一种氨氢内燃机及控制方法

技术领域

一种氨氢内燃机及控制方法，具体涉及到一种利用氢油储氢系统以及蓄压式储氨(液氨)系统提供氨氢燃料实现氨氢内燃机混合燃烧及控制方法，属于内燃机领域

背景技术

随着社会经济的发展，环境安全问题以及全球多变化天气形式已经严重影响人类的健康。清洁能源可以有效地减少空气污染，保持空气清洁，从而改善人们的生活质量。随着我国汽车保有量的逐渐增加，我国贫油、少气、多煤的资源分布特点使我国石油对外依存度逐渐增加，对能源安全体系产生威胁。

氢燃料作为一种高效清洁能源，具有热值高、火焰传播速度快、自燃温度低等特点，同时也易出现早燃、回火和爆震等异常燃烧现象。同时其储运安全问题也成为限制氢发动机应用和推广的重要原因。而氨作为一种高氢能量载体，具有生产储存成本低、储运时间长、易液化、体积能量密度高等优点，这些优点使氨成为具有前景的零碳燃料。但是其热值低，层流火焰速度慢，点火能量高，着火界限狭窄等特点使该燃料在发动机上的使用受到限制。同时发动机尾气余热带走一部分热量，使内燃机效率降低。

故而本申请设计了一种氢气/液氨双燃料内燃机及控制方法，在该系统中增加一套蓄压式储氨(液氨)供给系统为内燃机提供液氨，增加一套氢油储氢系统，通过利用内燃机尾气余热对该系统中的脱氢反应装置进行加热，氢油在该温度下经过催化剂的催化作用下产生氢气，为内燃机提供氢燃料。利用液氨的高汽化潜热以及体积能量密度，在不同工况下通过调节燃料比例，控制氢燃料在内燃机中的异常燃烧问题，充分利用内燃机尾气余热，提高内燃机工作效率。

发明内容

为了消除氢内燃机的异常燃烧，对内燃机排气能量进行回收，提高内燃机的经济性。本申请一种以氢气/液氨双燃料内燃机及控制方法，通过增加一套蓄压式储氨(液氨)供给系统和一套氢油储氢系统，不仅可以为内燃机提供液氨燃料，同时还可以回收尾气余热，提高内燃机工作效率，避免内燃机在不同工况下出现异常燃烧现象，实现高功率的输出。

本发明解决上述技术问题是通过以下技术方案解决的：

一种以氢气/液氨双燃料内燃机包括：P1发动机进气系统、P2预储氢气供给系统、P3蓄压式储氨(液氨)供给系统、P4氢气供给系统、P5氢油储氢系统、P6 ECU控制系统。

P1发动机进气系统：在发动机进气系统中，包括空气滤清器(8)、节气门(9)、空气流量传感器(10)和进气压力传感器(11)；

P2预储氢气供给系统包括氢气瓶(1)、第一氢气减压阀(2)、第一氢气流量传感器(3)、第一氢气控制开关(16)；P3蓄压式储氨(液氨)供给系统包括蓄压式氨罐(液氨)(4)、氨减压阀(5)氨流量传感器(6)、氨喷射器(7)；P4氢气供给系统包括氢气罐(18)、第二氢气减压阀(15)、第二氢气流量传感器(14)、阻火器(13)、氢气喷射器(12)；P5氢油储氢系统包括氢油储存箱(19)、油泵(20)、脱氢系统反应装置(21)、温度传感器(22)、第三氢气流量传感器(24)、第二氢气控制开关(17)；P6 ECU控制系统包括ECU(29)、氧传感器(23)爆震传感器(25)、火花塞(26)、转速传感器(27)、曲轴位置传感器(28)。

P6 ECU控制系统与发动机进气系统(P1)存在信号交互：ECU(29)通过导线与节气门(9)、空气流量传感器(10)连接。通过向节气门(9)开度发出节气门控制信号实现节气门开度控制，通过进气压力传感器(11)检测进气管内进气压力，空气流量传感器(10)将检测到的信号反馈到ECU(18)，对发动机进气量进行调节。

ECU控制系统(P6)与预储氢气供给系统(P2)存在信号交互：ECU(29)通过导线与第一氢气减压阀(2)相连，调节氢气喷射压力。还与第一氢气流量传感器(3)和第一氢气控制开关(16)连接，控制氢气流量和氢气开关。

