一种船用氨裂解制氢发动机系统及控制方法

本发明涉及氨燃料裂解制氢发动机，具体涉及一种船用氨裂解制氢发动机系统及控制方法。

背景技术：

1、目前氨燃料的主要使用方式为氨/柴油双燃料发动机，在发动机内通过压燃柴油引燃进气道喷射或缸内直喷的氨气，这种方式可以实现平均50%左右的能量替代率，但仍然有着较高的碳排放。

2、氨气作为储氢介质，同时也是相对廉价的零碳燃料。而氨燃料燃烧速度慢、引燃温度高等理化性质使其难以作为一种单一燃料进行使用。基于此，近年来国内外陆续开展氨-氢融合产业项目，“氨-氢”能源结合是理想的发展方向之一。

3、由于氨裂解制氢发动机结构复杂，因此需要设计一种能够对整体环节进行精确控制的发动机系统，以实现氨燃料裂解制氢发动机在船舶上的稳定、高效、绿色运行。

技术实现思路

1、本发明针对上述问题提出一种船用氨裂解制氢发动机系统，包括氨氢发动机，还包括：

2、用于储存液氨的液氨储罐、氨燃料供给系统、氨裂解制氢系统、氨燃料旁通支路、高压氮气吹扫系统；

3、所述氨燃料供给系统包括液氨泵、第一减压阀、第一换热器、第一流量调节阀、气缸冷却水单元、第一质量流量计、第一电加热器；

4、所述氨裂解制氢系统包括依次连接的第二流量调节阀、氨裂解制氢装置、第一压力传感器、第二电加热器、温度传感器、第一氢气浓度传感器、第三流量调节阀、第二换热器、过滤器以及阻燃器；所述第二电加热器对进入氨裂解制氢装置中的氨气进行加热，所述第一压力传感器以及所述温度传感器对所述氨裂解制氢装置中的气体温度及压力进行监控；

5、所述第一氢气浓度传感器对裂解生成的氢气浓度进行监控，确保生成的氢气浓度满足控制器map中的氢气浓度要求，所述第三流量调节阀对裂解气的流量进行调节；

6、催化离解后的气体进入所述第二换热器中进行冷却，并经过所述过滤器过滤掉其中的水分和杂质，最后进入阻燃器以防止混合气的爆燃；

7、所述氨裂解制氢系统产生的裂解气混合物以及所述氨燃料旁通支路的氨气经过混合，在气动增压泵处增压至5bar并供给至稳压气轨中，轨压传感器对所述稳压气轨中的压力进行监测；

8、所述氨氢发动机启动后，通入经过稳压气轨处理的混合气；

9、所述高压氮气吹扫系统包括高压氮气瓶、第二减压阀、第五流量调节阀，使得系统内的氨氢混合气进行吹扫，直至系统内的氨、氢浓度低于爆炸极限。

10、优选的，所述液氨泵将液氨从所述液氨储罐中泵出，经过所述第一减压阀使液氨的压力下降至0.5mpa并变为气态，氨气经过所述第一换热器与气缸冷却水进行换热，使氨气温度上升至50℃-70℃，随后被加热后的氨气进入氨裂解系统和氨燃料旁通支路；气缸冷却水的流量由所述气缸冷却水单元以及所述第一流量调节阀进行调节，随着氨氢发动机的运行，所述气缸冷却水的温度逐渐升高，而氨燃料的供给量也逐渐增大，所述气缸冷却水单元的控制系统根据氨流量以及所述气缸冷却水水温动态调整所述气缸冷却水的流量。

11、优选的，所述稳压气轨上装有氨气喷射阀，所述氨气喷射阀受电控系统控制，根据所述氨气喷射阀中内置的map喷氨提前角，进行供电断电以实现混合气的定量喷射；经过充分雾化的氨气喷射入所述氨氢发动机中，氨氢发动机上设有高能火花塞，高能火花塞根据电控系统设置的点燃时间进行高能点火；所述氨氢发动机燃烧后的尾气由排出，所述排烟管上设有第二氢气浓度传感器以及氨气浓度传感器，利用第二氢气浓度传感器以及氨气浓度传感器对逃逸或剩余的氢气与氨气进行浓度检测。

