CN109113880A - 一种甲醇/醇氢燃料内燃机的燃烧组织方法及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种甲醇/醇氢燃料内燃机的燃烧组织方法及其应用，利用尾气余热在线催化重整或裂解部分甲醇燃料制取醇氢，其主要成分为氢气，所制取的醇氢的一部分供给点火室形成富氢混合气，并利用火花塞点火，形成高能的湍流火焰射流点火源，点燃由进气道或缸内喷射的甲醇和醇氢在气缸所形成的均质稀薄混合气。本发明将部分甲醇燃料转化为醇氢并采用所述燃烧组织方法，应用于内燃机，可提高点火可靠性，加速缸内燃烧过程，提高抗爆性，适应更高的压缩比，从而提高发动机热效率，并降低氮氧化物和颗粒物等有害排放。在一台缸径为210mm的柴油机上改装试验表明，热效率增加4%，氮氧化物排放降低85%，颗粒物排放降低95%。

Description

一种甲醇/醇氢燃料内燃机的燃烧组织方法及其应用
技术领域
本发明涉及内燃机技术领域，尤其是一种甲醇/醇氢燃料内燃机的燃烧组织方法及其应用。
背景技术
甲醇可以用作内燃机的燃料，具有高效、清洁的特征，与采用传统石油燃料的内燃机相比，能大幅度降低内燃机的氮氧化物、硫氧化物和颗粒物排放，具有很好的发展前景。
目前，甲醇燃料应用于内燃机，主要有火花点火和柴油引燃这两种燃烧组织方式。火花点火方式主要应用于小缸径发动机，其燃烧组织方式与汽油机类似，该方式既适用于纯甲醇燃料，即M100，也适用于甲醇与汽油的混合燃料，如M5、M15、M85等（此处，数字表示燃料中甲醇的体积分数）。柴油引燃的方式应用于缸径相对较大的发动机，甲醇燃料一般采用进气道喷射或缸内低压早喷射的方式引入气缸，在缸内形成稀薄混合气，在上止点前高压喷射少量或微量柴油引燃甲醇和空气的稀薄混合气。
利用内燃机尾气余热，将甲醇燃料在线重整或裂解制取醇氢（包含氢气、二氧化碳、水蒸气和甲醇蒸汽，主要成分为氢气），然后采用进气道喷射或缸内直喷的方式引入气缸，也是利用甲醇燃料的一种方式，适用于火花点火和压缩着火的内燃机。
在大缸径（如：缸径大于200mm）的固定电站用或船舶用发动机中使用甲醇燃料时，为了减小火焰传播距离、避免爆震，几乎都采用了柴油引燃的方式组织燃烧。但是，采用这种方式，带来一些问题：1)需要两个燃油箱，增加成本以及空间需求；2)需要配备柴油电控高压共轨喷射***，增加成本；3)柴油的使用会产生一定量的颗粒物排放。
另一方面，采用小容积的点火室作为点火能量放大装置，在该点火室内形成适宜点火的混合气（如：近似化学计量比的混合气）并预先点火，燃烧形成湍流火焰射流点燃主燃烧室内的稀薄混合气，是一种可提高点火可靠性和火焰传播速率、从而拓宽内燃机稀薄燃烧界限并显著改善内燃机性能的燃烧组织方法。这种方法，在以天然气为燃料的内燃机中得到了较多应用。
目前，以甲醇/醇氢为燃料、采用点火室式火焰射流点火方式的内燃机技术方案未见报道。
发明内容
本发明提供一种甲醇/醇氢燃料内燃机的燃烧组织方法及其应用，旨在为使用甲醇燃料的内燃机，尤其是缸径大于200mm的甲醇燃料内燃机，提供一种只需要供给甲醇单一燃料的燃烧组织方法，将该方法应用于内燃机，相对于现存的柴油引燃燃烧组织方法及技术，可提高热效率、降低排放并降低生产及运营成本。
为了解决以上技术问题，本发明采用的具体技术方案如下。
