一种氨燃料内燃机的低压EGR废气组分及温度复合调控系统

本发明属于内燃机，尤其涉及一种氨燃料内燃机的低压egr废气组分及温度复合调控系统。

背景技术：

1、氨作为一种零碳燃料，其完全燃烧产物为氮气和水，是一种面向低碳及清洁目标的理想内燃机燃料。但氨燃料作为内燃机主要燃料应用时，存在燃烧速度慢、可燃极限范围窄、点火能量高等问题，导致在实际使用中，氨燃料内燃机燃烧组织困难且污染物排放较高。

2、由于氨自身理化特性上的限制，使得氨燃料难以单独作为燃料在内燃机上应用，因此通过各种高活性助燃燃料来引燃氨被认为是一种有效的解决方案。其中在压燃式发动机中，通过在缸内直喷柴油等高活性燃料，在进气道内喷入氨被认为是一种可以有效改善氨燃料燃烧，提高燃烧速度及热效率的方式。但氨燃料由于着火和燃烧条件较为苛刻，使得尾气中的nox及未燃nh3排放较高。作为一种有效的燃烧调控手段，废气再循环（egr）在优化氨燃料内燃机燃烧特性，拓宽氨燃料内燃机的工况范围及改善含氮污染物排放等方面具有重要意义。

3、在传统的压燃式发动机中，egr技术主要是通过降低氧浓度以及燃烧温度来破坏nox的生成条件。而对于氨燃料内燃机，引入egr技术主要是根据当前工况调控进入燃烧室内混合气体的初始温度及组分，改善氨燃料的燃烧边界条件，从而实现氨燃料的快速稳定完全燃烧，同时将生成的nox及未燃nh3重新引入缸内，通过nox与nh3之间的氧化还原反应生成没有污染的氮气和水，进而降低氨燃料内燃机含氮污染物的排放。现有egr技术根据是否在egr管路中接入egr中冷器分为冷egr和热egr。传统压燃式发动机由于主要燃料为碳基燃料，燃烧生成的nox基本为热力型nox，因此需要增设egr中冷器对egr废气进行冷却，降低缸内的燃烧初始温度，从而破坏nox生成条件，减少燃烧产物中nox的生成量；而对于氨燃料内燃机，燃烧生成的nox不仅有热力型nox而且有燃料型nox，因此需要采用冷热egr相互结合的方式控制热力型nox生成的同时减少燃料型nox的排放，从而实现氨燃料内燃机快速稳定清洁燃烧。由于氨燃料燃烧速度慢，燃烧过程中容易发生淬熄等不良燃烧现象，因此氨燃料内燃机缸内燃烧初始温度不宜过低，从而限制了冷egr在氨燃料内燃机上的应用。当氨燃料内燃机处于小负荷或怠速工况时，通过额外的加热装置对循环废气进行加热，保证缸内的燃烧初始温度进而改善氨燃料的不完全燃烧情况至关重要。但nox作为氨燃料的不完全燃烧产物之一，易在高温富氧的条件下生成，故氨燃料内燃机为减少nox的生成量缸内燃烧温度也不宜过高。

4、现如今应用于车用内燃机的egr技术根据egr管路与涡轮增压器布置位置的不同，分为高压egr和低压egr。相对于低压egr，高压egr由于在涡轮增压器之前取气，一定程度上降低了涡轮的工作效率，并且采用高压egr时通常egr阀和相关元器件会被废气所污染，总体热效率也低于低压egr。由于传统柴油机燃烧产生的颗粒物排放较高，采用低压egr会严重影响相关工作元件尤其是涡轮增压器的使用寿命，因此限制了低压egr的广泛应用。

