CN103195553A

CN103195553A - 高十六烷值燃料引燃改质天然气的低温燃烧方法及系统

Info

Publication number: CN103195553A
Application number: CN2013101105487A
Authority: CN
Inventors: 王志; 何鑫; 帅石金; 王建昕
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2013-04-01
Filing date: 2013-04-01
Publication date: 2013-07-10
Anticipated expiration: 2033-04-01
Also published as: CN103195553B

Abstract

本发明涉及内燃机技术领域，尤其涉及一种高十六烷值燃料引燃改质天然气的低温燃烧方法及系统，高十六烷值燃料缸内直喷引燃部分经过改质的天然气混合气实现低温燃烧，天然气经过改质产生的气体包括H₂和CO。在废气再循环系统中设有天然气催化改质器，将部分天然气引入废气再循环系统并在天然气催化改质器中产生H₂和CO，同时回收部分废气能量。本发明主要有以下优势：1）可以较现有的点燃式天然气发动机热效率提高30%，达到柴油机水平；2）排放可以达到欧5排放标准；3）发动机使用和生产成本均大幅低于同排放标准的柴油机；4）可在大负荷时抑制爆震并减少NOx，小负荷时减少HC和CO排放，同时所需的引燃高十六烷值燃料量少。

Description

高十六烷值燃料引燃改质天然气的低温燃烧方法及系统

技术领域

本发明涉及内燃技术领域，尤其涉及一种高十六烷值燃料引燃改质天然气的低温燃烧方法及系统。

背景技术

天然气是全球储量大的清洁能源，用在汽车发动机上，采用火花点燃模式已得到广泛应用。为进一步提高效率，压燃模式成为近年来国际研发热点，国内关于天然气在压燃模式的燃烧研究主要在2000年以后，清华大学（2000年），吉林大学（2000年），天津大学（2002年），西安交通大学（2002年），山东大学（2011年）等陆续开展过柴油掺烧天然气的发动机动力性、经济性和燃烧排放特性研究，采用的是天然气进气道预混、柴油缸内直喷的技术路线。国外柴油-天然气双燃料发动机商用化的大部分厂家（如Volvo，Bosch，Clean Air Power，Hardstaff等）采用的也都是上述相同的技术路线。这些研发普遍存在3个技术瓶颈尚未突破：1）大负荷时爆震，碳烟和NOx排放降低有限；2）小负荷时HC（碳氢化合物）和CO排放高；3）天然气燃料替代柴油率不高。

为解决大负荷爆震的问题，加拿大西港近年来开发了柴油引燃缸内直喷天然气的HPDI系统，使得发动机能够达到与同等柴油机相同的扭矩和功率，天然气替代柴油率能达到90％以上，但还存在上述NOx排放高、系统复杂和成本高问题。

总体来看，国际上天然气双燃料发动机，都是采用高温引燃燃烧模式，仍然存在着上述3个技术瓶颈没有解决。

发明内容

（一）要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是提供一种高十六烷值燃料引燃改质天然气的低温燃烧方法及系统，可以提高天然气燃料替代率，更进一步地，可在大负荷时抑制爆震并减少NOx，小负荷时减少HC和CO排放。

（二）技术方案

为达上述目的，本发明提供一种高十六烷值燃料引燃改质天然气的低温燃烧方法，高十六烷值燃料缸内直喷引燃天然气混合气，所述天然气混合气中包括部分经过改质的天然气，所述天然气经过改质产生的气体包括H₂和CO。

优选的，在废气再循环系统中设有天然气催化改质器，将部分天然气引入废气再循环系统并在所述天然气催化改质器中产生H₂和CO，同时回收部分废气能量。

优选的，所述混合气中引入20%～40%的再循环废气。

优选的，所述混合气包括天然气、H₂、CO、CO₂、H₂O、O₂和N₂。

优选的，高十六烷值燃料喷射次数为单次、两次或三次，柴油喷射时刻变化范围是-90°CA ATDC～20°CA ATDC。

优选的，所述高十六烷值燃料为石化柴油、生物柴油或二甲醚。

一种高十六烷值燃料引燃改质天然气的低温燃烧系统，其包括发动机以及设于天然气气源与发动机的进气道之间的天然气气路和改质气气路，所述进气道的一端伸入发动机的缸内；所述改质气气路与所述进气道之间设有天然气催化改质器，进入所述改质气气路内的天然气经所述天然气催化改质器改质后产生H₂和CO；发动机的喷油器与高十六烷值燃料油箱相连，且所述喷油器的喷油口设于所述发动机的缸内。

