【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及基于裂化制氢和高低压联合的动力系统及其运行方法，属于动力能源。
技术介绍
1、co2排放标准日益严格。内燃机在各国民生产领域得到广泛应用，是碳排放的主要来源，且由于发动机的功率密度、安全可靠性等优势使其具有不可替代性。在此背景下，为了有效控制温室效应并减少温室气体排放，在内燃机领域寻找清洁的替代能源至关重要，零碳动力技术的发展势在必行。
2、氢和氨是目前得到广泛认可的零碳燃料。氢作为发动机燃料有许多优点，如着火界限宽、热效率高、低排放、经济性好、来源广泛等。但是氢的物化特性导致其存储困难、成本高，输出功率低，nox排放高，异常燃烧导致的爆震、早燃、回火等问题。与氢相比，氨更便于控制与操作。纯氨相比传统化石燃料具有较低的层流燃烧速度，较高的点火能量和自燃温度，以纯净燃料形式燃烧更加困难。
3、氢相对于氨的化学性质更加活泼，部分研究表明，在纯氨燃料中适量掺氢可以显著提升燃料总体的反应活性，从而解决纯氨燃料在气缸内直接燃烧困难的难题。氨是一种富氢物质，其理论储氢量可达17.6wt％，且热稳定性好，放氢条件温和，可将其作为储氢材料在燃料供给阶段转化为氢气来降低氨燃料的缸内燃烧条件。因此，通过原料裂化重整来实现现场制氢掺混，就显得尤为重要。
4、热裂解氨重整制氢是最为常见的转化形式，发动机的高温废气充当反应的热源。而利用废热的制氢系统的性能达不到所需的氢气供给速率，因为氨需要至少约20％的氢气掺混率才能达到与甲烷相当的层流火焰速度。等离子体是由带电的正负离子、自由基和各种激发态中性粒子组成
5、缸内高压直喷液氨模式是在压缩行程末端，将燃料一次性或在一定转角内将液态氨少量多次以高压喷射的方式直接喷入气缸参与燃烧，这种方式可以简化缸内结构，但是氨燃料的理化特性决定了其着火压力达到38mpa甚至更高，这在内燃机现有强度条件下是难以实现的。
6、因此，亟需提出基于裂化制氢和高低压联合喷射的动力系统及其运行方法，以解决上述技术问题。
技术实现思路
1、本专利技术的目的是为了解决氨燃料着火温度和压力过高使其难以应用的问题，提供基于裂化制氢和高低压联合喷射的动力系统及其运行方法，在下文中给出了关于本专利技术的简要概述，以便提供关于本专利技术的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本专利技术的穷举性概述。它并不是意图确定本专利技术的关键或重要部分，也不是意图限定本专利技术的范围。
2、本专利技术的技术方案：
3、基于裂化制氢和高低压联合喷射的动力系统，包括等离子体催化氨裂化重整模块和内燃机气缸模块，所述等离子体催化氨裂化重整模块与内燃机气缸模块建立连接，等离子体催化氨裂化重整模块用于实现燃料的催化，内燃机气缸模块用于引燃燃料做功。
4、优选的：所述等离子体催化氨裂化重整模块包括氨气进气口、氢氨重整混合气出口、等离子体发生器、裂化供热列管和催化器壳体，催化器壳体的两端具有氨气进气口、氢氨重整混合气出口，催化器壳体内中上部设置有等离子体发生器，催化器壳体内设置有均匀布置的裂化供热列管。
5、优选的：所述内燃机气缸模块包括氢氨混合气喷射阀、液氨喷射阀、点火器、预燃室、活塞、扫气口、排气口柱塞、排气口和气缸缸体，气缸缸体内滑动设置有活塞，气缸缸体侧面的下部设置有扫气口，气缸缸体侧面的中部设置有与气缸缸体内部连通的混合气输入管，混合气输入管上设置有氢氨混合气喷射阀，气缸缸体的上面设置有预燃室、液氨喷射阀、排气口，气缸缸体通过若干小孔与预燃室连通，气缸缸体上面设置有与气缸缸体内部连通的液氨输入管，液氨输入管上设置有液氨喷射阀，预燃室内设置有点火器，排气口柱塞一端与柱塞套组成柱塞偶件，曲轴通过连杆轴承气缸缸体配合连接，排气口柱塞另一端伸入到气缸缸体内与排气口建立配合，活塞的侧壁与气缸缸体内壁间设置有活塞环，活塞的驱动可采用内燃机的曲柄连杆结构，即活塞的下部与连杆的一端铰接，连杆的另一端与曲轴通过轴承连接，曲轴与电机连接，电机与内燃机机架固定连接。
