CN116677516A - 一种氨内燃机及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种氨内燃机及控制方法，具体涉及到一种利用加热装置系统通过对氨燃料加热实现氨内燃机混合燃烧及控制方法，目的是实现高压缩比的氨内燃机的正常燃烧，同时对尾气余热能量进行回收。主要包括进气系统、氢气供给系统、氨气供给系统、氨气加热系统和控制系统。其优点是不同工况下，选择不同加热模式，对氨燃料进行加热，使氨燃料以较高的温度进入缸内，避免氨内燃机着火困难，点火延迟增加以及燃烧速度慢等问题。本发明可以实现高压缩比的氨内燃机的正常燃烧，同时对尾气余热能量进行回收，具有良好的发展前景。

Description

一种氨内燃机及控制方法
技术领域
一种氨内燃机及控制方法，具体涉及到一种利用加热装置系统通过对氨燃料加热实现氨内燃机混合燃烧及控制方法，属于内燃机领域
背景技术
碳排放以及环境污染已经成为全球各个国家普遍关注的问题，其产生的气候变化已经影响到人类社区、自然资源以及生物的多样性引起此类现象的主要原因为化石能源的过度使用。因此，寻求高效清洁能源已成为未来能源行业发展的重要趋势。氢气和氨气作为零碳燃料是未来内燃机实现零碳排放最有效途径之一
氢燃料作为一种高效清洁能源，具有热值高、火焰传播速度快、自燃温度低等特点，同时也易出现早燃、回火和爆震等异常燃烧现象。同时其储运安全问题也成为限制氢内燃机应用和推广的重要原因。而氨作为一种高氢能量载体，具有生产储存成本低、储运时间长、易液化、体积能量密度高等优点，这些优点使氨成为具有前景的零碳燃料。
故而本申请设计了一种高压缩比的氨内燃机及控制方法，在该系统中增加一套氨气加热装置，通过对氨燃料进行加热，使进入内燃机总管的氨燃料具有较高的温度，解决氨内燃机存在的着火困难、点火延迟期较长、燃烧速度慢等问题。同时，内燃机在燃烧过程中，尾气余热带走一部分热量，使内燃机效率降低。通过增加一套尾气余热换热装置，实现尾气能量余热回收。在本研究中，少量氢气用于辅助内燃机启动以及低负荷运行，其余工况以氨燃料作为唯一燃料，同时实现不同工况下氨气内燃机的稳定运行。
发明内容
为了消除传统内燃机的碳排放问题，对内燃机排气能量进行回收，提高内燃机的经济性，实现高压缩比的纯氨内燃机的稳定运行。本申请设计了一种高压缩比的氨内燃机及控制方法，在该系统中增加一套氨气加热装置，通过对氨燃料进行加热，使进入内燃机总管的氨燃料具有较高的温度，实现不同工况下氨气内燃机的稳定运行。
本发明解决上述技术问题是通过以下技术方案解决的：
一种以氨作为燃料的内燃机，结构包括：P1内燃机进气系统、P2氢气供给系统、P3氨气供给系统、P4氨气加热系统、P5 ECU控制系统。
P1内燃机进气系统：在内燃机进气系统中，包括空气滤清器(6)、节气门(7)、空气流量传感器(8)和进气压力传感器(9)；
P2氢气供给系统包括氢气瓶(1)、氢气减压阀(2)、氢气流量传感器(3)、阻火器(4)、氢气喷射器(5)；P3氨气供给系统包括氨气瓶(13)、氨气减压阀(12)、氨气流量传感器(11)、氨气喷射器(10)；P4氨气加热装置包括电源电池装置(17)、加热电路开关(15)、加热电阻丝(14)、电压调节阀(16)尾气换热装置(19)、换热装置启动开关(18)、温度传感器(20)；P5 ECU控制系统包括ECU(25)、氧传感器(21)、火花塞(22)、转速传感器(23)、曲轴位置传感器(24)；
P5 ECU控制系统与P1内燃机进气系统存在信号交互：ECU(25)通过导线与节气门(7)、空气流量传感器(8)连接。通过向节气门开度(7)发出节气门控制信号实现节气门开度控制，通过进气压力传感器(9)检测进气管内进气压力大小，空气流量传感器(8)将检测到的信号反馈到ECU(25)，对内燃机进气量进行调节。
P5 ECU控制系统与P2氢气供给系统存在信号交互：ECU(25)通过导线与氢气减压阀(2)连接，通过节气门控制信号调节氢气的喷射压力。同时导线还与氢气流量传感器(3)、氢气喷射器(5)连接，ECU(29)通过氢气喷射器(5)控制喷射脉宽和喷射时刻，并通过氢气流量传感器(3)的反馈信号进行修正。
