CN106523130A - 柴油机改烧醇醚燃料的柴油燃烧动力系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柴油机改烧醇醚燃料的柴油燃烧动力系统，包括柴油机(1)、液态醇醚燃料储存罐(2)和引燃剂储存罐(3)，引燃剂储存罐通过引燃剂管道向柴油机的气缸内通入引燃剂以进行压燃，液态醇醚燃料储存罐通过醇醚燃料供应管道(21)向气缸内喷入液态醇醚燃料，以在引燃剂的引燃下进行燃烧，从而启动柴油机并实现完全的柴油替代。其中对于通常不易压燃的高比例甲醇基醇醚燃料，不采用点火方式进行点燃，以避免对柴油机结构的大改动，也不采用低比例掺烧，而是创新性地以引燃剂在气缸内被压燃的方式来对醇醚燃料进行引燃，从而实现醇醚燃料对柴油的完全替代，节约成本，降低污染，且不损动力性能，柴油机能够稳定可靠的启动和运行。

Description

柴油机改烧醇醚燃料的柴油燃烧动力系统

技术领域

本发明涉及柴油机的燃料替代领域，特别地，涉及柴油机中使用醇醚燃料完全替代柴油的系统。

背景技术

醇醚燃料，尤其是高比例甲醇基醇醚燃料作为一种新型替代能源，以其“价格低廉、经济性高、动力强劲、清洁环保”等优越性能，成为石油替代的理想产品。由于甲醇容易点燃，在点燃式汽油发动机上实施高比例甲醇基醇醚燃料替代技术已经比较成熟并已推广应用。相较而言，柴油作为比汽油更紧缺的燃料，而且柴油机因其高压缩比而产生更高的热效率，因此在柴油机上开发醇醚燃料替代技术更具挑战，也更具有现实意义。

因为柴油机是高压缩比压燃式内燃机，聚甲氧基二甲醚、液态DME等高十六烷值的液体燃料可以像柴油一样直接被压燃，但这些替代燃料与同等热值的甲醇相比，存在制造工艺复杂、成本较高、经济效益较差等问题；二甲醚因常温下呈气态而存在储存运输的问题。甲醇价格低、替代柴油的经济效益显著，但其十六烷值非常低，只有3左右。因此，上述可被压燃的液体燃料的应用成本较为昂贵，相对经济的纯甲醇和高比例甲醇基醇醚燃料则因为十六烷值太低而难以压燃，使得应用到压燃式柴油机上的技术难度很大。

目前在柴油机上的醇醚燃料替代技术路线只有两类：一是用柴油启动压燃，然后从气相喷入少甲醇实现低比例掺烧；二是在柴油机气缸上安装火花塞来点燃甲醇基燃料。前者因替代比较太低而导致经济效益不明显；后者对柴油机的本体改造较大，难度较高，客户也难以接受。

例如，专利文献CN 1028791 C公开了一种柴油机燃料喷射方法，使用的是气态主燃料进行主喷射，并用液态辅助燃料作引燃喷射来起燃主燃料。其中的创新点在于引燃喷射包括水和液体燃料的混合物，系统喷射泵被设计成仅用液体燃料时，发动机也能产生最大功率。该发明本质上是液体燃料引燃气体燃料的双燃料发动机，达到气体尽量多地替代液体燃料的目的，但缺点是当气体作为主燃料时，燃料密度大大降低，发动机的动力性损失很大。

专利文献CN 103061920 A公开的是一种在旧柴油机结构上改装成采用气体燃料的燃气机，解决柴油机使用时间增加导致可靠性减低而维护成本逐渐提高，使用经济性变差需要淘汰的问题。其中的创新点在于进气管上连接天然气喷射管路，缸体的喷油嘴位置安装有替代柴油喷射器的火花塞。其改装后的燃气机点火改为点燃方式，气体燃料完全替代柴油。其缺点有二：一是如前所述的当气体作为主燃料时，气体的机器动力性下降，难以满足工业应用的动力性要求；二是缸体的喷油嘴位置安装火花塞，对发动机本体的改造较大，改变了柴油机高压缩比压燃的运行特性，客户也难以接受。

