CN104806382B

CN104806382B - 采用气液两相天然气为燃料的内燃机燃料输送方法

Info

Publication number: CN104806382B
Application number: CN201510153562.4A
Authority: CN
Inventors: 张钊; 周斌; 张艺华
Original assignee: Southwest Jiaotong University
Current assignee: Southwest Jiaotong University
Priority date: 2015-04-02
Filing date: 2015-04-02
Publication date: 2017-06-13
Anticipated expiration: 2035-04-02
Also published as: CN104806382A

Abstract

本发明公开了采用气液两相天然气为燃料的内燃机燃料输送方法，将液态压缩天然气源和气态压缩天然气源通过绝热输送至一绝热共轨，在绝热共轨中完成混合后经一电控喷油器输送至气缸：进入绝热共轨(5)的燃料有液路和气路两路：液路由液态压缩天然气瓶(1)通过绝热低压管(2)和绝热压力泵(10)输送至绝热共轨(5)；气路由气态压缩天然气气瓶(7)通过相应管阀进入绝热共轨(5)。本发明使气液两相天然气在进入气缸时发生闪蒸沸腾，并在不同工况进行两相天然气的气液组分实时设计控制。因燃烧的是气液两相天然气，故CO、CO₂、PM排放低，无NMHC；采用压缩过程喷射，HC排放低；缸内温度低，NO_X排放低；具有极低的排放性。

Description

采用气液两相天然气为燃料的内燃机燃料输送方法

所属领域

本发明涉及一种内燃机燃烧系统构造，尤其涉及使用天然气作为燃料的燃烧系统。

背景技术

在当前天然气内燃机中，不管是采用进气总管处的中央单点喷射，进气歧管处的多点喷射或将喷气嘴装在缸盖上的缸内直接喷射，其喷射的燃料都是气态天然气。在非直喷天然气机中，天然气与空气的混合气相比于柴油与空气的混合气热值降低12％；同时，天然气以气态进入缸内，要占据一定的气缸容积，使空气进气量比使用液体燃料时减小约10％。缸内直喷天然气内燃机是在进气冲程结束时天然气进入气缸，这样虽能够增加进气量，但天然气混合气相对于液体燃料混合气，燃料不会蒸发汽化吸收蒸发热，也不会使进气温度降低。所以当前天然气发动机的进气温度较高，燃烧室零件的热负荷较高，且NO_X是在高温富氧的情况下会有大量生成，故不利于提高可靠性和降低排放。

发明内容

鉴于现有技术的以上不足，本发明的目的在于提出一种气液两相天然气的内燃机燃烧系统，使用该系统的内燃机的排放低、可靠性高。

本发明的目的是通过如下的技术手段实现的。

一种采用气液两相天然气为燃料的内燃机燃料输送方法，将液态压缩天然气源和气态压缩天然气源通过绝热输送至一绝热共轨，在绝热共轨中完成混合后经一电控喷油器输送至气缸；其具体输送过程和工作条件为：

1)进入绝热共轨5的燃料有液路和气路两路：液路由液态压缩天然气瓶(1)通过绝热低压管2和绝热压力泵10输送至绝热共轨5；气路由气态压缩天然气气瓶7通过相应管阀进入绝热共轨5；

2)经绝热共轨5混合后的燃料由绝热共轨5出口经电控喷油器8后输送至气缸；

3)所述液路和气路设置相应的管阀进行连接，气路中设置相应的压力传感器；内燃机电子控制单元9

绝热低压管2和绝热压力泵10进口相连；绝热压力泵10通过绝热高压管经电磁阀4后与绝热共轨5相连；绝热共轨5通过绝热高压管与气缸上的电控喷油器8相连；气态压缩天然气气瓶7通过绝热高压管与绝热共轨5相连；绝热压力泵10、电磁阀4、绝热共轨5、压力传感器6及电控喷油器8均与内燃机电子控制单元9电连接并控制绝热压力泵10、电磁阀4、绝热共轨5、压力传感器6及电控喷油器8以满足内燃机的最优燃烧条件控制。

