CN106168172A - 一种在线燃料重整可变燃烧模式发动机及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明一种在线燃料重整可变燃烧模式发动机及控制方法，属于发动机低温燃烧技术领域。其中，合成气作为燃料源利用尾气能量重整制备二甲醚燃料。在冷启动时，采用二甲醚直喷的方式；在中、低负荷下，采用预混压燃二甲醚、合成气的双燃料燃烧模式；在中、高负荷下，采用二甲醚作为引燃燃料点燃合成气的燃烧模式。通过对合成气与二甲醚的燃料控制达到传统扩散燃烧模式、均质混合气压缩着火模式和反应活性可控压燃模式之间的顺畅转换。本发明采用单一燃料源实现了多种燃烧模式的转换实现了高效、清洁的内燃机设计理念，通过对不同工况下的燃烧模式的转换提升了发动机的热效率和能量消耗，同时有效降低了NOx和碳烟的排放。

Description

一种在线燃料重整可变燃烧模式发动机及控制方法
技术领域
本发明属于发动机低温燃烧技术领域，涉及一种在线燃料重整可变燃烧模式发动机装置及方法。
背景技术
在能源危机以及环境污染的国际大环境下，内燃机的主要发展方向分为替代燃料的利用和内燃机的先进燃烧方式两个方面。替代燃料中，合成气来源广泛、制造成本低，能够实现内燃机的高效清洁燃烧，具有巨大的应用前景。在合成气中，H2作为主要燃料气体具有燃烧速度、火焰传播速度快的特点，致使点火式发动机的缸内温度过高，导致NOx排放的恶化。因此结合压燃式发动机的先进低温燃烧方式更为适宜合成气作为替代燃料的应用。在低温燃烧技术中，合成气可应用于冲量均质压燃HCCI)的燃烧模式和反应活性可控压燃RCCI)的燃烧模式。在均质压燃模式下合成气与空气由进气道进入发动机燃烧室形成均质燃气，由上行活塞压缩进行多点燃烧，其具有经济性高、NOx排放极低的显著优势，然而合成气作为低活性燃料在低负荷下不易被压缩着火，同时其中H2的燃烧速度过快导致均质压燃发动机高负荷下的燃烧粗暴。在反应活性可控燃烧模式下，需要两套喷油系统，进气道喷射低活性燃料和缸内直喷高活性燃料，通过这种双燃料部分预混的燃烧方式，RCCI发动机具有在宽广的运行范围之内灵活的控制燃烧相位的优势，然而这种燃烧模式需要高、低两种活性燃料的支持，在燃料添加方面具有极大的不便利性。这些都是合成气作为内燃机替代燃料所面临的问题。
美国通用电气公司在2012年申请的《利用多种燃料的发动机及其相关方法》ZL201280058990.3)中提出了使用多种燃料模式的发动机，但其需要多种燃料的供给，并且没有指明多种燃料的配合使用方案。孟山都技术公司于2010年申请的《重整乙醇发动机》ZL201080038253.8)专利提供了燃料重整的思路，然而燃料重整后的燃烧模式并没有详细的叙述。
发明内容
为解决上述现有技术问题，本发明提出了一种在线燃料重整可变燃烧模式发动机及控制方法，其使用合成气作为主要燃料源，利用废气余热重整制备二甲醚作为副燃料的策略；结合主、副燃料的使用，在不同种燃烧模式中顺畅切换以适应不同工况下对合成气发动机的要求。
本发明的具体技术方案如下：
一种在线燃料重整可变燃烧模式发动机，包括进气口、气体管路、电磁阀、合成气燃料箱、热交换器、重整反应室、气体压缩机、二甲醚燃料箱、发动机燃烧室、废气管路、涡轮、过滤器、排气口。其中，进气口与气体管路A相连，气体管路A上设有电磁阀a并与发动机燃烧室相连；合成气燃料箱分别与气体管路B和气体管路C相连，气体管路B上设电磁阀b，气体管路C上设电磁阀c，气体管路B通过热交换器与重整反应室相连，气体管路C与气体管路A汇合之后与发动机燃烧室相连。重整反应室通过气体压缩机与二甲醚燃料箱相连，电磁阀d与电磁阀e分别设于二甲醚燃料箱的气体管路D和气体管路E上。气体管路D与发动机燃烧室相连，气体管路E与气体管路A和气体管路C汇合后与发动机燃烧室相连。废气管路连接发动机燃烧室、气体压缩机的涡轮、过滤器、热交换器和排气口。
