CN102787908B - 用于天然气发动机中掺烧水蒸汽的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种对发动机进行水蒸汽掺烧的方法，包括将水转化为高温蒸汽的步骤和将高温蒸汽喷入天然气发动机进气管或进气道的步骤。本发明还公开了一种天然气发动机中的掺烧装置，包括：水蒸汽箱，通过进水管道与进水口连通，水通过该进水管道流入其中；水蒸汽喷射装置，设置在发动机的进气管道管壁上，用于向进气管道喷入水蒸汽；水蒸汽箱设置在发动机排气管上，排气管穿过其内部，箱内的冷却水经排气管被加热为高温蒸汽，并通过一出口管道进入水蒸汽喷射装置，进而喷入进气管道。本发明的方法和装置将发动机的冷却水加热为蒸汽后喷入发动机进气管内，从而优化燃烧速度和燃烧温度，提高天然气发动机经济性，改善排放性。

Description

用于天然气发动机中掺烧水蒸汽的方法及装置

技术领域

本发明涉及天然气发动机技术领域，具体是一种用于天然气发动机掺烧水蒸汽或水溶液蒸汽的装置和方法。

背景技术

随着我国汽车保有量的迅速增长，对汽车燃料（主要是汽油和柴油）的需求日益增长，使得我国石油进口量逐年增加。目前，石油进口量已经远远超过了国内产量，石油的对外依存度逐年升高，预计到2020年将会达到70%以上。为了确保我国能源安全，需要改变目前的能源消耗结构。我国具有丰富的天然气资源，常规天然气的总储量在38万亿立方米左右，大约占世界资源总量的11%。目前在四川盆地、中西部地区以及海上形成了年产量800亿立方米左右的生产能力，发展天然气发动机对于缓解我国能源压力有着重要的现实意义。

与柴油和汽油相比，天然气是气体燃料，与空气混合更均匀，可以大大降低CO、HC和颗粒物等有害排放物的排放。并且，CH₄（天然气主要成分）分子中的含氢量高,释放同样能量,燃用天然气的温室气体CO₂排放量比汽油少30%以上，因此，发展天然气发动机对于改善城市空气质量也有着重要的现实意义。

但是，天然气发动机仍然存在着两个技术难题：1.天然气燃烧速度慢,使得CH₄来不及完全燃烧，CH₄排放高；2.天然气发动机燃烧温度高，NO_x排放相对较高。仅从优化天然气发动机本体结构设计，已无法解决这两个问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于天然气发动机中掺烧水蒸汽的方法，实现将发动机的冷却水加热为蒸汽后喷入发动机进气管（道）内，从而优化燃烧速度和燃烧温度，提高天然气发动机经济性，改善排放性。

实现本发明的目的所采用的具体方案为：

一种实现在天然气发动机中进行水蒸汽掺烧的方法，其特征在于，包括将天然气发动机冷却系统中的冷却水转化为高温蒸汽的步骤和将所述高温蒸汽喷入所述天然气发动机进气管或进气道的步骤。

作为本发明的改进，所述冷却水通过所述天然气发动机的排气管加热为高温蒸汽。

作为本发明的改进，喷入所述天然气发动机进气管或进气道的蒸汽量和喷射时间根据发动机发动机负荷工况由ECU控制。

本发明的另一目的是提供一种用于天然气发动机中的掺烧装置，用于实现掺烧水蒸汽，其包括：

水蒸汽箱，其通过进水管道与发动机的冷却系统连通，冷却水通过该进水管道流入其中；

水蒸汽喷射装置，其设置在所述发动机的进气管道管壁上，用于向所述进气管道喷入水蒸汽，以实现掺烧；

其特征在于，所述水蒸汽箱设置在发动机排气管上，该排气管穿过其内部，箱内的冷却水经该排气管被加热为高温蒸汽，并通过出口管道进入所述水蒸汽喷射装置，进而喷入进气管道。

