一种进气道多点液氨喷射的氨柴发动机及后处理供氨系统

技术领域

本申请涉及双燃料发动机技术领域，特别涉及一种进气道多点液氨喷射的氨柴发动机及后处理供氨系统。

背景技术

现阶段机动车尾气排放成为空气污染的重要影响因素，NOx是尾气排放的主要污染物之一，汽车尾气控制及污染治理成为可持续发展的重要组成部分。柴油车是移动源污染的主要贡献者，虽然柴油车只占我国机动车保有量的10％，但其NOx排放量接近机动车排放总量的70％，为了有效治理大气污染，国家颁布了机动车排放等级提升的相关法规。

汽车尾气中的NOx是空气中的N

在“碳中和”背景下，氨作为100％的可再生零碳燃料，可为船舶、卡车和工程车辆提供动力，在从化石燃料转向零碳燃料方面具有巨大潜力。氨气是一种易于液化的气体，常压下冷却到-33.4℃或常温下加压到7-8个大气压，氨气就会液化成无色液体。氨的这种易于液化和零碳的属性，非常适合作为内燃机的燃料。

液氨的气化潜热为1371KJ/kg，柴油气化潜热为375KJ/kg，因此在使用液氨作为燃料的同时，可利用其较高的气化潜热来降低进气温度进而改善NOx排放。

现有关于降低进气温度的相关专利可参考中国专利：CN108049965A，一种具有进气道喷水功能的清洁发动机。该专利公开了一种具有进气道喷水功能的发动机，该发动机包括两级增压系统、喷水系统、EGR系统、控制系统和发动机主体。通过引入大比例EGR稀释进气氧浓度，实现低温燃烧降低NOx排放；采用进气道喷水，通过水的汽化潜热进一步降低缸内燃烧温度，使发动机NOx接近零排放。

现有关于增压中冷相关的专利可参考中国专利：CN106545405B，使用多种冷却介质的混合中间冷却器系统和其控制方法。一种使用多种冷却介质的混合中间冷却器系统包括：第一冷却器，用于使用变速箱机油冷却在涡轮增压器中增压的空气；第二冷却器，用于使用冷却水冷却穿过第一冷却器的增压空气；以及第三冷却器，用于使用室外空气冷却穿过第二冷却器的增压空气。

现有关于应用尿素液后处理系统的典型技术方案可参考中国专利：CN21157362U，一种尿素喷射系统及车辆。通过向排放系统内加注尿素溶液，尿素在高温环境下水解为氨气，氨气再与污染物氮氧化物反应将之还原为无污染的氮气和水。这个过程中真正分解尾气中污染气体的有效物质是氨气，尿素则仅是承载所需氨气的一种载体形式。

但是，相关技术中，一种具有进气道喷水功能的清洁发动机在大负荷时，循环喷油量较多，缸内最大爆发压力大，空燃比较小，而利用喷水降低NOx的同时会到来碳烟升高的问题。

使用多种冷却介质的混合中间冷却器系统采用变速箱机油，冷却水，空气对增压后的空气进行冷却存在以下问题：热机状态下变速箱机油、冷却水的温度本身较高，换热介质温差较小，导致热交换速率降低；而对于空冷型中间冷却器由于室外温度的变化等，难以实现稳定效率。

关于应用尿素液后处理系统，该技术存在以下问题：罐内尿素溶液溶质在低温下很容易析出结晶，导致尿素溶液品质下降及堵塞喷射系统管路；另外在北方冬季低温环境下尿素溶液易出现结冰，需要大功率加热，耗能高；尿素溶液需要在160℃以上时才能分解成氨气，在发动机启动初期因排气管路低温环境工况下不能分解出氨气、后处理系统不起作用。

另外，尿素溶液的有效成分氨的质量比只有14.25％，且需要去离子水做溶剂，资源消耗大；尿素的水解过程有二氧化碳排放，增加了尾气的碳排放；工业上的尿素制取则又需要使用氨气和二氧化碳合成。

发明内容

本申请实施例提供一种进气道多点液氨喷射的氨柴发动机及后处理供氨系统，以解决相关技术中发动机进气经增压器增压后具有较高的温度，即使经过中冷器冷却，进气温度仍然相对较高，导致难以进一步改善氮氧化物排放的问题。

