一种实现柴油发动机低排放的稀相燃烧方法及其装置

摘要

一种实现柴油发动机低排放的稀相燃烧方法及其装置，柴油喷入高温高压的合成气中预蒸发，再与已压缩的过量空气混合燃烧；合成气是利用柴油机废气余热催化裂解甲醇制得的；柴油预蒸发过程在预蒸发室完成，预蒸发室与燃烧室之间设有具孔活塞，可控制两个空间的连通与分隔，当空气压缩接近终点时，具孔活塞开放其孔道，并在巨大气体压差的冲击和滑动控制杆的驱动下瞬间提升到气缸顶部，将预蒸发室内气体挤压到燃烧室内与空气混合并燃烧。本发明可使柴油机NOx排放降低95％以上，PM减少60％以上，保持较低的HC和CO排放，并可克服现有稀相燃烧柴油机运行范围窄、压缩比低以及着火角度不易控制等缺点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种可以实现柴油机低排放的稀相燃烧方法。

本发明还涉及实现上述方法的装置。

背景技术

柴油机的效率高达33～42％，比汽油机可节能30％，但是随着世界各国的排放法规日趋严格，传统柴油机面临极大的挑战。柴油机尾气的主要污染物为氮氧化物(NOx)和颗粒物质(PM)，NOx的生成条件为高温富氧，而PM生成的主要原因是由于油气混合不均匀导致的局部缺氧。目前，实现柴油机低NOx和PM排放的基本方法是稀相燃烧，即采用高空燃比，以减少局部缺氧、降低燃烧温度。燃料与空气的混合程度和混合质量与污染物的生成有直接关系，所以燃料全部或部分预混合是当前各种稀燃柴油机的普遍做法。但是，预混合均质压缩点火存在着压缩比低、运行范围窄、着火角度和燃烧速率不易控制等严重缺陷，而且，因为存在贫可燃极限，柴油的稀相燃烧会导致HC和CO的排放升高。

除了稀相燃烧之外，还有一些技术也可有效降低柴油机尾气排放，例如，中国发明专利02131308.3采用等离子体裂解装置将柴油裂解为富含H₂和CO气体，按一定比例掺入柴油燃烧，可降低柴油机尾气NOx含量，并使发动机内燃烧更充分，减少HC和CO。

甲醇做为替代燃料，在现阶段很受关注，但掺烧甲醇或直接燃用甲醇会导致发动机功率下降和醇醛排放超标，将甲醇裂解为合成气再进入发动机燃烧是一种理想的利用方式。中国发明专利CN1779218利用发动机余热实现甲醇裂解反应，此前也有专利85109487.2提出了利用发动机余热裂解碳氢燃料生成富氢气体，掺入汽油或柴油进入发动机燃烧的方法，其节能与环保效果显著。

发明内容

本发明的目的在于提供一种实现柴油发动机低排放的稀相燃烧方法。

本发明的又一目的在于提供实现上述方法的装置。

为实现上述目的，本发明的技术方案是使柴油在高温高压的合成气中预蒸发，再与过量压缩空气混合燃烧的非预混合稀相燃烧，该方法可以有效降低柴油机尾气中NOx、颗粒物质、未燃烧的碳氢化物(HC)和CO等污染物的含量，克服了稀相燃烧柴油机运行范围窄、压缩比低和着火角度不易控制的缺点。