针对上述一种在线燃料重整可变燃烧模式发动机的控制方法，在不同工况下分别进行如下步骤：
在发动机冷启动阶段，利用二甲醚直喷的方式实现传统柴油机的燃烧模式。电磁阀a控制发动机进气，电磁阀d控制二甲醚的喷射时刻以及喷射量；二甲醚燃料在活塞处于上止点前10℃A～0℃A时喷入发动机燃烧室进行传统压缩着火。
在发动机中、低负荷阶段，利用预混二甲醚与合成气实现均质混合气压燃的燃烧模式。电磁阀a控制发动机进气，电磁阀b控制合成气重整流量，电磁阀c控制合成气喷射流量，电磁阀e控制二甲醚与空气、合成气预混流量；此时，空气与合成气、二甲醚燃料预混由进气道进入发动机燃烧室进行均质压燃。
在发动机中、高负荷阶段，利用缸内直喷二甲醚，进气道内预混合成气的方式，实现反应活性可控压燃的燃烧模式。电磁阀a控制发动机进气，电磁阀b控制合成气重整流量，电磁阀c控制合成气喷射流量，电磁阀d控制二甲醚缸内直喷流量以及喷射时刻；空气与合成气预混由进气道进入发动机燃烧室，二甲醚在活塞处于上止点前50℃A～40℃A直喷进入发动机燃烧室，通过对燃料的比例控制实现活性分层，进而对着火时刻进行控制，最终实现活性可控压燃的燃烧方式。
本发明产生的有益效果是，利用低活性合成气燃料与高活性二甲醚燃料的控制实现了不同种燃烧模式的相互转化，避免了冷启动不易着火，高载荷下容易爆震的缺点，拓宽了合成气作为发动机替代燃料的应用范围。其中合成气的成分要求较为宽松；重整温度低，可完全用尾气余热进行加热；对二甲醚的需求量较小，对重整度的要求不高；合成气重整二甲醚的催化剂不需要贵金属，节省成本；利用对燃料控制完全不需要对二甲醚和未反应的合成气进行分离，省去了冗杂的分离步骤。通过本发明系统，能够大幅降低氮氧化物、碳烟排放和发动机的噪音，其中，氮氧化物排放低于0.5g/kW·h；碳烟排放基本消除；发动机声响强度低于8MW/m2。
附图说明
图1为本发明的系统结构原理简图。
图中：1进气口；2气体管路；3电磁阀；4合成气燃料箱；5热交换器；6重整反应室；7气体压缩机；8二甲醚燃料箱；9发动机燃烧室；10废气管路；11涡轮；12过滤器；13排气口。
具体实施方案
以下结合附图并通过实施例对本发明的系统组成、部件连接关系和具体控制方法做进一步的说明。
一种在线燃料重整可变燃烧模式发动机，包括进气口1、气体管路2、电磁阀3、合成气燃料箱4、热交换器5、重整反应室6、气体压缩机7、二甲醚燃料箱8、发动机燃烧室9、废气管路10、涡轮11、过滤器12、排气口13。
其中进气口1与气体管路A 2-1相连，气体管路A 2-1上设有电磁阀a 3-1并与发动机燃烧室9相连。合成气燃料箱4分别与气体管路B 2-2和气体管路C 2-3相连，气体管路B2-2上设电磁阀b 3-2，气体管路C 2-3上设电磁阀c 3-3，气体管路B 2-2通过热交换器5与重整反应室6相连，气体管路C 2-3与气体管路A 2-1汇合之后与发动机燃烧室9相连；重整反应室6通过气体压缩机7与二甲醚燃料箱8相连，电磁阀d 3-4与电磁阀e 3-5分别设于二甲醚燃料箱8的气体管路D 2-4和气体管路E 2-5上。气体管路D 2-4与发动机燃烧室9相连。气体管路E 2-5与气体管路A 2-1和气体管路C 2-3汇合后与发动机燃烧室9相连。废气管路10连接发动机燃烧室9、气体压缩机的涡轮11、过滤器12、热交换器5和排气口13。
上述一种在线燃料重整可变燃烧模式发动机的控制方法如下：
在发动机冷启动阶段：电磁阀a3-1控制发动机进气，电磁阀d3-4控制二甲醚的喷射时刻以及喷射量；二甲醚燃料在活塞处于上止点前10℃A～0℃A时喷入发动机燃烧室9进行传统压缩着火；
