CN116357481B - 基于液氨热管理供给系统的氨氢燃料发动机及运行控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供基于液氨热管理供给系统的氨氢燃料发动机及运行控制方法，包括多级热回收单元、冷却单元、氨氢燃料内燃机，在发动机启动时，此时热裂解器并未工作，液氨通过缸内直喷进入燃烧室，储氢罐内的少量氢气供给至预燃室以及进气道内，为氨初次燃烧助燃，预燃室内氢通过火花塞点燃，实现对氨的引燃；启动后，高温尾气经过多级热回收进行轴功补偿，此外经过热回收单元实现对氨过热控制以及对SCR还原剂以及裂解器的供能，氢气混合气也可与回流的氨进行进气预混供给。通过燃料供给以及管理系统，从燃料燃烧的角度实现氨燃料的高效燃烧以及氨氢燃料发动机的高效率运行，解决了氨燃料固有属性造成的氨燃料发动机热效率低的问题。

Description

基于液氨热管理供给系统的氨氢燃料发动机及运行控制方法

技术领域

本发明涉及的是一种新能源发动机，具体地说是氨氢燃料发动机及运行控制方法。

背景技术

氨被认为是动力系统满足“双碳”目标的理想燃料，但具有燃点高、热值低、火焰传播速度慢等燃烧问题，而氢气具有点火能量低、燃烧温度高和火焰传播速度快等优点。因此氢作为引燃燃料的氨氢发动机也成为了实现动力系统近零排放目标的先进核心技术之一。尽管应用清洁燃料的氨氢发动机具有零碳排放的现实意义，但氨燃料存在的固有属性是作为燃料不可避免的问题。所带来的氨燃料发动机热效率及不完全燃烧的产物后处理的问题使氨燃料发动机的应用面临着许多挑战。因此需要设计出更加综合高效的燃料供给及余热利用技术来匹配零碳发动机，实现系统零碳排放的同时，提升了氨燃料燃烧特性，通过余热利用，实现了热量的高效利用。

发明内容

本发明的目的在于提供能解决氨燃料发动机能量效率低、氨燃料燃烧效果差等问题的基于液氨热管理供给系统的氨氢燃料发动机及运行控制方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明基于液氨热管理供给系统的氨氢燃料发动机，其特征是：包括氨氢燃料发动机、热回收单元、冷却单元、涡轮增压器，涡轮增压器连接于氨氢燃料发动机和热回收单元之间，所述氨氢燃料发动机包括储氨罐、储氢罐、氨燃料共轨管、发动机机体、回氨控制阀组、混合器，储氨罐连接氨燃料共轨管，储氢罐通过氢缓冲罐连接氢气气轨，发动机机体里分别设置气缸、氨燃料喷射器和主动型预燃室，氨燃料喷射器和主动型预燃室分别连接气缸，氨燃料共轨管连接氨燃料喷射器，氢气气轨连接主动型预燃室，所述回氨控制阀组包括第一-第三电子膨胀阀，第一电子膨胀阀与第三电子膨胀阀并联，且均与第二电子膨胀阀连接，第一电子膨胀阀和第三电子膨胀阀分别连接第一电磁三向阀，第一电磁三向阀通过氨缓冲罐连接储氨罐，第一电子膨胀阀还连接氨燃料喷射器，第三电子膨胀阀还连接混合器，混合器分别连接涡轮增压器和氢缓冲罐与氢气气轨之间的管路。

本发明基于液氨热管理供给系统的氨氢燃料发动机还可以包括：

1、所述热回收单元包括SCR后处理装置、涡轮机、汽轮机、热裂解器，从废气涡轮增压器排出的废热经第二换热器换热后进入SCR后处理装置进行排放，氨经过第二换热器处吸收热量后由液态转变为氨蒸汽，进入涡轮机膨胀转换为机械能输出，进入热回收单元的氨在第三换热器吸收废气进行过热后变成气态氨后经三向阀一方面进入热裂解器将氨分解成氮气与氢气，氢气进入储氢罐作为引燃燃料，另一方面通过三通阀进入SCR后处理装置，从裂解器产生的废气经与汽轮机同轴的涡轮机转换成轴功后排放。

2、所述冷却单元包括第一散热器、第二散热器、润滑油箱、水箱、冷却水泵、润滑油泵，第一散热器的两端分别连接水箱和冷却水泵，水箱连接发动机冷却水入口，冷却水泵连接发动机冷却水出口，第二散热器的两端分别连接润滑油箱和润滑油泵，润滑油箱和润滑油泵均连接氨氢燃料发动机。

