CN116838509B - 液态氨相变冷却式混合动力热管理系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种液态氨相变冷却式混合动力热管理系统，涉及发动机技术领域，包括喷射器、液氨氢气供给系统、液氨共轨管、燃油共轨管、油箱，液氨氢气供给系统包括液氨储存罐、泵氨系统、分流系统、进出氨系统，燃油共轨管分别连接油箱和喷射器的单向进油口，液氨共轨管分别连接进出氨系统和喷射器的单向进氨口，进出氨系统内布置有进氨管和回氨管，泵氨系统包括液氨储存分流器、低压泵、高压泵，分流系统包括储存罐、进氨控制阀、安全阀、回氨控制阀。本发明一是可有效解决寒冷条件下发动机冷启动问题，二是减小了压缩机的功耗，实现余热利用，提高能量利用率。同时本发明提出了切实可行的氨燃料应用路径，实现一氨三用。

Description

液态氨相变冷却式混合动力热管理系统

本申请是母案名称为“液态氨相变冷却式混合动力热管理系统”的发明专利的分案申请；母案申请的申请号为：202111374434.4；母案申请的申请日为：2021.11.19。

技术领域

本发明涉及的是一种发动机，具体地说是混合动力发动机。

背景技术

在船舶绿色低碳的大背景下，船舶发展进入到了一个关键的转型升级期，未来船舶要求动力具有高度灵活性，动力灵活性包含动力装置的灵活配置，燃料供给、喷射系统灵活性及燃料存储、驳运、加注灵活性。动力多样性，燃料多样性将是船舶发展的必然趋势，因此开展船用低碳清洁燃料供给与喷射系统研制研究，是满足当前及未来技术发展需求，提高技术创新性、产品竞争性和企业影响力的关键举措。氨作为典型的低碳燃料之一，与氢燃料相比，储能更高，便于储存和运输，有成熟的供应链，是主要的低碳替代能源之一。

氨燃料等新型替代燃料具备共性的低粘度、低闪点(液体燃料)、低碳、低排放特性，使得现有的设备，尤其是燃料供给及喷射系统，需要进行非常大的技术升级、改造，以满足新型燃料的使用需求。同时值得注意的是，虽然从发动机燃烧排放角度，新型替代燃料具有非常大的减排潜力，但从燃料的全寿命周期看，现有替代燃料需解决能源绿色再生，带动了整个能源产业链的变革。目前国际上尚无成熟的氨燃料动力装置，由柴油机改进的氨燃料发动机存在体积效率低、燃烧效果差，热效率以及能量利用率低等问题，限制了推广应用。

对此本发明采取了柴油引燃的燃烧模式，设计了氨燃料喷射系统，使氨燃料在高压下以液态形式喷入气缸，提高发动机运行压缩比，有效改善热效率。与现有的发明专利相比，本发明基于液氨相变原理创新设计了双作用热泵模块，一是可有效解决寒冷条件下发动机冷启动问题，二是减小了压缩机的功耗，实现余热利用，提高能量利用率。同时本发明提出了切实可行的氨燃料应用路径，实现一氨三用：动力装置燃料、散热系统冷媒、排放后处理模块还原剂。提高发动机排放性能，在保证动力性和经济性的同时，逐步朝最大限度的降低碳排放迈进。

发明内容

本发明的目的在于提供可有效解决寒冷条件下发动机冷启动问题，减小压缩机功耗，实现余热利用，提高能量利用率的液态氨相变冷却式混合动力热管理系统。

本发明的目的是这样实现的：

本发明液态氨相变冷却式混合动力热管理系统，其特征是：包括喷射器、液氨氢气供给系统、液氨共轨管、燃油共轨管、油箱，液氨氢气供给系统包括液氨储存箱、泵氨系统、分流系统、进出氨系统，燃油共轨管分别连接油箱和喷射器的单向进油口，液氨共轨管分别连接进出氨系统和喷射器的单向进氨口，进出氨系统里布置进氨管和回氨管，泵氨系统包括液氨储存分流器、低压泵、高压泵，分流系统包括储存罐、进氨控制阀、安全阀、出氨控制阀，液氨储存罐的出口依次连接低压泵、高压泵、液氨储存分流器、储存罐、进氨控制阀，进氨控制阀通过进氨管连接液氨共轨管，液氨储存罐的进口依次连接回氨控制阀、安全阀，安全阀通过回氨管连接喷射器，液氨储存罐分别连接氢气储存罐和氮气储存罐。

本发明还可以包括：

1、所述喷射器包括喷射器体、液氨喷射部分、柴油喷射部分，液氨喷射部分、柴油喷射部分位于喷射器体里，液氨喷射部分包括自上而下设置的增压模块、第一蓄压谐振限流模块、超磁滞电磁控制执行器、相变可控超雾化喷嘴模块，柴油喷射部分包括自上而下设置的第二蓄压谐振限流模块、副增压模块、压力平衡式电磁控制执行器、针阀偏心自调节喷嘴。

2、所述增压模块包括增压磁轭、增压主副磁极、主增压活塞、增压衔铁、增压限位块、增压双密封阀杆、增压上阀杆座、增压下阀杆座，增压衔铁套于增压双密封阀杆顶部，增压磁轭与增压衔铁之间设置增压复位弹簧，增压复位弹簧外侧设置增压主副磁极，增压主副磁极缠绕线圈，增压双密封阀杆的中部位于增压上阀杆座里，增压双密封阀杆的底部位于增压下阀杆座里，增压双密封阀杆的中部套有增压阀杆复位弹簧，增压双密封阀杆的中部与底部之间设置增压双密封凸起，增压上阀杆座、增压下阀杆座与增压双密封阀杆对应的面上均设置密封面，主增压活塞位于增压下阀杆座下方，主增压活塞外部套有主增压活塞复位弹簧，增压上阀杆座里设置相通的回氨通道，增压下阀杆座里设置进氨通道和中间管路，增压下阀杆座里增压双密封凸起所在空间为连通空间，连通空间与中间管路相通。

