CN106704048A - 一种利用发动机废气余热低温重整燃料的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用发动机废气余热低温重整燃料的装置，包括发动机气缸和外置低温燃料重整器，外置低温燃料重整器的进口连接有空气进气管和燃料进样管，空气进气管上设有气体流量计；燃料进样管连接有燃料注射泵和燃料汽化罐，外置低温燃料重整器的出口设有一热电偶并通过重整气气管与发动机进气管相连；通过将发动机废气管缠绕地经过所述外置低温燃料重整器和燃料汽化罐，实现发动机废气余热的充分利用；重整后的低温产物经过重整气气管进入到发动机进气管中，再次与新鲜空气混合形成均匀混合气导入到发动机气缸中，并与缸内直喷的燃料混合燃烧实现混合气活性及浓度分层，由于上述过程中不需要添加催化剂，从而使发动机更加高效节能的运行。

Description

一种利用发动机废气余热低温重整燃料的装置
技术领域
本发明涉及一种利用发动机废气余热低温重整燃料的新型装置，具体设计一种利用发动机废气加热的外置燃料重整器低温(T<1000K)重整燃料，通过控制该外置重整器的边界条件(温度、压力、当量比等)将燃料重整成不同活性的低温氧化产物(醛类、酮类、过氧化物等)，而后根据实际工况条件将重整后不同活性的低温重整气导入到发动机中参与燃烧的装置***。
背景技术
目前内燃机依旧在交通运输中占有绝对主导地位，然而随着近些年能源的逐渐枯竭、环境的日趋恶化，传统内燃机的燃烧模式显然已经满足不了能源以及环境的要求。因此就内燃机而言，国内外专家学者针对燃烧技术进行了广泛的研究并提出了一些新型燃烧模式，如均质压燃(HCCI)、低温燃烧(LTC)和部分预混合燃烧(PPC)等等。近些年，燃料重整这一新型燃烧方式逐渐应用在内燃机上，并且提高了发动机的热效率，降低了排放。与此同时，发动机废气余热的利用也已经引起国内外专家学者的重视。
发明内容
本发明将发动机废气余热与燃料重整相结合，对燃料进行无催化剂的低温热重整，旨在进一步提高发动机热效率及降低排放。本发明公开了一种利用发动机废气余热低温重整燃料的新型装置。主体部分将一款自制的外置燃料低温重整装置连接发动机，其中发动机排气管缠绕在该低温重整装置四周用于加热待重整的新鲜燃料，重整后的燃料与新鲜空气混合导入到发动机中参与燃烧。发动机运行在不同的工况条件下，通过控制外置重整器相应的重整反应边界条件，可以排出不同氧化阶段不同活性的低温重整气，再结合发动机气缸内喷油器直喷的燃料，可以实现缸内混合气活性与浓度的分层，改变燃油燃烧反应的反应路径，可以有效拓宽高效清洁燃烧范围。本发明只需要采用简单的氧化反应后处理器即可以满足欧VI排放法规的要求。
为了解决上述技术问题，本发明提出的一种利用发动机废气余热低温重整燃料的装置，包括发动机气缸、一台外置低温燃料重整器、空气进气管和燃料进样管，所述发动机气缸连接有发动机进气管和发动机废气管；所述空气进气管的一端和所述燃料进样管的一端均连接至所述外置低温燃料重整器的进口，所述空气进气管的另一端连接至一空气瓶，所述空气进气管上设有气体流量计；所述燃料进样管的另一端连接至一燃料注射泵，所述燃料进样管上设有燃料汽化罐；所述外置低温燃料重整器的出口通过重整气气管与所述发动机进气管相连；所述重整气气管上、并位于临近外置低温燃料重整器的出口处设有一热电偶；所述发动机废气管上设有第一废气阀和第二废气阀，所述第一废气阀位于发动机废气管的始端，所述第二废气阀位于发动机废气管的末端；所述第一废气阀上连接出有第一废气管旁路，所述第一废气管旁路与所述第一废气阀连接、并缠绕过所述外置低温燃料重整器后连接至所述第一废气阀和第二废气阀之间的废气管的中间管段上，所述第一废气管旁路上，在绕过所述外置低温燃料重整器的位置处设有一热电偶；所述第二废气阀上连接有第二