废气—燃料重整再循环天然气发动机系统及控制方法与流程

本发明属于lng发动机技术领域，具体涉及一种废气—燃料重整再循环天然气发动机系统及控制方法。

背景技术：

在能源危机以及保护环境的双重作用下，寻找替代能源和减少污染物排放成为了内燃机研究领域的热门课题。作为一种优质的发动机替代燃料，液化天然气(lng)具有能量密度大、易于运输、燃烧效果好等优点。发动机燃用天然气时具有二氧化碳、硫化物和颗粒物排放低的优点，因此得到大力发展。

对于天然气发动机，常采用低温稀薄燃烧技术，以抑制敲缸和氮氧化物(nox)排放。然而过高的空燃比会导致发动机失火、未燃碳氢(hc)和一氧化碳(co)排放物增加；已有台架实验和理论研究表明：天然气中添加氢气(h2)能提高燃烧速度缩短火焰淬熄距离，改善发动机失火问题以实现稳定的稀薄燃烧，从而降低hc、co和nox排放。

与早期利用氢气罐将氢气通入进气管实现掺氢相比，在线重整制氢技术通过重整装置利用高温废气余热催化少量燃料与部分废气产生重整气。重整气中包含h2、ch4、co等，可直接通入进气道供给发动机使用，达到掺氢效果。对于燃料和废气，发生的重整反应主要包含：部分氧化反应、水蒸气重整反应、水气转化反应等。但在线重整制氢技术产生的氢气量不能很好的匹配发动机工况，发挥掺氢的最佳效果。

废气再循环技术将部分废气冷却或直接通入进气管中，稀释进气管中空气，减小氧含量并增加比热容，从而降低缸内燃烧温度，减小氮氧化物排放。但是过大的废气再循环率会导致燃烧不稳定，造成循环波动增大，甚至失火，同时co和hc排放增加。

技术实现要素：

本发明的目的就是针对上述技术的不足，提供一种实现天然气发动机各工况下稳定低温稀薄燃烧的废气—燃料重整再循环天然气发动机系统及控制方法，从而提高热效率，减小hc、co和nox排放。

为实现上述目的，本发明所设计的废气—燃料重整再循环天然气发动机系统，包括发动机、设置在所述发动机内给所述发动机供燃料的燃料供给装置、给所述燃料供给装置供给的气罐、重整器及中冷器；所述重整器包括筒形反应外壳、设置在所述筒形反应外壳前端的中空前端盖、设置在所述筒形反应外壳后端的中空后端盖、安装在所述中空前端盖中心位置进气孔的进气管、安装在所述中空后端盖中心位置出气孔的废气排气管及内置在所述筒形反应外壳空腔中的反应管束，所述进气管通过排气管与所述发动机出气口相连，所述废气排气管的第一路通过废气旁通管与所述中冷器的第二冷却管相连通，所述废气排气管的第二路与外界连通，所述中冷器出口通过混合管与所述发动机的发动机进气管相连；

所述重整器还包括安装在所述中空前端盖内腔中的半球形前套、安装在所述中空后端盖内腔中的半球形后套、衬在所述半球形前套前气腔内的前管板及衬在所述半球形后套后气腔内的后管板；

所述前气腔内的中间位置处轴向布置有将前气腔分割成进气腔和排气腔的隔板；所述反应管束包括一级反应管束和二级反应管束，所述一级反应管束的一端插入所述前管板且位于所述隔板上方的管孔中，所述一级反应管束的另一端插入所述后管板上部的管孔中，所述二级反应管束的一端插入所述前管板且位于所述隔板下方的管孔中，所述二级反应管束的另一端插入所述后管板下部的管孔中；

所述筒形反应外壳空腔内轴向布置有至少两个环形折流板，且每个所述环形折流板的外径与所述筒形反应外壳的内径相等，所述一级反应管束和所述二级反应管束均穿过每个所述环形折流板；

所述进气管的外管与所述中空前端盖内腔连通，所述进气管的内管穿过所述进气孔直至所述内管插入所述半球形前套的前气腔内，且所述内管位于所述隔板的上方；水蒸气产生器通过水蒸气加气管与所述内管连通，所述气罐通过燃料加气管与所述内管连通；

