废气—燃料重整再循环天然气发动机系统及控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种废气—燃料重整再循环天然气发动机系统及控制方法，包括发动机、燃料供给装置、给所述燃料供给装置供给的气罐、重整器及中冷器。直接利用发动机燃料与O2、水蒸气发生多种重整反应产生富含H2、CO的重整气体，且产H2效率高，实现在线制取氢气，避免提供额外的燃料存储装置或氢气储存罐，提高了安全性并且减小了整个系统的体积；采用了双管程，提高传热系数，从而提高重整的效率；重整气中含有大量H2，能提高缸内燃烧速度，拓宽稀薄燃烧极限；循环废气能稀释进气管中氧浓度，提高工质比热容，降低缸内燃烧温度；重整气和循环废气两者相结合可实现天然气发动机稳定低温稀薄燃烧，同时降低HC、CO和NOx。

【技术实现步骤摘要】
废气—燃料重整再循环天然气发动机系统及控制方法
本专利技术属于LNG发动机
，具体涉及一种废气—燃料重整再循环天然气发动机系统及控制方法。
技术介绍
在能源危机以及保护环境的双重作用下，寻找替代能源和减少污染物排放成为了内燃机研究领域的热门课题。作为一种优质的发动机替代燃料，液化天然气(LNG)具有能量密度大、易于运输、燃烧效果好等优点。发动机燃用天然气时具有二氧化碳、硫化物和颗粒物排放低的优点，因此得到大力发展。对于天然气发动机，常采用低温稀薄燃烧技术，以抑制敲缸和氮氧化物(NOx)排放。然而过高的空燃比会导致发动机失火、未燃碳氢(HC)和一氧化碳(CO)排放物增加；已有台架实验和理论研究表明：天然气中添加氢气(H2)能提高燃烧速度缩短火焰淬熄距离，改善发动机失火问题以实现稳定的稀薄燃烧，从而降低HC、CO和NOx排放。与早期利用氢气罐将氢气通入进气管实现掺氢相比，在线重整制氢技术通过重整装置利用高温废气余热催化少量燃料与部分废气产生重整气。重整气中包含H2、CH4、CO等，可直接通入进气道供给发动机使用，达到掺氢效果。对于燃料和废气，发生的重整反应主要包含：部分氧化反应、水蒸气重整反应、水气转化反应等。但在线重整制氢技术产生的氢气量不能很好的匹配发动机工况，发挥掺氢的最佳效果。废气再循环技术将部分废气冷却或直接通入进气管中，稀释进气管中空气，减小氧含量并增加比热容，从而降低缸内燃烧温度，减小氮氧化物排放。但是过大的废气再循环率会导致燃烧不稳定，造成循环波动增大，甚至失火，同时CO和HC排放增加。
技术实现思路
本专利技术的目的就是针对上述技术的不足，提供一种实现天然气发动机各工况下稳定低温稀薄燃烧的废气—燃料重整再循环天然气发动机系统及控制方法，从而提高热效率，减小HC、CO和NOx排放。为实现上述目的，本专利技术所设计的废气—燃料重整再循环天然气发动机系统，包括发动机、设置在所述发动机内给所述发动机供燃料的燃料供给装置、给所述燃料供给装置供给的气罐、重整器及中冷器；所述重整器包括筒形反应外壳、设置在所述筒形反应外壳前端的中空前端盖、设置在所述筒形反应外壳后端的中空后端盖、安装在所述中空前端盖中心位置进气孔的进气管、安装在所述中空后端盖中心位置出气孔的废气排气管及内置在所述筒形反应外壳空腔中的反应管束，所述进气管通过排气管与所述发动机出气口相连，所述废气排气管的第一路通过废气旁通管与所述中冷器的第二冷却管相连通，所述废气排气管的第二路与外界连通，所述中冷器出口通过混合管与所述发动机的发动机进气管相连；所述重整器还包括安装在所述中空前端盖内腔中的半球形前套、安装在所述中空后端盖内腔中的半球形后套、衬在所述半球形前套前气腔内的前管板及衬在所述半球形后套后气腔内的后管板；所述前气腔内的中间位置处轴向布置有将前气腔分割成进气腔和排气腔的隔板；所述反应管束包括一级反应管束和二级反应管束，所述一级反应管束的一端插入所述前管板且位于所述