一种压缩天然气发动机余热综合利用系统技术方案

本实用新型专利技术公开了一种压缩天然气发动机（CNGE）余热综合利用系统，涉及发动机的新型节能技术，它采用余热换热器利用尾气和/或缸套水余热对高压气瓶输出的高压燃气进行加热，利用至少两级膨胀机装置（一级为变膨胀比膨胀机、一级为定膨胀比膨胀机）对高压燃气进行降压处理，以达到发动机燃烧所需的燃气压力，同时利用膨胀机对压力能和余热进行综合利用，增大发动机输出轴功，提高发动机系统效率，增加行驶里程，节约天然气消耗。本实用新型专利技术的装置结构紧凑、性能可靠，回收了80%的燃气压缩过程消耗的能量，显著提高了天然气作为发动机燃料的优势。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
一种压缩天然气发动机余热综合利用系统
本技术涉及余热综合利用节能
，特别是使用压缩天然气发动机(Compressed Natural Gas Engine, CNGE)的余热综合利用系统。
技术介绍
世界经济飞速发展，汽车保有量急剧增加，汽车给人们出行带来了极大便利，对人类发展作出了巨大贡献，但同时消耗大量石油资源、排出大量有害气体，成为城市污染特别是PM2.5的重要源头。统计资料表明，西方发达国家大中型城市的大气污染中，约54%的一氧化碳C0、41%的氮氧化物N0X、28%的碳氧化物COx来自汽车尾气。在我国，汽车尾气也成为大气污染的罪魁祸首。研究表明，广州市空气污染的主要污染源是:机动车尾气占22%、工业污染占20.4%、建筑工地扬尘污染占19.2%，汽车尾气被市民评为“最不可忍受的污染物”。为了解决这一问题，人们一直在努力改变能源结构，采用低公害/无公害的汽车发动机替代燃料。目前已用于汽车发动机上的新能源主要包括液化石油气、燃油和电动的混合动力、纯电动、燃料电池、醇类燃料以及压缩天然气。液化石油气推广的主要缺点在于液化石油气建设投资巨大，气源的1/3靠海运进口，并且随着石油价格的上涨，使用价格也日益提高。混合动力和纯电动动力源主要受限于电池容量和寿命问题得不到较好解决，造成单车价值过高，短时间内难以大规模推广。燃料电池主要指的是氢燃料电池，最大的问题是整车成本高，基础建设加氢站跟不上，再加上电池寿命短，经济性不佳。醇类燃料主要是甲醇和乙醇，取材比较容易，主要是粮食，但燃料本身对设备的腐蚀性太强，造成相关存储和加注设备寿命太短，大规模推广困难。与此相对应的是压缩天然气(CNG)燃料价格便宜、成分单一、储量大、有害排放物少、安全可靠性高，抗暴震性能好而备受关注，成为汽车发动机的最佳代用燃料，市场应用广泛，前景广阔。天然气与煤炭、石油并列为世界能源的三大支柱。目前全世界天然气的探明总储量约140万亿立方米，折合石油为1232亿吨，预计可开采200年。同时我国天然气资源储量丰富，探明储量3.8万亿立方米。目前在我国四川省、中西部省份和海上已经形成了年产3230亿立方米的生产能力。随着被探明天然气储量的不断增加，应用必将越来越广泛，在能源结构中的地位将愈加重要。CNG (压缩天然气)作为清洁燃料的价格、环保优势日益明显，已经在汽车发动机特别是出租车、公交车上得到广泛应用。CNG发动机汽车的工作过程:将高压的压缩天然气冲入气瓶，气瓶中的压力不大于公称压力20Mpa,防止压力过大,温度升高出现危险；也不能小于3Mpa,防止压力过小，出现供气不足。高压的压缩天然气从储气瓶输出，经过高压电磁阀进入三级减压阀，高压电磁阀的开关由ECU控制，高压减压器的作用是将20Mpa?3Mpa的高压压缩天然气经过减压加热将压力调节到0.1Mpa?0.5Mpa之间。