CN210239870U - 改善天然气发动机动态性能的乙醇重整系统 - Google Patents

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丁宇
La Xiang
向拉
Hongkai Ben
贲虹凯
Haining Cui
崔海宁
Keda Xu
徐柯达
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Abstract

本实用新型的目的在于提供改善天然气发动机动态性能的乙醇重整系统，包括LNG储罐、LNG汽化器、混合器、涡轮增压器、乙醇储罐、乙醇汽化器、乙醇重整器，涡轮增压器的压气机通过中冷器连接混合器，LNG储罐通过液态天然气流量阀连接LNG汽化器，LNG汽化器通过气态天然气流量阀连接混合器，混合器连接进气管，排气管连接涡轮增压器的涡轮，排气管通过废气旁通管连接乙醇重整器，废气旁通管上安装废气旁通阀，乙醇储罐通过液态乙醇流量阀连接乙醇汽化器，乙醇汽化器连接乙醇重整器，乙醇重整器通过重整管路连接混合器，重整管路上安装重整气流量阀。本实用新型可有效抑制天然气发动机的爆震及失火现象，在冷启动、低负荷工况及加载工况下同样能高效燃烧。

Description

改善天然气发动机动态性能的乙醇重整系统
技术领域
本实用新型涉及的是一种发动机，具体地说是天然气发动机。
背景技术
天然气因为发热量高、排放清洁及储量丰富等特点被广泛应用于发动机行业。对于点燃式天然气发动机，若以接近当量比的空燃比运行，远端混合气容易在火焰到达之前自燃，进而引发爆震。一般采用稀薄燃烧的方式(φa>1)来抑制爆震现象的发生。但当天然气发动机进行加载时，由于涡轮增压器的反应存在迟滞现象，无法及时提供充足的新鲜空气以维持稀薄燃烧。为了使缸内燃烧过程远离爆震极限，必须减小加载步长，导致点燃式天然气发动机的动态性能较差。
废气旁通阀是改善天然气发动机动态性能的手段之一，通常设置在涡轮增压器前。当过量空气系数过大(高负荷或负载突降)时，开启此阀或增大阀门开度，使部分废气不经过涡轮而直接排到外界，降低涡轮增压器转速，减少空气进气量。反之，当过量空气系数过小(低负荷或负载突增)时，通过关闭此阀或减小阀门开度可增加空气进气量。但当负载突变过快时，废气旁通阀对于动态性能的提升效果有限。此外，在废气旁通阀开启阶段，高温废气直接排到外界，存在一定的热量浪费。
向天然气中掺入适量氢气是另一种改善天然气发动机动态性能的方法。专利(CN108625998A)公开了一种天然气-氢气双燃料发动机喷气控制装置，利用氢气燃烧速度快的特点加速天然气的燃烧过程，在抑制爆震的同时实现高效清洁的燃烧。但由于该专利需要对氢气进行单独制取、储存，装置系统结构和控制过程复杂，且氢气的存储、运输困难，增加了整体成本。
发明内容
本实用新型的目的在于提供改善天然气发动机的动态性能，并实现高效清洁燃烧的改善天然气发动机动态性能的乙醇重整系统。
本实用新型的目的是这样实现的：
本实用新型改善天然气发动机动态性能的乙醇重整系统，其特征是：包括LNG储罐、LNG汽化器、混合器、涡轮增压器、乙醇储罐、乙醇汽化器、乙醇重整器，涡轮增压器的压气机通过中冷器连接混合器，LNG储罐通过液态天然气流量阀连接LNG汽化器，LNG汽化器通过气态天然气流量阀连接混合器，混合器连接进气管，排气管连接涡轮增压器的涡轮，排气管通过废气旁通管连接乙醇重整器，废气旁通管上安装废气旁通阀，乙醇储罐通过液态乙醇流量阀连接乙醇汽化器，乙醇汽化器连接乙醇重整器，乙醇重整器通过重整管路连接混合器，重整管路上安装重整气流量阀。
本实用新型改善天然气发动机动态性能的乙醇重整系统还可以包括：
1、所述重整管路分成第一支路和第二支路，第一支路和第二支路汇合后连接重整气流量阀，第一支路上安装第一截止阀和重整气缓冲气罐，第二支路上安装第二截止阀。
2、乙醇重整器里设置CuO/ZnO/Al2O3催化剂模块。
本实用新型的优势在于：
1、使用天然气作为主要燃料，乙醇重整产生富氢混合气加速燃烧，可有效抑制点燃式天然气发动机的爆震及失火现象，并实现高效清洁的燃烧；
2、乙醇蒸汽在乙醇重整器内发生催化反应，反应热量来自于高负荷下旁通阀排出的废气，可提高发动机整体的能量回收利用率；
3、设置有缓冲气罐储存乙醇重整气，使得天然气在冷启动、低负荷工况下及加载工况同样能高效燃烧，配合废气旁通阀，可有效改善天然气发动机的动态性能。
附图说明
图1为本实用新型的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图举例对本实用新型做更详细地描述：
结合图1，本实用新型改善天然气发动机动态性能的乙醇重整系统，包括：LNG储罐1、液态天然气流量阀2、LNG汽化器3、气态天然气流量阀4、混合器5、中冷器6、节气门7、涡轮增压器8、气态流量阀9、进气管10、气缸11、排气管12、乙醇储罐14、液态乙醇流量阀13、乙醇汽化器15、乙醇重整器16、废气旁通阀17、缓冲气罐20等。