ECU控制系统(P6)与蓄压式储氨(液氨)供给系统(P3)存在信号交互：ECU(29)通过导线与氨减压阀(5)连接，通过节气门控制信号和爆震信号调节氨气的喷射压力。同时导线还与氨流量传感器(6)、氨喷射器(7)连接，ECU(29)通过氨喷射器(7)控制喷射脉宽和喷射时刻，并通过氨流量传感器(6)的反馈信号进行修正。

ECU控制系统(P6)与氢气供给系统(P4)存在信号交互：ECU(29)通过导线与第二氢气减压阀(15)连接，通过节气门控制信号和爆震信号调节氢气的喷射压力。同时导线还与第二氢气流量传感器(14)、氢气喷射器(12)连接，ECU(29)通过氢气喷射器(12)控制喷射脉宽和喷射时刻，并通过第二氢气流量传感器(14)的反馈信号进行修正。

ECU控制系统(P6)与氢油储氢系统(P5)存在信号交互：ECU(29)通过导线与油泵(20)、第三氢气流量传感器(24)、温度传感器(22)和第二氢气控制开关(17)连接，ECU(29)控制氢油泵(20)将氢油从氢油储存箱(19)抽送到脱氢系统反应装置(21)中，同时通过温度传感器(22)的检测与反馈使温度保持在脱氢系统反应装置(21)反应的温度范围内。通过第二氢气控制开关(17)控制脱氢系统反应装置(21)产生的氢气输送与关闭，并通过第三氢气流量传感器(24)对反馈信号进行修正。

ECU控制系统(P6)中存在信号交互：ECU(29)通过导线与转速传感器(27)、曲轴位置传感器(28)相连，判断发动机转速和压缩上支点位置，为燃料喷射时刻和喷射脉宽提供参考。ECU(29)接收氧传感器(23)传递的信号，控制发动机的过量空气系数。ECU(29)通过导线与爆震传感器(25)和火花塞(26)相连，判断缸内是否出现爆震以及调节点火时刻避免爆震。

一种氨氢内燃机的控制方法，该方法包括燃料供给策略、和燃烧控制策略：

(1)燃料供给策略

ECU(29)接收转速传感器(27)、曲轴位置传感器(28)和进气压力传感器(11)所发出的信号，通过控制进气门(9)开度，使进气压力为30KPa,此时为启动工况，为了发动机可以正常启动，通过P2预储氢气供给系统，采取纯氢模式燃烧策略。ECU(29)通过电控系统使P2预储氢气供给系统中的第一氢气控制开关(16)处于打开状态，同时P5氢油储氢系统中第二氢气开关(17)处于关闭状态，ECU(29)通过第一氢气减压阀(2)、第二氢气减压阀(15)和氢气喷射器(12)控制氢气供给量，通过节气门(9)控制空气供给量，并根据第一氢气流量传感器(3)、第二氢气流量传感器(14)和空气流量传感器(10)、进气压力传感器(11)进行反馈调节，保持过量空气系数λ＝1.2。同时，ECU(29)使氨流量减压阀(5)关闭，保证在启动工况中不向发动机提供氨燃料。

ECU(29)接收转速传感器(27)、曲轴位置传感器(28)和进气压力传感器(11)所发出的信号，通过控制进气门(9)开度，使节气门全开,保持过量空气系数λ＝1.5同时氨气占总燃料中的体积分数VNH

ECU(29)接收转速传感器(27)、曲轴位置传感器(28)和进气压力传感器(11)所发出的信号，通过控制进气门(9)开度，使节气门全开,保持过量空气系数λ保持在1～1.2附近，同时氨气占总燃料中的体积分数VNH

其中，燃烧过程混合物过量空气系数λ为燃料燃烧时实际空气需要量与理论空气需要量的比值。

氨燃料体积分数

(2)燃烧控制策略

ECU(29)通过检测爆震传感器(25)传递的信号判断发动机缸内是否产生爆震等异常燃烧。若爆震传感器(25)判断缸内未发生爆震等异常燃烧，ECU(29)通过扭矩需求控制火花塞(26)点火时刻，使点火时刻保持在最佳点火角。

