CN107084045A - 一种使用甲醇基燃料的压燃式内燃机系统及其运行方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种使用甲醇基燃料的压燃式内燃机系统，其包括：压燃式内燃机(N101)，其具有空气入口(N101‑1)和燃料入口(N101‑2)；供气系统，其包括串联的空气增压器(C101)和混合器(M101)，所述混合器(M101)的出口连接至所述空气入口(N101‑1)；供燃料系统，其包括串联的燃料箱(J101)和燃料泵(P101)，燃料泵(P101)的下游连接至所述燃料入口(N101‑2)；引燃剂在线制备器(R101)，其上游也连接至燃料泵(P101)，其下游连接至所述混合器(M101)；且其内部具有催化剂床层。本发明通过用甲醇基燃料在线制备得到的引燃剂来在压燃式内燃机被压燃而引燃甲醇基燃料，使得现有的压燃式内燃机在无需结构改动的情况下即可使用甲醇基燃料来完全代替柴油燃料。

Description

一种使用甲醇基燃料的压燃式内燃机系统及其运行方法
技术领域
本发明属于内燃机技术领域，具体涉及一种使用甲醇基燃料的压燃式内燃机系统及其运行方法。
背景技术
甲醇基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，成为替代石油的理想产品。由于甲醇容易被点燃，在火花塞点燃式汽油发动机上实施甲醇基燃料替代技术在我国已经比较成熟，并已在五个省市(山西、陕西、上海、甘肃、贵州)推广应用。相比而言，在我国柴油比汽油更紧缺，而且柴油机因其高压缩比而产生更高的热功效率。因此，在柴油机上开发甲醇基燃料替代技术更具挑战性，也更具有现实意义。
由于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醚类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。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，纯甲醇和高比例甲醇基燃料因为十六烷值太低而无法压燃，应用到压燃式柴油机上的技术难度很大。二甲醚在压燃式内燃机上容易压燃，可以用于甲醇基燃料的引燃剂，但因其在因常温下呈气态，故需要配备高压储存罐来存储，这给使用压燃式内燃机的车辆带来额外负担，因为高压容器携带不便且存在安全隐患。
目前在柴油机上的甲醇基燃料替代技术路线只有两大类：一是用柴油启动压燃，然后从气相喷入少量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。前者因替代比例较太低经济效益不明显；后者对柴油机的本体改造较大，难度较高，客户难以接受。
如何在压燃式内燃机系统实现甲醇基燃料对柴油燃料的大比例替代甚至是完全替代，同时又不需要对内燃机进行较大改动，并且又不需要额外配备引燃剂高压存储罐，这是本领域亟待解决的问题。
发明内容
为解决上述问题，本发明综合考虑压燃式内燃机的工作原理和甲醇基燃料的燃烧特性，克服了现有技术的不足，开发出一种使用甲醇基燃料的压燃式内燃机系统。所开发的系统可以实现气态引燃剂二甲醚(DMEV)的在线制备和稳定、连续、精确向内燃机供给，解决了压燃式内燃机中甲醇基燃料因十六烷值低无法直接压燃的技术问题，实现了甲醇基燃料在压燃式内燃机中对柴油燃料的完全替代，且无需使用高压引燃剂储罐。
本发明第一方面提供一种使用甲醇基燃料的压燃式内燃机系统，其特征在于，其包括：
压燃式内燃机(N101)，其具有空气入口(N101-1)和燃料入口(N101-2)；
供气系统，其包括串联的空气增压器(C101)和混合器(M101)，所述混合器(M101)的出口连接至所述空气入口(N101-1)；
供燃料系统，其包括串联的燃料箱(J101)和燃料泵(P101)，燃料泵(P101)的下游连接至所述燃料入口(N101-2)；
引燃剂在线制备器(R101)，其上游也连接至燃料泵(P101)，其下游连接至所述混合器(M101)；且其内部具有催化剂床层。
优选地，所述混合器(M101)为静态混合器，其内部具有曲折的气流通道。
优选地，在所述燃料泵(P101)出口与所述引燃剂在线制备器(R101)入口之间设有至少一个换热器以对所述燃料进行预热。
