一种氨燃料内燃机测试系统及测试方法

技术领域

本申请涉及氨燃料内燃机的领域，尤其是涉及一种氨燃料内燃机测试系统及测试方法。

背景技术

化石燃料的燃烧造成大量二氧化碳的排放，引发了一系列关于环境问题的国际辩论。在交通运输行业，已经开发的替代能源有电能、天然气、生物能、氢能等，但是，它们在大规模应用方面都面临着诸多挑战。车用电池的使用寿命、续航能力、再充电能力有限。天然气、生物燃料都是碳链结构，燃烧会增加CO2排放。氢被认为是最有前景的可再生清洁燃料，但氢气因难于液化而给运输、加注、使用带来诸多不便，此外，氢气还存在因能量密度低、点火能量低、燃烧速度快带来的早燃、回火等技术瓶颈。

与氢相同，氨不含碳元素，完全燃烧只产生清洁无污染的水和氮气，且其含氢量高，同时，氨还具备常用燃料应有的主要特点：廉价易得、易挥发、便于贮运、适当的燃烧值、高辛烷值、操作相对安全、可与一般燃料兼容等，而且，目前已有广泛使用的基础设施，故被认为是可用于发动机的理想绿色燃料之一。

目前，已有的研究表明，氨气具有作为火花点火内燃机燃料的潜力。但氨气燃烧存在点火能大，着火温度高、火焰传播速度低以及可燃极限窄等问题，限制了氨气在内燃机中的使用。使用氨气作为火花点火内燃机燃料的方法之一，是在氨气进入内燃机气缸之前，将氨气部分分解成氨气、氢气和氮气的混合气，研究证明氢气的存在会显著提高氨气部分分解气的点火和燃烧特性。但是目前对于氨气部分分解气在火花点火内燃机中的燃烧特性和排放特性的研究也非常有限。

发明内容

为了研究氨气部分分解气在火花点火内燃机中的燃烧特性和排放特性，本申请提供一种氨燃料内燃机测试系统。

本申请提供的一种氨燃料内燃机测试系统，采用如下的技术方案：

一种氨燃料内燃机测试系统，包括燃料供给模块、内燃机模块、动力检测模块和尾气检测模块，所述内燃机模块包括内燃机本体，所述内燃机本体为双火花塞点火式内燃机，所述燃料供给模块与内燃机本体的进气门连通，所述燃料供给模块用于向内燃机模块提供试验所需的燃料气体，所述动力检测模块与内燃机本体的输出轴连接，所述动力检测机构用于检测内燃机模块输出的动力，所述尾气检测模块与内燃机本体的排气门连通，所述尾气检测模块用于检测内燃机模块排放出的尾气中各气体的浓度。

通过采用上述技术方案，燃料供给模块根据实验要求向内燃机内输送不同的氨气分解率和不同氨气总流量的燃料气体，利用动力检测模块检测内燃机的转速、扭矩和输出功率等的变化；同时，利用尾气检测模块检测在向内燃机输送不同的氨气分解率和不同氨气总流量的燃料气体的情况下，内燃机排放出的尾气中各气体的浓度变化。

可选的，所述燃料供给模块包括氨气气瓶、氢气和氮气混合气瓶、第一流量计、第二流量计、空气过滤器、第三流量计和气体混合器，所述氨气气瓶与第一流量计连通，所述第一流量计的另一端与气体混合器连通，所述氢气和氮气混合气瓶与第二流量计连通，所述第二流量计的另一端与气体混合器连通，所述第一流量计与气体混合器之间和第二流量计与气体混合器之间均设置有气体减压阀，所述空气过滤器与第三流量计连通，所述第三流量计的另一端与气体混合器连通，所述混合器用于对氨气、氢气和氮气混合气以及空气进行混合，所述气体混合器与内燃机本体的进气门连通。

通过采用上述技术方案，利用氢气和氮气混合气瓶模拟氨气分解气，利用第一流量计控制氨气的流量，利用第二流量计控制氨气分解气的流量，根据实验要求调控第一流量计和第二流量计可以得到不同的氨气分解率和不同氨气总流量的实验条件；气体减压阀用于减少氨气和氢气氮气混合气的压强，防止氨气和氢气氮气气体压强太大毁坏实验气路以及对内燃机部件造成损坏；空气过滤器用于过滤内燃机自吸入的空气中的杂质；空气流量计用于测试内燃机自吸入空气的流量；气体混合器用于将燃料气体氨气、氢气和氮气与自吸入的空气混合均匀，便于其在内燃机中燃烧。

