CN108301907B - 一种利用尾气裂解燃料的废热再循环式内燃机 - Google Patents
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Abstract
一种利用尾气裂解燃料的废热再循环式内燃机，涉及一种内燃机。为了解决传统内燃机中燃料燃烧的热量释放并不充分的问题。本发明的涡轮增压器设有涡轮进气口、涡轮排气口、压气机进气口和压气机排气口；燃烧室上端设有燃烧室进气口、燃烧室燃油喷嘴和燃烧室排气口；油箱通过第一输油管道与燃油泵相连，用于向燃烧室供油；螺旋裂解器嵌在内燃机排气歧管内；燃油泵通过第二输油管道与螺旋裂解器相连，螺旋裂解器与燃料冷却通道相连；燃料冷却通道的出口与内燃机的燃烧室燃油喷嘴相连；若干除尘钢丝环分别悬挂于螺旋裂解器上；排气歧管通过排气管道与涡轮进气口相连，压气机排气口通过进气管道与燃烧室进气口相连。本发明适用于内燃机的设计制造。
Description
技术领域
本发明涉及一种内燃机。
背景技术
内燃燃料主要以汽油和柴油为主，汽油中主要含有主要成分为C5～C12脂肪烃和环烷烃类，柴油的主要成分为C10～C22的复杂烃类。内燃机燃烧室中，燃料与喷入其中的空气进行混合燃烧释放能量。随着国家对排放标准和油耗标准要求的不断提高，降低燃油消耗量和尾气中的有害物质已经成为一种趋势。汽柴油在燃烧室内雾化之后主要以小油滴的形式与空气进行混合，在燃烧室内进行预混燃烧和扩散燃烧。对于预混燃烧，由于燃料中含有大分子碳氢燃料，尤其是柴油，十六烷值为45～56，平均含碳量超过86％，导致其燃烧并不充分，扩散燃烧由于液滴与空气接触并不充分，因而传统燃料燃烧的热量释放并不充分。目前，提高内燃机热效率的主要途径是改变燃料的喷入过程，改变空燃比以及提高发动机的压缩比等，并没有相关设计或装置通过改变燃料物性来提高燃料释热量。
发明内容
本发明为了解决传统内燃机中燃料燃烧的热量释放并不充分的问题。
一种利用尾气裂解燃料的废热再循环式内燃机，包括油箱、燃油泵、第一输油管道第二输油管道、螺旋裂解器、排气歧管、内燃机燃烧室、涡轮增压器、燃料冷却通道、动力输出端、进气管道、排气管道和若干除尘钢丝环；
所述涡轮增压器设有涡轮进气口、涡轮排气口、压气机进气口和压气机排气口；
所述燃烧室上端设有燃烧室进气口、燃烧室燃油喷嘴和燃烧室排气口；
所述油箱通过第一输油管道与燃油泵相连，用于向内燃机燃烧室供油；所述螺旋裂解器嵌在内燃机排气歧管内；燃油泵通过第二输油管道与螺旋裂解器相连，螺旋裂解器与燃料冷却通道相连；燃料冷却通道的出口与内燃机的燃烧室燃油喷嘴相连；
所述若干除尘钢丝环分别悬挂于螺旋裂解器上；
排气歧管通过排气管道与涡轮进气口相连，压气机排气口通过进气管道与燃烧室进气口相连；
所述动力输出端与动力输出系统相连。
进一步地，所述螺旋裂解器为类弹簧的螺旋高温合金输油管，高温合金为耐600℃以上的合金。
进一步地，所述螺旋裂解器的高温合金的热膨胀系数为1.3×10-5至1.4×10-5m/K。
进一步地，排气歧管的制造材料热膨胀系数不大于8×10-7m/K。
进一步地，所述的除尘钢丝环为三至五个。
进一步地，所述的除尘钢丝环直径为d，a＜d≤2a，a为螺旋裂解器的管道外径。
进一步地，所述螺旋裂解器的两端分别采用双层锥形卡套式连接方式，两端的内层卡套与排气歧管相连接，两端的外层卡套分别与第二输油管道、燃料冷却通道相连接。
