專利名稱：一種實(shí)現(xiàn)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)低排放的稀相燃燒方法及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種可以實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)低排放的稀相燃燒方法。 本發(fā)明還涉及實(shí)現(xiàn)上述方法的裝置。
背景技術(shù)：
柴油機(jī)的效率高達(dá)33 42%，比汽油機(jī)可節(jié)能30%，但是隨著世界 各國(guó)的排放法規(guī)日趨嚴(yán)格，傳統(tǒng)柴油機(jī)面臨極大的挑戰(zhàn)。柴油機(jī)尾氣的主 要污染物為氮氧化物(NOx)和顆粒物質(zhì)(PM)， NOx的生成條件為高溫 富氧，而PM生成的主要原因是由于油氣混合不均勻?qū)е碌木植咳毖?。?前，實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)低NOx和PM排放的基本方法是稀相燃燒，即采用高空 燃比，以減少局部缺氧、降低燃燒溫度。燃料與空氣的混合程度和混合質(zhì) 量與污染物的生成有直接關(guān)系，所以燃料全部或部分預(yù)混合是當(dāng)前各種稀 燃柴油機(jī)的普遍做法。但是，預(yù)混合均質(zhì)壓縮點(diǎn)火存在著壓縮比低、運(yùn)行 范圍窄、著火角度和燃燒速率不易控制等嚴(yán)重缺陷，而且，因?yàn)榇嬖谪毧?燃極限，柴油的稀相燃燒會(huì)導(dǎo)致HC和CO的排放升高。
除了稀相燃燒之外，還有一些技術(shù)也可有效降低柴油機(jī)尾氣排放，例 如，中國(guó)發(fā)明專利02131308.3采用等離子體裂解裝置將柴油裂解為富含 H2和CO氣體，按一定比例摻入柴油燃燒，可降低柴油機(jī)尾氣NOx含量，
并使發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)燃燒更充分，減少HC和CO。
甲醇做為替代燃料，在現(xiàn)階段很受關(guān)注，但摻燒甲醇或直接燃用甲醇 會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)功率下降和醇醛排放超標(biāo)，將甲醇裂解為合成氣再進(jìn)入發(fā)動(dòng) 機(jī)燃燒是一種理想的利用方式。中國(guó)發(fā)明專利CN1779218利用發(fā)動(dòng)機(jī)余 熱實(shí)現(xiàn)甲醇裂解反應(yīng)，此前也有專利85109487.2提出了利用發(fā)動(dòng)機(jī)余熱裂 解碳?xì)淙剂仙筛粴錃怏w，摻入汽油或柴油進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒的方法，其節(jié) 能與環(huán)保效果顯著。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種實(shí)現(xiàn)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)低排放的稀相燃燒方法。
本發(fā)明的又一 目的在于提供實(shí)現(xiàn)上述方法的裝置。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是使柴油在高溫高壓的合成氣中 預(yù)蒸發(fā)，再與過(guò)量壓縮空氣混合燃燒的非預(yù)混合稀相燃燒，該方法可以有 效降低柴油機(jī)尾氣中NOx、顆粒物質(zhì)、未燃燒的碳?xì)浠?HC)和CO 等污染物的含量，克服了稀相燃燒柴油機(jī)運(yùn)行范圍窄、壓縮比低和著火角 度不易控制的缺點(diǎn)。
具體地說(shuō)，本發(fā)明提供的實(shí)現(xiàn)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)低排放的稀相燃燒方法，包 括如下步驟
