采用气液两相天然气为燃料的内燃机燃料输送方法
【专利说明】采用气液两相天然气为燃料的内燃机燃料输送方法
[0001] 所属领域
[0002] 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】
[0003] 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N0 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】
[0004] 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。
[0005] 本发明的目的是通过如下的技术手段实现的。
[0006] -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：
[0007] 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 ;
[0008] 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；
[0009] 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
[0010] 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。 [0011] 采用如上的技术方案，其运行过程为：
[0012] 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。
[0013] 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。
[0014] 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0为（4~6. 5)乂1〇-4_&)'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（CH 4)的压缩系数为SXIOiMPar1，在给lm3的液化天然气等熵加压到20MPa后，压 缩体积比为：
[0015] A V/V=0?p (1)
[0016] 压缩天然气的吸收功为：
[0017] ff=PV (2)
[0018] 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，
[0019] ff = Q= c?m? At (3)
[0020] 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。
[0021] 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。
[0022] 燃料的实时设计控制目前已有大量研宄，气液两相天然气的实时设计控制也可 参照进行。
[0023] 下表为天然气与汽油、柴油的物化性质比较：
[0024] 表1天然气与汽油、柴油的物化性质
【主权项】
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⑶以满足内燃机 的最优燃烧条件控制。
2. 根据权利要求1所述之气液两相天然气内燃机燃烧系统，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。
【专利摘要】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，NOX排放低；具有极低的排放性。
【IPC分类】F02M21-02, F02D41-02, F02D41-30
【公开号】CN104806382
【申请号】CN201510153562
【发明人】张钊, 周斌, 张艺华
【申请人】西南交通大学
【公开日】2015年7月29日
【申请日】2015年4月2日