12、优选的，当启动所述氨氢发动机停机指令后，停止氨燃料供给、停止高能火花塞点火、关闭氨气换热系统加热装置、关闭所述氨裂解制氢系统的加热装置，关闭第四流量调节阀以及所述第三流量调节阀后启动高压氮气吹扫系统，高压氮气经过所述第二减压阀减压至6bar，受所述第五流量调节阀调节高压氮气的流量，氮气依次经过所述氨裂解制氢系统、第六流量调节阀、第三氢气浓度传感器、氨气吸收装置，直至氢气浓度低于爆炸极限后打开所述第三流量调节阀，氮气依次经过所述氨裂解制氢系统、所述稳压气轨、发动机气缸，直至所述氨气浓度传感器检测氨气浓度低于爆炸极限后系统关闭所述高压氮气吹扫系统。

13、优选的，所述裂解制氢系统可根据不同工况的氨气需求量以及燃烧情况实时调控氢气的生成量与氨氢混合比例；部分经过减压与加热的氨气进入氨裂解制氢系统中，经过第二流量调节阀调控流量后的氨气进入氨裂解制氢装置中，在催化剂的作用下发生反应生成氮气与氢气。

14、优选的，包括scr系统，所述scr系统用于处理氨氢燃烧的主要排放物nox。

15、优选的，被加热后的氨气经过减压升温，由第四流量调节阀调整压力后供给入氨燃料旁通支路，减压后的氨气经由第二质量流量计和第二压力传感器以确保供给流量以及压力满足所述氨氢发动机需求后进入所述氨氢发动机供给端。

16、优选的，大于设定压力的氨气会通过泄压阀收集回所述液氨储罐中。

17、本发明针对上述问题提出一种船用氨裂解制氢发动机系统的控制方法，包括如下步骤：

18、步骤s11：启动发动机上电指令；对所述氨氢发动机上电，发动机ecu、各传感器上电，通过长按所述氨氢发动机监控仪的启动按钮或者控制系统界面进行所述氨氢发动机运行启动，并启动所述氨燃料供给系统；

19、步骤s12：触发所述氨氢发动机状态判断指令；其包括ecu检测各传感器是否上电成功、数据传输是否存在错误、所述氨氢发动机机械状态是否存在故障、氨气的稳压气轨是否稳定在5±0.5bar；在各监测发动机各部分无故障后进行开启所述氨裂解制氢系统；

20、步骤s13：启动启机指令；首先通过电加热对所述裂解制氢系统进行加热，待所述氨氢发动机达到50%负荷以后逐渐以尾气加热进行替代，并点燃氨氢混合燃料；

21、步骤s14：所述氨氢发动机工况调节；根据所述氨氢发动机的转速、扭矩需求实时调节所述氨燃料旁通支路的氨燃料流量以及裂解通道的氨燃料流量，结合尾气中的氢、氨浓度进一步调整氨燃料的供给以满足发动机的氢/氨混合比；在低负荷时，高能点火主要以单次点火为主；随着负荷的增加，逐渐变为多次点火，降低单次点火能量并提升点火次数。

22、本发明技术方案，具有如下优点：本发明通过针对氨燃料供给、氨裂解制氢、发动机控制、氢气排放体系进行控制，实现系统高效稳定安全的制氢、用氢，实现系统的零碳排放。

技术特征：

1.一种船用氨裂解制氢发动机系统，包括氨氢发动机（23），其特征在于，还包括：

2.根据权利要求1所述的船用氨裂解制氢发动机系统，其特征在于，所述液氨泵（2）将液氨从所述液氨储罐（1）中泵出，经过所述第一减压阀（3）使液氨的压力下降至0.5mpa并变为气态，氨气经过所述第一换热器（4）与气缸冷却水进行换热，使氨气温度上升至50℃-70℃，随后被加热后的氨气进入氨裂解系统和氨燃料旁通支路；气缸冷却水的流量由所述气缸冷却水单元（6）以及所述第一流量调节阀（5）进行调节，随着氨氢发动机（23）的运行，所述气缸冷却水的温度逐渐升高，而氨燃料的供给量也逐渐增大，所述气缸冷却水单元（6）的控制系统根据氨流量以及所述气缸冷却水水温动态调整所述气缸冷却水的流量。