进一步地，所述排气歧管由近发动机端和远发动机端两部分组成，近发动机端靠近内燃机燃烧室，远发动机端远离内燃机燃烧室；近发动机端和远发动机端通过法兰均布螺钉连接，法兰连接面利用耐高温石墨垫圈密封，近发动机端和远发动机端连接后内部构成腔体，螺旋裂解器设置在腔体内；近发动机端通过管道与内燃机燃烧室链接，远发动机端通过排气管道与涡轮进气口相连。
进一步地，所述排气歧管的近发动机端和远发动机端两部分与螺旋裂解器连接配合位置均开有锥形槽，与螺旋裂解器的内层卡套相配合，并利用耐高温石墨垫圈密封锥形配合面。
进一步地，燃料冷却通道外表面焊有多层铜质散热翅片。
本发明具有以下有益效果：
本发明利用发动机尾气对螺旋裂解器中的燃油进行加热，在尾气温度较低的情况下预热燃油，提高燃料进口焓值。在烟气温度较高的情况下使得燃料在流动过程中发生热裂解，将液态大分子碳氢裂解为小分子碳氢燃料和部分可燃气体，通过改变燃料的物性，提高燃料的燃烧效率。
发动机排气歧管处尾气温度在600℃～800℃之间，利用该处尾气的热量对燃油进行加热能够使得燃油裂解成小分子碳氢组分和氢气，使得燃烧热量的释放更加充分。利用燃料将尾气废热利用，并再次循环进入发动机燃烧室，参与热循环，提高了发动机热效率。
在相同情况下，本发明由于燃料中所含有的气体成分更多，液体燃料已经经过预加热，因而燃料与空气的接触更加充分，燃烧室内的燃烧以预混燃烧为主，燃料的热量释放更加充分，本发明能够将燃料的热量释放提高4％以上。同时尾气中的HC、CO含量更低，对于尾气中废热的利用也更加合理彻底。
本发明螺旋裂解器与烟气的换热较裂解器与发动机部件接触式的换热更加均匀，大大降低了燃料在裂解器受热不均匀导致结焦的可能性；另一方面，通过烟气产生的持续振动，进一步降低了裂解器发生结焦的概率。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为螺旋裂解器结构示意图；
图3为燃料冷却通道直管段半剖示意图；
图4是排气歧管法兰连接面示意图；其中，图4(a)是排气歧管近发动机端法兰连接面示意图，图4(b)是排气歧管近发动机端半锥形槽剖面放大图；图4(c)是排气歧管远发动机端法兰连接面示意图，图4(d)是排气歧管远发动机端半锥形槽剖面放大图；
图5汽油中的典型组分C10H22在不同温度下裂解产物的分布。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，
一种利用尾气裂解燃料的废热再循环式内燃机，包括油箱1、燃油泵2、第一输油管道12、第二输油管道23、螺旋裂解器3、排气歧管4、内燃机燃烧室5、涡轮增压器6、燃料冷却通道7、动力输出端8、进气管道9、排气管道10和若干除尘钢丝环11；
所述涡轮增压器6设有涡轮进气口63、涡轮排气口62、压气机进气口61和压气机排气口69；
所述燃烧室5上端设有燃烧室进气口95、燃烧室燃油喷嘴75和燃烧室排气口；
所述油箱1通过第一输油管道12与燃油泵2相连，用于向内燃机燃烧室供油；所述螺旋裂解器3嵌在内燃机排气歧管4内，靠近烟气高温处，减少废热浪费，同时嵌在内燃机排气歧管4内获得较大空间方便安装螺旋裂解器，增大螺旋裂解器与高温烟气的接触面积；燃油泵2通过第二输油管道23与螺旋裂解器3相连，螺旋裂解器3与燃料冷却通道7相连；燃料冷却通道7的出口与内燃机的燃烧室燃油喷嘴75相连；