隔板上方的管孔中，所述一级反应管束的另一端插入所述后管板上部的管孔中，所述二级反应管束的一端插入所述前管板且位于所述隔板下方的管孔中，所述二级反应管束的另一端插入所述后管板下部的管孔中；所述筒形反应外壳空腔内轴向布置有至少两个环形折流板，且每个所述环形折流板的外径与所述筒形反应外壳的内径相等，所述一级反应管束和所述二级反应管束均穿过每个所述环形折流板；所述进气管的外管与所述中空前端盖内腔连通，所述进气管的内管穿过所述进气孔直至所述内管插入所述半球形前套的前气腔内，且所述内管位于所述隔板的上方；水蒸气产生器通过水蒸气加气管与所述内管连通，所述气罐通过燃料加气管与所述内管连通；重整气排气管的进气端穿过所述中空前端盖直至插入所述半球形前套的前气腔内，所述重整气排气管出气端与所述中冷器的第一冷却管相连通，且所述重整气排气管位于所述隔板的下方。进一步地，所述重整器还包括穿过所述中空后端盖底部直至插入所述半球形后套后气腔内的空气补充管、与所述空气补充管相连的微型空气泵及布置在所述空气补充管上的单向阀。进一步地，所述内管的入口端部设置有用于调节所述内管废气进入量的REGR阀；所述水蒸气气管上设置有水蒸气流量控制器；所述天然气加气管上设置有止回阀和燃料流量控制器；所述废气旁通管上设置有EGR阀；所述中冷器内部布置有与所述EGR阀相配合的中冷器阀。进一步地，还包括接收所述发动机内发动机电控单元信号的电子控制器及给所述电子控制器供电的蓄电池，所述电子控制器分别与所述燃料流量控制器、所述水蒸气流量控制器、所述REGR阀、所述EGR阀和所述中冷器阀电连。进一步地，所述反应管束的每个管内堆积有均匀涂覆有重整制氢催化剂Ni的氧化铝颗粒物，每个所述管外周缘上涂覆有DOC催化剂，所述管内堆积的均匀涂覆有重整制氢催化剂Ni的氧化铝颗粒物中间留有防止堵塞的通孔；且所述管的内径与涂覆有重整制氢催化剂Ni的氧化铝颗粒物的外径比为2～3倍。进一步地，所述一级反应管束为多根管堆叠成多层结构的一级反应管束，所述二级反应管束为多根管堆叠成多层结构的二级反应管束，且每相邻所述管之间均留有间隙。进一步地，所述一级反应管束与所述二级反应管束之间的间隙为1.2～1.7倍。进一步地，所述环形折流板的个数为两个，且两个所述环形折流板最小间距为所述筒形反应外壳内径的1/3～1/2，两个所述环形折流板最大间距为所述管外径的171倍的0.7～0.76方。进一步地，两个所述环形折流板之间布置有盘形折流板，所述盘形折流板上开有供所述反应管束的管穿过的通孔，且通孔的内径与所述管的外径相等。一种如上述所述废气—燃料重整再循环天然气发动机系统的控制方法，所述电子控制器检测发动机ECU工作信号，通过转速和扭矩大小判断发动机所处工作状态：当检测到重整器入口温度低于350℃时，电子控制器关闭REGR阀、EGR阀、水蒸气流量控制器和燃料流量控制器，重整器不工作；当重整器入口温度高于350℃时，若通过转速和扭矩判断发动机处于低负荷工况时，电子控制器关闭EGR阀，同时开启中冷器阀、REGR阀、水蒸气流量控制器和燃料流量控制器，此时，重整器产生的重整气进入中冷器被冷却后通入发动机进气管，发动机进气管中H2的体积含量达到5％～5.5％；随后电子控制器调节燃料供给装置的燃料供给量，控制发动机缸内当量比在1.45～1.55；当重整器入口温度高于350℃时，若通过转速和扭矩判断发动机处于中高负荷工况时，电子控制器关闭中冷器阀，开启EGR阀、REGR阀、水蒸气流量控制器和燃料流量控制器，重整器工作产生的重整气和循环废气分别进入中冷器被冷却后通入发动机进气管；从中负荷到满负荷变化时，电子控制器增加阀门开度，重整气和循环废气流量增加，此时发动机进气管中H2的体积含量从5％～5.5％降低到3％～3.5％；随后电子控制器调节燃料供给装置的燃料供给量，控制发动机缸内当量比从1.45～1.55增加到1.75～1.85。