3、所述第一蓄压谐振限流模块包括谐振块、中间块、棱形密封块、限流活塞、蓄压阀座，主增压活塞下方的喷射器体里设置蓄压腔，蓄压腔的侧壁上安装单向进氨口，喷射器体上设置液冷管入口，液冷管入口连通蓄压腔，蓄压腔下方依次设置谐振块、中间块、菱形密封块、蓄压阀座，蓄压阀座里设置限流活塞，中间块里设置中间块复位弹簧，中间块的底部分别设置进氨孔和谐振块进氨路节流孔，菱形密封块位于限流活塞之上，限流活塞里设置中间孔，限流活塞下方设置限流活塞复位弹簧，限流活塞复位弹簧下方设置储存腔。

4、所述谐振块里分别设置一号进氨路、二号进氨路、一号进氨腔、二号进氨腔、一号出氨路、二号出氨路，一号进氨腔分别连通一号进氨路和一号出氨路，二号进氨腔分别连通二号进氨路和二号出氨路，一号进氨腔与二号进氨腔通过连通孔相通，一号进氨腔通过一号进氨节流孔连通一号进氨路，一号进氨腔通过二号进氨节流孔连通蓄压腔，一号进氨路和二号进氨路连通蓄压腔。

5、所述超磁滞电磁控制执行器包括超磁滞主副磁极、磁滞座、超磁滞上阀杆、超磁滞下端锥阀、超磁滞菌状阀，超磁滞主副磁极里缠绕线圈，超磁滞主副磁极的通孔里设置超磁滞材料，超磁滞材料的下方依次设置磁滞座、超磁滞上阀杆、超磁滞下端锥阀、超磁滞菌状阀，超磁滞菌状阀位于超磁滞菌状阀腔里，超磁滞菌状阀下方设置超磁滞菌状阀复位弹簧，超磁滞电磁控制执行器所在的喷射器体里设置回油油路、进油油路，回油油路连通超磁滞菌状阀腔，超磁滞下端锥阀外部的超磁滞下端锥阀壳里设置超磁滞锥阀进油孔，超磁滞锥阀进油孔连通进油油路。

6、所述相变可控超雾化喷嘴模块包括超雾化喷嘴体、超雾化阀座、无静态泄漏缸、超雾化针阀体、超雾化控制阀杆，超雾化阀座位于超雾化喷嘴体里，无静态泄漏缸和超雾化针阀体位于超雾化阀座里，超雾化针阀体的头部位于无静态泄漏缸里，超雾化针阀体的中部与无静态泄漏缸之间设置超雾化针阀体复位弹簧，无静态泄漏缸、超雾化针阀体与超雾化阀座之间形成储氨腔，超雾化阀座与超雾化喷嘴体之间形成液冷工质入口管路和液冷工质出口管路，超雾化针阀体底部与超雾化阀座底部形成超雾化喷射流道，储氨腔与储存腔相通，超雾化针阀体顶端与其上方的喷射器体之间形成超雾化控制腔。

7、第二蓄压谐振限流模块的结构与第一蓄压谐振限流模块相同，并列设置在喷射器体里。

8、所述副增压模块包括副增压磁轭、副增压主副磁极、副增压活塞、副增压衔铁、副增压限位块、副增压双密封阀杆、副增压上阀杆座、副增压下阀杆座，副增压衔铁套于副增压双密封阀杆顶部，副增压磁轭与副增压衔铁之间设置副增压复位弹簧，副增压复位弹簧外侧设置副增压主副磁极，副增压主副磁极缠绕线圈，副增压双密封阀杆的中部位于副增压上阀杆座里，副增压双密封阀杆的底部位于副增压下阀杆座里，副增压双密封阀杆的中部套有副增压阀杆复位弹簧，副增压双密封阀杆的中部与底部之间设置副增压双密封凸起，副增压上阀杆座、副增压下阀杆座与副增压双密封阀杆对应的面上均设置密封面，副增压活塞位于副增压下阀杆座下方，副增压活塞外部套有副增压活塞复位弹簧，副增压上阀杆座里设置回油管路，下阀杆座里设置副增压油道、副增压连通通道，副增压油道分别连通进油通道和副增压双密封凸起下方，副增压双密封凸起所在空间为连通空间，副增压连通通道分别连通连通空间和副增压活塞上方，进油通道设置密封球，密封球下方设置密封球复位弹簧，副增压活塞下方为增压油管路，增压油管路连通密封球复位弹簧下方的进油通道。

9、所述压力平衡式电磁控制执行器包括压控式主副磁极、压控式衔铁、平衡阀杆，平衡阀杆的上部设置于压控式主副磁极里，平衡阀杆的下部位于压控式衔铁里，压控式衔铁位于压控式主副磁极下方，压控式衔铁和平衡阀杆的下方设置压控式回油孔上段和压控式回油孔下段，压控式回油孔上段和压控式回油孔下段通过压控式回油节流孔相通，压控式回油孔下段通过压控式进油节流孔连通进油管路。

10、所述针阀偏心自调节喷嘴包括偏心自调节中间块、偏心自调节针阀体、偏心自调节针阀体外壳、偏心自调节阀块、偏心自调节喷嘴体，偏心自调节针阀体位于偏心自调节针阀体外壳里，偏心自调节针阀体位于偏心自调节喷嘴体里，压控式回油孔下段设置于偏心自调节中间块里，偏心自调节中间块下端连接偏心自调节阀块，偏心自调节针阀体顶部位于偏心自调节阀块里，偏心自调节针阀体、偏心自调节阀块以及偏心自调节中间块之间形成偏心自调节控制腔，偏心自调节控制腔连通压控式回油孔下段，偏心自调节针阀体中部设置偏心自调节针阀体凸起，偏心自调节针阀体凸起上方套有偏心自调节针阀体复位弹簧，偏心自调节针阀体为偏心结构，其一部分贴于其外部的偏心自调节针阀体外壳的内壁。

11、还包括氢燃料电池系统，氢燃料电池系统包括电堆阳极、电堆阴极、氢气入口、氮气入口、空气入口，氢气储存罐连接氢气入口，氮气储存罐连接氮气入口，氢气入口、氮气入口汇合后经氢气过滤器、第一关断阀、高压气体喷射阀、引射泵及氢循环泵供给电堆阳极，电堆阳极的废气通过水分离器，分别通过排水阀、排气阀排出；空气经空气过滤器、空气压缩机、第一中冷器、加湿器、第二关断阀进而向电堆阴极供给。

