CN115306604B - 单一燃料低温重整装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种单一燃料低温重整装置及其控制方法，所述装置包括供油系统、发动机系统、传感器系统及控制系统；所述供油系统中燃料泵中燃料与空气混合后进入所述进气歧管，随后喷入重整室后进入发动机；所述重整室与发动机为一体成型的结构，所述进气歧管的各支路上分别设置有重整室进气控制阀，用于调节重整室的进气量；所述重整室位于发动机的上止点和下止点之间均匀分布，且重整室和发动机之间贯通；所述控制系统用于根据压力传感器和温度传感器的数值调控重整气进气控制阀从而控制重整室内的燃料‑混合气占比。本发明的重整室策略为缸温缸压较低时，由最下方的重整室提供重整气；缸温缸压较高时，由最上方的重整室提供重整气。

Description

单一燃料低温重整装置及其控制方法

技术领域

本发明属于内燃机燃烧优化领域，具体涉及一种单一燃料低温重整装置及其控制方法。

背景技术

目前内燃机依旧在交通运输中占有绝对主导地位，然而随着近些年环境保护意识增强，传统内燃机的燃烧模式显然已经满足不了能源以及环境的要求。近些年，燃料重整这一新型燃烧方式逐渐应用在内燃机上，并且提高了发动机的热效率，降低了排放。燃料重整可以仅利用一种燃料实现双燃料燃烧重力的效果，也就是说将燃料重整成不同活性的特征再与新鲜燃料混合燃烧，实现混合器活性及浓度分层，从而改善发动机燃烧状态。CN102425509A公开的基于重整气的发动机燃烧优化及排气净化装置和方法是利用重整燃料和催化剂发生重整反应抽取重整器。CN106837619A公开的发动机联合外置重整器的低温燃料重整装置不使用催化剂，通过控制燃油与空气反应的边界条件，排出不同氧化阶段的部分中间产物或完全氧化产物，使其与空气混合再导入到发动机气缸中实现燃烧。

但现在技术仍存在重整气活性单一的缺陷，为此需要提供一种无催化剂的低温重整的燃料低温重整装置及其控制方法。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提出一种单一燃料无催化剂的低温重整装置及其控制方法。所述燃料低温重整装置采用发动机附加重整室对燃料进行无催化剂的低温重整，并根据发动机实时燃烧情况选择使用附加重整室。所述重整室策略为通过监测发动机的缸温与缸压，缸温缸压较低时，发动机负荷同样较低，喷油较少，此时由最下方的重整室提供重整程度低，反应活性高的重整气。缸温缸压较高时，喷油较多，此时由最上方的重整室提供重整程度高，反应活性低的重整气。在发动机的工作区间内，灵活选择重整室的个数，达到优化燃烧的目的。

一种单一燃料低温重整装置，包括供油系统、发动机系统、传感器系统及控制系统；

所述供油系统包括油箱、燃料泵和进气歧管，所述油箱和燃料泵用于提供燃料，所述进气歧管连通发动机系统的重整室；所述燃料泵中燃料与空气混合后进入所述进气歧管，随后喷入重整室后进入发动机；

所述发动机系统包括发动机，重整室和重整室进气控制阀；所述重整室与发动机为一体成型的结构，所述进气歧管的各支路上分别设置有重整室进气控制阀，用于调节重整室的进气量；所述重整室位于发动机的上止点和下止点之间均匀分布，且重整室和发动机之间贯通；

所述传感器系统包括压力传感器和温度传感器，所述压力传感器和温度传感器均设置发动机缸盖位置，用于检测发动机温度和压力，检测的温度和压力数值传送至所述控制系统；

所述控制系统用于根据压力传感器和温度传感器的数值调控重整气进气控制阀从而控制重整室内的燃料-混合气占比。

所述燃料低温重整装置的重整回路走向包括：初始燃料从燃料泵与空气进气道中的空气进入混合器形成燃料-混合气，控制系统调控重整室进气控制阀控制所述燃料-混合气进入各重整室的流量，经所述进气歧管分别向重整室提供燃油，在重整室中吸收发动机的热量进行重整，重整气在活塞下行进入发动机，与喷油器中喷出的油混合，进行燃烧，随后废气经发动机排气道排出。