优选的，所述改质气气路一端与所述天然气气源连接，且另一端与发动机废气再循环系统的EGR管路连接，所述EGR管路上设有所述天然气催化改质器。

优选的，所述天然气气路和改质气气路分别设有阀门。

优选的，所述阀门与控制系统连接。

（三）有益效果

本发明采用上述技术方案提供的高十六烷值燃料引燃改质天然气的低温燃烧方法及系统，在高压缩比（15～17）发动机基础上，进气道引入部分改质的天然气，高十六烷值燃料缸内直喷引燃燃烧，总体燃空当量比为稀燃模式，可以提高点燃式天然气发动机热效率，而提高天然气燃料替代柴油率；部分天然气在废气再循环系统（EGR）中利用废气余热进行改质，生成H₂与CO的合成气，天然气改质反应是吸热反应，起到了余热回收利用的效果，提高发动机的总体效率；催化改质气体与其余的天然气及空气混合，形成可燃混合气（主要成分为：天然气、H₂、CO、CO₂，H₂O、O₂和N₂）进入缸内，利用少量高十六烷值燃料直喷引燃均质含氢天然气；由于含氢混合气加快火焰速度改进燃烧，使得EGR上限提高。采用较高比例（20%～40%）EGR实现低温燃烧，抑制爆震的同时降低NOx和碳烟排放；可以用生物柴油、二甲醚等替换常规的石化柴油引燃改质天然气燃烧，进一步降低微粒排放。本发明主要有以下几点优势：1）可以较现有的点燃式天然气发动机热效率提高30%，达到柴油机水平；2）排放可以达到欧5排放标准；3）发动机使用成本和生产成本均大幅低于同排放标准的柴油机；4）可在大负荷时抑制爆震并减少NOx，小负荷时减少HC和CO排放，同时所需的引燃高十六烷值燃料量少。

附图说明

图1是本发明高十六烷值燃料引燃改质天然气发动机系统的结构图。

图中，1：天然气气源；2：天然气气路；3：进气道；4：改质气气路；5：天然气催化改质器；6：EGR管路；7：EGR阀；8：排气管；9：喷油器；10：高十六烷值燃料油箱。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的高十六烷值燃料引燃改质天然气的低温燃烧方法及系统作进一步详细说明。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明的高十六烷值燃料引燃改质天然气的低温燃烧方法（RCII——Reformed Charge Induced Ignition），高十六烷值燃料在发动机的缸内直喷引燃部分经过改质的天然气混合气而实现低温燃烧，天然气经过改质产生的气体主要包括H₂和CO，因H₂的燃点低于天然气的燃点，使得高十六烷值燃料缸内直喷更容易引燃含有一定H₂的天然气混合气，从而实现低温燃烧。在高压缩比（15～17）发动机基础上，进气道引入部分改质的天然气，高十六烷值燃料缸内直喷引燃燃烧，总体燃空当量比为稀燃模式，可以提高点燃式天然气发动机热效率，而且提高天然气燃料替代率。其中，高十六烷值燃料是指自燃性好的燃料。

在废气再循环系统中设有天然气催化改质器，将部分天然气引入废气再循环系统并在天然气催化改质器中产生H₂和CO，同时回收部分废气能量。混合气中引入20%～40%的再循环废气实现低温燃烧，并降低NOx和碳烟排放。部分天然气在废气再循环系统（EGR）中利用废气余热进行改质，生成H₂与CO的合成气，天然气改质反应是吸热反应，起到了余热回收利用的效果，提高发动机的总体效率。催化改质气体与其余的天然气及空气混合，形成可燃的天然气混合气（主要成分为：天然气、H₂、CO、CO₂，H₂O、O₂和N₂）进入缸内，利用少量高十六烷值燃料直喷引燃均质含氢天然气混合气。由于含氢混合气加快火焰速度改进燃烧，使得EGR上限提高，而同时采用较高比例（20%～40%）EGR实现低温燃烧，抑制爆震的同时降低NOx和碳烟排放。

高十六烷值燃料喷射次数为单次、两次或三次。柴油喷射时刻在压缩上止点附近，喷油器开始喷油时，活塞距离压缩达上止点的曲轴转角，即喷油时刻。本实施例中的喷油时刻变化范围是-90°CA ATDC～20°CA ATDC（CA ATDC指的是上止点后的曲轴转角）。同时，此处的高十六烷值燃料可以为常规的用石油提炼的石化柴油，也可以用生物柴油、二甲醚、低辛烷值汽油或天然气制油（GTL）等替换石化柴油引燃改质天然气燃烧，如此可进一步降低微粒排放，减少废气污染，从而更符合未来高效清洁能源的发展方向。

如图1所示，本发明的高十六烷值燃料引燃改质天然气的低温燃烧系统包括在柴油发动机基础上增加的天然气燃料供给系统。天然气燃料供给系统包括天然气气源1和天然气供气管路。天然气供气管路分两路：天然气气路2和改质气气路4，其一，从天然气气源1引入天然气燃料经天然气气路2进入进气道3，其二，从天然气气源1引入天然气燃料经改质气气路4进入废气再循环系统（EGR）。其中，天然气气路2和改质气气路4上分别设有阀门，阀门与控制系统连接，控制系统可根据发动机的工况对进入天然气气路2和改质气气路4的气体量进行调节。EGR系统包括EGR管路6和EGR阀7等，在EGR管路6上增设天然气催化改质器5，改质气气路4引入的部分天然气燃料在天然气催化改质器5中发生分解反应，回收部分废气能量的同时产生H2和CO。废气、H2和CO的混合气再通过EGR管路6回到进气道3中，与从天然气气路2引入的天然气和进入进气道3的空气混合进入发动机缸内。发动机的进气道3的一端伸入发动机的缸内，发动机的喷油器9与高十六烷值燃料油箱10相连，且喷油器的喷油口设于发动机的缸内。