一种甲醇/醇氢燃料内燃机的燃烧组织方法，其特征在于：
本发明方法适用于带点火室的内燃机。
在内燃机冷启动工况，采用甲醇单一燃料模式，点火室和主燃烧室内都形成近似化学计量比的混合气，采用当量比燃烧方式，并利用设置在所述点火室内的预热塞预热点火室，确保可靠的冷启动；
在其他工况，采用甲醇/醇氢燃料模式，具体由下述步骤组成：步骤S1，利用内燃机的尾气余热在线催化裂解或催化重整部分甲醇燃料制取醇氢，其主要成分为氢气；步骤S2，所制取的醇氢的一部分和甲醇燃料分别通过气道或缸内喷射进入主燃烧室，形成稀薄混合气；步骤S3，另一部分醇氢供给点火室并在点火室内形成富氢混合气；步骤S4，利用安装在点火室内的火花塞点火，点燃点火室内的富氢混合气；步骤S5，点火室内的富氢混合气燃烧后，燃烧产物、燃烧中间产物自由基及部分未燃混合气经连接点火室与主燃烧室的通道喷入主燃烧室，形成高能的多点湍流火焰射流点火源，点燃主燃烧室内甲醇和醇氢的稀薄混合气；步骤S6，主燃烧室内甲醇和醇氢的稀薄混合气着火后，在点火室湍流火焰射流扰动作用下，快速、充分地燃烧。
所述甲醇/醇氢燃料内燃机，指的是只需向内燃机供给甲醇单一燃料，并通过在线催化重整或催化裂解装置将部分甲醇燃料催化转化为醇氢，然后将甲醇燃料和醇氢共同供给到内燃机的燃烧室内与空气形成混合气并燃烧的内燃机。所述醇氢中，氢气的体积分数大于65%。
所述点火室内形成的富氢混合气，其过量空气系数介于0.5与2.0之间，其氢气浓度比主燃烧室混合气中氢气的浓度高80%以上，所述主燃烧室内形成的稀薄混合气，其过量空气系数介于1.5与5.0之间。
所述醇氢的热值占循环所有燃料总热值的8%～40%，所述供给到点火室的醇氢的热值占循环所有燃料总热值的1%～5%。
一种甲醇/醇氢燃料内燃机的燃烧组织方法应用于甲醇燃料内燃机中。
在所述内燃机上设置至少1个点火室，所述点火室与主燃烧室之间由至少1条通道连通，点火室总容积占余隙容积的1%～5%。
所述内燃机上安装甲醇在线催化裂解或催化重整装置，利用尾气余热将部分甲醇燃料催化转化为醇氢，所述醇氢中氢气的体积分数大于65%，并设置一台醇氢增压泵将所述醇氢增压后导入醇氢储存罐，然后通过2套管路、阀门和喷射***分别供给到内燃机的点火室和主燃烧室。
所述内燃机在冷启动工况采用甲醇单一燃烧当量比燃烧工作模式，利用安装在点火室内的预热塞预热点火室，确保可靠点火和启动；在其他工况，采用甲醇/醇氢燃料模式，甲醇燃料和醇氢分别通过进气道或缸内喷射的方式进入主燃烧室，形成稀薄混合气，点火室内独立喷射醇氢，形成富氢混合气，并利用安装在点火室内的火花塞点火，形成高能的湍流火焰射流点火源，点燃主燃烧室内的稀薄混合气。
主燃烧室内稀薄混合气的过量空气系数介于1.5与5.0之间，点火室内富氢混合气的过量空气系数介于0.5与2.0之间，所述点火室内氢气浓度比主燃烧室内混合气中氢气的浓度高80%以上。
所述内燃机的压缩比大于等于14。
本发明具有有益效果。本发明与现有的缸径大于200mm的甲醇燃料内燃机技术相比，可以增加过量空气系数，拓宽内燃机的稀薄燃烧界限，改善内燃机的燃烧和排放，并降低生产或改装成本。在一台缸径为210mm的柴油机上改装试验表明，热效率增加4%，氮氧化物排放降低85%，颗粒物排放降低95%。