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：1、本专利技术废气—燃料重整再循环天然气发动机系统可直接利用发动机燃料与O2、水蒸气发生多种重整反应(包括水蒸气重整、部分氧化重整、水煤气变换反应等)产生富含H2、CO的重整气体，且产H2效率高，实现在线制取氢气，避免提供额外的燃料存储装置本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种废气—燃料重整再循环天然气发动机系统，包括发动机(200)、设置在所述发动机(200)内给所述发动机(200)供燃料的燃料供给装置(203)、给所述燃料供给装置(203)供给的气罐(201)、重整器(100)及中冷器(206)；所述重整器(100)包括筒形反应外壳(101)、设置在所述筒形反应外壳(101)前端的中空前端盖(102)、设置在所述筒形反应外壳(101)后端的中空后端盖(103)、安装在所述中空前端盖(102)中心位置进气孔(102a)的进气管(106)、安装在所述中空后端盖(103)中心位置出气孔(103a)的废气排气管(107)及内置在所述筒形反应外壳(101)空腔中的反应管束(120)，所述进气管(106)通过排气管(204)与所述发动机(200)出气口相连，所述废气排气管(107)的第一路通过废气旁通管(209)与所述中冷器(206)的第二冷却管(206b)相连通，所述废气排气管(107)的第二路与外界连通，所述中冷器(206)出口通过混合管(207)与所述发动机(200)的发动机进气管(205)相连；其特征在于：所述重整器(100)还包括安装在所述中空前端盖(102)内腔中的半球形前套(117)、安装在所述中空后端盖(103)内腔中的半球形后套(118)、衬在所述半球形前套(117)前气腔(123)内的前管板(115)及衬在所述半球形后套(118)后气腔(124)内的后管板(119)；所述前气腔(123)内的中间位置处轴向布置有将前气腔(123)分割成进气腔(123a)和排气腔(123b)的隔板(116)；所述反应管束(120)包括一级反应管束(120a)和二级反应管束(120b))，所述一级反应管束(120a)的一端插入所述前管板(115)且位于所述隔板(116)上方的管孔(114)中，所述一级反应管束(120a)的另一端插入所述后管板(119)上部的管孔(114)中，所述二级反应管束(120b)的一端插入所述前管板(115)且位于所述隔板(116)下方的管孔(114)中，所述二级反应管束(120b)的另一端插入所述后管板(119)下部的管孔(114)中；所述筒形反应外壳(101)空腔内轴向布置有至少两个环形折流板(108)，且每个所述环形折流板(108)的外径与所述筒形反应外壳(101)的内径相等，所述一级反应管束(120a)和所述二级反应管束(120b)均穿过每个所述环形折流板(108)；所述进气管(106)的外管(106a)与所述中空前端盖(102)内腔连通，所述进气管(106)的内管(106b)穿过所述进气孔(102a)直至所述内管(106b)插入所述半球形前套(117)的前气腔(123)内，且所述内管(106b)位于所述隔板(116)的上方；水蒸气产生器通过水蒸气加气管(111)与所述内管(106b)连通，所述气罐通过燃料加气管(110)与所述内管(106b)连通；重整气排气管(113)的进气端穿过所述中空前端盖(102)直至插入所述半球形前套(117)的前气腔(123)内，所述重整气排气管(113)出气端与所述中冷器(206)的第一冷却管(206a)相连通，且所述重整气排气管(113)位于所述隔板(116)的下方。...