在发动机中、低负荷阶段：电磁阀a3-1控制发动机进气，电磁阀b3-2控制合成气重整流量，电磁阀c3-3控制合成气喷射流量，电磁阀e3-5控制二甲醚与空气、合成气预混流量；空气与合成气、二甲醚燃料预混由进气道进入发动机燃烧室9进行均质压燃；
在发动机中、高负荷阶段：电磁阀a3-1控制发动机进气，电磁阀b3-2控制合成气重整流量，电磁阀c3-3控制合成气喷射流量，电磁阀d3-4控制二甲醚缸内直喷流量以及喷射时刻；空气与合成气预混由进气道进入发动机燃烧室9，二甲醚在活塞处于上止点前50℃A～40℃A直喷进入发动机燃烧室9实现反应活性可控压燃的燃烧模式。
其中，主要控制参数如下：中、低负荷下，合成气占总能量比为50％～70％；中、高负荷下，合成气占总能量比为70％～80％。

Claims (4)

1.一种在线燃料重整可变燃烧模式发动机，包括进气口(1)、气体管路(2)、电磁阀(3)、合成气燃料箱(4)、热交换器(5)、重整反应室(6)、气体压缩机(7)、二甲醚燃料箱(8)、发动机燃烧室(9)、废气管路(10)、涡轮(11)、过滤器(12)、排气口(13)；其中进气口(1)与气体管路A(2-1)相连，气体管路A(2-1)上设有电磁阀a(3-1)并与发动机燃烧室(9)相连；合成气燃料箱(4)分别与气体管路B(2-2)和气体管路C(2-3)相连，气体管路B(2-2)上设电磁阀b(3-2)，气体管路C(2-3)上设电磁阀c(3-3)，气体管路B(2-2)通过热交换器(5)与重整反应室(6)相连，气体管路C(2-3)与气体管路A(2-1)汇合之后与发动机燃烧室(9)相连；重整反应室(6)通过气体压缩机(7)与二甲醚燃料箱(8)相连，电磁阀d(3-4)与电磁阀e(3-5)分别设于二甲醚燃料箱(8)的气体管路D(2-4)和气体管路E(2-5)上；气体管路D(2-4)与发动机燃烧室(9)相连；气体管路E(2-5)与气体管路A(2-1)和气体管路C(2-3)汇合后与发动机燃烧室(9)相连；废气管路(10)连接发动机燃烧室(9)、气体压缩机的涡轮(11)、过滤器(12)、热交换器(5)和排气口(13)。
2.权利要求1所述的一种在线燃料重整可变燃烧模式发动机的控制方法，其特征在于在不同工况下分别进行如下步骤：
在发动机冷启动阶段：电磁阀a(3-1)控制发动机进气，电磁阀d(3-4)控制二甲醚的喷射时刻以及喷射量；二甲醚燃料在活塞处于上止点前10℃A～0℃A时喷入发动机燃烧室(9)进行传统压缩着火；
在发动机中、低负荷阶段：电磁阀a(3-1)控制发动机进气，电磁阀b(3-2)控制合成气重整流量，电磁阀c(3-3)控制合成气喷射流量，电磁阀e(3-5)控制二甲醚与空气、合成气预混流量；空气与合成气、二甲醚燃料预混由进气道进入发动机燃烧室(9)进行均质压燃；
在发动机中、高负荷阶段：电磁阀a(3-1)控制发动机进气，电磁阀b(3-2)控制合成气重整流量，电磁阀c(3-3)控制合成气喷射流量，电磁阀d(3-4)控制二甲醚缸内直喷流量以及喷射时刻；空气与合成气预混由进气道进入发动机燃烧室(9)，二甲醚在活塞处于上止点前50℃A～40℃A直喷进入发动机燃烧室(9)实现反应活性可控压燃的燃烧模式。
3.按照权利要求2所述的一种在线燃料重整可变燃烧模式发动机的控制方法，其特征在于，在发动机中、低负荷阶段，合成气占总能量比为50％～70％。
4.按照权利要求2或3所述的一种在线燃料重整可变燃烧模式发动机的控制方法，其特征在于，在发动机中、高负荷阶段，合成气占总能量比为70％～80％。
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