本发明基于液氨热管理供给系统的氨氢燃料发动机的运行控制方法，其特征是：当发动机启动时，液氨供给单元将液态氨燃料供给至氨燃料共轨管和氨燃料的缸内直喷装置，氢燃料作为氨燃料的引燃和助燃燃料，此时氨燃料裂解器不运行工作，氢燃料通过储氢罐储存的氢气运行，氢燃料一部分供给给缸内喷射装置，点燃后射流引燃喷射进入气缸的氨燃料，另一部分经进气道进入燃烧室，进行助燃。

本发明基于液氨热管理供给系统的氨氢燃料发动机的运行控制方法还可以包括：

1、当发动机运行时，液氨供给组件供给的液氨完成过热控制后进入缸内喷射装置，另一部分氨燃料气化成氨气后进入多级热回收组件、氨裂解器以及SCR后处理装置，内燃机的废气热能为氨在氨裂解器内裂解反应以及SCR后处理装置提供能量，运行过程中氨裂解器运行工作，在氨裂解反应后产生的氢气满足内燃机的需求，同时额外的废气通过涡轮进行轴功补偿，如果此时氢燃料满足使用要求，液氨供给组件停止供给，燃料缸内喷射装置将氨裂解反应后产生的氢气、氨气和氮气混合气由储氢罐供给喷射入氨氢内燃机的气缸内，同时通过进气道的混合器作为氨的助燃燃料进入燃烧室。

本发明的优势在于：

1、本发明实现了氨氢发动机余热利用的高效耦合，充分利用了发动机的废热能，既提高了能源利用效率也完成了系统排放的无碳化。

2、本发明采用氨燃料液态供给，缸内直喷的供给和喷射方式，同时，通过对回氨的控制，实现以进气道喷射为辅的两种喷射模式耦合，结合氢燃料的引燃和助燃功能，加强发动机缸内燃烧，实现多工况可调节喷射模式。

3、通过热回收单元对氨氢燃料发动机供给系统进行过热控制，以解决氨燃料燃烧速度慢，燃点高的固有属性缺陷问题，提高燃烧速度、提高热效率，同时满足发动机的多种喷射需求。

4、通过热回收单元对发动机余热多级回收利用，实现发动机余热轴功补偿，氨气多级过热，使其满足于热裂解器以及SCR后处理装置的能量需求。

5、发动机相比于其它零碳动力装置可实现纯度不高的氢燃料的使用，发动机在线制氢的设计可提高发动机集成化程度，提高发动机运行安全性。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为氨氢燃料供给系统结构示意图；

图3为回氨控制单元阀组结构示意图；

图4为热回收单元结构示意图；

图5为冷却单元结构示意图；

图6为氨氢燃料发动机运行控制方法控制流程图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1-6，图1为本发明整体结构示意图，基于液氨热管理供给系统的氨氢燃料发动机包括氨氢燃料发动机3、热回收单元6、冷却单元8、废气涡轮增压器1、尾气排放端口4、5、中冷器2、中冷器端口9、10、供氨泵7组成以及若干管路组成。从氨氢燃料发动机系统3排出的一路废气废热通过尾气排放端口5经三通阀38进入热回收单元6，另一路经尾气排放端口4经废气涡轮系统后进入热回收单元6。空气经废气涡轮增压后进入中冷器2，随后进入气缸，用以提升进气效率。

图2为氨氢燃料发动机3结构示意图，包括储氨罐11、供氨泵12、1号换热器13、传感器14、氨燃料共轨管15、回氨管路16、氨燃料喷射器17、发动机机体18、气缸19、回氨控制阀组31、气液分离器23、电磁三向阀22、缓冲罐24、自增压泵25、混合器30。在氨气供给单元中设置换热器13，可实现调控氨燃料的过热控制，热源来自于氨氢燃料发动机系统废气，氨燃料经过过热控制后喷入气缸19燃烧，可加快氨燃料燃烧速度，提升氨燃料燃烧效率，同时进氨管路中设置传感器14，对供给燃料进行实时监测。对于氨燃料的回氨控制，氨燃料经过气液分离器23和自增压泵25返回储氨罐中。氢燃料供给系统包括储氢罐26、减压阀27、缓冲罐28、电磁三向阀29、氢气气轨20、主动型预燃室21。此外，可根据发动机运行工况或对外做功需求，控制氨气通过回氨控制阀组31及旁通管路与进入气缸空气以及氢气混合后进入气缸进行燃料补偿。