12、还包括冷却系统，包括水箱、第一散热器、第一去离子器、第一加热器、第二中冷器、第一冷却连接口，第一散热器、第一去离子器、第一加热器、第二中冷器、第一冷却连接口并联形成第一冷却单元，水箱连接第一冷却单元，冷却连接口连接冷却水出口，第一冷却单元通过泄流阀连接出口；与第一冷却单元对称设置第二冷却单元，第二冷却单元包括第二散热器、第二去离子器、第二加热器、第三中冷器、第二冷却连接口，第二冷却单元的布置方式与第一冷却单元相同且对称。

13、还包括双作用热泵，所述双作用热泵包括液氨入口、三通阀、低功率压缩机、高功率压缩机、制冷换热器、制热换热器、第三散热器，液氨储存罐连接液氨入口，液氨入口连接三通阀，低功率压缩机出口的高压蒸汽通入第三散热器，高压蒸汽冷凝后通过第一电子膨胀阀、第二电子膨胀阀进入制冷换热器，并返回低功率压缩机；高功率压缩机出口的高压蒸汽进入制热换热器进行冷凝放热，经单项止逆阀、第一电子膨胀阀进入膨胀阀所在支路，膨胀阀所在支路的液态工质蒸发成气态工质，并返回高功率压缩机。

14、还包括液氨-柴油双燃料气缸，液氨-柴油双燃料气缸包括气缸体、活塞、曲柄、进气管、排气管，气缸体上方分别设置进气管、出气管和喷射器，气缸体里设置活塞，活塞下方连接曲柄，进气管与气缸体连接处为进气口，进气口设置进气阀杆，进气阀杆上套有进气阀杆弹簧，出气管与气缸体连接处为出气口，出气口设置出气阀杆，出气阀杆上套有出气阀杆弹簧，进气管设置氢气进气口，氢气进气口和进气口之间设置空气进气口，氢气进气口和空气进气口之间设置安全阀。

本发明的优势在于：

1、本发明通过液氨-柴油双燃料一体化设计，节约安装空间，柴油供给同时控制氨燃料喷射器和柴油喷油器的喷射，以及为柴油喷油器和增压器提供燃油增压；

2、采用超磁致电磁控制执行器结构保证氨燃料喷射的精准控制。由压力平衡式电磁控制执行器和超雾化喷嘴模块配合喷入气缸，实现氨燃料大流量高压液态喷入气缸中，实现充分燃烧；

3、喷射过程结合热管理设计，从压力和温度两方面调节，控制氨燃料的相变转换；

4、采用多阀协同控制的形式，实现液氨喷射过程循环可变，使喷射量、喷射定时更加精准、灵活；

5、采用谐振块调整系统内压力波动，通过改变压力波波动的相位，调整波动频率，以及波峰、波谷的对应关系，实现压力波耦合过程的可控。同时设计了流量限制器，防止异常喷射的发生；

6、采用平衡阀控制方式，由于整体泡在高压燃油内，受到平衡力的作用，可以实现更高的共轨压力(250MPa)，从而减小了整体阀件的质量，即减小了电磁力需求，又增加了控制相应。从而仅需较小尺寸的电磁阀和衔铁配合以及较小的弹簧预紧力。同时所采用的平衡阀杆不直接受高度冲击，防止了传统球阀的穴蚀现象，增加系统可靠性；

7、中间块和自调节阀块的结合设计，一方面解决了传统无静态块泄漏的问题，另一方面通过自调节阀块的设计，防止了由于针阀偏心引起的磨损和泄漏问题。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为液氨氢气供给系统；

图3为液氨-柴油双燃料气缸示意图；

图4为氢燃料电池供给系统示意图；

图5为冷却系统示意图；

图6为双作用热泵和余热利用系统示意图；

图7为液氨-柴油双燃料一体化喷射器的整体结构示意图；

图8为增压模块结构示意图；

图9为蓄压腔热管理模块结构示意图；

图10为谐振块结构示意图；

图11为超磁致电磁控制执行器结构示意图；

图12为相变可控超雾化喷嘴模块结构示意图；

图13为副增压模块结构示意图；

图14为压力平衡式电磁控制执行器结构示意图；

图15为针阀偏心自调节喷嘴模块结构示意图；

图16为相变可控超雾化喷嘴模块三维整体结构示意图；

图17为相变可控超雾化喷嘴模块三维剖面结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1-17，图1为本发明整体结构示意图，液态氨相变冷却式混合动力热管理系统，包括：燃油供给系统，液氨和氢气供给系统、液氨-柴油双燃料气缸16、液氨-柴油双燃料喷射器8、氢燃料电池供给系统27、冷却系统28以及双作用热泵26和余热利用系统29。燃油供给系统包括油箱7、滤清器6、高压油泵及电机4、燃油共轨管11、流量限制器12、高压油管3和13、喷射器8构成，共轨管11右端分别与高压油泵4、滤清器6和油箱7连通，流量限制器12通过高压油管13与喷射器14相连通。

图2为液氨和氢气供给系统示意图，包括液氨储存罐24、氢气储存罐25、氮气储存罐23、泵氨系统22、分流系统21、进出氨系统20、进氨管17、回氨管18、液氨共轨管1、液氨泄漏检测口10、高压氨管2、液氨喷射器8。泵氨系统22由低压泵及电机30、高压泵及电机31、溢流阀32、安全阀33、温度控制器34、液氨储存分流器35、储存罐36、控制阀37、进氨口38、回氨口39、调控块40、安全阀41、控制阀42。

图3为液氨-柴油双燃料气缸示意图，主要包括曲柄45、活塞16、气缸46、进气口15、进气阀杆44、进气阀杆弹簧43、出气口9、出气阀杆47、出气阀杆弹簧48、氢气进气口51、安全阀50、空气进气口49。

图4为氢燃料电池供给系统示意图，主要包括：氢气入口52、氮气吹扫入口53、氢气过滤器54、压力传感器55、关断阀56、高压气体喷射阀57、引射泵及氢循环泵58、过压阀59、通入空气尾气60，66、电堆阳极61、出口62、水分离器63、排水阀64、排气阀65、空气入口67、空气过滤器68、传感器69、空气压缩机70、中冷器71、加湿器72、关断阀73、旁通阀74、电堆阴极75、传感器76、关断阀77、出口78、水分离器79、节流阀80，81、阳极的过量氢82、消声器83、出口84。

图5为冷却系统示意图，主要包括：水箱85、冷却水泵86,100、温度传感器87,101、冷却连接口88,102、温度压力传感器89、103、中冷器90,104、加热器92,106、三通阀93,107、去离子器94,108、传感器95,109、散热器96,110、泄流阀97,111、出口91,98,105,112、冷却水出口99,112。