重整气排气管的进气端穿过所述中空前端盖直至插入所述半球形前套的前气腔内，所述重整气排气管出气端与所述中冷器的第一冷却管相连通，且所述重整气排气管位于所述隔板的下方。

进一步地，所述重整器还包括穿过所述中空后端盖底部直至插入所述半球形后套后气腔内的空气补充管、与所述空气补充管相连的微型空气泵及布置在所述空气补充管上的单向阀。

进一步地，所述内管的入口端部设置有用于调节所述内管废气进入量的regr阀；所述水蒸气气管上设置有水蒸气流量控制器；所述天然气加气管上设置有止回阀和燃料流量控制器；所述废气旁通管上设置有egr阀；所述中冷器内部布置有与所述egr阀相配合的中冷器阀。

进一步地，还包括接收所述发动机内发动机电控单元信号的电子控制器及给所述电子控制器供电的蓄电池，所述电子控制器分别与所述燃料流量控制器、所述水蒸气流量控制器、所述regr阀、所述egr阀和所述中冷器阀电连。

进一步地，所述反应管束的每个管内堆积有均匀涂覆有重整制氢催化剂ni的氧化铝颗粒物，每个所述管外周缘上涂覆有doc催化剂，所述管内堆积的均匀涂覆有重整制氢催化剂ni的氧化铝颗粒物中间留有防止堵塞的通孔；且所述管的内径与涂覆有重整制氢催化剂ni的氧化铝颗粒物的外径比为2～3倍。

进一步地，所述一级反应管束为多根管堆叠成多层结构的一级反应管束，所述二级反应管束为多根管堆叠成多层结构的二级反应管束，且每相邻所述管之间均留有间隙。

进一步地，所述一级反应管束与所述二级反应管束之间的间隙为1.2～1.7倍。

进一步地，所述环形折流板的个数为两个，且两个所述环形折流板最小间距为所述筒形反应外壳内径的1/3～1/2，两个所述环形折流板最大间距为所述管外径的171倍的0.7～0.76方。

进一步地，两个所述环形折流板之间布置有盘形折流板，所述盘形折流板上开有供所述反应管束的管穿过的通孔，且通孔的内径与所述管的外径相等。

一种如上述所述废气—燃料重整再循环天然气发动机系统的控制方法，所述电子控制器检测发动机ecu工作信号，通过转速和扭矩大小判断发动机所处工作状态：

当检测到重整器入口温度低于350℃时，电子控制器关闭regr阀、egr阀、水蒸气流量控制器和燃料流量控制器，重整器不工作；

当重整器入口温度高于350℃时，若通过转速和扭矩判断发动机处于低负荷工况时，电子控制器关闭egr阀，同时开启中冷器阀、regr阀、水蒸气流量控制器和燃料流量控制器，此时，重整器产生的重整气进入中冷器被冷却后通入发动机进气管，发动机进气管中h2的体积含量达到5％～5.5％；随后电子控制器调节燃料供给装置的燃料供给量，控制发动机缸内当量比在1.45～1.55；

当重整器入口温度高于350℃时，若通过转速和扭矩判断发动机处于中高负荷工况时，电子控制器关闭中冷器阀，开启egr阀、regr阀、水蒸气流量控制器和燃料流量控制器，重整器工作产生的重整气和循环废气分别进入中冷器被冷却后通入发动机进气管；从中负荷到满负荷变化时，电子控制器增加阀门开度，重整气和循环废气流量增加，此时发动机进气管中h2的体积含量从5％～5.5％降低到3％～3.5％；随后电子控制器调节燃料供给装置的燃料供给量，控制发动机缸内当量比从1.45～1.55增加到1.75～1.85。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明废气—燃料重整再循环天然气发动机系统可直接利用发动机燃料与o2、水蒸气发生多种重整反应(包括水蒸气重整、部分氧化重整、水煤气变换反应等)产生富含h2、co的重整气体，且产h2效率高，实现在线制取氢气，避免提供额外的燃料存储装置或氢气储存罐，提高了安全性并且减小了整个系统的体积；

