本實(shí)用新型屬于內(nèi)燃機(jī)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種使用甲醇基燃料的壓燃式內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)及其運(yùn)行方法。
背景技術(shù)：
甲醇基燃料作為一種新型替代能源，以其“價(jià)格低廉、經(jīng)濟(jì)性高、動(dòng)力強(qiáng)勁、清潔環(huán)?！钡葍?yōu)越性能，成為替代石油的理想產(chǎn)品。由于甲醇容易被點(diǎn)燃，在火花塞點(diǎn)燃式汽油發(fā)動(dòng)機(jī)上實(shí)施甲醇基燃料替代技術(shù)在我國已經(jīng)比較成熟，并已在五個(gè)省市(山西、陜西、上海、甘肅、貴州)推廣應(yīng)用。相比而言，在我國柴油比汽油更緊缺，而且柴油機(jī)因其高壓縮比而產(chǎn)生更高的熱功效率。因此，在柴油機(jī)上開發(fā)甲醇基燃料替代技術(shù)更具挑戰(zhàn)性，也更具有現(xiàn)實(shí)意義。
由于柴油機(jī)是高壓縮比壓燃式內(nèi)燃機(jī)，聚甲氧基二甲醚、液態(tài)DME等高十六烷值的液體醚類燃料可以像柴油一樣直接被壓燃；但這些替代燃料與同等熱值的甲醇相比，存在制造工藝復(fù)雜、成本較高、經(jīng)濟(jì)效益較差等問題。甲醇價(jià)格低、替代柴油的經(jīng)濟(jì)效益顯著，但其十六烷值非常低，只有3左右，純甲醇和高比例甲醇基燃料因?yàn)槭橹堤投鵁o法壓燃，應(yīng)用到壓燃式柴油機(jī)上的技術(shù)難度很大。二甲醚在壓燃式內(nèi)燃機(jī)上容易壓燃，可以用于甲醇基燃料的引燃劑，但因其在因常溫下呈氣態(tài)，故需要配備高壓儲(chǔ)存罐來存儲(chǔ)，這給使用壓燃式內(nèi)燃機(jī)的車輛帶來額外負(fù)擔(dān)，因?yàn)楦邏喝萜鲾y帶不便且存在安全隱患。
目前在柴油機(jī)上的甲醇基燃料替代技術(shù)路線只有兩大類：一是用柴油啟動(dòng)壓燃，然后從氣相噴入少量甲醇實(shí)現(xiàn)低比例摻燒；二是在柴油機(jī)氣缸上安裝火花塞，來點(diǎn)燃甲醇基燃料。前者因替代比例較太低經(jīng)濟(jì)效益不明顯；后者對柴油機(jī)的本體改造較大，難度較高，客戶難以接受。
如何在壓燃式內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)甲醇基燃料對柴油燃料的大比例替代甚至是完全替代，同時(shí)又不需要對內(nèi)燃機(jī)進(jìn)行較大改動(dòng)，并且又不需要額外配備引燃劑高壓存儲(chǔ)罐，這是本領(lǐng)域亟待解決的問題。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
為解決上述問題，本實(shí)用新型綜合考慮壓燃式內(nèi)燃機(jī)的工作原理和甲醇基燃料的燃燒特性，克服了現(xiàn)有技術(shù)的不足，開發(fā)出一種使用甲醇基燃料的壓燃式內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)。所開發(fā)的系 統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)氣態(tài)引燃劑二甲醚(DMEV)的在線制備和穩(wěn)定、連續(xù)、精確向內(nèi)燃機(jī)供給，解決了壓燃式內(nèi)燃機(jī)中甲醇基燃料因十六烷值低無法直接壓燃的技術(shù)問題，實(shí)現(xiàn)了甲醇基燃料在壓燃式內(nèi)燃機(jī)中對柴油燃料的完全替代，且無需使用高壓引燃劑儲(chǔ)罐。