技术实现思路

1、本发明实施例的目的在于提供一种氨燃料内燃机的低压egr废气组分及温度复合调控系统，旨在解决上述背景技术中提出的问题。

2、本发明实施例是这样实现的，一种氨燃料内燃机的低压egr废气组分及温度复合调控系统，包括ecu、排气系统、低压egr系统以及进气系统，其中：

3、所述排气系统包括增压器涡轮机端，所述增压器涡轮机端设置有两个排气管路；

4、所述低压egr系统包括与一个排气管路连接的低压egr管路，所述低压egr管路的另一端串联有低压egr主路a、低压egr分路b和低压egr分路c，所述低压egr主路a、低压egr分路b和低压egr分路c上均安装有通断阀，三个所述通断阀分别定义为通断阀a、通断阀b和通断阀c，对应安装于低压egr主路a、低压egr分路b和低压egr分路c上，所述低压egr主路a上还串联有egr中冷器a，所述低压egr分路b上串联有egr中冷器b，所述低压egr分路c上串联有egr加热器，所述低压egr主路a、低压egr分路b和低压egr分路c远离低压egr管路的一端均与egr阀连接，且所述egr阀的一侧还设置有用于检测egr阀两端的压差的egr压差传感器，且所述egr阀的管路上还设置有egr温度传感器；

5、所述进气系统由进气流量计、空气滤清器、增压器压气机端、进气中冷器、电子节气门以及进气歧管串联组成，进气歧管最终与缸盖进气道连接，且所述egr阀通过管道与空气滤清器和增压器压气机端之间的管路连接；

6、所述ecu同时与各电气部件连接，用于进行信号接收和反馈控制。

7、进一步的技术方案，所述排气管路的外部套设有一层隔热材料。

8、进一步的技术方案，所述低压egr分路b和低压egr分路c之间还设置有气体分离膜。

9、本发明实施例的另一目的在于，一种氨燃料内燃机的低压egr废气组分及温度复合调控方法，基于上述的氨燃料内燃机的低压egr废气组分及温度复合调控系统，包括以下步骤：

10、步骤1、当氨燃料内燃机燃烧调控需要egr时，egr阀受ecu控制后开启，燃烧废气由于压差的作用从排气管路流入低压egr管路；

11、步骤2、当低压egr管路中的egr阀开启后，ecu通过egr压差传感器与egr温度传感器的反馈信号获取当前低压egr管路中循环废气的温度和压力，并结合当前选用的低压egr分路中循环废气的组分及egr阀开度传感器的反馈信号计算流经egr阀的循环废气流量，通过进气流量计计算当前进气管路内混合气体的egr率，并根据燃烧室内进气的egr率与当前工况所需目标egr率的差值对egr阀的开度进行调节；

12、步骤3、当低压egr管路中的egr阀开启后，ecu根据当前氨燃料内燃机的工况选择合适的低压egr分路，通过控制低压egr系统中通断阀a、通断阀b和通断阀c的开关，对循环废气进行相应的加热或冷却处理，从而调控进气温度并间接影响缸内的燃烧初始温度，并根据egr温度传感器的反馈信号对低压egr分路中egr加热器的功率或egr中冷器的冷却强度进行调节，实现对氨燃料内燃机缸内进气温度的闭环控制；

13、步骤4、当氨燃料内燃机工作在小氨替代率工况时，ecu控制低压egr主路a中的通断阀a开启，循环废气流入低压egr主路a中，通过低压egr主路a中的egr中冷器a对循环废气进行冷却，降低氨燃料内燃机的燃烧初始温度；

14、步骤5、当氨燃料内燃机处于大负荷工况下时，ecu控制低压egr主路b中的通断阀b开启，循环废气流入低压egr分路b中，此时循环废气经过气体分离膜的筛选处理后，氮气的含量下降、水蒸气的比例增加，形成了富水蒸气的低压egr废气；通过低压egr分路b中的egr中冷器b对富水蒸气的循环废气进行冷却，降低重新进入燃烧室内混合气体的温度；