本申请实施例第一方面提供了一种进气道多点液氨喷射的氨柴发动机，包括：

氨柴发动机，所述氨柴发动机包括进气通道和排气通道，所述排气通道的排气口连接有涡轮机，所述涡轮机连接有压气机，所述压气机与所述进气通道的进气口之间连接有第一中冷器；

氨供应系统，所述氨供应系统包括液氨存储罐，所述液氨存储罐通过第一供氨管路与所述第一中冷器连接，所述液氨存储罐通过第二供氨管路连接有液氨供给轨，所述液氨供给轨连接有向进气通道内多点喷射液氨的液氨喷嘴。

在一些实施中：所述液氨存储罐的出口连接有控制所述第一供氨管路和第二供氨管路通断的第一电磁阀，所述第二供氨管路上开设有控制向液氨供给轨供应液氨的第二电磁阀，所述第一供氨管路上开设有控制向液氨供给轨供应液氨的第三电磁阀，所述第一电磁阀、第二电磁阀和第三电磁阀均连接于电子控制单元。

在一些实施中：所述第一电磁阀与第一供氨管路和第二供氨管路之间的管路上设置有对液氨进行过滤的液氨滤清器。

在一些实施中：还包括检测氨柴发动机工作温度的温度传感器，所述温度传感器与所述电子控制单元连接，当所述温度传感器检测所述氨柴发动机工作温度大于设定值后，所述电子控制单元控制所述第二电磁阀开启。

在一些实施中：所述压气机与所述进气通道的进气口之间还连接有第二中冷器，所述第二中冷器与所述第一中冷器串联连接，且所述第二中冷器位于所述第一中冷器的气流下游。

在一些实施中：还包括EGR系统，所述EGR系统包括连接在所述进气通道和排气通道之间的废气循环管道，所述废气循环管道上连接有EGR阀，所述EGR阀连接有电子控制单元。

在一些实施中：还包括柴油供应系统，所述柴油供应系统包括燃油箱，所述燃油箱通过发动机供油管路与高压油轨连接，所述高压油轨连接有向氨柴发动机的燃烧室内喷射油液的燃油喷嘴，所述发动机供油管路上连接有燃油泵，所述燃油泵连接有电子控制单元。

本申请实施例第二方面提供了一种后处理供氨系统，包括上述任一实施例所述的进气道多点液氨喷射的氨柴发动机；

后处理器，所述后处理器与所述涡轮机的排气口连接，所述第一中冷器与所述后处理器之间连接有氨气供应管路，所述氨气供应管路上连接有氨气喷射阀。

在一些实施中：所述氨气喷射阀与第一中冷器之间的氨气供应管路上连接有氨气稳压罐，所述氨气喷射阀连接有电子控制单元。

在一些实施中：所述后处理器上设有检测后处理器内氮氧化物含量的氮氧化物传感器，所述氮氧化物传感器连接有电子控制单元；

所述电子控制单元根据氮氧化物含量，控制氨气喷射阀向后处理器喷射设定流量的氨气。

本申请提供的技术方案带来的有益效果包括：

本申请实施例提供了一种进气道多点液氨喷射的氨柴发动机及后处理供氨系统，由于本申请的进气道多点液氨喷射的氨柴发动机设置了氨柴发动机，该氨柴发动机包括进气通道和排气通道，排气通道的排气口连接有涡轮机，涡轮机连接有压气机，压气机与进气通道的进气口之间连接有第一中冷器；氨供应系统，该氨供应系统包括液氨存储罐，液氨存储罐通过第一供氨管路与第一中冷器连接，液氨存储罐通过第二供氨管路连接有液氨供给轨，液氨供给轨连接有向进气通道内多点喷射液氨的液氨喷嘴。

因此，本申请的进气道多点液氨喷射的氨柴发动机在氨柴发动机的压气机与进气通道的进气口之间连接有第一中冷器，该第一中冷器用于将压气机产生的压缩新鲜空气进行冷却后送入进气通道内参与氨柴发动机的缸内燃烧，以降低缸内混合气的温度。氨供应系统的液氨存储罐通过第一供氨管路与第一中冷器连接，进入第一中冷器内的液氨与进入第一中冷器内的压缩新鲜空气进行换热，以使液氨吸热后汽化。压缩新鲜空气与液氨换热，压缩新鲜空气的温度得到进一步降低，因此，降低氨柴发动机进气温度进一步改善了氨柴发动机的NOx排放，降低了发动机的氮氧化物排放。