3.根据权利要求2所述的船用氨裂解制氢发动机系统，其特征在于，所述稳压气轨（20）上装有氨气喷射阀（22），所述氨气喷射阀（22）受电控系统控制，根据所述氨气喷射阀（22）中内置的map喷氨提前角，进行供电断电以实现混合气的定量喷射；经过充分雾化的氨气喷射入所述氨氢发动机（23）中，所述氨氢发动机（23）上设有高能火花塞（24），所述高能火花塞（24）根据电控系统设置的点燃时间进行高能点火；所述氨氢发动机（23）燃烧后的尾气由排烟管排出，所述排烟管上设有第二氢气浓度传感器（25）以及氨气浓度传感器（26），利用第二氢气浓度传感器（25）以及氨气浓度传感器（26）对逃逸或剩余的氢气与氨气进行浓度检测。

4.根据权利要求3所述的船用氨裂解制氢发动机系统，其特征在于，当启动所述氨氢发动机（23）停机指令后，停止氨燃料供给、停止高能火花塞点火、关闭氨气换热系统加热装置、关闭所述氨裂解制氢系统的加热装置，关闭第四流量调节阀（28）以及所述第三流量调节阀（15）后启动高压氮气吹扫系统，高压氮气经过所述第二减压阀（33）减压至6bar，受所述第五流量调节阀（34）调节高压氮气的流量，氮气依次经过所述氨裂解制氢系统、第六流量调节阀（35）、第三氢气浓度传感器（36）、氨气吸收装置（37），直至氢气浓度低于爆炸极限后打开所述第三流量调节阀（15），氮气依次经过所述氨裂解制氢系统、所述稳压气轨（20）、发动机气缸，直至所述氨气浓度传感器（26）检测氨气浓度低于爆炸极限后系统关闭所述高压氮气吹扫系统。

5.根据权利要求4所述的船用氨裂解制氢发动机系统，其特征在于，所述裂解制氢系统可根据不同工况的氨气需求量以及燃烧情况实时调控氢气的生成量与氨氢混合比例；部分经过减压与加热的氨气进入氨裂解制氢系统中，经过第二流量调节阀（9）调控流量后的氨气进入氨裂解制氢装置（10）中，在催化剂的作用下发生反应生成氮气与氢气。

6.根据权利要求1至5任一所述的船用氨裂解制氢发动机系统，其特征在于，包括scr系统（27），所述scr系统（27）用于处理氨氢燃烧的主要排放物nox。

7.根据权利要求6所述的船用氨裂解制氢发动机系统，其特征在于，被加热后的氨气经过减压升温，由第四流量调节阀（28）调整压力后供给入氨燃料旁通支路，减压后的氨气经由第二质量流量计（30）和第二压力传感器（31）以确保供给流量以及压力满足所述氨氢发动机（23）需求后进入所述氨氢发动机（23）供给端。

8.根据权利要求4所述的船用氨裂解制氢发动机系统，其特征在于，大于设定压力的氨气会通过泄压阀（29）收集回所述液氨储罐（1）中。

9.使用根据权利要求1至8任一项所述的船用氨裂解制氢发动机系统的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

技术总结
本发明属于氨燃料裂解制氢发动机技术领域，提供了一种船用氨裂解制氢发动机系统及控制方法，包括：用于储存液氨的液氨储罐、氨燃料供给系统、氨裂解制氢系统、氨燃料旁通支路、高压氮气吹扫系统；所述氨燃料供给系统包括液氨泵、单向减压阀、第一换热器、第一流量调节阀、气缸冷却水单元、第一质量流量计、第一电加热器；本发明通过针对氨燃料供给、氨裂解制氢、发动机控制、氢气排放体系进行控制，实现系统高效稳定安全的制氢、用氢，实现系统的零碳排放。

技术研发人员：卢莉莉,郭宗伟,刘真余,姚崇
受保护的技术使用者：烟台哈尔滨工程大学研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/10/17