本實(shí)用新型第一方面提供一種使用甲醇基燃料的壓燃式內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)，其特征在于，其包括：
壓燃式內(nèi)燃機(jī)(N101)，其具有空氣入口(N101-1)和燃料入口(N101-2)；
供氣系統(tǒng)，其包括串聯(lián)的空氣增壓器(C101)和混合器(M101)，所述混合器(M101)的出口連接至所述空氣入口(N101-1)；
供燃料系統(tǒng)，其包括串聯(lián)的燃料箱(J101)和燃料泵(P101)，燃料泵(P101)的下游連接至所述燃料入口(N101-2)；
引燃劑在線制備器(R101)，其上游也連接至燃料泵(P101)，其下游連接至所述混合器(M101)；且其內(nèi)部具有催化劑床層。
優(yōu)選地，所述混合器(M101)為靜態(tài)混合器，其內(nèi)部具有曲折的氣流通道。
優(yōu)選地，在所述燃料泵(P101)出口與所述引燃劑在線制備器(R101)入口之間設(shè)有至少一個(gè)換熱器以對所述燃料進(jìn)行預(yù)熱。
優(yōu)選地，在所述燃料泵(P101)出口與所述引燃劑在線制備器(R101)入口之間設(shè)有串聯(lián)的兩個(gè)換熱器，上游是內(nèi)燃機(jī)冷卻水換熱器(E101)，下游是引燃劑在線制備器進(jìn)出口換熱器(E102)，以對所述燃料進(jìn)行梯級預(yù)熱。
優(yōu)選地，在引燃劑在線制備器進(jìn)出口換熱器(E102)與所述引燃劑在線制備器(R101)入口之間的管路上設(shè)有至少一個(gè)電加熱器(E103)以在所述內(nèi)燃機(jī)(N101)冷啟動(dòng)時(shí)對所述燃料進(jìn)行預(yù)熱。
優(yōu)選地，本實(shí)用新型中所述的使用甲醇基燃料的壓燃式內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)也可以包括一個(gè)備用的引燃劑儲(chǔ)罐，以便在所述引燃劑在線制備器剛啟動(dòng)時(shí)或發(fā)生故障時(shí)，向所述壓燃式內(nèi)燃機(jī)中供應(yīng)引燃劑。
其中用于將甲醇縮水轉(zhuǎn)化成二甲醚或甲氧基二甲醚(DMMN)的催化劑是已知的，例如化工領(lǐng)域常見的固體酸類催化劑。
本實(shí)用新型第二方面提供上述任一項(xiàng)所述的使用甲醇基燃料的壓燃式內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)的操作方法，包括如下步驟：
A、用燃料泵(P101)將甲醇基燃料從燃料箱(J101)中泵出，并使所述甲醇基燃料分為兩路，第一路作為燃料通往壓燃式內(nèi)燃機(jī)(N101)的燃料入口(N101-2)，第二路通往引燃劑在線制備器(R101)，在那里通過在線反應(yīng)生產(chǎn)引燃劑，并將引燃劑通往混合器(M101)；與 此同時(shí)，用空氣增壓器(C101)將空氣也通入混合器(M101)，使得所述引燃劑與所述空氣充分混合得到引燃劑-空氣混合物；
B、使壓燃式內(nèi)燃機(jī)依次按照吸氣沖程、壓縮沖程、燃燒沖程和排氣沖程反復(fù)循環(huán)，其中，在吸氣沖程中將所述引燃劑-空氣混合物經(jīng)由所述空氣入口通入氣缸；然后運(yùn)行壓縮沖程，在此沖程末尾將所述引燃劑-空氣混合物壓燃；然后將第一路燃料噴入氣缸進(jìn)行燃燒以使壓燃式內(nèi)燃機(jī)運(yùn)行燃燒沖程，并對外做功；最后，運(yùn)行所述排氣沖程，將燃燒尾氣排出氣缸。
