基于氢气起燃的氨氢混合气动力系统及运行控制方法与流程

1.本发明涉及节能与新能源汽车领域，特别涉及一种基于氢气起燃的氨氢混合气动力系统及运行控制方法。


背景技术：

2.氨是世界上第二大合成的工业化学物质，全球年产量约2亿吨，相关基础及产业链完善。氨不但可以作为氢能的载体，用于制氢，而且氨的物化特性决定它可以作为发动机的替代燃料。与氢一样，氨也可从可再生能源的各种资源中生产，作为内燃机燃料，与氢相比，氨的体积能量密度为14.9mj/m3，高于氢气的体积能量密度10.7mj/m3，而且氨在常压下，-33℃就变成液体，具有易储存携带，续航里程长等优势；同时氨的自燃温度和最小点火能力高，可燃范围小，使用安全可靠；但氨也存在点火困难，火焰传播速度慢等问题，应用于内燃机时，会导致内燃机内部燃料燃烧不稳定、启动不顺等问题。


技术实现要素：

3.本发明目的在于提供一种基于氢气起燃的氨氢混合气动力系统及运行控制方法，以解决现有技术中所存在的一个或多个技术问题，至少提供一种有益的选择或创造条件。
4.为解决上述技术问题所采用的技术方案：
5.首先本发明提供一种基于氢气起燃的氨氢混合气动力系统，其包括：液氨供给组件、蒸发器、存储稳压冷凝器、氢供给组件、氨氢内燃机、氨裂解器、冷却水泵、散热器，所述氨氢内燃机设置有燃料气道喷射装置、燃料缸内喷射装置和冷却系统；
6.所述液氨供给组件的氨输出端与蒸发器的氨输入端连接，所述蒸发器的氨输出端通过管路分别与存储稳压冷凝器的氨输入端、氨裂解器的氨输入端连接，所述存储稳压冷凝器的氨输出端通过管路与燃料气道喷射装置的气轨输入端连接；
7.所述氨裂解器的混合输出端通过管路与存储稳压冷凝器的混合输入端连接，所述存储稳压冷凝器的混合输出端和氢供给组件的氢输出端均通过管路与燃料缸内喷射装置的气轨输入端连接；
8.所述冷却水泵的输入端通过管路与散热器的输出端连接，所述冷却水泵的输出端通过管路与冷却系统的输入端连接，所述冷却系统的输出端通过管路与蒸发器的冷却液输入端连接，所述蒸发器的冷却液输出端通过管路与散热器输入端连接；
9.所述氨氢内燃机的废气输出端通过管路与氨裂解器的废气输入端连接。
10.本发明的有益效果是：在氨氢内燃机启动时，氨裂解器内气体的温度较低，氨不能裂解反应，这时的氨裂解器不工作运行，而氢供给组件就给燃料缸内喷射装置供给氢气，燃料缸内喷射装置将氢气喷射入氨氢内燃机的各气缸内，实现对氨的引燃，解决了内燃机启动时，排气温度低，不能提供氨裂解所需的能量，无引燃燃料而导致氨氢内燃机启动不顺的问题；在氨氢内燃机启动完后，氨氢内燃机的高温废气进入氨裂解器内，给氨裂解反应提供所需的能量，当氨裂解反应所产生的氢气可满足引燃需求量时，氢供给组件就停止供给，裂
解后的高温混合气进入存储稳压冷凝器内，与氨气换热降温，并存储和稳压之后输送至燃料缸内喷射装置，燃料缸内喷射装置将氨氢混合气喷射入氨氢内燃机的各气缸内，作为引燃和助燃燃料，氨裂解器充分地利用氨氢内燃机废气余热进行氨裂解，提升了燃料能量的利用率，同时用于引燃的氢气和氨重整后的氨氢混合气共用一套燃料缸内喷射装置，结构简化，降低了成本；而在氨氢内燃机运行过程中，液氨供给组件提供的液氨依次经过蒸发器和存储稳压冷凝器换热，并形成氨气，之后燃料气道喷射装置将氨气喷射到氨氢内燃机的各缸进气道内，在蒸发器内液氨与冷却系统中的高温冷媒进行换热，而在存储稳压冷凝器内，就与高温混合气进一步换热降温，使得输送至燃料气道喷射装置的氨气含量更高，燃烧效果更佳，提高能量的利用率，起到节能减排的效果。
