CN103216316B - 缸内燃料改质的内燃机低温燃烧方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及内燃机技术领域，尤其涉及一种缸内燃料改质的内燃机低温燃烧方法及系统，其为在多缸发动机的浓燃气缸内喷射高十六烷值燃料引燃燃空当量比为1.5～4.0的天然气与空气的浓燃混合气，天然气浓燃后生成富含H2和CO的改质混合气，然后将改质混合气与空气混合后通入稀燃气缸内再次燃烧，稀燃气缸内为高十六烷值燃料引燃改质混合气的稀燃模式，燃空当量比小于1。本发明主要优势为：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；排放可以达到欧5排放标准；发动机使用和生产成本大幅低于同排放标准的柴油机；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

缸内燃料改质的内燃机低温燃烧方法及系统
技术领域
本发明涉及内燃技术领域，尤其涉及一种缸内燃料改质的内燃机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缸内燃料改质的内燃机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，本发明提供一种缸内燃料改质的内燃机低温燃烧方法，多缸发动机包括一个浓燃气缸和若干个稀燃气缸，在所述浓燃气缸内喷射高十六烷值燃料引燃燃空当量比为1.5～4.0的含有天然气与空气的浓燃混合气，然后将浓燃气缸内燃烧后生成的改质混合气与空气混合后通入稀燃气缸进行再次燃烧，所述改质混合气中包括天然气浓燃改质后生成的H2和CO。
进一步地，再次燃烧时喷射高十六烷值燃料引燃所述改质混合气，所述稀燃气缸内的气体的燃空当量比小于1。
优选的，所述多缸发动机的气缸数量为2～6个。
优选的，所述多缸发动机为四缸发动机，所述浓燃混合气的燃空当量比为1.5～3.0。
优选的，进入所述浓燃气缸内的天然气流量由燃料流量控制阀控制。
优选的，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°CA ATDC；所述高十六烷值燃料为石化柴油、生物柴油或二甲醚。
一种缸内燃料改质的内燃机低温燃烧系统，包括多缸发动机、天然气气源和天然气气路，所述多缸发动机包括一个浓燃气缸、多个稀燃气缸和喷油器，浓燃气缸进气道上设有空气入口和天然气入口，所述天然气入口通过天然气气路与天然气气源相连；稀燃气缸进气道上设有空气入口和改质混合气入口，所述改质混合气入口与浓燃气缸排气道相连；所述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浓燃气缸和稀燃气缸内；所述浓燃气缸内燃空当量比为1.5～4.0的含有天然气与空气的浓燃混合气被喷射的高十六烷值燃料引燃后形成改质混合气进入所述稀燃气缸内。
优选的，所述浓燃气缸进气道上的空气入口与所述稀燃气缸进气道上的空气入口为同一空气入口。
优选的，所述稀燃气缸进气道与进气腔相连，所述进气腔包括进气混合腔和进气集气腔；所述进气混合腔的入口分别与所述空气入口、所述浓燃气缸排气道连接；所述进气混合腔的出口与所述进气集气腔的入口连接，所述进气集气腔的出口分别与浓燃气缸进气道、稀燃气缸进气道连接；所述稀燃气缸排气道与排气总管相连。
优选的，所述天然气气路上设有燃料流量控制阀，且所述燃料流量控制阀与控制系统连接。
（三）有益效果
本发明采用上述技术方案提供的缸内燃料改质的内燃机低温燃烧方法及系统，在高压缩比（15～17）多缸发动机基础上进行改进，在浓燃气缸内喷射高十六烷值燃料引燃燃空当量比为1.5～4.0的含有天然气与空气的浓燃混合气，对天然气进行浓燃改质生成富含H2和CO的改质混合气，然后通入稀燃气缸进行再次燃烧。由于缸内浓燃改质的天然气产生高浓度氢气，含氢混合气加快火焰速度，拓展稀燃极限并降低HC和CO排放，实现低温燃烧，在降低NOx和碳烟排放的同时抑制爆震。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是本发明缸内燃料改质的内燃机低温燃烧系统的结构图。