废气管旁路，所述第二废气管旁路与所述第二废气阀连接、并缠绕过所述燃料汽化罐后连接至所述发动机废气管的末端，所述第二废气管旁路上，在绕过所述燃料汽化罐的位置处设有一热电偶；通过将发动机废气管缠绕经过所述外置低温燃料重整器和燃料汽化罐，实现发动机废气余热的充分利用；初始燃料由所述燃料注射泵以匀速经燃料进样管进入到燃料汽化罐中进行汽化，汽化后的燃料导入到所述外置低温燃料重整器中，与此同时，由所述空气瓶提供的新鲜空气在气体流量计调控的流量下经空气进气管进入到所述外置低温燃料重整器中，在所述外置低温燃料重整器中，汽化后的燃料与新鲜空气混合进行低温重整形成低温产物；重整后的低温产物经过重整气气管进入到发动机进气管中，再次与新鲜空气混合形成均匀混合气导入到所述发动机气缸中，并与缸内直喷的燃料混合燃烧实现混合气活性及浓度分层。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提出一种利用发动机废气余热无催化剂低温重整燃料的新型装置***，根据发动机实际工况特点，对外置重整器中的燃料进行低温重整，通过控制燃油与空气反应的边界条件，该重整装置排出不同氧化阶段的部分中间产物或完全氧化产物，使其与空气(或者EGR与空气的混合气)混合，导入到发动机汽缸中，再结合缸内直喷的燃料，可以实现混合气活性及浓度分层协同控制的高效清洁燃烧。本发明将燃料经外置重整器低温重整，重整后的低温重整产物与新鲜空气均匀混合导入到发动机汽缸内，而后与工作缸喷入的新鲜燃料混合燃烧，实现了燃油燃烧氧化反应反应路径可调控制，从而实现高效清洁燃烧的目标。发动机运行在不同转速、负荷等工况条件下，通过控制外置重整器相应的重整反应边界条件，可以改变燃油燃烧反应反应路径，获得不同活性的重整混合气，可以有效拓宽高效清洁燃烧范围。本发明只需要采用简单的氧化反应后处理器即可以满足欧VI排放法规的要求。
附图说明
图1是本发明一种利用发动机废气余热低温重整燃料的装置结构示意简图。
图中：
1-发动机汽缸 2-发动机进气管 3-重整气气管
4-热电偶 5-外置低温燃料重整器 6-发动机废气管
7-废气管支路 8-热电偶 9-第一废气阀
10-废气管的中间管段 11-第二废气阀 12-废气管支路
13-热电偶 14-空气进气管 15-气体流量计
16-空气瓶 17-燃料进样管 18-燃料气化罐
19-燃料注射泵 20-终端废气管
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述，所描述的具体实施例仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。
本发明提出的一种利用发动机废气余热低温重整燃料的装置实现了燃料的低温重整，也可以实现发动机气缸内混合气浓度分层和活性分层燃烧，并且不需要添加催化剂，同时排气管废气的余热也得到了有效利用，从而使发动机更加高效节能的运行。本发明基于发动机燃料低温重整方法，由外置低温燃料重整器及发动机主体两部分组成。
如图1所示，本发明提出的一种利用发动机废气余热低温重整燃料的装置，包括发动机气缸1、一台外置低温燃料重整器5、空气进气管14和燃料进样管17，所述发动机气缸1连接有发动机进气管2和发动机废气管6；所述空气进气管14的一端和所述燃料进样管17的一端均连接至所述外置低温燃料重整器5的进口，所述空气进气管14的另一端连接至一空气瓶16，所述空气进气管14上设有气体流量计15；所述燃料进样管17的另一端连接至一燃料注射泵19，所述燃料进样管17上设有燃料汽化罐18，所述燃料汽化罐18用以汽化来自燃料进样管17的液体燃料，使其在一定温度下变成汽态，再导入到外置低温燃料重整器5中与新鲜空气进行低温重整。
