一种氨氢融合发动机系统及控制方法与流程

本发明涉及清洁能源设备，具体涉及一种氨氢融合发动机系统及控制方法

背景技术：

1、随着工业的发展，人们对环境保护日渐重视，各种清洁能源的使用和研究逐渐开展起来；其中氢能源作为一种高效环保的绿色能源而广泛使用，然而氢能源的储存和运输以及供应链成本一直是氢能发展的困扰因素之一；氨作为一种大宗无机化合物，液化后易于运输和储存，且氨是一种无碳富氢的能源载体，因此通过氨气分解来制备氢气以作为燃料是一种具有良好经济效益和可持续发展的技术方案。

2、中国专利cn 114635787a公开了一种热分解低压混合型氨燃料发动机，对于氨分解反应装置的体积和催化剂转化率具有较大依赖，整体能量利用效率不高。

3、中国专利cn 114412668a提供了一种氨氢融合型混合动力系统及发动机，该专利文献采用氢气射流点火的燃烧系统，当氢气的喷射压力达到11bar时，可能要增加氢气增压泵，增压泵的使用会增加发动机的功耗；且该专利文献中采用气体分离装置，通过分析筛将氢气与杂质气体进行分离，整个系统较为复杂。

4、中国专利cn 115853636a涉及一种增程式混合动力氢基发动机系统及其控制方法，该专利文献采用氢气缸内直喷方式，氨裂解制氢后，氢气需经增压泵将氢气的压力提高至所需的喷射压力，而采用增压泵会增加发动机的功耗。

技术实现思路

1、针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种氨氢融合发动机系统及控制方法，整个发动机系统结构紧凑，且对于氨反应制氢装置体积要求和催化剂转化率要求不高。

2、本发明采用如下技术方案：

3、一方面，本发明提供了一种氨氢融合发动机系统，包括液氨罐、液氨泵、液氨汽化器、氨催化反应制氢装置、氢氮气混合器和发动机，所述液氨罐通过所述液氨泵与所述液氨汽化器进口连接，所述液氨汽化器出口连接一总管，所述总管上设有调压阀i，且在所述总管的出口端分别连接第一管路和第二管路，所述第二管路的出口端与所述发动机的进气歧管连接，所述第一管路的出口端连接所述氨催化反应制氢装置的进口端，所述氨催化反应制氢装置的出口端通过第三管路与所述氢氮气混合器连接，所述氢氮气混合器上还连接空气进气管，所述发动机的压气机进气端与所述氢氮气混合器连接，所述发动机的压气机出气端通过第四管路与所述发动机的进气歧管连接，所述第一管路上设有调压阀ii；所述发动机的排气歧管出气端通过第五管路与后处理装置连接。

4、进一步地，所述空气进气管上还设有空气过滤器。

5、进一步地，所述总管与所述的第一管路和第二管路之间通过三通阀连接，沿着所述第一管路中的氨气走向，在所述第一管路上依次设有调压阀ii、缓冲装置i和低压氨气喷射阀，通过调节所述调压阀ii，控制含有氢气和氮气混合气体的压力小于50kpa；沿着所述第二管路中的氨气走向，在所述第二管路上依次设有缓冲装置ii、高压氨气喷射阀和氨气混合器，所述氨气混合器的出口端与所述发动机的进气歧管连接。

6、进一步地，沿着所述第三管路中的氢气、氮气流动走向，在所述第三管路上依次设有换热器、过滤器、缓冲装置iii和氢氮气喷射阀。

7、进一步地，所述第四管路上还设有中冷器和节气门，所述中冷器用于将所述压气机压缩后的空气、氢气、氮气混合气体进行降温处理。

8、进一步优选地，所述发动机的涡轮与所述排气歧管连接，所述发动机的涡轮与压气机同轴连接，用于带动所述压气机提高空气和氢氮混合气的压力。

9、优选地，所述氨催化反应制氢装置中填充有钌基催化剂。

10、进一步地，所述发动机的冷却水通过第六管路与所述液氨汽化器连接，用于针对所述液氨汽化器中的液氨形成换热，所述第六管路上设有控制阀。

11、另一方面，本发明还提供了一种氨氢融合发动机系统控制方法，其包括如下步骤：

12、液氨罐中的液氨经液氨泵输入至液氨汽化器中汽化，汽化后的氨气经总管分别进入第一管路和第二管路；

13、汽化后的部分氨气经第一管路进入氨催化反应制氢装置，将氨气分解为氢气和氮气，并进入至氢氮气混合器；

14、经发动机的压气机增压，在氢氮气混合器中吸入空气，并同氢气和氮气混合后进入至发动机的进气歧管；

15、汽化后的另一部分氨气经第二管路进入发动机的进气歧管，并与空气、氢气、氮气混合形成混合气体；

16、发动机处于进气冲程时，混合气体进入发动机的缸内；

17、在发动机的压缩上止点附近，火花塞点燃缸内的混合气体，将热能转换为发动机的机械能；

18、发动机产生的燃烧废气排至发动机的排气歧管，经第五管路排至后处理装置中。

19、优选地，通过调压阀ii，控制氨催化反应制氢装置中的氢氮混合气的压力为50kpa以下，在发动机的进气歧管形成的可燃氢气、氮气、氨气和空气混合气体中，氢气占混合气体的10～20％。

