方法及系统，通过控制燃料供给和发动机参数，实现按热值比在天然气中掺氨，使发动机稳定燃烧。

为实现上述目的，本发明一方面提供如下技术方案：一种天然气与氨气按特定比例掺和燃烧的控制方法，发动机采用两路燃料进气管喷射，一路燃料为天然气，另一路燃料为氨气，燃料氨的热值比例为20-40％，具体控制步骤如下：

S1、发动机启动后，发动机控制系统ECU获取当前发动机缸内冷却液温度，当发动机冷却液温度未达到预设值时，供氨管路的汽化器内部液氨不能进行有效汽化，不满足发动机燃烧掺氨的条件，此时掺氨脉谱处于关闭状态，纯天然气脉谱开启，即NH3燃烧热值占比脉谱控制变量为“0”，纯天然气脉谱控制变量为“1”，不对天然气燃料进行掺氨，发动机使用纯天然气工作；

S2、发动机控制系统ECU根据发动机的节气门前压力及转速，结合标定的纯天然气脉谱给出空燃比、点火提前角指令，并控制天然气连续流阀开度、空燃比、点火提前角；

S3、当发动机冷却液温度达到预设值时，供氨管路的汽化器对液氨汽化，满足掺氨条件，此时掺氨脉谱开启，纯天然气脉谱关闭，即NH3燃烧热值占比脉谱控制变量为“1”，纯天然气脉谱控制变量为“0”，发动机控制系统ECU根据标定脉谱控制燃料的混合；

S4、发动机控制系统ECU根据发动机的节气门前压力及转速，结合标定掺氨脉谱设定掺氨比例、空燃比、点火提前角指令，并控制天然气连续流阀开度、氨喷射器喷嘴喷射次数、空燃比、点火提前角；

S5、在发动机关闭信号发出前，不断采集当前发动机缸内冷却液温度，循环执行上述步骤。

优选的，所述掺氨脉谱包含掺氨比例脉谱、空燃比脉谱、点火提前角脉谱，三者一一对应。

优选的，掺氨脉谱的标定包括以下步骤：

S21、确定掺氨比例脉谱，在发动机试验台架上测试各节气门前压力和转速的运行工况下，维持原动力输出的最大掺氨比例，在此过程中，空燃比、点火提前角使用理论计算值；

S22、当发动机的转速降低、节气门前压力减小时，以及在发动机怠速时，氨气燃烧不充分导致大量的氨逃逸，发动机控制系统ECU控制减小氨气的掺烧比例；

S23、当发动机的转速升高、节气门前压力增大时，氨气得到充分的燃烧，发动机控制系统ECU控制增加氨气的掺烧比例；

S24、进行空燃比脉谱、点火提前角脉谱的标定，在发动机试验台架上测试各节气门前压力和转速、及对应最大掺氨比例的运行工况下，在理论计算值的基础上，优化该工况下的空燃比、点火提前角，得到空燃比脉谱、点火提前角脉谱。

优选的，还包括S6、空燃比的闭环补偿，即

当安装在排气管上的宽域氧浓度传感器监测到尾气中氧气的浓度发生变化时，发动机控制系统ECU计算此时的实际空燃比，并与脉谱中标定的空燃比进行比对，当实际空燃比大于标定的空燃比时，此时混合气偏稀，即空气量多，发动机控制系统ECU控制增大燃料的喷射量，对燃料进行加浓；当实际空燃比小于标定的空燃比时，此时混合气偏浓，即空气量小，发动机控制系统ECU控制减小燃料的喷射量。

优选的，还包括S7、在氨燃烧不稳定出现发动机喘振或者失火情况时，发动机控制系统ECU进行调整控制，当氨燃烧不稳定导致发动机喘振或失火时，行驶中的车辆会出现明显的顿挫感、发动机动力不足，此时发动机控制系统ECU监控到发动机转速减速度异常，此时触发预设的低比例掺氨脉谱，如果在车辆行驶过程中再次出现发动机转速减速度异常的情况，触发预设的更低比例掺氨脉谱。