1)本发明由于点火室内独立供给醇氢燃料，点火室内形成了富氢混合气，其可燃界限比较宽，因此点火室内的点火可靠性得以提高，内燃机的循环变动降低；2)氢气的层流火焰速率高，能加速点火室内的燃烧进程，快速形成高能量的湍流火焰射流，既可以起到点火能量放大器的作用，点燃主燃烧室内的较稀薄混合气，而射流在主燃烧室内引起的强烈湍流扰动又可以促进主燃烧室内的燃烧进程，进而改善内燃机效率；3)由于主燃烧室内也供给了部分醇氢，含氢气的燃料增加了主燃烧室内的火焰传播速率，提高了热效率，并且还可以扩大稀薄燃烧极限，必要时可采用更大的过量空气系数，又进一步提高热效率；4) 缸内混合气中含有适量的氢气，加速缸内燃烧过程，提高抗爆性，可以采用更高的压缩比，从而提高发动机热效率；5)不需要柴油引燃，大幅降低甚至消除了颗粒物排放；6)甲醇燃料催化重整或催化裂解制取醇氢过程，吸收了部分尾气的热量，使燃料蕴含的热值增加，也可进一步提高内燃机***效率。
本发明内燃机上安装甲醇在线催化裂解或催化重整装置，利用尾气余热将部分甲醇燃料催化转化为醇氢，所述醇氢中氢气的体积分数大于65%，并设置一台醇氢增压泵将所述醇氢增压后导入醇氢储存罐，然后通过2套管路、阀门和喷射***分别供给到内燃机的点火室和主燃烧室。
本发明内燃机在冷启动工况采用甲醇单一燃料当量比燃烧工作模式，利用安装在点火室内的预热塞加热点火室，确保可靠点火和启动；在其他工况，采用甲醇/醇氢燃料模式，甲醇燃料和醇氢分别通过进气道或缸内喷射的方式进入主燃烧室，形成稀薄混合气，点火室内独立喷射醇氢，形成富氢混合气，并利用安装在点火室内的火花塞点火，形成高能的湍流火焰射流点火源，点燃主燃烧室内的稀薄混合气。
在所述内燃机的进气道或缸内设置了甲醇燃料喷嘴和醇氢主喷嘴，用于在进气冲程或压缩冲程早期将甲醇和醇氢引入气缸，形成稀薄混合气。所述主燃烧室内稀薄混合气的过量空气系数介于1.5与5.0之间。当采用进气道喷射时，喷射时刻要在排气门关闭之后，优选的喷射时刻为压缩上止点前280°CA～240°CA；当采用缸内直喷时，采用缸内早期喷射的策略，既可以采用较低的喷射压力以降低成本，又有充分的时间进行混合，优选的喷射时刻为上止点前180°CA～150°CA。
点火室的燃料供给包括两部分：第一部分是在压缩冲程中由主燃烧室经连接通道进入点火室的甲醇和醇氢，在点火室内形成与主燃烧室浓度基本相同的稀薄混合气；第二部分是由设置在点火室内的醇氢加浓喷嘴向点火室独立供给的醇氢，起到加浓点火室内混合气的作用，使点火室内最终形成富含氢气的混合气，其氢气浓度比主燃烧室内混合气中氢气的浓度高80%以上，其过量空气系数介于0.5与2.0之间。
由于缸内混合气中含有适量的氢气，可以采用更加稀薄的混合气，以及火焰湍流射流在缸内形成了大量分散的点火源且湍流扰动对燃烧有促进作用，使得缸内火焰传播距离减小、火焰传播速率增加，这些效应都对发动机爆震有抑制作用。因而可以采用更高的压缩比，内燃机的压缩比大于等于14。
附图说明
图1为本发明的示意图。
图中：1、主燃烧室，2、进气道，3、甲醇喷射***,4、醇氢主喷射***，5、排气道，6、甲醇催化重整装置，7、醇氢增压泵，8、醇氢储存罐，9、点火室，10、醇氢加浓喷射***，11、火花塞，12、预热塞，13、湍流火焰射流，14、甲醇燃料箱。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案做进一步详细说明。