20、优选地，通过打开与液氨汽化器连接的第六管路上的控制阀，将发动机排出的冷却水为液氨汽化器提供汽化热量，供液氨汽化器对液氨进行汽化。

21、本发明技术方案，具有如下优点：

22、a.本发明系统将液氨进行汽化后，在氨催化反应制氢装置中将一部分氨气进行催化分解反应，形成低压的氢气和氮气混合气体，并同空气经压气机吸入发动机的进气歧管；同时，另一部分高压氨气直接进入进气歧管，在发动机的进气歧管内形成可燃的氢气、氮气、氨气和空气的混合气体，在发动机的压缩上止点附近点燃缸内的混合气体，将燃烧化学能转换为发动机的机械能；本发明充分考虑了氨催化反应制氢装置中低压时可提高氨气催化反应的转换效率，并同时省略氢气的增压泵及气体分离装置以减小发动机的功耗，整个发动机系统更加紧凑。

23、b.本发明通过调压阀i控制汽化后的总管中的氨气压力在5-10bar，调压阀ii控制氨催化反应制氢装置中氨气转化为氢气和氮气的混合压力小于50kpa，并使进气歧管中的氢气占混合气体10-20％，可以减小氨催化反应制氢装置的体积及对催化剂转化效率的要求。

24、c.本发明在制氢过程中，充分利用了发动机动能，为发动机压气机进行增压驱动，同时利用发动机排出的冷却水为液氨汽化器进行换热，提高系统的能量循环利用率。

技术特征：

1.一种氨氢融合发动机系统，其特征在于，包括液氨罐、液氨泵、液氨汽化器、氨催化反应制氢装置、氢氮气混合器和发动机，所述液氨罐通过所述液氨泵与所述液氨汽化器进口连接，所述液氨汽化器出口连接一总管，所述总管上设有调压阀i，且在所述总管的出口端分别连接第一管路和第二管路，所述第二管路的出口端与所述发动机的进气歧管连接，所述第一管路的出口端连接所述氨催化反应制氢装置的进口端，所述氨催化反应制氢装置的出口端通过第三管路与所述氢氮气混合器连接，所述氢氮气混合器上还连接空气进气管，所述发动机的压气机进气端与所述氢氮气混合器连接，所述发动机的压气机出气端通过第四管路与所述发动机的进气歧管连接，所述第一管路上设有调压阀ii；所述发动机的排气歧管出气端通过第五管路与后处理装置连接。

2.根据权利要求1所述的氨氢融合发动机系统，其特征在于，所述空气进气管上还设有空气过滤器。

3.根据权利要求1所述的氨氢融合发动机系统，其特征在于，所述总管与所述的第一管路和第二管路之间通过三通阀连接，沿着所述第一管路中的氨气走向，在所述第一管路上依次设有调压阀ii、缓冲装置i和低压氨气喷射阀，通过调节所述调压阀ii，控制含有氢气和氮气混合气体的压力小于50kpa；沿着所述第二管路中的氨气走向，在所述第二管路上依次设有缓冲装置ii、高压氨气喷射阀和氨气混合器，所述氨气混合器的出口端与所述发动机的进气歧管连接。

4.根据权利要求3所述的氨氢融合发动机系统，其特征在于，沿着所述第三管路中的氢气、氮气流动走向，在所述第三管路上依次设有换热器、过滤器、缓冲装置iii和氢氮气喷射阀。

5.根据权利要求1所述的氨氢融合发动机系统，其特征在于，所述第四管路上还设有中冷器和节气门，所述中冷器用于将所述压气机压缩后的空气、氢气、氮气混合气体进行降温处理。

6.根据权利要求1-5任一项所述的氨氢融合发动机系统，其特征在于，所述发动机的涡轮与所述排气歧管连接，所述发动机的涡轮与压气机同轴连接，用于带动所述压气机提高空气和氢氮混合气的压力。

7.根据权利要求6所述的氨氢融合发动机系统，其特征在于，所述氨催化反应制氢装置中填充有钌基催化剂。

8.根据权利要求6所述的氨氢融合发动机系统，其特征在于，所述发动机的冷却水通过第六管路与所述液氨汽化器连接，用于针对所述液氨汽化器中的液氨形成换热，所述第六管路上设有控制阀。

9.一种氨氢融合发动机系统控制方法，其特征在于，其包括如下步骤：

10.根据权利要求9所述的氨氢融合发动机系统控制方法，其特征在于，通过调压阀ii，控制氨催化反应制氢装置中的氢氮混合气的压力为50kpa以下，在发动机的进气歧管形成的可燃氢气、氮气、氨气和空气混合气体中，氢气占混合气体的10～20％。

11.根据权利要求10所述的氨氢融合发动机系统控制方法，其特征在于，通过打开与液氨汽化器连接的第六管路上的控制阀，将发动机排出的冷却水为液氨汽化器提供汽化热量，供液氨汽化器对液氨进行汽化。

技术总结本发明公开了一种氨氢融合发动机系统及控制方法，包括液氨罐、液氨泵、液氨汽化器、后处理装置、氨催化反应制氢装置、氢氮气喷射阀、氢氮气混合器和发动机，一部分氨气通入氨催化反应制氢装置中分解产生氢氮混合气，氢氮混合气和空气经氢氮气混合器混合后被压气机吸入，经冷却后进入发动机的进气歧管；另一部分氨气经高压氨气喷射阀喷入氨气混合器，再进入发动机的进气歧管，在发动机的进气冲程中空气、氢氮混合气和氨气进入发动机缸内，在发动机的压缩上止点附近，火花塞点燃缸内的混合气体，将燃料的燃烧化学能转换为发动机的机械能。本发明考虑了氨气低压时氨催化分解氢气效率较高的特点，并且氢氮气进入压气机端，使氨氢发动机紧凑化。技术研发人员：江莉龙,都成君,林立,陈崇启,罗宇,张卿受保护的技术使用者：福大紫金氢能科技股份有限公司技术研发日：技术公布日：2024/7/4