可选的，所述动力检测模块包括转速扭矩传感器、加载电机、测控柜和加载柜，所述转速扭矩传感器与内燃机本体的输出轴同轴连接，所述加载电机与转速扭矩传感器同轴连接，所述加载柜与加载电机电连接，所述转速扭矩传感器和加载电机均与测控柜电连接。

通过采用上述技术方案，测控柜用于控制整个测功机的设备以及显示测功机所测试的参数，加载柜利用变频电力调节控制所输入的转速或扭矩参数；加载电机和转速扭矩传感器用于本实验内燃机的转速、扭矩和功率测试。

可选的，所述尾气检测模块包括排气管和尾气处理装置，所述排气管一端与内燃机本体的排气门连通，所述排气管的另一端与尾气处理装置连通，所述排气管上连通有第一支管，所述第一支管另一端连通有用于检测尾气中的氮氧化物浓度的第一尾气检测装置，所述第一尾气检测装置包括烟气分析仪，所述烟气分析仪连通在第一支管远离排气管的一端，所述第一支管上串联有干燥装置，所述干燥装置用于去除尾气中的水。

通过采用上述技术方案，利用烟气分析仪测量尾气中的一氧化氮和二氧化氮，烟气分析仪是电子分析仪器不能与水接触，利用干燥装置将尾气中的水冷却除尽。

可选的，所述干燥装置包括U型管和设置在U型管内的吸水棉，所述U型管串联在第一支管上。

通过采用上述技术方案，利用吸水棉对尾气进行干燥，降低尾气干燥过程中，待测气体被吸附的可能性。

可选的，所述排气管上设置有第二支路，所述第二支路一端与排气管连通，所述第二支路远离排气管的一端连通有第二尾气检测装置，所述第二尾气检测装置用于检测尾气中的氨气及氧化亚氮的浓度。

可选的，所述第二尾气检测装置包括傅里叶红外光谱分析仪和加热组件，所述第二支路与傅里叶红外光谱分析仪连通，所述第二支路上设置有加热装置，所述加热装置用于对第二支路内的气体进行加热。

通过采用上述技术方案，在第二支路上设置加热装置，利用加热装置对第二支路进行加热，降低尾气在第二支路内液化的可能性。

可选的，所述气体混合器包括阀体和均布器，所述阀体上开设有贯穿阀体的第一流道，所述第一流道一端为第一进气口，所述第一流道另一端为出气口，所述均布器设置在第一流道内，所述均布器与阀体的内壁之间形成第二流道，所述均布器上开设有多个进气孔，所述第二流道通过进气孔与第一流道连通，所述阀体上开设有第二进气口，所述第二进气口与第二流道连通，所述第一流量计和第二流量计均与所述第二进气口连通，所述第三流量计与第一进气口连通。

通过采用上述技术方案，在第一流道内设置均布器，均布器与阀体的内壁之间形成第二流道，均布器上开设有多个进气孔，第二流道通过进气孔与第一流道连通，氨气、氢气和氮气组成的燃料气体经第二进气口进入第二流道后，利用均布器对燃料气体进行疏导，提高燃料气体与空气混合的均匀度。

可选的，所述内燃机本体包括火花塞，所述火花塞包括外壳、放电电极和接地电极，其中，所述外壳内形成有具有开口的预燃室，所述接地电极设置在预燃室内，所述放电电极伸入到预燃室内并与接地电极之间形成点火间隙，所述预燃室与内燃机本体的燃烧室连通。

为了研究氨气部分分解气在火花点火内燃机中的燃烧特性和排放特性，本申请还提供一种上述氨燃料内燃机测试系统的测试方法。

本申请提供的一种氨燃料内燃机测试系统的测试方法，主要包括以下步骤：

S1：气路密闭性检测，打开室内换气系统；

S2：打开第一流量计和第二流量计，燃料气体与空气在气体混合器内充分混合后进入内燃机本体，随后启动内燃机本体，使内燃机本体达到正常工作状态；

S3：启动主控柜和负载柜，利用加载电机和转速扭矩传感器检测内燃机本体的转速、扭矩和功率；

S4：启动烟气分析仪，当待测气体浓度示数稳定后，记录尾气中一氧化氮和二氧化氮的浓度；

S5：打开加热装置，利用加热装置将第二支路内的温度加热到120摄氏度，启动傅里叶红外光谱分析仪，检测尾气中氨气及氧化亚氮的浓度；

S4中，若尾气中待测气体浓度过高，超过传感器范围，可以采用稀释法，通入氩气，将尾气稀释，再乘以相应倍数即可。

通过采用上述技术方案，向内燃机本体内输送不同的氨气分解率和不同氨气总流量的燃料气体，利用加载电机和转速扭矩传感器检测内燃机本体的转速、扭矩和功率，利用烟气分析仪检测尾气中的一氧化氮和二氧化氮的浓度，利用傅里叶红外光谱分析仪，检测尾气中氨气及氧化亚氮的浓度，从而获知不同的氨气分解率和不同氨气总流量的燃料气体在内燃机本体中的燃烧特性和排放特性。

