基于水下闭式循环的氨燃料混合动力系统

1.本发明涉及的是一种水下动力系统，具体地说是按燃料混合动力系统。


背景技术：

2.随着地球环境问题和能源问题日益严重，人们对低碳燃料的探究更加迫切。氨是一个优秀的选择对象，其燃烧后的产物中，不会产生hc和co2等温室气体，所以氨燃料具有广泛的应用前景。但是目前对氨的利用尚不完善，使用氨作为发动机的主要燃料在技术上仍存在很多难关需要攻克，如：氨燃料不易燃烧，燃烧速度慢等；氨燃料虽然不会产生co2、co等气体，但是如果燃烧不良，会生成nox排放物，其对环境的危害亦不容小觑；同时氨燃料发动机在低工况下动力性能较差等等问题。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供能实现不同系统对能量控制需求的基于水下闭式循环的氨燃料混合动力系统。
4.本发明的目的是这样实现的：
5.本发明基于水下闭式循环的氨燃料混合动力系统，其特征是：包括液氨
‑ꢀ
柴油双燃料发动机、电机、齿轮箱、螺旋桨、燃料供给储存系统，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；所述燃料供给储存系统包括液氨储存罐、scr后处理系统、氮气罐、柴油储存罐、混合室，液氨储存罐分别连接氨燃料共轨管、 scr后处理系统，柴油储存罐连接柴油共轨管，氮气罐分别连接液氨-柴油双燃料发动机的压气机、混合室，混合室连接进气道，scr后处理系统连接液氨-柴油双燃料发动机的涡轮。
6.本发明还可以包括：
7.1、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压气机出口连接第一混合室，混合室连接第二混合室，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。
8.本发明的优势在于：
9.1、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；
10.2、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；
11.3、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；
12.4、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三向阀，实现多模式运行，保证动力系统工作的同时为水下舱室提供制热制冷需求；
13.5、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，真正意义上实现水下动力系统的零排放，为吸收的氮气返回液氨储存罐进行对液氨的增压，解决水下氮气排放的问题。
附图说明
14.图1为本发明的结构示意图；
15.图2为燃料供给储存系统结构示意图；
16.图3为液氨—柴油双燃料发动机结构示意图；
17.图4为热管理系统结构示意图；
18.图5为混合动力模块结构示意图。
具体实施方式
19.下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：
20.结合图1-5，图1为本发明整体结构示意图，基于水下闭式循环的氨燃料混合动力系统，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、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 2、燃料供给储存系统1、氨燃料电池系统4、热管理系统5、混合动力模块3 组成。
21.图2为燃料供给储存系统1结构示意图，包括三向阀11，17，23、供给泵 7，8，22、滤清器14，75、氮气罐12、开关阀10，20、液氨储存罐6、scr后处理系统21、柴油储存罐13、废气涡轮增压器18、混合室15、水管理系统9 等组成。
22.图3为液氨—柴油双燃料发动机2示意图，包括氨燃料共轨管24、柴油共轨管36、液氨管25、氨燃料喷射器27、排气阀28、进气阀32、柴油喷射器26、活塞31、进气流量计16、增压泵35、进油管36、进氨管37组成。
23.图4为氨燃料电池系统4示意图，包括燃料电池本体38、滤清器43，44， 51、混合室48，50、水泵41，49、缓冲室46、开关阀42，47、三向阀45、换热器40等组成。
24.图5为热管理系统5示意图，包括外部散热器55、电磁三向阀54，67，56、电磁阀69，70，64，59、电磁膨胀阀52，72，68、低功率压缩机58、高功率压缩机61、电池换热器66、经济器53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。
25.对于整个系统的工作过程如下：