作为本发明的改进，所述喷入进气管道的蒸汽量通过该水蒸汽箱和进气管之间的压差来控制。

作为本发明的改进，所述水蒸汽箱和进气管道上均设有压力传感器，两传感器信号输入到ECU中，所述ECU通过两传感器感应的压差控制水蒸汽喷射装置的打开和关闭。

作为本发明的改进，水蒸汽箱上设置有放气阀门，水蒸汽箱内过高的压力通过放气阀门释放。

作为本发明的改进，所述放气阀门的启闭通过所述ECU控制。

作为本发明的改进，所述进水管道上设置有单向阀。

当水通过单向阀门进入到小型水蒸汽箱后，会被炙热的排气管快速加热形成水蒸汽。形成的高压水蒸汽，通过水蒸汽喷射装置喷射到进气管系内，然后和天然气、空气充分混合，进入气缸并参加燃烧反应。喷射到进气管系内的水蒸汽质量可以通过小型水蒸汽箱压力和进气管内压力的压差来控制，进气管内压力由发动机负荷来控制，不受本发明装置控制，所以需要控制小型水蒸汽箱内压力。小型水蒸汽箱的压力通过放气阀门来控制，当小型水蒸汽箱和进气管系的压差大于需要值时，打开小型水蒸汽箱放气阀门泄压，并且关闭单向阀门停止向小型水蒸汽箱中注水。

本发明不局限于天然气发动机，也适用于液化石油气发动机、煤层气、沼气发动机。

本发明水蒸汽所需的水来自发动机或整车的冷却系统，可以在水泵后端、缸盖出水口、散热器等地方取水。

本发明小型水蒸汽箱安装在排气系统上，其形状、位置和尺寸大小可以根据排气系统布置来确定。

本发明的有益效果表现为：

通过上述装置向进气管道中喷射水蒸汽，可以实现天然气发动机在线掺烧水蒸汽。该装置及方法的优点体现在：

1、水蒸汽在气缸高温环境下，会离解为H基和OH基。H基，OH基的出现会大大加快天然气主要成分CH₄燃烧的速率。可以使发动机在急燃期内发出更多热量，使发动机的等容度提高，从而发动机的热效率也会提高；

2、由于燃烧速率的提高，相同时间内可以燃烧更多的CH₄，使气缸内天然气燃烧会更加充分，未燃CH₄排放量下降；

3、水的比热比较大，在气缸内燃烧天然气和水蒸汽的混合物可以使缸内的最高温度降低，从而使得NO_x排放下降。

附图说明

图1为天然气发动机在线掺烧水蒸汽的装置结构示意图。

图中：1、单向阀门2、小型水蒸汽箱3、排气管4、放气阀门5、水箱压力传感器6、水蒸汽喷射装置7、进气管压力传感器8、进气管系。

具体实施方式

下面通过附图和具体实施例更加详细地说明本发明，但以下实施例仅是说明性的，本发明的保护范围并不受这些实施例的限制。

图1为天然气发动机在线掺烧水蒸汽的装置结构示意图，按照附图具体说明实施方法。

从发动机冷却系统引出一条管道，在管道上安装有一个单向阀门1，水经过单向阀门后到小型水蒸汽箱2中。小型水蒸汽箱2中的水在发动机排气管3的高温壁面加热下，形成高压水蒸汽。单向阀门1可以确保小型水蒸汽箱2中的水在受热蒸发，压力升高之后不会倒流回到发动机冷却系统内。在小型水蒸汽箱2的壁面上装有一个放气阀门4，一个压力传感器5和一个供气管路出口，放气阀门4由ECU来控制，压力传感器5的信号输入到ECU中，放气阀和供气管路出口结构设计时应避免出水，因此结构上设计成阶梯式出口结构。小型水蒸汽箱2中的高压水蒸汽通过管道连接到水蒸汽喷射装置6，之后喷射到进气管(道)8内，在进气管(道)的壁面上有一个压力传感器7，压力传感器的信号输入到ECU中。进气管(道)内的压力由发动机负荷工况来控制，随着发动机工况变化而变化。为了控制在不同工况下进入气缸的水蒸汽质量，就需要控制小型水蒸汽箱2内压力以及水蒸汽喷射装置6的喷射时长，小型水蒸汽箱2内压力以及水蒸汽喷射装置6的喷射时长的控制由ECU根据发动机工况来决定。

设小型水蒸汽箱2中的压力为P₀，进气道内的压力为P₁，压力差值ΔP=P₀-P₁，水蒸汽喷射口的直径为d，根据粘性流动的伯努利方程知：

$\frac{P_0}{\mathrm{\ρg}}-\frac{P_1}{\mathrm{\ρg}}=\frac{\mathrm{\ΔP}}{\mathrm{\ρg}}=\frac{u_g}{\mathrm{zg}}$ ①

