CN204804980U - 液化天然气发动机冷能利用系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及液化天然气发动机冷能利用系统，它主要分为三个系统：LNG储存及供给系统、控制系统和LNG冷能利用系统。LNG气瓶的出口分成两路LNG管线，一路接入发动机缸体出水管路，另一路接入中冷器压缩空气管路系统。发动机缸体出水管路和中冷器压缩空气管路系统的出口LNG管线合并成一路，进入发动机喷轨；发动机喷轨连接燃气发动机。本实用新型利用LNG气化释放的冷能，降低发动机的进气温度和冷却水温度，增加了空气密度并使最高燃烧温度和发动机热负荷强度得到降低，减少发动机冷却系统的功耗，发动机的功率和使用寿命得到提高并节省燃料及减少有害物质排放，达到了节能环保的要求，极具推广价值。

Description

液化天然气发动机冷能利用系统

技术领域

本实用新型涉及一种发动机冷能利用技术，特别涉及一种液化天然气(LNG)发动机冷能利用技术。

背景技术

由于天然气燃烧速度相比柴油慢(天然气燃烧速度为0.3m/s，柴油燃烧速度为0.39m/s)，因此传导到冷却系的热量增加15％左右；另一方面，经实际测定在20℃的常温下，增压后的压缩空气废气涡轮增压器出口端温度高达135℃，经空-空型中冷器散热后进入发动机前温度高达50℃左右，进气温度高将使燃气发动机出现动力不足、燃烧温度增高、浪费燃料和降低机件使用寿命等一系列不良后果。

由于LNG燃料是靠气化后产生的适当范围内的压力完成输送任务，因此所有LNG燃气发动机都必须设法解决气化和升压的装置。现在国内燃气发动机各主要生产厂家解决LNG气化和升压的方法是经水浴汽化器初步气化后再利用蒸发器从周围空气中吸取进一步气化利升压时所需要的热量，而解决燃气发动机燃烧后产生冷却水温度高的措施是靠增加发动机冷却水流量及水箱散热能力的方法。为了解决上述两项不利因素叠加产生的影响，国内燃气机各主要生产厂家均采用在原柴油机基础上增加发动机冷却水流量和加大水箱及中冷器散热能力的方法加以解决，这种方法导致发动机自身功耗和燃气消耗量的增加，同时大部分LNG气化时产生的优质冷能因只与周围环境空气温度产生热交换而没有在发动机上得到有效的利用，即浪费了LNG的冷能。

发明内容

本实用新型针对上述情况，采用全新的设计理念和设计结构，充分利用LNG气化时所产生的优质冷能，以克服燃气发动机实际运行过程中产生的冷却水温度和进气温度过高的弊端。

本实用新型的目的是通过下述技术方案实现的：

液化天然气发动机冷能利用系统，主要分为三个系统：

1)LNG储存及供给系统：包括LNG气瓶、LNG管线、出液阀、电磁阀I、电磁阀II、电磁阀III、调压阀、发动机喷轨、混合器、电动节气阀、燃气发动机；

2)控制系统：包括温度传感器I、温度传感器II、温度压力传感器、压力传感器、曲轴传感器、电子控制单元；温度传感器I、温度传感器II、温度压力传感器、压力传感器、曲轴传感器为一次仪表，连接到电子控制单元，通过电子控制单元控制电磁阀I、电磁阀II和电磁阀III；

3)LNG冷能利用系统：包括中冷器压缩空气管路系统和发动机缸体出水管路；中冷器压缩空气管路系统为夹层套管形式，夹层套管的内层套管为压缩空气通路；

LNG气瓶的出口设出液阀，LNG经出液阀的出口分成两路LNG管线，一路经电磁阀I接入发动机缸体出水管路内部，另一路经电磁阀II接入中冷器压缩空气管路系统，在发动机中冷器进气管的夹层套管的夹层内通过；发动机缸体出水管路和中冷器压缩空气管路系统的出口LNG管线合并成一路，经电磁阀III和调压阀进入发动机喷轨；发动机喷轨通过混合器、电动节气阀连接燃气发动机。