图3为回氨控制单元核心组件回氨控制阀组结构示意图，31-1、31-2、31-3为可控开度的电子膨胀阀，当31-1开通，31-2、31-3关闭时，回氨经过自增压泵汇入储氨罐11；当31-1与31-2同时打开或者31-2单独打开，31-3关闭时，可通过调节31-2开度控制进入混合器30的氨量，31-3可作为安全阀使用，或者配合电磁三向阀22，在31-2故障时仍然能通过阀31-1与电磁三向阀22实现阀组的调节功能。

图4为热回收单元6结构示意图，包括电磁三向阀38、37、2号换热器32、3号换热器39、涡轮机33、34、热裂解器40、膨胀阀35、SCR后处理装置36。从废气涡轮增压器1排出的废热经2号换热器32换热后进入SCR装置36进行排放。从氨罐进入热管理系统的氨经过换热器32处吸收热量后由液态转变为氨蒸汽，进入涡轮机34膨胀转换为机械能输出，从汽轮机33出来的氨的能量品位要低于从尾气端口5进入的一次废气能量品位，因此，进入热回收单元6的氨在换热器39吸收废气进行过热后变成气态氨后经三向阀37一方面可进入热裂解器40将氨分解成氮气与氢气，氢气进入储氢罐作为引燃燃料，另一方面可以通过三通阀进入SCR后处理装置36。从裂解气产生的废气经与涡轮机33同轴的涡轮机34转换成轴功后排放。从尾气端口5排出的废热经换热器39经膨胀阀35进入SCR后处理装置36。

图5为冷却系统8结构示意图，包括冷却水单元和润滑油冷却单元，冷却水单元包括水箱41、散热器42、中冷器冷却水出口43、发动机冷却水出口47、冷却水泵48、发动机冷却水入口49、中冷器冷却水入口50；润滑油冷却单元包括润滑油箱46、散热器44、润滑油泵45。

涡轮增压器连接于发动机的废气输出端与热回收单元废气输入端之间，所述涡轮增压器的空气输出端通过管道与发动机的进气道连接。

氨氢燃料发动机燃料供给包括液氨供给单元、氢燃料供给单元、回氨控制单元、缸内直喷装置。

液氨供给单元储氨罐与供氨泵相连，经过过热换热器以及传感器连接到氨燃料共轨管，在废气排放管道与1号换热器、3号换热器之间设置有可调节开度的电控三向阀，调节对液氨燃料以及氨气的过热程度，实现液氨燃料的过热控制；

储氨罐与供氨泵连接，进氨管路中设置传感器，回氨管路中的换向阀一路连接气液分离器，一路经换热器与氢进气道连接，气液分离器依次与缓冲罐、自增压泵和储氨罐连接；在液氨缸内直喷装置与回氨储存罐以进气道内混合器之间设置有回氨控制阀组，调节进气道补给的燃料量以及起到控制回氨的作用，此外也可与进气道内混合器相连，进行燃料混合供给；

氢燃料供给单元控制氢燃料的供给，储氢罐26与减压阀22相连，通过缓冲罐28连接氢气气轨20，并与用于氢气点燃的主动型预燃室21相连；氢燃料或氢气混合气在预燃室内被火花塞点燃，经过预燃室喷孔进入主燃室，引燃氨燃料。

发动机冷却单元分为冷却水回路和润滑油冷却回路，包括发电机冷却水泵48、散热器42、44、中冷器、润滑油泵45、润滑油箱46、冷却水箱41；冷却水回路中冷却水箱41与中冷器2以及发动机3直接相连，发动机3及中冷器与水泵相连，接入散热器42；润滑油冷却回路中润滑油箱46与发动机相连，发动机与润滑油泵45相连，并接入散热器44。

后处理器与裂解器与发动机热回收单元形成了多元耦合，所述热回收单元包括多级热回收组件、热裂解器40、SCR后处理装置36、多个换热器组成，排气管道分为两部分，其一与涡轮增压器相连，并与2号换热器连接，最终与SCR后处理器36相连，此路径中涉及到的热设计为：储氨罐与2号供氨泵相连，供氨泵与换热器相连，并接入多级热回收组件，膨胀端与3号换热器相连，经过三项阀分别与SCR还原剂供给端和热裂解器40相连；另一排气管道不经过涡轮增压器，直接与三向阀相连，分别接入1号换热器进行液氨燃料过热控制以及接入3号换热器对多级热回收组件膨胀后的氨进行再热，向下与膨胀阀相连，最终连接至SCR后处理装置36。

