CN103437870A - 一种压缩天然气发动机余热综合利用系统及方法 - Google Patents

一种压缩天然气发动机余热综合利用系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种压缩天然气发动机（CNGE）余热综合利用系统及方法，涉及发动机的新型节能技术，它采用余热换热器利用尾气和/或缸套水余热对高压气瓶输出的高压燃气进行加热，利用两级膨胀机装置（一级为变膨胀比膨胀机、一级为定膨胀比膨胀机）对高压燃气进行降压处理，以达到发动机燃烧所需的燃气压力，同时利用膨胀机对压力能和余热进行综合利用，增大发动机输出轴功，提高发动机系统效率，增加行驶里程，节约天然气消耗。本发明的装置结构紧凑、性能可靠，回收了80%的燃气压缩过程消耗的能量，显著提高了天然气作为发动机燃料的优势。

Description

一种压缩天然气发动机余热综合利用系统及方法
技术领域
本发明涉及余热综合利用节能技术领域，特别是使用压缩天然气发动机（Compressed Natural Gas Engine，CNGE）的余热综合利用系统及方法。
背景技术
世界经济飞速发展，汽车保有量急剧增加，汽车给人们出行带来了极大便利，对人类发展作出了巨大贡献，但同时消耗大量石油资源、排出大量有害气体，成为城市污染特别是PM2.5的重要源头。统计资料表明，西方发达国家大中型城市的大气污染中，约54%的一氧化碳CO、41%的氮氧化物NOX、28%的碳氧化物COX来自汽车尾气。在我国，汽车尾气也成为大气污染的罪魁祸首。研究表明，广州市空气污染的主要污染源是：机动车尾气占22%、工业污染占20.4%、建筑工地扬尘污染占19.2%，汽车尾气被市民评为“最不可忍受的污染物”。为了解决这一问题，人们一直在努力改变能源结构，采用低公害/无公害的汽车发动机替代燃料。
目前已用于汽车发动机上的新能源主要包括液化石油气、燃油和电动的混合动力、纯电动、燃料电池、醇类燃料以及压缩天然气。液化石油气推广的主要缺点在于液化石油气建设投资巨大，气源的1/3靠海运进口，并且随着石油价格的上涨，使用价格也日益提高。混合动力和纯电动动力源主要受限于电池容量和寿命问题得不到较好解决，造成单车价值过高，短时间内难以大规模推广。燃料电池主要指的是氢燃料电池，最大的问题是整车成本高，基础建设加氢站跟不上，再加上电池寿命短，经济性不佳。醇类燃料主要是甲醇和乙醇，取材比较容易，主要是粮食，但燃料本身对设备的腐蚀性太强，造成相关存储和加注设备寿命太短，大规模推广困难。与此相对应的是压缩天然气（CNG）燃料价格便宜、成分单一、储量大、有害排放物少、安全可靠性高，抗暴震性能好而备受关注，成为汽车发动机的最佳代用燃料，市场应用广泛，前景广阔。
天然气与煤炭、石油并列为世界能源的三大支柱。目前全世界天然气的探明总储量约140万亿立方米，折合石油为1232亿吨，预计可开采200年。同时我国天然气资源储量丰富，探明储量3.8万亿立方米。目前在我国四川省、中西部省份和海上已经形成了年产3230亿立方米的生产能力。随着被探明天然气储量的不断增加，应用必将越来越广泛，在能源结构中的地位将愈加重要。CNG（压缩天然气）作为清洁燃料的价格、环保优势日益明显，已经在汽车发动机特别是出租车、公交车上得到广泛应用。
CNG发动机汽车的工作过程：将高压的压缩天然气冲入气瓶，气瓶中的压力不大于公称压力20Mpa，防止压力过大，温度升高出现危险；也不能小于0.4Mpa，防止压力过小，出现供气不足。高压的压缩天然气从储气瓶输出，经过高压电磁阀进入三级减压阀，高压电磁阀的开关由ECU控制，高压减压器的作用是将20Mpa～0.4Mpa的高压压缩天然气经过减压加热将压力调节到0.1Mpa～0.4Mpa之间。高压天然气在减压过程中由于减压膨胀，需要吸收大量的热量，为防止减压阀冻结，将发动机冷却液引出到减压器，对燃气进行加热。经减压后的天然气进入电控调节器，电控调节器根据发动机运行工况精确控制天然气喷射量。经过调控的天然气与空气在混合器内充分混合后，进入发动机缸内，经火花塞点燃进行燃烧，火花塞的点火由ECU控制，氧传感器即时监控燃烧后的尾气氧浓度，推算出空燃比，ECU根据氧传感器的反馈信号及时修正天然气的喷射量。