11.作为上述技术方案的进一步改进，所述基于氢气起燃的氨氢混合气动力系统还包括催化还原后处理器，所述液氨供给组件的氨输出端通过管路与催化还原后处理器的氨输入端连接，所述催化还原后处理器的废气输入端通过管路分别与氨裂解器的废气输出端和氨氢内燃机的废气输出端连接。本方案中的液氨供给组件也给催化还原后处理器供给氨，氨作为还原剂，对氨氢内燃机和氨裂解器来的废气进行净化，净化后的气体再排放到大气中，保护环境，用氨燃料作为还原剂进入催化还原后处理器，没有尿素喷射系统，降低了成本。
12.作为上述技术方案的进一步改进，所述基于氢气起燃的氨氢混合气动力系统还包括涡轮增压器，所述涡轮增压器连接于氨氢内燃机的废气输出端与催化还原后处理器的废气输入端之间，所述涡轮增压器的空气输出端通过管道与氨氢内燃机的空气输入端连接。
13.本方案还通过涡轮增压器对氨氢内燃机的废气能量进一步利用，涡轮增压器可提高进入氨氢内燃机的空气量，进一步提升了燃料能量的利用率。
14.作为上述技术方案的进一步改进，在所述催化还原后处理器的废气输入端与氨裂解器的废气输出端之间设置有电控调压阀，在所述液氨供给组件的氨输出端与催化还原后处理器的氨输入端之间设置有第二电控流量控制阀。本方案通过电控调压阀调节进入氨裂解器内的废气量，以及通过第二电控流量控制阀调节进入催化还原后处理器内的氨量。
15.作为上述技术方案的进一步改进，所述基于氢气起燃的氨氢混合气动力系统还包括电池、与氨氢内燃机传动连接的发电机，所述氨裂解器设置有电加热器，所述电加热器与电池、发电机相互电连接。
16.本方案中的发电机由氨氢内燃机的飞轮驱动，在氨氢内燃机运作时，发电机为电池充电提供能量，在氨氢内燃机废气热量不足时，电池为氨裂解器内的电加热器提供电量，使得氨裂解器的运行工作更加稳定。
17.作为上述技术方案的进一步改进，所述液氨供给组件包括依次连接的液氨储存器和液氨泵，所述液氨泵的输出端为所述液氨供给组件的氨输出端，在所述液氨储存器和液氨泵之间设置有第一电控截止阀。本方案通过液氨泵将液氨储存器内的液氨抽出进行供应，提供液氨供给的压力，而第一电控截止阀可以控制液氨输出供给管路开关。
18.作为上述技术方案的进一步改进，在所述蒸发器的氨输出端与存储稳压冷凝器的氨输入端之间设置有第一电控流量控制阀，在所述存储稳压冷凝器的氨输出端与燃料气道喷射装置的气轨输入端之间设置有第二稳压阀；在所述存储稳压冷凝器的混合输出端与燃料缸内喷射装置的气轨输入端之间依次设置有第一稳压阀和第一单向阀，在所述蒸发器的
氨输出端与氨裂解器的氨输入端之间设置有第二单向阀。
19.第一电控流量控制阀用于控制进入存储稳压冷凝器的氨量，而第二稳压阀对进入燃料气道喷射装置的氨气进行稳压，第一稳压阀对进入燃料缸内喷射装置的氢氨混合气体进行稳压，保证各缸之间的燃料供给均匀性和燃烧的稳定性，第一单向阀防止启动时高压氢气进入氨裂解器而引发事故，第二单向阀主要防止氨裂解器内高温气体倒流。
20.作为上述技术方案的进一步改进，所述氢供给组件包括依次连接的储氢罐、第二电控截止阀、减压器和第三稳压阀，所述第三稳压阀的输出端为所述氢供给组件的氢输出端。第二电控截止阀控制氢气输出供给管路开关，高压氢气通过减压器，压力降低至许可范围内，而第三稳压阀也保证各缸之间的燃料供给均匀性和燃烧的稳定性。
21.作为上述技术方案的进一步改进，所述存储稳压冷凝器设置有第一压力传感器和第一温度传感器，所述燃料气道喷射装置的气轨设置有第二压力传感器和第二温度传感器，所述氨裂解器设置有第三温度传感器，所述燃料缸内喷射装置设置有第三压力传感器。
