CN110529231A - 一种使用单甲醇燃料的压燃式发动机系统及其操作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种使用单甲醇燃料的压燃式发动机系统，其包括：压燃式发动机(1)，其包括气缸组件，气缸组件包括气缸(2)、预热塞(6)、进气道(7)、排气道(19)和燃料喷嘴(3)；供气系统，其包括依次串联的增压器(14)和进气管(9)，进气管(9)中部具有加热混合段(10)，加热混合段(10)连接有引燃剂喷嘴(11)；排气系统，其包括排气管(5)，排气管(5)的进口连接至排气道(19)，排气管(5)的出口连接至增压器(14)。本发明以甲醇与空气的混合气为引燃剂，以甲醇为燃料，实现压燃式发动机系统的正常运行，整个燃烧过程可控、高效，解决了单甲醇燃料在柴油机上的应用。

Description

一种使用单甲醇燃料的压燃式发动机系统及其操作方法
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发动机系统及其操作方法。
背景技术
甲醇由于其低价格和在发动机上燃烧产生的低排污特性，特别是中国具有广泛的甲醇供应链，受到了人们的普遍关注。目前，甲醇作为燃料在汽油机上应用已经取得了成功，但是甲醇在柴油机上应用一直没有取得突破。由于甲醇十六烷值非常低，只有3左右，将其应用于柴油机上无法压燃，应用到压燃式柴油机上的技术难度很大。因此，为了将甲醇应用于柴油机上，研究人员的主要研究方向是双燃料燃烧，即甲醇基燃料在柴油机上的应用。
目前在柴油机上使用甲醇基燃料的技术路线有三大类：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；三是使用甲醇基燃料的压燃式内燃机系统中具有引燃剂在线制备器，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。其中，第一类因替代比例太低经济效益不明显；第二类对柴油机的本体改造较大，难度较高，客户难以接受；第三类由于具有引燃剂在线制备器，系统复杂，成本过高。除此之外，上述三类仅仅是将甲醇基燃料应用于柴油机中存在的问题，所以想要实现纯甲醇，即单甲醇燃料在柴油机上的应用更是难上加难。
因此，如何在压燃式发动机系统中实现单甲醇燃料的应用，同时又不需要对发动机进行较大改动是本领域亟待解决的问题。
发明内容
为解决上述问题，本发明提出了一种单甲醇燃料在柴油机上应用的方法，既考虑到甲醇的化学特性，利用柴油机高压缩比产生的高温能量，把准备好的甲醇空气混合气压燃着火，然后引燃甲醇燃料，整个燃烧过程可控，可靠，高效。真正解决了单甲醇燃料在柴油机上的应用。
本发明第一方面提供一种使用单甲醇燃料的压燃式发动机系统，其包括：
压燃式发动机1，其包括气缸组件，所述气缸组件包括气缸2、预热塞6、进气道7、排气道19和燃料喷嘴3，所述预热塞6位于所述气缸2内部，所述气缸2连接至所述进气道7、所述排气道19和所述燃料喷嘴3；
供气系统，其包括依次串联的增压器14和进气管9，所述进气管9管路中具有有加热混合段10，所述进气管9的出口连接至所述进气道7，所述加热混合段10上连接有引燃剂喷嘴11；
排气系统，其包括排气管5，所述排气管5的进口连接至所述排气道19，所述排气管5的出口连接至所述增压器14。
优选地，所述排气管5和所述进气管9之间具有废气再循环管路12,所述废气再循环管路12中具有流量控制阀13。
优选地，所述压燃式发动机包括多个气缸组件。
优选地，所述进气管9和所述进气道7之间还具有进气歧管8；所述排气管5和所述排气道19之间还具有排气歧管4。
优选地，所述增压器14包括涡轮15和压气机16，所述增压器14连接有空气进气口18和废气排气口17。
优选地，所述加热混合段10内含有加热器。
