一种灵活燃料喷射的氨氢发动机燃烧系统及控制策略

本发明属于内燃机燃烧系统，尤其涉及一种灵活燃料喷射的氨氢发动机燃烧系统及控制策略。

背景技术：

1、与碳氢燃料相比，氨是一种非常清洁的无碳燃料，具有体积能量密度高、储氢密度高、便于储运等优点。然而，氨燃料在内燃机中应用还存在一些挑战，包括点火能量高、火焰传播慢、可燃极限窄、nox和未燃nh3排放严重，以上问题限制了氨燃料的大规模应用。为了解决氨燃料燃烧和排放差的问题，引入高活性氢燃料改善氨燃料的燃烧被认为是有效途径。其中，氢气极易着火、燃烧速度快，与氨燃料有很强的互补性，且氨氢融合燃料为零碳排放。因此，氨氢融合燃料作为内燃机的燃料具有广阔的前景。

2、氨氢融合燃料在发动机上应用也存在一些问题。(1)较高的喷射压力会增强燃料的雾化效果，但是喷雾贯穿距也相应增加，喷射时刻较晚时易发生燃油撞壁；而喷射压力过低时会导致燃料雾化效果较差，进而影响发动机的燃烧特性和排放特性。因此，喷射压力对燃烧性能和排放性能至关重要。(2)目前氨氢发动机多采用进气道双直喷、缸内双直喷或组合喷射的方式供给燃料，进气道喷射方式导致充气效率降低，影响发动机的输出功率；缸内双直喷的方式受制于缸盖空间的限制，难以布置两个喷油器。因此，目前氨氢发动机的燃料供给方式存在一定的局限性。(3)此外，氢渗透性强，难于储运和运输，氢还具有易燃易爆的特性，车载储氢罐会极大提高危险系数，而车载氨重整制氢子系统可有效满足氨氢发动机对氢燃料的需求，提高车辆安全系数。基于此，目前急需开发出可灵活燃料喷射的氨氢发动机燃烧系统及控制策略。

技术实现思路

1、针对上述现有技术，本发明提供一种灵活燃料喷射的氨氢发动机燃烧系统及控制策略，利用双直喷喷射器灵活切换燃料的喷射压力，并可实现重整气单燃料喷射和氨氢融合燃料的双燃料喷射。采用氨重整制氢子系统在线提供重整气以引燃氨燃料，提高整车安全系数。此外，本发明可通过能量回收子系统来驱动气驱增压泵提高燃料供给压力，充分利用燃料箱内燃料来延长车辆行驶续航里程。

2、为了解决上述技术问题，本发明提出的一种灵活燃料喷射的氨氢发动机燃烧系统，该燃烧系统包括发动机子系统、能量回收子系统、燃料增压供给子系统、氨重整制氢子系统和电控子系统；

3、所述发动机子系统包括发动机本体，双直喷喷射器和火花塞，所述双直喷喷射器和火花塞安装在发动机缸盖中间位置，所述双直喷喷射器内部设有两条分别通向燃烧室的低压燃料通道和高压燃料通道，实现重整气单燃料高压喷射、氨氢融合双燃料低压喷射、氨氢融合双燃料高压喷射；

4、所述能量回收子系统包括排气涡轮机、排气压气机、可回收制动能量的车载压气机和空气储气罐；所述排气压气机的旋转是利用排气动能驱动的，所述排气压气机将大气中空气压缩进所述空气储气罐中，所述车载压气机的旋转是利用刹车动能驱动的，自所述排气压气机连接至所述空气储气罐及自所述车载压气机连接至所述空气储气罐的连接管路上均分别安装一单向阀；

5、所述燃料增压供给子系统包括氨罐、氨高压共轨、重整气罐、重整气高压共轨、混合罐和两台气驱增压泵，所述两台气驱增压泵包括连接在所述氨罐排气口与所述氨高压共轨进口之间管路a上的氨气驱增压泵和连接在所述重整气罐的排气口与所述重整气高压共轨进口之间管路b上的重整气气驱增压泵；所述氨气驱增压泵设有氨泵换向阀，所述重整气气驱增压泵设有重整气气泵换向阀，管路a和管路b上均分别设有单向阀；所述氨高压共轨和所述重整气高压共轨的出口分别通过连接管路连接至所述的混合罐，两条连接管路上均设有气体电动流量调节阀，所述混合罐内设有用以检测氨氢掺混比的成分传感器，自所述混合罐分别连接出两条管路，一条是连接至所述双直喷喷射器的高压燃料通道的混合罐高压管路，另一条是连接至所述双直喷喷射器的低压燃料通道的混合罐低压管路，所述混合罐低压管路上装有电动减压阀；

