多源能量协同式超低碳氨燃料复合动力系统

1.本发明涉及的是一种船舶动力系统，具体地说是氨燃料复合动力系统。


背景技术：

2.氨气和电池作为绿色电碳能源能够很好地满足低碳要求。氨气在燃烧时不会生成hc和二氧化碳，因此，从碳中和、环境保护以及经济性、多元化能源利用、安全性等角度考虑，未来使用氨气这种新型燃料具有很大应用前景。但是目前对氨气燃料在柴油机上的应用仍然具有很大的困难，例如：氨气燃烧速度慢、活化性能低，需引入一些高活化性物质；并且如果氨气燃烧不充分，会产生有毒的nox，直接排放入大气中，会对人体以及环境造成很大的危害；氨与柴油双燃料混合发动机在低工况下具有功率低、柴油消耗量高的缺点，且在实际中涉及到多能量分配的问题。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供可实现不同系统对能量的控制需求的多源能量协同式超低碳氨燃料复合动力系统。
4.本发明的目的是这样实现的：
5.本发明多源能量协同式超低碳氨燃料复合动力系统，其特征是：包括液氨-柴油双燃料发动机、电机、齿轮箱、螺旋桨，液氨-柴油双燃料发动机和电机分别连接齿轮箱，齿轮箱连接螺旋桨，所述液氨-柴油双燃料发动机包括氨燃料共轨管、柴油共轨管、气缸，气缸分别连接进气道、排气管，气缸里安装氨燃料喷射器、柴油喷射器，氨燃料喷射器连接氨燃料共轨管，柴油喷射器连接柴油共轨管。
6.本发明还可以包括：
7.1、还包括燃料供给储存系统，包括液氨储存罐、柴油储存罐、scr后处理系统，液氨储存罐通过自增压泵和滤清器完成自增压，液氨储存罐通过供给泵连接氨燃料共轨管，柴油储存罐通过增压泵连接柴油共轨管，液氨储存罐通过三向阀连接scr后处理系统。
8.2、还包括氨燃料电池系统，所述氨燃料电池系统包括燃料电池本体、第一混合室、第二混合室、水箱，液氨-柴油双燃料发动机的涡轮增压器的压气机出口连接第一混合室，scr后处理系统连接第二混合室，水箱分别连接第一混合室和第二混合室，第一混合室和第二混合室均连接燃料电池本体。
9.本发明的优势在于：
10.1、本发明采用受热管理控制的燃料供给储存系统进行氨燃料的储存和输送，实现氨燃料的高效安全供给；
11.2、本发明采用液氨—柴油双燃料发动机，实现氨燃料的高效燃烧，解决氨燃料燃烧速度慢、燃点高的弊端；
12.3、本发明通过氨燃料电池系统产生电能储存于电池，实现电机的运行，形成混合动力以弥补氨燃料发动机低工况下氨燃料燃烧效果差；
13.4、多源能量热管理系统是以氨为工质，通过高低功率双压缩机的设置，在节省功率的情况下实现氨燃料工质的直冷直热作用，热管理系统使用电磁四通阀，实现多模式运行；
14.5、混合动力结合scr后处理以及废气涡轮增压装置，对发动机以及燃料电池的燃烧产物进行吸收处理，真正意义上实现零碳零排放。
附图说明
15.图1为本发明的结构示意图；
16.图2为液氨—柴油双燃料发动机结构示意图；
17.图3为氨燃料电池系统结构示意图；
18.图4为燃料供给储存系统结构示意图；
19.图5为多源能量热管理系统结构示意图。
具体实施方式
20.下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：
21.结合图1-5，图1为本发明整体结构示意图，多源能量协同式超低碳复合动力系统，包括液氨—柴油双燃料发动机、氨燃料电池系统、燃料供给储存系统、多源能量热管理系统和混合动力机械结构。系统包括液氨—柴油双燃料发动机1、燃料供给储存系统2、氨燃料电池系统3、多源能量热管理系统4、轴承5、逆变器6、传动轴7、电机8、齿轮箱9、螺旋桨10组成。发动机1和电机8通过传动轴7和齿轮箱9相连，组成并联式混合动力系统共同驱动螺旋桨10运行。
22.图2为液氨—柴油双燃料发动机1示意图，包括氨燃料共轨管11、柴油共轨管18、安全阀12、液氨管13、氨燃料喷射器20、排气阀25、进气阀24、柴油喷射器19、气缸27、活塞28、连杆29、进气道21、流量计22、进气歧管23、滤清器14、增压泵16、进油管17组成。
23.图3为氨燃料电池系统3示意图，包括、燃料电池本体50、滤清器49，57，52、混合室48，54、水泵53，51、缓冲室56、开关阀55等组成。
24.图4为燃料供给储存系统2结构示意图，包括电磁三向阀35，38，45、供给泵33，46、滤清器36，42、自循环泵37、氮气罐34、电池47、开关阀53、液氨储存罐54、scr后处理系统39、柴油储存罐32、废气涡轮增压器40，41等组成。
25.图5为多源能量热管理系统示意图，包括外部散热器62、电磁四通阀69，61，63、电磁阀58，71，76，64，78、电磁膨胀阀70，73，59，31、低功率压缩机75、高功率压缩机65、电池换热器68、经济器60等组成。本系统采用双压缩机驱动，分别针对制冷或制热需求分配不同压缩机驱动，完成氨工质的运行，对不同环境进行直冷直热管理。另外本系统可实现多个工作模式，并且可以针对工作环境的需要实现热负荷可调的工作特点。
26.对于整个系统的工作过程如下：