6、优选的：氢氨混合气低压喷射阀采用低压喷射阀，液氨高压直喷喷射阀采用高压直喷喷射阀。
7、优选的：所述等离子体催化氨裂化重整模块还包括供热废气进气口和废气出口，裂化供热列管的两端具有供热废气进气口、废气出口，供热废气进气口、废气出口从催化器壳体伸出，排气口与供热废气进气口连通，废气出口与废气后处理装置入口连通。
8、优选的：还包括氨气进气分流阀和富氢气体混合阀，所述氨气源通过氨气进气分流阀与氨气进气口、富氢气体混合阀的入口连接，氢氨重整混合气出口与富氢气体混合阀的入口连接，富氢气体混合阀的出口与氢氨混合气喷射阀连接，氨气源用于提供氨气，本专利技术可应用于大功率内燃机装备领域，实现零碳动力。
9、基于裂化制氢和高低压联合喷射的动力系统运行方法，包括以下步骤：
10、步骤一：液氨通过汽化装置汽化为氨气后经氨气进气分流阀分流，一部分通过重整器氨气进气口进入到催化器壳体，另一部分直接流向富氢气体混合阀；
11、步骤二：启动供热列管，氨气流入裂化重整区域催化器壳体内后，同时等离子体发生器中的滑动弧放电激励器放电使该区域内(催化器壳体内)产生等离子体，在高速、高能的等离子体的催化作用下，裂化供热列管周围的部分氨气受热催化裂化为氢气，形成富氢气体；
12、步骤三：重整后的富氢气体流至富氢气体混合阀，与另一部分氨气混合后形成氢氨混合气，氢氨混合气流向氨氢混合气喷射阀；
13、步骤四：零碳动力系统做功机构为二冲程预燃点火式活塞内燃机，内燃机随活塞13运动在高低压联合喷射的模式下燃烧做功；在活塞下行阶段，从活塞上端面位置低于扫气口上缘时，空气经扫气口进入气缸，直至活塞经过下止点(活塞运动的最低位置)后，活塞上行，在活塞下端面位置高于扫气口上缘时结束扫气；电机通过曲轴曲柄结构驱动活塞第一次上行，之后的上行通过惯性完成；
14、步骤五：氢氨混合气经氢氨混合气喷射阀在压缩行程前中期活塞位于混合气喷射阀与空气经扫气口之间喷入气缸缸体内，随活塞上行运动带来的扰动使缸内气体混合，形成可燃混合气；
15、步骤六：活塞位置高于氢氨混合气喷射阀后不再通过此阀喷射，在上行过程中，气缸缸体内的可燃混合气逐渐被压缩而升温，其反应活性也逐渐提升，混合气进入并充满预燃室。
16、步骤七：压缩行程后期活塞位于混合气喷射阀上方，液态氨燃料由液氨喷射阀按一定喷射规律高压喷入气缸缸体内，经液滴破碎、汽化后与可燃混合气混合，形成燃料混合气；
17、步骤八：预燃室内部的点火器在活塞到达上止点活塞运动的最高位置前某时刻作用，点火器放出电火花点燃预燃室内当量比相对较低的稀薄可燃气本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.基于裂化制氢和高低压联合喷射的动力系统，其特征在于：包括等离子体催化氨裂化重整模块和内燃机气缸模块，所述等离子体催化氨裂化重整模块与内燃机气缸模块建立连接，等离子体催化氨裂化重整模块用于实现燃料的催化，内燃机气缸模块用于引燃燃料做功。
2.根据权利要求1所述的基于裂化制氢和高低压联合喷射的动力系统，其特征在于：所述等离子体催化氨裂化重整模块包括氨气进气口(2)、氢氨重整混合气出口(3)、等离子体发生器(4)、裂化供热列管(7)和催化器壳体，催化器壳体的两端具有氨气进气口(2)、氢氨重整混合气出口(3)，催化器壳体内设置有等离子体发生器(4)，催化器壳体内设置有裂化供热列管(7)。