优选的，所述S7中，每一步切换的低掺氨脉谱的掺氨比例脉谱，相比于原脉谱，各点掺氨比例均减小5％且为非负数，低比例掺氨脉谱的空燃比脉谱、点火提前角脉谱由标定实验得到。

优选的，调用低比例掺氨脉谱仍然存在氨燃烧不稳定出现发动机喘振或者失火情况，则最终掺氨脉谱关闭，只进行天然气单路燃料供气燃烧，在发动机稳定燃烧5—10分钟后，控制程序切回至正常的掺氨脉谱运行。

本发明另一方面提供如下技术方案：一种天然气与氨气按特定比例掺和燃烧的系统，包括发动机、燃料混合器、液化天然气支路和液氨支路，所述液化天然气支路和液氨支路与所述燃料混合器连接，所述燃料混合器再与所述发动机连接。

优选的，所述发动机为点燃式四冲程发动机，所述发动机包括燃烧室、增压器和节气门，所述燃烧室的进口所述燃料混合器的出口连接，所述燃烧室的出口与所述增压器的进口连接，所述增压器的出口与所述节气门的进口连接，所述节气门的出口与所述燃料混合器连接。

优选的，所述液化天然气支路包括液化天然气钢瓶、第一汽化器和第一缓冲罐，所述液化天然气钢瓶的出口依次连接第一安全阀、第一压力表、第一截止阀、第一单向阀、第二截止阀及第一过流阀后与所述第一汽化器的进口连接，所述第一汽化器的出口与所述第一缓冲罐的进口连接，所述第一缓冲罐的出口依次连接第一稳压阀、第一低压滤清器、第一电磁切断阀、第二压力表、第二安全阀及连续流阀后与所述燃料混合器的进口连接；

所述液氨支路包括液氨钢瓶、第二汽化器和第二缓冲罐，所述液氨钢瓶的出口依次连接第三安全阀、第三压力表、第三截止阀、第二单向阀及第二过流阀后与所述第二汽化器的进口连接，所述第二汽化器的出口与所述第二缓冲罐的进口连接，所述第二缓冲罐的出口依次连接第二稳压阀、第二低压滤清器、第二电磁切断阀、第四压力表、第四安全阀及喷射器总成后与所述燃料混合器的进口连接。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：在保障发动机稳定运行的前提下，通过调节节气门开度、燃料进气量、空燃比、点火角等，在不同的负荷和转速下，实现氨燃料最大比例的掺入，达到最大程度降碳的目的，发动机根据运行情况控制天然气连续流阀开度、氨喷射器喷嘴喷射次数、空燃比、点火提前角，可实现氨热值比例20-40％稳定燃烧。

附图说明

图1为本发明天然气与氨气按特定比例掺和燃烧的系统结构示意图；

图2为本发明天然气与氨气按特定比例掺和燃烧的控制方法流程图；

图3为空燃比闭环补偿流程图。

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。

本发明提供的一种天然气与氨气按特定比例掺和燃烧的系统如图1所示，包括发动机100、燃料混合器200、液化天然气支路和液氨支路，本实施例的发动机100采用点燃式四冲程发动机，发动机100内部包括燃烧室101、增压器102和节气门103，燃烧室101的进口燃料混合器200的出口连接，燃烧室101的出口与增压器102的进口连接，增压器102的出口与节气门103的进口连接，节气门103的出口与燃料混合器200连接。

本实施例中，液化天然气支路包括液化天然气钢瓶301、第一汽化器302和第一缓冲罐303，液化天然气钢瓶301的出口依次连接第一安全阀304、第一压力表305、第一截止阀306、第一单向阀307、第二截止阀308及第一过流阀309后与第一汽化器302的进口连接，第一汽化器302的出口与第一缓冲罐303的进口连接，第一缓冲罐303的出口依次连接第一稳压阀310、第一低压滤清器311、第一电磁切断阀312、第二压力表313、第二安全阀314及连续流阀315后与燃料混合器200的进口连接；

