一种耦合氨在线重整及氢催化燃烧的内燃机燃烧系统及控制方法

本发明属于内燃机动力与新能源利用，尤其涉及一种耦合氨在线重整及氢催化燃烧的内燃机燃烧系统及控制方法。

背景技术：

1、当前，全球能源体系正经历由高碳向低碳、再向零碳的深度转型。内燃机作为交通运输、工程机械、发电及船舶等领域的核心动力装置，长期以来高度依赖化石燃料，导致大量温室气体与污染物排放。据统计，传统汽油和柴油发动机在燃烧过程中产生的二氧化碳排放量占交通领域总排放量的70%以上，同时伴随颗粒物（pm）、氮氧化物（nox）等有害物质的排放，对环境和人类健康构成严重威胁。在能源安全与环境保护双重压力下，推动内燃机燃料的多元化、低碳化乃至零碳化，已成为行业发展的必然趋势。

2、近年来，甲醇、氨、氢气等新型替代燃料因其可再生性、低碳或零碳特性，被视为实现内燃机领域碳中和的重要技术路径。其中，甲醇燃料具有较高的含氧量、较低的碳氢比以及良好的雾化与燃烧特性，已在部分国家和地区实现初步商业化应用；氨燃料不含碳元素，燃烧过程不产生二氧化碳，且可通过可再生能源制氢后与氮气合成，实现全生命周期零碳循环，同时其液化压力低、储运便利，被视为未来重型运输和船舶动力的理想零碳燃料；氢气作为终极清洁燃料，燃烧产物仅为水，具有极高的火焰传播速度和反应活性，可显著提升燃烧效率与热效率。

3、然而，尽管上述燃料具备良好的环保前景，其在实际应用中仍面临诸多技术瓶颈。不同燃料的理化性质与燃烧特性差异显著，导致发动机对燃料的适应性差。例如，甲醇蒸发潜热大、能量密度低，需优化喷射与点火策略；氨的燃烧速度慢、点火能量高、着火困难，易造成燃烧不稳定、热效率下降及未燃氨和氮氧化物排放增加；氢气虽燃烧性能优异，但其易燃易爆、储运成本高、体积能量密度低，大规模安全应用仍面临挑战。其次，现有内燃机多为单一燃料或固定配比双燃料设计，难以根据区域燃料供应变化或价格波动实现灵活切换，限制了低碳燃料的广泛推广。

4、为改善氨燃料的燃烧性能，国内外研究者提出了氨裂解制氢辅助燃烧的技术路线，即通过在线重整将部分氨分解为氢气和氮气，利用氢气的高反应活性促进缸内燃烧。但现有氨重整技术多依赖高温电加热或独立反应装置，系统结构复杂、启动温度高、能耗大，且未能有效利用发动机排气余热，整体能量利用率低。此外，氢气通常需独立储存或外部供应，增加了系统复杂性与安全风险，未能实现能源的梯级利用与系统内循环。

5、因此，针对上述深刻的技术矛盾，亟需一种能够兼容多种低碳燃料、实现高效稳定燃烧的新型燃烧系统。

技术实现思路

1、本发明旨在提供一种耦合氨在线重整及氢催化燃烧的内燃机燃烧系统及控制方法，能够兼容多种低碳燃料、实现高效稳定燃烧、并具备能量自持与回收能力的新型燃烧系统，以推动内燃机向绿色、高效、智能方向转型升级。

2、根据本发明的一方面，提供一种耦合氨在线重整及氢催化燃烧的内燃机燃烧系统，包括燃料供给与切换单元、氨在线催化重整单元和发动机主体，

3、所述燃料供给与切换单元包括第一燃料输送管路、第二燃料输送管路：

4、所述第一燃料输送管路包括依次连接的液氨罐、第一流量计、第一供给泵、第一三通控制阀，所述第一三通控制阀的第二端口作为所述第一燃料输送管路的输出端，

5、所述第二燃料输送管路包括依次连接的甲醇罐、第二流量计、第二供给泵、第二三通控制阀、第三三通控制阀、第四三通控制阀，所述第四三通控制阀的第二端口作为所述第二燃料输送管路的输出端，其中，所述第二三通控制阀的第三端口连通至所述第四三通控制阀的第二端口，所述第三三通控制阀的第三端口连通至混合燃料制备装置的输入端，所述混合燃料制备装置的输出端连通至所述四三通控制阀的第二端口，所述第四三通控制阀的第三端口与所述第一三通控制阀的第三端口连通，从而控制燃料的供给路径，向所述发动机本体提供氨燃料、甲醇燃料或混合燃料；

6、所述氨在线催化重整单元包括依次连通的重整器、第一增压泵、稳压罐、储氢罐，所述重整器的输入端与所述第一燃料输送管路的输出端相连通，所述稳压罐的输出端连通所述氨在线催化重整单元的输出端，所储氢罐的输入端与所述稳压罐的输出端连通，所述储氢罐的输出端连通至所述氨在线催化重整单元的输出端，所述重整器内部设有氢催化反应层，用于利用部分氢气催化燃烧释放的热量补偿氨分解反应吸热；

