專利名稱：高十六烷值燃料引燃改質(zhì)天然氣的低溫燃燒方法及系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及內(nèi)燃技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種高十六烷值燃料引燃改質(zhì)天然氣的低溫燃燒方法及系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
天然氣是全球儲(chǔ)量大的清潔能源，用在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)上，采用火花點(diǎn)燃模式已得到廣泛應(yīng)用。為進(jìn)一步提高效率，壓燃模式成為近年來國際研發(fā)熱點(diǎn)，國內(nèi)關(guān)于天然氣在壓燃模式的燃燒研究主要在2000年以后，清華大學(xué)(2000年)，吉林大學(xué)(2000年)，天津大學(xué)(2002年)，西安交通大學(xué)(2002年)，山東大學(xué)(2011年)等陸續(xù)開展過柴油摻燒天然氣的發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和燃燒排放特性研究，采用的是天然氣進(jìn)氣道預(yù)混、柴油缸內(nèi)直噴的技術(shù)路線。國外柴油-天然氣雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)商用化的大部分廠家(如Volvo, Bosch, Clean AirPower, Hardstaff等)采用的也都是上述相同的技術(shù)路線。這些研發(fā)普遍存在3個(gè)技術(shù)瓶頸尚未突破:1)大負(fù)荷時(shí)爆震，碳煙和NOx排放降低有限；2)小負(fù)荷時(shí)HC (碳?xì)浠衔?和CO排放高；3)天然氣燃料替代柴油率不高。為解決大負(fù)荷爆震的問題，加拿大西港近年來開發(fā)了柴油引燃缸內(nèi)直噴天然氣的HPDI系統(tǒng)，使得發(fā)動(dòng)機(jī)能夠達(dá)到與同等柴油機(jī)相同的扭矩和功率，天然氣替代柴油率能達(dá)到90%以上，但還存在上述NOx排放高、系統(tǒng)復(fù)雜和成本高問題?？傮w來看，國際上天然氣雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，都是采用高溫引燃燃燒模式，仍然存在著上述3個(gè)技術(shù)瓶頸沒有解決。

發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術(shù)問題本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種高十六烷值燃料引燃改質(zhì)天然氣的低溫燃燒方法及系統(tǒng)，可以提高天然氣燃料替代率，更進(jìn)一步地，可在大負(fù)荷時(shí)抑制爆震并減少NOx，小負(fù)荷時(shí)減少HC和CO排放。(二)技術(shù)方案為達(dá)上述目的，本發(fā)明提供一種高十六烷值燃料引燃改質(zhì)天然氣的低溫燃燒方法，高十六烷值燃料缸內(nèi)直噴引燃天然氣混合氣，所述天然氣混合氣中包括部分經(jīng)過改質(zhì)的天然氣，所述天然氣經(jīng)過改質(zhì)產(chǎn)生的氣體包括H2和CO。優(yōu)選的，在廢氣再循環(huán)系統(tǒng)中設(shè)有天然氣催化改質(zhì)器，將部分天然氣引入廢氣再循環(huán)系統(tǒng)并在所述天然氣催化改質(zhì)器中產(chǎn)生H2和CO，同時(shí)回收部分廢氣能量。優(yōu)選的，所述混合氣中引入20% 40%的再循環(huán)廢氣。優(yōu)選的，所述混合氣包括天然氣、H2、CO、CO2, H2O, O2和N2。優(yōu)選的，高十六烷值燃料噴射次數(shù)為單次、兩次或三次，柴油噴射時(shí)刻變化范圍是-90。CA ATDC 20° CA ATDC。優(yōu)選的，所述高十六烷值燃料為石化柴油、生物柴油或二甲醚。