优选地，在所述燃料泵(P101)出口与所述引燃剂在线制备器(R101)入口之间设有串联的两个换热器，上游是内燃机冷却水换热器(E101)，下游是引燃剂在线制备器进出口换热器(E102)，以对所述燃料进行梯级预热。
优选地，在引燃剂在线制备器进出口换热器(E102)与所述引燃剂在线制备器(R101)入口之间的管路上设有至少一个电加热器(E103)以在所述内燃机(N101)冷启动时对所述燃料进行预热。
优选地，本发明中所述的使用甲醇基燃料的压燃式内燃机系统也可以包括一个备用的引燃剂储罐，以便在所述引燃剂在线制备器刚启动时或发生故障时，向所述压燃式内燃机中供应引燃剂。
其中用于将甲醇缩水转化成二甲醚或甲氧基二甲醚(DMMN)的催化剂是已知的，例如化工领域常见的固体酸类催化剂。
本发明第二方面提供上述任一项所述的使用甲醇基燃料的压燃式内燃机系统的操作方法，包括如下步骤：
A、用燃料泵(P101)将甲醇基燃料从燃料箱(J101)中泵出，并使所述甲醇基燃料分为两路，第一路作为燃料通往压燃式内燃机(N101)的燃料入口(N101-2)，第二路通往引燃剂在线制备器(R101)，在那里通过在线反应生产引燃剂，并将引燃剂通往混合器(M101)；与此同时，用空气增压器(C101)将空气也通入混合器(M101)，使得所述引燃剂与所述空气充分混合得到引燃剂-空气混合物；
B、使压燃式内燃机依次按照吸气冲程、压缩冲程、燃烧冲程和排气冲程反复循环，其中，在吸气冲程中将所述引燃剂-空气混合物经由所述空气入口通入气缸；然后运行压缩冲程，在此冲程末尾将所述引燃剂-空气混合物压燃；然后将第一路燃料喷入气缸进行燃烧以使压燃式内燃机运行燃烧冲程，并对外做功；最后，运行所述排气冲程，将燃烧尾气排出气缸。
其中所述第二路甲醇基燃料占泵出的甲醇基燃料总流量的5-10％，所述第一路甲醇基燃料占泵出的甲醇基燃料总流量的90-95％。
在本发明第二方面的优选方案中，在步骤A中，第二路甲醇基燃料在通往引燃剂在线制备器之前，依次经过内燃机冷却水换热器E101和引燃剂在线制备器进出口换热器E102，以对所述燃料进行梯级预热并使该燃料被气化。
在本发明第二方面的优选方案中，在压燃式内燃机冷启动过程中，在步骤A中，使所述第二路甲醇基燃料通过所述电加热器E103对其进行预热并气化。
在本发明第二方面的优选方案中，所述甲醇基燃料的甲醇质量含量为50-100％，优选70-95％，更优选80-90％。
在本发明第二方面的优选方案中，所述引燃剂为二甲醚或甲氧基二甲醚(DMMN)或由甲醇制备的其它醚类引燃剂物质，或类似柴油的分子如C8-C12的直链或异构烷烃、及其他可以压燃着的化合物。
本发明的有益效果：
1、本发明的压燃式内燃机系统在不需要对内燃机进行结构改动的情况下实现了甲醇基燃料对柴油燃料的完全替代，同时又不需要额外配备用于存储引燃剂的高压罐。
2、本发明利用发动机余热进行甲醇蒸发使少部分甲醇在线催化脱水反应生成二甲醚或甲氧基二甲醚(DMMN)或由甲醇制备的其它引燃剂物质，提高了整体热利用效率。
3、本发明的压燃式内燃机系统采用液体甲醇为原料在线高效转化成气态二甲醚(DMEV)或甲氧基二甲醚(DMMN)或由甲醇制备的其它引燃剂物质作为引燃剂来在压缩冲程中被压燃，进而引燃在燃烧冲程中供入的低十六烷值的甲醇基燃料，实现了引燃剂的在线制备和稳定、连续、精确向内燃机供给，使得压燃式内燃机完全可以以甲醇基燃料来代替柴油燃料，同时避免了同时携带高压引燃剂储罐与甲醇基燃料的双燃料系统带来的不便。
4、本发明既不同于一般柴油机的对高十六烷值液体燃料的压燃，也不同于对柴油机的甲醇基燃料的火花塞点燃进行改装，对柴油机不需要改动即可实现甲醇基燃料完全替代柴油燃料，并保持发动机的动力性能不降低。既可节约1/3左右的燃料成本，又可以大幅度降低气态污染物的排放，PM2.5和SO2的排放接近于零，具有良好的经济效益和环保效益。以近十来年我国西北地区的柴油和甲醇的市场价格为例进行对比，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(约4000RMB)及添加剂(约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年中国消耗柴油约2亿吨，假设甲醇基燃料替代柴油比例为10％，那么，每年所产生的经济效益约为400-600亿RMB。因此使用甲醇基燃料的压燃式内燃机系统有着明显的经济性和社会效益。
