(19)国家知识产权局
(12)发明专利申请
(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202210575359.6
(22)申请日 2022.05.25
(71)申请人 哈尔滨工程大学
地址 150000 黑龙江省哈尔滨市南岗区南
通大街145号
(72)发明人 董全 许聪聪
(74)专利代理机构 哈尔滨市阳光惠远知识产权
代理有限公司 23211
专利代理师 韩丽娜
(51)Int.Cl.
F02M 21/02(2006.01)
F02B 19/12(2006.01)
F01N 5/02(2006.01)
C01B 3/04(2006.01)
(54)发明名称
(57)摘要
本发明提出了一种预燃室式氨燃料发动机
系统，属于发动机技术领域。解决了将氨燃料应
用于发动机系统所存在的困难，也就是氨与其它
传统燃料相比所存在的燃点及汽化潜热较高、燃
烧速度慢等问题。它包括氨燃料供应系统、氨燃
料分解制氢系统和带预燃室的发动机系统，其
号球阀、高压泵和液氨共轨管，氨燃料分解制氢
系统包括依次连接的液氨罐、二号球阀、换热器、
分离提纯装置依次与氢燃料电池、蓄电池和换热
器连接。本发明采用的燃烧模式在一定程度上可
以实现单一氨燃料在发动机上的应用，相比柴油
引燃氨等燃烧模式，实现了更大程度上的减碳效
果。权利要求书2页 说明书5页 附图4页CN 115111089 A 2022.09.27
C N 115111089
A
1.一种预燃室式氨燃料发动机系统，其特征在于：包括氨燃料供应系统、氨燃料分解制氢系统和带预燃室的发动机系统，其中，氨燃料供应系统包括依次连接的液氨存储罐(9)、一号球阀(7)、高压泵(8)和液氨共轨管(6)，所述氨燃料分解制氢系统包括依次连接的液氨存储罐(9)、二号球阀、换热器(5)、氨催化分解制氢装置(4)和氢气分离提纯装置(3)，所述氢气分离提纯装置(3)依次与氢燃料电池(18)、蓄电池(19)和换热器(5)连接，所述带预燃室的发动机系统包括ECU控制单元(1)、点火线圈(2)、火花塞(15)、进气道(11)、排气道(12)、液氨喷射器(13)、氢气喷射器(14)、预燃室(16)和主燃烧室(17)，所述主燃烧室(17)上设置有预燃室(16)、液氨喷射器(13)、进气道(11)和排气道(12)，所述预燃室(16)上设置有火花塞(15)和氢气喷射器(14)，所述液氨喷射器(13)与液氨共轨管(6)连接，所述氢气喷射器(14)与氢气分离提纯装置(3)连接，
所述ECU控制单元(1)、点火线圈(2)和火花塞(15)连接，ECU控制单元(1)控制火花塞(15)的点火，所述ECU控制单元(1)分别与液氨喷射器(13)和氢气喷射器(14)连接，所述ECU 控制单元(1)还分别与高压泵(8)和液氨共轨管(6)连接。
2.根据权利要求1所述的预燃室式氨燃料发动机系统，其特征在于：所述ECU控制单元(1)用于合理控制氨燃料的喷射正时以及点火正时，实现发动机的稳定运行。
3.根据权利要求1所述的预燃室式氨燃料发动机系统，其特征在于：通过调控高压泵(8)以及液氨共轨管(6)来实现液氨喷射压力的调节，从而得到最佳的发动机性能。
4.根据权利要求1所述的预燃室式氨燃料发动机系统，其特征在于：所述排气道(12)贯穿换热器(5)，所述换热器(5)与从排气道(12)排出的高温废气进行换热。
5.根据权利要求1所述的预燃室式氨燃料发动机系统，其特征在于：所述预燃室(16)内的燃料被火花塞(15)点燃形成一次混合燃烧，随着预燃室(16)内混合燃料的燃烧，预燃室(16)内压力和温度都快速增加，使燃烧产生的火焰通过预燃室(16)喷孔形成火焰射流冲入主燃烧室(17)内，形成二次涡流运动，喷射出来的火焰射流点燃主燃烧室内的燃料混合气，形成二次混合燃烧。