本实施例中，液氨支路包括液氨钢瓶401、第二汽化器402和第二缓冲罐403，液氨钢瓶401的出口依次连接第三安全阀404、第三压力表405、第三截止阀406、第二单向阀407及第二过流阀408后与第二汽化器402的进口连接，第二汽化器402的出口与第二缓冲罐403的进口连接，第二缓冲罐403的出口依次连接第二稳压阀409、第二低压滤清器410、第二电磁切断阀411、第四压力表412、第四安全阀413及喷射器总成414后与燃料混合器200的进口连接。其中，喷射器总成414包含一到多个喷嘴，喷嘴采用耐氨腐蚀材料，发动机控制系统ECU通过控制喷嘴喷射的次数来调节喷入的氨燃料量，实现燃料进量的精准控制。

本实施例的燃烧系统，在使用时，液化天然气被发动机100冷却水加热汽化进入第一缓冲罐303，流经第一稳压阀310将压力降至发动机100适配的压力，通过连续流阀315喷入发动机燃料混合器200，与氨燃料混合后，进入发动机100。另一路燃料液氨被发动机100冷却水加热汽化进入第二缓冲罐403，流经第二稳压阀409将压力降至发动机100适配的压力，通过喷射器总成414进入发动机燃料混合器200，与天然气混合后，进入发动机。

本实施例的燃烧系统，采用两路燃料进气管喷射，一路燃料为天然气，另一路燃料为氨气，将燃料氨的热值比例定为20-40％，即可达到最大程度降碳的目的，又可实现氨燃料的稳定燃烧，如图2所示，燃烧的具体控制步骤如下：

S1、发动机启动后，发动机控制系统ECU获取当前发动机缸内冷却液温度，当发动机冷却液温度未达到预设值时，供氨管路的汽化器内部液氨不能进行有效汽化，不满足发动机燃烧掺氨的条件，此时掺氨脉谱处于关闭状态，纯天然气脉谱开启，即NH3燃烧热值占比脉谱控制变量为“0”，纯天然气脉谱控制变量为“1”，不对天然气燃料进行掺氨，发动机使用纯天然气工作；

S2、发动机控制系统ECU根据发动机的节气门前压力及转速，结合标定的纯天然气脉谱给出空燃比、点火提前角指令，并控制天然气连续流阀开度、空燃比、点火提前角；

S3、当发动机冷却液温度达到预设值时，供氨管路的汽化器对液氨汽化，满足掺氨条件，此时掺氨脉谱开启，纯天然气脉谱关闭，即NH3燃烧热值占比脉谱控制变量为“1”，纯天然气脉谱控制变量为“0”，发动机控制系统ECU根据标定脉谱控制燃料的混合；

S4、发动机控制系统ECU根据发动机的节气门前压力及转速，结合标定掺氨脉谱设定掺氨比例、空燃比、点火提前角指令，并控制天然气连续流阀开度、氨喷射器喷嘴喷射次数、空燃比、点火提前角；

S5、在发动机关闭信号发出前，不断采集当前发动机缸内冷却液温度，循环执行上述步骤。

本实施例中，掺氨脉谱包含掺氨比例脉谱、空燃比脉谱、点火提前角脉谱，三者一一对应。掺氨脉谱的标定包括以下步骤：

S21、确定掺氨比例脉谱，在发动机试验台架上测试各节气门前压力和转速的运行工况下，维持原动力输出的最大掺氨比例，在此过程中，空燃比、点火提前角使用理论计算值；

S22、当发动机的转速降低、节气门前压力减小时，以及在发动机怠速时，氨气燃烧不充分导致大量的氨逃逸，发动机控制系统ECU控制减小氨气的掺烧比例；

S23、当发动机的转速升高、节气门前压力增大时，氨气得到充分的燃烧，发动机控制系统ECU控制增加氨气的掺烧比例；

S24、进行空燃比脉谱、点火提前角脉谱的标定，在发动机试验台架上测试各节气门前压力和转速、及对应最大掺氨比例的运行工况下，在理论计算值的基础上，优化该工况下的空燃比、点火提前角，得到空燃比脉谱、点火提前角脉谱。

本实施例的控制方法，还包括S6、空燃比的闭环补偿，如图3所示，具体步骤为：当安装在排气管上的宽域氧浓度传感器监测到尾气中氧气的浓度发生变化时，发动机控制系统ECU计算此时的实际空燃比，并与脉谱中标定的空燃比进行比对，当实际空燃比大于标定的空燃比时，此时混合气偏稀，即空气量多，发动机控制系统ECU控制增大燃料的喷射量，对燃料进行加浓；当实际空燃比小于标定的空燃比时，此时混合气偏浓，即空气量小，发动机控制系统ECU控制减小燃料的喷射量。