一種高十六烷值燃料引燃改質(zhì)天然氣的低溫燃燒系統(tǒng)，其包括發(fā)動(dòng)機(jī)以及設(shè)于天然氣氣源與發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣道之間的天然氣氣路和改質(zhì)氣氣路，所述進(jìn)氣道的一端伸入發(fā)動(dòng)機(jī)的缸內(nèi)；所述改質(zhì)氣氣路與所述進(jìn)氣道之間設(shè)有天然氣催化改質(zhì)器，進(jìn)入所述改質(zhì)氣氣路內(nèi)的天然氣經(jīng)所述天然氣催化改質(zhì)器改質(zhì)后產(chǎn)生H2和CO ;發(fā)動(dòng)機(jī)的噴油器與高十六烷值燃料油箱相連，且所述噴油器的噴油口設(shè)于所述發(fā)動(dòng)機(jī)的缸內(nèi)。優(yōu)選的，所述改質(zhì)氣氣路一端與所述天然氣氣源連接，且另一端與發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣再循環(huán)系統(tǒng)的EGR管路連接，所述EGR管路上設(shè)有所述天然氣催化改質(zhì)器。優(yōu)選的，所述天然氣氣路和改質(zhì)氣氣路分別設(shè)有閥門。優(yōu)選的，所述閥門與控制系統(tǒng)連接。(三)有益效果本發(fā)明采用上述技術(shù)方案提供的高十六烷值燃料引燃改質(zhì)天然氣的低溫燃燒方法及系統(tǒng)，在高壓縮比(15 17)發(fā)動(dòng)機(jī)基礎(chǔ)上，進(jìn)氣道引入部分改質(zhì)的天然氣，高十六烷值燃料缸內(nèi)直噴引燃燃燒，總體燃空當(dāng)量比為稀燃模式，可以提高點(diǎn)燃式天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率，而提高天然氣燃料替代柴油率；部分天然氣在廢氣再循環(huán)系統(tǒng)(EGR)中利用廢氣余熱進(jìn)行改質(zhì)，生成H2與CO的合成氣，天然氣改質(zhì)反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，起到了余熱回收利用的效果，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的總體效率；催化改質(zhì)氣體與其余的天然氣及空氣混合，形成可燃混合氣(主要成分為:天然氣、H2、CO、C02，H2O, O2和N2)進(jìn)入缸內(nèi)，利用少量高十六烷值燃料直噴引燃均質(zhì)含氫天然氣；由于含氫混合氣加快火焰速度改進(jìn)燃燒，使得EGR上限提高。采用較高比例(20% 40%) EGR實(shí)現(xiàn)低溫燃燒，抑制爆震的同時(shí)降低NOx和碳煙排放；可以用生物柴油、二甲醚等替換常規(guī)的石化柴油引燃改質(zhì)天然氣燃燒，進(jìn)一步降低微粒排放。本發(fā)明主要有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢:1)可以較現(xiàn)有的點(diǎn)燃式天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率提高30%，達(dá)到柴油機(jī)水平；
2)排放可以達(dá)到歐5排放標(biāo)準(zhǔn)；3)發(fā)動(dòng)機(jī)使用成本和生產(chǎn)成本均大幅低于同排放標(biāo)準(zhǔn)的柴油機(jī)；4)可在大負(fù)荷時(shí)抑制爆震并減少NOx，小負(fù)荷時(shí)減少HC和CO排放，同時(shí)所需的引燃高十六烷值燃料量少。


圖1是本發(fā)明高十六烷值燃料引燃改質(zhì)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。圖中，1:天然氣氣源；2:天然氣氣路；3:進(jìn)氣道；4:改質(zhì)氣氣路；5:天然氣催化改質(zhì)器；6:EGR管路；7 =EGR閥；8:排氣管；9:噴油器；10:高十六烷值燃料油箱。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明的高十六烷值燃料引燃改質(zhì)天然氣的低溫燃燒方法及系統(tǒng)作進(jìn)一步詳細(xì)說明。以下實(shí)施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。本發(fā)明的高十六烷值燃料引燃改質(zhì)天然氣的低溫燃燒方法(RCII——ReformedCharge Induced Ignition),高十六燒值燃料在發(fā)動(dòng)機(jī)的缸內(nèi)直噴引燃部分經(jīng)過改質(zhì)的天然氣混合氣而實(shí)現(xiàn)低溫燃燒，天然氣經(jīng)過改質(zhì)產(chǎn)生的氣體主要包括H2和CO，因H2的燃點(diǎn)低于天然氣的燃點(diǎn)，使得高十六烷值燃料缸內(nèi)直噴更容易引燃含有一定H2的天然氣混合氣，從而實(shí)現(xiàn)低溫燃燒。