一种乙醇在线重整辅助燃烧的天然气发动机的制作方法

文档序号:15578971发布日期:2018-09-29 06:20

本发明涉及的是一种内燃机,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,若以接近当量比的模式运行,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)来抑制这种现象发生。但当混合气较稀时,燃烧速度慢,导致天然气发动机的热效率低,碳氢化合物(HC)排放急剧增加。在极端情况下,甚至可能发生火焰淬熄或部分工作循环不发火的现象。

为了解决上述问题,有研究者提出在天然气中掺入适量氢气,利用氢气燃烧速度快的特点加速稀燃模式下混合气的燃烧过程,在抑制爆震的同时实现高效清洁的燃烧。但自然界中的纯氢含量极低,需要通过一定的方法消耗其它能源制取得到。

生物乙醇作为一种可再生能源,可通过谷物发酵、生物质降解等方式得到。且本身组成的碳水化合物是通过固定大气中的游离碳生成,燃烧或者重整不会给大气环境带来额外负担。经过一定的催化反应,可将乙醇重整形成富含氢气、一氧化碳等的混合气,用于辅助天然气发动机燃烧。但是单独的乙醇重整制氢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。



技术实现要素:

本发明的目的在于提供能加速稀薄混合天然气的燃烧过程,同时避免爆震和失火现象,实现高效清洁燃烧的一种乙醇在线重整辅助燃烧的天然气发动机。

本发明的目的是这样实现的:

一种乙醇在线重整辅助燃烧的天然气发动机,其特征是:包括工作气缸、重整气缸、天然气储存罐、乙醇存储罐、涡轮增压器、混合器,工作气缸的进口连通进气总管,工作气缸的出口连通排气总管,进气总管连通混合器,排气总管分别连通换热器和涡轮增压器的涡轮进口,涡轮增压器的压气机出口连通混合器,天然气储存罐的出口连通换热器,换热器的两个出口分别连通混合器和大气,重整气缸的进口连通乙醇储存罐,重整气缸的出口连通具备收集和储存富氢重整气功能的缓冲气罐,缓冲气罐连通混合器。

本发明还可以包括:

1、重整气缸的缸盖顶部设置乙醇喷射阀,重整气缸的活塞上设置海绵负载结构的CuO/ZnO/Al2O3催化模块。

2、涡轮增压器的压气机入口设置节气门,净化器与混合器之间设置天然气流量阀,缓冲气罐与混合器之间设置重整气流量阀,乙醇储存罐与重整气缸的进口之间设置乙醇流量阀。

3、节气门和天然气流量阀的联合作用,使得工作气缸内的空燃当量比大于1;冷启动或低负荷下,缓冲气罐内存储的富氢混合气通过重整气流量阀通入混合器。

本发明的优势在于:

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,实现高效清洁的燃烧;

2、乙醇在重整气缸内反应,高温环境使得转化效率更高,可有效提高混合气中的氢气含量;

3、采用CuO/ZnO/Al2O3催化剂而非贵金属催化剂,降低成本;

4、设置有缓冲气罐储存重整气,使得天然气在冷启动或低负荷工况下同样能高效燃烧,保证发动机正常运转。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述:

结合图1,本发明一种乙醇在线重整辅助燃烧的天然气发动机,包括涡轮增压器5、中冷器6、混合器7、换热器2、缓冲气罐13、工作气缸10、重整气缸11和CuO/ZnO/Al2O3催化模块12等。气缸组分为工作气缸10和重整气缸11,通过节气门4与天然气流量阀3配合,控制工作气缸10内的空燃当量比大于1,保证稀薄燃烧。工作气缸10的缸盖上设置有火花塞,而重整气缸11的缸盖上设置乙醇喷射阀,重整气缸11的活塞上设置有海绵负载结构的CuO/ZnO/Al2O3催化模块12(该模块的厚度小于上止点余隙,避免碰撞)。工作气缸10的进气阀通过进气管与混合器7连接,而乙醇重整气缸11的喷射阀通过供给管路与乙醇储存罐14连接。天然气、空气和富氢重整气在混合器7内充分混合,然后经由进气管、进气阀进入工作气缸10内。换热器2的热源由工作气缸排除的燃烧废气提供,通过热交换使得液态天然气转换为气态天然气。缓冲气罐13具备收集和存储功能。当发动机处于冷启动或低负荷状态时,重整气缸11无法产生足够的重整气,缓冲气罐13可提供富氢混合气辅助该工况下的燃烧。

在工作气缸10的缸盖上设有火花塞,而乙醇重整气缸11的缸盖设有乙醇喷射阀,活塞上设有CuO/ZnO/Al2O3催化模块12;重整气缸11的排气阀通过管道与涡轮、换热器2连接,为空气增压和天然气汽化提供能量。重整气缸11内无燃烧现象,含水乙醇在高温条件及催化剂作用下生成氢气、一氧化碳和甲烷等组成的富氢混合气。乙醇重整气通向混合器7的回路中设置有缓冲气罐13和流量阀15,缓冲气罐13具备收集和储存富氢重整气的功能。

如图1所示,空气经节气门4进入涡轮增压装置5,然后经过中冷器6降温后进入混合器7。液态天然气由天然气储存罐1供应,经过汽化器2转换为气态天然气,通过天然气流量阀3控制流量,进入混合器7后与空气、重整气混合均匀,然后进入工作气缸。通过节气门4和天然气流量阀3控制进入工作气缸10的混合气的空燃当量比大于1,保证稀薄燃烧。工作气缸燃烧产生的废气一部分通向涡轮增压装置5为增压器提供能量,一部分通向汽化器2为天然气的相态转化提供热量。

乙醇重整气缸11中无点火装置,缸盖顶部装有乙醇喷射阀,活塞上设置有海绵负载结构的CuO/ZnO/Al2O3催化模块。通过高温环境及缸内强湍流作用,使得乙醇生成氢气、一氧化碳等的混合气。重整气缸11的排气阀通过排气管与缓冲气罐13连接,缓冲气罐具备收集和存储混合气的能力。缓冲气罐11与混合器7之间设置有重整气流量阀16,可根据发动机负荷调节重整气的流量。当发动机冷启动时,乙醇重整气缸内的反应不充分,可将存储的富氢混合气通入混合器7,保证天然气在冷启动、低负荷的情况下也能高效燃烧。

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