为提高CNG发动机能量利用效率，近几年国内外的专家学者做了很多工作，比如缸内直喷技术、冷却液加热减压器技术等，但多集中于缸内燃烧技术，对高压天然气压力能和尾气余热利用较少。由于制取车用压缩天然气过程能耗较高（0.3～0.5kWh/kg），而常规发动机通过气瓶输出的高压燃气经过减压阀降压，节流损失严重。现有技术中还出现了CNGE余压能量回收装置，虽然在一定程度上利用了CNGE的压力能，但在使用过程中却存在一系列问题，突出表现在：一是所利用缸套冷却水的温度较低，不利于充分利用压力能，另一是CNG的压力能释放过程存在重大缺陷，直接使用膨胀机进行减压，减压过程中没有稳压措施，压力源的压力在逐步衰减，导致膨胀机始终处于变膨胀比下工作，使得膨胀机对外输出的能量不稳定，且使得膨胀机的出气压力不稳定，影响下游的CNGE正常稳定工作。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的上述缺点和不足，提出一种压缩天然气发动机（CNGE）余热综合利用系统及方法，是一种新型的燃气供给节能系统，利用供气系统的压降和发动机尾气及缸套水余热，具体是利用CNGE的尾气及缸套水余热对高压燃气进行降压处理，高压燃气的降压是使用变膨胀比结合定膨胀比的膨胀机装置并结合稳压装置，实现对高压燃气的稳定利用，提高了发动机出功和效率，可适合于各种CNG发动机。
为达到上述目的，本发明的技术解决方案是：
一种压缩天然气发动机（CNGE）余热综合利用系统，包括通过燃气管路连接的CNG储气装置、电磁阀、换热器组、膨胀机组、稳压阀组、燃气喷嘴、燃气混合器、CNGE，其特征在于：
所述膨胀机组包括相互串联的至少一台变膨胀比膨胀机和至少一台定膨胀比膨胀机；所述换热器组至少包括换热器Ⅰ、Ⅱ；所述稳压阀组至少包括稳压阀Ⅰ、Ⅱ；所述CNGE的尾气管路中设有增压器单元，所述增压器单元包括增压器涡轮、增压器压气机；其中，
所述CNG储气装置的出气口和所述至少一台变膨胀比膨胀机的进气口间的燃气管路上至少设置所述电磁阀及换热器Ⅰ，所述至少一台变膨胀比膨胀机的出气口和所述至少一台定膨胀比膨胀机间的燃气管路上至少设置所述换热器Ⅱ及稳压阀Ⅰ，所述至少一台定膨胀比膨胀机的出气口和所述燃气喷嘴间的燃气管路上至少设置稳压阀Ⅱ，
所述增压器涡轮驱动增压器压气机，所述增压器压气机将空气升压后输送至燃气混合器，所述增压器涡轮由CNGE的尾气流驱动，各所述换热器内的冷流体为压缩天然气，热流体为CNGE的尾气。
优选地，所述CNG储气装置通过加气阀门将CNG加注其中，储存不高于20MPa的压缩天然气。
优选地，所述电磁阀用于控制CNGE供气系统的通断，由发动机电子控制单元ECU控制，转换燃料供给。
优选地，各稳压阀安装于各膨胀机后，以稳定从膨胀机出口降压的压力。
优选地，所述增压器压气机的进口端设空气过滤器。
优选地，所述燃气喷嘴前的燃气管路上还设置有过滤器。
优选地，所述至少一台变膨胀比膨胀机的膨胀比是可变的，工作范围为3～20，所述至少一台定膨胀比膨胀机工作过程中膨胀比保持不变，膨胀比为5～20。
优选地，所述至少一台定膨胀比膨胀机的出气口和所述燃气喷嘴间的燃气管路上还设置有换热器Ⅲ，该换热器内的冷流体为压缩天然气，热流体为CNGE的尾气。
优选地，所述CNGE的缸套冷却水设有外循环管路，各换热器的热流体侧的进口处设有管路切换装置，所述管路切换装置将所述外循环管路以及所述CNGE的尾气择一或同时地连接至各换热器的热流体侧。
优选地，各换热器可设计为两种不同热流体串联式或并联式，由两种热流体共同加热同一股天然气。优选地，所述CNGE的尾气先部分或全部地经过各换热器，然后再汇总或单独通过所述增压器涡轮，以便于用较高的温度加热天然气，从而获得更高的膨胀功，更好地利用天然气压力能，或，所述CNGE的尾气先流经所述增压器涡轮，然后再分流至各所述换热器。