高压天然气在减压过程中由于减压膨胀，需要吸收大量的热量，为防止减压阀冻结，将发动机冷却液引出到减压器，对燃气进行加热。经减压后的天然气进入电控调节器，电控调节器根据发动机运行工况精确控制天然气喷射量。经过调控的天然气与空气在混合器内充分混合后，进入发动机缸内，经火花塞点燃进行燃烧，火花塞的点火由ECU控制，氧传感器即时监控燃烧后的尾气氧浓度，推算出空燃比，ECU根据氧传感器的反馈信号及时修正天然气的喷射量。为提高CNG发动机能量利用效率，近几年国内外的专家学者做了很多工作，比如缸内直喷技术、冷却液加热减压器技术等，但多集中于缸内燃烧技术，对高压天然气压力能和尾气余热利用较少。由于制取车用压缩天然气过程能耗较高(0.3?0.5kWh/kg)，而常规发动机通过气瓶输出的高压燃气经过减压阀降压，节流损失严重。现有技术中还出现了CNGE余压能量回收装置，虽然在一定程度上利用了 CNGE的，但在使用过程中却存在一系列问题，突出表现在:一是所利用缸套冷却水的温度较低，不利于充分利用压力能，另一是CNG的压力能释放过程存在重大缺陷，直接使用膨胀机进行减压，减压过程中没有稳压措施，压力源的压力在逐步衰减，导致膨胀机始终处于变膨胀比下工作，使得膨胀机对外输出的能量不稳定，且使得膨胀机的出气压力不稳定，影响下游的CNGE正常稳定工作。
技术实现思路
本技术的目的是针对现有技术的上述缺点和不足，提出一种压缩天然气发动机(CNGE)余热综合利用系统，是一种新型的燃气供给节能系统，利用供气系统的压降和发动机尾气及缸套水余热，具体是利用CNGE的尾气及缸套水余热对高压燃气进行降压处理，高压燃气的降压是使用变膨胀比结合定压比的膨胀机装置并结合稳压装置，实现对高压燃气的稳定利用，提高了发动机出功和效率，可适合于各种CNG发动机。为达到上述目的，本技术的技术解决方案是:一种压缩天然气发动机(CNGE)余热综合利用系统，包括通过燃气管路连接的CNG储气装置、电磁阀、换热器组、膨胀机组、稳压阀组、燃气喷嘴、燃气混合器、CNGE，其特征在于:所述膨胀机组包括相互串联的变膨胀比膨胀机和定膨胀比膨胀机；所述换热器组至少包括换热器1、II ;所述稳压阀组至少包括稳压阀1、II ;所述CNGE的尾气管路中设有增压器单元，所述增压器单元包括增压器涡轮、增压器压气机；其中，所述CNG储气装置的出气口和所述变膨胀比膨胀机的进气口间的燃气管路上至少设置所述电磁阀及换热器I，所述变膨胀比膨胀机的出气口和所述定膨胀比膨胀机间的燃气管路上至少设置所述换热器II及稳压阀I，所述定膨胀比膨胀机的出气口和所述燃气喷嘴间的燃气管路上至少设置稳压阀II，所述增压器涡轮驱动增压器压气机，所述增压器压气机将空气升压后输送至燃气混合器，所述增压器涡轮由CNGE的尾气流驱动，各所述换热器内的冷流体为压缩天然气，热流体为CNGE的尾气。优选地，所述CNG储气装置通过加气阀门将CNG加注其中，储存不高于20MPa的压缩天然气。优选地，所述电磁阀用于控制CNGE供气系统的通断，由发动机电子控制单元E⑶控制，转换燃料供给。优选地，各稳压阀安装于各膨胀机后，以稳定从膨胀机出口降压的压力。优选地，所述增压器压气机的进口端设空气过滤器。优选地，所述燃气喷嘴前的燃气管路上还设置有过滤器。优选地，所述变膨胀比膨胀机的压比是可变的，工作范围为3?20，所述定膨胀比膨胀机工作过程中压比保持不变，压比为5?20。优选地，所述定膨胀比膨胀机的出气口和所述燃气喷嘴间的燃气管路上还设置有换热器III，该换热器内的冷流体为压缩天然气，热流体为CNGE的尾气。