A) 利用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)排氣的余熱作為主要熱源，使甲醇發(fā)生催化裂解 反應(yīng)，生成富含H2和CO的合成氣，其溫度約400 500'C，壓力約2 3MPa:
B) 將步驟A所述的合成氣與柴油按重量比5 25:l擴(kuò)散混合，使得大 部分柴油以蒸氣或氣溶膠的形式分散在氣相；
C) 按照空燃比約40~60:1的比例吸入過(guò)量空氣，形成燃料混合氣， 并將其壓縮至氣壓接近燃料混合氣1.5倍左右；
D) 將燃料混合氣擠壓進(jìn)入燃燒室與空氣混合，被活塞繼續(xù)壓縮直至 著火并燃燒做功；
E) 燃燒做功完成后，其中的廢氣排出；完成后進(jìn)入新一輪循環(huán)。 所述的方法，其中，甲醇發(fā)生催化裂解反應(yīng)的條件為260 3卯'C,
卜2MPa。
本發(fā)明提供的用于實(shí)現(xiàn)上述方法的裝置，其結(jié)構(gòu)為-
一甲醇催化裂解裝置，與柴油發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管連接，以該排氣管的排氣 為余熱使甲醇催化裂解裝置內(nèi)的甲醇發(fā)生反應(yīng)，生成合成氣；
柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸頂部空間設(shè)置一個(gè)有孔道的具孔活塞，將氣缸分隔 為上下兩個(gè)空間，該具孔活塞沿氣缸軸向作上下滑動(dòng)，進(jìn)行排除廢氣以及 向燃燒室擠壓燃料混合氣；
具孔活塞與缸蓋之間的空間為預(yù)蒸發(fā)室，具孔活塞與活塞之間的空間 作為燃燒室；其中具孔活塞由頂層和底層兩個(gè)部件構(gòu)成，頂層和底層部件 均為分布有相同孔道的圓柱形活塞；頂層部件旋轉(zhuǎn)固定的角度，可與底層 部件的孔道重合與交錯(cuò)，以實(shí)現(xiàn)預(yù)蒸發(fā)室與燃燒室的連通和隔離；
氣缸頂部與預(yù)蒸發(fā)室相通地分別設(shè)置一進(jìn)氣道和噴油嘴，合成氣通過(guò) 進(jìn)氣道注入預(yù)蒸發(fā)室，柴油通過(guò)噴油嘴注入預(yù)蒸發(fā)室。
所述的裝置，其中，甲醇催化裂解裝置在冷啟動(dòng)或余熱量不足時(shí)由輔 助熱源供熱。
所述的裝置，其中，輔助熱源為電爐。 所述的裝置，其中，頂層部件由轉(zhuǎn)動(dòng)控制桿驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)。 所述的裝置，其中，頂層部件與底層部件相位角相差時(shí)，孔道重合
相位角相同時(shí)，孔道位置相互交錯(cuò)，孔道閉合。
所述的裝置，其中，具孔活塞由滑動(dòng)控制桿進(jìn)行控制，使具孔活塞沿
氣缸軸向作上下滑動(dòng)。 本發(fā)明的有益效果
1、 H2和CO可燃極限寬、燃燒速率快，大量H2和CO的存在可使火焰 溫度保持穩(wěn)定，使稀薄燃料在相對(duì)較低的溫度下充分燃燒，不產(chǎn)生有害的
煤煙，對(duì)于降低PM和NOx的排放有顯著效果。同時(shí)，H2和CO增加了缸內(nèi) 的還原氣氛，有利于抑制NOx的生成，并可使部分已經(jīng)生成的NOx還原， 從而降低NOx排放。
2、 柴油噴入合成氣，既得以預(yù)熱，又有更長(zhǎng)的時(shí)間蒸發(fā)擴(kuò)散，與傳 統(tǒng)的直噴式供油方式相比，燃油氣化程度要高得多。燃料混合氣與空氣混 合的過(guò)程，基本上是氣體與氣體的混合，擴(kuò)散速率比油霧在空氣中擴(kuò)散要 快得多，因而混合比較充分。另外，空氣與燃料混合氣的巨大壓差、具孔 活塞對(duì)燃料混合氣的擠壓以及活塞孔道對(duì)混合氣體的導(dǎo)向作用等都有利 于在缸內(nèi)空間形成加速氣體混合的湍流流場(chǎng)。上述因素使得油氣混合質(zhì)量 大大提高，接近預(yù)混合的水平，有助于減少尾氣排放，可減少PM約60W， 并保持較低的HC和CO排放。
3、 由于空氣與燃料在壓縮終點(diǎn)附近才接觸，可有效避免預(yù)混均質(zhì)壓 燃中出現(xiàn)的提前著火現(xiàn)象，使著火角度和燃燒速率易于控制，從而擴(kuò)展丁 運(yùn)行范圍，克服了稀相燃燒柴油機(jī)壓縮比不高的缺點(diǎn)。 4、 利用系統(tǒng)余熱在線制取H2，獲得了高品位燃料，提高了整體熱效 率，并因?yàn)閾綗状剂呀夂铣蓺舛档土瞬裼陀秃摹?br> 5、 采用高空燃比，并綜合上述各種有利因素，可實(shí)現(xiàn)NOx超低排放， 比原來(lái)低95%以上。
