一种灵活燃料喷射的氨氢发动机燃烧系统及控制策略
本发明公开了一种灵活燃料喷射的氨氢发动机燃烧系统，主要包括发动机子系统、能量回收子系统、燃料增压供给子系统、氨重整制氢子系统和电控子系统。发动机子系统包括安装在发动机缸盖中间位置的双直喷喷射器和火花塞，双直喷喷射器内部设有两条分别通向燃烧室的低压燃料通道和高压燃料通道；氨重整制氢子系统包括安装于发动机排气管外壁的重整器，重整器内部装有催化剂，外部装有重整器电加热装置。本发明采取的控制策略是利用双直喷喷射器灵活切换燃料的喷射压力，并实现重整气单燃料喷射和氨氢融合燃料的双燃料喷射。此外，本发明可通过能量回收子系统来驱动气驱增压泵提高燃料供给压力，充分利用燃料箱内燃料来延长车辆行驶续航里程。
发明专利
CN202311387740.0
2023-10-25
CN117404209A
2024-01-16
F02M21/02(2006.01)
天津大学
潘家营;李金光;卫海桥;舒歌群;梁兴雨;王磊
300072 天津市南开区卫津路92号
天津市北洋有限责任专利代理事务所
李丽萍
天津;12
1.一种灵活燃料喷射的氨氢发动机燃烧系统，其特征在于：包括发动机子系统(1)、能量回收子系统(2)、燃料增压供给子系统(3)、氨重整制氢子系统(4)和电控子系统(5)； 所述发动机子系统(1)包括发动机本体(6)，双直喷喷射器(7)和火花塞(8)，所述双直喷喷射器(7)和火花塞(8)安装在发动机缸盖中间位置，所述双直喷喷射器(7)内部设有两条分别通向燃烧室的低压燃料通道(702)和高压燃料通道(703)，实现重整气单燃料高压喷射、氨氢融合双燃料低压喷射、氨氢融合双燃料高压喷射； 所述能量回收子系统包括排气涡轮机(9)、排气压气机(10)、可回收制动能量的车载压气机(11)和空气储气罐(13)；所述排气压气机(10)的旋转是利用排气动能驱动的，所述排气压气机(10)将大气中空气压缩进所述空气储气罐(13)中，所述车载压气机(11)的旋转是利用刹车动能驱动的，自所述排气压气机(10)连接至所述空气储气罐(13)及自所述车载压气机(11)连接至所述空气储气罐(13)的连接管路上均分别安装一单向阀； 所述燃料增压供给子系统(3)包括氨罐(15)、氨高压共轨(24)、重整气罐(16)、重整气高压共轨(24)、混合罐(27)和两台气驱增压泵，所述两台气驱增压泵包括连接在所述氨罐(15)排气口与所述氨高压共轨(24)进口之间管路A上的氨气驱增压泵(17)和连接在所述重整气罐(16)的排气口与所述重整气高压共轨(24)进口之间管路B上的重整气气驱增压泵(19)；所述氨气驱增压泵(17)设有氨泵换向阀(18)，所述重整气气驱增压泵(19)设有重整气气泵换向阀(20)，管路A和管路B上均分别设有单向阀；所述氨高压共轨(24)和所述重整气高压共轨(24)的出口分别通过连接管路连接至所述的混合罐(27)，两条连接管路上均设有气体电动流量调节阀，所述混合罐(27)内设有用以检测氨氢掺混比的成分传感器(28)，自所述混合罐(27)分别连接出两条管路，一条是连接至所述双直喷喷射器(7)的高压燃料通道(703)的混合罐高压管路，另一条是连接至所述双直喷喷射器(7)的低压燃料通道(702)的混合罐低压管路，所述混合罐低压管路上装有电动减压阀(26)； 所述氨重整制氢子系统(4)包括安装于发动机排气管外壁的重整器(33)，所述重整器(33)内部装有催化剂，外部装有重整器电加热装置(34)；所述重整气罐(16)设有重整气成分及含量传感器(32)，自所述氨罐(15)至所述重整器(33)进口的连接管路上依次设有重整器电动流量调节阀(30)和单向阀(31)；所述重整器(33)出口与所述重整气罐(16)进口之间的连接管路上设有单向阀； 所述电控子系统包括ECU单元，发动机排气管上设有排气温度传感器(29)，所述氨高压共轨(24)和所述重整气高压共轨(25)均分别配置有压力传感器； 所述排气温度传感器(29)、重整器电加热装置(34)、氨泵换向阀(18)、重整气气泵换向阀(20)、重整器电动流量调节阀(30)、氨电动流量调节阀(22)、重整气电动流量调节阀(23)、成分传感器(28)、氨泵换向阀(18)、重整气气泵换向阀(20)、重整气成分及含量传感器(32)、氨高压共轨(24)和重整气高压共轨(25)配置的压力传感器、双直喷喷射器(7)、火花塞(8)和电动减压阀(26)均与所述的ECU单元(35)相连。 2.根据权利要求1所述的灵活燃料喷射的氨氢发动机燃烧系统，其特征在于：所述空气储气罐(13)上安装有安全阀(14)，用以保证空气储气罐(13)的压力维持在安全压力范围内。 3.根据权利要求1所述的灵活燃料喷射的氨氢发动机燃烧系统，其特征在于：所述空气储气罐(13)负责收集储存高压空气并为下游的所述氨气驱增压泵(17)和重整气气驱增压泵(19)供给空气。 4.