具体地说，本发明提供的实现柴油发动机低排放的稀相燃烧方法，包括如下步骤：

A)利用柴油发动机排气的余热作为主要热源，使甲醇发生催化裂解反应，生成富含H₂和CO的合成气，其温度约400～500℃，压力约2～3MPa；

B)将步骤A所述的合成气与柴油按重量比5～25∶1扩散混合，使得大部分柴油以蒸气或气溶胶的形式分散在气相；

C)按照空燃比约40～60∶1的比例吸入过量空气，形成燃料混合气，并将其压缩至气压接近燃料混合气1.5倍左右；

D)将燃料混合气挤压进入燃烧室与空气混合，被活塞继续压缩直至着火并燃烧做功；

E)燃烧做功完成后，其中的废气排出；完成后进入新一轮循环。

所述的方法，其中，甲醇发生催化裂解反应的条件为260～390℃，1～2MPa。

本发明提供的用于实现上述方法的装置，其结构为：

一甲醇催化裂解装置，与柴油发动机排气管连接，以该排气管的排气为余热使甲醇催化裂解装置内的甲醇发生反应，生成合成气；

柴油发动机的气缸顶部空间设置一个有孔道的具孔活塞，将气缸分隔为上下两个空间，该具孔活塞沿气缸轴向作上下滑动，进行排除废气以及向燃烧室挤压燃料混合气；

具孔活塞与缸盖之间的空间为预蒸发室，具孔活塞与活塞之间的空间作为燃烧室；其中具孔活塞由顶层和底层两个部件构成，顶层和底层部件均为分布有相同孔道的圆柱形活塞；顶层部件旋转固定的角度，可与底层部件的孔道重合与交错，以实现预蒸发室与燃烧室的连通和隔离；

气缸顶部与预蒸发室相通地分别设置一进气道和喷油嘴，合成气通过进气道注入预蒸发室，柴油通过喷油嘴注入预蒸发室。

所述的装置，其中，甲醇催化裂解装置在冷启动或余热量不足时由辅助热源供热。

所述的装置，其中，辅助热源为电炉。

所述的装置，其中，顶层部件由转动控制杆驱动旋转。

所述的装置，其中，顶层部件与底层部件相位角相差时，孔道重合；相位角相同时，孔道位置相互交错，孔道闭合。

所述的装置，其中，具孔活塞由滑动控制杆进行控制，使具孔活塞沿气缸轴向作上下滑动。

本发明的有益效果：

1、H₂和CO可燃极限宽、燃烧速率快，大量H₂和CO的存在可使火焰温度保持稳定，使稀薄燃料在相对较低的温度下充分燃烧，不产生有害的煤烟，对于降低PM和NOx的排放有显著效果。同时，H₂和CO增加了缸内的还原气氛，有利于抑制NOx的生成，并可使部分已经生成的NOx还原，从而降低NOx排放。

2、柴油喷入合成气，既得以预热，又有更长的时间蒸发扩散，与传统的直喷式供油方式相比，燃油气化程度要高得多。燃料混合气与空气混合的过程，基本上是气体与气体的混合，扩散速率比油雾在空气中扩散要快得多，因而混合比较充分。另外，空气与燃料混合气的巨大压差、具孔活塞对燃料混合气的挤压以及活塞孔道对混合气体的导向作用等都有利于在缸内空间形成加速气体混合的湍流流场。上述因素使得油气混合质量大大提高，接近预混合的水平，有助于减少尾气排放，可减少PM约60％，并保持较低的HC和CO排放。

3、由于空气与燃料在压缩终点附近才接触，可有效避免预混均质压燃中出现的提前着火现象，使着火角度和燃烧速率易于控制，从而扩展了运行范围，克服了稀相燃烧柴油机压缩比不高的缺点。

4、利用系统余热在线制取H₂，获得了高品位燃料，提高了整体热效率，并因为掺烧甲醇裂解合成气而降低了柴油油耗。

5、采用高空燃比，并综合上述各种有利因素，可实现NOx超低排放，比原来低95％以上。

6、装置体积紧凑，适合做车载发动机，特别适用于地面分布式供能。

附图说明

图1为本发明所述柴油机及配套装置的示意图。图中标号表示：I-柴油机，II-三效催化单元，III-甲醇泵，IV-甲醇催化裂解装置，V-辅助加热电炉，VI-消音灭火器，VII-电磁阀，VIII-柴油泵；1-燃烧室，2-活塞，3-气缸壁，4-进气阀，5-派气阀，6-冷却水通道，7-预蒸发室，8-具孔活塞底层部件，9-孔道，10-具孔活塞顶层部件，11-缸盖，12-喷油嘴，13-进气孔道，14-转动控制杆，15-滑动控制杆。

图2为本发明所述具孔活塞的一个示例。图中标号表示：10-活塞顶层部件(即图1中的10)，112-顶层孔道，113-底层孔道，114-转动控制杆连杆，115-滑动控制杆连杆。当具孔活塞上下两个部件的相位角相差π/8时，孔道位置重合，孔道开放；当相位角相同时，孔道位置相互交错，孔道闭合。

