一种氢氨内燃机燃料预热装置及燃料供给系统

技术领域

本发明属于内燃机技术领域，具体地说涉及一种氢氨内燃机燃料预热装置及燃料供给系统。

背景技术

内燃机，是一种动力机械，它是通过使燃料在机器内部燃烧，并将其放出的热能直接转换为动力的热力发动机。由于氢气具有不含有碳，燃烧后不产生CO2等特性，常被用作内燃机燃料，又由于氢气具有热值较高，无碳排放的优点，使得氢内燃机在飞机和无人机等领域上广泛应用。但是氢气液化条件苛刻，导致氢能存储运输困难，使氢内燃机在航空领域的发展受到限制。

氨是世界上第二大合成的工业化学物质，其重量载氢能力高达17.6％，体积载氢效率是氢气的150％，可作为氢能载体。且氨液化温度为-33℃，同质量的液氨储罐是液氢储罐体积的0.2％～1％，故氨相比氢气使用成本更低、更易存储运输，可作为内燃机的替代燃料。可是，当氨作为主要燃料使用时，其最小点火能量和层流燃烧速度均较低，故需要将氨与燃烧性能好的燃料，如氢气等掺混来改善其燃烧性能。

申请号为CN202310034364.0的专利公开了一种氨燃料内燃机，利用预燃火花塞为氨气进行预热，然而，该专利的火花塞是间断工作的，使用时需要反复持续的点火加热，故损耗较快需要定期更换；且该专利的火花塞易因故障导致点火不均匀，导致氨气预热效果不佳。对于飞机、无人机等飞行器而言，氨气预热效果不佳会导致混合气体燃烧不充分，进而导致内燃机动力不足，内燃机动力不足会影响飞行，甚至引发飞行器坠落的情况，危害极大。因此，急需提供一种能解决上述问题的燃料预热装置。

发明内容

本发明的目的是针对上述不足之处提供一种氢氨内燃机燃料预热装置及燃料供给系统，拟解决目前预热设备需要定期更换，氨气预热不均匀的问题。为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种氢氨内燃机燃料预热装置，包括壳体和等离子体加热组件；所述壳体内设有环形预热室和容置空间；所述环形预热室包括外侧壁和内侧壁，所述壳体与外侧壁之间围成环状的第一通道；所述壳体上开设有至少一个连通第一通道的氨气进气口，所述氨气进气口用于将氨气从第一通道输入容置空间；所述容置空间通过内侧壁的内表面连通外界，所述容置空间内的氨气通过内侧壁向外界输出；所述等离子体加热组件设在环形预热室上，等离子体加热组件用于在环形预热室内产生高温等离子体，以利用高温等离子体的热量加热从第一通道输入容置空间的氨气和通过内侧壁向外界输出的氨气。

进一步的，所述等离子体加热组件包括上电极片和下电极片；所述上电极片和下电极片相对设置在外侧壁的内表面和内侧壁的外表面上；所述环形预热室上还设有至少一个氢气进气口和电极出口；所述氢气通过氢气进气口输入环形预热室内；所述上电极和下电极均连有一根导线，且两根导线从电极出口引出环形预热室外。

进一步的，所述壳体的右端还设有导流结构，导流结构用于将从第一通道输入的氨气向内侧壁导流；所述导流结构的截面呈左宽右窄的梯形。

进一步的，所述壳体和外侧壁之间沿轴向设有若干个隔板；若干个隔板将第一通道均匀分割为多个分支通道，且每个分支通道上均对应设有一个氨气进气口。

进一步的，还包括整流结构；所述整流结构设在内侧壁的内表面上，所述整流结构用于为从内侧壁的内表面向外输出的氨气进行整流。

进一步的，所述整流结构包括螺旋状凸起，所述螺旋状凸起的内部为中空结构。

进一步的，还包括罩体；所述罩体套设在壳体外，所述罩体与壳体之间形成有余热腔；所述罩体的左端设有废气进气口，右端设有废气出气口；所述废气进气口用于向余热腔内输入带余热的内燃机废气，所述废气出气口用于从余热腔向外排出内燃机废气。

进一步的，一种氢氨内燃机的燃料供给系统，采用权利要求1所述的氢氨内燃机燃料预热装置，还包括直流电源、氨气储罐、氢气储罐、内燃机和控制器；所述直流电源通过导线分别与上电极和下电极电连接；所述氨气储罐通过第一管道与至少一个的氨气进气口相连；所述第一管道上设有第一流量控制器；所述氢气储罐通过第二管道与至少一个的氢气进气口相连；所述第二管道上设有第二流量控制器；所述氢气储罐通过第三管道与内燃机连接；所述第三管道上设有第三流量控制器；所述燃料预热装置通过第四管道与内燃机连接；所述第四管道上设有第四流量控制器；所述控制器分别与直流电源、第一流量控制器、第二流量控制器、第三流量控制器和第四流量控制器电连接。