3.根据权利要求2所述的基于裂化制氢和高低压联合喷射的动力系统，其特征在于：所述内燃机气缸模块包括氢氨混合气喷射阀(9)、液氨喷射阀(10)、点火器(11)、预燃室(12)、活塞(13)、扫气口(14)、排气口柱塞(15)、排气口(16)和气缸缸体，气缸缸体内滑动设置有活塞(13)，气缸缸体侧面的下部设置有扫气口(14)，气缸缸体侧面的中部设置有氢氨混合气喷射阀(9)，气缸缸
4.根据权利要求3所述的基于裂化制氢和高低压联合喷射的动力系统，其特征在于：氢氨混合气低压喷射阀(9)采用低压喷射阀，液氨高压直喷喷射阀(10)采用高压直喷喷射阀。
5.根据权利要求3所述的基于裂化制氢和高低压联合喷射的动力系统，其特征在于：所述等离子体催化氨裂化重整模块还包括供热废气进气口(5)和废气出口(6)，裂化供热列管(7)的两端具有供热废气进气口(5)、废气出口(6)，排气口(16)与供热废气进气口(5)连通。
6.根据权利要求3所述的基于裂化制氢和高低压联合喷射的动力系统，其特征在于：还包括氨气进气分流阀(1)和富氢气体混合阀(8)，所述氨气源通过氨气进气分流阀(1)与氨气进气口(2)、富氢气体混合阀(8)的入口连接，氢氨重整混合气出口(3)与富氢气体混合阀(8)的入口连接，富氢气体混合阀(8)的出口与氢氨混合气喷射阀(9)连接。
7.基于裂化制氢和高低压联合喷射的动力系统运行方法，其特征在于：采用权利要求1-6任一项所述的基于裂化制氢和高低压联合喷射的动力系统，包括以下步骤：
8.根据权利要求7所述的基于裂化制氢和高低压联合喷射的动力系统运行方法，其特征在于：步骤二中，燃烧做功后产生的高温废气经过排气口(16)、供热废气进气口(5)进入到裂化供热列管(7)内，并与催化器壳体内的氨气进行换热，换热后通过废气出口(6)排出到外界环境或废气后处理装置中。
...【技术特征摘要】
1.基于裂化制氢和高低压联合喷射的动力系统，其特征在于：包括等离子体催化氨裂化重整模块和内燃机气缸模块，所述等离子体催化氨裂化重整模块与内燃机气缸模块建立连接，等离子体催化氨裂化重整模块用于实现燃料的催化，内燃机气缸模块用于引燃燃料做功。
2.根据权利要求1所述的基于裂化制氢和高低压联合喷射的动力系统，其特征在于：所述等离子体催化氨裂化重整模块包括氨气进气口(2)、氢氨重整混合气出口(3)、等离子体发生器(4)、裂化供热列管(7)和催化器壳体，催化器壳体的两端具有氨气进气口(2)、氢氨重整混合气出口(3)，催化器壳体内设置有等离子体发生器(4)，催化器壳体内设置有裂化供热列管(7)。
3.根据权利要求2所述的基于裂化制氢和高低压联合喷射的动力系统，其特征在于：所述内燃机气缸模块包括氢氨混合气喷射阀(9)、液氨喷射阀(10)、点火器(11)、预燃室(12)、活塞(13)、扫气口(14)、排气口柱塞(15)、排气口(16)和气缸缸体，气缸缸体内滑动设置有活塞(13)，气缸缸体侧面的下部设置有扫气口(14)，气缸缸体侧面的中部设置有氢氨混合气喷射阀(9)，气缸缸体的上面设置有预燃室(12)、液氨喷射阀(10)、排气口(16)，预燃室(12)内设置有点火器(11)，排气口柱塞(15)与排气口(16)建立配合。
4.根据权利要求3所述的基于裂化制氢...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘龙，许智淳，谭富升，梅齐昊，刘俊杰，韩笑，安琛，唐元亨，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：
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