2、采用了双管程，提高传热系数，从而提高重整的效率；另外，反应管束采用管式固定床结构，结构简单，热效率大，催化剂可反复使用，温度敏感且转化率高；

3、regr阀可控制进入重整器的重整废气流量，结合燃料流量控制器和水蒸气流量控制器，可柔性控制重整反应过程，进而控制h2产量，满足发动机不同工况下的掺h2需求；

4、重整气中含有大量h2，能提高缸内燃烧速度，拓宽稀薄燃烧极限；循环废气能稀释进气管中氧浓度，提高工质比热容，降低缸内燃烧温度；重整气和循环废气两者相结合可实现天然气发动机稳定低温稀薄燃烧，同时降低hc、co和nox排放；

5、egr阀与regr阀相互配合能调节通入进气管的循环废气和重整气流量，实时控制发动机进气管中o2与h2浓度，可满足发动机不同工况下的废气稀释和掺氢率的需求，从而保证发动机在各工况下都处于性能与排放最佳的工作状态。

附图说明

图1为本发明废气—燃料重整再循环天然气发动机系统结构流程示意图；

图2为图1中中冷器内部结构示意图；

图3为图1中重整器整体结构示意图；

图4为图3中前端结构示意图；

图5为图3中后端结构示意图；

图6为图3中反应管束结构示意图；

图7为图6的横截面示意图；

图8为图6中均匀涂覆有重整制氢催化剂ni的氧化铝颗粒物示意图；

图9为图8的横截面示意图；

图10为图1的控制流程示意图。

图中各部件标号如下：重整器100、筒形反应外壳101、中空前端盖102(其中：进气孔102a)、中空后端盖103(其中：出气孔103a)、前连接法兰104、后连接法兰105、进气管106(其中：外管106a、内管106b)、废气排气管107、环形折流板108、regr阀109、天然气加气管110(其中：止回阀110a、燃料流量控制器110b)、水蒸气加气管111(其中：水蒸气流量控制器111a)、空气补充管112(微型空气泵112a、单向阀112b)、重整气排气管113、管孔114、前管板115、前管板116、半球形前套117、半球形后套118、后管板119、反应管束120(其中：一级反应管束120a、二级反应管束120b)、均匀涂覆有重整制氢催化剂ni的氧化铝颗粒物121(其中：通孔121a)、管122、前气腔123(其中：进气腔123a、排气腔123b)、后气腔124、盘形折流板125；

发动机200(其中：发动机电控单元200a)、气罐201、水蒸气产生器202、燃料供给装置203、排气管204、发动机进气管205、中冷器206(其中：第一冷却管206a、第二冷却管206b、中冷器阀206c)、混合管207、egr阀208、废气旁通管209、电子控制器210、蓄电池211。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

如图1、图2所示废气—燃料重整再循环天然气发动机系统，包括发动机200、设置在发动机200内给发动机200供燃料的燃料供给装置203、给燃料供给装置203供给的气罐201、重整器100及中冷器206。结合图3所示，重整器100包括筒形反应外壳101、通过前连接法兰104固定安装在筒形反应外壳101前端的中空前端盖102、通过后连接法兰105固定安装筒形反应外壳101后端的中空后端盖103、安装在中空前端盖102中心位置进气孔102a的进气管106、安装在中空后端盖103中心位置出气孔103a的废气排气管107及内置在筒形反应外壳101空腔中的反应管束120，进气管106通过排气管204与发动机200出气口相连，废气排气管107的第一路通过废气旁通管209与中冷器206的第二冷却管206b相连通，废气排气管107的第二路与外界连通，中冷器206出口通过混合管207与发动机200的发动机进气管205相连，并且，废气旁通管209前端上设置有egr阀208，egr阀208控制参循环废气的流量；本实施例中，中空前端盖102为中空圆台形前端盖，同理，中空后端盖103为中空圆台形后端盖。