其中所述第二路甲醇基燃料占泵出的甲醇基燃料總流量的5-10％，所述第一路甲醇基燃料占泵出的甲醇基燃料總流量的90-95％。
在本實(shí)用新型第二方面的優(yōu)選方案中，在步驟A中，第二路甲醇基燃料在通往引燃劑在線制備器之前，依次經(jīng)過內(nèi)燃機(jī)冷卻水換熱器E101和引燃劑在線制備器進(jìn)出口換熱器E102，以對所述燃料進(jìn)行梯級預(yù)熱并使該燃料被氣化。
在本實(shí)用新型第二方面的優(yōu)選方案中，在壓燃式內(nèi)燃機(jī)冷啟動(dòng)過程中，在步驟A中，使所述第二路甲醇基燃料通過所述電加熱器E103對其進(jìn)行預(yù)熱并氣化。
在本實(shí)用新型第二方面的優(yōu)選方案中，所述甲醇基燃料的甲醇質(zhì)量含量為50-100％，優(yōu)選70-95％，更優(yōu)選80-90％。
在本實(shí)用新型第二方面的優(yōu)選方案中，所述引燃劑為二甲醚或甲氧基二甲醚(DMMN)或由甲醇制備的其它醚類引燃劑物質(zhì)，或類似柴油的分子如C8-C12的直鏈或異構(gòu)烷烴、及其他可以壓燃著的化合物。
本實(shí)用新型的有益效果：
1、本實(shí)用新型的壓燃式內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)在不需要對內(nèi)燃機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)改動(dòng)的情況下實(shí)現(xiàn)了甲醇基燃料對柴油燃料的完全替代，同時(shí)又不需要額外配備用于存儲(chǔ)引燃劑的高壓罐。
2、本實(shí)用新型利用發(fā)動(dòng)機(jī)余熱進(jìn)行甲醇蒸發(fā)使少部分甲醇在線催化脫水反應(yīng)生成二甲醚或甲氧基二甲醚(DMMN)或由甲醇制備的其它引燃劑物質(zhì)，提高了整體熱利用效率。
3、本實(shí)用新型的壓燃式內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)采用液體甲醇為原料在線高效轉(zhuǎn)化成氣態(tài)二甲醚(DMEV)或甲氧基二甲醚(DMMN)或由甲醇制備的其它引燃劑物質(zhì)作為引燃劑來在壓縮沖程中被壓燃，進(jìn)而引燃在燃燒沖程中供入的低十六烷值的甲醇基燃料，實(shí)現(xiàn)了引燃劑的在線制備和穩(wěn)定、連續(xù)、精確向內(nèi)燃機(jī)供給，使得壓燃式內(nèi)燃機(jī)完全可以以甲醇基燃料來代替柴油燃料，同時(shí)避免了同時(shí)攜帶高壓引燃劑儲(chǔ)罐與甲醇基燃料的雙燃料系統(tǒng)帶來的不便。
4、本實(shí)用新型既不同于一般柴油機(jī)的對高十六烷值液體燃料的壓燃，也不同于對柴油機(jī)的甲醇基燃料的火花塞點(diǎn)燃進(jìn)行改裝，對柴油機(jī)不需要改動(dòng)即可實(shí)現(xiàn)甲醇基燃料完全替代柴油燃料，并保持發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能不降低。既可節(jié)約1/3左右的燃料成本，又可以大幅度降 低氣態(tài)污染物的排放，PM2.5和SO2的排放接近于零，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益。以近十來年我國西北地區(qū)的柴油和甲醇的市場價(jià)格為例進(jìn)行對比，甲醇價(jià)格大概是柴油價(jià)格的1/3左右。