22.第一压力传感器用于监测存储稳压冷凝器内的压力，第一温度传感器用于监测存储稳压冷凝器内的温度，第二压力传感器用于监测气轨压力，第二温度传感器用于监测气轨温度，第三温度传感器用于监测氨裂解器的温度，第三压力传感器用于监测轨压。
23.此外，本发明还提供一种基于氢气起燃的氨氢混合气动力系统的运行控制方法，其采用上述的氨氢混合气动力系统，具体运行控制方法如下：
24.在氨氢内燃机启动时，燃料气道喷射装置将液氨供给组件供给的少量氨喷入氨氢内燃机的各缸进气道内，同时氢供给组件给燃料缸内喷射装置供给氢气，燃料缸内喷射装置将氢气喷射入氨氢内燃机的气缸内，作为氨的引燃燃料，这时的氨裂解器不运行工作；
25.当氨氢内燃机启动后，液氨供给组件供给的液氨经过蒸发器气化成氨气后进入氨裂解器，内燃机的废气热能和电池同时为氨在氨裂解器内裂解反应提供能量，氨裂解器运行工作，当氨裂解反应后产生的氢气能满足内燃机的需求后，氢供给组件停止供给，燃料缸内喷射装置将氨裂解反应后产生的氢气、氨气和氮气混合气喷射入氨氢内燃机的气缸内，作为氨的引燃和助燃燃料。
附图说明
26.下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明；
27.图1是本发明所提供的基于氢气起燃的氨氢混合气动力系统，其一实施例的示意图。
具体实施方式
28.本部分将详细描述本发明的具体实施例，本发明之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本发明的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本发明保护范围的限制。
29.在本发明的描述中，如果具有“若干”之类的词汇描述，其含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。
30.本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所
属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
31.参照图1，本发明的基于氢气起燃的氨氢混合气动力系统作出如下实施例：
32.本实施例的基于氢气起燃的氨氢混合气动力系统包括液氨供给组件、蒸发器4、存储稳压冷凝器12、氢供给组件、氨氢内燃机9、氨裂解器11、冷却水泵20、散热器22、催化还原后处理器26、涡轮增压器23、电池28、与氨氢内燃机9传动连接的发电机27。
33.所述氨氢内燃机9设置有燃料气道喷射装置8、燃料缸内喷射装置15和冷却系统，其中冷却系统对氨氢内燃机9进行冷却的。
34.氢供给组件包括依次连接的储氢罐16、第二电控截止阀17、减压器18和第三稳压阀19，所述第三稳压阀19的输出端为所述氢供给组件的氢输出端，而第二电控截止阀17控制氢气输出供给管路开关，高压氢气通过减压器18，压力降低至许可范围内，第三稳压阀19对氢气起到稳压的作用。
35.液氨供给组件包括依次连接的液氨储存器1和液氨泵3，所述液氨泵3的输出端为所述液氨供给组件的氨输出端，在所述液氨储存器1和液氨泵3之间设置有第一电控截止阀2，通过液氨泵3将液氨储存器1内的液氨抽出进行供应，提供液氨供给的压力，而第一电控截止阀2可以控制液氨输出供给管路开关。