专利文献CN202176424U公开了一种柴油天然气混合动力装置，该装置在进气管处外接天然气管路，进气的同时向燃烧室同时充入天然气，代替部分柴油燃料，实现柴油天然气混燃，降低燃料成本。该装置点火方式仍采用柴油压燃方式，柴油替代率低，而且对柴油机缸体燃烧室的密闭性，以及活塞、连杆、曲轴运动部件的材料性能，力学性能、热学性能有很高的要求。该装置的问题在于：对原机的动力性影响较大，而且由于柴油替代率低，经济性和环保性都难以最大化。此外，随着柴油机使用时间的增加，可靠性减低而维护成本逐渐提高。

发明内容

针对现有技术中的上述缺陷或不足，本发明提供了一种柴油机改烧醇醚燃料的柴油燃烧动力系统，在不对柴油机本体进行过大改动的基础上，使柴油机能够稳定可靠地改烧醇醚燃料，不损失动力性能且经济实用。

为了实现上述目的，本发明提供一种柴油机改烧醇醚燃料的柴油燃烧动力系统，其包括柴油发动机、液态醇醚燃料储存罐和引燃剂储存罐，所述引燃剂储存罐通过引燃剂管道向所述柴油机的气缸内通入引燃剂以进行压燃，所述液态醇醚燃料储存罐通过醇醚燃料供应管道向所述气缸内喷入液态醇醚燃料，以在所述引燃剂的引燃下进行燃烧，从而启动所述柴油机并实现完全的柴油替代。

优选地，所述液态醇醚燃料为甲醇质量百分比高于70％的甲醇和二甲醚的混合物，该醇醚燃料的十六烷值低于所述柴油机的可压燃范围。

优选地，所述引燃剂为气态二甲醚，所述引燃剂与醇醚燃料的质量比为(1-10)：100。

优选地，该系统还包括气体混合器，所述引燃剂管道包括引燃剂供应管道和混合气体进气管道，所述引燃剂储存罐通过所述引燃剂供应管道向所述气体混合器的进气端供应引燃剂，所述混合气体进气管道连接所述气体混合器的出气端与所述气缸，所述气体混合器的进气端还连接有空气管道，来自所述引燃剂储存罐的所述引燃剂与来自所述空气管道的空气在所述气体混合器内混合并通过所述混合气体进气管道通入所述气缸内。

优选地，该系统还包括设置在所述气体混合器的进气端的气体分布器，该气体分布器套接在所述空气管道上，并且所述气体分布器具有与所述引燃剂供应管道相连的环形内腔，使得来自所述引燃剂储存罐的所述引燃剂能够通过所述环形内腔沿周向均匀分布至所述空气管道内。

优选地，该系统还包括质量流量计，该质量流量计设置在所述引燃剂供应管道中以调节所述引燃剂储存罐提供的引燃剂的用量。

优选地，所述柴油机运行时，所述质量流量计控制通入所述气缸内的所述引燃剂的量为0.05～0.15kg/min。

优选地，该系统还包括气化器，该气化器设置在所述引燃剂储存罐与所述质量流量计之间的所述引燃剂供应管道中。

优选地，该系统还包括依次设置在所述空气管道中的空气滤清器和增压器，空气通过所述空气滤清器的过滤和所述增压器的增压后进入所述气体混合器。

优选地，所述气体混合器上安装有防爆板。

根据本发明的柴油机改烧醇醚燃料的系统中，对于通常不易压燃的醇醚燃料，不采用点火方式进行点燃，以避免对柴油机结构的大改动，也不采用低比例掺烧，而是创新性地以引燃剂在气缸内被压燃的方式来对醇醚燃料进行引燃，从而实现醇醚燃料对柴油的完全替代，节约成本，大幅降低污染，而且不损动力性能，柴油机能够稳定可靠的启动和运行。

本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为根据本发明的优选实施方式的柴油机改烧醇醚燃料的柴油燃烧动力系统的组成结构图；