在发动机缸体出水管路内部和中冷器进气管夹层内通过的LNG管线均带有膨胀弯。

中冷器压缩空气管路系统内部的LNG管线进气端与中冷器压缩空气管路系统间相封闭，出气端采用套环式结构固定在内层套管上，在夹层套管的外层套管内部设有浅盘型集气罩作为LNG管线出气端接口。

中冷器压缩空气管路系统内部的LNG管线上设有喷气孔，使LNG直接喷射到内层套管的外壁上。

接入发动机缸体出水管路的LNG管线进气端处设有温度传感器I，在中冷器压缩空气管路系统的内层套管上设有温度压力传感器，温度传感器I和温度压力传感器的信号传入电子控制单元；电子控制单元与电磁阀I、电磁阀II和电磁阀III电连接。

在LNG气瓶的出口底部，设有一根回馈管路，回馈管路通过气瓶自增压阀连接到自增压器，自增压器出口通过单向阀再连接到LNG气瓶。

所述的液化天然气发动机冷能利用系统还设有安全系统：包括压力表I、压力表II、可燃气体探测器I、可燃气体探测器II、可燃气体探测器III、安全阀I、安全阀II、安全阀III、集中卸放管。

压力表I和压力表II各设在中冷器压缩空气管路系统的内、外层套管上；在发动机缸体出水管路、中冷器压缩空气管路系统及发动机喷轨上方分别安装一个可燃气体探测器I、可燃气体探测器II和可燃气体探测器III；在中冷器压缩空气管路系统的外层套管上、自增压器出口和LNG气瓶上分别安装安全阀I、安全阀II和安全阀III；所有安全阀连入到集中卸放管。

在发动机缸体出水管路上方、中冷器压缩空气管路系统及发动机喷轨上方分别安装可燃气体探测器I、可燃气体探测器II和可燃气体探测器III。

本实用新型系统的最大流量按照燃气发动机每小时最大消耗量的1.2-1.3倍进行设计，使其实现LNG气化冷能的利用和稳压装置作用。本实用新型充分利用LNG气化时所产生的优质冷能(837KJ/KG)克服燃气发动机实际运行过程中产生的冷却水温度和进气温度过高的弊端，减少燃气发动机自身功耗、增加发动机动力、提高机件使用寿命、降低燃料消耗量和有害物质排放。LNG供气管线不经过传统装置的水浴汽化器和蒸发器，经阀门控制后直接到达燃料控制和供给系统，减少了LNG输送过程中的冷能损失。其先进之处在于合理和巧妙的利用了LNG冷能，达到了理想的发动机进气温度和有效的降低了发动机冷却系统负担和自身功耗的效果。

本系统设计新颖、简便易行、造价低廉、可适用于各种型号燃气发动机，极具推广价值。

附图说明

图1是本实用新型整体结构示意图，

图2是发动机缸体出水管路的结构示意图，

图3是中冷器压缩空气管路系统的结构示意图。

图中：1.LNG气瓶；2.出液阀；3.电磁阀I；4.发动机缸体出水管路；5.温度传感器I；6.可燃气体探测器I；7.电磁阀II；8.压力表I；9.可燃气体探测器II；10.安全阀I；压力表II11；12.中冷器压缩空气管路系统；13.温度压力传感器；14.电磁阀III；15.过滤器；16.调压阀；17.可燃气体探测器III；18压力传感器；19.温度传感器II；20.发动机喷轨；21.混合器；22.电动节气阀；23.曲轴传感器；24.燃气发动机；25.电子控制单元；26.油门踏板传感器；27.油门踏板；28.气瓶自增压阀；29.自增压器；30.安全阀II；31.单向阀；32.安全阀III；33.集中卸放管；12-1喷气孔；12-2集气罩。

具体实施方式

参见图1，本实用新型液化天然气发动机冷能利用系统采用的结构主要分为三个系统：

1、LNG储存及供给系统：包括LNG气瓶1、LNG管线、出液阀2、电磁阀I3、电磁阀II7、电磁阀III14、调压阀16、发动机喷轨20、混合器21、电动节气阀22、燃气发动机24。LNG气瓶1的作用是储存车辆设计里程足够的燃料并把燃料输送时所需要的压力保持在正常范围内。供给系统的作用是按实际工作需要控制LNG的流向、流量和LNG与空气的混合比，为燃气发动机24和LNG冷能利用正常工作提供技术和安全保障。