6、 裝置體積緊湊，適合做車載發(fā)動(dòng)機(jī)，特別適用于地面分布式供能。


圖1為本發(fā)明所述柴油機(jī)及配套裝置的示意圖。圖中標(biāo)號(hào)表示I 一
柴油機(jī)，n—三效催化單元，m—甲醇泵，iv—甲醇催化裂解裝置，v — 輔助加熱電爐，vi—消音滅火器，VD—電磁閥，vra—柴油泵1—燃燒室，
2—活塞，3-氣缸壁，4—進(jìn)氣閥，5 —派氣閥，6—冷卻水通道，7—預(yù)蒸發(fā) 室，8—具孔活塞底層部件，9一孔道，10—具孔活塞頂層部件，11—缸蓋， 12—噴油嘴，13—進(jìn)氣孔道，14一轉(zhuǎn)動(dòng)控制桿，15—滑動(dòng)控制桿。
圖2為本發(fā)明所述具孔活塞的一個(gè)示例。圖中標(biāo)號(hào)表示IO—活塞頂 層部件(即圖1中的10)， 112 —頂層孔道，3—底層孔道，U4—轉(zhuǎn)動(dòng)控 制桿連桿，115 —滑動(dòng)控制桿連桿。當(dāng)具孔活塞上下兩個(gè)部件的相位角相 差兀/8時(shí)，孔道位置重合，孔道開(kāi)放當(dāng)相位角相同時(shí)，孔道位置相互交 錯(cuò)，孔道閉合。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明能在燃料與空氣不預(yù)混合的情況下使燃料與空氣較好地混合， 并在貧燃情況下維持相對(duì)穩(wěn)定的火焰溫度和較高的燃燒速率，從而實(shí)現(xiàn)全
面降低柴油機(jī)尾氣排放的目的。
柴油發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作時(shí)排氣溫度可達(dá)500'C左右，帶走的熱量大約可 占燃料熱值的30%。本發(fā)明利用此廢氣余熱將甲醇催化裂解制成合成氣， 其主要成分為H2和CO，具有一定的溫度(約400~500'C)和壓力(約 2 3MPa)。柴油按重量比5 25:1的比例高壓噴射到合成氣中，與合成氣混 合，使大部分柴油受熱蒸發(fā)形成蒸氣或氣溶膠。按照空燃比約40 60:1的 比例吸入過(guò)量空氣，壓縮至氣壓接近燃料混合氣1.5倍左右，通過(guò)特定控 制裝置實(shí)現(xiàn)燃料混合氣與空氣在氣缸內(nèi)的混合，混合的同時(shí)繼續(xù)壓縮并誘 發(fā)柴油多點(diǎn)著火，使混合氣體邊擴(kuò)散邊燃燒，放出熱量推動(dòng)活塞做功。
本發(fā)明還提出了實(shí)現(xiàn)上述燃燒方法的專用裝置在傳統(tǒng)四沖程柴油發(fā) 動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上，在氣缸上部增加一個(gè)具有孔道的活塞，該孔道的開(kāi)放與閉 合是可以控制的；當(dāng)孔道閉合時(shí)，缸內(nèi)空間被分隔成兩個(gè)部分，--部分空 間用于實(shí)現(xiàn)柴油在合成氣中的預(yù)蒸發(fā)過(guò)程，另一部分空間用于壓縮空氣； 當(dāng)孔道開(kāi)放時(shí)，具孔活塞可提升至氣缸頂部，被分隔的空間合二為一，可 以實(shí)現(xiàn)空氣與燃料混合氣的擴(kuò)散、混合與燃燒過(guò)程。
與傳統(tǒng)四沖程柴油機(jī)一樣，本發(fā)明所述柴油機(jī)的活塞運(yùn)行過(guò)程也包括 了吸氣、壓縮、做功和排氣四個(gè)沖程，不同之處主要在于氣缸頂部的具孔 活塞的運(yùn)行。具體運(yùn)行程序如下(請(qǐng)結(jié)合圖1):
l)排氣沖程完成后，進(jìn)氣閥4上升，此時(shí)，活塞2正從其上止點(diǎn)下 行，隨著活塞下行，空氣流入氣缸，活塞下行至下止點(diǎn)，進(jìn)氣閥關(guān)閉，吸 氣沖程完成；
2)在慣性力作用下，活塞上行至接近上止點(diǎn)附近的某一時(shí)刻，缸內(nèi)空