27.液氨储存罐34储存着系统的燃料，采用高压低温储存方式，保证氨燃料处于稳定的液态。液氨储存罐34中储存的液氨经由自增压泵37以及滤清器36完成液氨罐的自增压，保证液氨储存的稳定性。氨燃料作为燃料供给的流程，液氨储存罐34中的液氨经由电磁三向阀35、38、45进入液氨—柴油双燃料发动机1内，经由氨燃料共轨管11进入氨燃料油管13
以及氨燃料喷射器20，柴油由柴油储存罐32经过滤清器14和增压泵16进入柴油共轨管18，经由柴油喷射器19进入气缸27，引燃氨燃料推动活塞28，带动连杆29做功。燃烧后废气经由排气阀25，排气管26进入废气涡轮增压器40，带动增压器41压缩空气进入进气道21中。经过废气涡轮增压器40后进入scr后处理系统39，吸收氮氧化物以及其他污染物，scr后处理系统39还原剂为氨燃料，从液氨储存罐34内经过三向阀35、38进入scr后处理系统39中。氨燃料电池系统3的燃料是由液氨储存罐34经电磁三向阀35、38、45以及攻击泵46进入氨燃料电池系统2，经过开关阀55进入缓冲室56，与scr后处理系统39中输出经由混合室54进入缓冲室56的的气体混合，经过滤清器57进入燃料电池50，未反应的燃料返回自增压回路。氨燃料电池系统2的进气是由废气涡轮增压器41提供的压缩气体进入混合室48内，水泵48泵水进入混合室48，完成增湿后经过滤清器49进入燃料电池50，关于燃料电池的热管理设计，燃料电池回路由水泵51完成驱动。
28.本发明系统涉及多种能量间的转换和控制需求，基于此设计了多源能量热管理系统。此系统包括多种工作模式，接下来就不同制热制冷需求所使用的不同模式进行介绍：
29.对发动机以及氨燃料电池的制冷模式，氨燃料作为工质由液氨储存罐34经过电磁四通阀45进入热管理系统，工质经低功率压缩机75增压后，经过电磁四通阀61，63进入外部散热器62，并经过电磁四通阀69，电磁阀71以及电磁膨胀阀73，进入电池换热器68，电磁四通阀61，63以及单向阀77回到低功率压缩机75，完成制冷循环；在经过电磁阀58后经过电磁膨胀阀31进入发动机换热器30，最终回到低功率压缩机75，完成此循环。
30.对发动机以及氨燃料电池的制热模式，氨燃料作为工质由液氨储存罐34经过电磁四通阀45进入热管理系统，工质经高功率压缩机65增压后，经过67，分别进入电池换热器以及发动机换热器，经过电池换热器后，经过电磁三通阀69以及电磁膨胀阀70，电磁阀58，经济器60，电磁四通阀63以及外部散热器62，并回到高功率压缩机65，完成制热循环，过程中经过膨胀阀59，进入经济器60，接入高功率压缩机，完成经济器式的强化补气过程。
31.对内部散热器的制冷模式，氨燃料作为工质由液氨储存罐34经过电磁四通阀45进入热管理系统，工质经低功率压缩机75增压后，经过电磁四通阀63，62进入外部散热器62，在经过电磁四通阀61，膨胀阀73进入内部散热器72，完成吸热后经过电磁阀71，电磁四通阀69，单向阀77回到低功率压缩机，完成内部的制冷循环。
32.对内部散热器的制热模式，氨燃料作为工质由液氨储存罐34经过电磁四通阀45进入热管理系统，工质经高功率压缩机65增压后，经过电磁四通阀63，61以及电磁阀73进入内部散热器72，经过膨胀阀73，电磁四通阀61，进入外部散热器62后，最终回到高功率压缩机65，完成制热循环。
33.余热利用模式，氨燃料作为工质由液氨储存罐34经过电磁四通阀45进入热管理系统，工质经低功率压缩机75增压后，经过电磁四通阀69，进入内部散热器72，经过电磁阀71分别进入电磁三通阀69和膨胀阀70进入电池换热器68和发动机换热器30，在经过电磁四通阀61，63以及单向阀77电磁阀73后返回低功率电磁阀75，完成余热利用循环。
34.空调模式，氨燃料作为工质由液氨储存罐34经过电磁三通阀45进入热管理系统，工质经低功率压缩机75增压后，经过电磁三通阀63进入外部散热器62，进入膨胀阀73，进入内部换热器72吸收热量，再经过电磁阀71以及单向阀77后返回低功率电磁阀75，完成空调循环。
35.热泵模式，氨燃料作为工质由液氨储存罐34经过电磁三通阀45进入热管理系统，工质经高功率压缩机65增压后，经过单向阀67以及电磁阀71进入内部散热器72，完成散热后经过膨胀阀73，进入外部换热器62吸收热量，再经过电磁阀64以及电磁三通阀63后返回高功率压缩机65，完成热泵制热循环。
36.由上述描述可知，本发明采用受双作用热管理系统控制的氨燃料电池和液氨—柴油双燃料发动机进行混合动力设计，提高系统的整体热效率。此系统包括多种工作模式，除常规热泵系统所具有的制热以及空调功能，还可对电池系统、发动机系统进行直冷直热，在节省压缩机功率的同时以更小的更简单的布置形式实现更多的工作模式和更大的热负荷工作范围。针对液氨—柴油双燃料发动机再低负荷情况下的排放问题设计混合动力系统，可使整个系统始终以高效率运行，低碳化的同时实现节能减排的设计。系统通过氨燃料电池以及发电装置，后处理系统等协同作用最大程度对排放进行了吸收，实现了整个动力系统的零碳排放。