26.液氨储存罐6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。氨燃料作为燃料供给的流程，液氨储存罐6中的液氨经由三向阀11进入液氨—柴油双燃料发动机2内，经由氨燃料共轨管24进入氨燃料油管25以及氨燃料喷射器27，柴油由柴油储存罐13经过滤清器14和增压泵35 进入柴油共轨管36，经由柴油喷射器26进入气缸，引燃氨燃料推动活塞31。燃烧后废气经由排气阀28进入废气涡轮增压器18，压缩空气进入进气
道32中。经过废气涡轮增压器18后进入scr后处理系统21，吸收氮氧化物以及其他污染物，scr后处理系统18还原剂为氨燃料，从液氨储存罐6内进入scr后处理系统18中。氨燃料电池系统4的燃料是由液氨储存罐6经供给泵22进入氨燃料电池系统4，经过开关阀20进入缓冲室46，与氮气储存罐12中输出经由三向阀17以及废气涡轮增压器18混合室50和混合室48，混合室50内的混合气经过滤清器57进入燃料电池50，未反应的燃料返回自增压回路。混合室48内的混合器进入缓冲室46经过滤清器44进入燃料电池本体38。水泵49泵水进入混合室48，完成增湿后经过滤清器44进入燃料电池38，关于燃料电池的热管理设计，燃料电池回路由水泵41完成驱动。
27.水管理系统将scr后处理系统使用后的还原剂进行吸收，通过开关阀的相互配合，完成废气物与舱外的递送，实现依靠低率泵完成废弃物水循环的工作过程。
28.废气经过废气涡轮增压器18后进入scr后处理系统21，随后经过三向阀 23一部分进入氨燃料电池系统4起到吹扫作用，另一部分进入液氨储存罐6，通过储存罐内部的热管理系统对氨燃料进行增压，实现剩余氮气的处理，实现水下零排放的设计目的。
29.本发明系统涉及能量间的转换和控制需求，基于此设计了热管理系统。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：
30.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6进入热管理系统，工质经低功率压缩机58增压后，经过多点式电磁四通阀56， 54进入外部散热器55，并经过多点式电磁四通阀54，电磁阀69以及电磁膨胀阀72，进入电池换热器66，经过电磁阀64，单向阀65回到低功率压缩机58，完成制冷循环；在经过电磁阀30，电磁膨胀阀68进入发动机换热器29，返回三向阀67，最终回到低功率压缩机58，完成此循环。
31.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6经过多点式电磁四通阀23进入热管理系统，工质经高功率压缩机61增压后，经过多点式电磁四通阀67，进入电池换热器以及发动机换热器，经过电池换热器后，经过多点式电磁三通阀67以及电磁膨胀阀69，电磁阀70，经济器53，电磁四通阀79以及外部散热器54，并回到高功率压缩机61，完成制热循环，过程中经过膨胀阀52，进入经济器53，接入高功率压缩机，完成经济器式的强化补气过程。
32.对内部散热器的制冷模式，氨燃料作为工质由液氨储存罐6经过多点式电磁四通阀23进入热管理系统，工质经低功率压缩机58增压后，经过多点式电磁四通阀56，54进入外部散热器55，在经过电磁四通阀54，膨胀阀72进入内部散热器71，完成吸热后经过电磁阀69，电磁四通阀67，单向阀65回到低功率压缩机，完成内部的制冷循环。
33.对内部散热器的制热模式，氨燃料作为工质由液氨储存罐6经过多点式电磁四通阀23进入热管理系统，工质经高功率压缩机61增压后，经过多点式电磁四通阀56，54以及电磁阀60进入内部散热器71，经过膨胀阀72，电磁三通阀54，电磁四通阀56，进入外部散热器55后，最终回到高功率压缩机61，完成制热循环。
34.余热利用模式，氨燃料作为工质由液氨储存罐6经过多点式电磁四通阀23 进入热管理系统，工质经低功率压缩机58增压后，经过多点式电磁四通阀56， 54进入内部散热器71，经过电磁阀69分别进入电磁三通阀67和膨胀阀68进入电池换热器66和发动机换热器29，在经过电磁四通阀67以及单向阀65电磁阀64后返回低功率电磁阀63，完成余热利用循环。
35.空调模式，氨燃料作为工质由液氨储存罐6经过多点式电磁三通阀23进入热管理系统，工质经低功率压缩机58增压后，经过多点式电磁三通阀56进入外部散热器55，经过三向阀54进入膨胀阀72，进入内部换热器71吸收热量，再经过电磁阀69以及单向阀65后返回低功率电磁阀58，完成空调循环。
36.热泵模式，氨燃料作为工质由液氨储存罐6经过多点式电磁三通阀23进入热管理系统，工质经高功率压缩机61增压后，经过单向阀63以及电磁阀69进入内部散热器71，完成散热后经过膨胀阀72，电磁三向阀54进入外部换热器 55吸收热量，再经过电磁阀60以及电磁三通阀56后返回高功率压缩机61，完成热泵制热循环。
37.由上述描述可知，本发明采用受管理系统控制的氨燃料电池和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。