采用氣液兩相天然氣為燃料的內燃機燃料輸送方法
【專利說明】采用氣液兩相天然氣為燃料的內燃機燃料輸送方法
[0001] 所屬領域
[0002] 本發(fā)明涉及一種內燃機燃燒系統(tǒng)構造，尤其涉及使用天然氣作為燃料的燃燒系 統(tǒng)。
【背景技術】
[0003] 在當前天然氣內燃機中，不管是采用進氣總管處的中央單點噴射，進氣歧管處的 多點噴射或將噴氣嘴裝在缸蓋上的缸內直接噴射，其噴射的燃料都是氣態(tài)天然氣。在非直 噴天然氣機中，天然氣與空氣的混合氣相比于柴油與空氣的混合氣熱值降低12% ;同時， 天然氣以氣態(tài)進入缸內，要占據(jù)一定的氣缸容積，使空氣進氣量比使用液體燃料時減小約 10%。缸內直噴天然氣內燃機是在進氣沖程結束時天然氣進入氣缸，這樣雖能夠增加進氣 量，但天然氣混合氣相對于液體燃料混合氣，燃料不會蒸發(fā)汽化吸收蒸發(fā)熱，也不會使進氣 溫度降低。所以當前天然氣發(fā)動機的進氣溫度較高，燃燒室零件的熱負荷較高，且N0 X是在 高溫富氧的情況下會有大量生成，故不利于提高可靠性和降低排放。

【發(fā)明內容】

[0004] 鑒于現(xiàn)有技術的以上不足，本發(fā)明的目的在于提出一種氣液兩相天然氣的內燃機 燃燒系統(tǒng)，使用該系統(tǒng)的內燃機的排放低、可靠性高。
[0005] 本發(fā)明的目的是通過如下的技術手段實現(xiàn)的。
[0006] -種采用氣液兩相天然氣為燃料的內燃機燃料輸送方法，將液態(tài)壓縮天然氣源和 氣態(tài)壓縮天然氣源通過絕熱輸送至一絕熱共軌，在絕熱共軌中完成混合后經(jīng)一電控噴油器 輸送至氣缸；其具體輸送過程和工作條件為：
[0007] 1)進入絕熱共軌5的燃料有液路和氣路兩路：液路由液態(tài)壓縮天然氣瓶（1)通過 絕熱低壓管2和絕熱壓力泵10輸送至絕熱共軌5 ;氣路由氣態(tài)壓縮天然氣氣瓶7通過相應 管閥進入絕熱共軌5 ;
[0008] 2)經(jīng)絕熱共軌5混合后的燃料由絕熱共軌5出口經(jīng)電控噴油器8后輸送至氣缸；
[0009] 3)所述液路和氣路設置相應的管閥進行連接，氣路中設置相應的壓力傳感器；內 燃機電子控制單元9
[0010] 絕熱低壓管2和絕熱壓力泵10進口相連；絕熱壓力泵10通過絕熱高壓管經(jīng)電磁 閥4后與絕熱共軌5相連；絕熱共軌5通過絕熱高壓管與氣缸上的電控噴油器8相連；氣態(tài) 壓縮天然氣氣瓶7通過絕熱高壓管與絕熱共軌5相連；絕熱壓力泵10、電磁閥4、絕熱共軌 5、壓力傳感器6及電控噴油器8均與內燃機電子控制單元9電連接并控制絕熱壓力泵10、 電磁閥4、絕熱共軌5、壓力傳感器6及電控噴油器8以滿足內燃機的最優(yōu)燃燒條件控制。 [0011] 采用如上的技術方案，其運行過程為：
[0012] 儲存在氣瓶中的液態(tài)天然氣通過絕熱管送至絕熱壓力泵中，壓力泵將液態(tài)天然氣 加壓至20MPa左右通過絕熱高壓管和電磁閥送至絕熱共軌中，儲存在壓力為20MPa高壓氣 瓶中的氣態(tài)壓縮天然氣通過絕熱管送至絕熱共軌中，通過控制電磁閥的開閉時間進而對共 軌中的天然氣進行氣液兩相實時設計后送至電控噴油器。氣液兩相天然氣在壓縮過程噴 射，并通過火花點燃。
[0013] 兩相流天然氣向低壓高溫環(huán)境噴射時，氣體的過熱度增加，氣體發(fā)生膨脹，形成泡 沫并成長，在噴嘴出口處氣體急劇釋出，克服液體的粘性力和表面張力而發(fā)生氣爆霧化，并 產(chǎn)生劇烈的閃蒸沸騰現(xiàn)象；另外，由于兩相天然氣進入缸內的溫度梯度大，吸熱蒸發(fā)快；最 終使兩相流天然氣與空氣很容易生成均勻混合氣。
[0014] 在常溫下，當壓力變化為0~50MPa時，柴油（C10~C21碳氫化合物）的壓縮系 數(shù)0為（4~6. 5)乂1〇-4_&)'且因輕質油的壓縮系數(shù)大于重值油的壓縮系數(shù)，設液化天 然氣（CH 4)的壓縮系數(shù)為SXIOiMPar1，在給lm3的液化天然氣等熵加壓到20MPa后，壓 縮體積比為：