若爆震传感器(25)判断缸内发生爆震等异常燃烧，ECU(29)通过推迟火花塞(26)点火时刻，直到将火花塞(26)点火时刻推迟到压缩上止点以消除爆震现象。

若将点火时刻推迟到压缩上止点仍然无法消除爆震，ECU(29)通过控制P3蓄压式储氨(液氨)供给系统中氨减压阀(5)氨喷射器(7)控制液氨燃料的喷射量，使喷射量逐渐增加以消除爆震。当爆震传感器检测不到爆震信号时，则使氨喷射量在该工况下保持不变。

附图说明

图1.本发明的结构和工作原理

图1中：发动机进气系统(P1)：空气滤清器(8)、节气门(9)、空气流量传感器(10)和进气压力传感器(11)；预储氢气供给系统(P2):氢气瓶(1)、第一氢气减压阀(2)、第一氢气流量传感器(3)、第一氢气控制开关(16)；蓄压式储氨(液氨)供给系统(P3):蓄压式氨罐(液氨)(4)、氨减压阀(5)氨流量传感器(6)、氨喷射器(7)；氢气供给系统(P4)：氢气罐(18)、第二氢气减压阀(15)、第二氢气流量传感器(14)、阻火器(13)、氢气喷射器(12)；氢油储氢系统(P5)：氢油储存箱(19)、油泵(20)、脱氢系统反应装置(21)、温度传感器(22)、第三氢气流量传感器(24)、第二氢气控制开关(17)；ECU控制系统(P6)：ECU(29)、氧传感器(23)、爆震传感器(25)、火花塞(26)、转速传感器(27)、曲轴位置传感器(28)。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对于本发明做进一步的说明：

包括：发动机进气系统(P1)上依次串联有：空气滤清器(8)、节气门(9)、空气流量传感器(10)和进气压力传感器(11)；预储氢气供给系统(P2)上依次串联有:氢气瓶(1)、第一氢气减压阀(2)、第一氢气流量传感器(3)、第一氢气控制开关(16)；蓄压式储氨(液氨)供给系统(P3)上依次串联有：蓄压式氨罐(液氨)(4)、氨减压阀(5)氨流量传感器(6)、氨喷射器(7)；氢气供给系统(P4)上依次串联有：氢气罐(18)、第二氢气减压阀(15)、第二氢气流量传感器(14)、阻火器(13)、氢气喷射器(12)；氢油储氢系统(P5)上依次串联有：氢油储存箱(19)、油泵(20)、脱氢系统反应装置(21)、温度传感器(22)、第三氢气流量传感器(24)、第二氢气控制开关(17)；在ECU控制系统(P6)中，ECU(29)与氧传感器(23)、爆震传感器(25)、火花塞(26)、转速传感器(27)、曲轴位置传感器(28)存在信号交互。

ECU控制系统(P6)与发动机进气系统(P1)存在信号交互：ECU(29)通过导线与节气门(9)、空气流量传感器(10)连接。通过向节气门(9)发出节气门控制信号实现节气门开度控制，通过进气压力传感器(11)检测进气管内进气压力，空气流量传感器(10)将检测到的信号反馈到ECU(18)，对发动机进气量进行调节。

ECU控制系统(P6)与预储氢气供给系统(P2)存在信号交互：ECU(29)通过导线与第一氢气减压阀(2)相连，调节氢气喷射压力。还与第一氢气流量传感器(3)和第一氢气控制开关(16)连接，控制氢气流量和氢气控制开关。

ECU控制系统(P6)与蓄压式储氨(液氨)供给系统(P3)存在信号交互：ECU(29)通过导线与氨减压阀(5)连接，通过节气门控制信号和爆震信号调节氨气的喷射压力。同时导线还与氨流量传感器(6)、氨喷射器(7)连接，ECU(29)通过氨喷射器(7)控制喷射脉宽和喷射时刻，并通过氨流量传感器(6)的反馈信号进行修正。

ECU控制系统(P6)与氢气供给系统(P4)存在信号交互：ECU(29)通过导线与第二氢气减压阀(15)连接，通过节气门控制信号和爆震信号调节氢气的喷射压力。同时导线还与第二氢气流量传感器(14)、氢气喷射器(12)连接，ECU(29)通过氢气喷射器(12)控制喷射脉宽和喷射时刻，并通过第二氢气流量传感器(14)的反馈信号进行修正。