图中，1：天然气气源；2：天然气气路；3：燃料流量控制阀；4：浓燃气缸进气道；5：浓燃气缸排气道；6：进气混合腔；7：进气集气腔；8：喷油器；9：排气总管；10：稀燃气缸进气道；11：稀燃气缸；12：浓燃气缸。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的缸内燃料改质的内燃机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。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上，“若干个”的含义是一个或一个以上。
本发明的缸内燃料改质的内燃机低温燃烧方法（RCRC——RichCombustion Reformed Combustion），在高压缩比（15～17）多缸发动机基础上进行改进。本发明的多缸发动机包括一个浓燃气缸和若干个稀燃气缸，在浓燃气缸内喷射高十六烷值燃料引燃燃空当量比为1.5～4.0的含有天然气与空气的浓燃混合气，然后将浓燃气缸内燃烧后生成的改质混合气通入稀燃气缸进行再次燃烧。改质混合气主要包括天然气浓燃改质后生成的H2和CO，以及CO2，H2O、O2、N2等。高十六烷值燃料在稀燃气缸直喷引燃改质混合气，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的改质混合气，从而实现低温燃烧。稀燃气缸内改质混合气的燃空当量比小于1，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。由于含氢的改质混合气加快火焰速度改进燃烧，使得EGR上限提高，抑制爆震的同时降低NOx和碳烟排放。其中，高十六烷值燃料是指自燃性好的燃料；燃空当量比为燃料与空气的质量比。当燃空当量比大于1时，燃烧模式为浓燃模式；当燃空当量比小于1时，燃烧模式为稀燃模式。本发明中多缸发动机的气缸数量是浓燃气缸与稀燃气缸数量之和，优选气缸数量为2～6个的多缸发动机。本实施例中，多缸发动机为四缸发动机，其包括一个浓燃气缸和三个稀燃气缸，并优选浓燃气缸内的浓燃混合气的燃空当量比为1.5～3.0。另外，进入浓燃气缸内的天然气流量由燃料流量控制阀控制，此燃料流量控制阀由控制系统控制。
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。
本发明的缸内燃料改质的内燃机低温燃烧系统包括多缸发动机、天然气气源1和天然气气路2。多缸发动机包括一个浓燃气缸12、多个稀燃气缸11和喷油器8，浓燃气缸进气道4上设有空气入口和天然气入口，天然气入口通过天然气气路2与天然气气源1相连；稀燃气缸进气道10上设有空气入口和改质混合气入口，改质混合气入口与浓燃气缸排气道5相连；喷油器8与高十六烷值燃料油箱相连，且喷油器8的喷油口设于浓燃气缸12和稀燃气缸11内；浓燃气缸12内燃空当量比为1.5～4.0的含有天然气与空气的浓燃混合气被喷射的高十六烷值燃料引燃后形成改质混合气进入稀燃气缸11内，且稀燃气缸内的改质混合气的燃空当量比小于1。其中，浓燃气缸进气道4上的空气入口与稀燃气缸进气道10上的空气入口为同一空气入口，如此设置可减少生产成本，且使进入浓燃气缸12内空气流量的控制方式更简单。因浓燃气缸内的浓燃混合气对空气需求较少，改质混合气随着空气进入浓燃气缸与天然气混合，浓燃浓燃气缸内浓燃混合气的燃空当量比仍可控制为1.5～4.0。
具体来说，如图1所示，本实施例的多缸发动机为四缸发动机，其包括一个浓燃气缸12和三个稀燃气缸11，浓燃气缸12和稀燃气缸11均设有喷油口在缸体内的喷油器8，稀燃气缸11的稀燃气缸进气道10与进气腔相连，进气腔包括进气混合腔6和进气集气腔7；进气混合腔6的入口分别与空气入口、浓燃气缸排气道5连接；进气混合腔6的出口与进气集气腔7的入口连接，进气集气腔7的出口分别与浓燃气缸12的浓燃气缸进气道4、稀燃气缸进气道10连接；浓燃气缸进气道4的天然气入口通过天然气气路2与天然气气源1相连；稀燃气缸排气道与排气总管9相连。天然气气路2上设有燃料流量控制阀3，且燃料流量控制阀3与控制系统连接，用于控制进入浓燃气缸12的天然气流量。浓燃气缸12内燃空当量比为1.5～3.0的含有天然气与空气的浓燃混合气被喷射的高十六烷值燃料引燃后形成改质混合气进入稀燃气缸11内，且稀燃气缸内的改质混合气的燃空当量比小于1。