本发明的有益效果是：

1.本发明通过壳体与环形预热室的配合，不仅能为从外界输入第一通道的氨气进行加热，还能为从内侧壁内表面向外输出的氨气进行二次加热，预热效果好。

2.本发明通过设置环形预热室，使从环形预热室散发出来的热量可以沿周向向外侧壁的外侧均匀扩散，或沿周向向内侧壁的内侧均匀扩散，使氨气加热均匀。

3.本发明通过利用等离子体加热方式提高加热效率，且能够长时间持续使用，无需定期更换加热部件，使用寿命长。

附图说明

图1是本发明的三维结构示意图；

图2是本发明的剖视图；

图3是本发明的左视图，不含罩体；

图4是本发明的左视图，含罩体；

图5是本发明燃料供给系统的电路原理图；

附图中：1-壳体、2-环形预热室、3-整流结构、4-罩体、5-直流电源、6-氨气储罐、7-氢气储罐、11-容置空间、12-第一通道、13-氨气进气口、14-导流结构、15-隔板、21-外侧壁、22-内侧壁、23-氢气进气口、24-电极出口、41-废气进气口、42-废气出气口、81-第一流量控制器、82-第二流量控制器、83-第三流量控制器、84-第四流量控制器。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式，对本发明进一步详细说明，但是本发明不局限于以下实施例。

实施例一：

见附图1～5。一种氢氨内燃机燃料预热装置，包括壳体1和等离子体加热组件；所述壳体1内设有环形预热室2和容置空间11；所述环形预热室2包括外侧壁21和内侧壁22，所述壳体1与外侧壁21之间围成环状的第一通道12；所述壳体1上开设有至少一个连通第一通道12的氨气进气口13，所述氨气进气口13用于将氨气从第一通道12输入容置空间11；所述容置空间11通过内侧壁22的内表面连通外界，所述容置空间11内的氨气通过内侧壁22向外界输出；所述等离子体加热组件设在环形预热室2上，等离子体加热组件用于在环形预热室2内产生高温等离子体，以利用高温等离子体的热量加热从第一通道12输入容置空间11的氨气和通过内侧壁22向外界输出的氨气。由上述结构可知，壳体1内部为需要预热的氨气留有足够的容置空间11，并设有用于为进入壳体1内部的氨气进行预热的环形预热室2。环形预热室2包括外侧壁21和内侧壁22，外侧壁21和内侧壁22形状均为圆筒状，壳体1与外侧壁21之间围成环状的第一通道12，且第一通道12与容置空间11连通，壳体1上开设有至少一个连通第一通道12的氨气进气口13，所述氨气进气口13用于将外界的氨气从第一通道12输入，在经过环形预热室2的一次加热后进入容置空间11。由于环形预热室2的形状为环状，从环形预热室2散发出来的热量可以均匀地向第一通道12扩散，使氨气加热均匀。环形预热室2的内侧壁22连通容置空间11和外界，流入容置空间11的氨气会经过内侧壁22内表面，此时环形预热室2对氨气进行二次加热，而后氨气向外输出。等离子体加热组件设在环形预热室2上，用于在环形预热室2内激发高温等离子体，由于高温等离子体激发过程中会产生大量热量，因此可以利用该热量加热从第一通道12输入容置空间11的氨气和通过内侧壁22向外界输出的氨气。通过合理选型控制，还可以控制环形预热室2的加热温度，具体加热温度为600～780度，使氨气既能加热至进入内燃机后燃烧所需温度，又不会因为温度过高而完全分解。此外，利用等离子体加热的方式与火花塞预热不同，不仅加热效率高，能为氨气持续加热，即使长时间使用也不会对设备造成太大损耗，使用寿命长。本发明的一种氢氨内燃机燃料预热装置，使用寿命长，无需定期更换，且加热均匀，对氨气预热效果好。

实施例二：

见附图1～5。在实施例一的基础上，所述等离子体加热组件包括上电极片和下电极片；所述上电极片和下电极片相对设置在外侧壁21的内表面和内侧壁22的外表面上；所述环形预热室2上还设有至少一个氢气进气口23和电极出口24；所述氢气通过氢气进气口23输入环形预热室2内；所述上电极和下电极均连有一根导线，且两根导线从电极出口24引出环形预热室2外。由上述结构可知，环形预热室2上还设有至少一个氢气进气口23，用于将外界的氢气输入环形预热室2内，作为工作气体使用。上电极片和下电极片相对设置在外侧壁21的内表面和内侧壁22的外表面上，上电极和下电极上各连有一根导线，且两根导线从电极出口24引出环形预热室2外，并与外接的直流电源5电连接。通过控制直流电源5，能在通入氢气的情况下使上电极片、下电极片之间快速产生具有高温的电弧等离子体，并利用高温为处于壳体1内部的氨气进行加热。