优选地，所述换热器Ⅰ、Ⅱ的热流体由所述CNGE尾气提供，换热器Ⅲ的热流体由CNGE缸套冷却水提供，或，所述换热器Ⅰ、Ⅱ的热流体由CNGE缸套冷却水提供，换热器Ⅲ的热流体由所述CNGE尾气提供。
优选地，所述系统中，所述至少一台定膨胀比膨胀机之前的各部件通过高压燃气管路连接，之后的各部件通过低压燃气管路连接。
优选地，各膨胀机均可为多级组合式膨胀机，各膨胀机均可为活塞式、螺杆式、叶片式或混合式膨胀机，所述定膨胀比膨胀机还可以是微型向心式膨胀机。
优选地，各换热器可以是管壳式、板翅式、及螺旋管式等结构。
本发明的压缩天然气发动机（CNGE）余热综合利用系统，其工作流程为：使用压缩天然气燃料的发动机工作时，从压缩气瓶中流出的高压燃气首先通过电磁阀，进入换热器Ⅰ吸收发动机尾气或缸套水余热升温；换热升温后的高压燃气通过一级变膨胀比膨胀机膨胀做功，将20MPa的燃气压力降到0.5～2MPa之间的某一设计压力，随着工作时间推移，储气罐内压力不断降低，所以一级膨胀机工作过程处于变膨胀比情况；一次降压降温后的高压燃气经过换热器Ⅱ和稳压阀Ⅰ再次吸收发动机尾气或缸套水余热升温，然后进入二级膨胀机膨胀做功，将压力由一级膨胀机出口压力降低到0.05～0.2MPa左右，二级膨胀机工作过程中进出口压力稳定，为定膨胀比膨胀机；膨胀降压降温后的常压燃气再次通过稳压阀Ⅱ和换热器Ⅲ进一步吸收余热，既防止管路“结冰”现象，又提高进入发动机缸内的燃气温度，节约热能；升温后的常压高温燃气经过过滤器滤除燃气中的液滴和细小固体颗粒，再通过燃气喷嘴与经过涡轮增压器的空气喷射到发动机气缸前混合器中进行混合，最后进入发动机燃烧室。燃烧做功后，发动机排气经过增压器涡轮的尾气和高温气缸缸套水用于换热器组Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的热源，对于不带涡轮增压器的发动机，发动机排气尾气直接作为换热器组Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的热源，根据不同的发动机设计，换热器Ⅲ也可取消，常压常温燃气经过滤后进入混合器在进入发动机内燃烧做功。
所述的CNGE余热高效利用系统中，换热器的换热循环主要有四种方案：方案一，对于涡轮增压发动机，发动机气缸排气经过增压器涡轮降压做功后的尾气，部分或全部进入换热器作为热流体提供热源供天然气燃料升温；方案二，对于涡轮增压发动机，发动机气缸排气先部分或全部进入换热器作为热流体提供热源供天然气燃料升温，然后再进入增压器涡轮继续膨胀；方案三，对于无涡轮增压发动机，发动机气缸排气的尾气部分或全部进入换热器作为热流体加热天然气；方案四，发动机缸套冷却水的部分或全部进入换热器作为热流体加热天然气。上述四种方案还可进行组合，即每个换热器的热量可以单独来自发动机尾气或缸套水，也可以是混合加热。
根据本发明的另一方面，还提供了压缩天然气发动机（CNGE）余热综合利用方法，利用本发明的压缩天然气发动机（CNGE）余热综合利用系统，其特征在于，在所述CNGE的燃气供应管路上设置相互串联的至少一台变膨胀比膨胀机和至少一台定膨胀比膨胀机，各膨胀机前设置换热器，各膨胀机后设置稳压阀，最后一级膨胀机的稳压阀后可选择性地设置换热器，所述CNGE的尾气管路中设有增压器涡轮，各所述换热器内的冷流体通CNG，所述增压器涡轮之前或之后的CNGE尾气作为热流体通入各所述换热器内，CNGE的缸套冷却水可选择性地切入各所述换热器的热流体侧。
本发明的压缩天然气发动机余热综合利用系统及方法，采用了换热器组和膨胀机组来代替减压阀，并利用一级变膨胀比膨胀机和一级定膨胀比膨胀机相配合，既最大限度地利用了天然气压力能和尾气及缸套水余热，结构上又比较简单合理，可以有效实现余热余压的综合梯级利用，运行过程中发动机出功和效率平均增加5～10%。
附图说明
图1为本发明的压缩天然气发动机余热综合利用系统实施例1的结构示意图；
图2为本发明的压缩天然气发动机余热综合利用系统实施例2的结构示意图；