为了降低筒形反应外壳101空腔内换热废气中污染物的排放量，反应管束120的每个管122内均堆积有均匀涂覆有重整制氢催化剂ni的氧化铝颗粒物121(如图8所示)，同时，每个管122外周缘上涂覆有doc催化剂，减少了换热废气中的一氧化碳和碳氢化物的排放，并且，管122的内径与涂覆有重整制氢催化剂ni的氧化铝颗粒物121的外径比为2～3倍，优选为2.5倍，可加大重整面积，提高重整效率。本实施例中，管122内堆积的均匀涂覆有重整制氢催化剂ni的氧化铝颗粒物121中间留有通孔121a，防止堵塞，如图9所示。(doc催化剂(doc＝dieseloxidationcatalyst)指安装在柴油车排气系统中，能通过各种物理化学作用来降低排气中污染物排放量的装置。doc的载体有陶瓷和金属之分，通常陶瓷是堇青石的，金属的种类较多，铁、铜、黄铜等；由于doc与汽油车排气催化转化器的氧化性功能相同，也用于降低气态co、thc以及颗粒物中的sof成分)。

结合图4所示，中空前端盖102内腔中嵌入有半球形前套117，半球形前套117的前气腔123内焊接有前管板115，前管板115的外径不大于半球形前套117的内径，使得前管板115径向衬在半球形前套117的前气腔123内，同理，结合图5所示，中空后端盖103内腔中嵌入有半球形后套118，半球形后套118的后气腔124内焊接有后管板119，后管板119的外径不大于半球形后套118的内径，使得后管板119径向衬在半球形后套118的后气腔124内；同时，前气腔123内的中间位置处轴向布置有将前气腔123分割成进气腔123a和排气腔123b的隔板116，即隔板116的边沿与半球形前套117前气腔123内壁和前管板115表面贴合。

再次如图4、图5所示，进气管106的外管106a与中空前端盖102内腔连通，进气管106的内管106b穿过进气孔102a直至内管106b插入半球形前套117的前气腔123内，且内管106b位于隔板116的上方，同时，内管106b的入口端设置有用于调节内管重整废气进入量的regr阀109，当regr阀109达到最大开度时，通过的重整废气流量约为排气管204中废气流量的30％；重整气排气管113的进气端穿过中空前端盖102直至重整气排气管113的端部插入半球形前套117的前气腔123内，重整气排气管113出气端与中冷器206的第一冷却管206a相连通，且重整气排气管113位于隔板116的下方；另外，中冷器206内部布置有与egr阀208相配合的中冷器阀206c，通过中冷器阀206c改变气体在中冷器206中两条冷却管路流动方式，如egr阀208开启、中冷器阀206关闭时，中冷器206内第一冷却管206a和第二冷却管206b不连通，重整气和循环废气分别被冷却，egr阀208关闭、中冷器阀206c开启时，第一冷却管206a中重整气能进入第二却管206b同时被冷却，加强重整气的冷却效果。而水蒸气产生器202通过水蒸气加气管111与内管106b连通，气罐201通过燃料加气管110与内管106b连通，给重整反应提供燃料和水；并且，水蒸气气管111末端上设置有水蒸气流量控制器111a，控制进入重整器100的水蒸气流量，天然气加气管110上设置有止回阀110a和末端燃料流量控制器110b，控制进入重整器100的燃料流量，从而控制重整反应进程，保持废气–燃料重整器所产生重整气中的h2体积浓度为18％～25％；

结合图6所示，本实施例中反应管束120包括平行布置的一级反应管束120a和二级反应管束120b。一级反应管束120a和二级反应管束120b均穿过至少两个环形折流板108，本实施例中采用两个环形折流板108，即一个环形折流板108套置在反应管束120的一侧，另一个环形折流板108套置在反应管束120的另一侧，并且，每个环形折流板108的外径与筒形反应外壳101的内径相等，使得每个环形折流板108径向固定在筒形反应外壳101的空腔内，从而将反应管束120固定安装在筒形反应外壳101的空腔内，通过反应管束120固定安装使得半球形前套117和半球形后套118分别固定在中空前端盖102和中空后端盖103内腔中；同时，在两个环形折流板108之间布置有盘形折流板125，盘形折流板125上开有供反应管束的管穿过的通孔，且通孔的内径与管的外径相等。另外，本实施例中，两个环形折流板108最小间距为筒形反应外壳101内径的1/3～1/2(一般不小于50mm)，且两个环形折流板108最大间距为管122外径的171倍的0.7～0.76方(优选0.74方)。因此，环形折流板108和盘形折流板125一方面起到对反应管束120的支撑，另一方面，增加筒形反应外壳101流体的流速，加强筒形反应外壳101与管122内之间的换热，从而提高筒形反应外壳101的重整效率。