图1是根据本发明所提供的方法，在一台缸径为210mm的中速柴油机基础上改装的甲醇/醇氢燃料内燃机的示意图。如图1所示，在中速柴油机进气道2内加装了甲醇喷射***3和醇氢主喷射***4，在缸盖上布置了点火室9和醇氢加浓喷射***10，点火室9内安装了火花塞11和预热塞12。甲醇燃料箱14向甲醇喷射***3和甲醇催化重整装置6供给甲醇燃料，所述醇氢由甲醇催化重整装置6利用排气道5内的部分尾气余热制取，经醇氢增压泵7提高压力，确保醇氢供给压力与进气管路之间形成必要的喷射压力差，然后连接醇氢储存罐8。
在所述内燃机冷启动工况，优选地，利用预热塞12对点火室9进行预热，确保可靠点火。优选地，采用甲醇单一燃料工作方式。利用甲醇喷射***3向进气道喷射甲醇燃料，在主燃烧室1和点火室9内形成近似化学计量比的混合气；在压缩冲程上止点之前，由设置在点火室9内的火花塞11点燃点火室内的近似化学计量比的甲醇混合气；点火室9内的混合气燃烧后，形成湍流火焰射流13，喷射进入主燃烧室1，点燃主燃烧内的混合气，并促使主燃烧室内的混合气快速而充分地燃烧，实现可靠的冷启动。
在所述内燃机冷启动运行很短时间内，排气温度达到甲醇催化重整装置6的工作温度，该装置开始利用尾气余热对甲醇进行催化重整，制取醇氢燃料，所述醇氢燃料的主要成分为氢气，其含量大于65%。醇氢燃料经增压泵7加压后，进入醇氢储存罐8，内燃机开始以甲醇/醇氢燃料模式工作。
当内燃机以甲醇/醇氢燃料模式工作时，在所述内燃机的进气冲程，通过甲醇喷射***3喷射甲醇燃料，通过醇氢主喷射***4喷射醇氢燃料，甲醇和醇氢燃料随进气道2内的空气进入气缸，在主燃烧室和点火室形成均质稀薄混合气，其过量空气系数介于1.5和5.0之间。在进气冲程中后期或压缩冲程早期，通过醇氢加浓喷射***10，向点火室9内喷射适量醇氢燃料，与从主燃烧室1进入点火室9的稀薄混合气混合，形成近似化学计量比的富氢混合气。这些富氢混合气在上止点前由安装在点火室9内的火花塞11点燃，并快速燃烧，释放热量，提高点火室9内的气体压力，促使点火室9内的高温燃烧产物和少量燃烧中间产物自由基及未燃混合气以较高速度喷射进入主燃烧室1，形成高温湍流火焰射流13，快速点燃主燃烧室1内的稀薄混合气，并在射流激发的强烈湍流扰动作用下快速而充分地燃烧。
本实例所述一种甲醇/醇氢燃料内燃机的燃烧组织方法在一台缸径为210mm的内燃机上的应用，相较于柴油引燃甲醇的燃烧组织方式，由于只需一种燃料油箱，并且不需要配置柴油电控高压喷射***，因而大幅降低了生产成本；由于主燃烧室内强烈的湍流扰动，燃烧速率快，因而热效率提高；又由于主燃烧室内发生的是稀薄混合气的低温燃烧，因而内燃机的氮氧化物和颗粒物排放极低，不需要氮氧化物和颗粒物后处理装置即可满足目前所有针对船舶发动机或固定电站发动机的氮氧化物排放的限制。其综合效果是，相较于原柴油机，热效率增加4%，氮氧化物排放降低85%，颗粒物排放降低95%。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种甲醇/醇氢燃料内燃机的燃烧组织方法，其特征在于，该方法适用于带点火室的内燃机，包括：
在内燃机冷启动工况，采用甲醇单一燃料模式，点火室和主燃烧室都形成近似化学计量比的混合气，采用当量比燃烧方式，并利用设置在所述点火室内的预热塞预热点火室，确保可靠的冷启动；
