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氢气-生物柴油双燃料压缩点火发动机

阅读:133发布:2020-05-11

专利汇可以提供氢气-生物柴油双燃料压缩点火发动机专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且一种压缩 点火系统 ,可以经济有效地降低 燃料 消耗以及减少环境污染。该系统是带有冷却废气再循环系统和基于无叶扩散器的 增压 离心 压缩机 的氢气- 生物 柴油 双燃料 压缩点火 发动机 。该 生物燃料 被认为是丙烷和麻 风 树甲酯与柴油制成丙烷-麻风树甲酯-柴油生物燃料混合。本 申请 提出一种压缩点火的混合系统,可以经济有效地减少车辆废气的排放。该系统包括:氢气(H2)-生物柴油双燃料发动机(19),冷却EGR(20),通过带无叶扩散器的离心式压缩机(2)进气增压新鲜空气,空气流量 控制器 (1),EGR流量控制器(10), 质量 流量控制器 (14),氢气(H2)流量控制器(17),和用于实现和维持环境可接受的排放 水 平的反馈控制系统(12)。,下面是氢气-生物柴油双燃料压缩点火发动机专利的具体信息内容。

1.一种氢气-生物柴油双燃料压缩点火发动机,其特征在于,所述发动机带有冷却废气再循环系统和无叶扩散器的增压离心压缩机
2.根据权利要求1所述的发动机,其特征在于,所述生物燃料是将丙烷和麻树甲酯与柴油混合制成的丙烷-麻风树甲酯-柴油生物燃料混合物。
3.根据权利要求2所述的发动机,其特征在于,丙烷和麻风树甲酯与柴油燃料的混合百分比范围为:丙烷10-50%,麻风树甲酯10-50%,柴油80-0%。
4.根据权利要求1所述的发动机,其特征在于,所述发动机包括:双燃料H2-生物柴油发动机(19),冷却EGR(20),通过带无页扩散器的离心压缩机(2)进气增压新鲜空气,空气流量控制器(1),EGR流量控制器(10),质量流量控制器(14),氢气(H2)流量控制器(17),和用于实现和维持环境可接受的排放平的反馈控制系统(12)。
5.根据权利要求4所述的发动机,其特征在于,所述反馈控制系统(12)接收三个输入:
气体排放物和微粒分析仪(11),温度传感器传感器。
6.根据权利要求4所述的发动机,其特征在于,所述反馈控制系统(12)向四个部件提供输出:空气流量控制器(1),EGR流量控制器(10),氢气(H2)流量控制器(17),生物柴油质量流量控制器(14)。
7.根据权利要求1所述的发动机,其特征在于,所述发动机基于化学计量的生物柴油直接喷射减排。

