CN113062818A - 一种利用尾气加热甲醇的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种利用尾气加热甲醇的装置和工作方法，包括与尾气管路连接的尾气进气端，和与发动机进气管路连接的甲醇出气端；装置内部具有调节阀和甲醇混合器；尾气由尾气进气端进入装置内部，经调节阀进入甲醇混合器，形成甲醇蒸汽和尾气的混合物后由甲醇出气端进入发动机的进气管路。一方面降低了发动机的排气温度，抑制氮氧化物的排放，另一方面提高甲醇进入发动机的温度，改善甲醇发动机的冷启动效果，同时进而提高燃烧效率。
Description
技术领域
本发明涉及甲醇内燃机技术领域，具体为一种利用尾气加热甲醇的装置及方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
甲醇作为一种比较新的内燃机燃料价格便宜，环境友好，热效率高，在内燃机领域作为替代燃料应用广泛。由于甲醇的理化特性相对于汽油、柴油较为特殊，其汽化潜热较大，是柴油与汽油的约三倍，在实际的应用环境下，汽化潜热高导致常温的液态甲醇要先吸收较多的热量才能汽化作为燃料喷入发动机燃烧，汽化不完全的甲醇会吸附在进气道上不能进入发动机气缸，导致有效燃料不足，致使发动机动力性不足，同时未完全汽化的甲醇进入气缸，其中含有的液态甲醇会继续吸收热量直至汽化或到达燃点，这期间又会降低发动机的热效率。
针对甲醇燃料的特殊理化性能，目前采用甲醇作为燃料的内燃机的一般会采用燃烧一部分柴油或汽油的方式来汽化甲醇，而这种方式来点燃或者加热甲醇的时候，甲醇的反应阶段会产生水，冷凝下来的水会堵塞汽油喷嘴，从而导致发动机启动效果较差。
如果使用电加热则需要相对较高的能量才能汽化甲醇，而汽车上的电池电压是稳定的，高能量输出使得车载蓄电池输出较大的电流，大电流又会加速蓄电池的损耗。
发明内容
为了解决上述背景技术中存在的技术问题，本发明提供一种利用尾气加热甲醇的装置及方法，将发动机燃烧之后的废气引入甲醇混合器，液态的甲醇和携带热量的废气混合，利用废气的热量来加热液态甲醇使甲醇汽化，汽化后的甲醇再喷入发动机燃烧。一方面降低了发动机的排气温度，抑制氮氧化物的排放，另一方面提高甲醇进入发动机的温度，改善甲醇发动机的冷启动效果，同时进而提高燃烧效率。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明的第一个方面提供一种利用尾气加热甲醇的装置，包括与尾气管路连接的尾气进气端，和与发动机进气管路连接的甲醇出气端；装置内部具有调节阀和甲醇混合器；尾气由尾气进气端进入装置内部，经调节阀进入甲醇混合器，形成甲醇蒸汽和尾气的混合物后由甲醇出气端进入发动机的进气管路。
甲醇出气端具有温度传感器，控制器分别连接温度传感器和调节阀。
温度传感器采集甲醇混合器出口的温度，并且把温度传递给控制器。
控制器根据尾气的温度判断调节阀的开度是否设定范围内，否则调整阀门的开度。
以温度传感器的温度作为标准，通过PID算法控制调节阀的开度，控制进入混合器的废气量。
甲醇混合器连接甲醇喷油器，甲醇喷油器的喷射方向朝向尾气的流动方向，甲醇喷油器连接控制器。
甲醇喷油器连接甲醇油轨，甲醇油轨通过甲醇泵连接甲醇箱。
本发明的第二个方面提供上述装置的工作方法，包括以下步骤：
设定调节阀，即甲醇混合器出口温度处于T～T+5℃范围内(T为甲醇常压下的沸点)；
调节阀以初始开度启动，温度传感器采集甲醇混合器的出口温度，温度数据传递给控制器；
控制器向甲醇喷油器发出指令，喷射甲醇到甲醇混合器内；
控制器以温度传感器获取的温度数据作为标准向调节阀发出控制指令；
调节阀接收控制器的指令改变开度，调整进入装置内部的尾气流量，从而改变甲醇混合器的出口温度；
喷射的甲醇和尾气在甲醇混合器内完成混合，甲醇被加热汽化；
汽化后形成甲醇和尾气的混合气体通过甲醇出气端进入发动机的进气管路。
与现有技术相比，以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：
1、能够对进入发动机的甲醇进行预热使其汽化，从而提高燃料的燃烧效率。
2、消耗一部分尾气热量来加热甲醇的方式使得发动机的排气温度降低，从而抑制氮氧化物的生成。
