一种氨气内燃机及其控制方法

1.本发明提出了一种氨气内燃机系统及其控制方法，具体涉及一种以氨气为燃料的内燃机燃料供给系统设计及对应的控制方法，属于内燃机领域。


背景技术：

2.能源与环境的是人们目前所关注的重点问题。温室效应导致了全球变暖、海平面上升等环境问题，而二氧化碳则是导致温室效应的最大贡献者。如何降低碳排放是当前所面临的巨大问题。汽车产业是碳排放的主要来源之一，传统汽车主要以汽油和柴油为燃料进行燃烧，会造成大量的碳排放问题。因此，应当追求车用能源的转型，寻求合理的替代燃料。将车用燃料逐渐从传统碳氢燃料向无碳清洁燃料方向靠拢。
3.尽管氢气被认为是清洁、合理的能源载体，可以用作燃料燃烧也可用于燃料电池等方面，但是氢气存在储运困难等问题，且成本及安全性大大地降低了氢气作为能源广泛应用的前景。而氨气作为一种理想的储能物质，同样也可以作为潜在的替代能源，其分子中不含有碳元素，完全燃烧产物仅包括水和氮气。且其相较于大多数气体燃料具有易被压缩为液态的特点，使其便于储运。作为世界范围内第二大化学产品，氨气的相关储运设施已较为完备。因此氨气具有成为内燃机替代燃料的潜力。
4.氨气作为内燃机燃料的问题在于其较低的反应活性，因此其往往以与氢气共燃的方式出现在内燃机领域，然而这再次会面临氢气难以随车大量携带的问题。然而氨气在高温下会发生裂解、且催化剂会促进这一过程。考虑到上述问题，本发明提出了一种氨气内燃机及控制方法，具体涉及一种以氨气为燃料内燃机的系统装置设计及内燃机整机运行的控制方法。本发明通过氨气内燃机的排气余热作为主要热量来源，将内燃机所产生的废气通入氨气裂解反应器中，提供氨气裂解所需的高温环境，氨气在高温以及反应器中带有的催化剂的作用下分解为氢气和氮气，裂解产物和未完全裂解的氨气均可以作为燃料送入缸内燃烧，由于氢气的作用，混合气的活性会被显著增强，内燃机缸内的燃烧也会更加稳定。本研究中，仅配有很少量纯氢辅助内燃机起动，几乎以氨气作为唯一燃料，且可实现氨气内燃机的稳定运行。