图6为双作用热泵和余热利用系统示意图，主要包括：液氨入口113、加热器114、三通阀115、散热器116、传感器117、电磁换向阀118、气态工质119、过滤器120、低功率压缩机121、传感器122、制冷换热器123、传感器124,电子膨胀阀125、高功率压缩机126、传感器127、制热换热器128、单向止逆阀129、电子膨胀阀130、去离子器131、泄氨阀132、废弃工质133、膨胀阀134、液态工质135。

图7为液氨-柴油双燃料一体化喷射器示意图，主要包括包括单向进氨口136、增压模块137、蓄压谐振限流模块138，142、超磁致电磁控制执行器139、相变可控超雾化喷嘴模块140、单向进油口141、副增压模块143、压力平衡式电磁控制执行器144、针阀偏心自调节喷嘴145、液氨热管理模块146，147。实现氨燃料高压液态喷入气缸中，实现充分燃烧。同时，喷射过程结合热管理设计，从压力和温度两方面调节，控制氨燃料的相变转换。采用双阀控制的形式，实现液氨喷射过程循环可变，使喷射量、喷射定时更加精准、灵活。

图8为喷射器增压模块详细示意图，增压模块包括：磁轭148、复位弹簧149、主副磁极150、线圈151、回氨通道152、增压活塞上表面153、中间腔154、增压活塞复位弹簧155、衔铁156、限位块157、阀杆复位弹簧159、双密封阀杆158、进氨通道160、中间管路161以及增压活塞下表面162构成。本模块可采用两种控制方式，一种为液氨增压液氨的形式，另一种为柴油增压液氨的形式。

图9为蓄压谐振限流模块示意图，主要包括：蓄压腔163、液冷管入口164、谐振块165、中间块166、复位弹簧167、进氨孔168、棱形密封块169、限流活塞170、进氨道171、储存腔172、谐振块进氨路173、中间腔174、谐振块进氨路节流孔175、阀座176、中间孔177和复位弹簧178该模块保证氨燃料的稳定性，采用谐振块调整系统内压力波动，同时设计了流量限制器，防止异常喷射的发生。

图10为谐振块示意图，主要包括：一号进氨路179、一号进氨节流孔180、二号进氨节流孔181、一号进氨腔182、一号出氨路183、二号进氨路184、二号进氨腔185、连通孔186以及二号出氨路187。

图11为超磁致电磁控制执行器示意图，主要包括：主副磁极188、线圈189、磁滞座190、上阀杆191、复位弹簧192、阀杆中间腔193、缓冲腔194、进回油孔195、复位弹簧196、超磁滞材料197、限位块198、进油油路199、回油油路200、下端锥阀201、菌状阀202以及回油油道203。

图12为相变可控超雾化喷嘴模块示意图，主要包括：进氨管路204、储氨腔205、无静态泄漏缸206、复位弹簧207、垫片208、液冷工质入口管路209、阀座210、控制腔211、控制阀杆上端面212、液冷工质出口管路213、针阀体214、针阀密封面215、喷射流道216以及喷嘴体217组成。

图13为副增压模块示意图，主要包括：主副磁极218、线圈219、进油通道220、中间管路221、密封球222、复位弹簧223、增压油管路224、增压活塞下表面225、阀杆复位弹簧226、衔铁227、回油管路228、双密封阀杆229、增压活塞上表面230、中间腔231、增压活塞复位弹簧232构成。

图14为压力平衡式电磁控制执行器示意图，主要包括：进油管233、主副磁极234、线圈235、衔铁237、进油管路233,236,238、复位弹簧239，240、平衡阀杆241、进油管242、回油节流孔243、进油节流孔244。

图15为针阀偏心自调节喷嘴示意图，主要包括：中间块245、盛油槽246、自调节阀块247、复位弹簧248、针阀下端面249、喷孔250、控制腔251、控制阀杆上端面252、针阀体253、喷嘴体254、针阀密封面255以及喷嘴座面256组成。

图16、17为所设计的超雾化喷嘴，整体设计采用内锥结构，实现多层密封。同时，近百个喷孔喷射，从结构角度保障了燃料的充分雾化。使燃料与空气充分融合，完全燃烧。

液氨储存罐24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。同时在燃料供给初期，设立了氢气和氮气制备模块，用储存的液氨转化为氨气，随后用提纯后的氨气制备燃烧所需的氢气和系统吹扫所需的氮气。并分别储存在氢气储存罐25和氮气储存罐23中。液氨储存罐24中储存的液氨先经过泵氨系统22，由低压泵和高压泵实现液氨增压，满足供给和燃烧的要求。其中，在低压环路和高压环路分别设置溢流阀32和安全阀33。在低压环路设置溢流阀32来控制输送压力，当压力过高时，多余的液氨通过溢流阀32回到液氨储存罐24中。在高压环路设置安全阀33来控制高压燃料输送压力，通过主动控制来调整输出压力，多余的液氨通过安全阀33回到液氨储存罐24中。对于液氨这种容易相变的燃料，需要设置热管理模块，温度控制器34用来调整液氨输出的温度，通过压力和温度两方面控制氨燃料的相态。随后燃料进入液氨储存分流器35，通过双阀和双容腔的综合控制，保证燃料的稳定供给，随后通过储存罐36、控制阀37供入进氨口38，进而导入液氨共轨管1。系统中的液氨共轨管1采用双层结构，避免液氨泄漏到大气。同时在共轨管端口设置氨气泄漏检测传感器，及时的进行系统反馈。液氨共轨管1内的液氨通过双层高压氨管2供给到液氨喷射器8，通过喷射器内电磁阀控制，随后向气缸内喷射。

油箱7储存着系统中作为引燃的柴油，高压油泵4从油箱7中吸取燃油，在高压油泵4和油箱7之间设置有滤清器6，燃油通过滤清器6得到过滤。而后燃油被输送到共轨管11，共轨管11上开有多个液压油出口，每个液压油出口都通过高压油管13与喷射器相连通，通过喷射器内电磁阀控制，随后向气缸内喷射。