根据权利要求1所述的灵活燃料喷射的氨氢发动机燃烧系统，其特征在于：所述燃料增压供给子系统(3)中，通过控制两个气体电动流量调节阀的开度为所述混合罐供给不同量的氨和重整气，实现混合罐重整气单燃料和氨氢融合双燃料的供给，且双燃料供给时掺混比可调。 5.根据权利要求1所述的灵活燃料喷射的氨氢发动机燃烧系统，其特征在于：所述氨重整制氢子系统(4)中，来自所述氨罐(15)的氨经过所述重整器电动流量调节阀(30)调节流量后流入所述重整器(33)，氨在所述重整器(33)内催化裂解后分解成氢气和氮气，经过单向阀流入所述重整气罐(16)，随后被所述重整气气驱增压泵(19)吸入泵体内。 6.一种灵活燃料喷射的氨氢发动机燃烧系统的控制策略，其特征在于，如权利要求1至5任一所述的氨氢发动机燃烧系统的控制，包括： 所述排气温度传感器(29)将排气温度反馈至所述ECU单元(35)，所述重整气成分及含量传感器(32)将重整气罐(16)内重整气成分及含量反馈至所述ECU单元(35)，所述ECU单元(35)依据排气温度和重整气罐(16)内重整气成分及含量计算目标重整气量，进而调整所述重整器电动流量调节阀(30)的开度和所述重整器电加热装置(34)的开关，控制流入所述重整器(33)的氨流量及氨的分解程度； 所述成分传感器(28)将所述混合罐(27)内燃料成分反馈至所述ECU单元(35)，所述ECU单元(35)依据发动机水温和燃料成分来调整氨电动流量调节阀(22)和重整气电动流量调节阀(23)的开度，保证混合罐重整气单燃料或氨氢融合双燃料供给，且双燃料供给时氢氨能量掺混比为7.5％，保持最佳燃烧热效率状态； 设置在所述氨高压共轨(24)和所述重整气高压共轨(25)上的压力传感器检测各自共轨内燃料的压力，所述ECU单元(35)依据所述压力调整氨气驱增压泵和重整气气驱增压泵换向阀换向，维持共轨的高压环境； 所述ECU单元(35)依据喷射压力对发动机性能影响的标定结果控制混合罐低压管路的电动减压阀(26)将高压降至低压，实现混合罐的高压和低压燃油供给； 所述ECU单元(35)依据发动机水温、转速和油门开度，控制所述双直喷喷射器(7)实现重整气单燃料高压喷射、氨氢融合双燃料高压喷射、氨氢融合双燃料低压喷射，随后控制所述火花塞(8)点火。 7.根据权利要求6所述的控制策略，其特征在于，冷启动时，实现重整气单燃料喷射；暖机阶段或是发动机正常运行时，实现氨氢融合双燃料喷射。 8.根据权利要求7所述的控制策略，其特征在于，冷启动时，采用所述重整气罐(16)内储存的重整气为发动机供给燃料，利用空气储气罐(13)内储存的空气驱动所述重整气气驱增压泵(19)对燃料增压；所述ECU单元(35)控制所述重整气电动流量调节阀(23)全开、所述氨电动流量调节阀(22)全关，仅有重整气流入所述混合罐(27)，此时，所述混合罐(27)为重整气的高压单燃料；ECU单元(35)依据发动机油门开度控制双直喷喷射器(7)喷射高压重整气，随后控制所述火花塞(8)点火，燃烧室内可燃混合气顺利着火。 9.根据权利要求7所述的控制策略，其特征在于，冷启动结束，进入暖机阶段时，所述ECU单元(35)控制所述重整器电动流量调节阀(30)较小开度，少量氨进入所述重整器(33)催化转化为氢；发动机运行的同时利用排气压气机来压缩空气，为所述的氨气驱增压泵(17)和所述的重整气气驱增压泵(19)持续提供压缩空气；所述ECU单元(35)依据混合罐的成分传感器(28)反馈的燃料成分调节所述重整气电动流量调节阀(23)和氨电动流量调节阀(22)的开度，保持氢氨能量掺混比为7.5％，此时，混合罐内为氨和重整气的高压融合燃料；ECU单元(35)减小混合罐低压管路上的电动减压阀(26)的开度为所述双直喷喷射器(7)供给低压燃料，混合罐高压管路直接为所述双直喷喷射器(7)供给高压燃料；ECU单元(35)依据发动机转速和油门开度控制双直喷喷射器(7)独立喷射高压和低压的氨氢融合双燃料，随后控制所述的火花塞(8)点火，燃烧室内可燃混合气顺利着火。 10.根据权利要求7所述的控制策略，其特征在于，暖机阶段结束，发动机正常运行时，所述ECU单元(35)控制所述重整器电动流量调节阀(30)较大开度，大量氨进入所述重整器(33)催化转化为氢；同时，所述排气压气机(10)和车载压气机(11)压缩空气，为所述的氨气驱增压泵(17)和所述的重整气气驱增压泵(19)持续提供压缩空气；ECU单元(35)依据混合罐的成分传感器(28)反馈的燃料成分调节所述重整气电动流量调节阀(23)和氨电动流量调节阀(22)的开度，保持氢氨能量掺混比为7.5％，此时，混合罐内为氨和重整气的高压融合燃料；ECU单元(35)减小混合罐低压管路上电动减压阀(26)的开度为所述双直喷喷射器(7)供给低压燃料，混合罐高压管路直接为双直喷喷射器(8)供给高压燃料；ECU单元(35)依据发动机转速和油门开度控制双直喷喷射器(8)独立喷射高压和低压的氨氢融合双燃料，随后控制火花塞点火，燃烧室内可燃混合气顺利着火。