二冲程内燃机尾气催化还原综合处理系统及运行方法与流程

本发明涉及内燃机领域，尤其是涉及一种二冲程内燃机尾气催化还原综合处理系统及运行方法。

背景技术：

1、二冲程内燃机与四冲程内燃机相比具有容积功率高、运转平顺性、结构简单重量轻、制造维修成本低等显著优点，但其高油耗和超标准的污染排放一直没有得到有效解决而逐渐被市场淘汰。

2、现有的内燃机气缸内截留部分尾气并通过添加纯氧气，可以降低二冲程内燃机的尾气排放，但截留的高温尾气越多，意味着气缸内的温度越高，按照卡诺循环(carnotcycle)，气缸内的高温尾气不经冷却再循环将极大提高卡诺循环效率的低温热源的温度，从而大幅降低热效率，同时气缸内的高温尾气也加重了气缸冷却负担和额外的功率损耗，尽管纯氧内燃机可以做到零氮氧化物排放，但存在二氧化碳排放。二氧化碳是造成全球气候变暖的主要温室气体，由于二氧化碳在工业、农业、化工等领域又具有广泛用途，还可以通过加氢生产甲醇甚至汽油等再生燃料。

3、传统内燃机在不同工况下，燃料燃烧有很大部分热能随尾气和冷却系统散发浪费掉了，其中尾气带走的热量约35～50％，冷却系统带走的热量约10～25％，造成传统内燃发动机的热效率不高，同时内燃发动机浪费的热量散发到大气中，导致大气热污染。

技术实现思路

1、本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明提出一种二冲程内燃机尾气催化还原综合处理系统及运行方法。

2、本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种二冲程内燃机尾气催化还原综合处理系统，包括二冲程内燃机和ecu；所述二冲程内燃机上设有排气总管，所述排气总管上设有设有第一传感器；

3、所述二冲程内燃机包括活塞和气缸，所述气缸顶端设有气缸盖，所述气缸盖上设有第一燃料喷嘴，所述第一燃料喷嘴通过第一燃料管连接燃料箱，所述气缸盖上还设有低温气体喷嘴、氧气喷嘴或液氧喷嘴中的一个或多个；所述ecu分别连接第一燃料喷嘴、第一传感器、低温气体喷嘴、氧气喷嘴和液氧喷嘴。

4、在本发明的一个较佳实施例中，所述气缸盖上还设有排气阀门，所述排气阀门连通排气总管。

5、在本发明的一个较佳实施例中，所述气缸从下止点到上止点1/5处设有排气口，所述排气口与所述排气总管进气口连通。

6、在本发明的一个较佳实施例中，所述活塞的顶部表面设有第二催化剂。

7、在本发明的一个较佳实施例中，还包括多余尾气处理系统，所述二冲程内燃机和所述多余尾气处理系统间通过排气总管连接；所述多余尾气处理系统包括气水分离器、第一连接通道、第二连接通道和压缩机；

8、所述排气总管出气口通过所述第一连接通道与所述气水分离器进气口连通，所述气水分离器出气口与所述第二连接通道进气口连通，所述气水分离器底端设有储水瓶，所述压缩机安装在所述第二连接通道上；所述第二连接通道出气口连通二氧化碳液化器或液氧干冰转换器；所述ecu连接压缩机。

9、在本发明的一个较佳实施例中，所述二氧化碳液化器底端设有液化二氧化碳储罐，所述二氧化碳液化器出气口通过所述低温气体管道与所述低温气体喷嘴连接，所述二氧化碳液化器还通过所述气水分离器连接液氧喷嘴。

10、在本发明的一个较佳实施例中，还包括液氧管，所述液氧罐通过液氧管、二氧化碳液化器、气水分离器连接液氧喷嘴，所述液氧罐还通过氧气管连接氧气喷嘴，所述低温气体管道或二氧化碳液化器上设有安全阀。

11、在本发明的一个较佳实施例中，所述氧干冰转换器的出气口通过低温气体管道连接低温气体喷嘴，所述氧干冰转换器上设有第三传感器，所述低温气体管道上设有安全阀。

12、在本发明的一个较佳实施例中，还包括多余尾气催化还原装置，所述排气总管出气口与所述多余尾气催化还原装置的入口连通，所述多余尾气催化还原装置的出口通过所述第一连接通道与所述气水分离器进气口连通；所述多余尾气催化还原装置上设有第一燃料喷嘴，所述第一燃料喷嘴通过第二燃料管连接催化还原碳氢燃料箱；所述多余尾气催化还原装置内设有第一催化剂，多余尾气催化还原装置上、靠近气体出口端设有第二传感器；所述ecu分别连接第一燃料喷嘴和第二传感器。