本发明第二方面提供一种使用单甲醇燃料的压燃式发动机系统的操作方法，其特征在于，其使用本发明第一方面所述的压燃式发动机系统，包括以下步骤：
A、空气由空气进气口(18)进入增压器(14)内，被压缩升温后进入进气管(9)，并在经过加热混合段(10)时与经引燃剂喷嘴(11)喷入的甲醇引燃剂混合，得到甲醇空气混合气；
B、步骤A中得到的甲醇空气混合气经进气管(9)进入压燃式发动机(1)的进气道(7)，再进入气缸(2)，甲醇空气混合气被气缸(2)内部的预热塞(6)加热，加热后的甲醇空气混合气经发动机活塞压缩到着火温度产生引燃火焰，同时或然后，将甲醇燃料经燃料喷嘴(3)喷入气缸(2)，甲醇燃料被引燃火焰点燃，进入燃烧过程，并推动活塞反向运动以对外做功；
C、甲醇燃料燃烧后的废气经排气道(19)进入排气管(5)，排气管(5)中的废气进入增压器(14)以利用其余热余压驱动增压器(14)工作，然后降温降压后的废气经废气排气口(17)排出。
在本发明第二方面的优选方案中，所述压燃式发动机包括多个气缸组件，步骤B中甲醇空气混合气经进气管9后首先进入进气歧管8，再进入进气道7；步骤C中燃烧后的废气经排气道19后首先进入排气歧管4，再进入排气管5。
在本发明第二方面的优选方案中，步骤C中排气管5中的一部分废气经过废气再循环管路12和流量控制阀门13进入进气管9，以对进气管9中的物质进行预热。
在本发明第二方面的优选方案中，所述压燃式发动机系统的压缩比为16-26。
在本发明第二方面的优选方案中，再循环的废气体积占废气总体积的10-50％。
在本发明第二方面的优选方案中，步骤A中甲醇空气混合气中甲醇与空气的体积比为1/10-1/2。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
1、本发明没有二甲醚引燃剂，也没有二甲醚引燃剂的在线制备系统，本发明以十六烷低、不易压燃的甲醇与空气的混合气作为引燃剂，以价格低廉、经济性高、动力强劲、清洁环保的单甲醇作为燃料，实现了压燃式发动机系统的正常运行，整个燃烧过程可控、可靠、高效。真正解决了单甲醇燃料在柴油机上的应用，燃烧过程没有含氮化合物的排放。
2、本发明利用甲醇低成本和清洁燃烧的特性，采用16-26的高压缩比来提高燃烧效率。众所周知，提高柴油机的压缩比可以提高柴油机的热效率，降低油耗。但高压缩比带来的高的燃烧温度使柴油机氧化氮排放也高。为了满足日益严格的柴油机排放法规，柴油机不得不断地降低压缩比，有的压缩比甚至降低到14以下，以牺牲燃烧效率为代价，来降低柴油机的氧化氮排放。而本发明由于仅使用清洁环保的甲醇燃料，故本发明可以采用提高压缩比来提高燃烧效率。
3、本发明的优选实施方案中具有废气再循环管路12，排气管5内的一部分高温高压废气经过废气再循环管路12和流量控制阀门13进入进气管9，可以利用废气热量进一步加热进气管9中的物质，实现废气余热利用并且有助于升高甲醇空气混合气的温度，使其在进入气缸后更容易被压燃。
4、本发明的优选实施方案中采用了四级加热方法，从而可以保证甲醇空气混合气能可靠的压缩着火，但又不失控。第一级加热由压气机16完成，空气经压气机16压缩后可以提高温度，为了有效利用这个温度，本发明取消了用于冷却压缩后的空气的空气冷却器，同时还降低了发动机的成本。第二级加热由循环的废气完成，本发明具有废气再循环管路12，排气管5内的一部分高温废气经过废气再循环管路12和流量控制阀门13进入进气管9，可以利用废气热量进一步加热进气管9中的压缩后的空气，这里也取消了用于冷却废气的废气再循环冷却器以充分利用废气热量，同时也降低了发动机的成本。第三级加热由加热混合段10完成，加热混合段10装有加热器进一步加热甲醇空气混合气。第四级加热由气缸2内预热塞6完成。
附图说明
图1为本发明的使用单甲醇燃料的压燃式发动机系统的工作原理流程图；