液态氨燃料由单向进氨口136进入蓄压腔163中，单向进氨口136起到单向阀的作用。当液氨供给压力大于单向阀的弹簧预紧力时，锥阀克服弹簧力开启，液氨供入蓄压腔内。当单向进氨口136压力较小时，锥阀再次关闭，也为系统内液氨起到密封作用。燃料进入蓄压腔163后，经由谐振块165向下供给。谐振块165由三个管路179、181和184组成。燃料分别从三个管路流入限流器内，一号进氨路179为主流道，中间流过一号进氨节流孔180，对液氨流动起到滤波的作用，随后流入一号进氨腔182中。二号进氨路184为副流道，中间未设置节流孔，通过二号进氨腔185和二号出氨路187后，直接流入限流器。而二号进氨节流孔181和连通孔186是实现谐振的主要结构，通过改变压力波波动的相位，调整波动频率，以及波峰、波谷的对应关系，实现压力波耦合过程的可控。特别是在增压模式下，保证系统的稳定性。限流阀组件通过蓄压腔163设置在喷射器体内部。中间块166不仅对整体限流阀组件起到了限位作用，而且与复位弹簧167进行配合，一方面作为复位弹簧167的弹簧座，另一方面限制了限流活塞的最大位移。在阻尼弹簧和球阀复位弹簧的弹簧预紧力作用下，棱形密封块169和限流活塞170的上端面和支撑控制阀座176的上端面配合。阀座176在复位弹簧的弹簧力作用下，被压紧在底部，其上部变截面处形成棱形密封块的落座面。液氨由谐振块流入到中间腔174中，分别通过进油孔168和谐振块进氨路节流孔175流道限流阀中。受液压力的作用，随着液氨供给，棱形密封块169克服弹簧力向下运动。当燃料供给量高于限制值时，棱形密封块169与阀座176配合实现密封，断开燃料供给，避免拉缸。当燃料供给中断后，受弹簧力作用棱形密封块169快速复位。

柴油通过单向进油口141进入蓄压谐振限流模块138，进而向下供给，进入副增压模块143中，进增压后的燃油通过单向阀222、223分别为超磁致电磁控制执行器139、压力平衡式电磁控制执行器144和针阀偏心自调节喷嘴145供给柴油，分别控制氨燃料喷射器和柴油喷油器的喷射，以及为柴油喷油器提供燃油。

经过限流器，液氨由进氨道供入储氨腔中，由超磁致电磁控制执行器和超雾化喷嘴模块配合喷入气缸。在本发明中，为了保证燃料喷射器控制的精准性，采用柴油作为伺服油，通过调整控制腔内压力水平，改变针阀上下受力，从而控制喷射定时。高压柴油由进油油路199流入电磁执行器，当未通电时，受到弹簧预紧力192、196的作用，菌状阀202处于密封状态，使电磁执行器管路与回油管路断开。下端锥阀201处于开通状态，柴油由进油油路199，经过下端锥阀201流道，向控制腔211供给。其中通过进回油孔195和缓冲腔194，缓冲腔的存在一方面减少了控制阀处燃油压力波动，另一方面通过高压接触面结构压差，实现泄漏燃油的收集。燃油向下流进控制腔211中，被无静态泄漏缸206和针阀密封面215实现密封、通过调控控制室内的压力，改变针阀上下受力差，实现燃料喷射的精准控制。

本发明中柴油喷射器采用平衡阀控制方式，平衡阀杆由衔铁压紧。由于整体泡在高压燃油内，受到平衡力的作用，可以实现更高的共轨压力(250MPa)，从而减小了整体阀件的质量，即减小了电磁力需求，又增加了控制响应。从而仅需较小尺寸的电磁阀和衔铁配合以及较小的弹簧预紧力。同时所采用的平衡阀杆不直接受高度冲击，防止了传统球阀的穴蚀现象，增加系统可靠性。高压柴油由进油油路242和进油节流孔244流入控制腔251中，当未通电时，受到弹簧预紧力240的作用，衔铁237和平衡阀杆241处于密封状态，使电磁执行器管路与回油管路断开。柴油由进油油路242，经过进油节流孔244流道，向控制腔251供给。回油腔的存在减少了控制阀处燃油压力波动。燃油向下流进控制腔251中，控制腔是由中间块245、自调节阀块247和控制阀杆上端面252三部分结合而成的，实现密封。通过调控控制室内的压力，改变针阀上下受力差，实现燃料喷射的精准控制。而中间块245、自调节阀块247的结合设计，一方面解决了传统无静态块泄漏的问题，另一方面通过自调节阀块的设计，防止了由于针阀偏心引起的磨损和泄漏问题。本发明中主副增压模块的工作原理相似，以主增压模块为例，具体喷射过程的增压模块工作原理如下：

当采用无增压模式工作时，增压控制阀部分不通电，由于此时增压活塞各个作用面的压力平衡，受到弹簧预紧力149、155的作用衔铁156及双密封阀杆158处于压紧状态，进氨通道160密封。此时增压模块中没有燃料供给，增压活塞在弹簧预紧力作用下处于复位状态，没有增压功能。因此系统内的氨燃料通过单向进氨口136后储存在蓄压腔163中，经过谐振腔165流入限流阀内。喷射过程中，由于谐振块165对液氨的节流作用，使得限流活塞170内的中间孔177和储存腔172内的燃料压力相对于谐振块165上方的压力有所下降，与蓄压腔163内压力形成压差，故限流活塞170和棱形密封块169整体向下位移，使限流活塞170下方的腔室有所压缩，对喷射的压力进行了一定的补偿。经过限流阀的液氨由进氨管供入盛氨槽246中。当压力平衡式电磁控制执行器通电时，受到磁场的影响，衔铁237克服弹簧预紧力239、240向上运动，打开回油通道，控制腔251与低压泄漏孔相连通，控制腔251内的燃料通过低压泄油孔流回到低压腔内。当控制腔251内的压力和针阀弹簧248的弹力形成的合力小于盛油槽246内向上的液压力时，针阀体253向上抬起，喷孔打开，喷射器开始喷油。当喷油控制阀部分断电时，失去磁场影响，受到弹簧预紧力的作用，衔铁237向下运动，重新密封回油油路。同时带动平衡阀杆241向下运动，实现密封。控制腔251通过进油节流孔244重新建压，当控制腔251内的压力和针阀弹簧248的弹力形成的合力大于盛油槽246内向上的液压力时，针阀体253重新落座，喷射器停止喷射。而当喷射器停止工作时，随着液氨流过中间孔177，限流活塞170上下表面的压差会逐渐减小，在复位弹簧的作用下，限流活塞170和棱形密封块169整体又恢复到初始位置。