说明书全文

氢气-生物柴油双燃料压缩点火发动机

技术领域

[0001] 本申请涉及热科学和环境工程,特别涉及内燃机可再生能源系统,还涉及汽车工程。

背景技术

[0002] 为了减少动系统中的废气排放,近来提出了一种增压式氢气(H2)双燃料发动机[Nagalingam B,Dübel M,Schmillen K,Performance of the supercharged spark ignition hydrogen engine.SAE International 1983;SAE paper#831688]。最近,为了减少废气排放,引入了柴油与氢气的共燃[Shin B,Cho Y,Han D,Song S,Chun KM.Hydrogen effects on NOx emissions and brake thermal efficiency in a diesel engine under low-temperature and heavy-EGR conditions.International Journal of Hydrogen Energy 2011:36(10)6281-6291]。氢气具有以下几个优点:(i)它没有含量,因此它的燃烧减少了碳化物(COx)的排放和颗粒物质(PM)排放,(ii)它需要少量能量来点燃,但它提供了高的火焰传播速率[Karim G.Hydrogen as a spark ignition engine fuel.Int.J.Hydrogen Energy 2003;56:256-263],(iii)它以比柴油燃料更稀薄的当量比运行,从而提供更高的制动热效率。[Saravanan N,Nagarajan G.An experimental investigation of hydrogen-enriched air induction in a diesel engine system.Int.J.Hydrogen Energy 2008;33:1769-1775]。此外,在相对较重的EGR条件下,氢气同时减少NOx和PM排放[Cho Y,Song S,Chun KM.H2effects on diesel combustion and emissions with an LPL-EGR system.International Journal of Hydrogen Energy 2013:(38)23 9897-9906]。
[0003] 内燃机中的生物燃料的燃烧也同样受到了关注。生物柴油技术(例如,稀薄燃烧和化学计量乙醇基生物柴油直接喷射技术),具有实现低温柴油燃烧以降低废气排放平的特征。在生物柴油发动机中,增压压缩机和废气再循环系统(Exhaust Gas Recirculation,简称EGR)影响燃烧过程,进而影响烟灰纳米结构。EGR是在进入燃烧室之前将废气再循环到进气歧管中以与新鲜的进气混合[Ladommatos N,Balian R,Horrocks R,Copper L.The effect of exhaust gas recirculation on soot formation in a high-speed direct-injection diesel engine.SAE International 1996;SAE Paper#960841][Ladommatos N,Abdelhalim S,Zhao H.The effects of exhaust gas recirculation on diesel combustion and emissions.Int.J.Engine Research 2000;1:107-126]。必须优化集成增压压缩机和发动机系统,以满足效率目标并同时满足循环工况和排放限制。这些发动机的发展面临的主要挑战包括:对低负荷燃烧效率的提高,对高负荷限制的增加,对燃烧效应的理解,以及在运行范围内维持较低的氮氧化物(NOx)和PM的排放。
[0004] 加氢处理的植物油(Hydro-treated vegetable oils,简称HVOs)和废弃烹饪油(waste cooking oils,简称HWCOs)是有发展潜力的燃料,是现有市场柴油的替代品,因为它们主要由链烷组成。HWCO是废弃烹饪油通过催化加氢处理生产的。调查显示,此类生物燃料的排放和燃烧特性与传统柴油相比,二氧化碳(CO2),一氧化碳(CO)和氢碳(HC)排放量更低,但NOx排放量有所增加[Kousoulidou M,Dimaratos A,Karvountzis-Kontakiotis A,Samaras Z.Combustion and emissions of a common-rail diesel engine fuelled with HWCO.J.Energy Eng.2014;140(3)]。此外,甲酯生物柴油和基于黄豆和菜籽油的生物柴油混合物一直受到关注。然而,蒸气压和辛烷值仍然是生物柴油发动机性能改进过程中需要考虑的关键因素。
[0005] 麻疯树油(Jatropha curcas oil)已经被实验证明具有多项优点,例如,广泛用于生产,环保,可生物降解,可再生以及本质上无毒性[Pandeya V.C.;Singh K.;Singh J.S.;Kumar A.;Singh B.;Singh R.P.,"Jatropha curcas:A potential biofuel plant for sustainable environmental development,"Renewable and Sustainable Energy Reviews,Vol.16,No.5,pp.2870-2883,2012.]。此外,与其他生物成分(如大豆油)相比,麻树油显示出更高的脂肪酸甲酯(FAME)转化率[Calgaroto C.,Calgaroto S.,Mazutti M.A.,de Oliveira D.,Pergher S.,de Oliveira J.V.,"Productionof biodiesel from soybean and Jatropha Curcas oils with KSF and amberlyst 15catalysts in the presence of co-solvents,"Sustainable Chemical Processes,pp.1-17,December 
2013]。此外,与柴油燃料相比,麻疯树油具有更高的十六烷值和更低的蒸气压[Saxenaa P.,Jawaleb S.,Joshipura M.H.,"A review on prediction of properties of biodiesel and blends of biodiesel,"Procedia Engineering,Vol.51,pp.395–402,
2013]。因此,麻疯树油是良好的可再生能源燃料[Resul M.F.M.G.,Ghazi T.I.M.,Idris A.,"Kinetic study of jatropha biolubricant from transesterification of jatropha curcas oil with trimethylolpropane:Effects of temperature,"Industrial Crops and Products,Vol.38,No.1,pp.87-92,2012]。
[0006] 离心式压缩机在柴油动力系统中的优势在于它们可靠,紧凑和坚固。此外,它们具有更好的抗外来物体损坏的能力,并且受到由于结垢(fouling)导致的性能降低的影响较小。而且,与其他类型的压缩机相比,这些压缩机具有更宽的工作范围[Boyce MP.Gas Turbine Engineering Handbook.2nd edition.Butterworth Heinemann,Elsevier 2002]。离心压缩机的操作范围和内部流动的扩展与喘振(surging)范围附近的三维(three dimensional)和非定常流动现象有关,是许多研究的焦点。经验上,茨城町(Ibaraki)等人[Ibaraki S,Higashimori H,Mikogami T.Flow investigation of a centrifugal compressor for automotive turbochargers.SAE International 1998;SAE Paper#
980771]通过详细的流量测量研究了由其复杂叶片几何形状引起的离心压缩机流动现象。
劳利斯(Lawless)[Lawless PB.Experimental evaluation of precursors to centrifugal compressor instability.International Journal of Turbo and Jet Engines2000;17:279-288]回顾了离心压缩机的不稳定性和用于检测离心压缩机中旋转失速现象的实验。据三菱重工业株式会社(MHI)的经验,其根据对流动现象的分析,以及叶轮叶片尖端泄漏涡流的控制,开发出一种离心式压缩机,其操作范围比传统装置更宽[Ibaraki S,Tomita I,Ebisu M,Shiraishi T.Development of a wide-range centrifugal compressor for automotive turbochargers.Mitsubishi Heavy Industries Technical Review 2012;49(1):68-73]。
发明内容
[0007] 本申请提供了一种氢气-生物柴油双燃料压缩点火发动机,本申请的主要目的是减少燃料消耗。本申请的另一个目的是减少环境破坏。本申请的另一个目的是降低燃烧和运行内燃机的成本。
[0008] 为了解决上述问题,本申请公开了一种氢气(H2)-生物柴油双燃料压缩点火发动机,该发动机带有冷却废气再循环系统和无叶扩散器的增压离心压缩机。
[0009] 在一优选例中,该生物燃料是将丙烷和麻风树甲酯与柴油混合制成的丙烷-麻风树甲酯-柴油生物燃料混合物。
[0010] 在一优选例中,该发动机包括:双燃料H2-生物柴油发动机,冷却EGR,通过带无页扩散器的离心压缩机进气增压新鲜空气,空气流量控制器,EGR流量控制器,质量流量控制器,氢气(H2)流量控制器,和用于实现和维持环境可接受的排放水平的反馈控制系统。
[0011] 在一优选例中,该反馈控制系统接收三个输入:(i)气体排放物和微粒分析仪,(ii)温度传感器,(iii)压力传感器
[0012] 在一优选例中,该反馈控制系统提供四个输出:(i)空气流量控制器,(ii)EGR流量控制器,(iii)氢气(H2)流量控制器,(iv)质量流量控制器。
[0013] 在一优选例中,该发动机基于化学计量的生物柴油直接喷射减排。
[0014] 本申请的技术方案经济有效地降低了燃料消耗以及减少了环境污染。附图说明
[0015] 图1描绘出了带有冷却废气再循环系统和基于无叶扩散器的增压离心压缩机的氢气(H2)-生物柴油双燃料压缩点火发动机的示意图。