P5 ECU控制系统与P3氨气供给系统存在信号交互：ECU(25)通过导线与氨气减压阀(12)连接，通过节气门控制信号调节氨气的喷射压力。ECU(25)通过导线与氨气流量传感器(11)和氨气喷射器(10)相连接，ECU(25)通过氨气喷射器(10)控制氨气喷射脉宽和喷射时刻，并通过氨气流量传感器(11)的反馈信号进行修正。
P5 ECU控制系统与P4氨气加热装置存在信号交互：ECU(25)通过导线与加热电路开关(15)和电压调节阀(16)连接，ECU(25)通过加热电路开关(15)控制电加热的开启和关闭，同时，ECU(25)通过电压调节阀(16)调节电阻丝的加热功率，对氨气瓶(14)进行加热。ECU(25)通过导线与换热装置启动开关(18)、温度传感器(20)连接，ECU(25)接收温度传感器(20)所传递的信号，判断尾气温度的高低，继而ECU(25)通过控制换热装置启动开关(18)，决定是否启用尾气加热装置系统。
P6 ECU控制系统中存在信号交互：ECU(25)通过导线与转速传感器(23)、曲轴位置传感器(24)相连，判断内燃机转速和压缩上支点位置，为燃料喷射时刻和喷射脉宽提供参考。ECU(25)接收氧传感器(21)传递的信号，控制内燃机的过量空气系数，确定燃料喷射量。ECU(25)通过导线与火花塞(22)相连，控制火花塞点火时间。
一种高压缩比氨内燃机的控制方法，该方法为负荷控制策略：
ECU(25)接收转速传感器(23)、曲轴位置传感器(24)和进气压力传感器(9)所发出的信号控制进气压力P，通过调节进气门(7)开度，增加进气压力。当进气压力P≤30KPa时,发动机此时为启动工况，为了内燃机可以正常启动，通过P2氢气供给系统，采取纯氢模式燃烧策略。ECU(25)通过电控系统控制P2氢气供给系统，ECU(25)通过氢气减压阀(2)和氢气喷射器(5)控制氢气供给量，通过节气门(7)控制空气供给量，并根据氢气流量传感器(3)和空气流量传感器(8)、进气压力传感器(9)进行反馈调节，保持过量空气系数λ＝1。同时，ECU(25)使氨气流量减压阀(12)关闭，保证在启动工况中不向内燃机提供氨燃料。
ECU(25)接收转速传感器(23)、曲轴位置传感器(24)和进气压力传感器(9)所发出的信号控制进气压力P，通过调节进气门(7)开度，增加进气压力，当进气压力30<P≤60KPa，此时内燃机在低负荷工况条件下工作。此时，ECU(25)使加热电路开关(15)处于打开状态，ECU(25)通过电压调节阀(16)调节加热电阻丝(14)功率，经过信号反馈调节，保证氨气瓶(14)温度为50℃。同时，ECU(25)控制通过换热装置启动开关(18)处于打开状态，利用内燃机尾气余热对氨进行加热，提高进气过程的氨气的温度，ECU(25)通过控制氢气流量传感器(3)、氢气喷射器(5)以及氨气流量传感器(11)和氨气喷射器(10)，降低氢燃料的比例，增加氨燃料比例，通过氢流量传感器(3)和氨流量传感器(11)的反馈信号进行调节，使发动机过量空气系数保持在λ＝1.5，使压缩比＞15的氨内燃机在富氨条件下可以稳定运行。
ECU(25)接收转速传感器(23)、曲轴位置传感器(24)和进气压力传感器(9)所发出的信号控制进气压力P，控制进气门(7)开度，使进气压力p＞60KPa，此时内燃机在中高负荷工况条件下工作。ECU(25)通过控制氢气流量减压阀(3)，使氢气流量减压阀(3)处于关闭状态，不再向缸内输送氢燃料。同时，ECU(25)控制氨气流量传感器(11)、氨气喷射器(10)以及氨流量传感器(11)的反馈调节信号使内燃机成为纯氨内燃机使发动机过量空气系数保持在λ＝1。ECU(25)使加热电路开关(15)处于打开状态，ECU(25)通过电压调节阀(16)调节加热电阻丝(14)功率，经过信号反馈调节，保证氨气瓶(14)温度大于50℃。同时，ECU(25)控制通过换热装置启动开关(18)处于打开状态，利用内燃机尾气余热对氨进行加热，提高进气过程的氨气的温度，使纯氨内燃机可以实现稳定燃烧。
其中，燃烧过程混合物过量空气系数λ为燃料燃烧时实际空气需要量与理论空气需要量的比值。