在高壓縮比(15 17)發(fā)動(dòng)機(jī)基礎(chǔ)上，進(jìn)氣道引入部分改質(zhì)的天然氣，高十六烷值燃料缸內(nèi)直噴引燃燃燒，總體燃空當(dāng)量比為稀燃模式，可以提高點(diǎn)燃式天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率，而且提高天然氣燃料替代率。其中，高十六烷值燃料是指自燃性好的燃料。在廢氣再循環(huán)系統(tǒng)中設(shè)有天然氣催化改質(zhì)器，將部分天然氣引入廢氣再循環(huán)系統(tǒng)并在天然氣催化改質(zhì)器中產(chǎn)生H2和CO，同時(shí)回收部分廢氣能量?；旌蠚庵幸?0% 40%的再循環(huán)廢氣實(shí)現(xiàn)低溫燃燒，并降低NOx和碳煙排放。部分天然氣在廢氣再循環(huán)系統(tǒng)(EGR)中利用廢氣余熱進(jìn)行改質(zhì)，生成H2與CO的合成氣，天然氣改質(zhì)反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，起到了余熱回收利用的效果，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的總體效率。催化改質(zhì)氣體與其余的天然氣及空氣混合，形成可燃的天然氣混合氣(主要成分為:天然氣、H2、CO、CO2, H2O, O2和N2)進(jìn)入缸內(nèi)，利用少量高十六烷值燃料直噴引燃均質(zhì)含氫天然氣混合氣。由于含氫混合氣加快火焰速度改進(jìn)燃燒，使得EGR上限提高，而同時(shí)采用較高比例(20% 409OEGR實(shí)現(xiàn)低溫燃燒，抑制爆震的同時(shí)降低NOx和碳煙排放。高十六烷值燃料噴射次數(shù)為單次、兩次或三次。柴油噴射時(shí)刻在壓縮上止點(diǎn)附近，噴油器開始噴油時(shí)，活塞距離壓縮達(dá)上止點(diǎn)的曲軸轉(zhuǎn)角，即噴油時(shí)刻。本實(shí)施例中的噴油時(shí)刻變化范圍是-90° CA ATDC 20° CA ATDC (CA ATDC指的是上止點(diǎn)后的曲軸轉(zhuǎn)角)。同時(shí)，此處的高十六烷值燃料可以為常規(guī)的用石油提煉的石化柴油，也可以用生物柴油、二甲醚、低辛烷值汽油或天然氣制油(GTL)等替換石化柴油引燃改質(zhì)天然氣燃燒，如此可進(jìn)一步降低微粒排放，減少廢氣污染，從而更符合未來高效清潔能源的發(fā)展方向。如圖1所示，本發(fā)明的高十六烷值燃料引燃改質(zhì)天然氣的低溫燃燒系統(tǒng)包括在柴油發(fā)動(dòng)機(jī)基礎(chǔ)上增加的天然氣燃料供給系統(tǒng)。天然氣燃料供給系統(tǒng)包括天然氣氣源I和天然氣供氣管路。天然氣供氣管路分兩路:天然氣氣路2和改質(zhì)氣氣路4，其一，從天然氣氣源I引入天然氣燃料經(jīng)天然氣氣路2進(jìn)入進(jìn)氣道3，其二，從天然氣氣源I引入天然氣燃料經(jīng)改質(zhì)氣氣路4進(jìn)入廢氣再循環(huán)系統(tǒng)(EGR)。其中，天然氣氣路2和改質(zhì)氣氣路4上分別設(shè)有閥門，閥門與控制系統(tǒng)連接，控制系統(tǒng)可根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的工況對進(jìn)入天然氣氣路2和改質(zhì)氣氣路4的氣體量進(jìn)行調(diào)節(jié)。EGR系統(tǒng)包括EGR管路6和EGR閥7等，在EGR管路6上增設(shè)天然氣催化改質(zhì)器5，改質(zhì)氣氣路4引入的部分天然氣燃料在天然氣催化改質(zhì)器5中發(fā)生分解反應(yīng)，回收部分廢氣能量的同時(shí)產(chǎn)生H2和CO。廢氣、H2和CO的混合氣再通過EGR管路6回到進(jìn)氣道3中，與從天然氣氣路2引入的天然氣和進(jìn)入進(jìn)氣道3的空氣混合進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)。