2、控制系统：包括温度传感器I5、温度传感器II19、温度压力传感器13、压力传感器18、曲轴传感器23、电子控制单元(ECU)25。温度传感器I5、温度传感器II19、温度压力传感器13、压力传感器18、曲轴传感器23为一次仪表，连接到电子控制单元25，通过电子控制单元25控制电磁阀I3、电磁阀II7和电磁阀III14。

3、LNG冷能利用系统：包括中冷器压缩空气管路系统12和发动机缸体出水管路4。两系统均为本实用新型的改制系统，利用LNG自身携带的优质冷能在中冷器压缩空气管路系统12内直接冷却增压后的高温压缩空气，以及通过发动机缸体出水管路路系统4直接降低发动机缸体出水温度，同时完成LNG气化升压过程。

发动机缸体出水管路4(结构见图2)为自行改制配件，管路接口焊接厚铝板加强，管路接头为卡套式结构。发动机缸体出水管路4是在原发动机缸体出水管内增加一条带膨胀弯(防止热胀冷缩现象损坏部件)的不锈钢LNG管线，LNG在经过发动机缸体出水管路4时，吸收发动机冷却水的热量，实现LNG气化和升压，同时降低发动机冷却水的温度。该发动机缸体出水管路4直接代替原有LNG气瓶系统中的水浴气化器。

中冷器压缩空气管路系统12(结构见图3)为夹层套管形式，材质为304不锈钢，夹层套管的内层套管为压缩空气通路，其空间容积为12.05L(大于450升LNG气瓶系统中缓冲罐的容积，适用于重型汽车燃气发动机使用，其他功率发动机可根据实际情况按此形式经计算后确定内外层管线的直径、长度和容积，原则上夹层套管的内层套管直径应不低于原来空气管线直径)，且布置在发动机喷轨20附近，稳压作用明显，能够提高燃气发动机的加速性能和使燃气发动机运转更加稳定可靠。夹层套管夹层中设有带膨胀弯的LNG管线，管线进气端与中冷器压缩空气管路系统12间相封闭，出气端采用可微量移动的套环式结构固定在内层套管上。在夹层套管的外层套管内部设有浅盘型集气罩12-2作为LNG管线出气端接口。LNG管线上根据需要设计一定数量的喷气孔121，使LNG直接喷射到内层套管的外壁上，与内层套管内的高温压缩空气(120-135℃)实现热交换，利用夹层内LNG管线喷射时所释放的冷能冷却进入发动机的压缩空气温度，达到降低燃气发动机热负荷强度和降低最高燃烧温度及减少自身功耗之设计要求，继而达到节约燃料、减少有害物体排放、增加动力和延长发动机使用寿命的目的，完成LNG气化升压和冷却压缩空气本身的效果。喷出去的LNG量由电子控制单元25根据发动机喷轨20上的压力传感器18、温度传感器II19反馈的信号控制电磁阀(3)、(7)完成喷量控制，LNG与空气的混合是在混合器(21)处由电子控制单元25控制完成。因中冷器压缩空气管路系统12具有12.05L的储存空间，可直接代替原有LNG气瓶系统中的缓冲罐。

LNG储存系统通过管线和各种控制阀门与燃料供给和控制系统相连接，各连接部位接头均为卡套式结构，中冷器压缩空气管路系统12进气端通过优质橡胶管接头与增压器实现弹性连接，出气端通过胶管与中冷器实现弹性连接，通过中冷器进气管夹层的LNG管线两端接头均焊接在管身外壁上。LNG在夹层内的管线同样采用卡套式结构进行连接。夹层内的LNG管线出气端在距离出气口20mm处封堵。中冷器管本身通过2个带有橡胶减震装置的固定支架可靠地固定在发动机机体上部，改制的发动机出水管内的LNG管线利用卡套式可靠地固定在出水管两端。

在LNG储存及供给系统中，还包括LNG回馈系统：在LNG气瓶1的出口底部，设有一根回馈管路，回馈管路通过气瓶自增压阀28连接到自增压器29，自增压器29出口通过单向阀31再连接到LNG气瓶1。