本发明缸内燃料改质的内燃机低温燃烧系统的工作过程如下：过量天然气从天然气气源1经天然气气路2和燃料流量控制阀3引入到浓燃气缸进气道4从而进入浓燃气缸12；空气从空气入口经进气混合腔6、进气集气腔7进入浓燃气缸12，天然气与空气在浓燃气缸12内形成燃空当量比为1.5～4.0的浓燃混合气，被高十六烷值燃料引燃燃烧。过量天然气在缺氧的条件下发生热分解反应，生成富含H2和CO的改质混合气。改质混合气经浓燃气缸12的浓燃气缸排气道5、进气混合腔6、进气集气腔7进入稀燃气缸11，再次被高十六烷值燃料引燃燃烧。此时，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的改质混合气，从而实现低温燃烧。稀燃气缸12内改质混合气的燃空当量比小于1，可以提高点燃式天然气发动机热效率，降低HC和CO的排放且提高天然气燃料替代率。由于含氢的改质混合气加快火焰速度改进燃烧，使得EGR上限提高，抑制爆震的同时可以使得发动机负荷提高，并降低NOx和碳烟的排放。
本发明提供的缸内燃料改质的内燃机低温燃烧方法及系统（RCRC——Rich Combustion Reformed Combustion），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。本发明成本低，产业化前景好，有利于我国现有发动机产品技术升级。
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 (10)

1.一种缸内燃料改质的内燃机低温燃烧方法，其特征在于：多缸发动机包括一个浓燃气缸和若干个稀燃气缸，在所述浓燃气缸内喷射高十六烷值燃料引燃燃空当量比为1.5～4.0的含有天然气与空气的浓燃混合气，然后将浓燃气缸内燃烧后生成的改质混合气与空气混合后通入稀燃气缸进行再次燃烧，所述改质混合气中包括天然气浓燃改质后生成的H2和CO。
2.根据权利要求1所述的缸内燃料改质的内燃机低温燃烧方法，其特征在于：再次燃烧时喷射高十六烷值燃料引燃所述改质混合气，所述稀燃气缸内的气体的燃空当量比小于1。
3.根据权利要求2所述的缸内燃料改质的内燃机低温燃烧方法，其特征在于：所述多缸发动机的气缸数量为2～6个。
4.根据权利要求3所述的缸内燃料改质的内燃机低温燃烧方法，其特征在于：所述多缸发动机为四缸发动机，所述浓燃混合气的燃空当量比为1.5～3.0。
5.根据权利要求1-4任一项所述的缸内燃料改质的内燃机低温燃烧方法，其特征在于：进入所述浓燃气缸内的天然气流量由燃料流量控制阀控制。
6.根据权利要求5所述的缸内燃料改质的内燃机低温燃烧方法，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°CA ATDC；所述高十六烷值燃料为石化柴油、生物柴油或二甲醚。
7.一种缸内燃料改质的内燃机低温燃烧系统，包括多缸发动机、天然气气源(1)、高十六烷值燃料油箱和天然气气路(2)，其特征在于：所述多缸发动机包括一个浓燃气缸(12)、多个稀燃气缸(11)和喷油器(8)，浓燃气缸进气道(4)上设有空气入口和天然气入口，所述天然气入口通过天然气气路(2)与天然气气源(1)相连；稀燃气缸进气道(10)上设有空气入口和改质混合气入口，所述改质混合气入口与浓燃气缸排气道(5)相连；所述喷油器(8)与所述高十六烷值燃料油箱相连，且所述喷油器(8)的喷油口设于所述浓燃气缸(12)和稀燃气缸(11)内；所述浓燃气缸(12)内燃空当量比为1.5～4.0的含有天然气与空气的浓燃混合气被喷射的高十六烷值燃料引燃后形成改质混合气进入所述稀燃气缸(11)内。
8.根据权利要求7所述的缸内燃料改质的内燃机低温燃烧系统，其特征在于：所述浓燃气缸进气道(4)上的空气入口与所述稀燃气缸进气道(10)上的空气入口为同一空气入口。
9.根据权利要求8所述的缸内燃料改质的内燃机低温燃烧系统，其特征在于：所述稀燃气缸进气道(10)与进气腔相连，所述进气腔包括进气混合腔(6)和进气集气腔(7)；所述进气混合腔(6)的入口分别与所述空气入口、所述浓燃气缸排气道(5)连接；所述进气混合腔(6)的出口与所述进气集气腔(7)的入口连接，所述进气集气腔(7)的出口分别与浓燃气缸进气道(4)、稀燃气缸进气道(10)连接；所述稀燃气缸排气道与排气总管(9)相连。
10.根据权利要求7-9任一项所述的缸内燃料改质的内燃机低温燃烧系统，其特征在于：所述天然气气路(2)上设有燃料流量控制阀(3)，且所述燃料流量控制阀(3)与控制系统连接。
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