图2为柴油机在DMEV引燃下改烧醇醚燃料时的启动和工作时的功率曲线。

附图标记说明

1 柴油机 2 液态醇醚燃料储存罐

3 引燃剂储存罐 4 气化器

5 质量流量计 6 气体分布器

7 气体混合器 8 防爆板

9 增压器 10 空气滤清器

21 醇醚燃料供应管道 31 引燃剂供应管道

32 混合气体进气管道 41 空气管道

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

参见图1，本发明提供了一种柴油机改烧醇醚燃料的柴油燃烧动力系统及其燃烧方法，该系统包括柴油机1、液态醇醚燃料储存罐2和引燃剂储存罐3，引燃剂储存罐3通过引燃剂管道向柴油机1的气缸内通入引燃剂以进行压燃，液态醇醚燃料储存罐2通过醇醚燃料供应管道21向气缸内喷入液态醇醚燃料，以在引燃剂的引燃下进行燃烧，从而启动柴油机1并实现完全的柴油替代。

本发明的发明人综合考虑了柴油机(尤其是多缸柴油机)的工作原理和多种醇醚燃料的燃烧特性以及前述的两种现有技术路线的不足之处，而首创地开发一种多缸柴油机改烧醇醚燃料的引燃技术，即采用引燃剂通入柴油机的气缸，从而被压燃，进而持续点燃液体醇醚燃料。这就在不对柴油机进行大的结构改动的情况下，有效解决了柴油机上进行高比例甲醇基醚燃料的替代时，因醇醚燃料的十六烷值低无法直接压燃，而难以大规模应用到压燃式多缸柴油机上的技术难题。

其中，上述的液态醇醚燃料限定为在高压缩比内燃机(即柴油机)中不易压燃的醇醚燃料，例如以下实施方式的液态醇醚燃料中的甲醇质量百分比如高于70％的甲醇和二甲醚的混合物，即高比例甲醇基醇醚燃料，该高比例甲醇基醇醚燃料中的十六烷值低于所述柴油机的可压燃范围。当然此处仅为例举，甲醇质量比和十六烷值并不限于此。其中的引燃剂可以是能够在柴油机的气缸中被压燃的任何可燃性物质，尤其是可压燃气体，例如以下实施方式中所采用的气态二甲醚(DMEV)等。

与现有技术不同，本发明在多缸柴油机上，采用气体引燃技术，来引燃液态纯甲醇或高比例甲醇基醇醚燃料。历史数据显示，同等热值的甲醇市场价格约为柴油的三分之二，也就是说，实现柴油的完全醇醚燃料替代可以节约大约1/3的燃油成本。同时，醇醚燃料碳链短、不含硫，燃烧性能优越，燃烧产物不含SO2和颗粒物，因而可以大幅度降低柴油燃烧的污染排放。而且本发明对发动机的本体改造较小，易于实施，相比醇醚燃料部分替代柴油技术所产生的综合经济效益和环境效益都大。

基于上述原理，以下结合图1对本发明的系统组成进行阐述。

本发明的系统包括气体混合器7，引燃剂管道包括引燃剂供应管道31和混合气体进气管道32，引燃剂储存罐3通过引燃剂供应管道31向气体混合器7的进气端供应引燃剂，混合气体进气管道32连接气体混合器7的出气端与气缸，气体混合器7的进气端还连接有空气管道41，来自引燃剂储存罐3的引燃剂与来自空气管道41的空气在气体混合器7内混合并通过混合气体进气管道32通入气缸内。气体混合器7的作用在于将引燃剂与空气充分混合，以便于通入柴油机气缸后能够压燃。气体混合器7上还安装有防爆板8，以起到安全防爆作用。当然，本领域技术人员能够理解的是，也可通过空气管道41通入同样助燃的纯氧气。引燃剂和空气的混合气体通过混合气体进气管道32进入气缸内，首先被压燃，同时通过醇醚燃料供应管道21传输的液态醇醚燃料在柴油机内通过常规的高压共轨系统喷入气缸内，压燃的混合气体进而引燃喷入气缸内的液态高比例甲醇基醇醚燃料。

在气体混合器7的进气端还设置有气体分布器6，该气体分布器6套接在空气管道41上，并且气体分布器6具有与引燃剂供应管道31相连的环形内腔，使得来自引燃剂储存罐3的引燃剂能够通过环形内腔沿周向均匀分布至空气管道41内。气体分布器6的作用在于引导引燃剂在空气管道41内均匀分布，进而充分混合。