此外，本申请的液氨存储罐通过第二供氨管路连接有液氨供给轨，液氨供给轨连接有向进气通道内多点喷射液氨的液氨喷嘴。氨柴发动机经中冷后的进气温度在35-40℃之间，液氨喷嘴在进气通道内多点喷入液氨后，液氨在进气通道与新鲜空气换热，新鲜空气温度再次被降低，同时液氨吸热汽化，在气流作用下氨气与空气充分混合并进入氨柴发动机的缸内。电子控制单元根据正时判断柴油喷射，在上止点前燃油喷嘴向缸内喷入柴油，实现柴油喷雾燃烧进而引燃缸内氨气。在双燃料燃烧模式下，采用柴油喷雾引燃氨气，为氨柴发动机提供动力输出。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例的结构示意图；

图2为本申请实施例的氨柴发动机燃烧室的结构示意图。

附图标记：

1、燃油箱；2、燃油泵；3、氨柴发动机；4、涡轮机；5、压气机；6、EGR阀；7、液氨喷嘴；8、燃油喷嘴；9、液氨供给轨；10、第二中冷器；11、第一中冷器；12、第一电磁阀；13、液氨存储罐；14、第三电磁阀；15、第二电磁阀；16、液氨滤清器；17、氨气稳压罐；18、氨气喷射阀；19、后处理器；20、电子控制单元；L1、第二供氨管路；L2、第一供氨管路；L3、氨气供应管路。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本申请实施例提供了一种进气道多点液氨喷射的氨柴发动机及后处理供氨系统，其能解决相关技术中发动机进气经增压器增压后具有较高的温度，即使经过中冷器冷却，进气温度仍然相对较高，导致难以进一步改善氮氧化物排放的问题。

参见图1和图2所示，本申请实施例第一方面提供了一种进气道多点液氨喷射的氨柴发动机，包括：

氨柴发动机3，该氨柴发动机3包括进气通道和排气通道，在排气通道的排气口连接有涡轮机4，氨柴发动机3排出的高温废气驱动涡轮机4旋转。涡轮机4连接有压气机5，涡轮机4带动压气机5同步高速旋转，压气机5向氨柴发动机3的进气通道提供压缩新鲜空气。压气机5与进气通道的进气口之间连接有第一中冷器11，该第一中冷器11用于冷却由压气机5产生的高温压缩新鲜空气。

氨供应系统，该氨供应系统包括液氨存储罐13，该液氨存储罐13通过第一供氨管路L2与第一中冷器11连接，第一供氨管路L2将存储在液氨存储罐13内的液氨通入第一中冷器11后与第一中冷器11内的压缩新鲜空气进行热交换。液氨在1.0MPa(表压)下，液氨的沸点为28℃，汽化潜热为q＝1336.97KJ/Kg；利用液氨较高汽化潜热的特点，将液氨作为冷却介质来降低压缩新鲜空气温度。液氨存储罐13通过第二供氨管路L1连接有液氨供给轨9，液氨供给轨9连接有向进气通道内多点喷射液氨的液氨喷嘴7。

本申请实施例的进气道多点液氨喷射的氨柴发动机在氨柴发动机3的压气机5与进气通道的进气口之间连接有第一中冷器11，该第一中冷器11用于将压气机5产生的压缩新鲜空气进行冷却后送入进气通道内参与氨柴发动机3的缸内燃烧，以降低缸内混合气的温度。氨供应系统的液氨存储罐13通过第一供氨管路L2与第一中冷器11连接，进入第一中冷器11内的液氨与进入第一中冷器11内的压缩新鲜空气进行换热，以使液氨吸热后汽化。压缩新鲜空气与液氨换热，压缩新鲜空气的温度得到进一步降低，因此，降低氨柴发动机3进气温度，进一步改善了氨柴发动机的NOx排放，降低了发动机的氮氧化物排放。