技术实现要素：

5.为了改善传统内燃机的碳排放问题，本技术提供了一种以氨气为燃料的、通过氨气裂解来增强燃烧的氨气发动机。
6.本发明具体内容为以下技术方案：
7.一种氨气内燃机包括：空气进气管路(p1)上依次串联有：空气滤清器 (1)、进气压力传感器(2)、进气温度传感器(3)、进气流量传感器(4)；排气管路(p2)上依次串联有：排气流量传感器(11)、排气温度传感器(12)；第一氨气供给管路(p3)上依次串联有氨气罐(13)、第一氨气管路减压阀(14)、第一氨气体积流量控制器(15)、第一氨气滤清器(16)；裂解氨气供给管路 (p4)上依次串联有：氨气裂解反应器(17)、电加热装置(18)、裂解氨气喷嘴(6)；
第二氨气供给管路(p4)上依次串联有氨气罐(13)、第二氨气管路减压阀(19)、第二氨气体积流量控制器(20)、第二氨气滤清器(21)、氨气喷嘴(7)；氢气供给管路(p6)上以此串联有：氢气罐(25)、氢气减压阀 (24)、氢气体积流量控制器(23)、阻燃阀(22)及氢气喷嘴(5)；氨气内燃机(8)、火花塞(9)、转速传感器(10)、电控单元ecu(26)；
8.所述电控单元ecu(26)与氢气体积流量控制器(13)相连接并获得氢气体积流量信号a；
9.所述电控单元ecu(26)与进气压力传感器(2)相连接并获得进气压力信号b；
10.所述电控单元ecu(26)与进气温度传感器(3)相连接并获得进气温度信号c；
11.所述电控单元ecu(26)与进气流量传感器(4)相连接并获得进气流量信号d；
12.所述电控单元ecu(26)与氢气喷嘴(5)相连接并发出氢气喷射信号e 控制氢气喷嘴(5)的开闭；
13.所述电控单元ecu(26)与裂解氨气喷嘴(6)相连接并发出裂解氨气喷射信号f控制裂解氨气喷嘴(6)的开闭；
14.所述电控单元ecu(26)与氨气喷嘴(7)相连接并发出裂解氨气喷射信号g控制氨气喷嘴(7)的开闭；
15.所述电控单元ecu(26)与火花塞(9)相连接并发出点火信号h控制火花塞(8)放电；
16.所述电控单元ecu(26)与排气流量传感器(11)相连接并获得排气流量信号i；
17.所述电控单元ecu(26)与排气温度传感器(12)相连接并获得排气温度信号j；
18.所述电控单元ecu(26)与电加热装置(18)相连接并发出加热信号k 控制电加热装置(16)放热；
19.所述电控单元ecu(26)与转速传感器(10)相连接并获得内燃机转速信号l；
20.所述电控单元ecu(26)与第一氨气体积流量控制器(15)相连接并获得第一氨气体积流量信号m。
21.所述电控单元ecu(26)与第二氨气体积流量控制器(20)相连接并获得第二氨气体积流量信号n。
22.一种氨气为燃料的内燃机控制方法包括以下控制：
23.电控单元ecu(26)接收来自转速传感器(10)的信号l和进气压力传感器(2)的信号b分别获得当前转速r(r/min)和进气压力p(kpa)。
24.当r从r＝0变为r≠0时，内燃机为起动阶段，此时内燃机处于冷机状态，采用纯氢作为辅助可以使内燃机成功起动。因此此阶段采用纯氢模式，电控单元ecu(26)通过信号a至氢气体积流量控制器(23)为氨气内燃机(8) 提供氢气供给；在起动环节中，设定起动时间恒为3秒；在起动过程中使过量空气系数λ＝1.5；
25.起动结束后始终保持过量空气系数λ＝1；
26.当0＜r≤3000r/min，p≤70kpa，此时为低负荷状态，采用裂解氨气模式可以满足内燃机的动力需求，电控单元ecu(26)输出信号m至第一氨气体积流量控制器(15)为氨气裂解反应器(17)提供氨气，氨气被裂解后为氨气内燃机提供燃料。
27.当0＜r≤3000r/min，p＞70kpa，此时为高负荷状态，为了保证动力的充足，采用裂解氨气及氨气共同供给模式，电控单元ecu(26)分别输出信号 m至第一氨气体积流量控制器(15)、输出信号n至第二氨气体积流量控制器 (20)，使内燃机获得裂解氨气及氨气供给。
其中第二氨气供给管路占总氨气流量比为q＝0.2*r/3000 0.3*p/100。
28.当r＞3000r/min，为保证动力性，采用裂解氨气及氨气共同供给模式，电控单元ecu(26)分别输出信号m至第一氨气体积流量控制器(15)、输出信号n至第二氨气体积流量控制器(20)，使内燃机获得裂解氨气及氨气供给。其中第二氨气供给管路流量占总氨气流量比为q＝0.2*r/3000 0.3*p/100。
29.电控单元ecu(26)通过排气温度信号j、排气流量信号i计算排气余热能量；当排气余热能量不足时，电控单元(ecu)根据裂解氨气所需能量和排气余热能量得到电加热装置(18)所需补充热量；电控单元ecu(26)发出加热信号k控制电加热装置(18)工作。
30.电控单元ecu(26)输出信号e、信号f、信号g分别控制氢气、裂解氨气、氨气为内燃机提供燃料供给，缸内混合气通过电控单元ecu(26)输出点火信号h控制火花塞(8)引燃。
31.λ＝m
air
/(m
ammonia
*af
st,ammonia
m
hydrogen
*af
st,hydrogen
)，其中m
air
为空气质量流量，电控单元ecu(26)接收进气压力信号b、进气温度信号c和进气流量信号d计算得到空气质量流量，m
ammonia
和m
hydrogen
分别为氨气质量流量和氢气质量流量，af
st,ammonia
和af
st,hydrogen
分别为氨气和氢气的空燃比；在起动阶段m
ammonia
为0。起动结束后m
hydrogen
为0，m
ammonia
为ecu根据第一氨气体积流量信号和第二氨气体积流量信号计算得到的总氨气质量流量。