优选地，所述CNGE的缸套冷却水设有外循环管路，各换热器的热流体侧的进口处连接所述外循环管路或所述CNGE的尾气。优选地，各换热器可设计为两种不同热流体串联式或并联式，由两种热流体共同加热同一股天然气。优选地，所述CNGE的尾气先部分或全部地经过各换热器，然后再汇总或单独通过所述增压器涡轮，以便于用较高的温度加热天然气，从而获得更高的膨胀功，更好地利用天然气压力能，或，所述CNGE的尾气先流经所述增压器涡轮，然后再分流至各所述换热器。优选地，所述换热器1、II的热流体由所述CNGE尾气提供，换热器III的热流体由CNGE缸套冷却水提供，或，所述换热器1、II的热流体由CNGE缸套冷却本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种压缩天然气发动机（CNGE）余热综合利用系统，包括通过燃气管路连接的压缩天然气（CNG）储气装置、电磁阀、换热器组、膨胀机组、稳压阀组、燃气喷嘴、燃气混合器、CNGE，其特征在于：所述膨胀机组包括相互串联的变膨胀比膨胀机和定膨胀比膨胀机；所述换热器组至少包括换热器Ⅰ、Ⅱ；所述稳压阀组至少包括稳压阀Ⅰ、Ⅱ；所述CNGE的尾气管路中设有增压器单元，所述增压器单元包括增压器涡轮、增压器压气机；其中，所述CNG储气装置的出气口和所述变膨胀比膨胀机的进气口间的燃气管路上至少设置所述电磁阀及换热器Ⅰ，所述变膨胀比膨胀机的出气口和所述定膨胀比膨胀机间的燃气管路上至少设置所述换热器Ⅱ及稳压阀Ⅰ，所述定膨胀比膨胀机的出气口和所述燃气喷嘴间的燃气管路上至少设置稳压阀Ⅱ，所述增压器涡轮驱动增压器压气机，所述增压器压气机将空气升压后输送至燃气混合器，所述增压器涡轮由CNGE的尾气流驱动，各所述换热器内的冷流体为压缩天然气，热流体为CNGE的尾气。

【技术特征摘要】
1.一种压缩天然气发动机(CNGE)余热综合利用系统，包括通过燃气管路连接的压缩天然气(CNG)储气装置、电磁阀、换热器组、膨胀机组、稳压阀组、燃气喷嘴、燃气混合器、CNGE，其特征在于: 所述膨胀机组包括相互串联的变膨胀比膨胀机和定膨胀比膨胀机；所述换热器组至少包括换热器1、II ;所述稳压阀组至少包括稳压阀1、II ;所述CNGE的尾气管路中设有增压器单元，所述增压器单元包括增压器涡轮、增压器压气机；其中， 所述CNG储气装置的出气口和所述变膨胀比膨胀机的进气口间的燃气管路上至少设置所述电磁阀及换热器I，所述变膨胀比膨胀机的出气口和所述定膨胀比膨胀机间的燃气管路上至少设置所述换热器II及稳压阀I，所述定膨胀比膨胀机的出气口和所述燃气喷嘴间的燃气管路上至少设置稳压阀II， 所述增压器涡轮驱动增压器压气机，所述增压器压气机将空气升压后输送至燃气混合器，所述增压器涡轮由CNGE的尾气流驱动，各所述换热器内的冷流体为压缩天然气，热流体为CNGE的尾气。2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述燃气喷嘴前的燃气管路上还设置有过滤器。3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述定膨胀比膨胀机的出气口和所述燃气喷嘴间的燃气管路上还设置有换热器III，该换热器内的冷流体为压缩天然气，热流...

【专利技术属性】
技术研发人员：许剑，郭欢，王晓东，徐玉杰，纪律，曹和平，陈海生，谭春青，
申请(专利权)人：中国科学院工程热物理研究所，
类型：实用新型
国别省市：