此外，本申请实施例的液氨存储罐13通过第二供氨管路L1连接有液氨供给轨9，液氨供给轨9连接有向进气通道内多点喷射液氨的液氨喷嘴7。氨柴发动机3经中冷后的进气温度在35-40℃之间，液氨喷嘴7在进气通道内多点喷入液氨后，液氨在进气通道与新鲜空气换热，新鲜空气温度再次被降低，同时液氨吸热汽化，在气流作用下氨气与新鲜空气充分混合并进入氨柴发动机的缸内。电子控制单元20根据正时判断柴油喷射，在上止点前燃油喷嘴8向缸内喷入柴油，实现柴油喷雾燃烧进而引燃缸内氨气。在双燃料燃烧模式下，采用柴油喷雾引燃氨气，为氨柴发动机提供动力输出。

在一些可选实施中：参见图1和图2所示，本申请实施例提供了一种进气道多点液氨喷射的氨柴发动机，该进气道多点液氨喷射的氨柴发动机的液氨存储罐13的出口连接有控制第一供氨管路L2和第二供氨管路L1通断的第一电磁阀12。第二供氨管路L1上开设有控制向液氨供给轨9供应液氨的第二电磁阀15，第一供氨管路L2上开设有控制向液氨供给轨9供应液氨的第三电磁阀14，第一电磁阀12、第二电磁阀15和第三电磁阀14均连接于电子控制单元20。

第一电磁阀12与第一供氨管路L2和第二供氨管路L2之间的管路上设置有对液氨进行过滤的液氨滤清器16，液氨滤清器16用于过滤由液氨存储罐13供应的液氨，液氨在压力作用下流入液氨滤清器16，液氨中的杂质将在此得到过滤。本申请实施例还包括检测氨柴发动机3工作温度的温度传感器(图中未画出)，温度传感器与电子控制单元20连接，当温度传感器检测氨柴发动机3的工作温度大于设定值后，电子控制单元20控制第二电磁阀15开启。在氨柴发动机3启动工况下，因整机温度较低，为便于启动采用纯柴油模式。此时电子控制单元20控制第二电磁阀15使其关闭。

电子控制单元20根据温度传感器判断机油温度和冷却水温度值，当发动机暖机完成后，电子控制单元20控制第二电磁阀15开启，此时切换到双燃料模式。电子控制单元20控制第一电磁阀12开启，液氨在压力作用下流入液氨滤清器16，液氨中的杂质将在此得到过滤。过滤后的液氨分成两路分别流经第三电磁阀14、第二电磁阀15。电子控制单元20控制第二电磁阀15打开，第二供氨管路L1进入液氨供给轨9。液氨供给轨9起到对液氨压力进行稳压的作用。电子控制单元20根据正时控制液氨喷嘴7的开闭，实现进气道多点液氨喷射。在进气门开启时刻，电子控制单元20控制液氨喷嘴7向进气通道喷射液态氨，喷射压力为1MPa。

在一些可选实施中：参见图1所示，本申请实施例提供了一种进气道多点液氨喷射的氨柴发动机，该进气道多点液氨喷射的氨柴发动机的压气机5与进气通道的进气口之间还连接有第二中冷器10。第二中冷器10与第一中冷器11串联连接，且第二中冷器10位于第一中冷器11的气流下游。第二中冷器10用于进一步冷却由第一中冷器11冷却的压缩新鲜空气，第二中冷器10以空气作为冷却介质，实现对压缩新鲜空气的进一步降温，经第二中冷器10冷却降温的压缩新鲜空气最总进入氨柴发动机3的燃烧室内参与燃烧。采用液氨作为中冷介质的第一中冷器11降低了进气温度，从而减轻了风冷形式的第二中冷器10的换热负荷，因此可以减小第二中冷器10的体积。

在一些可选实施中：参见图1所示，本申请实施例提供了一种进气道多点液氨喷射的氨柴发动机，该进气道多点液氨喷射的氨柴发动机还包括EGR系统，该EGR系统包括连接在进气通道和排气通道之间的废气循环管道L4，在废气循环管道L4上连接有EGR阀6，EGR阀6连接有电子控制单元20。由排气通道排出的废气经EGR阀6进入进气通道与空气、液氨进行混合和换热。由于废气中含有大量的CO