除以上系统外，本实用新型还设有安全系统，包括压力表I8、压力表II11、可燃气体探测器I6、可燃气体探测器II9、可燃气体探测器III17、安全阀I10、安全阀II30、安全阀III32、集中卸放管33。压力表I8和压力表II11各设在中冷器压缩空气管路系统12的内外层套管上。发动机缸体出水管路4、中冷器压缩空气管路系统12及发动机喷轨20上方分别安装一个可燃气体探测器I6、可燃气体探测器II9和可燃气体探测器III17，一旦有天然气泄露，电子控制单元25根据探测器反馈的信息发出警报信号，当泄漏量达到可燃浓度范围的30％时，电子控制单元25将发出关机指令。天然气泄露故障排除后，按正常启动程序操作即可。在中冷器压缩空气管路系统12的外层套管上、自增压器29出口和LNG气瓶1上分别安装安全阀I10、安全阀II30和安全阀III32。系统中气化后的天然气压力设定为调压阀16前≤1.59MPa，经调压阀16调压后压力为0.8MPa。达到1.59MPa时进气电磁阀I3、电磁阀II7关闭，避免压力持续升高影响系统内相关部件正常功能的发挥。安全阀的起跳压力设为1.8MPa，当在某些特定情况下(如压力传感器失效)安全阀起跳时，天然气经安全阀进入到LNG气瓶系统的集中卸放管33后放空。

现对本实用新型系统的工作流程作说明：

LNG气瓶1的出口设出液阀2，LNG经出液阀2的出口分成两路LNG管线，一路经电磁阀I3接入发动机缸体出水管路4，在发动机缸体出水管路4内部通过，利用LNG气化冷能降低燃气发动机24内冷却水的温度，减少冷却水的功耗和提高冷却效果；另一路经电磁阀II7接入中冷器压缩空气管路系统12，将来自涡轮增压器通往中冷器的压缩空气进行冷却。接入发动机缸体出水管路4的LNG管线进气端处设有温度传感器I5，在中冷器压缩空气管路系统12的内层套管上设有温度压力传感器13，温度传感器I5和温度压力传感器13的信号传入电子控制单元25。

发动机缸体出水管路4和中冷器压缩空气管路系统12的出口LNG管线合并成一路，经电磁阀III14和调压阀16进入发动机喷轨20。发动机喷轨20通过混合器21、电动节气阀22连接燃气发动机24。从发动机喷轨20输出的LNG经混合器21与空气混合后，通过电动节气阀22进入燃气发动机24进行燃烧。发动机喷轨20自带压力传感器18和温度传感器II19，反馈数据到电子控制单元25。在所述的LNG管线上还设有过滤器15，以净化LNG。

电子控制单元25与电磁阀I3、电磁阀II7和电磁阀III14电连接，通过所述的各传感器输入的信号值，控制电磁阀I3、电磁阀II7和电磁阀III14开闭角度，进而控制整个系统的流量和燃气发动机的实际消耗量，通过调节LNG流量达到对压缩空气温度的调节。在本液化天然气发动机冷能利用系统的运行期间，需将燃气发动机24的进气温度控制在5-8℃之间，冷却水温度控制在80-90℃之间。实践证明，进气温度每降低10度，在不改变发动机任何参数的情况下，发动机的动力能够增加1％。

系统中气化后的天然气压力设定为调压阀前≤1.59MPa，经调压阀16调压后压力为0.8MPa。当压力达到1.59MPa时，进气的两个电磁阀关闭，避免压力持续升高影响系统内相关部件正常功能的发挥。各安全阀的起跳压力设为1.8MPa，当在某些特定情况下(如压力传感器失效)安全阀起跳时，天然气经安全阀进入到LNG气瓶系统的集中卸放管33后放空。中冷器管线的内外层套管上各设有压力表I8和压力表II11，为操作和维修提供依据和便利。

另外，在发动机缸体出水管路4上方、中冷器压缩空气管路系统12及发动机喷轨20上方分别安装一个可燃气体探测器I6、可燃气体探测器II9和可燃气体探测器III17，一旦有天然气泄露，电子控制单元25根据探测器反馈的信息发出警报信号，当泄漏量达到可燃浓度范围的30％时，电子控制单元25将发出关机指令。天然气泄露故障排除后，按正常启动程序操作即可。