氣壓力約為3MPa左右(視具體壓縮比工況不同)，啟動(dòng)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置， 以脈沖電機(jī)驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)裝置(例如齒輪)，帶動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)控制桿14轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而 帶動(dòng)具孔活塞頂層部件IO轉(zhuǎn)動(dòng)一特定角度(視孔道的具體分布形式確定， 如圖2所示的情況，該角度設(shè)為:i/8),使具孔活塞上下兩層部件的孔道9 重合，即孔道開(kāi)放，同時(shí)，以脈沖電機(jī)驅(qū)動(dòng)凸輪或齒輪等傳動(dòng)裝置，帶動(dòng) 滑動(dòng)控制桿15上升，借助燃燒室1與預(yù)蒸發(fā)室7兩個(gè)空間內(nèi)的氣體壓差， 將具孔活塞8、 10由其下止點(diǎn)提升至緊貼缸蓋11內(nèi)壁，使預(yù)蒸發(fā)室內(nèi)氣 體通過(guò)孔道被擠入燃燒室，由于預(yù)蒸發(fā)室內(nèi)燃料氣體是經(jīng)過(guò)預(yù)熱蒸發(fā)的， 在與高溫空氣接觸的瞬間即可產(chǎn)生多處著火點(diǎn)；活塞則繼續(xù)上行至上止 點(diǎn)，壓縮沖程完成；有關(guān)驅(qū)動(dòng)裝置以及傳動(dòng)裝置等機(jī)構(gòu)為公知技術(shù)，因此 不作詳細(xì)敘述，也不推薦附圖。
3) 混合氣體在燃燒室邊擴(kuò)散邊燃燒，放出熱量推動(dòng)活塞下行，旋轉(zhuǎn)驅(qū) 動(dòng)裝置在活塞下行初期啟動(dòng)，使具孔活塞孔道閉合，在缸內(nèi)氣壓接近外部 甲醇裂解合成氣的壓力時(shí)，開(kāi)啟電磁閥VH，使合成氣由進(jìn)氣孔道13注入 預(yù)蒸發(fā)室，并借助其壓力推動(dòng)具孔活塞下行直至其下止點(diǎn)，并由滑動(dòng)控制 桿15將其鎖定，繼續(xù)通入合成氣至設(shè)定壓力，通常為2MPa左右；活塞 下行至下止點(diǎn)，做功沖程完成；
4) 排氣閥5上升，活塞由下行轉(zhuǎn)入上行，將廢氣排出氣缸，排氣閥關(guān) 閉，排氣沖程完成；在此過(guò)程開(kāi)始至具孔活塞孔道開(kāi)放之前的相對(duì)較長(zhǎng)的 時(shí)間內(nèi)，預(yù)蒸發(fā)室7內(nèi)的變化依次為繼續(xù)充合成氣、噴油(由噴油嘴12
控制)以及油霧在合成氣中的擴(kuò)散、蒸發(fā)和混合。
5)廢氣排出后，先經(jīng)過(guò)三效催化單元II，使廢氣中的HG CO和PM，以及硫酸鹽等其它雜質(zhì)得到進(jìn)一步凈化，催化單元發(fā)生的反應(yīng)主要是放熱 反應(yīng)，可略微提高廢氣熱能；凈化后的廢氣進(jìn)入換熱器，放出熱量為甲醇 裂解反應(yīng)供熱，然后經(jīng)過(guò)消音滅火排放；甲醇熱裂解反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，反
應(yīng)溫度260~390'C，壓力1 2MPa，催化劑為市售商品，轉(zhuǎn)化率可達(dá)95% 以上，所制合成氣的壓力通?？刂圃? 3MPa為宜，并通過(guò)換熱調(diào)節(jié)至 400-500。C 。
權(quán)利要求
1. 一種實(shí)現(xiàn)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)低排放的稀相燃燒方法，其特征在于包括如下步驟A)利用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)排氣的余熱作為主要熱源，使甲醇發(fā)生催化裂解反應(yīng)，生成富含H2和CO的合成氣，其溫度約400～500℃，壓力約2～3MPa；B)將步驟A所述的合成氣與柴油按重量比5～25∶1擴(kuò)散混合，使得大部分柴油以蒸氣或氣溶膠的形式分散在氣相；C)按照空燃比約40～60∶1的比例吸入過(guò)量空氣，形成燃料混合氣，并將其壓縮至氣壓接近燃料混合氣1.5倍左右；D)將燃料混合氣擠壓進(jìn)入燃燒室與空氣混合，被活塞繼續(xù)壓縮直至著火并燃燒做功；E)燃燒做功完成后，其中的廢氣排出；完成后進(jìn)入新一輪循環(huán)。