發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣道3的一端伸入發(fā)動(dòng)機(jī)的缸內(nèi)，發(fā)動(dòng)機(jī)的噴油器9與高十六燒值燃料油箱10相連，且噴油器的噴油口設(shè)于發(fā)動(dòng)機(jī)的缸內(nèi)。廢氣、H2, CO、天然氣和空氣的混合氣被壓縮到發(fā)動(dòng)機(jī)上止點(diǎn)附近時(shí)，從高十六烷值燃料油箱10引入少量高十六烷值燃料通過噴油器9的噴油口直接噴射到缸內(nèi)而引燃均質(zhì)含氫天然氣混合氣，缸內(nèi)排出的廢氣經(jīng)排氣管8排出，或經(jīng)與排氣管8相連的EGR管路6進(jìn)入EGR系統(tǒng)進(jìn)行廢氣再循環(huán)。由于含氫天然氣混合氣加快火焰速度改進(jìn)燃燒，可以使得EGR上限提高。利用較高比例(20% 40%)的EGR率可實(shí)現(xiàn)低溫燃燒，抑制爆震的同時(shí)降低NOx和碳煙排放。根據(jù)本發(fā)明的方法及系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，采用這種燃燒方法時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的平均有效壓力(MEP)為20bar，大負(fù)荷工作時(shí)不粗暴(最大壓力升高率小于5bar/CA)，NOx排放約為0.lg/kff.h，碳煙排放接近零，所需的引燃高十六烷值燃料量少(8%)。采用本發(fā)明的方法有如下優(yōu)勢:1)可以較現(xiàn)有的點(diǎn)燃式天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率提高30%，達(dá)到柴油機(jī)水平；2)排放可以達(dá)到歐5排放標(biāo)準(zhǔn)；3)發(fā)動(dòng)機(jī)使用成本和生產(chǎn)成本均大幅低于同排放標(biāo)準(zhǔn)的柴油機(jī)；4)可在大負(fù)荷時(shí)抑制爆震并減少NOx，小負(fù)荷時(shí)減少HC和CO排放，同時(shí)所需的引燃柴油量少。本發(fā)明提供的高十六烷值燃料引燃改質(zhì)天然氣的低溫燃燒方法及系統(tǒng)(RCII——Reformed Charge Induced Ignition),可以同時(shí)解決天然氣-柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的3個(gè)技術(shù)瓶頸:1)大負(fù)荷時(shí)爆震，碳煙和NOx排放降低有限；2)小負(fù)荷時(shí)HC和CO排放高；3)天然氣燃料替代柴油率不高。本發(fā)明有益于我國現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品技術(shù)升級，產(chǎn)業(yè)化前景好。以上實(shí)施方式僅用于說明本發(fā)明，而并非對本發(fā)明的限制，有關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，還可以做出各種變化和變型，因此所有等同的技術(shù)方案也屬于本發(fā)明的范疇。
權(quán)利要求
1.一種高十六烷值燃料引燃改質(zhì)天然氣的低溫燃燒方法，包括高十六烷值燃料缸內(nèi)直噴引燃天然氣混合氣，其特征在于:所述天然氣混合氣中包括部分經(jīng)過改質(zhì)的天然氣，所述天然氣經(jīng)過改質(zhì)產(chǎn)生的氣體包括H2和CO。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高十六烷值燃料引燃改質(zhì)天然氣的低溫燃燒方法，其特征在于:在廢氣再循環(huán)系統(tǒng)中設(shè)有天然氣催化改質(zhì)器，將部分天然氣引入廢氣再循環(huán)系統(tǒng)并在所述天然氣催化改質(zhì)器中產(chǎn)生H2和CO，同時(shí)回收部分廢氣能量。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的高十六烷值燃料引燃改質(zhì)天然氣的低溫燃燒方法，其特征在于:所述混合氣中引入20% 40%的再循環(huán)廢氣。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高十六烷值燃料引燃改質(zhì)天然氣的低溫燃燒方法，其特征在于:所述混合氣包括天然氣、H2、CO、CO2, H2O, O2和N2。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高十六烷值燃料引燃改質(zhì)天然氣的低溫燃燒方法，其特征在于:高十六烷值燃料噴射次數(shù)為單次、兩次或三次，高十六烷值燃料噴射時(shí)刻變化范圍是-90。CA ATDC 20° CAATDC。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高十六烷值燃料引燃改質(zhì)天然氣的低溫燃燒方法，其特征在于:所述高十六烷值燃料為石化柴油、生物柴油或二甲醚。