36.所述液氨供给组件的氨输出端与蒸发器4的氨输入端连接，所述蒸发器4的氨输出端通过管路分别与存储稳压冷凝器12的氨输入端、氨裂解器11的氨输入端连接，所述存储稳压冷凝器12的氨输出端通过管路与燃料气道喷射装置8的气轨输入端连接，所述氨裂解器11的混合输出端通过管路与存储稳压冷凝器12的混合输入端连接，所述存储稳压冷凝器12的混合输出端和氢供给组件的氢输出端均通过管路与燃料缸内喷射装置15的气轨输入端连接，所述冷却水泵20的输入端通过管路与散热器22的输出端连接，所述冷却水泵20的输出端通过管路与冷却系统的输入端连接，所述冷却系统的输出端通过管路与蒸发器4的冷却液输入端连接，所述蒸发器4的冷却液输出端通过管路与散热器22输入端连接，所述氨氢内燃机9的废气输出端通过管路与氨裂解器11的废气输入端连接，所述液氨供给组件的氨输出端通过管路与催化还原后处理器26的氨输入端连接，所述催化还原后处理器26的废气输入端通过管路分别与氨裂解器11的废气输出端和氨氢内燃机9的废气输出端连接，所述涡轮增压器23连接于氨氢内燃机9的废气输出端与催化还原后处理器26的废气输入端之间，所述涡轮增压器23的空气输出端通过管道与氨氢内燃机9的空气输入端连接，所述氨裂解器11设置有电加热器，所述电加热器与电池28、发电机27相互电连接。
37.本实施例中的散热器22带有风扇21，冷媒通过风扇21进行进一步散热。
38.在氨氢内燃机9启动时，氨裂解器11内气体的温度较低，氨不能裂解反应，这时的氨裂解器11不工作运行，而氢供给组件就给燃料缸内喷射装置15供给氢气，燃料缸内喷射装置15将氢气喷射入氨氢内燃机9的各气缸内，实现对氨的引燃，解决了内燃机启动时，排气温度低，不能提供氨裂解所需的能量，无引燃燃料而导致氨氢内燃机9启动不顺的问题；在氨氢内燃机9启动完后，氨氢内燃机9的高温废气进入氨裂解器11内，与电池28同时给氨裂解反应提供所需的能量，当氨裂解反应所产生的氢气可满足引燃要求后，氢供给组件就停止供给，裂解后的高温混合气进入存储稳压冷凝器12内，与氨气换热降温，并存储和稳压，之后输送至燃料缸内喷射装置15，燃料缸内喷射装置15将氨氢混合气喷射入氨氢内燃
机9的各气缸内，作为氨的引燃和助燃燃料，氨裂解器11充分地利用废气余热进行氨裂解，提升了燃料能量的利用率，同时引燃的氢气和氨重整后的氨氢混合气共用一套燃料缸内喷射装置15，结构简化，降低了成本；而在氨氢内燃机9运行过程中，液氨供给组件提供的液氨依次经过蒸发器4和存储稳压冷凝器12换热，并形成氨气，之后燃料气道喷射装置8将氨气喷射到氨氢内燃机9的各缸进气道内，在蒸发器4内液氨与冷却系统中的高温冷媒进行换热，而在存储稳压冷凝器12内，就与高温混合气进一步换热降温，使得输送至燃料气道喷射装置8的氨气含量更高，燃烧效果更佳，提高能量的利用率，起到节能减排的效果。
39.本实施例中的液氨供给组件也给催化还原后处理器26供给氨，氨作为还原剂，对氨氢内燃机9和氨裂解器11来的废气进行净化，净化后的气体再排放到大气中，保护环境，用氨燃料作为还原剂进入催化还原后处理器26，没有尿素喷射系统，降低了成本；还通过涡轮增压器23对氨氢内燃机9的废气能量进一步利用，涡轮增压器23可提高进入氨氢内燃机9的空气量，进一步提升了燃料能量的利用率。
40.并且，在氨氢内燃机9运作时，发电机27为电池28充电提供能量，在氨氢内燃机9废气热量不足的情况下，电池28也为氨裂解器11内的电加热器提供电量，使得氨裂解器11的运行工作更加稳定；通过液氨泵3将液氨储存器1内的液氨抽出进行供应，提供液氨供给的压力，而第一电控截止阀2可以控制液氨输出供给管路开关。