采用如上的技术方案，其运行过程为：

储存在气瓶中的液态天然气通过绝热管送至绝热压力泵中，压力泵将液态天然气加压至20MPa左右通过绝热高压管和电磁阀送至绝热共轨中，储存在压力为20MPa高压气瓶中的气态压缩天然气通过绝热管送至绝热共轨中，通过控制电磁阀的开闭时间进而对共轨中的天然气进行气液两相实时设计后送至电控喷油器。气液两相天然气在压缩过程喷射，并通过火花点燃。

两相流天然气向低压高温环境喷射时，气体的过热度增加，气体发生膨胀，形成泡沫并成长，在喷嘴出口处气体急剧释出，克服液体的粘性力和表面张力而发生气爆雾化，并产生剧烈的闪蒸沸腾现象；另外，由于两相天然气进入缸内的温度梯度大，吸热蒸发快；最终使两相流天然气与空气很容易生成均匀混合气。

在常温下，当压力变化为0～50MPa时，柴油(C10～C21碳氢化合物)的压缩系数β为(4～6.5)×10^-4(MPa)^-1，且因轻质油的压缩系数大于重值油的压缩系数，设液化天然气(CH₄)的压缩系数为5×10^-3(MPa)^-1，在给1m³的液化天然气等熵加压到20MPa后,压缩体积比为:

ΔV/V＝β·p (1)

压缩天然气的吸收功为：

W＝PV (2)

因在等熵情况下，该吸收功全部转化为热量Q，其中不考虑液化天然气汽化后比热容的变化,

W＝Q＝c·m·Δt (3)

将数据带入上述公式得：液化天然气等熵加压到20MPa后，温度上升7.577K。根据液化天然气的饱和温度，此时的天然气仍为液态。

该燃烧系统的结构中，因奥氏体不锈钢具有优良的低温性能，故绝热管、高压油泵中接触LNG部分、绝热轨采用304L/316材质的奥氏体不锈钢。绝热管、绝热轨的保冷采用包覆型绝热，其绝热材料采用已经在生产实践中取得成功应用的深冷用改进聚氨酯泡沫塑料(PUH、PUB)，但高压油泵中接触LNG部分的保冷采用表面喷涂陶瓷来解决。

燃料的实时设计控制目前已有大量研究,气液两相天然气的实时设计控制也可参照进行。

下表为天然气与汽油、柴油的物化性质比较：

表1 天然气与汽油、柴油的物化性质

物化性质	天然气	汽油	柴油
				分子式		C5～C12碳氢化合物	C10～C21碳氢化合物
沸点/℃	-162	125.7	180～360
				辛烷值(RON)	130	70～97	20～30
十六烷值	低	-15	40～55
				自燃温度/℃	650	420	≈250
化学计量空燃比	16.4	14.8～15.1	14.3
					50.00	43.97	42.50～44.40
		297	250
					34～37	35～47
	430	679	860
						0.28～0.59(20℃)	3～8

可以看出，天然气的H/C比大，故热值高。进入气缸为低温两相流且天然气辛烷值高，所以压缩比可以提高到理想的15左右，使增加压缩比对热效率的有利影响和增加的机械损失取得折中；压缩比的提高同样也可提高冷起动性能。

液态天然气汽化需要吸收了大量的热，汽化后的天然气是五原子气体，具有很高的比热容，在1000K时，气态天然气的定压比热容是空气的2.2倍，是CO₂的1.3倍，因此为了升温就需要吸收更多的热量。最后使得燃烧终了温度较低，传热损失少，同样提高了热效率。