所述壳体1的右端还设有导流结构14，导流结构14用于将从第一通道12输入的氨气向内侧壁22导流；所述导流结构14的截面呈左宽右窄的梯形。由上述结构可知，当氨气从第一通道12进入容置空间11后，氨气气流沿壳体1的内壁继续向右流动，在流经截面呈左宽右窄的梯形的导流结构14后，氨气气流向壳体1的中央聚集、折返，然后向左通过内侧壁22对外输出。

所述壳体1和外侧壁21之间沿轴向设有若干个隔板15；若干个隔板15将第一通道12均匀分割为多个分支通道，且每个分支通道上均对应设有一个氨气进气口13。由上述结构可知，若干个隔板15通过将壳体1和外侧壁21沿轴向连接起到固定支撑环形预热室2的作用，且若干个隔板15将第一通道12均匀分割为多个分支通道，且每个分支通道上均对应设有一个氨气进气口13，该设置能使氨气从多个分支通道均匀流入，使环形预热室2对流经各分支通道的氨气加热更加均匀。同时，多个分支通道还能使各方向的氨气在进入容置空间11后，以同等流速向壳体1右侧的导流结构14聚集，便于导流。比如，隔板15数量为两个，两个隔板15将第一通道12均匀分割为两个分支通道，氨气分别从两个氨气进气口13流入对应的分支通道，然后进入容置空间11，再经过壳体1右端的导流结构14进行导流，汇集成一股氨气气流并从向左流动。

还包括整流结构3；所述整流结构3设在内侧壁22的内表面上，所述整流结构3用于为从内侧壁22的内表面向外输出的氨气进行整流。由上述结构可知，整流结构3能够为从流经内侧壁22的内表面并向外输出的氨气进行整流，将汇集后不稳定的氨气气流整流成平稳流动的状态，并向外输出。

所述整流结构3包括螺旋状凸起，所述螺旋状凸起的内部为中空结构。由上述结构可知，在氨气气流经过内侧壁22的内表面时，能够被螺旋状凸起引导并改变气流流动方向，使气流从内侧壁22向外输出时保持较为稳定的流动状态。为了减轻装置整体的重量，螺旋状凸起的内部设为中空结构。

还包括罩体4；所述罩体4套设在壳体1外，所述罩体4与壳体1之间形成有余热腔；所述罩体4的左端设有废气进气口41，右端设有废气出气口42；所述废气进气口41用于向余热腔内输入带余热的内燃机废气，所述废气出气口42用于从余热腔向外排出内燃机废气。由上述结构可知，在内燃机工作后，还可以通过废气进气口41向输入余热腔内输入内燃机废气，利用内燃机废气的余热为壳体1内部的氨气进行加热，然后内燃机废气从废气出气口42排出。

实施例三：

见附图1～5。在实施例二的基础上，一种氢氨内燃机的燃料供给系统，采用权利要求1所述的氢氨内燃机燃料预热装置，还包括直流电源5、氨气储罐6、氢气储罐7、内燃机和控制器；所述直流电源5通过导线分别与上电极和下电极电连接；所述氨气储罐6通过第一管道与至少一个的氨气进气口13相连；所述第一管道上设有第一流量控制器81；所述氢气储罐7通过第二管道与至少一个的氢气进气口23相连；所述第二管道上设有第二流量控制器82；所述氢气储罐7通过第三管道与内燃机连接；所述第三管道上设有第三流量控制器83；所述燃料预热装置通过第四管道与内燃机连接；所述第四管道上设有第四流量控制器84；所述控制器分别与直流电源5、第一流量控制器81、第二流量控制器82、第三流量控制器83和第四流量控制器84电连接。由上述结构可知，直流电源5用于为环形预热室2的上电极片和下电极片供电，氨气储罐6通过第一管道与至少一个的氨气进气口13相连，用于向第一通道12内输入氨气，第一流量控制器81用于控制从氨气储罐6向第一通道12内氨气输入的速度。氢气储罐7通过第二管道与至少一个的氢气进气口23相连，用于向环形预热室2内输入作为工作气体的氢气，第二流量控制器82用于控制从氢气储罐7向环形预热室2内输入氢气的速度。氢气储罐7还通过第三管道与内燃机连接，并向内燃机提供作为燃料的氢气，第三流量控制器83用于控制从氢气储罐7向燃烧室内输入氢气的速度，具体地，燃烧室中氢气占比在50％-70％之间。燃料预热装置通过第四管道与内燃机连接，并向内燃机提供加热后达到燃烧条件的氨气，第四流量控制器84用于控制从燃料预热装置向内燃机输入氨气的速度。控制器与直流电源5电连接，用于控制直流电源5的开启、关闭和运行电流、电压等参数，调节环形预热室2内高温等离子体的温度。控制器还分别与第一流量控制器81、第二流量控制器82、第三流量控制器83和第四流量控制器84电连接，分别控制各管道的气流流量。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。