图6为基于液氨热管理供给系统的氨氢燃料发动机运行控制方法，针对本发明提出的实例，对于整个发动机的运行过程以及控制方法如下：

发动机启动时，氢燃料在储氢罐经减压阀27后进入氢气管路，在缓冲罐28中进行稳压，保持稳定供氢，由于发动机冷态启动，加之氨燃料点火困难，氢燃料通过电磁三向阀29进入混合器30中，经由进气道进入发动机燃烧室，起到助燃作用。氨燃料以高压液态状态储存在储氨罐11中，通过供氨泵12运输至氨供给管路，从发动机尾气端口5引入的废气能够在1号换热器13中在氨燃料进入气缸前对其过热度进行调控，通过传感器14进行监测。氢气进入预燃室21后被火花塞点燃，随后会进入缸内引燃高燃点的氨喷雾，发动机实现启动点火。

当发动机稳定运行时，储氢罐26中的氢来自于氨裂解反应，所以储氢罐26自身只储存少部分氢用于启动，保证发动机的安全性。氨的在线制氢能量来源于发动机稳定运行后的余热回收，大量废热通过热回收单元6进行充分利用，其中一路发动机尾气废热主要服务于液氨供给单元过热控制和氨裂解器40以及SCR处理装置36中还原剂氨的能量需求，达到氨裂解或者还原作用的温度要求，同时通过对氨气的作用，实现发动机轴功补偿，从2号换热器32出来的氨气可通过涡轮机33将热量转换成机械能。从发动机尾气端口5排出的高温废气根据工况通过三通阀38对进入气缸的氨燃料进行预热，从涡轮机33出来的工质处于温度相对液氨要更高的气液共存状态，通过换热器39的一次废热将氨提高到更高的温度对进入氨裂解器40。从换热器39换热后的废气经膨胀阀35进入SCR后处理系统36，完成两路废气回收。氨裂解器40将氨裂解为氮气和氢气，氢气进入储氢罐26储存，氮气以及裂解废气经涡轮机34将热能转换为机械能后进入后处理装置。另一路主要服务于废气涡轮以加压空气。从发动机尾气端口4排出的高温废气通过废气涡轮1把空气进行加压，增加气缸进气量，再通过中冷器2、换热器30进入气缸。

在发动机运行时，低压回氨燃料经阀组31后通过自增压进入储氨罐11，同时也可用过回氨控制阀组31进入混合器30，通过进气道进去发动机，配合氢燃料供给单元通过电磁三向阀29进入混合器30的功能，形成燃料自我补偿机制，可通过氨氢燃料变比例补偿的方式实现全工况范围的适配。当发动机负荷较大时，可通过此机制进行较大浓度的氨燃料补偿，提升发动机的动力性能，当负荷较小或者启动时，可进行较大浓度的氢燃料补偿。而当发动机运行稳定时，可以关闭燃烧补偿管路，低压回氨经三通阀22进入气液分离器23，氨气在进入自增压泵25之前在缓冲罐24之前进行储存和稳压，再加压转换成液氨后回到储氨罐11。

由上述描述可知，本发明采用氨氢发动机本体与热回收单元的高效耦合，充分利用了发动机的废热能，既提高了能源利用效率也完成了系统排放的无碳化。实现以缸内直喷为主，进气道喷射为辅的两种喷射模式耦合，加强发动机缸内燃烧，实现多工况可调节喷射模式以适应发动机的多种喷射需求。通过热回收单元对氨氢燃料发动机供给系统进行过热调节解决氨燃料燃点高、燃烧速度慢的固有属性的问题。通过废气涡轮增压进行废热利用，通过余热回收与氨补能预热，通过涡轮机输出轴功实现轴功补偿，为氨的热裂解与尾气后处理提供能量，一定程度实现了发动机集成化并提升了安全性。通过氨氢发动机系统与热回收单元协同作用很大程度提升发动机的热效率，实现了整个动力系统的零碳排放。

Claims (4)