7、所述发动机主体，设置有重整产物喷射器、点火室，其中所述重整产物喷射器通过第二增压泵与所述氨在线催化重整单元的输出端相连通，所述点火室与所述第二燃料输送管路的输出端相连通。

8、根据一些实施例，所述发动机主体还设置有主燃烧室：

9、所述点火室设置有火花塞和点火室燃料喷射器，所述主燃烧室设置有燃料高压喷射器，所述燃料高压喷射器和点火室燃料喷射器分别受控于发动机电子控制单元；

10、所述燃料高压喷射器、所述点火室燃料喷射器分别与所述第二燃料输送管路的输出端相连通；

11、其中，所述点火室燃料喷射器和燃料高压喷射器均为直喷喷射器，所述点火室产生的火焰射流用于引燃含有氢气助燃剂的氨或甲醇/氨混合气。

12、根据一些实施例，所述内燃机燃烧系统还包括点火与控制单元：

13、所述点火与控制单元与所述燃料供给与切换单元中的各流量计、供给泵、以及三通控制阀的控制端和/或数据采集端相连接，从而根据燃料供应及运行工况自动执行切换各三通控制阀的各端口的导通或关闭；

14、所述点火与控制单元通过所述发动机电子控制单元分别控制所述发动机主体中的所述重整产物喷射器、所述燃料高压喷射器、所述点火室燃料喷射器，实现燃料的比例调节、流量分配与燃烧优化控制。

15、根据一些实施例，所述重整器还包括：

16、绝热层，设置在所述重整器罐体外部，防止热量散失；

17、氨热分解层，设置在所述重整器罐体中间设置，内置催化剂，用于发生氨分解反应；

18、所述氢催化反应层与所述氨热分解层之间设有导热结构，从而将氢催化燃烧释放的热量高效传导至氨分解区域。

19、根据一些实施例，所述重整器利用所述发动机主体排气余热作为热源，用于将部分氨燃料分解为含氢重整气。

20、根据一些实施例，所述储氢罐的输出端以及所述稳压罐的输出端与所述重整器的输入端相连通；

21、氢气进入重整器内部参与氢催化燃烧反应，以利用燃烧放热提高排气温度。

22、根据本发明的另一方面，提供一种内燃机燃烧系统的控制方法，包括：

23、根据当前燃料供应状态及发动机运行工况，确定目标运行模式；

24、根据所述目标运行模式，通过点火与控制单元控制所述燃料供给与切换单元的三通控制阀组，从而控制燃料路径和配比，实现三种运行模式；

25、其中，所述运行模式包括纯氨模式、纯甲醇模式和甲醇/氨混合模式。

26、根据一些实施例，所述根据当前燃料供应状态及发动机运行工况，确定目标运行模式，包括：

27、在冷启动及怠速工况下，采用纯甲醇模式运行；

28、在低负荷工况下，选择甲醇/氨混合模式；

29、在中负荷工况下，当排气温度满足重整器启动阈值时，在甲醇/氨混合模式与纯氨模式之间进行切换；

30、在高负荷工况下，选择纯氨模式或甲醇/氨混合模式。

31、根据一些实施例，所述控制方法还包括：

32、在系统冷启动初期，利用储氢罐向重整器内部的氢催化反应层通入氢气，与排气中的氧气发生催化燃烧放热，将重整器内部温度提升至氨分解反应所需温度。

33、根据一些实施例，所述控制方法还包括：

34、当检测到重整器内部氢浓度超限、排气温度异常或燃料管路压力波动时，强制切换至纯甲醇模式和/或切断燃料供给。

35、本发明实施例提供的技术方案包括以下有益效果：

36、本发明通过构建由燃料供给与切换单元、氨在线催化重整单元及发动机主体组成的完整系统，从根本上解决了现有技术中低碳燃料内燃机燃料适应性差、氨燃烧效率低及氢气储运风险高的问题。

37、通过第一燃料输送管路与第二燃料输送管路的独立与协同工作，配合多级三通控制阀及混合燃料制备装置，实现了纯氨、纯甲醇以及甲醇/氨混合燃料三种运行模式的灵活切换，使发动机能够根据燃料供应条件及运行工况自动选择最优的能源策略，显著提升了设备的环境适应性与运行经济性。

38、尤为重要的是，本发明利用发动机排气余热驱动氨在线催化重整单元，将部分氨燃料实时转化为富含氢气的重整气，这些高活性的氢气经由重整产物喷射器引入进气道参与燃烧，有效改善了氨燃料燃烧速度慢、点火困难的固有缺陷，大幅提升了缸内燃烧速率与热效率，同时避免了高压储氢带来的安全隐患。

39、此外，系统通过设置稳压罐保证了重整气体的供给稳定性，并依托点火室射流引燃技术，利用点火室产生的高温高速射流可靠地点燃主燃烧室内的氨或氨/甲醇混合气，进一步确保了在各种燃料模式下的燃烧稳定性与高效性，最终达成了一种集燃料灵活性、高热效率、低排放与高安全性于一体的内燃机燃烧解决方案。

40、上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。