在其他工况，采用甲醇/醇氢燃料模式，具体由下述步骤组成：步骤S1，利用内燃机的尾气余热在线催化裂解或催化重整部分甲醇燃料制取醇氢，其主要成分为氢气；步骤S2，所制取的醇氢的一部分和甲醇燃料分别通过气道或缸内喷射进入主燃烧室，形成稀薄混合气；步骤S3，另一部分醇氢供给点火室并在点火室内形成富氢混合气；步骤S4，利用安装在点火室内的火花塞点火，点燃点火室内的富氢混合气；步骤S5，点火室内的富氢混合气燃烧后，燃烧产物、燃烧中间产物自由基及部分未燃混合气经连接点火室与主燃烧室的通道喷入主燃烧室，形成高能的多点湍流火焰射流点火源，点燃主燃烧室内甲醇和醇氢的稀薄混合气；步骤S6，主燃烧室内甲醇和醇氢的稀薄混合气着火后，在点火室湍流火焰射流扰动作用下，快速、充分地燃烧。
2.根据权利要求1所述的一种甲醇/醇氢燃料内燃机的燃烧组织方法，其特征在于：所述醇氢中，氢气的体积分数大于65%。
3.根据权利要求1所述的一种甲醇/醇氢燃料内燃机的燃烧组织方法，其特征在于:所述点火室内形成的富氢混合气，其过量空气系数介于0.5与2.0之间，其氢气浓度比主燃烧室混合气中氢气的浓度高80%以上，所述主燃烧室内形成的稀薄混合气，其过量空气系数介于1.5与5.0之间。
4.根据权利要求1所述的一种甲醇/醇氢燃料内燃机的燃烧组织方法，其特征在于：所述醇氢的热值占循环所有燃料总热值的8%～40%，所述供给到点火室的醇氢的热值占循环所有燃料总热值的1%～5%。
5.一种甲醇/醇氢燃料内燃机的燃烧组织方法的应用，其特征在于：将权利要求1-4中任意一项应用于甲醇燃料内燃机中。
6.根据权利要求5所述一种甲醇/醇氢燃料内燃机的燃烧组织方法的应用，其特征在于：在所述内燃机上设置至少1个点火室，所述点火室与主燃烧室之间由至少1条通道连通，点火室总容积占余隙容积的1%～5%。
7.根据权利要求5所述一种甲醇/醇氢燃料内燃机的燃烧组织方法的应用，其特征在于：所述内燃机上安装甲醇在线催化裂解或催化重整装置，利用尾气余热将部分甲醇燃料催化转化为醇氢，所述醇氢中氢气的体积分数大于65%，并设置一台醇氢增压泵将所述醇氢增压后导入醇氢储存罐，然后通过2套管路、阀门和喷射***分别供给到内燃机的点火室和主燃烧室。
8.根据权利要求5所述一种甲醇/醇氢燃料内燃机的燃烧组织方法的应用，其特征在于：所述内燃机在冷启动工况采用甲醇单一燃烧当量比燃烧工作模式，利用安装在点火室内的预热塞预热点火室，确保可靠点火和启动；在其他工况，采用甲醇/醇氢燃料模式，甲醇燃料和醇氢分别通过进气道或缸内喷射的方式进入主燃烧室，形成稀薄混合气，点火室内独立喷射醇氢，形成富氢混合气，并利用安装在点火室内的火花塞点火，形成高能的湍流火焰射流点火源，点燃主燃烧室内的稀薄混合气。
9.根据权利要求5所述一种甲醇/醇氢燃料内燃机的燃烧组织方法的应用，其特征在于：主燃烧室内稀薄混合气的过量空气系数介于1.5与5.0之间，点火室内富氢混合气的过量空气系数介于0.5与2.0之间，所述点火室内氢气浓度比主燃烧室内混合气中氢气的浓度高80%以上。
10.根据权利要求5所述一种甲醇/醇氢燃料内燃机的燃烧组织方法的应用，其特征在于：所述内燃机的压缩比大于等于14。
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