2、 如權(quán)利要求1所述的方法，其中，甲醇發(fā)生催化裂解反應(yīng)的條件 為260 390。C，卜2MPa。
3、 一種實(shí)現(xiàn)如權(quán)利要求l所述方法的裝置，其結(jié)構(gòu)為 一甲醇催化裂解裝置，與柴油發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管連接，以該排氣管的排氣為余熱使甲醇催化裂解裝置內(nèi)的甲醇發(fā)生反應(yīng)，生成合成氣；柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸頂部空間設(shè)置一個(gè)有孔道的具孔活塞，將氣缸分隔為上下兩個(gè)空間，該具孔活塞沿氣缸軸向作上下滑動(dòng)，進(jìn)行排除廢氣以及向燃燒室擠壓燃料混合氣；具孔活塞與缸蓋之間的空間為預(yù)蒸發(fā)室，具孔活塞與活塞之間的空間作為燃燒室；其中具孔活塞由頂層和底層兩個(gè)部件構(gòu)成，頂層和底層部件 均為分布有相同孔道的圓柱形活塞；頂層部件旋轉(zhuǎn)固定的角度，可與底層 部件的孔道重合與交錯(cuò)，以實(shí)現(xiàn)預(yù)蒸發(fā)室與燃燒室的連通和隔離；氣缸頂部與預(yù)蒸發(fā)室相通地分別設(shè)置一進(jìn)氣道和噴油嘴，合成氣通過(guò) 進(jìn)氣道注入預(yù)蒸發(fā)室，柴油通過(guò)噴油嘴注入預(yù)蒸發(fā)室。
4、 如權(quán)利要求3所述的裝置，其中，甲醇催化裂解裝置在冷啟動(dòng)或 余熱量不足時(shí)由輔助熱源供熱。
5、 如權(quán)利要求4所述的裝置，其中，輔助熱源為電爐。
6、 如權(quán)利要求3所述的裝置，其中，頂層部件由轉(zhuǎn)動(dòng)控制桿驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)。
7、 如權(quán)利要求3或6所述的裝置，其中，頂層部件與底層部件相位 角相差時(shí)，孔道重合；相位角相同時(shí)，孔道位置相互交錯(cuò)，孔道閉合。
8、 如權(quán)利要求3所述的裝置，其中，具孔活塞由滑動(dòng)控制桿進(jìn)行控 制，使具孔活塞沿氣缸軸向作上下滑動(dòng)。
全文摘要
一種實(shí)現(xiàn)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)低排放的稀相燃燒方法及其裝置，柴油噴入高溫高壓的合成氣中預(yù)蒸發(fā)，再與已壓縮的過(guò)量空氣混合燃燒；合成氣是利用柴油機(jī)廢氣余熱催化裂解甲醇制得的；柴油預(yù)蒸發(fā)過(guò)程在預(yù)蒸發(fā)室完成，預(yù)蒸發(fā)室與燃燒室之間設(shè)有具孔活塞，可控制兩個(gè)空間的連通與分隔，當(dāng)空氣壓縮接近終點(diǎn)時(shí)，具孔活塞開(kāi)放其孔道，并在巨大氣體壓差的沖擊和滑動(dòng)控制桿的驅(qū)動(dòng)下瞬間提升到氣缸頂部，將預(yù)蒸發(fā)室內(nèi)氣體擠壓到燃燒室內(nèi)與空氣混合并燃燒。本發(fā)明可使柴油機(jī)NOx排放降低95％以上，PM減少60％以上，保持較低的HC和CO排放，并可克服現(xiàn)有稀相燃燒柴油機(jī)運(yùn)行范圍窄、壓縮比低以及著火角度不易控制等缺點(diǎn)。
文檔編號(hào)F02M25/12GK101205856SQ20061016554
公開(kāi)日2008年6月25日 申請(qǐng)日期2006年12月21日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月21日
發(fā)明者石 劉, 凡 姜, 李志宏, 梁世強(qiáng), 琪 陳 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所