15、步骤6、当氨燃料内燃机处于小负荷、怠速或冷启动等氨燃料燃烧初始条件较差的工况时，ecu控制通断阀c开启，循环废气流入低压egr分路c中；此时循环废气经过气体分离膜的筛选处理后水蒸气的含量下降，且氮气的比例增加，形成了富氮的低压egr废气，通过低压egr分路c中的egr加热器对富氮的循环废气进行加热，提高进入燃烧室内混合气体的温度；

16、步骤7、当低压egr管路中的通断阀b或通断阀c开启后，循环气体流经低压egr分路b和低压egr分路c之间的气体分离膜时，气体分离膜会对循环废气的组分进行筛选处理，改变循环废气中氮气和水蒸气所占比例，从而对氨燃料内燃机进气组分进行调控；

17、步骤8、当低压egr管路中的循环废气流入进气管路后，与进气管路中的新鲜工质混合，形成具有一定废气含量的混合气体，当混合气体流经增压器压气机端增压后，初步提高进入燃烧室内混合气体的含量；

18、步骤9、当增压压力较高，进气中冷器正常工作时，进气管路中的混合气体流入进气中冷器后，发动机冷却液对混合气体进行冷却，提高氨燃料内燃机的充气效率；

19、步骤10、当增压器转速不足且增压压力较低时，进气中冷器中发动机冷却液的温度高于增压后混合气体的温度，此时通过高温冷却液对混合气体加热，提高氨燃料燃烧所需进气的初始温度；

20、步骤11、当进气管路中的混合气体流经电子节气门时，ecu根据当前工况所需进气量对电子节气门的开度进行实时调节，精准控制缸内高活性引燃燃料及氨燃烧所需进气量；

21、步骤12、当ecu收到氨燃料内燃机的低压egr废气组分及温度复合调控系统停止信号时，控制egr阀关闭，低压egr废气组分及温度复合调控系统停止工作。

22、本发明实施例提供的一种氨燃料内燃机的低压egr废气组分及温度复合调控系统，其有益效果如下：

23、（1）相比于传统压燃式内燃机，起到对缸内进气温度进行主动调控的作用，从而间接提高氨燃料的燃烧初始条件，改善了氨燃料燃烧速度慢及燃烧不稳定的问题，同时有利于降低不完全燃烧产物的排放；

24、（2）相较于高压egr系统，高活性引燃燃料与氨组成的双燃料发动机中燃烧产生的颗粒物等固体污染物明显较少，减少对涡轮增压器工作和使用寿命的影响，更有利于发挥低压egr系统拓宽氨燃料内燃机工况范围、提高各缸燃烧一致性等优势，并且可以进一步提高氨燃料内燃机的热效率；由于egr管路增设在涡轮增压器之后，废气涡轮的工作效率无损失，并且燃烧产生的废气经过涡轮增压器后，涡轮增压器的响应速度提高，涡轮迟滞现象减弱；

25、（3）通过将低压egr管路分为一个低压egr主路和两个低压egr分路，有利于氨燃料内燃机在不同工况下选择合适的低压egr分路，通过在不同低压egr分路中的加热（或冷却）处理，改善了重新流入燃烧室内循环废气的温度，通过对循环废气温度的调控间接改变缸内进气温度，实现氨燃料内燃机进气温度的闭环控制，拓宽氨燃料内燃机工况范围，同时改善不同工况下燃烧室内氨燃料的燃烧速度、燃烧稳定性以及污染物排放情况；通过在低压egr管路中增设气体分离膜，改变循环废气中氮气及水蒸气所占的比例，实现不同低压egr分路内循环废气组分的调节。由于双原子气体氮气与三原子气体水蒸气比热容以及对氨燃烧反应作用存在差异，通过气体分离膜调节不同低压egr分路中循环气体的组分有利于在保证缸内污染物排放的同时减少能量消耗，并且间接影响缸内的进气温度，提高氨燃料内燃机热效率的同时降低氨燃料燃烧产生的含氮污染物的排放。通过低压egr废气组分及温度复合调控系统有利于实现氨燃料内燃机全负荷下的高效稳定清洁燃烧。