附图说明
图1.本发明的结构和工作原理
图1中：内燃机进气系统(P1)：空气滤清器(6)、节气门(7)、空气流量传感器(8)和进气压力传感器(9)；氢气供给系统(P2):氢气瓶(1)、氢气减压阀(2)、氢气流量传感器(3)、阻火器(4)、氢气喷射器(5)；氨气供给系统(P3):氨气瓶(13)、氨气减压阀(12)、氨气流量传感器(11)、氨气喷射器(10)；氨气加热装置(P4)：电源电池装置(17)、加热电路开关(15)、加热电阻丝(14)、电压调节阀(16)尾气换热装置(19)、换热装置启动开关(18)、温度传感器(20)；ECU控制系统(P5)：ECU(25)、氧传感器(21)、火花塞(22)、转速传感器(23)、曲轴位置传感器(24)。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对于本发明做进一步的说明：
包括：内燃机进气系统(P1)上依次串联有：空气滤清器(6)、节气门(7)、空气流量传感器(8)和进气压力传感器(9)；氢气供给系统(P2)上依次串联有:氢气瓶(1)、氢气减压阀(2)、氢气流量传感器(3)、阻火器(4)、氢气喷射器(5)；氨气供给系统(P3)上依次串联有：氨气瓶(13)、氨气减压阀(12)、氨气流量传感器(11)、氨气喷射器(10)；氨气加热装置(P4)上依次串联有：电源电池装置(17)、加热电路开关(15)、加热电阻丝(14)、电压调节阀(16)尾气换热装置(19)、换热装置启动开关(18)、温度传感器(20)；在ECU控制系统(P5)中，ECU(29)与氧传感器(21)、火花塞(22)、转速传感器(23)、曲轴位置传感器(24)存在信号交互。
P5 ECU控制系统与P1内燃机进气系统存在信号交互：ECU(25)通过导线与节气门(7)、空气流量传感器(8)连接。通过向节气门开度(7)发出节气门控制信号实现节气门开度控制，通过进气压力传感器(9)检测进气管内进气压力大小，空气流量传感器(8)将检测到的信号反馈到ECU(25)，对内燃机进气量进行调节。
P5 ECU控制系统与P2氢气供给系统存在信号交互：ECU(25)通过导线与氢气减压阀(2)连接，通过节气门控制信号调节氢气的喷射压力。同时导线还与氢气流量传感器(3)、氢气喷射器(5)连接，ECU(29)通过氢气喷射器(5)控制喷射脉宽和喷射时刻，并通过氢气流量传感器(3)的反馈信号进行修正。
P5 ECU控制系统与P3氨气供给系统存在信号交互：ECU(25)通过导线与氨气减压阀(12)连接，通过节气门控制信号调节氨气的喷射压力。ECU(25)通过导线与氨气流量传感器(11)和氨气喷射器(10)相连接，ECU(25)通过氨气喷射器(10)控制氨气喷射脉宽和喷射时刻，并通过氨气流量传感器(11)的反馈信号进行修正。
P5 ECU控制系统与P4氨气加热装置存在信号交互：ECU(25)通过导线与加热电路开关(15)和电压调节阀(16)连接，ECU(25)通过加热电路开关(15)控制电加热的开启和关闭，同时，ECU(25)通过电压调节阀(16)调节电阻丝的加热功率，对氨气瓶(14)进行加热。ECU(25)通过导线与换热装置启动开关(18)、温度传感器(20)连接，ECU(25)接收温度传感器(20)所传递的信号，判断尾气温度的高低，继而ECU(25)通过控制换热装置启动开关(18)，决定是否启用尾气加热装置系统。
P5 ECU控制系统中存在信号交互，其主要特征为：ECU(25)通过导线与转速传感器(23)、曲轴位置传感器(24)相连，判断内燃机转速和压缩上支点位置，为燃料喷射时刻和喷射脉宽提供参考。ECU(25)接收氧传感器(21)传递的信号，控制内燃机的过量空气系数，确定燃料喷射量。ECU(25)通过导线与火花塞(22)相连，控制火花塞点火时间。
一种氢内燃机及控制方法，该方法为负荷控制策略：：