6.根据权利要求1所述的预燃室式氨燃料发动机系统，其特征在于：整个系统开始运行时，一号球阀(7)和二号球阀首先打开，氨燃料自液氨存储罐(9)流出后分为两条不同的供应路径，其中一条燃料供应路径是将氨作为发动机的主燃料，自液氨存储罐(9)流出后到达高压泵(8)，通过高压泵(8)对氨燃料进行加压，然后进入液氨共轨管(6)，同时利用ECU控制单元(1)控制高压泵(8)及液氨共轨管(6)，从而得到需要的液氨喷射压力；最后，加压后的液氨通过液氨喷射器(13)直接喷入主燃烧室(17)内。
7.根据权利要求6所述的预燃室式氨燃料发动机系统，其特征在于：另一条燃料供应路径是将氨通入氨燃料催化分解制氢系统来制取氢气，氨燃料自液氨存储罐(9)流出后到达换热器(5)，与从排气道(12)排出的高温废气进行换热，使氨温度升高达到催化分解所需的温度，接着温度升高后的氨气进入氨催化分解制氢装置(4)。
8.根据权利要求1所述的预燃室式氨燃料发动机系统，其特征在于：所述氨催化分解制氢装置(4)中含有镍基催化剂。
9.根据权利要求8所述的预燃室式氨燃料发动机系统，其特征在于：氨气在氨催化分解制氢装置(4)的催化床中进行热分解，得到氢气体积占75％和氮气体积占25％。
10.根据权利要求1所述的预燃室式氨燃料发动机系统，其特征在于：所述氢气分离提
纯装置(3)用于将氢气从管道内的氨气、氢气、氮气的混合物中分离出来，分离出的氢气通过氢气喷射器(14)喷入预燃室(16)。
一种预燃室式氨燃料发动机系统
技术领域
[0001]本发明属于发动机技术领域，特别是涉及一种预燃室式氨燃料发动机系统。
背景技术
[0002]内燃机在当今社会是工农业生产和交通运输中应用最为广泛的动力机械，是最常见的燃烧装置之一。随着能源短缺危机和环境问题的日益加重，不断迫使人们通过对内燃机理论和技术的不断补充发展和完善，从而使内燃机有效热效率和燃油利用率不断上升。然而面对目前日益增长的环保监管压力以及碳达峰、碳中和的强烈愿景，要想解决问题，不仅需要从技术和营运方面提高内燃机能效，还需进一步调整内燃机燃料的结构。因此，使用低碳或碳中和燃料，是实现低碳减排的“新选择”。
[0003]氢在内燃机减排方面有着巨大的潜力，但其储存、运输等基础设施方面的问题限制了其在发动机上的大量推广。而氨被视为是一种氢载体，且其含氢量高，氨所含氢气的质量比接近18％，体积比加压氢或液化氢本身所含氢气更多。同时由于其不含碳，完全燃烧只产生清洁无污染的水和氮气，最近作为碳氢化合物燃料的潜在替代品受到越来越多的关注。并且氨长期以来被广泛应用于化工和农业等诸多领域，且用量大、用途广，在生产、储运、供给等各方面积累了丰富的经验并已形成体系，各种安全措施已经较为完善，因而氨燃料具有良好的推广应用基础。
[0004]然而将氨燃料应用于发动机系统还存在一定困难，因为与其它传统燃料相比，氨存在燃点及汽化潜热较高、燃烧速度慢等问题。目前，针对氨燃料所存在的问题，到一条合理的解决方案以实现氨燃料在发动机上高效稳定燃烧是急需要解决的问题。
发明内容
[0005]有鉴于此，本发明旨在提出一种预燃室式氨燃料发动机系统，以解决将氨燃料应用于发动机系统所存在的困难，也就是氨与其它传统燃料相比所存在的燃点及汽化潜热较高、燃烧速度慢等问题，从而增加了氨燃料在发动机上的合理应用途径。