【技术特征摘要】
1.一种废气—燃料重整再循环天然气发动机系统，包括发动机(200)、设置在所述发动机(200)内给所述发动机(200)供燃料的燃料供给装置(203)、给所述燃料供给装置(203)供给的气罐(201)、重整器(100)及中冷器(206)；所述重整器(100)包括筒形反应外壳(101)、设置在所述筒形反应外壳(101)前端的中空前端盖(102)、设置在所述筒形反应外壳(101)后端的中空后端盖(103)、安装在所述中空前端盖(102)中心位置进气孔(102a)的进气管(106)、安装在所述中空后端盖(103)中心位置出气孔(103a)的废气排气管(107)及内置在所述筒形反应外壳(101)空腔中的反应管束(120)，所述进气管(106)通过排气管(204)与所述发动机(200)出气口相连，所述废气排气管(107)的第一路通过废气旁通管(209)与所述中冷器(206)的第二冷却管(206b)相连通，所述废气排气管(107)的第二路与外界连通，所述中冷器(206)出口通过混合管(207)与所述发动机(200)的发动机进气管(205)相连；其特征在于：所述重整器(100)还包括安装在所述中空前端盖(102)内腔中的半球形前套(117)、安装在所述中空后端盖(103)内腔中的半球形后套(118)、衬在所述半球形前套(117)前气腔(123)内的前管板(115)及衬在所述半球形后套(118)后气腔(124)内的后管板(119)；所述前气腔(123)内的中间位置处轴向布置有将前气腔(123)分割成进气腔(123a)和排气腔(123b)的隔板(116)；所述反应管束(120)包括一级反应管束(120a)和二级反应管束(120b))，所述一级反应管束(120a)的一端插入所述前管板(115)且位于所述隔板(116)上方的管孔(114)中，所述一级反应管束(120a)的另一端插入所述后管板(119)上部的管孔(114)中，所述二级反应管束(120b)的一端插入所述前管板(115)且位于所述隔板(116)下方的管孔(114)中，所述二级反应管束(120b)的另一端插入所述后管板(119)下部的管孔(114)中；所述筒形反应外壳(101)空腔内轴向布置有至少两个环形折流板(108)，且每个所述环形折流板(108)的外径与所述筒形反应外壳(101)的内径相等，所述一级反应管束(120a)和所述二级反应管束(120b)均穿过每个所述环形折流板(108)；所述进气管(106)的外管(106a)与所述中空前端盖(102)内腔连通，所述进气管(106)的内管(106b)穿过所述进气孔(102a)直至所述内管(106b)插入所述半球形前套(117)的前气腔(123)内，且所述内管(106b)位于所述隔板(116)的上方；水蒸气产生器通过水蒸气加气管(111)与所述内管(106b)连通，所述气罐通过燃料加气管(110)与所述内管(106b)连通；重整气排气管(113)的进气端穿过所述中空前端盖(102)直至插入所述半球形前套(117)的前气腔(123)内，所述重整气排气管(113)出气端与所述中冷器(206)的第一冷却管(206a)相连通，且所述重整气排气管(113)位于所述隔板(116)的下方。2.根据权利要求1所述废气—燃料重整再循环天然气发动机系统，其特征在于：所述重整器(100)还包括穿过所述中空后端盖(103)底部直至插入所述半球形后套(118)后气腔(124)内的空气补充管(112)、与所述空气补充管(112)相连的微型空气泵(112a)及布置在所述空气补充管(112)上的单向阀(112b)。3.根据权利要求1所述废气—燃料重整再循环天然气发动机系统，其特征在于：所述内管(106b)的入口端部设置有用于调节所述内管(106b)废气进入量的REGR阀(109)；所述水蒸气气管(111)上设置有水蒸气流量控制器(111a)；所述天然气加气管(110)上设置有止回阀(110a)和燃料流量控制器(110b)；所述废气旁通管(209)上设置有EGR阀(208)；所述中冷器(206)内部...

【专利技术属性】
技术研发人员：李格升，龙焱祥，张尊华，张宇丰，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42