在引燃剂供应管道31中，首先设置有质量流量计5，该质量流量计5用于实时调节引燃剂储存罐3提供的引燃剂的用量。在本实施方式中，以DMEV为引燃剂时，为保持醇醚燃料稳定燃烧，柴油机启动和运行时，质量流量计5控制通入气缸内的引燃剂的量为0.05～0.15kg/min，在以下的实施方式中，引燃剂与醇醚燃料的质量比保持为(1-10)：100。在引燃剂储存罐3与质量流量计5之间的引燃剂供应管道31中还设置有气化器4，该气化器4通过加热汽化和温度调节，来控制引燃剂的工作压力，使得引燃剂的供给压力与下游发动机的进气压力相匹配。另外，在空气管道41中依次设置有空气滤清器10和增压器9，空气通过空气滤清器10的过滤和增压器9的增压后进入气体混合器7。在常规的多缸柴油机上，其进气管路可用作空气管道41，进气管路上已然配备空气滤清器10和增压器9等，方便操作。

以下通过具体实施例对本发明系统进行实验验证。

实施例

本发明的系统在百千瓦级的六缸柴油机上进行了台架实验，以验证工业可行性。实验在一定转速下，测试高比例甲醇基醇醚燃料在引燃剂作用下的发动机功率变化。所用柴油机性能参数、实验数据分别如表1和表2所示，发动机DMEV引燃启动的功率曲线如附图2。

表1 柴油发动机技术参数表

表2 台架实验数据表

*表2中液体醇醚燃料是质量比为90：10的甲醇和二甲醚的混合物。

发动机DMEV引燃启动的功率曲线如图2所示。由图可见，随着引燃剂喷入量的从无到有并逐渐增加，发动机(六缸柴油机)缓慢启动，输出功率逐渐增大。当引燃剂加入量到0.1kg/min左右时，发动机整机启动状况良好，运行已经比较稳定。之后，维持引燃剂喷入量不变，通过液态燃料喷射系统喷入液态醇醚燃料，燃料在气缸内被瞬间引燃，机器功率持续增大，逐渐进入平稳运行状态。

在气体引燃剂和液体醇醚燃料正常运行的工况下，为了进一步优化燃烧条件，降低引燃剂消耗，在相应工况下，将引燃剂的最小用量进行了标定。如图2所示，在液体醇醚燃料稳定喷射后，逐步降低引燃剂量到0.05kg/min左右，发动机运行依然比较稳定，但低于此数据时，发动机会产生剧烈抖动，无法平稳运行，此时引燃剂无法充分引燃液体醇醚燃料。因此，对应不同的发动机负荷变化，所需引燃剂的量也是动态变化。

实验证明本发明可成功引燃高比例甲醇基醇醚燃料，可实现高比例甲醇基醚燃料的柴油完全替代，可在保持发动机的动力性能不降低情况下，节约1/3左右的燃料成本，同时可以大幅度降低NOx等污染物排放，PM2.5和SO₂排放接近于零，具有良好的经济效益和环保效益。

以市价计算，甲醇价格大概是柴油价格的1/3左右。按同等热值的当前市场价格测算，2t甲醇(4000RMB)及添加剂(500RMB)替代1t柴油(6500-7500RMB)，则每替代1t柴油所产生的经济效益为2000-3000RMB。2015年中国预计消耗柴油总量约2亿吨，假设醇醚燃料替代柴油比例为10％，那么每年所产生的经济效益(不计算其它社会效益)约为400-600亿RMB。因此使用醇醚燃料替代燃油有着明显的经济性和巨大的利润空间。

综上，本发明利用引燃剂的特殊物性，在现有常规多缸柴油机的基础上，仅加装了引燃剂管道系统，实现引燃剂的连续稳定供给、流量精准控制、气体均匀分布和充分混合。引燃剂在发动机缸内被压燃后引燃由发动机供油系统喷入的低十六烷值、高比例甲醇基液体醇醚燃料，帮助实现完全的柴油替代。