所述若干除尘钢丝环11分别悬挂于螺旋裂解器3上；
排气歧管4通过排气管道10与涡轮进气口63相连，压气机排气口69通过进气管道9与燃烧室进气口95相连；
所述动力输出端8与动力输出系统相连。
发动机启动时螺旋裂解器3充当输油管路的角色，此时燃料从油箱1通过第一输油管道12，燃油泵2、第二输油管道23、螺旋裂解器3、燃料冷却通道7进入燃烧室5燃烧释放能量。在发动机正常运行后高温烟气流过排气歧管4加热螺旋裂解器3内的燃油，达到裂解温度后燃料发生热裂解。
具体实施方式二：结合图2说明本实施方式，
本实施方式所述螺旋裂解器3为类弹簧的螺旋高温合金输油管，高温合金为耐600℃以上的合金。
所述螺旋裂解器3为类弹簧的螺旋形状，处于压缩状态，弹力沿轴向向外，类弹簧状能够保证螺旋裂解器3两端分别于第二输油管道23和燃料冷却通道7压紧；螺旋形状能够增大与烟气的接触面积，提高燃料在螺旋裂解器内的停留时间，提高裂解率。
其他结构和参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：
本实施方式所述螺旋裂解器3的高温合金的热膨胀系数为1.3×10-5至1.4×10- 5m/K。
其他结构和参数与具体实施方式二相同。
具体实施方式四：
本实施方式排气歧管4的制造材料热膨胀系数不大于8×10-7m/K。
其他结构和参数与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：
本实施方式所述的除尘钢丝环为三至五个。
其他结构和参数与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式六：
本实施方式所述的除尘钢丝环直径为d，a＜d≤2a，a为螺旋裂解器的管道外径。利用发动机尾气的震动刮擦螺旋裂解器上面附着的积炭和灰尘。
其他结构和参数与具体实施方式一至五之一相同。
具体实施方式七：
本实施方式所述螺旋裂解器3的两端分别采用双层锥形卡套式连接方式，两端的内层卡套301与排气歧管4相连接，两端的外层卡套302分别与第二输油管道23、燃料冷却通道7相连接。
其他结构和参数与具体实施方式一至六之一相同。
具体实施方式八：
本实施方式所述排气歧管4由近发动机端401和远发动机端402两部分组成，近发动机端401靠近内燃机燃烧室，远发动机端402远离内燃机燃烧室；近发动机端401和远发动机端402通过法兰均布螺钉连接，法兰连接面利用耐高温石墨垫圈密封，近发动机端401和远发动机端402连接后内部构成腔体，螺旋裂解器3设置在腔体内；近发动机端401通过管道与内燃机燃烧室链接，远发动机端402通过排气管道10与涡轮进气口63相连。
所述的近发动机端401的法兰内环边沿设有密封突棱404，所述的密封突棱沿着近发动机端的法兰内环边沿形成环形；所述的密封突棱宽度为1～1.5mm，高度为1～1.5mm；
所述的远发动机端402的法兰内环边沿开有密封凹槽405，所述的密封凹槽沿着远发动机端的法兰内环边沿形成环形；所述的密封凹槽宽度为1.1～1.6mm，深度为1.1～1.7mm；
当近发动机端401和远发动机端402闭合时，密封突棱404与密封凹槽405相互配合实现密封。
如图4b所述的排气歧管近发动机端半锥形槽剖面放大图，排气歧管近发动机端两端分别设有半锥形槽；所述的半锥形槽靠近排气歧管腔体侧设有第一半止推环408；