当采用增压模式工作时，增压控制阀部分通电，线圈151通电，主副磁极150形成电磁力，吸引衔铁156向上运动，同时带动双密封阀杆158向上运动，打开进氨通道160，关闭回氨通道。液氨聚集在增压活塞上表面153，增加上表面受力，是上下压力差克服弹簧力，导致增压活塞向下运动。使下方蓄压腔内容积压缩，压力提高。增压模块和压力平衡式电磁控制执行器均可采用两种控制方式，一种为液氨增压液氨的形式，另一种为柴油增压液氨的形式。在增压模块中，中间腔154可作为增压油泄漏收集腔，同时燃油可以对液氨起到密封的作用。增压后的液氨经过谐振腔165流入限流阀内。经过限流阀的液氨由管道171供入储氨腔205中。当压力平衡式电磁控制执行器144通电时，受到磁场的影响，衔铁237克服弹簧预紧力240向上运动，打开回油通道，控制腔251与低压泄漏孔相连通，控制腔251内的燃料通过低压泄油孔流回到低压腔内。当控制腔251内的压力和针阀弹簧248的弹力形成的合力小于盛油槽246内向上的液压力时，针阀体253向上抬起，喷孔打开，喷射器开始喷油。当喷油控制阀部分断电时，失去磁场影响，受到弹簧预紧力的作用，衔铁237向下运动，重新密封回油油路。同时带动平衡阀杆241向下运动，实现密封。控制腔251通过进油节流孔244重新建压，当控制腔251内的压力和针阀弹簧248的弹力形成的合力大于盛油槽246内向上的液压力时，针阀体253重新落座，喷射器停止喷射。

在蓄压谐振限流模块138和超雾化喷嘴模块140设计热管理模块，包括冷媒的入口和出口。通过温度和压力两方面综合控制液氨相态，实现喷射过程液氨相态可控。

氨气和氢气向氢燃料电池系统供给，氢气供入氢气入口52，由氮气吹扫53，经过氢气过滤器54过滤，流通压力受压力传感器55监控，当符合压力需求时，关断阀56开启，当压力过大时，关断阀56关闭。随后由高压气体喷射阀57和引射泵及氢循环泵58，供给电堆阳极61。电堆阳极61的废气经过水分离器63、排水阀64、排气阀65向外排出。空气通过空气入口67经过空气过滤器68过滤，流通压力受压力传感器69监控，经过空气压缩机70、中冷器71、加湿器72进行加压和物性调节，传递给关断阀73进而向电堆阴极75供给。多余的空气供给受旁通阀74与经加湿器72的电堆阴极75废气一起向外排出，通过节流阀80，81，聚集阳极的过量氢82，流通消声器83，通过出口84排出。

系统中的燃料电池和双燃料喷射系统冷却需求由冷却系统28实现，在本发明中，水箱中的冷却水为乙二醇溶液，在水箱壁面增加换热肋片，由系统中储存的氨24的支路进行相变，实现沸腾换热，将水箱内的溶液进行初步冷却。这利用了氨燃料作为制冷剂的功能，极大减小了冷却水泵86,100的做功。经冷却的乙二醇溶液，经过冷却水泵86,100进行二次冷却，达到系统冷却需求，中冷器90,104降低进气温度，通过去离子器94,108去除溶液中的离子，获得纯水。由加热器92,106来调节溶液温度，处理后的冷却水分别通过冷却水出口99,112，为热机和燃料电池实现冷却需求。同时采用两回路并联的形式，可根据不同部件的需求调节功率，调节制冷能力。

液氨由液氨入口113经加热器114进入三通阀115中，三通阀115起到转向阀的作用。当低功率压缩机121工作时，由压缩机排出的高压蒸汽，经过滤器120，传感器117进入散热器，工质经过冷凝后，进入电子膨胀阀130、125，经传感器124进入制冷换热器123并在其中蒸发吸热，实现制冷的作用，随后再经传感器122返回低功率压缩机。

当切换至制热模式时，系统为动力系统活塞以及喷射器相关部件进行散热。工质由高功率压缩机126排出高压蒸汽，经传感器127进入制热换热器128进行冷凝放热，随后经单向止逆阀129以及电磁膨胀阀130，进入膨胀阀134所在支路，与换热器相连通，液态工质135蒸发吸收来自于活塞部分的热量后，气态工质119经单向止逆阀回到高功率压缩机126处，实现制热循环，并对活塞组部件进行冷却。

系统还可实现空气源制热模式，工质由高功率压缩机126排出高压蒸汽，经传感器127进入制热换热器128进行冷凝放热，随后经单向止逆阀129以及电磁膨胀阀130，进入散热器116，工质于散热器116处蒸发吸热后经传感器117、电磁换向阀118回到高功率压缩机，实现空气源制热循环。

由上述描述可知，本发明实现一氨三用：动力装置燃料供给、散热系统冷媒和燃料电池的氢供给源。通过液氨-柴油双燃料一体化设计，节约安装空间，柴油供给同时控制氨燃料喷射器和柴油喷油器的喷射，以及为柴油喷油器提供燃油。基于液氨相变冷却原理创新设计了双作用热泵模块，一是可有效解决寒冷条件下发动机冷启动问题，二是减小了压缩机的功耗，实现余热利用，提高能量利用率。同时，喷射过程结合热管理设计，从压力和温度两方面调节，控制氨燃料的相变转换。采用多阀协同控制的形式，实现液氨喷射过程循环可变，使喷射量、喷射定时更加精准、灵活。本发明可采用主副增压模式，在增压模式下，燃料喷射的喷射压力及喷射速率受增压方式的影响，可实现循环间喷射可控。采用超磁致电磁控制执行器结构保证氨燃料喷射的精准控制。采用平衡阀控制方式，由于整体泡在高压燃油内，受到平衡力的作用，可以实现更高的共轨压力(250MPa)，从而减小了整体阀件的质量，即减小了电磁力需求，又增加了控制相应。从而仅需较小尺寸的电磁阀和衔铁配合以及较小的弹簧预紧力。同时所采用的平衡阀杆不直接受高度冲击，防止了传统球阀的穴蚀现象，增加系统可靠性。中间块和自调节阀块的结合设计，一方面解决了传统无静态块泄漏的问题，另一方面通过自调节阀块的设计，防止了由于针阀偏心引起的磨损和泄漏问题。