综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：

1.通过利用燃料供给模块根据实验要求向内燃机内输送不同的氨气分解率和不同氨气总流量的燃料气体，利用动力检测模块检测内燃机的转速、扭矩和输出功率等的变化；同时，利用尾气检测模块检测在向内燃机输送不同的氨气分解率和不同氨气总流量的燃料气体的情况下，内燃机排放出的尾气中各气体的浓度变化；

2.通过利用氢气和氮气混合气瓶模拟氨气分解气，利用第一流量计控制氨气的流量，利用第二流量计控制氨气分解气的流量，根据实验要求调控第一流量计和第二流量计可以得到不同的氨气分解率和不同氨气总流量的实验条件，气体减压阀用于减少氨气和氢气氮气混合气的压强，防止氨气和氢气氮气气体压强太大毁坏实验气路以及对内燃机部件造成损坏；气体混合器用于将燃料气体氨气、氢气和氮气与自吸入的空气混合均匀，便于其在内燃机中燃烧；

3.通过利用吸水棉对尾气进行干燥，降低尾气干燥过程中，待测气体被吸附的可能性。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1是本申请实施例的整体结构示意图；

图2是本申请实施例中燃料供给模块部分的结构示意图；

图3是本申请实施例中气体混合器的结构示意图；

图4是本申请实施例中气体混合器的剖面图；

图5是本申请实施例中动力检测模块部分和尾气检测模块部分的结构示意图。

附图标记：100、燃料供给模块；110、氨气气瓶；120、氢气和氮气混合气瓶；130、第一流量计；140、第二流量计；150、空气过滤器；160、第三流量计；170、气体混合器；171、阀体；172、第一流道；173、均布器；174、第二流道；175、进气孔；180、气体减压阀；200、内燃机本体；300、动力检测模块；310、转速扭矩传感器；320、加载电机；330、测控柜；340、加载柜；400、尾气检测模块；410、SCR烟气处理装置；420、排气管；430、第一支管；440、烟气分析仪；450、干燥装置；460、第二支路；470、傅里叶红外光谱分析仪；480、热电偶。

具体实施方式

为了更清楚的阐释本申请的整体构思，以下结合附图1-5对本申请作进一步详细说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请，但是，本申请还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本申请的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及各实施例中的特征可以相互结合。

本申请实施例公开一种氨气内燃机测试系统。参照图1和图2，一种氨燃料内燃机测试系统包括燃料供给模块100、内燃机模块、动力检测模块300和尾气检测模块400。内燃机模块包括内燃机本体200，内燃机本体200为双火花塞点火式内燃机，燃料供给模块100与内燃机本体200的进气门连通，燃料供给模块100用于向内燃机模块提供试验所需的燃料气体。动力检测模块300与内燃机本体200的输出轴连接，动力检测机构用于检测内燃机模块输出的动力。尾气检测模块400与内燃机本体200的排气门连通，尾气检测模块400用于检测内燃机模块排放出的尾气中各气体的浓度。

在本实施例中，针对氨点火能高和火焰传播速度慢的特点，氨气内燃机模块创新性地采用双火花塞点火结构，两个火花塞点火结构分别设在进气侧和排气侧，缩短了燃烧室内火焰传播时间，实现了氨气在燃烧室全域范围内的快速燃烧。

燃料供给模块100根据实验要求向内燃机本体200内输送不同的氨气分解率和不同氨气总流量的燃料气体，利用动力检测模块300检测内燃机本体200的转速、扭矩和输出功率等的变化；同时，利用尾气检测模块400检测在向内燃机本体200输送不同的氨气分解率和不同氨气总流量的燃料气体的情况下，内燃机本体200排放出的尾气中各气体的浓度变化。

参照图1和图2，燃料供给模块100包括氨气气瓶110、氢气和氮气混合气瓶120、第一流量计130、第二流量计140、空气过滤器150、第三流量计160和气体混合器170，氨气气瓶110与第一流量计130连通，第一流量计130的另一端与气体混合器170连通，氢气和氮气混合气瓶120与第二流量计140连通，第二流量计140的另一端与气体混合器170连通，第一流量计130与气体混合器170之间和第二流量计140与气体混合器170之间均设置有气体减压阀180，空气过滤器150与第三流量计160连通，第三流量计160的另一端与气体混合器170连通，混合器用于对氨气、氢气和氮气混合气以及空气进行混合，气体混合器170与内燃机本体200的进气门连通。