本实用新型不仅适用于车辆用燃气发动机的使用，同样适用于各种工程机械和大型发电机组使用。

Claims (9)

1.液化天然气发动机冷能利用系统，其特征在于，主要分为三个系统：

1)LNG储存及供给系统：包括LNG气瓶、LNG管线、出液阀、电磁阀I、电磁阀II、电磁阀III、调压阀、发动机喷轨、混合器、电动节气阀、燃气发动机；

2)控制系统：包括温度传感器I、温度传感器II、温度压力传感器、压力传感器、曲轴传感器、电子控制单元；温度传感器I、温度传感器II、温度压力传感器、压力传感器、曲轴传感器为一次仪表，连接到电子控制单元，通过电子控制单元控制电磁阀I、电磁阀II和电磁阀III；

3)LNG冷能利用系统：包括中冷器压缩空气管路系统和发动机缸体出水管路；中冷器压缩空气管路系统为夹层套管形式，夹层套管的内层套管为压缩空气通路；

LNG气瓶的出口设出液阀，LNG经出液阀的出口分成两路LNG管线，一路经电磁阀I接入发动机缸体出水管路内部，另一路经电磁阀II接入中冷器压缩空气管路系统，在中冷器进气管夹层内通过；发动机缸体出水管路和中冷器压缩空气管路系统的出口LNG管线合并成一路，经电磁阀III和调压阀进入发动机喷轨；发动机喷轨通过混合器、电动节气阀连接燃气发动机。

2.根据权利要求1所述的液化天然气发动机冷能利用系统，其特征在于，在发动机缸体出水管路内部和中冷器进气管夹层内通过的LNG管线均带有膨胀弯。

3.根据权利要求1所述的液化天然气发动机冷能利用系统，其特征在于，中冷器压缩空气管路系统内部的LNG管线进气端与中冷器压缩空气管路系统间相封闭，出气端采用套环式结构固定在内层套管上，在夹层套管的外层套管内部设有浅盘型集气罩作为LNG管线出气端接口。

4.根据权利要求1或3所述的液化天然气发动机冷能利用系统，其特征在于，中冷器压缩空气管路系统内部的LNG管线上设有喷气孔，使LNG直接喷射到内层套管的外壁上。

5.根据权利要求1所述的液化天然气发动机冷能利用系统，其特征在于，接入发动机缸体出水管路的LNG管线进气端处设有温度传感器I，在中冷器压缩空气管路系统的内层套管上设有温度压力传感器，温度传感器I和温度压力传感器的信号传入电子控制单元；电子控制单元与电磁阀I、电磁阀II和电磁阀III电连接。

6.根据权利要求1所述的液化天然气发动机冷能利用系统，其特征在于，在LNG气瓶的出口底部，设有一根回馈管路，回馈管路通过气瓶自增压阀连接到自增压器，自增压器出口通过单向阀再连接到LNG气瓶。

7.根据权利要求1所述的液化天然气发动机冷能利用系统，其特征在于，所述的液化天然气发动机冷能利用系统还设有安全系统：包括压力表I、压力表II、可燃气体探测器I、可燃气体探测器II、可燃气体探测器III、安全阀I、安全阀II、安全阀III、集中卸放管。

8.根据权利要求7所述的液化天然气发动机冷能利用系统，其特征在于，压力表I和压力表II各设在中冷器压缩空气管路系统的内、外层套管上；在发动机缸体出水管路、中冷器压缩空气管路系统及发动机喷轨上方分别安装一个可燃气体探测器I、可燃气体探测器II和可燃气体探测器III；在中冷器压缩空气管路系统的外层套管上、自增压器出口和LNG气瓶上分别安装安全阀I、安全阀II和安全阀III；所有安全阀连入到集中卸放管。

9.根据权利要求7所述的液化天然气发动机冷能利用系统，其特征在于，在发动机缸体出水管路上方、中冷器压缩空气管路系统及发动机喷轨上方分别安装可燃气体探测器I、可燃气体探测器II和可燃气体探测器III。