Claims (9)

1.液态氨相变冷却式混合动力热管理系统，其特征是：包括喷射器、液氨氢气供给系统、液氨共轨管、燃油共轨管、油箱，所述燃油共轨管分别连接所述油箱和所述喷射器的单向进油口；所述液氨氢气供给系统包括液氨储存罐、泵氨系统、分流系统和进出氨系统，所述液氨共轨管分别连接所述进出氨系统和所述喷射器的单向进氨口；所述进出氨系统内布置有进氨管和回氨管，所述泵氨系统包括液氨储存分流器、低压泵和高压泵，所述分流系统包括储存罐、进氨控制阀、安全阀和回氨控制阀，所述液氨储存罐的出口依次连接所述低压泵、所述高压泵、所述液氨储存分流器、所述储存罐以及所述进氨控制阀，所述进氨控制阀通过所述进氨管连接所述液氨共轨管，所述液氨储存罐的进口依次连接所述回氨控制阀和所述安全阀，所述安全阀通过所述回氨管连接所述喷射器，所述液氨储存罐分别连接氢气储存罐和氮气储存罐；

所述喷射器包括喷射器体、液氨喷射部分和柴油喷射部分，所述液氨喷射部分和所述柴油喷射部分均位于所述喷射器体内；其中，所述液氨喷射部分包括自上而下设置的增压模块、第一蓄压谐振限流模块、超磁滞电磁控制执行器和相变可控超雾化喷嘴模块，所述柴油喷射部分包括自上而下设置的第二蓄压谐振限流模块、副增压模块、压力平衡式电磁控制执行器和针阀偏心自调节喷嘴；

所述增压模块包括增压磁轭、增压主副磁极、主增压活塞、增压衔铁、增压限位块、增压双密封阀杆、增压上阀杆座和增压下阀杆座，所述增压衔铁套于增压双密封阀杆的顶部，所述增压磁轭与所述增压衔铁之间设置增压复位弹簧，所述增压复位弹簧外侧设置增压主副磁极，所述增压主副磁极缠绕线圈，所述增压双密封阀杆的中部位于增压上阀杆座内，所述增压双密封阀杆的底部位于增压下阀杆座内，所述增压双密封阀杆的中部套有增压阀杆复位弹簧，所述增压双密封阀杆的中部与底部之间设置增压双密封凸起，所述增压上阀杆座、增压下阀杆座与增压双密封阀杆对应的面上均设置密封面，所述主增压活塞位于增压下阀杆座下方，所述主增压活塞外部套有主增压活塞复位弹簧，所述增压上阀杆座内设置相通的回氨通道，所述增压下阀杆座里设置进氨通道和中间管路，所述增压下阀杆座内增压双密封凸起所在空间为连通空间，所述连通空间与中间管路相通；

所述第一蓄压谐振限流模块包括谐振块、中间块、棱形密封块、限流活塞和蓄压阀座，所述主增压活塞下方的喷射器体内设置蓄压腔，所述蓄压腔的侧壁上安装单向进氨口，所述喷射器体上设置液冷管入口，所述液冷管入口连通蓄压腔，所述蓄压腔下方依次设置谐振块、中间块、菱形密封块和蓄压阀座，所述蓄压阀座里设置限流活塞，所述中间块内设置中间块复位弹簧，所述中间块的底部设置有进氨孔和谐振块进氨路节流孔，所述菱形密封块位于限流活塞之上，所述限流活塞内设置中间孔，所述限流活塞的下方设置限流活塞复位弹簧，所述限流活塞复位弹簧的下方设置储存腔；

所述谐振块内分别设置一号进氨路、二号进氨路、一号进氨腔、二号进氨腔、一号出氨路和二号出氨路，所述一号进氨腔分别连通一号进氨路和一号出氨路，所述二号进氨腔分别连通二号进氨路和二号出氨路，所述一号进氨腔与二号进氨腔通过连通孔相通，所述一号进氨腔通过一号进氨节流孔连通一号进氨路，所述一号进氨腔通过二号进氨节流孔连通蓄压腔，所述一号进氨路和二号进氨路连通蓄压腔；

第二蓄压谐振限流模块的结构与第一蓄压谐振限流模块相同，并列设置在喷射器体内；

所述液态氨相变冷却式混合动力热管理系统还包括氢燃料电池系统，所述氢燃料电池系统包括电堆阳极、电堆阴极、氢气入口、氮气入口和空气入口，所述氢气储存罐连接氢气入口，所述氮气储存罐连接氮气入口，所述氢气入口、氮气入口汇合后经氢气过滤器、第一关断阀、高压气体喷射阀、引射泵及氢循环泵供给电堆阳极，所述电堆阳极的废气通过水分离器，分别通过排水阀、排气阀排出；空气经空气过滤器、空气压缩机、第一中冷器、加湿器、第二关断阀进而向电堆阴极供给。

2.根据权利要求1所述的液态氨相变冷却式混合动力热管理系统，其特征是：所述超磁滞电磁控制执行器包括超磁滞主副磁极、磁滞座、超磁滞上阀杆、超磁滞下端锥阀和超磁滞菌状阀，所述超磁滞主副磁极内缠绕线圈，所述超磁滞主副磁极的通孔内设置超磁滞材料，所述超磁滞材料的下方依次设置磁滞座、超磁滞上阀杆、超磁滞下端锥阀和超磁滞菌状阀，所述超磁滞菌状阀位于超磁滞菌状阀腔内，所述超磁滞菌状阀的下方设置超磁滞菌状阀复位弹簧，所述超磁滞电磁控制执行器所在的喷射器体内设置回油油路和进油油路，所述回油油路连通超磁滞菌状阀腔，所述超磁滞下端锥阀外部的超磁滞下端锥阀壳内设置超磁滞锥阀进油孔，所述超磁滞锥阀进油孔连通进油油路。