图3为本发明的压缩天然气发动机余热综合利用系统实施例3的结构示意图；
图4为本发明的压缩天然气发动机余热综合利用系统实施例4的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。
图1为本发明的实施例1。本发明的CNGE余热高效利用系统包括充气阀1，气瓶2，电磁阀3，换热器4、5、8，稳压阀6、7，过滤器9，燃气喷嘴10，混合器11，发动机燃烧室12，空气滤清器13，天然气源A，空气B，膨胀机组E1/E2,增压器涡轮T1，增压器压气机C。膨胀机组E1/E2包括一级变膨胀比膨胀机E1和二级定膨胀比膨胀机E2，一级膨胀机E1的膨胀比是可变的，工作范围为3～20，进口通过换热器4与储气瓶的气源连接；二级膨胀机E2的膨胀比为5～20，工作过程中是稳定的，出口通过稳压阀7、换热器8、过滤器9、燃气喷嘴10等进入燃气混合器11并进入发动机气缸12。换热器组包括至少与膨胀机组E1/E2相配套的两组换热器4、5，换热器4在膨胀机E1前置用于加热高压燃气，换热器5在膨胀机E2前置用于加热膨胀降温后的高压燃气，换热器8在过滤器9前置用于加热低压燃气，换热器组串联在系统管路的不同位置，换热器组与发动机排气口或发动机带的增压器涡轮出口或发动机缸套水相连，由其提供热介质。发动机气缸排气还可以先经过换热器4、5、8进行换热加热天然气后再进入增压器涡轮T1，然后排出。膨胀机组、换热器组、发动机、涡轮增压器等通过高压/低压燃气管和阀门相连通。A是加气站或其他气源，通过加气阀门1加注到压缩天然气储气瓶2中，气瓶储存不高于20MPa的压缩天然气，具体压力由加气站的充气压力决定；电磁阀3用于控制供气系统通断，同时由发动机电子控制单元ECU控制，转换燃料供给；稳压阀6、7安装于膨胀机后，是为了稳定从膨胀机出口降压的压力；通过稳压阀7的天然气经过过滤器9，过滤掉燃气中的液滴和细小的固体颗粒物，通过燃气喷嘴10喷射到混合器11中；B是外界空气，通过空气过滤器13，进入增压器压气机C的进口端，增压器涡轮T1与增压器压气机C同轴驱动，过滤后空气经过增压器压气机C增压后进入混合器11。混合后的空气天然气混合气进入发动机12，发动机的尾气或经过涡轮增压器的尾气或缸套水进入换热器4、5、8降温换热；系统中1、2、3、4、5、6、E1、E2是高压部分，通过高压管路连接；7、8、9、10、11、12、13、T1、C是常压部分，通过低压管路连接
其工作过程如下：从压缩气瓶2中流出的高压燃气首先通过电磁阀3，进入换热器4吸收发动机尾气或缸套水余热升温；换热升温后的高压燃气通过一级变膨胀比膨胀机E1膨胀做功，将20MPa的燃气压力降到0.5～2MPa之间的某一设计压力，随着工作时间推移，储气罐内压力不断降低，一级膨胀机工作过程为变膨胀比；一次降压降温后的高压燃气经过换热器5和稳压阀6再次吸收发动机尾气或缸套水余热升温，然后进入二级膨胀机E2膨胀做功，将压力由一级膨胀机出口压力降低到0.05～0.2MPa左右，二级膨胀机工作过程中进出口压力稳定，为定膨胀比膨胀机；膨胀降压降温后的常压燃气再次通过稳压阀7和换热器8进一步吸收余热，既防止管路“结冰”现象，又提高进入发动机缸内温度；升温后的常压高温燃气经过过滤器9滤除燃气中的液滴和细小固体颗粒，再通过燃气喷嘴10与经过涡轮增压器的空气喷射到发动机气缸前混合器11中进行混合，最后进入发动机燃烧室。燃烧做功后，发动机排气经过增压器涡轮的尾气和高温气缸缸套水用于换热器组4、5、8的热源，对于不带涡轮增压器的发动机，发动机排气尾气直接作为换热器组4、5、8的热源，根据不同的发动机设计，换热器8也可取消，常压常温燃气经过滤后进入混合器11在进入发动机内燃烧做功。
图2是本发明实施例2，其主体结构与实施例1相同，仅仅改变了换热器的连接部分。压缩天然气发动机缸套冷却水经过管路分别与换热器4、5、8连接，提供热源加热天然气，完成余热利用循环。