在一些可选实施中：参见图1和图2所示，本申请实施例提供了一种进气道多点液氨喷射的氨柴发动机，该进气道多点液氨喷射的氨柴发动机还包括柴油供应系统，该柴油供应系统包括燃油箱1，该燃油箱1通过发动机供油管路与高压油轨连接。高压油轨连接有向氨柴发动机3的燃烧室内喷射油液的燃油喷嘴8，发动机供油管路上连接有燃油泵2，燃油泵2连接有电子控制单元20。电子控制单元20控制燃油泵2将燃油箱1中的柴油供给到燃油喷嘴8，用于缸内燃烧。

参见图1所示，本申请实施例第二方面提供了一种后处理供氨系统，包括上述任一实施例所述的进气道多点液氨喷射的氨柴发动机，以及：

后处理器19，后处理器19与涡轮机4的排气口连接，第一中冷器11与后处理器19之间连接有氨气供应管路L3，氨气供应管路L3上连接有氨气喷射阀18。氨气喷射阀18与第一中冷器11之间的氨气供应管路L3上连接有氨气稳压罐17，氨气喷射阀18连接有电子控制单元20。后处理器19上设有检测后处理器19内氮氧化物含量的氮氧化物传感器(图中未画出)，氮氧化物传感器连接有电子控制单元20，电子控制单元20根据氮氧化物含量，控制氨气喷射阀18向后处理器19喷射设定流量的氨气。

后处理供氨系统包括氨气稳压罐17，氨气喷射阀18，后处理器19。后处理器19与涡轮机4的排气口连接，废气经后处理器19净化后排向大气。后处理供氨系统连接有氨气稳压罐17和氨气喷射阀18。液氨经第一中冷器11后吸热相变为气态，气态氨进入氨气稳压罐17进行稳压，然后由氨气喷射阀18喷入后处理器19，参与氮氧化物的还原反应。相比于尿素作为后处理还原剂，采用氨气作为后处理还原剂效率更高，相比于液态尿素或液态氨与排气的混合，气态氨与排气更容易混合均匀，从而提高SCR催化还原效率。

工作原理

本申请实施例提供了一种进气道多点液氨喷射的氨柴发动机及后处理供氨系统，由于本申请的进气道多点液氨喷射的氨柴发动机设置了氨柴发动机3，该氨柴发动机3包括进气通道和排气通道，排气通道的排气口连接有涡轮机4，涡轮机4连接有压气机5，压气机5与进气通道的进气口之间连接有第一中冷器11；氨供应系统，该氨供应系统包括液氨存储罐13，液氨存储罐13通过第一供氨管路L2与第一中冷器11连接，液氨存储罐13通过第二供氨管路L1连接有液氨供给轨9，液氨供给轨9连接有向进气通道内多点喷射液氨的液氨喷嘴7。

因此，本申请的进气道多点液氨喷射的氨柴发动机在氨柴发动机的压气机5与进气通道的进气口之间连接有第一中冷器11，该第一中冷器11用于将压气机5产生的压缩新鲜空气进行冷却后送入进气通道内参与氨柴发动机3的缸内燃烧，以降低缸内混合气的温度。氨供应系统的液氨存储罐13通过第一供氨管路L2与第一中冷器11连接，进入第一中冷器11内的液氨与进入第一中冷器11内的压缩新鲜空气进行换热，以使液氨吸热后汽化。压缩新鲜空气与液氨换热，压缩新鲜空气的温度得到进一步降低。因此，降低氨柴发动机3进气温度进一步改善了氨柴发动机3的NOx排放，降低了发动机的氮氧化物排放。

此外，本申请的液氨存储罐通过第二供氨管路L1连接有液氨供给轨9，液氨供给轨9连接有向进气通道内多点喷射液氨的液氨喷嘴7。氨柴发动机3经中冷后的进气温度在35-40℃之间，液氨喷嘴7在进气通道内多点喷入液氨后，液氨在进气通道与新鲜空气换热，新鲜空气温度再次被降低，同时液氨吸热汽化，在气流作用下氨气与空气充分混合并进入氨柴发动机3的缸内。电子控制单元20根据正时判断柴油喷射，在上止点前燃油喷嘴8向缸内喷入柴油，实现柴油喷雾燃烧进而引燃缸内氨气。在双燃料燃烧模式下，采用柴油喷雾引燃氨气，为氨柴发动机提供动力输出。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

需要说明的是，在本申请中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。