进一步的，所述进气歧管各支路为柔性管路。

进一步的，所述发动机的重整室个数为偶数个且大于等于4，沿所述发动机轴线方向，各所述重整室之间垂直间距相同；沿所述发动机径向，偶数个所述重整室两两对称设置。

进一步的，所述发动机包括发动机本体，所述发动机本体顶部分别设置有发动机进气道和发动机排气道；所述发动机本体的外表面沿其径向凸出有4个腔体作为重整室，所述进气歧管的各路出口分别连通重整室的进气口，所述重整室的出气口连通发动机的燃烧室，并通过单向压力阀传递燃料-混合气。

进一步的，所述控制系统预设4个温度限度，用于根据发动机温度调整重整室进气控制阀；温度限度从低到高排序分别是第一温度限度，第二温度限度，第三温度限度和第四温度限度。

一种利用燃料低温重整装置的控制方法，包括：

设置在发动机缸盖上的温度传感器和压力传感器检测发动机温度和压力；

设置4个温度限度，温度限度从低到高排序分别是第一温度限度，第二温度限度，第三温度限度和第四温度限度；

当发动机温度低于预先设置的第一温度限度且发动机压力小于预设8MPa时，打开发动机最下方重整室的重整室进气控制阀，关闭其余重整室进气控制阀；

当发动机温度高于预设的第二温度限度，低于第四温度限度，且发动机压力大于5MPa，小于20MPa时，打开远离发动机两个端部的所有重整室的重整室进气控制阀，调控重整室进气控制阀的流量，并关闭对应发动机两个端部重整室的重整室进气控制阀；

当发动机温度高于预先设置的第四温度限度且发动机压力大于20MPa时，打开发动机最上方重整室的重整室进气控制阀，关闭其余重整室进气控制阀。

进一步的，“当发动机温度高于预设的第二温度限度，低于第四温度限度”时，调控重整室进气控制阀的流量具体包括：

其中，当发动机温度高于预设的第二温度限度，低于第三温度限度，且发动机压力大于5MPa，小于14MPa时，控制70％的燃料流入次下方重整室，控制30％的燃料流入次上方重整室；

当发动机温度高于预设的第三温度限度且低于第四温度限度，且发动机压力高于14MPa，小于20MPa时，控制30％的燃料流入次下方重整室，控制70％的燃料流入次上方重整室。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

1.本发明使用附加重整室的发动机对燃料进行无催化剂的低温重整，发动机与重整室为统一的设备，结构更加紧凑；

2.本发明通过监测发动机的缸温与缸压分别对不同位置的重整室进行喷油，调整重整气的重整程度和反应活性；对于重整室的选择采用梯次选择，通过判断缸内燃烧情况，选择一个或多个重整室参与重整，通过控制不同重整室中的燃油量，控制重整气的重整程度，对发动机缸内燃烧的调控更加灵活；

3.本发明不涉及昂贵设备，所用材料皆较为便宜，总体造价低，适用性较广。

附图说明

图1是本发明所述的燃料低温重整装置的剖视图；

图2为本发明所述的燃料低温重整装置的俯视图。其中，

1：燃料泵 2：混合器 3：重整室进气控制阀

4：发动机本体 5：发动机进气道 6：发动机排气道

7：空气进气道 8：喷油器 9：重整室

P1：压力传感器 T1：温度传感器

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案作进一步详细描述，所描述的具体的实施例仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。

如图1所示，一种单一燃料低温重整装置，包括供油系统、发动机系统、传感器系统及控制系统。

所述供油系统包括与油箱连接的燃料泵1(油箱在图中未示出)，用于将燃料从油箱中吸出，燃料泵1的出口与空气进气道7经管路连接混合器2，燃料泵中的燃料和空气在所述混合器2中混合，随后燃料-混合气从所述混合器2的出口进入进气歧管，所述进气歧管各支路上分别设置有重整室进气控制阀3，用于调节重整室的进气量。所述进气歧管的各路出口分别连通重整室的进气口，且所述进气歧管各支路为柔性管路，便于发动机内整体线路的统一布置。

其中,所述发动机系统包括发动机，重整室和重整室进气控制阀。如图1-2所示，所述重整室与发动机为一体成型的结构，所述发动机包括发动机本体4，所述发动机本体4顶部分别设置有发动机进气道5和发动机排气道6；所述发动机本体4的外表面沿其径向凸出有4 个腔体作为重整室9，所述重整室9位于发动机的上止点和下止点之间均匀分布，且重整室和发动机之间贯通；所述重整室的出气口连通发动机的燃烧室，并通过单向压力阀控制燃料- 混合气单向传递，所述重整室的进气口连通所述进气歧管。沿所述发动机本体4轴线方向，各所述重整室9之间垂直间距相同；沿所述发动机本体4径向，4个所述重整室9两两对称设置，这样设置有利于发动机的整体布置及与其余部件的配合。所述重整室的个数根据实际情况进行选择，优选偶数个，且沿发动机本体的径向两两对称设置。