41.进一步地，在所述催化还原后处理器26的废气输入端与氨裂解器11的废气输出端之间设置有电控调压阀24，在所述液氨供给组件的氨输出端与催化还原后处理器26的氨输入端之间设置有第二电控流量控制阀25，在所述蒸发器4的氨输出端与存储稳压冷凝器12的氨输入端之间设置有第一电控流量控制阀6，在所述存储稳压冷凝器12的氨输出端与燃料气道喷射装置8的气轨输入端之间设置有第二稳压阀7；在所述存储稳压冷凝器12的混合输出端与燃料缸内喷射装置15的气轨输入端之间依次设置有第一稳压阀13和第一单向阀14，在所述蒸发器4的氨输出端与氨裂解器11的氨输入端之间设置有第二单向阀10。
42.本实施例通过电控调压阀24调节进入氨裂解器11内的废气量，以及通过第二电控流量控制阀25调节进入催化还原后处理器26内的氨量，第一电控流量控制阀6用于控制进入存储稳压冷凝器12的氨量，而第二稳压阀7对进入燃料气道喷射装置8的氨气进行稳压，第一稳压阀13对进入燃料缸内喷射装置15的氢氨混合气体进行稳压，保证各缸之间的燃料供给均匀性和燃烧的稳定性，第一单向阀14防止启动时高压氢气进入氨裂解器11而引发事故，第二单向阀10主要防止氨裂解器11内高温气体倒流。
43.更进一步地，所述存储稳压冷凝器12设置有第一压力传感器32和第一温度传感器33，所述燃料气道喷射装置8的气轨设置有第二压力传感器30和第二温度传感器29，所述氨裂解器11设置有第三温度传感器31，所述燃料缸内喷射装置15设置有第三压力传感器34，其中第一压力传感器32用于监测存储稳压冷凝器12内的压力，第一温度传感器33用于监测存储稳压冷凝器12内的温度，第二压力传感器30用于监测气轨压力，第二温度传感器29用于监测气轨温度，第三温度传感器31用于监测氨裂解器11的温度，第三压力传感器34用于监测轨压，实现自动化的控制。
44.此外本实施例还提供一种基于氢气起燃的氨氢混合气动力系统的运行控制方法，其采用上述的氨氢混合气动力系统，具体运行控制方法如下：
45.在氨氢内燃机9启动时，燃料气道喷射装置8将液氨供给组件供给的少量氨喷入氨
氢内燃机9的各缸进气道内，同时氢供给组件给燃料缸内喷射装置15供给氢气，燃料缸内喷射装置15将氢气喷射入氨氢内燃机9的气缸内，作为氨的引燃燃料，这时的氨裂解器11不运行工作；
46.当氨氢内燃机9启动后，液氨供给组件供给的液氨经蒸发器4气化成氨气后进入氨裂解器11，内燃机的废气热能和电池28同时为氨在氨裂解器11内裂解反应提供能量，氨裂解器11运行工作，在氨裂解反应后产生的氢气能满足内燃机的需求后，氢供给组件停止供给，管路内的氢气压力降低，当管路内的氢气压力低于氨裂解器11内混合气压力时，氨裂解器11内的混合气进入管路，燃料缸内喷射装置15将氨裂解反应后产生的氢气、氨气和氮气混合气喷射入氨氢内燃机9的气缸内，作为氨的引燃和助燃燃料；
47.而液氨供给组件供给的液氨依次经过蒸发器4、存储稳压冷凝器12进行换热形成氨气，再通过燃料气道喷射装置8喷入氨氢内燃机9的各缸进气道内。
48.本实施例中的电池28为48v电池组件，燃料缸内喷射装置15为氨氢混合气和氢气共用燃料缸内喷射装置。
49.以上对本发明的较佳实施方式进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本技术权利要求所限定的范围内。