废气、H₂、CO、天然气和空气的混合气被压缩到发动机上止点附近时，从高十六烷值燃料油箱10引入少量高十六烷值燃料通过喷油器9的喷油口直接喷射到缸内而引燃均质含氢天然气混合气，缸内排出的废气经排气管8排出，或经与排气管8相连的EGR管路6进入EGR系统进行废气再循环。由于含氢天然气混合气加快火焰速度改进燃烧，可以使得EGR上限提高。利用较高比例（20%～40%）的EGR率可实现低温燃烧，抑制爆震的同时降低NOx和碳烟排放。

根据本发明的方法及系统进行试验，试验结果表明，采用这种燃烧方法时发动机的平均有效压力（IMEP）为20bar，大负荷工作时不粗暴（最大压力升高率小于5bar/CA），NOx排放约为0.1g/kW.h，碳烟排放接近零，所需的引燃高十六烷值燃料量少（8%）。采用本发明的方法有如下优势：1）可以较现有的点燃式天然气发动机热效率提高30%，达到柴油机水平；2）排放可以达到欧5排放标准；3）发动机使用成本和生产成本均大幅低于同排放标准的柴油机；4）可在大负荷时抑制爆震并减少NOx，小负荷时减少HC和CO排放，同时所需的引燃柴油量少。

本发明提供的高十六烷值燃料引燃改质天然气的低温燃烧方法及系统（RCII——Reformed Charge Induced Ignition），可以同时解决天然气-柴油双燃料发动机的3个技术瓶颈：1）大负荷时爆震，碳烟和NOx排放降低有限；2）小负荷时HC和CO排放高；3）天然气燃料替代柴油率不高。本发明有益于我国现有发动机产品技术升级，产业化前景好。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴。

Claims

1.一种高十六烷值燃料引燃改质天然气的低温燃烧方法，包括高十六烷值燃料缸内直喷引燃天然气混合气，其特征在于：所述天然气混合气中包括部分经过改质的天然气，所述天然气经过改质产生的气体包括H₂和CO。

2.根据权利要求1所述的高十六烷值燃料引燃改质天然气的低温燃烧方法，其特征在于：在废气再循环系统中设有天然气催化改质器，将部分天然气引入废气再循环系统并在所述天然气催化改质器中产生H₂和CO，同时回收部分废气能量。

3.根据权利要求2所述的高十六烷值燃料引燃改质天然气的低温燃烧方法，其特征在于：所述混合气中引入20%～40%的再循环废气。

4.根据权利要求1所述的高十六烷值燃料引燃改质天然气的低温燃烧方法，其特征在于：所述混合气包括天然气、H₂、CO、CO₂、H₂O、O₂和N₂。

5.根据权利要求1所述的高十六烷值燃料引燃改质天然气的低温燃烧方法，其特征在于：高十六烷值燃料喷射次数为单次、两次或三次，高十六烷值燃料喷射时刻变化范围是-90°CA ATDC～20°CAATDC。

6.根据权利要求1所述的高十六烷值燃料引燃改质天然气的低温燃烧方法，其特征在于：所述高十六烷值燃料为石化柴油、生物柴油或二甲醚。

7.一种高十六烷值燃料引燃改质天然气的低温燃烧系统，其特征在于：所述低温燃烧系统包括发动机以及设于天然气气源（1）与发动机的进气道（3）之间的天然气气路（2）和改质气气路（4），所述进气道（3）的一端伸入发动机的缸内；所述改质气气路（4）与所述进气道（3）之间设有天然气催化改质器（5），进入所述改质气气路（4）内的天然气经所述天然气催化改质器（5）改质后产生H₂和CO；发动机的喷油器（9）与高十六烷值燃料油箱（10）相连，且所述喷油器（9）的喷油口设于所述发动机的缸内。

8.根据权利要求7所述的高十六烷值燃料引燃改质天然气的低温燃烧系统，其特征在于：所述改质气气路（4）一端与所述天然气气源（1）连接，且另一端与发动机废气再循环系统的EGR管路（6）连接，所述EGR管路（6）上设有所述天然气催化改质器（5）。

9.根据权利要求8所述的高十六烷值燃料引燃改质天然气的低温燃烧系统，其特征在于：所述天然气气路（2）和改质气气路（4）分别设有阀门。

10.根据权利要求9所述的高十六烷值燃料引燃改质天然气的低温燃烧系统，其特征在于：所述阀门与控制系统连接。