13、本发明还包括二冲程内燃机尾气催化还原综合处理运行方法，运行方法包括以下三种：

14、运行方法一：二冲程内燃机工作循环为气动二冲程和燃烧二冲程混合动力循环，气动二冲程和燃烧二冲程混合动力循环在同一气缸中完成；二冲程内燃机燃烧做功推动活塞下行至下止点附近时，由可变气门正时系统控制打开排气阀门，活塞由下止点上行使燃烧后的由二氧化碳和水蒸气组成的多余尾气通过排气阀门、排气总管排入多余尾气处理系统，当活塞上行至上止点行程约1/5位置或曲轴转角为216°时，由可变气门正时系统控制关闭排气阀门，使由二氧化碳和水蒸气组成的大部分高温尾气被截留在气缸内再循环；

15、对于点燃式二冲程内燃机，紧接着ecu根据第一传感器检测的信息控制第一燃料喷嘴，将碳氢燃料喷入气缸内与大部分高温尾气混合成混合气体，活塞继续上行并压缩混合气体，混合气体中的水蒸气在高温高压和第二催化剂作用下部分催化还原为氢气和一氧化碳的再生燃料，组成氢气、一氧化碳、二氧化碳和水蒸气的混合气体，活塞上行至上止点附近时，由ecu根据第一传感器检测的信息，控制液氧喷嘴将液氧、或控制氧气喷嘴将低温氧气、或控制低温气体喷嘴将低温气体喷入气缸内，液氧或低温氧气或低温气体遇热膨胀推动活塞下行做功并形成混合燃气；活塞下行至下止点完成气动二冲程；完成气动二冲程后，活塞由下止点上行压缩混合燃气并继续进行催化还原反应，活塞上行至上止点附近时，由ecu控制火花塞(图中未示出)点火燃烧做功，燃烧做功推动活塞下行至下止点完成所述燃烧二冲程；

16、对于压燃式二冲程内燃机，紧接着ecu根据第一传感器检测的信息控制第一燃料喷嘴，将适量碳氢燃料喷入气缸与大部分高温尾气混合成混合气体，活塞继续上行并压缩混合气体，混合气体中的水蒸气在高温高压和第二催化剂作用下部分催化还原为氢气和一氧化碳的再生燃料，组成氢气、一氧化碳、二氧化碳和水蒸气的混合气体，活塞上行至上止点附近时，由ecu根据第一传感器检测的信息，控制液氧喷嘴将液氧、或控制氧气喷嘴将低温氧气、或控制低温气体喷嘴将低温气体喷入气缸内，液氧或低温氧气或低温气体遇热膨胀推动活塞下行并与混合气体混合成为富氢准空气；活塞下行至下止点完成气动二冲程；完成气动二冲程后，活塞由下止点上行压缩富氢准空气并继续进行催化还原反应，活塞上行至上止点附近时，由ecu根据所述二冲程内燃机工况控制第一燃料喷嘴，将所需碳氢燃料喷入气缸内压燃燃烧做功，燃烧做功推动活塞下行至下止点完成所述燃烧二冲程。

17、运行方法二：二冲程内燃机工作循环为燃烧二冲程循环；二冲程内燃机燃烧做功推动所述活塞下行至下止点附近时，由可变气门正时系统控制打开排气阀门，活塞由下止点上行使燃烧后的多余尾气通过排气阀门、排气总管排入多余尾气处理系统，当活塞上行至上止点行程约1/5位置或曲轴转角为216°时，由可变气门正时系统控制关闭排气阀门，使大部分高温尾气被截留在气缸内再循环；

18、对于点燃式二冲程内燃机，紧接着ecu根据第一传感器检测的信息控制第一燃料喷嘴，将碳氢燃料喷入气缸内与大部分高温尾气混合成混合气体，活塞继续上行并压缩所述混合气体，混合气体中的水蒸气在高温高压和所述第二催化剂作用下部分催化还原为氢气和一氧化碳的再生燃料，组成氢气、一氧化碳、二氧化碳和水蒸气的混合气体，活塞上行至上止点行程约3/5位置或曲轴转角为288°时，由ecu根第一传感器检测的信息，控制液氧喷嘴将液氧、或控制氧气喷嘴将低温氧气、或控制低温气体喷嘴将将低温气体喷入气缸内，液氧或低温氧气或低温气体与混合气体混合成为燃气；活塞继续上行压缩燃气并同时进行催化还原反应，活塞上行至上止点附近时，由ecu控制火花塞(图中未示出)点火燃烧做功，燃烧做功推动活塞下行至所述下止点完成所述二冲程内燃机工作循环；

19、对于压燃式二冲程内燃机，紧接着所述ecu根据所述第一传感器检测的信息控制第一燃料喷嘴，将适量碳氢燃料喷入气缸内与大部分高温尾气混合成混合气体，活塞继续上行并压缩混合气体，混合气体中的水蒸气在高温高压和第二催化剂作用下部分催化还原为氢气和一氧化碳的再生燃料，组成氢气、一氧化碳、二氧化碳和水蒸气的混合气体，活塞上行至上止点行程约3/5位置或曲轴转角为288°时，由ecu根据第一传感器检测的信息，控制液氧喷嘴将液氧、或控制氧气喷嘴将低温氧气、或控制低温气体喷嘴将低温气体喷入气缸内，液氧或所述低温氧气或低温气体与混合气体混合成为富氢准空气，活塞继续上行压缩富氢准空气并同时进行催化还原反应，活塞上行至上止点附近时，由ecu根据二冲程内燃机工况控制第一燃料喷嘴，将所需碳氢燃料喷入气缸内压燃燃烧做功，燃烧做功推动活塞下行至下止点完成所述二冲程内燃机工作循环。