3、只需要在原有的进气以及排气管道上安装即可，对发动机的改动较小，也不需要使用车载电池来进行液态甲醇的加热汽化。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明一个或多个实施例提供的整体结构示意图；
图中：1、尾气进气端；2、尾气管路；3、控制器；4、尾气调节阀；5、甲醇喷油器；6、甲醇混合器；7、进气管路；8、甲醇出气端；9、温度传感器；10、甲醇箱；11、甲醇泵；12、甲醇油轨。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
正如背景技术中所描述的，甲醇发动机燃烧的是甲醇蒸汽和空气的混合物，甲醇常温下为液态，具有相对较高的汽化潜热(约为柴油或汽油的三倍左右)，甲醇汽化之前要先吸收较多的热量才会逐步汽化，此种特性会使得甲醇发动机的冷启动性能不佳，需要在甲醇燃烧之前先给予一个较多的热量输入才能使整个发动机系统完成启动循环。
因此以下实施例中给出了一种利用尾气加热甲醇的装置的结构和该装置的工作方法，将发动机燃烧之后的一部分废气(尾气)引入甲醇混合器，利用混合器具有的甲醇喷油器将甲醇喷射到尾气内，尾气的热量使甲醇汽化，汽化后的甲醇再喷入发动机燃烧。期间尾气调节阀采取固定的初始开度，再利用控制器根据废气的温度来选择尾气调节阀的开度，尾气调节阀的开度决定了进入到蒸发(汽化)装置的废气流量，流量越大，提供的热量也越大，能够蒸发更多的甲醇气体。当然，这部分废气只是用来提供热量，并不需要提供废气来降低氮氧化物的排放，所以在满足能够把甲醇蒸发的前提下，使用的废气越少越好。
实施例一：
如图1所示，一种利用尾气加热甲醇的装置，包括与尾气管路2连接的尾气进气端1，和与发动机进气管路7连接的甲醇出气端8；尾气由尾气进气端1进入装置内部，经尾气调节阀4后进入甲醇混合器6，尾气提供甲醇蒸发(汽化)的热量，形成甲醇蒸汽和尾气的混合物后由甲醇出气端8进入发动机的进气管路7。
甲醇出气端8具有温度传感器9，控制器3分别连接温度传感器9和尾气调节阀4。
控制器3根据尾气的温度来调整尾气调节阀4的开度，尾气调节阀4的开度决定了进入到蒸发装置的尾气流量，流量越大，提供的热量也越大，能够蒸发更多的甲醇气体，但是由于进入装置内部的废气只用来提供热量，并不需要提供废气来降低氮氧化物的排放，所以在满足能够把甲醇蒸发的前提下，使用的废气相对较少。
温度传感器9采集甲醇混合器6出口的温度，并且把温度传递给控制器3，用来判断尾气调节阀4的开度是否设定范围内，否则调整尾气调节阀的开度，来使温度稳定在甲醇的汽化温度范围内。
以温度传感器9的温度作为标准通过PID算法来控制尾气调节阀4的开度，控制进入混合器的废气量，使从混合器出口处的混合气体的温度在甲醇的沸点附近。
例如：甲醇在常压下的沸点为64.7℃(记为T＝65℃)，则设定尾气调节阀4将甲醇混合器6出口的温度调整到T～T+5℃的范围内，即65℃～70℃范围内。如果温度传感器9获取的温度信号低于设定的温度范围65℃～70℃，则增大阀门开度，使进入的尾气变多，热量变高之后会提升甲醇的温度，温度升高后控制器再次判断温度，动态的来控制尾气调节阀的开度。
温度传感器9可以选用目前已知的任意类型的传感器，例如可以选择热电偶，或是温度测量范围在-50到1000℃的其他类型的测温装置/设备/传感器。
甲醇混合器6连接甲醇喷油器5，甲醇喷油器5的出口朝向尾气的流动方向，甲醇喷油器5连接控制器3。
甲醇喷油器5顺着废气流动的方向喷射甲醇到废气内，使废气以及甲醇两者在甲醇混合器6内能够充分混合，废气加热甲醇气体使其达到甲醇的汽化温度。
控制器3则向甲醇喷油器5发出启动喷射动作的指令，将设定量的液态甲醇喷射到甲醇混合器6内部与尾气混合。
甲醇喷油器5连接甲醇油轨12，甲醇油轨12通过甲醇泵11连接甲醇箱10。
甲醇箱，甲醇泵以及甲醇油轨提供甲醇给甲醇喷油器(由于甲醇有腐蚀性，能够腐蚀金属，这么部分部件需要使用特定的耐腐蚀材料来制作)。
采用上述结构的装置，能够对进入发动机的甲醇进行预热使其汽化，从而提高燃料的燃烧效率。
对于双燃料喷射的内燃机来说，只需要在原有的进气以及排气管道上安装本装置，并且本装置的原理类似于EGR系统，对于内燃机的改动较小，也不需要使用车载电池来进行液态甲醇的加热汽化。