在乙醇储罐14和乙醇汽化器15之间设置有液态流量阀13，控制进入乙醇重整器16的液态乙醇流量。
乙醇重整器16的热源由气缸11排出的燃烧废气提供。当天然气发动机运行在高负荷工况时，开启废气旁通阀17，在满足涡轮增压器8能量需求的前提下，将多余高温废气通入乙醇重整器16。高温废气加热CuO/ZnO/Al2O3催化剂模块，促进乙醇蒸汽转化为包含H2和CO的混合气体。
从乙醇重整器16出来的包含H2和CO的混合气与两条管路相通。两条管路的入口均设置有截止阀，其中一条管路中还设置有缓冲气罐20。缓冲气罐20具备收集和存储功能。当发动机处于冷启动、低负荷或加载工况时，废气旁通阀17关闭，乙醇重整器16内CuO/ZnO/Al2O3催化剂模块失去热源，无法发生乙醇重整反应，缓冲气罐20可提供富氢混合气辅助该类工况下的燃烧。
缓冲气罐20与混合器5之间设置有重整气流量阀9，可根据发动机负荷变化调节重整气的流量。
天然气、空气和富氢重整气在混合器5内充分混合，然后经由进气管10、进气阀进入气缸11内进行燃烧反应。
如图1所示，空气经节气门7进入涡轮增压器8，然后经过中冷器6降温后进入混合器5。液态天然气由天然气储罐1提供，经过汽化器3转换为气态天然气，通过气态天然气流量阀4控制其流量，进入混合器5后与空气、重整气混合均匀，然后通过进气管10进入气缸11燃烧。通过节气门7和气态天然气流量阀4控制进入气缸11的混合气的空燃当量比在1.5左右，保证稀薄燃烧。气缸11内燃烧产生的废气经由排气管12，通向涡轮增压器8为增压器提供能量。当发动机运行在高负荷工况时，在满足涡轮增压器8能量需求的前提下，排气管12中的多余废气通向废气旁通阀17，将乙醇重整器16中的CuO/ZnO/Al2O3催化剂模块加热到300℃以上。液态乙醇由乙醇储罐14提供，通过液态乙醇流量阀13控制其供给量。液态乙醇在乙醇汽化器15中汽化成乙醇蒸汽，乙醇蒸汽进入乙醇重整器16，在CuO/ZnO/Al2O3催化模块的作用下生成富氢重整气。乙醇重整器出口与两条管路相通，入口处分别设置有截止阀18和截止阀19，截止阀19后还设置有重整气缓冲气罐20。重整气流量阀9可根据发动机负荷变化调节富氢重整气的流量。
当天然气发动机在高负荷工况运行时，排出废气的流量大、温度高，废气涡轮增压器8可给缸内提供足够的空气，且存在能量富余。开启废气旁通阀17，在满足涡轮增压器8能量需求的前提下，将多余高温废气导入乙醇重整器16，通过加热CuO/ZnO/Al2O3催化剂模块，促进乙醇蒸汽发生重整反应，产生富含H2和CO的混合气。当乙醇重整器16内重整反应开始稳定进行后，关闭截止阀18并开启截止阀19，将乙醇重整气通入缓冲气罐20，作为储备燃气。如果高负荷工况运行时间足够长，且缓冲气罐20填充至100％，关闭截止阀19并开启截止阀18，并通过重整气流量阀9控制重整气进入混合器5，与天然气、空气混合，进入气缸11参与燃烧，改善燃烧过程。
当天然气发动机进行冷起动、加载或运行在低负荷工况时，排出废气无法满足废气涡轮增压器的能量需求，空气供给量不足导致燃料混合气过浓，发生爆震的可能性增加。关闭废气旁通阀17，将经由排气管12的所有废气通向涡轮增压器8，提高其转速，增加空气供给量。同时，开启重整气流量阀9，将缓冲气罐20中储存的重整气通向混合器5，通过富氢重整气加速主燃料(天然气)的燃烧过程，减少爆震可能性，保证天然气在不同工况下都能高效燃烧。因此，采用废气旁通阀结合乙醇重整气，可大幅度抑制加载过程中的爆震现象，改善天然气发动机的动态性能。

Claims (3)

1.改善天然气发动机动态性能的乙醇重整系统，其特征是：包括LNG储罐、LNG汽化器、混合器、涡轮增压器、乙醇储罐、乙醇汽化器、乙醇重整器，涡轮增压器的压气机通过中冷器连接混合器，LNG储罐通过液态天然气流量阀连接LNG汽化器，LNG汽化器通过气态天然气流量阀连接混合器，混合器连接进气管，排气管连接涡轮增压器的涡轮，排气管通过废气旁通管连接乙醇重整器，废气旁通管上安装废气旁通阀，乙醇储罐通过液态乙醇流量阀连接乙醇汽化器，乙醇汽化器连接乙醇重整器，乙醇重整器通过重整管路连接混合器，重整管路上安装重整气流量阀。
2.根据权利要求1所述的改善天然气发动机动态性能的乙醇重整系统，其特征是：所述重整管路分成第一支路和第二支路，第一支路和第二支路汇合后连接重整气流量阀，第一支路上安装第一截止阀和重整气缓冲气罐，第二支路上安装第二截止阀。
3.根据权利要求1或2所述的改善天然气发动机动态性能的乙醇重整系统，其特征是：乙醇重整器里设置CuO/ZnO/Al2O3催化剂模块。
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