按同等熱值的當(dāng)前市場價(jià)格測算，2t甲醇(約4000RMB)及添加劑(約500RMB)替代1t柴油(6500-7500RMB)，則每替代1t柴油所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益為2000-3000RMB。2015年中國消耗柴油約2億噸，假設(shè)甲醇基燃料替代柴油比例為10％，那么，每年所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益約為400-600億RMB。因此使用甲醇基燃料的壓燃式內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)有著明顯的經(jīng)濟(jì)性和社會(huì)效益。
附圖說明
圖1為本實(shí)用新型的使用甲醇基燃料的壓燃式內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)的工作原理流程圖；
附圖標(biāo)記為：N101、壓燃式內(nèi)燃機(jī)；N101-1、空氣入口；N101-2、燃料入口；C101、空氣增壓器；M101、混合器；J101、燃料箱；P101、燃料泵；R101、引燃劑在線制備器；E101和E102-換熱器；E101、內(nèi)燃機(jī)冷卻水換熱器；E102、引燃劑在線制備器進(jìn)出口換熱器；E103、電加熱器；P、壓力控制器；T、溫度控制器。
具體實(shí)施方式
本實(shí)用新型的使用甲醇基燃料的壓燃式內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)是在現(xiàn)有壓燃式內(nèi)燃機(jī)上加裝在線引燃劑的制備與換熱等裝置，與主燃料甲醇基燃料共用燃料箱，且為氣化、溫控、調(diào)壓一體化的系統(tǒng)，包括：壓燃式內(nèi)燃機(jī)101，其具有空氣入口N101-1和燃料入口N101-2；供氣系統(tǒng)，其包括串聯(lián)的空氣增壓器C101和混合器M101，所述混合器M101的出口連接至所述空氣入口N101-1；供燃料系統(tǒng)，其包括串聯(lián)的燃料箱J101和燃料泵P101，燃料泵P101的下游連接至所述燃料入口N101-2；引燃劑在線制備器R101，其上游也連接至燃料泵P101，其下游連接至所述混合器M101；且其內(nèi)部具有催化劑床層；其中混合器M101上游分別連接至所述空氣增壓器C101和所述引燃劑在線制備器R101，其下游連接至所述空氣入口N101-1。所述混合器M101為靜態(tài)混合器，其內(nèi)部具有曲折的氣流通道；在所述燃料泵P101出口與所述引燃劑在線制備器R101入口之間設(shè)有至少一個(gè)換熱器以對所述燃料進(jìn)行預(yù)熱。本實(shí)施方案中在所述燃料泵P101出口與所述引燃劑在線制備器R101入口之間設(shè)有串聯(lián)的兩個(gè)換熱器，上游是內(nèi)燃機(jī)冷卻水換熱器E101，下游是引燃劑在線制備器進(jìn)出口換熱器E102，以對所述燃料進(jìn)行梯級預(yù)熱；本實(shí)施方案還在引燃劑在線制備器進(jìn)出口換熱器與所述引燃劑在線制備器入口之間的管路上設(shè)有至少一個(gè)電加熱器E103以在所述內(nèi)燃機(jī)N101冷啟動(dòng)時(shí)對所述燃料進(jìn)行預(yù)熱。
現(xiàn)對本實(shí)用新型的工作原理結(jié)合附圖1進(jìn)行說明：
實(shí)施例：本實(shí)用新型的內(nèi)燃機(jī)1按照吸氣沖程、壓縮沖程、燃燒沖程和排氣沖程反復(fù)循環(huán)；