6、所述氨重整制氢子系统包括安装于发动机排气管外壁的重整器，所述重整器内部装有催化剂，外部装有重整器电加热装置；所述重整气罐设有重整气成分及含量传感器，自所述氨罐至所述重整器进口的连接管路上依次设有重整器电动流量调节阀和单向阀；所述重整器出口与所述重整气罐进口之间的连接管路上设有单向阀；

7、所述电控子系统包括ecu单元，发动机排气管上设有排气温度传感器，所述氨高压共轨和所述重整气高压共轨均分别配置有压力传感器；

8、所述排气温度传感器、重整器电加热装置、氨泵换向阀、重整气气泵换向阀、重整器电动流量调节阀、氨电动流量调节阀、重整气电动流量调节阀、成分传感器、氨泵换向阀、重整气气泵换向阀、重整气成分及含量传感器、氨高压共轨和重整气高压共轨配置的压力传感器、双直喷喷射器、火花塞和电动减压阀均与所述的ecu单元相连。

9、进一步讲，本发明所述的灵活燃料喷射的氨氢发动机燃烧系统，其中：

10、所述空气储气罐上安装有安全阀，用以保证空气储气罐的压力维持在安全压力范围内。

11、所述空气储气罐负责收集储存高压空气并为下游的所述氨气驱增压泵和重整气气驱增压泵供给空气。

12、所述燃料增压供给子系统中，通过控制两个气体电动流量调节阀的开度为所述混合罐供给不同量的氨和重整气，实现混合罐重整气单燃料和氨氢融合双燃料的供给，且双燃料供给时掺混比可调。

13、所述氨重整制氢子系统中，来自所述氨罐的氨经过所述重整器电动流量调节阀调节流量后流入所述重整器，氨在所述重整器内催化裂解后分解成氢气和氮气，经过单向阀流入所述重整气罐，随后被所述重整气气驱增压泵吸入泵体内。

14、同时，本发明还提出了上述灵活燃料喷射的氨氢发动机燃烧系统的控制策略，包括：

15、所述排气温度传感器将排气温度反馈至所述ecu单元，所述重整气成分及含量传感器将重整气罐内重整气成分及含量反馈至所述ecu单元，所述ecu单元依据排气温度和重整气罐内重整气成分及含量计算目标重整气量，进而调整所述重整器电动流量调节阀的开度和所述重整器电加热装置的开关，控制流入所述重整器的氨流量及氨的分解程度；

16、所述成分传感器将所述混合罐内燃料成分反馈至所述ecu单元，所述ecu单元依据发动机水温和燃料成分来调整氨电动流量调节阀和重整气电动流量调节阀的开度，保证混合罐重整气单燃料或氨氢融合双燃料供给，且双燃料供给时氢氨能量掺混比为7.5％，保持最佳燃烧热效率状态；

17、设置在所述氨高压共轨和所述重整气高压共轨上的压力传感器检测各自共轨内燃料的压力，所述ecu单元依据所述压力调整氨气驱增压泵和重整气气驱增压泵换向阀换向，维持共轨的高压环境；

18、所述ecu单元依据喷射压力对发动机性能影响的标定结果控制混合罐低压管路的电动减压阀将高压降至低压，实现混合罐的高压和低压燃油供给；

19、所述ecu单元依据发动机水温、转速和油门开度，控制所述双直喷喷射器实现重整气单燃料高压喷射、氨氢融合双燃料高压喷射、氨氢融合双燃料低压喷射，随后控制所述火花塞点火。

20、进一步讲，本发明所述的控制策略，其中，冷启动时，实现重整气单燃料喷射，暖机阶段或是发动机正常运行时，实现氨氢融合双燃料喷射。

21、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

22、(1)基于双直喷喷射器，可依据运行工况随时调整燃料的高压和低压喷射压力，兼顾燃烧性能和排放性能。

23、(2)通过控制重整气管路和氨管路的通断及流量实现重整气单燃料喷射或氨氢融合双燃料喷射。

24、(3)采用能量回收子系统实现排气能量和刹车能量的回收利用，以此驱动气驱增压泵来提高燃料压力并充分利用燃料罐内燃料，提高了能源利用率和延长车辆行驶续航里程。

25、(4)采用氨在线重整制氢装置可简化燃料供给系统，提高整车安全系数，并解决了氨发动机冷启动阶段着火困难的问题。