同时，消耗一部分尾气热量来加热甲醇的方式使得内燃机的排气温度降低，从而抑制氮氧化物的生成。
实施例二：
本实施例提供上述实施例的工作方法，具体为：
以温度传感器获取的温度数据作为标准设定尾气调节阀，即甲醇混合器出口温度处于T～T+5℃范围内(T为甲醇常压下的沸点)；
温度传感器9采集甲醇混合器6的出口温度，温度数据传递给控制器3；
控制器3向甲醇喷油器发出指令，喷射甲醇到甲醇混合器内；
控制器3以温度传感器获取的温度数据作为标准向尾气调节阀发出控制指令；
尾气调节阀接收控制器的指令改变开度，调整进入装置内部的尾气流量，从而改变甲醇混合器6的出口温度；
喷射的甲醇和尾气在甲醇混合器内完成混合，甲醇被加热汽化；
汽化后形成甲醇和尾气的混合气体通过甲醇出气端进入发动机的进气管路。
温度传感器获取的温度信息和尾气调节阀开度计算过程说明：根据转速以及负载来计算需要喷射的甲醇量，使用温度传感器测量甲醇混合器的出口温度，计算甲醇蒸发需要的热量，按照对应关系来修改尾气调节阀的开度；尾气调节阀开启后具有一个固定的初始开度，废气进入甲醇混合器，甲醇喷油器喷射甲醇到废气内，温度传感器检测混合气体离开甲醇混合器时对应的温度，设定一个温度范围在65℃(甲醇的沸点T)度—70℃，利用温度传感器测量混合气体离开甲醇混合器之后的温度，把温度信号传输给控制器进行判断，如果收到的温度信号低于设定的温度范围65---70度，则增大尾气调节阀的开度，增大尾气调节阀的开度之后，进入的尾气变多，热量变高之后会提升甲醇的温度，温度传感器把温度再传送给控制器，控制器再次判断温度，动态的来控制尾气调节阀的开度。
上述实施例能够对进入发动机的甲醇进行预热使其汽化，从而提高燃料的燃烧效率，解决冷启动问题。同时，消耗一部分尾气热量来加热甲醇的方式使得内燃机的排气温度降低，由于发动机废气中的CO2、H2O、NO2等三原子气体的比热较高,当新鲜的混合气和废气混合后,热容量也随之增大。加热经废气稀释后的混合气,温度每升高1度所需要的热量也随之增加,从而抑制氮氧化物的生成。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种利用尾气加热甲醇的装置，其特征在于：包括与尾气管路连接的尾气进气端，和与发动机进气管路连接的甲醇出气端；装置内部具有调节阀和甲醇混合器；尾气由尾气进气端进入装置内部，经调节阀进入甲醇混合器，形成甲醇蒸汽和尾气的混合物后由甲醇出气端进入发动机的进气管路。
2.如权利要求1所述的一种利用尾气加热甲醇的装置，其特征在于：所述甲醇出气端具有温度传感器，控制器分别连接温度传感器和调节阀。
3.如权利要求2所述的一种利用尾气加热甲醇的装置，其特征在于：所述温度传感器采集甲醇混合器出口的温度，温度数据传递给控制器。
4.如权利要求3所述的一种利用尾气加热甲醇的装置，其特征在于：所述控制器根据温度数据改变调节阀的开度。
5.如权利要求4所述的一种利用尾气加热甲醇的装置，其特征在于：所述控制器以温度传感器获取的温度数据作为标准，改变调节阀的开度，控制进入甲醇混合器的废气量。
6.如权利要求1所述的一种利用尾气加热甲醇的装置，其特征在于：所述甲醇混合器连接甲醇喷油器，甲醇喷油器连接控制器。
7.如权利要求6所述的一种利用尾气加热甲醇的装置，其特征在于：所述甲醇喷油器的喷油方向朝向尾气的流动方向。
8.如权利要求6所述的一种利用尾气加热甲醇的装置，其特征在于：所述甲醇喷油器连接甲醇油轨，甲醇油轨通过甲醇泵连接甲醇箱。
9.一种基于权利要求1-8任一项所述装置的工作方法，其特征在于：包括以下步骤：
调节阀启动，温度传感器采集甲醇混合器的出口温度，温度数据传递给控制器；控制器向甲醇喷油器和调节阀发出控制指令；
甲醇喷油器接收指令启动相甲醇混合器内喷射甲醇，调节阀接收控制器的指令改变开度，调整进入装置内部的尾气流量；
喷射的甲醇和尾气在甲醇混合器内完成混合，甲醇被加热汽化。
10.如权利要求9所述的工作方法，其特征在于：汽化后形成甲醇和尾气的混合气体通过甲醇出气端进入发动机的进气管路。
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