附图标记为：1-压燃式发动机，2-气缸，3-燃料喷嘴，4-排气歧管，5-排气管，6-预热塞，7-进气道，8-进气歧管，9-进气管，10-加热混合段，11-引燃剂喷嘴，12废气再循环管路，13-流量控制阀，14-增压器，15-涡轮，16-压气机，17-废气排气口，18-空气进气口，19-排气道。
具体实施方式
本实施例为使用单甲醇燃料的压燃式发动机系统，其包括：
压燃式发动机1，其包括气缸组件，所述气缸组件包括气缸2、预热塞6、进气道7、排气道19和燃料喷嘴3，所述预热塞6位于所述气缸2内部，所述气缸2连接至所述进气道7、所述排气道19和所述燃料喷嘴3；
供气系统，其包括依次串联的增压器14和进气管9，所述进气管9管路中具有有加热混合段10，所述进气管9的出口连接至所述进气道7，所述加热混合段10上连接有引燃剂喷嘴11；
排气系统，其包括排气管5，所述排气管5的进口连接至所述排气道19，所述排气管5的出口连接至所述增压器14。
所述排气管5和所述进气管9之间具有废气再循环管路12,所述废气再循环管路12中具有流量控制阀13。
所述压燃式发动机包括6个气缸组件。
所述进气管9和所述进气道7之间还具有进气歧管8；所述排气管5和所述排气道19之间还具有排气歧管4。
所述增压器14包括涡轮15和压气机16，所述增压器14连接有空气进气口18和废气排气口17。
现对本实施例的使用单甲醇燃料的压燃式发动机系统的工作原理结合附图1进行说明：
本实施例使用单甲醇燃料的压燃式发动机系统的按照吸气冲程、压缩冲程、燃烧冲程和排气冲程反复循环；
压燃式发动机系统首先进行吸气冲程和压缩冲程，空气由空气进气口18进入增压器14内被压缩升温，此时压缩后的空气的温度为100-200℃，压力为0.2-0.5MPa，压缩后的空气进入进气管9，并经过加热混合段10，此时空气的温度为150-300℃，压力为0.2-0.5MPa，引燃剂甲醇经引燃剂喷嘴11喷入加热混合段10，引燃剂甲醇被加热混合段10中加热器和带有热量的空气加热蒸发，形成温度为150-300℃，压力为0.2-0.5MPa的甲醇蒸汽，甲醇蒸汽与空气混合，控制甲醇空气混合气中甲醇与空气的体积比为1：5，得到甲醇空气混合气，此时甲醇空气混合气的温度为150-300℃，压力为0.2-0.5MPa；
得到的甲醇空气混合气经进气管9进入进气歧管8，再进入压燃式发动机1的进气道7，然后再进入气缸2，此时甲醇空气混合气的温度为150-300℃，压力为0.2-0.5MPa,甲醇空气混合气被气缸2内部的预热塞6加热，加热后的甲醇空气混合气温度为200-350℃，压力为0.2-0.5MPa，然后运行压缩冲程，甲醇空气混合气经发动机活塞压缩到着火温度600-900℃产生引燃火焰，此时甲醇燃料经燃料喷嘴3喷入气缸2，甲醇燃料被引燃火焰点燃，进入燃烧过程以使发动机运行燃烧冲程，并对外做功；
其中，压燃式发动机1包括6个气缸组件，压燃式发动机1正常运转后，6个发动机同时工作，所述气缸组件包括气缸2、预热塞6、进气道7、排气道19和燃料喷嘴3，所述预热塞6位于所述气缸2内部，所述气缸2连接至所述进气道7、所述排气道19和所述燃料喷嘴3。
最后运行排气冲程，甲醇燃料燃烧后的废气经排气道19进入排气歧管4，再进入排气管5，调节流量控制阀门13，使排气管5中的10-50％废气经过废气再循环管路12进入进气管9，以对进气管9中的压缩后的空气进行预热；剩余部分的废气进入增压器14，以利用其余热余压驱动增压器14工作，然后降温降压后的废气经废气排气口17排出。
压燃式发动机系统正常运行后，实现了四级加热过程，从而可以保证甲醇空气混合气能可靠的压缩着火，但又不失控。第一级加热由压气机16完成，空气经压气机16后可以提高温度，为了有效利用这个温度，本发明取消了用于冷却压缩后的空气的空气冷却器，同时还降低了发动机的成本。第二级加热由循环的废气完成，本发明具有废气再循环管路12，排气管5内的一部分高温废气经过废气再循环管路12和流量控制阀门13进入进气管9，可以利用废气热量进一步加热进气管9中的压缩后的空气，这里也取消了用于冷却废气的废气再循环冷却器以充分利用废气热量，同时也降低了发动机的成本。第三级加热由加热混合段10完成，加热混合段10装有加热器进一步加热甲醇空气混合气。第四级加热由气缸2内预热塞6完成。