32.本发明的优势主要是：提供了一种无碳排放的内燃机装置。且考虑到了氢气储运困难的问题采用了氨气为燃料的主要策略。通过将内燃机产生的废气引入到氨气裂解装置中，实现了氨气的部分裂解，氨气裂解所产生的氢气提升了缸内气体的反应活性，可以实现内燃机整机的稳定运行。发明中所用的氢气仅作为内燃机起动所用，用量小，可以避免氢气携带困难的问题。
附图说明
33.图1一种氨气内燃机系统原理图
34.图中：空气进气管路(p1)、空气滤清器(1)、进气压力传感器(2)、进气温度传感器(3)、进气流量传感器(4)、排气管路(p2)、排气流量传感器 (11)、排气温度传感器(12)、氨气供给管路(p3)、氨气罐(13)、第一氨气管路减压阀(14)、第一氨气体积流量控制器(15)、第一氨气滤清器(16)、裂解氨气供给管路(p4)、氨气裂解反应器(17)、电加热装置(18)、裂解氨气喷嘴(6)、第二氨气供给管路(p4)、第二氨气管路减压阀(19)、第二氨气体积流量控制器(20)、第二氨气滤清器(21)、氨气喷嘴(7)；氢气供给管路(p6)、氢气罐(25)、氢气减压阀(24)、氢气体积流量控制器(23)、阻燃阀(22)、氢气喷嘴(5)、内燃机(8)、火花塞(9)、转速传感器(10)、电控单元ecu(21)；
35.氢气体积流量信号a、进气压力信号b、进气温度信号c、进气流量信号d、氢气喷射信号e、裂解氨气喷射信号f、氨气喷射信号g、点火信号h、排气流量信号i、排气温度信号j、加热信号k、内燃机转速信号l、第一氨气体积流量信号m、第二氨气体积流量信号n。
36.具体实施方式
37.下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的说明：
38.一种氨气内燃机包括：空气进气管路(p1)上依次串联有：空气滤清器 (1)、进气压
力传感器(2)、进气温度传感器(3)、进气流量传感器(4)；排气管路(p2)上依次串联有：排气流量传感器(11)、排气温度传感器(12)；第一氨气供给管路(p3)上依次串联有氨气罐(13)、第一氨气管路减压阀(14)、第一氨气体积流量控制器(15)、第一氨气滤清器(16)；裂解氨气供给管路 (p4)上依次串联有：氨气裂解反应器(17)、电加热装置(18)、裂解氨气喷嘴(6)；第二氨气供给管路(p4)上依次串联有氨气罐(13)、第二氨气管路减压阀(19)、第二氨气体积流量控制器(20)、第二氨气滤清器(21)、氨气喷嘴(7)；氢气供给管路(p6)上以此串联有：氢气罐(25)、氢气减压阀 (24)、氢气体积流量控制器(23)、阻燃阀(22)及氢气喷嘴(5)；氨气内燃机(8)、火花塞(9)、转速传感器(10)、电控单元ecu(26)；
39.所述电控单元ecu(21)接收进气压力信号b、进气温度信号c、进气流量信号d、排气流量信号i、排气温度信号j；发出氢气体积流量信号a、氢气喷射信号e、裂解氨气喷射信号f、氨气喷射信号g、点火信号h、加热信号k、第一氨气体积流量信号m、第二氨气体积流量信号n。
40.电控单元ecu(26)接收来自转速传感器(10)的信号l和进气压力传感器(2)的信号b分别获得当前转速r(r/min)和进气压力p(kpa)。
41.当r从r＝0变为r≠0时，内燃机为起动阶段，此时采用纯氢模式，电控单元ecu(26)通过信号a至氢气体积流量控制器(23)为氨气内燃机(8) 提供氢气；设定起动时间恒为3秒；在起动过程中使过量空气系数λ＝1.5；
42.起动结束后始终保持过量空气系数λ＝1；
43.当0＜r≤3000r/min，p≤70kpa，采用裂解氨气模式，电控单元ecu(26) 输出信号m至第一氨气体积流量控制器(15)为氨气裂解反应器(17)提供氨气，氨气被裂解后为氨气内燃机提供燃料。
44.当0＜r≤3000r/min，p＞70kpa，采用裂解氨气及氨气共同供给模式，电控单元ecu(26)分别输出信号m至第一氨气体积流量控制器(15)、输出信号n至第二氨气体积流量控制器(20)，使内燃机获得裂解氨气及氨气供给。其中第二氨气供给管路占总氨气流量比为q＝0.2*r/3000 0.3*p/100。
45.当r＞3000r/min，采用裂解氨气及氨气共同供给模式，电控单元ecu(26) 分别输出信号m至第一氨气体积流量控制器(15)、输出信号n至第二氨气体积流量控制器(20)，使内燃机获得裂解氨气及氨气供给。其中第二氨气供给管路占总氨气流量比为q＝0.2*r/3000 0.3*p/100。
46.电控单元ecu(26)通过排气温度信号j、排气流量信号i计算排气余热能量；当排气余热能量不足时，电控单元(ecu)根据裂解氨气所需能量和排气余热能量得到电加热装置(18)所需补充热量；电控单元ecu(26)发出加热信号k控制电加热装置(18)工作；
47.电控单元ecu(26)输出信号e、信号f、信号g分别控制氢气、裂解氨气、氨气为内燃机提供燃料供给，缸内混合气通过电控单元ecu(26)输出点火信号h控制火花塞(8)引燃。
48.λ＝m
air
/(m
ammonia
*af
st,ammonia
m
hydrogen
*af
st,hydrogen
)，其中m
air
为空气质量流量，电控单元ecu(26)接收进气压力信号b、进气温度信号c和进气流量信号d计算得到空气质量流量，m
ammonia
和m
hydrogen
分别为氨气质量流量和氢气质量流量，af
st,ammonia
和af
st,hydrogen
分别为氨气和氢气的空燃比；在起动阶段m
ammonia
为0。起动结束后m
hydrogen
为0，m
ammonia
为ecu根据第一氨气体积流量信号和第二氨气体积流量信号计算得到的总氨气质量流量。