7.一種高十六烷值燃料引燃改質(zhì)天然氣的低溫燃燒系統(tǒng)，其特征在于:所述低溫燃燒系統(tǒng)包括發(fā)動(dòng)機(jī)以及設(shè)于天然氣氣源(I)與發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣道(3)之間的天然氣氣路(2)和改質(zhì)氣氣路(4)，所述進(jìn)氣道(3)的一端伸入發(fā)動(dòng)機(jī)的缸內(nèi)；所述改質(zhì)氣氣路(4)與所述進(jìn)氣道(3 )之間設(shè)有天然氣催化改質(zhì)器(5 )，進(jìn)入所述改質(zhì)氣氣路(4 )內(nèi)的天然氣經(jīng)所述天然氣催化改質(zhì)器(5)改質(zhì)后產(chǎn)生H2和CO ;發(fā)動(dòng)機(jī)的噴油器(9)與高十六烷值燃料油箱(10)相連，且所述噴油器(9)的噴油口設(shè)于所述發(fā)動(dòng)機(jī)的缸內(nèi)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的高十六烷值燃料引燃改質(zhì)天然氣的低溫燃燒系統(tǒng)，其特征在于:所述改質(zhì)氣氣路(4) 一端與所述天然氣氣源(I)連接，且另一端與發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣再循環(huán)系統(tǒng)的EGR管路(6 )連接，所述EGR管路(6 )上設(shè)有所述天然氣催化改質(zhì)器(5 )。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的高十六烷值燃料引燃改質(zhì)天然氣的低溫燃燒系統(tǒng)，其特征在于:所述天然氣氣路(2)和改質(zhì)氣氣路(4)分別設(shè)有閥門。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的高十六烷值燃料引燃改質(zhì)天然氣的低溫燃燒系統(tǒng)，其特征在于:所述閥門與控制系統(tǒng)連接。
全文摘要
本發(fā)明涉及內(nèi)燃機(jī)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種高十六烷值燃料引燃改質(zhì)天然氣的低溫燃燒方法及系統(tǒng)，高十六烷值燃料缸內(nèi)直噴引燃部分經(jīng)過改質(zhì)的天然氣混合氣實(shí)現(xiàn)低溫燃燒，天然氣經(jīng)過改質(zhì)產(chǎn)生的氣體包括H2和CO。在廢氣再循環(huán)系統(tǒng)中設(shè)有天然氣催化改質(zhì)器，將部分天然氣引入廢氣再循環(huán)系統(tǒng)并在天然氣催化改質(zhì)器中產(chǎn)生H2和CO，同時(shí)回收部分廢氣能量。本發(fā)明主要有以下優(yōu)勢1)可以較現(xiàn)有的點(diǎn)燃式天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率提高30%，達(dá)到柴油機(jī)水平；2)排放可以達(dá)到歐5排放標(biāo)準(zhǔn)；3)發(fā)動(dòng)機(jī)使用和生產(chǎn)成本均大幅低于同排放標(biāo)準(zhǔn)的柴油機(jī)；4)可在大負(fù)荷時(shí)抑制爆震并減少NOx，小負(fù)荷時(shí)減少HC和CO排放，同時(shí)所需的引燃高十六烷值燃料量少。
文檔編號F02G5/02GK103195553SQ201310110548
公開日2013年7月10日 申請日期2013年4月1日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月1日
發(fā)明者王志, 何鑫, 帥石金, 王建昕 申請人:清華大學(xué)