因大量H燃烧变成无害的H₂O，另外液态天然气含杂质少，所含CH₄纯度可达99％以上，所以燃烧后排出的CO、CO₂、未燃碳氢化合物以及碳烟、微粒等有害物质减小。在NO_X排放方面，因燃烧终了温度较低，天然气在燃烧前可以完全替代CO₂的EGR作用,使得NO_X排放较低。但混合气火焰传播速度慢，后燃严重，从而导致NO_X的高温反应时间长，压缩比的提高会使最高燃烧温度增加，这样就增加了NO_X的排放。但比目前的天然气发动机有较低的NO_X排放。

相比于汽油和柴油，天然气的十六烷值很低，且自燃温度高，故燃烧较迟。在相同质量时，天然气因H要消耗多的多的氧气，所以天然气的化学计量空燃比大。液态天然气的密度虽比汽柴油较小，但体积能量密度为压缩天然气的两倍多。

绝热低压管的主要考虑是保温，使液态天然气在流动过程中不至于汽化。绝热高压管依旧要考虑保温，另因绝热高压管内有气液两相流还应考虑穴蚀的影响。因为若强压力波传到气泡处或气泡被运送到高压部位，则气泡会瞬时缩小、崩溃而产生极高的液压冲击力，引起噪声与振动，压力冲击波反复作用于绝热高压管壁面时，还会使其可靠性下降。

因需供油压力不随发动机的工作点的变化而变化，为此采用柱塞式泵。但柱塞偶件本身必须使用表面处理，除了考虑密封外还要求绝热，要求绝热的另一个原因是在低温条件下，柱塞偶件有低温脆性。在压缩液态天然气过程中避免不了柱塞与柱塞套之间的泄漏，泄漏的气液两相流都会在绝热高压泵中变成气体，气态的天然可以通过炭罐回收。因单缸泵的压力脉动大，且要保证被加热的气液两相流不回流，故绝热高压泵采用多缸轴向柱塞燃油泵。喷射压力的增加，喷注会变粗，喷射速度增加使得动力雾化粒群的数量也增加，Sauter平均值降低。但考虑到有闪蒸沸腾现象，液态天然气汽化温度梯度大，液态天然气在压缩时温度升高不至于太多，且压缩天然气气瓶的压力不高于20MPa,故把气液两相流压力定为20MPa左右。

绝热共轨必须要保温且还要考虑气穴的影响。在绝热轨上要安装压力传感器外。以便知晓绝热共轨内的汽化情况，为实时设计控制的两相流的确定提供基础数据。

采用本发明的基本方案，在实际实施过程中还可从不同角度予以优化，比如：

发动机采用废气涡轮增压后其动力性、经济性及排放性能得到明显的提高。考虑技术成熟性，故采用单级废气旁通涡轮增压器。

采用VVT以减小泵气损失，弥补均值混合直喷系统不能降低泵气损失的不足。

商品化的缸内直喷汽油发动机大都利用直气道产生滚流，但依赖于供油系统、控制系统和燃烧系统等技术的综合应用，设计开发有较大难度。而本燃烧系统采用了螺旋气道以配合活塞顶部的燃烧室凹坑形状。产生的涡流能使喷雾在压缩过程后半期仍保持较快的雾化混合。这种混合气形成方式结合了喷雾引导和气流引导的特征，一是喷雾比较靠近火花塞而又未直接伸入到火花塞处，这样就避免了两相天然气沾湿火花塞而导致火花塞失火和积碳，二是充分利用涡流旋转作用以加快喷雾蒸发。

在压缩过程喷射，迅速形成均匀混合气。希望在尽可能晚的时间进行喷射的原因是减小由于缝隙效应造成的HC排放。如果能将混合气形成的时间尽量推迟，在压缩过程中活塞和缸套之间的罅隙附近多为纯空气。在压缩过程中被压入罅隙中应当不含天然气，从而减小HC排放，提高热效率。

在保证NO_X较小的情况下尽量加大点火提前角。使发动机工作在爆燃边缘，从而得到良好的动力性和经济性。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本燃烧系统采用燃用气液两相天然气，它比起目前的天然气机、柴油机和汽油机有以下优点：