所述外置低温燃料重整器5的出口通过重整气气管3与所述发动机进气管2相连；所述重整气气管3上、并位于临近外置低温燃料重整器5的出口处设有一热电偶4。
所述发动机废气管6上设有第一废气阀9和第二废气阀11，所述第一废气管9位于发动机废气管的始端，所述第二废气阀11位于发动机废气管的末端(即终端废气管20)。所述第一废气阀9上连接出有第一废气管旁路，所述第一废气管旁路的一端7与所述第一废气阀9连接、并缠绕过所述外置低温燃料重整器5后，所述第一废气管旁路的另一端12连接至所述第一废气阀9和第二废气阀11之间的废气管的中间管段10上，所述第一废气管旁路上，在绕过所述外置低温燃料重整器5的位置处设有一热电偶8。所述第一废气阀9用以调控进入第一废气管旁路7的废气量，进而调控外置低温燃料重整器5的重整温度，用以燃料低温重整。
所述第二废气阀11上连接有第二废气管旁路，所述第二废气管旁路与所述第二废气阀11连接、并缠绕过所述燃料汽化罐18后连接至所述发动机废气管的末端(即终端废气管20)，所述第二废气管旁路上，在绕过所述燃料汽化罐18的位置处设有一热电偶13。
通过将发动机废气管6缠绕经过所述外置低温燃料重整器5和燃料汽化罐18，实现发动机废气余热的充分利用。所述燃料注射泵19按照规定重整当量比匀速进样燃料；所述燃料气化罐18位于燃料进样管17的管路上，用以气化待重整的液体燃料，其中燃料气化罐18的外周被发动机废气管缠绕，气化温度由第二废气阀11调控；所述外置低温燃料重整器5空气进气***由气体流量计15调控进入外置低温燃料重整器5的空气量；本发明中所述外置低温燃料重整器5由发动机废气管路缠绕，温度调控由第一废气阀9控制，并且与位于外置低温燃料重整器5上的热电偶进行闭环温度控制；在位于重整气气管3上并临近外置低温燃料重整器5出口处安放的一个热电偶4用以检测重整后混合气的温度。
本发明中形成的重整回路走向：初始燃料由所述燃料注射泵19以匀速经燃料进样管17进入到燃料汽化罐18中进行汽化，汽化后的燃料导入到所述外置低温燃料重整器5中与新鲜空气混合进行低温重整。所述气体回路走向：由所述空气瓶16提供的新鲜空气在气体流量计15调控的流量下经空气进气管14进入到所述外置低温燃料重整器5中与汽化后的燃料混合进行低温重整，在所述外置低温燃料重整器5中，汽化后的燃料与新鲜空气混合进行低温重整形成低温产物，发动机气缸内的喷油器控制汽缸内燃油的喷入时刻及喷油量，所述重整回路及气体回路的流量控制分别是通过燃料注射泵19和气体流量计15实现的。重整后的低温产物经过重整气气管3进入到发动机进气管2中，再次与新鲜空气混合形成均匀混合气导入到所述发动机气缸1中，并与缸内直喷的燃料混合燃烧实现混合气活性及浓度分层。
本发明中，利用外置低温燃料重整器5，通过调控重整器的边界条件可以得到不同活性的低温氧化产物，例如重整PRF90(异辛烷与正庚烷体积比为9)燃料，可以得到高活性物质(过氧甲烷CH3O2H，羰基的过氧化物KETs等等)，也可以得到低活性物质或者称为抑制燃烧的物质(甲醛CH2O，丙酮CH3COCH3等等)。因此可以根据发动机实际工况条件需求，通过调控重整器中的边界条件(温度，压力，当量比等)将其中的混合气重整成所需活性的氧化阶段产物，再与新鲜空气混合导入到发动机汽缸内参与燃烧工作。实质上低温重整产物的导入改变了发动机汽缸内燃料消耗的化学反应路径，进而影响了发动机汽缸内的燃烧工作过程。与此同时，发动机废气余热的利用也使得发动机整体能量得到了节约。
利用本发明的利用发动机废气余热低温重整燃料的装置在下述几种工况下工作时的表现：
针对低活性燃料或者发动机处于低速小负荷工况条件，控制该外置低温燃料重整***的边界条件(温度，压力，当量比等)使重整器内的燃料转化成高活性的低温重整产物，导入到发动机缸内，再结合发动机缸内直喷的新鲜燃料，实现混合气浓度和活性分层燃烧。因为高活性自由基物质点火滞燃期短，更容易点火，与工作缸缸内直喷燃料相互作用，促进点火，保证了在低速小负荷条件下燃烧的稳定性，从而扩展了小负荷运行区域。