通过利用氢气和氮气混合气瓶120模拟氨气分解气，利用第一流量计130控制氨气的流量，利用第二流量计140控制氨气分解气的流量，根据实验要求调控第一流量计130和第二流量计140可以得到不同的氨气分解率和不同氨气总流量的实验条件；气体减压阀180用于减少氨气和氢气氮气混合气的压强，防止氨气和氢气氮气气体压强太大毁坏实验气路以及对内燃机部件造成损坏；空气过滤器150用于过滤内燃机自吸入的空气中的杂质；空气流量计用于测试内燃机自吸入空气的流量；气体混合器170用于将燃料气体氨气、氢气和氮气与自吸入的空气混合均匀，便于其在内燃机中燃烧。

参照图3和图4，气体混合器170包括阀体171和均布器173，阀体171上开设有贯穿阀体171的第一流道172，第一流道172一端为第一进气口，第一流道172另一端为出气口，均布器173设置在第一流道172内，均布器173与阀体171的内壁之间形成第二流道174，均布器173上开设有多个进气孔175，第二流道174通过进气孔175与第一流道172连通，阀体171上开设有第二进气口，第二进气口与第二流道174连通，第一流量计130和第二流量计140均与第二进气口连通，第三流量计160与第一进气口连通。

通过在第一流道172内设置均布器173，均布器173与阀体171的内壁之间形成第二流道174，均布器173上开设有多个进气孔175，第二流道174通过进气孔175与第一流道172连通，氨气、氢气和氮气组成的燃料气体经第二进气口进入第二流道174后，利用均布器173对燃料气体进行疏导，提高燃料气体与空气混合的均匀度。

参照图1和图5，动力检测模块300包括转速扭矩传感器310、加载电机320、测控柜330和加载柜340，转速扭矩传感器310与内燃机本体200的输出轴同轴连接，加载电机320与转速扭矩传感器310同轴连接，加载柜340与加载电机320电连接，转速扭矩传感器310和加载电机320均与测控柜330电连接。

测控柜330用于控制整个测功机的设备以及显示测功机所测试的参数，加载柜340利用变频电力调节控制所输入的转速或扭矩参数；加载电机320和转速扭矩传感器310用于本实验内燃机的转速、扭矩和功率测试。

参照图5，尾气检测模块400包括排气管420和尾气处理装置，排气管420一端与内燃机本体200的排气门连通，排气管420的另一端与尾气处理装置连通，排气管420上连通有第一支管430，第一支管430另一端连通有用于检测尾气中的氮氧化物浓度的第一尾气检测装置。本实施例中，尾气处理装置为SCR烟气处理装置410，利用SCR烟气处理装置410将内燃机本体200排放出的尾气还原成氮气，再释放到外部环境中。

参照图5，第一尾气检测装置包括烟气分析仪440，烟气分析仪440连通在第一支管430远离排气管420的一端，第一支管430上串联有干燥装置450，干燥装置450用于去除尾气中的水。利用烟气分析仪440测量尾气中的一氧化氮和二氧化氮，烟气分析仪440是电子分析仪器不能与水接触，利用干燥装置450将尾气中的水冷却除尽。

干燥装置450包括U型管和设置在U型管内的吸水棉，U型管串联在第一支管430上。通过利用吸水棉对尾气进行干燥，降低尾气干燥过程中，待测气体被吸附的可能性。

参照图5，排气管420上设置有第二支路460，第二支路460一端与排气管420连通，第二支路460远离排气管420的一端连通有第二尾气检测装置，第二尾气检测装置用于检测尾气中的氨气及氧化亚氮的浓度。

第二尾气检测装置包括傅里叶红外光谱分析仪470和加热组件，第二支路460与傅里叶红外光谱分析仪470连通，第二支路460上设置有加热装置，加热装置用于对第二支路460内的气体进行加热。通过在第二支路460上设置加热装置，利用加热装置对第二支路460进行加热，降低尾气在第二支路460内液化的可能性。本实施例中，加热装置为缠绕在第二支路460外壁上的加热带。