所述传感器系统包括压力传感器P1和温度传感器T1，所述压力传感器P1和温度传感器 T1均设置发动机缸盖位置，用于检测发动机温度和压力，检测的温度和压力数值传送至所述控制系统。发动机整体各部位的温度略有差异，但大体相差不超过10度，因此本专利仅在缸盖处设置温度传感器。本发明仅设置在缸盖处设置一个压力传感器的原因也相同，在此不再赘述。

所述控制系统用于根据压力传感器P1和温度传感器T1的数值调控重整气进气控制阀从而控制重整室内的燃料-混合气占比。

所述燃料低温重整装置的重整回路走向(阀门全开)：初始燃料从燃料泵1与空气进气道7 中的空气进入混合器2形成燃料-混合气，控制系统调控重整室进气控制阀3控制所述燃料- 混合气的流量，经所述进气歧管分别向4个重整室9提供燃油，在重整室中吸收发动机本体 4的热量进行重整，重整气在活塞下行进入发动机，与喷油器8中喷出的油混合，进行燃烧。随后废气经发动机排气道6排出。

所述控制系统根据压力传感器P1和温度传感器T1的数值调控所述重整室，包括如下步骤：

温度传感器T1检测发动机温度，压力传感器P1检测发动机的压力，检测的温度和压力数值传送至所述控制系统，并做如下操作：

预设4个温度限度，温度限度从低到高排序分别是第一温度限度，第二温度限度，第三温度限度和第四温度限度；

1.当发动机温度低于预设的第一温度限度500K，且发动机压力小于预设的8MPa时，所述控制系统控制所述发动机本体4最下方重整室的重整室进气控制阀3打开，关闭其余三个重整室进气控制阀3，即将燃料通向位于所述发动机本体4最下方的重整室，由于下方距离燃烧室较远，温度较低，重整程度较低，活性高，利于优化缸内的燃烧；

2.当发动机温度高于预设的第二温度限度500K，低于第三温度限度1100K时，且发动机压力大于5MPa，小于14MPa时，所述控制系统控制所述发动机本体4次下方和次上方重整室的重整室进气控制阀3打开，并关闭对应发动机两个端部重整室的重整室进气控制阀3；控制70％的燃料流入次下方重整室，控制30％的燃料流入次上方重整室，由于相对靠近了燃烧室，利用两个重整室灵活调整重整气的活性，利于及时调整缸内燃烧状态；

3.当发动机温度高于预设的第三温度限度1100K，低于第四温度限度1800K时，且发动机压力高于14MPa，小于20MPa时，所述控制系统控制所述发动机本体4次上方和次下方的重整室的重整室进气控制阀3打开，并关闭对应发动机两个端部重整室的重整室进气控制阀 3；控制70％的燃料流入次上方重整室，控制30的燃料流入次下方重整室，由于更加靠近了燃烧室，重整气活性更低，通过调整中间两个重整室的燃油比例，可以拓宽重整气的活性浓度，更加适应较快变化的工况；

4.当发动机的温度高于预设的第四温度限度1800K，且发动机压力大于20MPa时，所述控制系统控制所述发动机本体4最上方的重整室的重整室进气控制阀3打开，关闭其余三个重整室进气控制阀3，控制燃料流入最上方重整室，由于最靠近燃烧室，重整气活性最低，利于控制缸内剧烈的燃烧，调整发动机的排放。

综上，本发明提出的是利用附加重整室的发动机系统根据发动机实际工况条件产生不同氧化阶段的低温重整产物，并且该重整系统不外加催化剂。本发明与其他相应燃料重整技术方案的不同点在于：1.重整室对发动机的热利用更加直接；2.多种传感器联合控制重整过程。燃料经重整后产物活性可控，得到多种重整产物，从而仅采用单一燃料实现活性与浓度分层控制的高效清洁燃烧模式，实现了燃烧反应路径的可调控制。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种单一燃料低温重整装置，包括供油系统、发动机系统、传感器系统及控制系统；其特征在于，