(1)因运用缸内直喷、高压缩比等方案，故具有高动力性和经济性；

(2)因燃烧的是气液两相天然气，故CO、CO₂、PM排放低，无NMHC；采用压缩过程喷射，HC排放低；缸内温度低，NO_X排放低；故具有极低的排放性；

(3)燃烧温度低，热负荷轻，故缸内零部件可靠性高。

附图说明

图1为气液两相天然气的内燃机燃烧系统基本构造示意图。

图2为喷嘴及火花塞布置示意图。

图3为燃烧室示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明技术内容作进一步详述。

如图1所示，本发明实施例的气液两相天然气内燃机燃烧系统，其组成是：进入绝热共轨5的燃料有液路和气路两路：液路由液态压缩天然气瓶1通过绝热低压管2和绝热压力泵10输送至绝热共轨5；气路由气态压缩天然气气瓶7通过相应管阀进入绝热共轨5；

低压管2和绝热压力泵10进口相连；绝热压力泵10通过绝热高压管经电磁阀4后与绝热共轨5相连；绝热共轨5通过绝热高压管3与气缸上的电控喷油器8相连；气态压缩天然气气瓶7通过绝热高压管与绝热共轨5相连；绝热压力泵10、电磁阀4、绝热共轨5、压力传感器6及电控喷油器8均与内燃机电子控制单元9电连接并控制绝热压力泵10、电磁阀4、绝热共轨5、压力传感器6及电控喷油器8以满足内燃机的最优燃烧条件控制。内燃机电子控制单元9对进入绝热共轨5的液态天然气和气态天然气进行气液两相实时流量控制。

火花塞布置示意图见图2。对于相同的点火电压要求，表面间隙火花比空气间隙火花能够跳过更大电极间隙，这样，在随后的着火中可以形成更大的火焰中心，并使着火特性明显改善。因该燃烧系统为低温燃烧，较深地伸入燃烧室的火花放电间隙有益于混合气的着火。故采用热值较小的表面间隙型火花塞。

本燃烧系统采用如图3所示的带台阶的ω燃烧室。使进气涡流在压缩上止点附近被保持在活塞顶部凹坑内，同时也是配合多孔喷嘴。有台阶的目的是为了利用挤流和逆挤流促进两相天然气与空气混合和燃烧，对改善燃烧和排放十分有利。

Claims

1.采用气液两相天然气为燃料的内燃机燃料输送方法，其特征在于，将液态压缩天然气源和气态压缩天然气源通过绝热输送至一绝热共轨，在绝热共轨中完成混合后经一电控喷油器输送至气缸；其具体输送过程和工作条件为：

1)进入绝热共轨(5)的燃料有液路和气路两路：液路由液态压缩天然气瓶(1)通过绝热低压管(2)和绝热压力泵(10)输送至绝热共轨(5)；气路由气态压缩天然气气瓶(7)通过相应管阀进入绝热共轨(5)；

2)经绝热共轨混合后的燃料由绝热共轨出口经电控喷油器(8)后输送至气缸；

3)所述液路和气路设置相应的管阀进行连接，气路中设置相应的压力传感器；内燃机电子控制单元(9)；

绝热低压管(2)和绝热压力泵(10)进口相连；绝热压力泵(10)通过绝热高压管经电磁阀(4)后与绝热共轨相连；绝热共轨通过绝热高压管与气缸上的电控喷油器相连；气态压缩天然气气瓶(7)通过绝热高压管与绝热共轨相连；绝热压力泵(10)、电磁阀(4)、绝热共轨(5)、压力传感器(6)及电控喷油器(8)均与内燃机电子控制单元(9)电连接并控制绝热压力泵(10)、电磁阀(4)、绝热共轨(5)、压力传感器(6)及电控喷油器(8)以满足内燃机的最优燃烧条件控制。

2.根据权利要求1所述内燃机燃料输送方法，其特征在于，内燃机电子控制单元(9)对进入绝热共轨(5)的液态天然气和气态天然气进行气液两相实时流量控制。