图3是本发明的实施例3，其主体结构与实施例1相同，仅仅改变了换热器的连接部分。换热器4、5、8的热流体可以来源于发动机尾气和缸套冷却水，换热器可以设计为两种不同热流体串联式或并联式，由两种热流体共同加热同一股天然气。
图4是本发明的实施例4，其主体结构与实施例1相同，仅仅改变了换热器的热流体流动过程。即在涡轮增压发动机中，发动机气缸的排气先部分或全部地经过换热器4、5、8中的全部或某个换热器，然后再汇总或单独通过增压器涡轮T1，以便于用较高的温度加热天然气，从而获得更高的膨胀功，更好地利用天然气压力能。
上述实施例也可以发生变化，采取组合式布置，例如换热器4、5的热流体由发动机尾气提供、换热器8的热流体由缸套冷却水提供，或者换热4的热流体由缸套冷却水提供、换热器5、8的热流体由发动机尾气提供。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的范围之内。

Claims (10)

1.一种压缩天然气发动机（CNGE）余热综合利用系统，包括通过燃气管路连接的压缩天然气（CNG）储气装置、电磁阀、换热器组、膨胀机组、稳压阀组、燃气喷嘴、燃气混合器、CNGE，其特征在于：
所述膨胀机组包括相互串联的至少一台变膨胀比膨胀机和至少一台定膨胀比膨胀机；所述换热器组至少包括换热器Ⅰ、Ⅱ；所述稳压阀组至少包括稳压阀Ⅰ、Ⅱ；所述CNGE的尾气管路中设有增压器单元，所述增压器单元包括增压器涡轮、增压器压气机；其中，
所述CNG储气装置的出气口和所述至少一台变膨胀比膨胀机的进气口间的燃气管路上至少设置所述电磁阀及换热器Ⅰ，所述至少一台变膨胀比膨胀机的出气口和所述至少一台定膨胀比膨胀机间的燃气管路上至少设置所述换热器Ⅱ及稳压阀Ⅰ，所述至少一台定膨胀比膨胀机的出气口和所述燃气喷嘴间的燃气管路上至少设置稳压阀Ⅱ，
所述增压器涡轮驱动增压器压气机，所述增压器压气机将空气升压后输送至燃气混合器，所述增压器涡轮由CNGE的尾气流驱动，各所述换热器内的冷流体为压缩天然气，热流体为CNGE的尾气。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述CNG储气装置通过加气阀门将CNG加注其中，储存不高于20MPa的压缩天然气。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述电磁阀用于控制CNGE供气系统的通断，由发动机电子控制单元ECU控制，转换燃料供给。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，各稳压阀安装于各膨胀机后，以稳定从膨胀机出口降压的压力。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述增压器压气机的进口端设空气过滤器。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述燃气喷嘴前的燃气管路上还设置有过滤器。
7.根据权利要求1至6任一项所述的系统，其特征在于，所述至少一台变膨胀比膨胀机的膨胀比是可变的，工作范围为3～20，所述至少一台定膨胀比膨胀机工作过程中膨胀比保持不变，膨胀比为5～20。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述至少一台定膨胀比膨胀机的出气口和所述燃气喷嘴间的燃气管路上还设置有换热器Ⅲ，该换热器内的冷流体为压缩天然气，热流体为CNGE的尾气。
9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述CNGE的缸套冷却水设有外循环管路，各换热器的热流体侧的进口处可以连接所述外循环管路和/或所述CNGE的尾气。
10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，各换热器可设计为两种不同热流体串联式或并联式，由两种热流体共同加热同一股天然气。
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