ECU(25)接收转速传感器(23)、曲轴位置传感器(24)和进气压力传感器(9)所发出的信号控制进气压力P，通过调节进气门(7)开度，增加进气压力。当进气压力P≤30KPa时,发动机此时为启动工况，为了内燃机可以正常启动，通过P2氢气供给系统，采取纯氢模式燃烧策略。ECU(25)通过电控系统控制P2氢气供给系统，ECU(25)通过氢气减压阀(2)和氢气喷射器(5)控制氢气供给量，通过节气门(7)控制空气供给量，并根据氢气流量传感器(3)和空气流量传感器(8)、进气压力传感器(9)进行反馈调节，保持过量空气系数λ＝1。同时，ECU(25)使氨气流量减压阀(12)关闭，保证在启动工况中不向内燃机提供氨燃料。
ECU(25)接收转速传感器(23)、曲轴位置传感器(24)和进气压力传感器(9)所发出的信号控制进气压力P，通过调节进气门(7)开度，增加进气压力，当进气压力30<P≤60KPa，此时内燃机在低负荷工况条件下工作。此时，ECU(25)使加热电路开关(15)处于打开状态，ECU(25)通过电压调节阀(16)调节加热电阻丝(14)功率，经过信号反馈调节，保证氨气瓶(14)温度为50℃。，同时，ECU(25)控制通过换热装置启动开关(18)处于打开状态，利用内燃机尾气余热对氨进行加热，提高进气过程的氨气的温度，ECU(25)通过控制氢气流量传感器(3)、氢气喷射器(5)以及氨气流量传感器(11)和氨气喷射器(10)，降低氢燃料的比例，增加氨燃料比例，通过氢流量传感器(3)和氨流量传感器(11)的反馈信号进行调节，使发动机过量空气系数保持在λ＝1.5，使压缩比＞15的氨内燃机在富氨条件下可以稳定运行。
ECU(25)接收转速传感器(23)、曲轴位置传感器(24)和进气压力传感器(9)所发出的信号控制进气压力P，控制进气门(7)开度，使进气压力p＞60KPa，此时内燃机在中高负荷工况条件下工作。ECU(25)通过控制氢气流量减压阀(3)，使氢气流量减压阀(3)处于关闭状态，不再向缸内输送氢燃料。同时，ECU(25)控制氨气流量传感器(11)、氨气喷射器(10)以及氨流量传感器(11)的反馈调节信号使内燃机成为纯氨内燃机使发动机过量空气系数保持在λ＝1。ECU(25)使加热电路开关(15)处于打开状态，ECU(25)通过电压调节阀(16)调节加热电阻丝(14)加热功率，经过信号反馈调节，保证氨气瓶(14)温度大于50℃。同时，ECU(25)控制通过换热装置启动开关(18)处于打开状态，利用内燃机尾气余热对氨进行加热，提高进气过程的氨气的温度，使纯氨内燃机可以实现稳定燃烧。
其中，燃烧过程混合物过量空气系数λ为燃料燃烧时实际空气需要量与理论空气需要量的比值。

Claims (2)

1.一种氨内燃机，其特征在于包括：P1内燃机进气系统、P2氢气供给系统、P3氨气供给系统、P4氨气加热系统和P5 ECU控制系统；
P1内燃机进气系统包括空气滤清器(6)、节气门(7)、空气流量传感器(8)和进气压力传感器(9)；P2氢气供给系统包括氢气瓶(1)、氢气减压阀(2)、氢气流量传感器(3)、阻火器(4)和氢气喷射器(5)；P3氨气供给系统包括氨气瓶(13)、氨气减压阀(12)、氨气流量传感器(11)和氨气喷射器(10)；P4氨气加热装置包括电源电池装置(17)、加热电路开关(15)、加热电阻丝(14)、电压调节阀(16)尾气换热装置(19)、换热装置启动开关(18)和温度传感器(20)；P5 ECU控制系统包括ECU(25)、氧传感器(21)、火花塞(22)、转速传感器(23)和曲轴位置传感器(24)
P5 ECU控制系统与P1内燃机进气系统存在信号交互：ECU(25)通过导线与节气门(7)、空气流量传感器(8)连接；通过向节气门(7)发出节气门控制信号实现节气门开度控制，通过进气压力传感器(9)检测进气管内进气压力大小，空气流量传感器(8)将检测到的信号反馈到ECU(25)，对内燃机进气量进行调节；
P5 ECU控制系统与P2氢气供给系统存在信号交互：ECU(25)通过导线与氢气减压阀(2)连接，通过节气门控制信号调节氢气的喷射压力；同时导线还与氢气流量传感器(3)、氢气喷射器(5)连接，ECU(29)通过氢气喷射器(5)控制喷射脉宽和喷射时刻，并通过氢气流量传感器(3)的反馈信号进行修正；