喷射到进气管(道)的流量：

$q_m=u_0\mathrm{\ρ}\×\frac{1}{4}\mathrm{\π}{d}^2$ ②

通过上式可知，只要可以控制P₀就可以控制水蒸汽的喷射流量q_m，再通过ECU控制水蒸汽喷射装置6的开关时间，即控制水蒸汽喷射装置6的喷射时长，就可以控制喷射到进气管(道)内的水蒸汽质量。

水蒸汽所需的水来白发动机或整车的冷却系统，可以在水泵后端、缸盖出水口、散热器等地方取水。

本实施例的发动机不局限于天然气发动机，也适用于液化石油气发动机、煤层气、沼气发动机等。

本实施例中的小型水蒸汽箱安装在排气系统上，其形状、位置和尺寸大小可以根据排气系统布置来确定。

Claims (6)

1.一种对天然气发动机进行水蒸汽掺烧的方法，其特征在于，该方法包括将水转化为高温蒸汽的步骤和将所述高温蒸汽喷入所述天然气发动机进气管或进气道的步骤；

其中，所述水通过所述发动机的排气管加热而转化为高温蒸汽，且在所述高温蒸汽喷入所述天然气发动机进气管或进气道的步骤中，喷入所述发动机进气管或进气道的蒸汽量和喷射时间根据发动机负荷工况由ECU控制，所述高温蒸汽在气缸高温环境下，离解为H基和OH基，加快天然气中CH₄燃烧的速率，从而相同时间内可以燃烧更多的CH₄，使气缸内天然气燃烧会更加充分，未燃CH₄排放量下降；而且，通过在气缸内燃烧天然气和水蒸汽的混合物使缸内的最高温度降低，从而使得NO_x排放下降。

2.根据权利要求1所述的对天然气发动机进行水蒸汽掺烧的方法，其特征在于，所述转化为蒸汽的水来自于天然气发动机的水泵后端、缸盖出水口和/或散热器。

3.一种用于天然气发动机中的掺烧装置，以实现在发动机中掺烧水蒸汽，其包括：

水蒸汽箱(2)，其通过进水管道与进水口连通，水通过该进水管道流入其中；

水蒸汽喷射装置(6)，其设置在所述发动机的进气管道(8)管壁上，用于向所述进气管道(8)喷入水蒸汽，以实现掺烧；

其特征在于，所述水蒸汽箱(2)设置在发动机排气管(3)上，该排气管(3)穿过其内部，箱内的水经该排气管(3)被加热为高温蒸汽，并通过一出口管道进入所述水蒸汽喷射装置(6)，进而喷入进气管道(8)，所述高温蒸汽在气缸高温环境下，离解为H基和OH基，加快天然气中CH₄燃烧的速率，从而相同时间内可以燃烧更多的CH₄，使气缸内天然气燃烧会更加充分，未燃CH₄排放量下降；而且，通过在气缸内燃烧天然气和水蒸汽的混合物使缸内的最高温度降低，从而使得NO_x排放下降；

其中，所述喷入进气管道(8)的蒸汽量通过该水蒸汽箱(2)和进气管道(8)之间的压差来控制，即所述水蒸汽箱(2)和进气管道(8)上均设有压力传感器，两传感器信号输入到ECU中，所述ECU通过两传感器感应的压差控制水蒸汽喷射装置(6)的打开和关闭，实现对喷入进气管道(8)的蒸汽量的控制。

4.根据权利要求3所述的一种用于天然气发动机中的掺烧装置，其特征在于，所述水蒸汽箱(2)上设置有放气阀门(4)，水蒸汽箱(2)内过高的压力通过放气阀门(4)释放。

5.根据权利要求4所述的一种用于天然气发动机中的掺烧装置，其特征在于，所述放气阀门(4)的启闭通过ECU控制。

6.根据权利要求3-5中任一项所述的一种用于天然气发动机中的掺烧装置，其特征在于，进入所述水蒸汽箱(2)的水来自于与所述进水口连通的发动机的水泵后端、缸盖出水口和/或散热器。