本实施例的关键点在于：一级反应管束120a的一端插入前管板115且位于隔板116上方的管孔114中，一级反应管束120a的另一端插入后管板119上部的管孔114中，使得一级反应管束120a位于隔板116的上方位置处；同理，二级反应管束120b的一端插入前管板115且位于隔板116下方的管孔114中，二级反应管束120b的另一端插入后管板119下部的管孔114中，使得二级反应管束120b位于隔板116的下方位置处，从而形成两级重整反应；并且，管孔114的直径等于管122的外径，使得重整废气只能流入反应管束中。然而当进行二级重整时，由于一级反应管束120a反应时已经吸收了换热废气的热量，导致二级管束120b反应时的热量和反应物均不够，因此，位于废气排气管117下方且穿过中空后端盖110底部直至插入半球形后套118后气腔124内的空气补充管112，空气补充管上布置有单向阀112b和微型空气泵112a，通过空气补充管112向二级反应管束120b通入空气，从而给二级反应管束120b提供足够的热量。

甲烷作为lng燃料的主要成分，在废气重整反应管内发生了复杂的重整过程，其中主要反应如下：

ch4+h2o→co+3h2(δh^θ＝+206kj/mol)

ch4+2h2o→co2+4h2(δh^θ＝+165kj/mol)

ch4+0.5o2→co+2h2(δh^θ＝-36kj/mol)

ch4+2o2→co2+2h2o(δh^θ＝-802kj/mol)

ch4+co2→2co+2h2(δh^θ＝+247kj/mol)

co+h2o→co2+h2(δh^θ＝-41kj/mol)

2co→c+co2(δh^θ＝-172kj/mol)

ch4→c+2h2(δh^θ＝+75kj/mol)

因此，制氢反应为强吸热反应，废气中主要有甲烷、co、水蒸气和n2，可回收废气中的废热和甲烷的氧化反应作为热量来源。

结合图7所示，一级反应管束120a为多根管堆叠成多层结构的一级反应管束，本实施例中采用22根管122堆叠成两个正三角形和一个倒三角形。其中，每个正三角形由6根管堆叠而成，即第一层3根管、第二层2根管、第三层1根管，且每相邻两根管的中心距为管外径的1.25倍；倒三角形由10根管堆叠而成，即第一层1根管、第二层2根管、第三层3根管、第四层4根管，且每相邻两根管的中心距为管外径的1.25倍。倒三角形布置在两个正三角形之间，且两个正三角形的第一层管与倒三角形的第一层管在同一平面上，同样，两个正三角形的第二层管和第三层管分别与倒三角形的第二层管和第三层管在同一平面上，且位于两个正三角形内侧的管与位于倒三角外侧的管之间的中心距均为管外径的2.5倍。

同理，二级反应管束120b也为多根管122堆叠成多层结构的一级反应管束，本实施例中采用22根管堆叠成两个倒三角形和一个正三角形。其中，每个倒三角形由6根管堆叠而成，即第一层1根管、第二层2根管、第三层3根管，且每相邻两根管的中心距为管外径的1.25倍；正三角形由10根管堆叠而成，即第一层4根管、第二层3根管、第三层2根管、第四层1根管，且每相邻两根管的中心距为管外径的1.25倍。正三角形布置在两个倒三角形之间，且两个倒三角形的第一层管与正三角形的第一层管在同一平面上，同样，两个倒三角形的第二层管和第三层管分别与正三角形的第二层管和第三层管在同一平面上，且位于两个倒三角形内侧的管与位于正三角外侧的管之间的中心距均为管外径的2.5倍。

且一级反应管束120a的第一层管与二级反应管束120b的第四层管之间的间隙为管外径的1.2～1.7倍，优选1.5倍，即一级反应管束的第一层管与二级反应管束的第四层管之间的中心距为2.5倍，利于反应管束的清洗和拆装。