1.基于液氨热管理供给系统的氨氢燃料发动机，其特征是：包括氨氢燃料发动机、热回收单元、冷却单元、涡轮增压器，涡轮增压器连接于氨氢燃料发动机和热回收单元之间，所述氨氢燃料发动机包括储氨罐、储氢罐、氨燃料共轨管、发动机机体、回氨控制阀组、混合器，储氨罐连接氨燃料共轨管，储氢罐通过氢缓冲罐连接氢气气轨，发动机机体里分别设置气缸、氨燃料喷射器和主动型预燃室，氨燃料喷射器和主动型预燃室分别连接气缸，氨燃料共轨管连接氨燃料喷射器，氢气气轨连接主动型预燃室，所述回氨控制阀组包括可控开度的第一、第二、第三电子膨胀阀，第一电子膨胀阀与第三电子膨胀阀并联，且均与第二电子膨胀阀连接，第一电子膨胀阀和第三电子膨胀阀分别连接第一电磁三向阀，第一电磁三向阀通过氨缓冲罐连接储氨罐，第一电子膨胀阀还连接氨燃料喷射器，第三电子膨胀阀还连接混合器，混合器分别连接涡轮增压器和氢缓冲罐与氢气气轨之间的管路；当第一电子膨胀阀打开、第二、第三电子膨胀阀关闭时，回氨通过回氨控制阀组汇入储氨罐，当第一电子膨胀阀和第二电子膨胀阀同时打开或者第二电子膨胀阀单独打开、第三电子膨胀阀关闭时，通过调节第二电子膨胀阀开度控制进入混合器的氨量，第三电子膨胀阀配合第一电磁三向阀，在第二电子膨胀阀故障时仍能通过第一电子膨胀阀与第一电磁三向阀实现阀组的调节功能；

所述热回收单元包括SCR后处理装置、涡轮机、汽轮机、热裂解器，从废气涡轮增压器排出的废热经第二换热器换热后进入SCR后处理装置排放，从储氨罐的部分氨经过第二换热器吸收废热热量后由液态转变为氨蒸汽，进入汽轮机膨胀转换为机械能输出；

进入所述热回收单元的氨在第三换热器吸收废气进行过热后变成气态氨后经三向阀，一路可进入热裂解器将氨分解成氮气与氢气，氢气进入储氢罐作为引燃燃料，裂解产生的废气经过与汽轮机同轴的涡轮机转换成轴功后排放；经过三向阀后的另一路通过三通阀进入SCR后处理装置，且从发动机尾气端口排出的废热经过第三换热器经膨胀阀进入SCR后处理装置中。

2.根据权利要求1所述的基于液氨热管理供给系统的氨氢燃料发动机，其特征是：所述冷却单元包括第一散热器、第二散热器、润滑油箱、水箱、冷却水泵、润滑油泵，第一散热器的两端分别连接水箱和冷却水泵，水箱连接发动机冷却水入口，冷却水泵连接发动机冷却水出口，第二散热器的两端分别连接润滑油箱和润滑油泵，润滑油箱和润滑油泵均连接氨氢燃料发动机。

3.一种基于权利要求1或2所述的液氨热管理供给系统的氨氢燃料发动机的运行控制方法，其特征是：当发动机启动时，液氨供给单元将液态氨燃料供给至氨燃料共轨管和氨燃料的缸内直喷装置，氢燃料作为氨燃料的引燃和助燃燃料，此时氨燃料裂解器不运行工作，氢燃料通过储氢罐储存的氢气运行，氢燃料一部分供给给缸内喷射装置，点燃后射流引燃喷射进入气缸的氨燃料，另一部分经进气道进入燃烧室，进行助燃。

4.根据权利要求3所述的基于液氨热管理供给系统的氨氢燃料发动机的运行控制方法，其特征是：当发动机运行时，液氨供给组件供给的液氨完成过热控制后进入缸内喷射装置，另一部分氨燃料气化成氨气后进入多级热回收组件、氨裂解器以及SCR后处理装置，内燃机的废气热能为氨在氨裂解器内裂解反应以及SCR后处理装置提供能量，运行过程中氨裂解器运行工作，在氨裂解反应后产生的氢气满足内燃机的需求，同时额外的废气通过涡轮进行轴功补偿，如果此时氢燃料满足使用要求，液氨供给组件停止供给，燃料缸内喷射装置将氨裂解反应后产生的氢气、氨气和氮气混合气由储氢罐供给喷射入氨氢内燃机的气缸内，同时通过进气道的混合器作为氨的助燃燃料进入燃烧室。