对于高活性燃料或者发动机处于大负荷/满负荷工况条件下，同样调控外置重整器的边界条件，将重整器中的燃料低温重整成低活性的重整产物(醛类，丙酮等等)，再导入到发动机汽缸内参与燃烧。因为低温重整后的混合气活性降低，着火滞燃期长，通过与工作缸直喷高活性燃料混合实现混合气活性与浓度耦合控制的高效清洁燃烧。
综上，本发明提出的是利用一套外置低温重整***根据发动机实际工况条件产生不同氧化阶段的低温重整产物，并且该重整***不外加催化剂。本发明与其他相应燃料重整技术方案最大的不同点在于是根据不同工况需求，通过对重整氧化反应边界条件控制，获得不同重整氧化阶段的中间产物，如产生过氧化物、醛、酮、CO、H2等中间产物。燃料经重整后中间产物活性降低，不同氧化阶段的中间产物重新与新鲜空气混合后形成化学活性不同不同的混合气，并与工作缸喷入的燃料再进行燃烧反应，从而仅采用单一燃料实现活性与浓度分层控制的高效清洁燃烧模式，从而实现了燃烧反应路径可调控制。
尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (1)

1.一种利用发动机废气余热低温重整燃料的装置，包括发动机气缸(1)、一台外置低温燃料重整器(5)、空气进气管(14)和燃料进样管(17)，所述发动机气缸(1)连接有发动机进气管(2)和发动机废气管(6)；所述空气进气管(14)的一端和所述燃料进样管(17)的一端均连接至所述外置低温燃料重整器(5)的进口，所述空气进气管(14)的另一端连接至一空气瓶(16)，所述空气进气管(14)上设有气体流量计(15)；所述燃料进样管(17)的另一端连接至一燃料注射泵(19)，所述燃料进样管(17)上设有燃料汽化罐(18)；所述外置低温燃料重整器(5)的出口通过重整气气管(3)与所述发动机进气管(2)相连；所述重整气气管(3)上、并位于临近外置低温燃料重整器(5)的出口处设有一热电偶(4)；其特征在于：
所述发动机废气管(6)上设有第一废气阀(9)和第二废气阀(11)，所述第一废气管(9)位于发动机废气管的始端，所述第二废气阀(11)位于发动机废气管的末端；
所述第一废气阀(9)上连接有第一废气管旁路，所述第一废气管旁路与所述第一废气阀(9)连接、并缠绕过所述外置低温燃料重整器(5)后连接至所述第一废气阀(9)和第二废气阀(11)之间的废气管的中间管段(10)上，所述第一废气管旁路上，在绕过所述外置低温燃料重整器(5)的位置处设有一热电偶(8)；
所述第二废气阀(11)上连接出有第二废气管旁路，所述第二废气管旁路与所述第二废气阀(11)连接、并缠绕过所述燃料汽化罐(18)后连接至所述发动机废气管的末端，所述第二废气管旁路上，在绕过所述燃料汽化罐(18)的位置处设有一热电偶(13)；
通过将发动机废气管(6)缠绕经过所述外置低温燃料重整器(5)和燃料汽化罐(18)，实现发动机废气余热的充分利用；
初始燃料由所述燃料注射泵(19)以匀速经燃料进样管(17)进入到燃料汽化罐(18)中进行汽化，汽化后的燃料导入到所述外置低温燃料重整器(5)中，与此同时，由所述空气瓶(16)提供的新鲜空气在气体流量计(15)调控的流量下经空气进气管(14)进入到所述外置低温燃料重整器(5)中，在所述外置低温燃料重整器(5)中，汽化后的燃料与新鲜空气混合进行低温重整形成低温产物；重整后的低温产物经过重整气气管(3)进入到发动机进气管(2)中，再次与新鲜空气混合形成均匀混合气导入到所述发动机气缸(1)中，并与缸内直喷的燃料混合燃烧实现混合气活性及浓度分层。
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