排气管420远离尾气处理装置的一端设置有热电偶480，热电偶480用于检测尾气离开内燃机时的温度。

内燃机本体包括火花塞，本实施例中的火花塞选用授权公告号为CN110391592A的发明专利中公开的火花塞。火花塞包括外壳、放电电极和接地电极，其中，外壳内形成有具有开口的预燃室，接地电极设置在预燃室内，放电电极伸入到预燃室内并与接地电极之间形成点火间隙，预燃室与内燃机本体的燃烧室连通。

本实施例还公开了一种氨燃料内燃机测试系统的测试方法，主要包括以下步骤：

S1：气路密闭性检测，打开室内换气系统；

S2：打开第一流量计130和第二流量计140，燃料气体与空气在气体混合器170内充分混合后进入内燃机本体200，随后启动内燃机本体200，使内燃机本体200达到正常工作状态；

S3：启动主控柜和负载柜，利用加载电机320和转速扭矩传感器310检测内燃机本体200的转速、扭矩和功率；

S4：启动烟气分析仪440，当待测气体浓度示数稳定后，记录尾气中一氧化氮和二氧化氮的浓度；

S5：打开加热装置，利用加热装置将第二支路460内的温度加热到120摄氏度，启动傅里叶红外光谱分析仪470，检测尾气中氨气及氧化亚氮的浓度。

S4中，若尾气中待测气体浓度过高，超过传感器范围，可以采用稀释法，通入氩气，将尾气稀释，再乘以相应倍数即可。

S4中，若尾气中待测气体浓度过高，超过传感器范围，可以采用稀释法，通入氩气，将尾气稀释，再乘以相应倍数即可。

在本方案中，氨气、氢气和氮气的流量由流量计控制测量得到，测功机测得氨气部分分解气内燃机的转速和扭矩，以下为计算内燃机功率和热效率的过程。

由测功机测得氨气部分分解气内燃机在运行过程中的扭矩与转速，内燃机功率的计算如下，其中W为内燃机功率，单位为kW；；π为圆周率；n为内燃机转速，单位为rpm；T为内燃机扭矩，单位为N·m。

由内燃机功率以及氨气、氢气和氮气输入的流量可计算出内燃机的热效率，公式如下，其中η为内燃机热效率；W为内燃机功率；W

由Testo 340测得除水除氨气后的尾气中氧气、一氧化氮和二氧化氮的浓度，以下为计算一氧化氮、二氧化氮在总尾气中的浓度和当量比的过程。氨气部分分解气在内燃机中燃烧的总反应式如下。

4NH

假设实验中氨气的供给流量为Q L/min，内燃机自吸的氧气为Y L/min，实验中反应的氨气流量为X L/min，因此氨气在总尾气中的浓度以及氧气在除水除氨的尾气中的浓度可由如下的公式表示，其中C

基于傅里叶红外光谱分析仪所测得的氨气在总尾气中的浓度C

由此可以计算出反应的当量比，过程如下式，其中φ为当量比。

鉴于目前大部分研究只针对某一分解率下的内燃机燃烧特性以及排放特性进行研究，缺乏氨气分解率对内燃机系统的研究。基于此，本方案中通过实验探究了氨气分解率对内燃机燃烧特性以及排放特性的影响规律，主要从内燃机的动力特性、氨气燃尽率和氮氧化物排放特性这三个方面展开。本方案中系统地研究了氨气分解率、氨气总流量以及当量比对火花点火内燃机燃烧特性和排放特性的影响。燃烧特性包括内燃机的动力特性和氨气燃尽率。动力特性包括对转速、扭矩、功率和热效率的研究；氨气燃尽率包括尾气中氨气的浓度、氨气的燃烧效率、尾气温度和燃料当量比。排放特性包括氨气内燃机尾气排放的一氧化氮、二氧化氮和氧化亚氮的浓度。

具体的，涉及到了如下几个方面：一，系统研究了氨气分解率对火花点火内燃机动力特性、氨气燃尽率和排放特性的研究，得到了不同氨气分解率对内燃机的影响规律，确定了适合火花点火内燃机的氨气分解率；二，系统研究了氨气总流量对火花点火内燃机动力特性、氨气燃尽率和排放特性的研究，得到了不同氨气总流量对内燃机的影响，确定了适合该内燃机的合适的总氨气流量；三，系统研究了当量比对氨气火花点火内燃机动力特性、氨气燃尽率和排放特性的研究，得到了不同当量比对内燃机的影响，为氨气部分分解气内燃机设计和运行的当量比研究提供了参考价值。

基于上述对氨气在内燃机应用中的研究，获得了一种氨燃料内燃机测试系统的测试方法。

本申请中未述及的地方采用或借鉴已有技术即可实现。

以上均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。