具体实施方式

本发明能在燃料与空气不预混合的情况下使燃料与空气较好地混合，并在贫燃情况下维持相对稳定的火焰温度和较高的燃烧速率，从而实现全面降低柴油机尾气排放的目的。

柴油发动机正常工作时排气温度可达500℃左右，带走的热量大约可占燃料热值的30％。本发明利用此废气余热将甲醇催化裂解制成合成气，其主要成分为H₂和CO，具有一定的温度(约400～500℃)和压力(约2～3MPa)。柴油按重量比5～25∶1的比例高压喷射到合成气中，与合成气混合，使大部分柴油受热蒸发形成蒸气或气溶胶。按照空燃比约40～60∶1的比例吸入过量空气，压缩至气压接近燃料混合气1.5倍左右，通过特定控制装置实现燃料混合气与空气在气缸内的混合，混合的同时继续压缩并诱发柴油多点着火，使混合气体边扩散边燃烧，放出热量推动活塞做功。

本发明还提出了实现上述燃烧方法的专用装置：在传统四冲程柴油发动机的基础上，在气缸上部增加一个具有孔道的活塞，该孔道的开放与闭合是可以控制的；当孔道闭合时，缸内空间被分隔成两个部分，一部分空间用于实现柴油在合成气中的预蒸发过程，另一部分空间用于压缩空气；当孔道开放时，具孔活塞可提升至气缸顶部，被分隔的空间合二为一，可以实现空气与燃料混合气的扩散、混合与燃烧过程。

与传统四冲程柴油机一样，本发明所述柴油机的活塞运行过程也包括了吸气、压缩、做功和排气四个冲程，不同之处主要在于气缸顶部的具孔活塞的运行。具体运行程序如下(请结合图1)：

1)排气冲程完成后，进气阀4上升，此时，活塞2正从其上止点下行，随着活塞下行，空气流入气缸，活塞下行至下止点，进气阀关闭，吸气冲程完成；

2)在惯性力作用下，活塞上行至接近上止点附近的某一时刻，缸内空气压力约为3MPa左右(视具体压缩比工况不同)，启动旋转驱动装置，以脉冲电机驱动传动装置(例如：齿轮)，带动转动控制杆14转动，进而带动具孔活塞顶层部件10转动一特定角度(视孔道的具体分布形式确定，如图2所示的情况，该角度设为π/8)，使具孔活塞上下两层部件的孔道9重合，即孔道开放，同时，以脉冲电机驱动凸轮或齿轮等传动装置，带动滑动控制杆15上升，借助燃烧室1与预蒸发室7两个空间内的气体压差，将具孔活塞8、10由其下止点提升至紧贴缸盖11内壁，使预蒸发室内气体通过孔道被挤入燃烧室，由于预蒸发室内燃料气体是经过预热蒸发的，在与高温空气接触的瞬间即可产生多处着火点；活塞则继续上行至上止点，压缩冲程完成；有关驱动装置以及传动装置等机构为公知技术，因此不作详细叙述，也不推荐附图。

3)混合气体在燃烧室边扩散边燃烧，放出热量推动活塞下行，旋转驱动装置在活塞下行初期启动，使具孔活塞孔道闭合，在缸内气压接近外部甲醇裂解合成气的压力时，开启电磁阀VII，使合成气由进气孔道13注入预蒸发室，并借助其压力推动具孔活塞下行直至其下止点，并由滑动控制杆15将其锁定，继续通入合成气至设定压力，通常为2MPa左右；活塞下行至下止点，做功冲程完成；

4)排气阀5上升，活塞由下行转入上行，将废气排出气缸，排气阀关闭，排气冲程完成；在此过程开始至具孔活塞孔道开放之前的相对较长的时间内，预蒸发室7内的变化依次为：继续充合成气、喷油(由喷油嘴12控制)以及油雾在合成气中的扩散、蒸发和混合。

5)废气排出后，先经过三效催化单元II，使废气中的HC、CO和PM，以及硫酸盐等其它杂质得到进一步净化，催化单元发生的反应主要是放热反应，可略微提高废气热能；净化后的废气进入换热器，放出热量为甲醇裂解反应供热，然后经过消音灭火排放；甲醇热裂解反应为吸热反应，反应温度260～390℃，压力1～2MPa，催化剂为市售商品，转化率可达95％以上，所制合成气的压力通常控制在2～3MPa为宜，并通过换热调节至400～500℃。