本实施例没有二甲醚引燃剂，也没有二甲醚引燃剂的在线制备系统，本发明以十六烷低、不易压燃的甲醇与空气的混合气作为引燃剂，以价格低廉、经济性高、动力强劲、清洁环保的单甲醇作为燃料，实现了压燃式发动机系统的正常运行，整个燃烧过程可控、可靠、高效。真正解决了单甲醇燃料在柴油机上的应用。

Claims (10)

1.一种使用单甲醇燃料的压燃式发动机系统，其特征在于，其包括：
压燃式发动机(1)，其包括气缸组件，所述气缸组件包括气缸(2)、预热塞(6)、进气道(7)、排气道(19)和燃料喷嘴(3)，所述预热塞(6)位于所述气缸(2)内部，所述气缸(2)连接至所述进气道(7)、所述排气道(19)和所述燃料喷嘴(3)；
供气系统，其包括串联的增压器(14)和进气管(9)，所述进气管(9)管路中具有加热混合段(10)，所述进气管(9)的出口连接至所述进气道(7)，所述加热混合段(10)上连接有引燃剂喷嘴(11)；
排气系统，其包括排气管(5)，所述排气管(5)的进口连接至所述排气道(19)，所述排气管(5)的出口连接至所述增压器(14)。
2.根据权利要求1所述的压燃式发动机系统，其特征在于，所述排气管(5)和所述进气管(9)之间具有废气再循环管路(12),所述废气再循环管路(12)中具有流量控制阀(13)。
3.根据权利要求1所述的压燃式发动机系统，其特征在于，所述压燃式发动机包括多个气缸组件。
4.根据权利要求3所述的压燃式发动机系统，其特征在于，所述进气管(9)和所述进气道(7)之间还具有进气歧管(8)；所述排气管(5)和所述排气道(19)之间还具有排气歧管(4)。
5.根据权利要求1所述的压燃式发动机系统，其特征在于，所述增压器(14)包括涡轮(15)和压气机(16)，所述增压器(14)连接有空气进气口(18)和废气排气口(17)。
6.一种使用单甲醇燃料的压燃式发动机系统的操作方法，其特征在于，其使用根据权利要求1所述的压燃式发动机系统，包括以下步骤：
A、空气由空气进气口(18)进入增压器(14)内，被压缩升温后进入进气管(9)，并在经过加热混合段(10)时与经引燃剂喷嘴(11)喷入的甲醇引燃剂混合，得到甲醇空气混合气；
B、步骤A中得到的甲醇空气混合气经进气管(9)进入压燃式发动机(1)的进气道(7)，再进入气缸(2)，甲醇空气混合气被气缸(2)内部的预热塞(6)加热，加热后的甲醇空气混合气经发动机活塞压缩到着火温度产生引燃火焰，同时或然后，将甲醇燃料经燃料喷嘴(3)喷入气缸(2)，甲醇燃料被引燃火焰点燃，进入燃烧过程，并推动活塞反向运动以对外做功；
C、甲醇燃料燃烧后的废气经排气道(19)进入排气管(5)，排气管(5)中的废气进入增压器(14)以利用其余热余压驱动增压器(14)工作，然后降温降压后的废气经废气排气口(17)排出。
7.根据权利要求6所述的操作方法，其特征在于，所述压燃式发动机包括多个气缸组件，步骤B中甲醇空气混合气经进气管(9)后首先进入进气歧管(8)，再进入进气道(7)；步骤C中燃烧后的废气经排气道(19)后首先进入排气歧管(4)，再进入排气管(5)。
8.根据权利要求6所述的操作方法，其特征在于，步骤C中排气管(5)中的一部分废气经过废气再循环管路(12)和流量控制阀门(13)进入进气管(9)，以对进气管(9)中的物质进行预热。
9.根据权利要求8所述的操作方法，其特征在于，所述压燃式发动机系统的压缩比为16-26。
10.根据权利要求6所述的操作方法，其特征在于，步骤A中甲醇空气混合气中甲醇与空气的体积比为1/10-1/2。
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