另外，如图10所示，还包括接收发动机200内发动机电控单元200a扭矩和转速信号的电子控制器210及给电子控制器210供电的蓄电池211，本实施例中该电子控制器210位于中冷器206外壳上；电子控制器210分别与燃料流量控制器110b、水蒸气流量控制器111a、regr阀109、egr阀208和中冷器阀206c电连对其进行控制，通过电子控制器210控制regr阀109与egr阀208，使得regr阀109与egr阀208共同工作可控制混合管207内的混合气流速和成分，根据发动机工况不同，保证发动机进气管205中气体中h2和o2浓度处于较佳的范围。

本实施例中重整器的工作原理如下：

lng发动机运行产生的含未燃碳氢气体在重整器100内被分为重整废气和换热废气，通过regr阀109调节重整废气进入内管106b的流量，天然气和水蒸气分别通过天然气加气管110和水蒸气加气管111流入内管106b中，重整废气、天然气和水蒸气预混合后进入一级反应管束120a，通过催化剂进行重整，而换热废气通过外管106a、中空前端盖102直接进入筒形反应外壳101中，给一级反应管束120a重整提供热量，换热后的换热废气依次通过废气排气管107的第一路和废气旁通管输送至中冷器的第二冷却管形成循环废气，废气排气管剩余的第二路换热废气排入大气中；重整后的重整气进入后气腔124，与后气腔124连通的空气补充管112通入空气，空气中的o2会与ch4发生氧化反应，产生热量，为后续二级反应管束120b重整提供热量，一级反应管束120a流出的重整气经过后气腔后通入二级反应管束120b进行二级重整，重整后到达排气腔123b，最后通过重整气排气管113进入中冷器的第一冷却管206a；然后中冷器206内的重整气和循环废气在中冷器206内混合后再次作为原料通过发动机进气管205输送至发动机200内。因此，即利用部分废气余热进行废气重整反应，将重整产生的氢气通入发动机中，实现天然气在线掺氢，有效提高燃料利用率和发动机效率，实现较大幅度的节能与减排；并且采用了双管程，提高传热系数，从而提高重整的效率；另外，反应管束采用管式固定床结构，结构简单，热效率大，催化剂可反复使用，温度敏感且转化率高。

本发明废气—燃料重整再循环天然气发动机系统的控制方法在不同负荷下分别按如下方案进行。

电子控制器210检测发动机ecu工作信号，通过转速和扭矩大小判断发动机所处工作状态：

发动机200启动阶段，regr阀109、egr阀208、水蒸气流量控制器111a和燃料流量控制器110b关闭，废气重整再循环系统不工作，发动机200按正常启动工况供给天然气燃料。

当检测到重整器100入口温度低于350℃时，电子控制器210关闭regr阀109、egr阀208、水蒸气流量控制器111a和燃料流量控制器110b，重整器不工作；

当重整器100入口温度高于350℃时，若通过转速和扭矩判断发动机处于低负荷工况时，电子控制器210关闭egr阀208，同时开启中冷器阀206c、regr阀109、水蒸气流量控制器111a和燃料流量控制器110b，此时，重整器100产生的重整气进入中冷器206被冷却后通入发动机进气管205，发动机进气管205中h2的体积含量达到5％～5.5％，最佳体积含量为5％；随后电子控制器210调节燃料供给装置203的燃料供给量，控制发动机缸内当量比在1.45～1.55，最佳当量比为1.5；

当重整器100入口温度高于350℃时，若通过转速和扭矩判断发动机处于中高负荷工况时，电子控制器210关闭中冷器阀206c，开启egr阀208、regr阀109、水蒸气流量控制器111a和燃料流量控制器110b，重整器100工作产生的重整气和循环废气分别进入中冷器206被冷却后通入发动机进气管205；从中负荷到满负荷变化时，电子控制器210增加阀门开度，重整气和循环废气流量增加，此时发动机进气管205中h2的体积含量从5％～5.5％降低到3％～3.5％，最佳体积含量降低到3％；随后电子控制器210调节燃料供给装置203的燃料供给量，控制发动机缸内当量比从1.45～1.55增加到1.75～1.85，最佳当量比为1.8。

通过上述方式控制不同工况下发动机进气管205中气体中h2和o2浓度。h2添加能加快天然气混合物燃烧速度拓宽可燃极限，循环废气加入能降低进气氧含量并提高其比热容，从而实现稳定的低温稀薄燃烧，提高热效率降低hc、co、和nox排放。