如图4d所述的排气歧管远发动机端半锥形槽剖面放大图，排气歧管远发动机端两端分别设有半锥形槽；所述的半锥形槽靠近排气歧管腔体侧设有第二半止推环409；
当近发动机端401和远发动机端402闭合，密封突棱404与密封凹槽405相互配合实现密封时第一半止推环408和对应侧的第二半止推环构成一个完整的止推环用于锁止螺旋裂解器3的内层卡套301。
其他结构和参数与具体实施方式一至七之一相同。
具体实施方式九：
本实施方式所述排气歧管4的近发动机端和远发动机端两部分与螺旋裂解器3连接配合位置均开有锥形槽，与螺旋裂解器3的内层卡套相配合，并利用耐高温石墨垫圈密封锥形配合面；即螺旋裂解器3处于压缩状态，弹力沿轴向向外，通过弹力使螺旋裂解器的内层卡套与排气歧管4上的止推环锥面配合密封，并利用耐高温石墨垫圈密封锥形配合面。
其他结构和参数与具体实施方式八相同。
具体实施方式十：结合图3说明本实施方式，
本实施方式所述燃料冷却通道7外表面焊有多层铜质散热翅片701，对裂解后尚未通入燃烧室的燃油进行冷却。
其他结构和参数与具体实施方式一至九之一相同。
实施例
利用本发明进行实验。
通过对汽油在与螺旋裂解器相同的高温合金管道内进行高温裂解实验，裂解实验的温度为580℃和600℃，实验压力为0.2MPa，管道长度为800mm，其裂解产物的分布如表1所示。
表1不同温度下汽油裂解产物与产气率变化
由表1可以发现，在600℃的条件下，汽油的裂解产物中乙烯，丙烯和丁烯等小分子不饱和烃类所占气态产物比例约为60％，该类不饱和烃类产物的产生主要是汽油中的大分子碳氢组分吸热裂解产生，且该类不饱和烃类产物较液态碳氢燃料燃烧更加充分。
相同条件下，图5为汽油和柴油中均含有的典型组分C10H22在不同温度下裂解产物分布情况。由于裂解之后的产物较多，如果都放在一个坐标系的图中，各组分相互遮挡，影响直接观察，所以实验根据各个组分绘制在四个坐标系的图中作为一个整体的裂解产物分布情况效果图。
由图中可以发现在裂解温度超过880K(约600℃)的条件下，C10H22的比例开始急剧下降，而裂解产物开始逐渐增多，而且中不饱和烃类(烯烃)的增长速率大于饱和烃类的增长速率。不饱和烃类裂解产物的产生对于整个过程的吸热，燃料的燃烧之前与空气的混合均是极为有利的。
柴油中所含有的碳氢燃料的组分较汽油分子量更大，根据化学键的稳定性，直链分子中分子链越长，其热稳定性越差。因而对于柴油组分而言，尽管其排气歧管的温度较汽油发动机的排气歧管内温度略有降低，但是其主要组分的裂解起始温度由汽油的580℃左右进一步降低至500℃左右，仍然能够满足本发明的设计要求。所以本发明与现有技术不同，从另外一个角度来提高燃料的热量释放效果。
发动机排气歧管处尾气温度在600℃～800℃之间，利用该处尾气的热量对燃油进行加热能够使得燃油裂解成小分子碳氢组分和氢气，使得燃烧热量的释放更加充分。利用燃料将尾气废热利用，并再次循环进入发动机燃烧室，参与热循环，提高了发动机热效率。在相同情况下，本发明由于燃料中所含有的气体成分更多，液体燃料已经经过预加热，因而燃料与空气的接触更加充分，燃烧室内的燃烧以预混燃烧为主，燃料的热量释放更加充分，本发明能够将燃料的热量释放提高4％以上。同时尾气中的HC、CO含量更低，对于尾气中废热的利用也更加合理彻底。
Claims (9)