附图说明
图1为本发明的使用甲醇基燃料的压燃式内燃机系统的工作原理流程图；
附图标记为：N101、压燃式内燃机；N101-1、空气入口；N101-2、燃料入口；C101、空气增压器；M101、混合器；J101、燃料箱；P101、燃料泵；R101、引燃剂在线制备器；E101和E102-换热器；E101、内燃机冷却水换热器；E102、引燃剂在线制备器进出口换热器；E103、电加热器；P、压力控制器；T、温度控制器。
具体实施方式
本发明的使用甲醇基燃料的压燃式内燃机系统是在现有压燃式内燃机上加装在线引燃剂的制备与换热等装置，与主燃料甲醇基燃料共用燃料箱，且为气化、温控、调压一体化的系统，包括：压燃式内燃机101，其具有空气入口N101-1和燃料入口N101-2；供气系统，其包括串联的空气增压器C101和混合器M101，所述混合器M101的出口连接至所述空气入口N101-1；供燃料系统，其包括串联的燃料箱J101和燃料泵P101，燃料泵P101的下游连接至所述燃料入口N101-2；引燃剂在线制备器R101，其上游也连接至燃料泵P101，其下游连接至所述混合器M101；且其内部具有催化剂床层；其中混合器M101上游分别连接至所述空气增压器C101和所述引燃剂在线制备器R101，其下游连接至所述空气入口N101-1。所述混合器M101为静态混合器，其内部具有曲折的气流通道；在所述燃料泵P101出口与所述引燃剂在线制备器R101入口之间设有至少一个换热器以对所述燃料进行预热。本实施方案中在所述燃料泵P101出口与所述引燃剂在线制备器R101入口之间设有串联的两个换热器，上游是内燃机冷却水换热器E101，下游是引燃剂在线制备器进出口换热器E102，以对所述燃料进行梯级预热；本实施方案还在引燃剂在线制备器进出口换热器与所述引燃剂在线制备器入口之间的管路上设有至少一个电加热器E103以在所述内燃机N101冷启动时对所述燃料进行预热。
现对本发明的工作原理结合附图1进行说明：
实施例：本发明的内燃机1按照吸气冲程、压缩冲程、燃烧冲程和排气冲程反复循环；
在冷启动的情况下，燃料泵P101将甲醇基燃料从燃料箱J101中泵出，并使所述甲醇基燃料分为两路，其中第一路甲醇基燃料占泵出的甲醇基燃料总流量的90-95％，作为燃料通往压燃式内燃机N101的燃料入口N101-2；第二路甲醇基燃料占占泵出的甲醇基燃料总流量的5-10％，然后在电加热器E103加热下使甲醇温度达到最佳反应器进料温度200-250℃范围内，例如为220℃，压力为0.2913MPa，然后进入引燃剂在线制备器R101，在催化剂作用下，甲醇转化为二甲醚后离开引燃剂在线制备器R101，此反应为放热反应，离开此时气态二甲醚的温度例如为351.8℃，压力为0.2513MPa，然后进入引燃剂在线制备器进出口换热器E102，经换热后进入混合器M101与空气增压器C101进来的空气混合，形成温度为84.7℃，压力为0.1213MPa的引燃剂-空气混合物，然后进入内燃机N101空气入口N101-1；内燃机N101按照吸气冲程、压缩冲程、燃烧冲程和排气冲程反复循环，在吸气冲程中将温度为84.7℃，压力为0.1213MPa的引燃剂-空气混合物经由所述空气入口N101-1吸入气缸；然后运行压缩冲程，将所述引燃剂-空气混合物压燃；此时第一路甲醇燃料喷入气缸被引燃进行燃烧以使内燃机运行燃烧冲程，并对外做功；最后，运行所述排气冲程，将燃烧尾气排出气缸。