所述供油系统包括油箱、燃料泵(1)和进气歧管，所述油箱和燃料泵(1)用于提供燃料，所述进气歧管连通发动机系统的重整室(9)；所述燃料泵(1)中燃料与空气混合后进入所述进气歧管，随后喷入重整室(9)后进入发动机；

所述发动机系统包括发动机、重整室(9)和重整室进气控制阀(3)；所述重整室(9)与发动机为一体成型的结构，所述进气歧管的各支路上分别设置有重整室进气控制阀3，用于调节重整室的进气量；所述重整室(9)位于发动机的上止点和下止点之间均匀分布，且重整室(9)和发动机之间贯通；

所述传感器系统包括压力传感器(P1)和温度传感器(T1)，所述压力传感器(P1)和温度传感器(T1)设置发动机缸盖位置，用于检测发动机温度和压力，检测的温度和压力数值传送至所述控制系统；

所述控制系统用于根据压力传感器(P1)和温度传感器(T1)的数值调控重整气进气控制阀从而控制重整室内的燃料-混合气占比；

所述燃料低温重整装置的重整回路走向包括：初始燃料从燃料泵(1)与空气进气道(7)中的空气进入混合器(2)形成燃料-混合气，控制系统调控重整室进气控制阀(3)控制所述燃料-混合气进入各重整室(9)的流量，经所述进气歧管分别向重整室(9)提供燃油，在重整室(9)中吸收发动机的热量进行重整，重整气在活塞下行进入发动机，与喷油器(8)中喷出的油混合，进行燃烧，随后废气经发动机排气道(6)排出。

2.根据权利要求1所述的单一燃料低温重整装置，其特征在于，所述进气歧管各支路为柔性管路。

3.根据权利要求1所述的单一燃料低温重整装置，其特征在于，所述发动机的重整室个数为偶数个且大于等于4，沿所述发动机轴线方向，各所述重整室(9)之间垂直间距相同；沿所述发动机径向，偶数个所述重整室(9)两两对称设置。

4.根据权利要求3所述的单一燃料低温重整装置，其特征在于，所述发动机包括发动机本体(4)，所述发动机本体(4)顶部分别设置有发动机进气道(5)和发动机排气道(6)；所述发动机本体(4)的外表面沿其径向凸出有4个腔体作为重整室(9)，所述进气歧管的各路出口分别连通重整室的进气口，所述重整室的出气口连通发动机的燃烧室，并通过单向压力阀传递燃料-混合气。

5.根据权利要求1所述的单一燃料低温重整装置，其特征在于，所述控制系统预设4个温度限度，用于根据发动机温度调整重整室进气控制阀(3)；温度限度从低到高排序分别是第一温度限度，第二温度限度，第三温度限度和第四温度限度。

6.一种利用如权利要求1所述的燃料低温重整装置的控制方法，包括：

设置在发动机缸盖上的温度传感器和压力传感器检测发动机温度和压力；

设置4个温度限度，温度限度从低到高排序分别是第一温度限度，第二温度限度，第三温度限度和第四温度限度；

当发动机温度低于预先设置的第一温度限度且发动机压力小于预设8MPa时，打开发动机最下方重整室的重整室进气控制阀3，关闭其余重整室进气控制阀(3)；

当发动机温度高于预设的第二温度限度，低于第四温度限度，且发动机压力大于5MPa，小于20MPa时，打开远离发动机两个端部的所有重整室的重整室进气控制阀(3)，调控重整室进气控制阀(3)的流量，并关闭对应发动机两个端部重整室的重整室进气控制阀(3)；

当发动机温度高于预先设置的第四温度限度且发动机压力大于20MPa时，打开发动机最上方重整室的重整室进气控制阀(3)，关闭其余重整室进气控制阀(3)。

7.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，“当发动机温度高于预设的第二温度限度，低于第四温度限度”时，调控重整室进气控制阀(3)的流量具体包括：

其中，当发动机温度高于预设的第二温度限度，低于第三温度限度，且发动机压力大于5MPa，小于14MPa时，控制70％的燃料流入次下方重整室，控制30％的燃料流入次上方重整室；

当发动机温度高于预设的第三温度限度且低于第四温度限度，且发动机压力高于14MPa，小于20MPa时，控制30％的燃料流入次下方重整室，控制70％的燃料流入次上方重整室。