[0006]为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种预燃室式氨燃料发动机系统，包括氨燃料供应系统、氨燃料分解制氢系统和带预燃室的发动机系统，其中，氨燃料供应系统包括依次连接的液氨罐、一号球阀、高压泵和液氨共轨管，所述氨燃料分解制氢系统包括依次连接的液氨罐、二号球阀、换热器、氨催化分解制氢装置和氢气分离提纯装置，所述氢气分离提纯装置依次与氢燃料电池、蓄电池和换热器连接；
[0007]所述带预燃室的发动机系统包括ECU控制单元、点火线圈、火花塞、进气道、排气道、液氨喷射器、氢气喷射器、预燃室和主燃烧室，所述主燃烧室上设置有预燃室、液氨喷射器、进气道和排气道，所述预燃室上设置有火花塞和氢气喷射器，所述液氨喷射器与液氨共轨管连接，所述氢气喷射器与氢气分离提纯装置连接，
[0008]所述ECU控制单元、点火线圈和火花塞连接，ECU控制单元控制火花塞的点火，所述ECU控制单元分别与液氨喷射器和氢气喷射器连接，所述ECU控制单元还分别与高压泵和液
氨共轨管连接。
[0009]更进一步的，所述ECU控制单元用于合理控制氨燃料的喷射正时以及点火正时，实现发动机的稳定运行。
[0010]更进一步的，通过调控高压泵以及液氨共轨管来实现液氨喷射压力的调节，从而得到最佳的发动机性能。
[0011]更进一步的，所述排气道贯穿换热器，所述换热器与从排气道排出的高温废气进行换热。
[0012]更进一步的，所述预燃室内的燃料被火花塞点燃形成一次混合燃烧，随着预燃室内混合燃料的燃烧，预燃室内压力和温度都快速增加，使燃烧产生的火焰通过预燃室喷孔形成火焰射流冲入主燃烧室内，形成二次涡流运动，喷射出来的火焰射流点燃主燃烧室内的燃料混合气，形成二次混合燃烧。
[0013]更进一步的，整个系统开始运行时，一号球阀和二号球阀首先打开，氨燃料自液氨存储罐流出后分为两条不同的供应路径，其中一条燃料供应路径是将氨作为发动机的主燃料，自液氨存储罐流出后到达高压泵，通过高压泵对氨燃料进行加压，然后进入液氨共轨管，同时利用ECU控制单元控制高压泵及液氨共轨管，从而得到需要的液氨喷射压力；最后，加压后的液氨通过液氨喷射器直接喷入主燃烧室内。
[0014]更进一步的，另一条燃料供应路径是将氨通入氨燃料催化分解制氢系统来制取氢气，氨燃料自液氨存储罐流出后到达换热器，与从排气道排出的高温废气进行换热，使氨温度升高达到催化分解所需的温度，接着温度升高后的氨气进入催化分解装置。
[0015]更进一步的，所述氨催化分解制氢装置中含有镍基催化剂。
[0016]更进一步的，氨气在氨催化分解制氢装置的催化床中进行热分解，得到氢气体积占75％和氮气体积占25％。
[0017]与现有技术相比，本发明所述的一种预燃室式氨燃料发动机系统的有益效果是：[0018](1)、本发明将发动机排气热量合理回收利用，以此来提高氨燃料温度从而制取氢气，实现了氢气的即产即用，解决了氢气在发动机上应用的储存问题。
[0019](2)、本发明加入燃烧室结构具有加快燃料燃烧速度的作用，有利于解决氨燃料燃烧速度慢的问题，实现氨燃料在发动机缸内的稳定燃烧。
[0020](3)、本发明将氢气喷入预燃室点燃，能够实现利用少量的氢引燃氨燃料，解决了氨催化分解制氢装置的制氢压力，防止产生氢气需求量大而分解装置制氢能力不足的问题。
[0021](4)、相比氨气进气道喷射，将氨燃料以液态直接喷入缸内，避免了发动机充气效率的损失，并
且能够防止进排气重叠角造成的氨逃逸问题。
[0022](5)、本发明采用的燃烧模式在一定程度上可以实现单一氨燃料在发动机上的应用，相比柴油引燃氨等燃烧模式，实现了更大程度上的减碳效果。
附图说明
[0023]构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
[0024]图1是本发明所述的预燃室式氨燃料发动机系统的整体结构装置图；