内燃机101启动正常运转后，则无需电加热器E103来加热甲醇基燃料，而是采用余热利用方式来进行加热。燃料泵P101将甲醇基燃料从燃料箱J101中泵出，并使所述甲醇基燃料分为两路，第一路甲醇基燃料占泵出的甲醇基燃料总流量的90-95％，作为燃料通往压燃式内燃机N101的燃料入口N101-2，第二路甲醇基燃料占泵出的甲醇基燃料总流量的5-10％，先进入内燃机冷却水换热器E101与内燃机冷却水进行换热后温度为100℃，压力为0.3013MPa，再进入引燃剂在线制备器进出口换热器E102与离开引燃剂在线制备器的温度为351.8℃，压力为0.2513MPa的气态二甲醚进行换热，形成温度为220℃，压力为0.2913MPa的甲醇，然后进入引燃剂在线制备器R101，在催化剂作用下，甲醇转化为二甲醚后离开引燃剂在线制备器R101，此时气态二甲醚的温度为351.8℃，压力为0.2513MPa，然后进入引燃剂在线制备器进出口换热器E102，经换热后进入混合器M101与空气增压器C101进来的空气混合，形成温度为84.7℃，压力为0.1213MPa的引燃剂-空气混合物，然后进入内燃机N101空气入口N101-1；内燃机N101按照吸气冲程、压缩冲程、燃烧冲程和排气冲程反复循环，在吸气冲程中将温度为84.7℃，压力为0.1213MPa的引燃剂-空气混合物经由所述空气入口N101-1吸入气缸；然后运行压缩冲程，将所述引燃剂-空气混合物压燃；此时第一路甲醇燃料喷入气缸被引燃进行燃烧以使内燃机运行燃烧冲程，并对外做功；最后，运行所述排气冲程，将燃烧尾气排出气缸。

Claims (10)

1.一种使用甲醇基燃料的压燃式内燃机系统，其特征在于，其包括：
压燃式内燃机(N101)，其具有空气入口(N101-1)和燃料入口(N101-2)；
供气系统，其包括串联的空气增压器(C101)和混合器(M101)，所述混合器(M101)的出口连接至所述空气入口(N101-1)；
供燃料系统，其包括串联的燃料箱(J101)和燃料泵(P101)，燃料泵(P101)的下游连接至所述燃料入口(N101-2)；
引燃剂在线制备器(R101)，其上游也连接至燃料泵(P101)，其下游连接至所述混合器(M101)；且其内部具有催化剂床层。
2.根据权利要求1所述的压燃式内燃机系统，其特征在于，所述混合器(M101)为静态混合器，其内部具有曲折的气流通道。
3.根据权利要求1所述的压燃式内燃机系统，其特征在于，在所述燃料泵(P101)出口与所述引燃剂在线制备器(R101)入口之间设有至少一个换热器以对所述燃料进行预热。
4.根据权利要求1所述的压燃式内燃机系统，其特征在于，在所述燃料泵(P101)出口与所述引燃剂在线制备器(R101)入口之间设有串联的两个换热器，上游是内燃机冷却水换热器(E101)，下游是引燃剂在线制备器进出口换热器(E102)，以对所述燃料进行梯级预热。
5.根据权利要求4所述的压燃式内燃机系统，其特征在于，在引燃剂在线制备器进出口换热器(E102)与所述引燃剂在线制备器(R101)入口之间的管路上设有至少一个电加热器(E103)以在所述内燃机(N101)冷启动时对所述燃料进行预热。
6.一种如权利要求1所述的使用甲醇基燃料的压燃式内燃机系统的操作方法，其特征在于，包括如下步骤：
A、用燃料泵(P101)将甲醇基燃料从燃料箱(J101)中泵出，并使所述甲醇基燃料分为两路，第一路作为燃料通往压燃式内燃机(N101)的燃料入口(N101-2)，第二路通往引燃剂在线制备器(R101)，在那里通过在线反应生产引燃剂，并将引燃剂通往混合器(M101)；与此同时，用空气增压器(C101)将空气也通入混合器(M101)，使得所述引燃剂与所述空气充分混合得到引燃剂-空气混合物；
B、使压燃式内燃机依次按照吸气冲程、压缩冲程、燃烧冲程和排气冲程反复循环，其中，在吸气冲程中将所述引燃剂-空气混合物经由所述空气入口通入气缸；然后运行压缩冲程，在此冲程末尾将所述引燃剂-空气混合物压燃；然后将第一路燃料喷入气缸进行燃烧以使压燃式内燃机运行燃烧冲程，并对外做功；最后，运行所述排气冲程，将燃烧尾气排出气缸。
7.根据权利要求6所述的操作方法，其特征在于，在步骤A中，第二路甲醇基燃料在通往引燃剂在线制备器之前，依次经过内燃机冷却水换热器(E101)和引燃剂在线制备器进出口换热器(E102)，以对所述燃料进行梯级预热并使该燃料被气化。
8.根据权利要求6所述的操作方法，其特征在于，在压燃式内燃机冷启动过程中，在步骤A中，使所述第二路甲醇基燃料通过电加热器(E103)对其进行预热并气化。
9.根据权利要求6所述的操作方法，其特征在于，所述甲醇基燃料的甲醇含量为50-100wt％。
10.根据权利要求6所述的操作方法，其特征在于，所述引燃剂为二甲醚或甲氧基二甲醚。
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