[0015] A V/V=0?p (1)
[0016] 壓縮天然氣的吸收功為：
[0017] ff=PV (2)
[0018] 因在等熵情況下，該吸收功全部轉化為熱量Q，其中不考慮液化天然氣汽化后比熱 容的變化，
[0019] ff = Q= c?m? At (3)
[0020] 將數(shù)據(jù)帶入上述公式得：液化天然氣等熵加壓到20MPa后，溫度上升7. 577K。根 據(jù)液化天然氣的飽和溫度，此時的天然氣仍為液態(tài)。
[0021] 該燃燒系統(tǒng)的結構中，因奧氏體不銹鋼具有優(yōu)良的低溫性能，故絕熱管、高壓油泵 中接觸LNG部分、絕熱軌采用304L/316材質的奧氏體不銹鋼。絕熱管、絕熱軌的保冷采用 包覆型絕熱，其絕熱材料采用已經(jīng)在生產(chǎn)實踐中取得成功應用的深冷用改進聚氨酯泡沫塑 料（PUH、PUB)，但高壓油泵中接觸LNG部分的保冷采用表面噴涂陶瓷來解決。
[0022] 燃料的實時設計控制目前已有大量研宄，氣液兩相天然氣的實時設計控制也可 參照進行。
[0023] 下表為天然氣與汽油、柴油的物化性質比較：
[0024] 表1天然氣與汽油、柴油的物化性質
【主權項】
1. 采用氣液兩相天然氣為燃料的內燃機燃料輸送方法，其特征在于，將液態(tài)壓縮天然 氣源和氣態(tài)壓縮天然氣源通過絕熱輸送至一絕熱共軌，在絕熱共軌中完成混合后經(jīng)一電控 噴油器輸送至氣缸；其具體輸送過程和工作條件為： 1) 進入絕熱共軌（5)的燃料有液路和氣路兩路：液路由液態(tài)壓縮天然氣瓶（1)通過絕 熱低壓管（2)和絕熱壓力泵（10)輸送至絕熱共軌（5);氣路由氣態(tài)壓縮天然氣氣瓶（7)通 過相應管閥進入絕熱共軌（5); 2) 經(jīng)絕熱共軌混合后的燃料由絕熱共軌出口經(jīng)電控噴油器（8)后輸送至氣缸； 3) 所述液路和氣路設置相應的管閥進行連接，氣路中設置相應的壓力傳感器；內燃機 電子控制單元（9); 絕熱低壓管（2)和絕熱壓力泵（10)進口相連；絕熱壓力泵（10)通過絕熱高壓管經(jīng)電 磁閥（4)后與絕熱共軌相連；絕熱共軌通過絕熱高壓管與氣缸上的電控噴油器相連；氣態(tài) 壓縮天然氣氣瓶（7)通過絕熱高壓管與絕熱共軌相連；絕熱壓力泵（10)、電磁閥（4)、絕熱 共軌（5)、壓力傳感器（6)及電控噴油器（8)均與內燃機電子控制單元（9)電連接并控制絕 熱壓力泵（10)、電磁閥（4)、絕熱共軌（5)、壓力傳感器（6)及電控噴油器⑶以滿足內燃機 的最優(yōu)燃燒條件控制。
2. 根據(jù)權利要求1所述之氣液兩相天然氣內燃機燃燒系統(tǒng)，其特征在于，內燃機電子 控制單元（9)對進入絕熱共軌（5)的液態(tài)天然氣和氣態(tài)天然氣進行氣液兩相實時流量控 制。
【專利摘要】本發(fā)明公開了采用氣液兩相天然氣為燃料的內燃機燃料輸送方法，將液態(tài)壓縮天然氣源和氣態(tài)壓縮天然氣源通過絕熱輸送至一絕熱共軌，在絕熱共軌中完成混合后經(jīng)一電控噴油器輸送至氣缸：進入絕熱共軌(5)的燃料有液路和氣路兩路：液路由液態(tài)壓縮天然氣瓶(1)通過絕熱低壓管(2)和絕熱壓力泵(10)輸送至絕熱共軌(5)；氣路由氣態(tài)壓縮天然氣氣瓶(7)通過相應管閥進入絕熱共軌(5)。本發(fā)明使氣液兩相天然氣在進入氣缸時發(fā)生閃蒸沸騰，并在不同工況進行兩相天然氣的氣液組分實時設計控制。因燃燒的是氣液兩相天然氣，故CO、CO2、PM排放低，無NMHC；采用壓縮過程噴射，HC排放低；缸內溫度低，NOX排放低；具有極低的排放性。
【IPC分類】F02M21-02, F02D41-02, F02D41-30
【公開號】CN104806382
【申請?zhí)枴緾N201510153562
【發(fā)明人】張釗, 周斌, 張藝華
【申請人】西南交通大學
【公開日】2015年7月29日
【申請日】2015年4月2日