1.一种利用尾气裂解燃料的废热再循环式内燃机，其特征在于，包括油箱(1)、燃油泵(2)、第一输油管道(12)、第二输油管道(23)、螺旋裂解器(3)、排气歧管(4)、内燃机燃烧室(5)、涡轮增压器(6)、燃料冷却通道(7)、动力输出端(8)、进气管道(9)、排气管道(10)和若干除尘钢丝环(11)；
所述涡轮增压器(6)设有涡轮进气口(63)、涡轮排气口(62)、压气机进气口(61)和压气机排气口(69)；
所述燃烧室(5)上端设有燃烧室进气口(95)、燃烧室燃油喷嘴(75)和燃烧室排气口；
所述油箱(1)通过第一输油管道(12)与燃油泵(2)相连，用于向内燃机燃烧室(5)供油；所述螺旋裂解器(3)嵌在内燃机排气歧管(4)内；燃油泵(2)通过第二输油管道(23)与螺旋裂解器(3)相连，螺旋裂解器(3)与燃料冷却通道(7)相连；燃料冷却通道(7)的出口与内燃机的燃烧室燃油喷嘴(75)相连；
所述螺旋裂解器为类弹簧的螺旋形状，处于压缩状态，弹力沿轴向向外；所述螺旋裂解器(3)的两端分别采用双层锥形卡套式连接方式，两端的内层卡套(301)与排气歧管(4)相连接，两端的外层卡套(302)分别与第二输油管道(23)、燃料冷却通道(7)相连接；
所述若干除尘钢丝环(11)分别悬挂于螺旋裂解器(3)上；
排气歧管(4)通过排气管道(10)与涡轮进气口(63)相连，压气机排气口(69)通过进气管道(9)与燃烧室进气口(95)相连；
所述动力输出端(8)与动力输出系统相连。
2.根据权利要求1所述的一种利用尾气裂解燃料的废热再循环式内燃机，其特征在于，所述螺旋裂解器(3)为螺旋高温合金输油管，高温合金为耐600℃以上的合金。
3.根据权利要求2所述的一种利用尾气裂解燃料的废热再循环式内燃机，其特征在于，所述螺旋裂解器(3)的高温合金的热膨胀系数为1.3×10-5至1.4×10-5m/K。
4.根据权利要求3所述的一种利用尾气裂解燃料的废热再循环式内燃机，其特征在于，排气歧管(4)的制造材料热膨胀系数不大于8×10-7m/K。
5.根据权利要求1至4之一所述的一种利用尾气裂解燃料的废热再循环式内燃机，其特征在于，所述的除尘钢丝环为三至五个。
6.根据权利要求5所述的一种利用尾气裂解燃料的废热再循环式内燃机，其特征在于，所述的除尘钢丝环直径为d，a＜d≤2a，a为螺旋裂解器的管道外径。
7.根据权利要求6所述的一种利用尾气裂解燃料的废热再循环式内燃机，其特征在于，所述排气歧管(4)由近发动机端(401)和远发动机端(402)两部分组成，近发动机端(401)靠近内燃机燃烧室，远发动机端(402)远离内燃机燃烧室；近发动机端(401)和远发动机端(402)通过法兰均布螺钉连接，法兰连接面利用耐高温石墨垫圈密封，近发动机端(401)和远发动机端(402)连接后内部构成腔体，螺旋裂解器(3)设置在腔体内；近发动机端(401)通过管道与内燃机燃烧室链接，远发动机端(402)通过排气管道(10)与涡轮进气口(63)相连。
8.根据权利要求7所述的一种利用尾气裂解燃料的废热再循环式内燃机，其特征在于，所述排气歧管(4)的近发动机端和远发动机端两部分与螺旋裂解器(3)连接配合位置均开有锥形槽，与螺旋裂解器(3)的内层卡套(301)相配合，并利用耐高温石墨垫圈密封锥形配合面。
9.根据权利要求8所述的一种利用尾气裂解燃料的废热再循环式内燃机，其特征在于，燃料冷却通道(7)外表面焊有多层铜质散热翅片。
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