本实施例的控制方法，还包括S7、在氨燃烧不稳定出现发动机喘振或者失火情况时，发动机控制系统ECU进行调整控制，当氨燃烧不稳定导致发动机喘振或失火时，行驶中的车辆会出现明显的顿挫感、发动机动力不足，此时发动机控制系统ECU监控到发动机转速减速度异常，此时触发预设的低比例掺氨脉谱，如果在车辆行驶过程中再次出现发动机转速减速度异常的情况，触发预设的更低比例掺氨脉谱。每一步切换的低掺氨脉谱的掺氨比例脉谱，相比于原脉谱，各点掺氨比例均减小5％且为非负数，低比例掺氨脉谱的空燃比脉谱、点火提前角脉谱由标定实验得到。调用低比例掺氨脉谱仍然存在氨燃烧不稳定出现发动机喘振或者失火情况，则最终掺氨脉谱关闭，只进行天然气单路燃料供气燃烧，在发动机稳定燃烧5—10分钟后，控制程序切回至正常的掺氨脉谱运行。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。

Claims (10)

1.一种天然气与氨气按特定比例掺和燃烧的控制方法，其特征在于：发动机采用两路燃料进气管喷射，一路燃料为天然气，另一路燃料为氨气，燃料氨的热值比例为20-40％，具体控制步骤如下：

S1、发动机启动后，发动机控制系统ECU获取当前发动机缸内冷却液温度，当发动机冷却液温度未达到预设值时，供氨管路的汽化器内部液氨不能进行有效汽化，不满足发动机燃烧掺氨的条件，此时掺氨脉谱处于关闭状态，纯天然气脉谱开启，即NH3燃烧热值占比脉谱控制变量为“0”，纯天然气脉谱控制变量为“1”，不对天然气燃料进行掺氨，发动机使用纯天然气工作；

S2、发动机控制系统ECU根据发动机的节气门前压力及转速，结合标定的纯天然气脉谱给出空燃比、点火提前角指令，并控制天然气连续流阀开度、空燃比、点火提前角；

S3、当发动机冷却液温度达到预设值时，供氨管路的汽化器对液氨汽化，满足掺氨条件，此时掺氨脉谱开启，纯天然气脉谱关闭，即NH3燃烧热值占比脉谱控制变量为“1”，纯天然气脉谱控制变量为“0”，发动机控制系统ECU根据标定脉谱控制燃料的混合；

S4、发动机控制系统ECU根据发动机的节气门前压力及转速，结合标定掺氨脉谱设定掺氨比例、空燃比、点火提前角指令，并控制天然气连续流阀开度、氨喷射器喷嘴喷射次数、空燃比、点火提前角；

S5、在发动机关闭信号发出前，不断采集当前发动机缸内冷却液温度，循环执行上述步骤。

2.根据权利要求1所述的一种天然气与氨气按特定比例掺和燃烧的控制方法，其特征在于：所述掺氨脉谱包含掺氨比例脉谱、空燃比脉谱、点火提前角脉谱，三者一一对应。

3.根据权利要求1所述的一种天然气与氨气按特定比例掺和燃烧的控制方法，其特征在于：掺氨脉谱的标定包括以下步骤：

S21、确定掺氨比例脉谱，在发动机试验台架上测试各节气门前压力和转速的运行工况下，维持原动力输出的最大掺氨比例，在此过程中，空燃比、点火提前角使用理论计算值；

S22、当发动机的转速降低、节气门前压力减小时，以及在发动机怠速时，氨气燃烧不充分导致大量的氨逃逸，发动机控制系统ECU控制减小氨气的掺烧比例；

S23、当发动机的转速升高、节气门前压力增大时，氨气得到充分的燃烧，发动机控制系统ECU控制增加氨气的掺烧比例；

S24、进行空燃比脉谱、点火提前角脉谱的标定，在发动机试验台架上测试各节气门前压力和转速、及对应最大掺氨比例的运行工况下，在理论计算值的基础上，优化该工况下的空燃比、点火提前角，得到空燃比脉谱、点火提前角脉谱。

