采用气液两相天然气为燃料的内燃机燃料输送方法技术

本发明专利技术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)。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
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专利技术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。
技术介绍
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NOX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。
技术实现思路
鉴于现有技术的以上不足，本专利技术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。本专利技术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主要成分CH4C5～C12碳氢化合物C10～C21碳氢化合物沸点/℃-162125.7180～360辛烷值(RON)13070～9720～30十六烷值低-1540～55自燃温度/℃650420≈250化学计量空燃比16.414.8～15.114.3低热值/MJ·kg-150.0043.9742.50～44.40蒸发热/kJ·kg-1297250火焰传播速度/cm·s-134～3735～47密度/kg·m-3430679860粘度/mm2·s-10.28～0.59(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NOX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NOX排放较低。但混合气火焰传播速度慢，后燃严重，从而导致NOX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NOX的排放。但比目前的天然气发动机有较低的NOX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，且本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。...

【技术特征摘要】
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)...

【专利技术属性】
技术研发人员：张钊，周斌，张艺华，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：四川;51