20、运行方法三：二冲程内燃机为无阀二冲程内燃机；二冲程内燃机燃烧做功推动所述活塞下行至离上止点行程约4/5位置或曲轴转角为144°时，排气口被开启，燃烧后的多余尾气通过所述排气口、所述排气总管排入多余尾气处理系统，所述活塞下行至下止点后，上行继续排气直至上止点行程约1/5位置或曲轴转角为216°时，继而将排气口关闭，使大部分高温尾气被截留在气缸内再循环；

21、对于点燃式二冲程内燃机，紧接着ecu根据第一传感器检测的信息控制第一燃料喷嘴，将碳氢燃料喷入气缸内与大部分高温尾气混合成混合气体，活塞继续上行并压缩混合气体，混合气体中的水蒸气在高温高压和第二催化剂作用下部分催化还原为氢气和一氧化碳的再生燃料，组成氢气、一氧化碳、二氧化碳和水蒸气的混合气体，活塞上行至上止点行程约3/5位置或曲轴转角为288°时，由ecu根据第一传感器检测的信息，控制液氧喷嘴将液氧、或控制所述氧气喷嘴将低温氧气、或控制低温气体喷嘴将低温气体喷入气缸内，液氧或低温氧气或低温气体与混合气体混合成为燃气；活塞继续上行压缩燃气并同时进行催化还原反应，活塞上行至上止点附近时，由ecu控制火花塞点火燃烧做功，燃烧做功推动活塞下行至下止点完成二冲程内燃机工作循环；

22、对于压燃式二冲程内燃机，紧接着ecu根据第一传感器检测的信息控制第一燃料喷嘴，将适量碳氢燃料喷入气缸内与大部分高温尾气混合成混合气体，活塞继续上行并压缩混合气体，混合气体中的水蒸气在高温高压和第二催化剂作用下部分催化还原为氢气和一氧化碳的再生燃料，组成氢气、一氧化碳、二氧化碳和水蒸气的混合气体，活塞上行至上止点行程约3/5位置或曲轴转角为288°时，由ecu根据第一传感器检测的信息，控制液氧喷嘴将液氧、或控制氧气喷嘴将低温氧气、或控制低温气体喷嘴将低温气体喷入气缸内，液氧或低温氧气或低温气体与混合气体混合成为富氢准空气，活塞继续上行压缩富氢准空气并同时进行催化还原反应，活塞上行至上止点附近时，由ecu根据二冲程内燃机工况控制第一燃料喷嘴，将所需碳氢燃料喷入气缸内压燃燃烧做功，燃烧做功推动活塞下行至下止点完成二冲程内燃机工作循环。

23、以上运行方法一、二、三中：排入多余尾气处理系统的多余尾气，通过多余尾气催化还原装置的多余尾气入口进入多余尾气催化还原装置，ecu根据第一传感器和第二传感器检测的信息控制第二燃料喷嘴，将适量碳氢燃料喷入多余尾气催化还原装置内，与多余尾气混合并经过第一催化剂部分催化还原为氢气和一氧化碳的再生燃料，组成氢气、一氧化碳、二氧化碳和水蒸气的混合气体后进入气水分离器内，混合气体中的水蒸气被液化后流入储水瓶；除去水分的混合气体再通过第二连接通道由压缩机压入二氧化碳液化器或液氧干冰转换器中，混合气体中的二氧化碳受压力和液氧的冷能双重作用被液化并储存至所述二氧化碳液化储罐中，或被液化至干冰沉入液氧干冰转换器底部；二氧化碳液化器中未被液化的氢气和一氧化碳低温气体通过低温气体管道由ecu控制低温气体喷嘴喷入气缸；或液氧干冰转换器中液氧气化的氧气和未被液化的氢气、一氧化碳低温气体通过低温气体管道由ecu控制低温气体喷嘴喷入气缸。

24、本发明的有益效果是：本发明采用气缸内大部分尾气再循环和催化还原技术，利用截留在气缸内大部分再循环高温尾气与喷入气缸的适量碳氢燃料混合并被压缩，在高温高压和催化剂作用下部分催化还原为氢气和一氧化碳的再生燃料，再利用液氧的冷能气化膨胀做功增加内燃机功率，同时降低卡诺循环低温热源的温度以提高热效率；排出气缸外的多余尾气经过催化还原和利用液氧的冷能将二氧化碳液化回收处理，未液化的低温气体再循环至二冲程内燃机，充分利用了尾气余热，可节省燃料。