在冷啟動(dòng)的情況下，燃料泵P101將甲醇基燃料從燃料箱J101中泵出，并使所述甲醇基燃料分為兩路，其中第一路甲醇基燃料占泵出的甲醇基燃料總流量的90-95％，作為燃料通往壓燃式內(nèi)燃機(jī)N101的燃料入口N101-2；第二路甲醇基燃料占占泵出的甲醇基燃料總流量的5-10％，然后在電加熱器E103加熱下使甲醇溫度達(dá)到最佳反應(yīng)器進(jìn)料溫度200-250℃范圍內(nèi)，例如為220℃，壓力為0.2913MPa，然后進(jìn)入引燃劑在線制備器R101，在催化劑作用下，甲醇轉(zhuǎn)化為二甲醚后離開引燃劑在線制備器R101，此反應(yīng)為放熱反應(yīng)，離開此時(shí)氣態(tài)二甲醚的溫度例如為351.8℃，壓力為0.2513MPa，然后進(jìn)入引燃劑在線制備器進(jìn)出口換熱器E102，經(jīng)換熱后進(jìn)入混合器M101與空氣增壓器C101進(jìn)來的空氣混合，形成溫度為84.7℃，壓力為0.1213MPa的引燃劑-空氣混合物，然后進(jìn)入內(nèi)燃機(jī)N101空氣入口N101-1；內(nèi)燃機(jī)N101按照吸氣沖程、壓縮沖程、燃燒沖程和排氣沖程反復(fù)循環(huán)，在吸氣沖程中將溫度為84.7℃，壓力為0.1213MPa的引燃劑-空氣混合物經(jīng)由所述空氣入口N101-1吸入氣缸；然后運(yùn)行壓縮沖程，將所述引燃劑-空氣混合物壓燃；此時(shí)第一路甲醇燃料噴入氣缸被引燃進(jìn)行燃燒以使內(nèi)燃機(jī)運(yùn)行燃燒沖程，并對外做功；最后，運(yùn)行所述排氣沖程，將燃燒尾氣排出氣缸。
內(nèi)燃機(jī)101啟動(dòng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)后，則無需電加熱器E103來加熱甲醇基燃料，而是采用余熱利用方式來進(jìn)行加熱。燃料泵P101將甲醇基燃料從燃料箱J101中泵出，并使所述甲醇基燃料分為兩路，第一路甲醇基燃料占泵出的甲醇基燃料總流量的90-95％，作為燃料通往壓燃式內(nèi)燃機(jī)N101的燃料入口N101-2，第二路甲醇基燃料占泵出的甲醇基燃料總流量的5-10％，先進(jìn)入內(nèi)燃機(jī)冷卻水換熱器E101與內(nèi)燃機(jī)冷卻水進(jìn)行換熱后溫度為100℃，壓力為0.3013MPa，再進(jìn)入引燃劑在線制備器進(jìn)出口換熱器E102與離開引燃劑在線制備器的溫度為351.8℃，壓力為0.2513MPa的氣態(tài)二甲醚進(jìn)行換熱，形成溫度為220℃，壓力為0.2913MPa的甲醇，然后進(jìn)入引燃劑在線制備器R101，在催化劑作用下，甲醇轉(zhuǎn)化為二甲醚后離開引燃劑在線制備器R101，此時(shí)氣態(tài)二甲醚的溫度為351.8℃，壓力為0.2513MPa，然后進(jìn)入引燃劑在線制備器進(jìn)出口換熱器E102，經(jīng)換熱后進(jìn)入混合器M101與空氣增壓器C101進(jìn)來的空氣混合，形成溫度為84.7℃，壓力為0.1213MPa的引燃劑-空氣混合物，然后進(jìn)入內(nèi)燃機(jī)N101空氣入口N101-1；內(nèi)燃機(jī)N101按照吸氣沖程、壓縮沖程、燃燒沖程和排氣沖程反復(fù)循環(huán)，在吸氣沖程中將溫度為84.7℃，壓力為0.1213MPa的引燃劑-空氣混合物經(jīng)由所述空氣入口N101-1吸入氣缸；然后運(yùn)行壓縮沖程，將所述引燃劑-空氣混合物壓燃；此時(shí)第一路甲醇燃料噴入氣缸被引燃進(jìn)行燃燒以使內(nèi)燃機(jī)運(yùn)行燃燒沖程，并對外做功；最后，運(yùn)行所述排氣沖程，將燃燒尾氣排出氣缸。