4.根据权利要求1所述的一种天然气与氨气按特定比例掺和燃烧的控制方法，其特征在于：还包括S6、空燃比的闭环补偿，即

当安装在排气管上的宽域氧浓度传感器监测到尾气中氧气的浓度发生变化时，发动机控制系统ECU计算此时的实际空燃比，并与脉谱中标定的空燃比进行比对，当实际空燃比大于标定的空燃比时，此时混合气偏稀，即空气量多，发动机控制系统ECU控制增大燃料的喷射量，对燃料进行加浓；当实际空燃比小于标定的空燃比时，此时混合气偏浓，即空气量小，发动机控制系统ECU控制减小燃料的喷射量。

5.根据权利要求1所述的一种天然气与氨气按特定比例掺和燃烧的控制方法，其特征在于：还包括S7、在氨燃烧不稳定出现发动机喘振或者失火情况时，发动机控制系统ECU进行调整控制，当氨燃烧不稳定导致发动机喘振或失火时，行驶中的车辆会出现明显的顿挫感、发动机动力不足，此时发动机控制系统ECU监控到发动机转速减速度异常，此时触发预设的低比例掺氨脉谱，如果在车辆行驶过程中再次出现发动机转速减速度异常的情况，触发预设的更低比例掺氨脉谱。

6.根据权利要求5所述的一种天然气与氨气按特定比例掺和燃烧的控制方法，其特征在于：所述S7中，每一步切换的低掺氨脉谱的掺氨比例脉谱，相比于原脉谱，各点掺氨比例均减小5％且为非负数，低比例掺氨脉谱的空燃比脉谱、点火提前角脉谱由标定实验得到。

7.根据权利要求5所述的一种天然气与氨气按特定比例掺和燃烧的控制方法，其特征在于：调用低比例掺氨脉谱仍然存在氨燃烧不稳定出现发动机喘振或者失火情况，则最终掺氨脉谱关闭，只进行天然气单路燃料供气燃烧，在发动机稳定燃烧5—10分钟后，控制程序切回至正常的掺氨脉谱运行。

8.一种天然气与氨气按特定比例掺和燃烧的系统，其特征在于：包括发动机、燃料混合器、液化天然气支路和液氨支路，所述液化天然气支路和液氨支路与所述燃料混合器连接，所述燃料混合器再与所述发动机连接。

9.根据权利要求8所述的一种天然气与氨气按特定比例掺和燃烧的系统，其特征在于：所述发动机为点燃式四冲程发动机，所述发动机包括燃烧室、增压器和节气门，所述燃烧室的进口所述燃料混合器的出口连接，所述燃烧室的出口与所述增压器的进口连接，所述增压器的出口与所述节气门的进口连接，所述节气门的出口与所述燃料混合器连接。

10.根据权利要求9所述的一种天然气与氨气按特定比例掺和燃烧的系统，其特征在于：所述液化天然气支路包括液化天然气钢瓶、第一汽化器和第一缓冲罐，所述液化天然气钢瓶的出口依次连接第一安全阀、第一压力表、第一截止阀、第一单向阀、第二截止阀及第一过流阀后与所述第一汽化器的进口连接，所述第一汽化器的出口与所述第一缓冲罐的进口连接，所述第一缓冲罐的出口依次连接第一稳压阀、第一低压滤清器、第一电磁切断阀、第二压力表、第二安全阀及连续流阀后与所述燃料混合器的进口连接；

所述液氨支路包括液氨钢瓶、第二汽化器和第二缓冲罐，所述液氨钢瓶的出口依次连接第三安全阀、第三压力表、第三截止阀、第二单向阀及第二过流阀后与所述第二汽化器的进口连接，所述第二汽化器的出口与所述第二缓冲罐的进口连接，所述第二缓冲罐的出口依次连接第二稳压阀、第二低压滤清器、第二电磁切断阀、第四压力表、第四安全阀及喷射器总成后与所述燃料混合器的进口连接。

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