ECU控制系统(P6)与氢油储氢系统(P5)存在信号交互：ECU(29)通过导线与油泵(20)、第三氢气流量传感器(24)、温度传感器(22)和第二氢气控制开关(17)连接，ECU(29)控制氢油泵(20)将氢油从氢油储存箱(19)抽送到脱氢系统反应装置(21)中，同时通过温度传感器(22)的检测与反馈使温度保持在脱氢系统反应装置(21)反应的温度范围内。通过第二氢气控制开关(17)控制脱氢系统反应装置(21)产生的氢气输送与关闭，并通过第三氢气流量传感器(24)对反馈信号进行修正。

ECU控制系统(P6)中存在信号交互，其主要特征为：ECU(29)通过导线与转速传感器(27)、曲轴位置传感器(28)相连，判断发动机转速和压缩上支点位置，为燃料喷射时刻和喷射脉宽提供参考。ECU(29)接收氧传感器(23)传递的信号，控制发动机的过量空气系数。ECU(29)通过导线与爆震传感器(25)和火花塞(26)相连，判断缸内是否出现爆震以及调节点火时刻避免爆震

一种氨氢内燃机及控制方法，该方法包括燃料供给策略、和燃烧控制策略：

(1)燃料供给策略

ECU(29)接收转速传感器(27)、曲轴位置传感器(28)和进气压力传感器(11)所发出的信号，通过控制进气门(9)开度，使进气压力为30KPa,此时为启动工况，为了发动机可以正常启动，通过P2预储氢气供给系统，采取纯氢模式燃烧策略。ECU(29)通过电控系统使P2预储氢气供给系统中的第一氢气控制开关(16)处于打开状态，同时P5氢油储氢系统中第二氢气开关(17)处于关闭状态，ECU(29)通过第一氢气减压阀(2)、第二氢气减压阀(15)和氢气喷射器(12)控制氢气供给量，通过节气门(9)控制空气供给量，并根据第一氢气流量传感器(3)、第二氢气流量传感器(14)和空气流量传感器(10)、进气压力传感器(11)进行反馈调节，保持过量空气系数λ＝1.2。同时，ECU(29)使氨流量减压阀(5)关闭，保证在启动工况中不向发动机提供氨燃料。

ECU(29)接收转速传感器(27)、曲轴位置传感器(28)和进气压力传感器(11)所发出的信号，通过控制进气门(9)开度，使节气门全开,保持过量空气系数λ＝1.5同时氨气占总燃料中的体积分数VNH

ECU(29)接收转速传感器(27)、曲轴位置传感器(28)和进气压力传感器(11)所发出的信号，通过控制进气门(9)开度，使节气门全开,保持过量空气系数λ保持在1～1.2附近，同时氨气占总燃料中的体积分数VNH

其中，燃烧过程混合物过量空气系数λ为燃料燃烧时实际空气需要量与理论空气需要量的比值。

氨燃料体积分数

(2)燃烧控制策略

ECU(29)通过检测爆震传感器(25)传递的信号判断发动机缸内是否产生爆震等异常燃烧。当发动机平滑的缸压曲线出现锯齿形状，或者明显的听到发动机发出尖锐的爆鸣声，则判断发动机出现异常燃烧。若爆震传感器(25)判断缸内未发生爆震等异常燃烧，缸压曲线未出现锯齿形状，ECU(29)通过扭矩需求控制火花塞(26)点火时刻，当发动机达到扭矩峰值，此时发动机对应的点火时刻则为最佳点火时刻。

若爆震传感器(25)判断缸内发生爆震等异常燃烧，平滑的缸压曲线出现锯齿形状，通过ECU(29)电控系统反馈调节推迟火花塞(26)点火时刻，直到消除爆震现象。

若将点火时刻推迟到压缩上止点仍然无法消除爆震，ECU(29)通过控制P3蓄压式储氨(液氨)供给系统中氨流量减压阀(5)氨喷射器(7)控制液氨燃料的喷射量，使喷射量逐渐增加以消除爆震。当爆震传感器无法检测到爆震信号时，则使氨气喷射量在该工况下保持不变。