P5 ECU控制系统与P3氨气供给系统存在信号交互：ECU(25)通过导线与氨气减压阀(12)连接，通过节气门控制信号调节氨气的喷射压力；ECU(25)通过导线与氨气流量传感器(11)和氨气喷射器(10)相连接，ECU(25)通过氨气喷射器(10)控制氨气喷射脉宽和喷射时刻，并通过氨气流量传感器(11)的反馈信号进行修正；
P5 ECU控制系统与P4氨气加热装置存在信号交互：ECU(25)通过导线与加热电路开关(15)和电压调节阀(16)连接，ECU(25)通过加热电路开关(15)控制电加热的开启和关闭，同时，ECU(25)通过电压调节阀(16)调节电阻丝的加热功率，对氨气瓶(14)进行加热；ECU(25)通过导线与换热装置启动开关(18)、温度传感器(20)连接，ECU(25)接收温度传感器(20)所传递的信号，判断尾气温度的高低，继而ECU(25)通过控制换热装置启动开关(18)，决定是否启用尾气加热装置系统；
P5 ECU控制系统中存在信号交互：ECU(25)通过导线与转速传感器(23)、曲轴位置传感器(24)相连，判断内燃机转速和压缩上支点位置，为燃料喷射时刻和喷射脉宽提供参考；ECU(25)接收氧传感器(21)传递的信号，控制内燃机的过量空气系数，确定燃料喷射量；ECU(25)通过导线与火花塞(22)相连，控制火花塞点火时间。
2.控制如权利要求1所述的一种氨内燃机的方法，其特征在于：
ECU(25)接收转速传感器(23)、曲轴位置传感器(24)和进气压力传感器(9)所发出的信号控制进气压力P，通过调节进气门(7)开度，增加进气压力；当进气压力P≤30KPa时,发动机此时为启动工况，为了内燃机可以正常启动，通过P2氢气供给系统，采取纯氢模式燃烧策略；ECU(25)通过电控系统控制P2氢气供给系统，ECU(25)通过氢气减压阀(2)和氢气喷射器(5)控制氢气供给量，通过节气门(7)控制空气供给量，并根据氢气流量传感器(3)和空气流量传感器(8)、进气压力传感器(9)进行反馈调节，保持过量空气系数λ＝1；同时，ECU(25)使氨气流量减压阀(12)关闭，保证在启动工况中不向内燃机提供氨燃料；
ECU(25)接收转速传感器(23)、曲轴位置传感器(24)和进气压力传感器(9)所发出的信号控制进气压力P，通过调节进气门(7)开度，增加进气压力，当进气压力30<P≤60KPa，此时内燃机在低负荷工况条件下工作；此时，ECU(25)使加热电路开关(15)处于打开状态，ECU(25)通过电压调节阀(16)调节加热电阻丝(14)功率，经过信号反馈调节，保证氨气瓶(14)温度为50℃；同时，ECU(25)控制通过换热装置启动开关(18)处于打开状态，利用内燃机尾气余热对氨进行加热，提高进气过程的氨气的温度，ECU(25)通过控制氢气流量传感器(3)、氢气喷射器(5)以及氨气流量传感器(11)和氨气喷射器(10)，降低氢燃料的比例，增加氨燃料比例，通过氢流量传感器(3)和氨流量传感器(11)的反馈信号进行调节，使发动机过量空气系数保持在λ＝1.5，使压缩比＞15的氨内燃机在富氨条件下可以稳定运行；
ECU(25)接收转速传感器(23)、曲轴位置传感器(24)和进气压力传感器(9)所发出的信号控制进气压力P，控制进气门(7)开度，使进气压力p＞60KPa，此时内燃机在中高负荷工况条件下工作；ECU(25)通过控制氢气流量减压阀(3)，使氢气流量减压阀(3)处于关闭状态，不再向缸内输送氢燃料；同时，ECU(25)控制氨气流量传感器(11)、氨气喷射器(10)以及氨流量传感器(11)的反馈调节信号使内燃机成为纯氨内燃机使发动机过量空气系数保持在λ＝1；ECU(25)使加热电路开关(15)处于打开状态，ECU(25)通过电压调节阀(16)调节加热电阻丝(14)功率，经过信号反馈调节，保证氨气瓶(14)温度大于50℃；同时，ECU(25)控制通过换热装置启动开关(18)处于打开状态，利用内燃，提高进气过程的氨气的温度，使纯氨内燃机实现稳定燃烧；
其中，燃烧过程混合物过量空气系数λ为燃料燃烧时实际空气需要量与理论空气需要量的比值。
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