3.根据权利要求1所述的液态氨相变冷却式混合动力热管理系统，其特征是：所述相变可控超雾化喷嘴模块包括超雾化喷嘴体、超雾化阀座、无静态泄漏缸、超雾化针阀体和超雾化控制阀杆，所述超雾化阀座位于超雾化喷嘴体内，所述无静态泄漏缸和超雾化针阀体位于超雾化阀座内，所述超雾化针阀体的头部位于无静态泄漏缸内，所述超雾化针阀体的中部与无静态泄漏缸之间设置超雾化针阀体复位弹簧，所述无静态泄漏缸、超雾化针阀体与超雾化阀座之间形成储氨腔，所述超雾化阀座与超雾化喷嘴体之间形成液冷工质入口管路和液冷工质出口管路，所述超雾化针阀体的底部与超雾化阀座的底部形成超雾化喷射流道，所述储氨腔与储存腔相通，所述超雾化针阀体的顶端与其上方的喷射器体之间形成超雾化控制腔。

4.根据权利要求1所述的液态氨相变冷却式混合动力热管理系统，其特征是：所述副增压模块包括副增压磁轭、副增压主副磁极、副增压活塞、副增压衔铁、副增压限位块、副增压双密封阀杆、副增压上阀杆座和副增压下阀杆座，所述副增压衔铁套于副增压双密封阀杆的顶部，所述副增压磁轭与副增压衔铁之间设置副增压复位弹簧，所述副增压复位弹簧的外侧设置副增压主副磁极，所述副增压主副磁极缠绕线圈，所述副增压双密封阀杆的中部位于副增压上阀杆座里，所述副增压双密封阀杆的底部位于副增压下阀杆座内，所述副增压双密封阀杆的中部套有副增压阀杆复位弹簧，所述副增压双密封阀杆的中部与底部之间设置副增压双密封凸起，所述副增压上阀杆座、副增压下阀杆座与副增压双密封阀杆对应的面上均设置密封面，所述副增压活塞位于副增压下阀杆座的下方，所述副增压活塞外部套有副增压活塞复位弹簧，所述副增压上阀杆座内设置回油管路，所述下阀杆座内设置副增压油道和副增压连通通道，所述副增压油道分别连通进油通道和副增压双密封凸起下方，所述副增压双密封凸起所在空间为连通空间，所述副增压连通通道分别连通连通空间和副增压活塞上方，所述进油通道设置密封球，所述密封球下方设置密封球复位弹簧，所述副增压活塞下方为增压油管路，所述增压油管路连通密封球复位弹簧下方的进油通道。

5.根据权利要求1所述的液态氨相变冷却式混合动力热管理系统，其特征是：所述压力平衡式电磁控制执行器包括压控式主副磁极、压控式衔铁和平衡阀杆，所述平衡阀杆的上部设置于压控式主副磁极内，所述平衡阀杆的下部位于压控式衔铁内，所述压控式衔铁位于压控式主副磁极下方，所述压控式衔铁和平衡阀杆的下方设置压控式回油孔上段和压控式回油孔下段，所述压控式回油孔上段和压控式回油孔下段通过压控式回油节流孔相通，所述压控式回油孔下段通过压控式进油节流孔连通进油管路。

6.根据权利要求5所述的液态氨相变冷却式混合动力热管理系统，其特征是：所述针阀偏心自调节喷嘴包括偏心自调节中间块、偏心自调节针阀体、偏心自调节针阀体外壳、偏心自调节阀块和偏心自调节喷嘴体，所述偏心自调节针阀体位于偏心自调节针阀体外壳内，所述偏心自调节针阀体位于偏心自调节喷嘴体内，所述压控式回油孔下段设置于偏心自调节中间块内，所述偏心自调节中间块下端连接偏心自调节阀块，所述偏心自调节针阀体顶部位于偏心自调节阀块里，所述偏心自调节针阀体、偏心自调节阀块以及偏心自调节中间块之间形成偏心自调节控制腔，所述偏心自调节控制腔连通压控式回油孔下段，所述偏心自调节针阀体中部设置偏心自调节针阀体凸起，所述偏心自调节针阀体凸起上方套有偏心自调节针阀体复位弹簧，所述偏心自调节针阀体为偏心结构，其一部分贴于其外部的偏心自调节针阀体外壳的内壁。

7.根据权利要求1所述的液态氨相变冷却式混合动力热管理系统，其特征是：所述液态氨相变冷却式混合动力热管理系统还包括冷却系统，所述冷却系统包括水箱、第一散热器、第一去离子器、第一加热器、第二中冷器和第一冷却连接口，所述第一散热器、第一去离子器、第一加热器、第二中冷器及第一冷却连接口并联形成第一冷却单元，所述水箱连接第一冷却单元，所述第一冷却连接口连接冷却水出口，所述第一冷却单元通过泄流阀连接出口；与第一冷却单元对称设置有第二冷却单元，所述第二冷却单元包括第二散热器、第二去离子器、第二加热器、第三中冷器和第二冷却连接口，所述第二冷却单元的布置方式与第一冷却单元相同且对称。

8.根据权利要求1所述的液态氨相变冷却式混合动力热管理系统，其特征是：所述液态氨相变冷却式混合动力热管理系统还包括双作用热泵，所述双作用热泵包括液氨入口、三通阀、低功率压缩机、高功率压缩机、制冷换热器、制热换热器和第三散热器，所述液氨储存罐连接液氨入口，所述液氨入口连接三通阀，所述低功率压缩机出口的高压蒸汽通入第三散热器，高压蒸汽冷凝后通过第一电子膨胀阀、第二电子膨胀阀进入制冷换热器，并返回低功率压缩机；所述高功率压缩机出口的高压蒸汽进入制热换热器进行冷凝放热，经单项止逆阀、第一电子膨胀阀进入膨胀阀所在支路，膨胀阀所在支路的液态工质蒸发成气态工质，并返回高功率压缩机。

9.根据权利要求1所述的液态氨相变冷却式混合动力热管理系统，其特征是：所述液态氨相变冷却式混合动力热管理系统还包括液氨-柴油双燃料气缸，所述液氨-柴油双燃料气缸包括气缸体、活塞、曲柄、进气管和排气管，所述气缸体上方分别设置进气管、出气管和喷射器，所述气缸体内设置活塞，活塞下方连接曲柄，所述进气管与气缸体连接处为进气口，所述进气口设置进气阀杆，所述进气阀杆上套有进气阀杆弹簧，所述出气管与气缸体连接处为出气口，所述出气口设置出气阀杆，所述出气阀杆上套有出气阀杆弹簧，所述进气管设置氢气进气口，所述氢气进气口和进气口之间设置空气进气口，所述氢气进气口和空气进气口之间设置安全阀。