本发明具有优点如下：

1)、创新了一种柴油机改烧醇醚燃料的引燃技术；

2)、实现了少量气体引燃、高比例甲醇基醇醚燃料完全替代柴油且保持发动机动力性稳定；

3)、克服引燃剂气化吸热结冰、压力波动和流量不稳等问题，引燃剂气化、温控、压力调节一体化设计，实现稳定、连续供料；

4)、高精度质量流量计调节控制，可控制发动机稳定运行下的引燃剂用量最小化、成本最低化；

5)、引燃剂均匀分布，并与进气充分混合，防爆板安全控制，保证系统平稳运行；

6)、柴油机的原机构造的改动小，醇醚燃料替代可实现系统热效率和动力输出不低于使用柴油的原发动机动力。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均未超出本发明的构思，因而均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (10)

1.一种柴油机改烧醇醚燃料的柴油燃烧动力系统，包括：柴油机(1)、液态醇醚燃料储存罐(2)和引燃剂储存罐(3)，所述引燃剂储存罐(3)通过引燃剂管道向所述柴油机(1)的气缸内通入引燃剂以进行压燃，所述液态醇醚燃料储存罐(2)通过醇醚燃料供应管道(21)向所述气缸内喷入液态醇醚燃料，以在所述引燃剂的引燃下进行燃烧，从而启动所述柴油机(1)并实现完全的柴油替代。

2.根据权利要求1所述的柴油机改烧醇醚燃料的柴油燃烧动力系统，其中，所述液态醇醚燃料进一步为甲醇质量百分比高于70％的甲醇和二甲醚的混合物，该醇醚燃料的十六烷值低于所述柴油机的可压燃范围。

3.根据权利要求1所述的柴油机改烧醇醚燃料的柴油燃烧动力系统，其中，所述引燃剂为气态二甲醚，所述引燃剂与醇醚燃料的质量比为(1-10)：100。

4.根据权利要求1～3中任意一项所述的柴油机改烧醇醚燃料的柴油燃烧动力系统，还包括气体混合器(7)，所述引燃剂管道包括引燃剂供应管道(31)和混合气体进气管道(32)，所述引燃剂储存罐(3)通过所述引燃剂供应管道(31)向所述气体混合器(7)的进气端供应引燃剂，所述混合气体进气管道(32)连接所述气体混合器(7)的出气端与所述气缸，所述气体混合器(7)的进气端还连接有空气管道(41)，来自所述引燃剂储存罐(3)的所述引燃剂与来自所述空气管道(41)的空气在所述气体混合器(7)内混合并通过所述混合气体进气管道(32)通入所述气缸内。

5.根据权利要求4所述的柴油机改烧醇醚燃料的柴油燃烧动力系统，还包括设置在所述气体混合器(7)的进气端的气体分布器(6)，该气体分布器(6)套接在所述空气管道(41)上，并且所述气体分布器(6)具有与所述引燃剂供应管道(31)相连的环形内腔，使得来自所述引燃剂储存罐(3)的所述引燃剂能够通过所述环形内腔沿周向均匀分布至所述空气管道(41)内。

6.根据权利要求4所述的柴油机改烧醇醚燃料的柴油燃烧动力系统，还包括质量流量计(5)，该质量流量计(5)设置在所述引燃剂供应管道(31)中以调节所述引燃剂储存罐(3)提供的引燃剂用量。

7.根据权利要求6所述的柴油机改烧醇醚燃料的柴油燃烧动力系统，其中，所述柴油机运行时，所述质量流量计(5)控制通入所述气缸内的所述引燃剂的量为0.05～0.15kg/min。

8.根据权利要求6所述的柴油机改烧醇醚燃料的柴油燃烧动力系统，还包括气化器(4)，该气化器(4)设置在所述引燃剂储存罐(3)与所述质量流量计(5)之间的所述引燃剂供应管道(31)中。

9.根据权利要求4所述的柴油机改烧醇醚燃料的柴油燃烧动力系统，还包括依次设置在所述空气管道(41)中的空气滤清器(10)和增压器(9)，空气通过所述空气滤清器(10)的过滤和所述增压器(9)的增压后进入所述气体混合器(7)。

10.根据权利要求4所述的柴油机改烧醇醚燃料的系统，其中，所述气体混合器(7)上安装有爆破板(8)。