具体实施方式

[0016] 在以下的叙述中,为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是,本领域的普通技术人员可以理解,即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改,也可以实现本申请所要求保护的技术方案。
[0017] 如图1所示,在所提出的具有冷却废气再循环系统和基于无叶扩散器的增压离心压缩机的氢气(H2)-生物柴油双燃料压缩点火发动机中,新鲜空气通过气流控制器(1)进入发动机,并通过压缩机(2)。该空气在通过压缩机时被加热,因此在与通过EGR流量控制器(10)控制的冷却的EGR(20)混合之前需要经过中间冷却器(3)。然后将这种气态混合物送入进气歧管增压室(4),然后依次馈送进气歧管转轮(5)和缸体(6)。然后将该气态进料与氢气混合,其中该氢气由氢气供应装置(18)供应并通过氢气流量控制器(17)控制。输入缸体(6)的另一股燃料来自生物柴油容器(13),通过质量流量控制器(Mass flow controller)(14)控制,并通过高压(15)注入共轨(Common rail)(16)。在缸体(6)内部燃烧期间,温度和压力传感器(8)操作并馈送反馈控制系统(12)以便报告增加/减少控制器中流量的信号。温度和压力传感器(8)中包括温度传感器和压力传感器。然后,在缸体(6)中燃烧产生的废气被引导至排气歧管(7),然后通过催化排气净化系统(9)将一些有害废气转化为环保气体。然后,引导排气流通过气体排放物和微粒分析仪(11)以判断排气和EGR的质量,并据此报告反馈控制系统(12),用于进一步报告增加/减少控制器中流量的信号。
[0018] 生物燃料提供了减少对化石液体燃料依赖的附加价值。生物柴油提供较低的燃烧温度,从而减少NOx废气排放。但是,这会增加HC和CO的废气排放。氢气(H2)的稀释当量比比柴油燃料高,因此它可以提供更高的制动热效率。然而,由于燃烧温度超过热力型NOx生成温度,矿物柴油燃料被氢气(H2)置换导致NOx排放显着增加。EGR降低了进气氧气(O2)浓度,从而降低了燃烧气体温度,进而降低了NOx的形成速率。然而,由于进气装料中氧气(O2)浓度的降低,EGR导致烟雾增加[Saravanan  N,Nagarajan G.An  experimental investigation of hydrogen-enriched air induction in a diesel engine system.Int.J.Hydrogen Energy 2008;33:1769-1775]。此外,EGR增加了PM,HC和CO的排放[Hussain J,Palaniradja K,Alagumurthi N,Manimaran R.Effect of exhaust gas recirculation(EGR)on performance and emission characteristics of a three cylinder direct injection compression ignition engine.Alexandria Engineering Journal 2012:(51)241–247]。进气的温度保持在约25℃的冷却EGR有助于减少氢气(H2)-柴油双燃料发动机中的NOx排放[Shin B,Cho Y,Han D,Song S,Chun KM.Hydrogen effects on NOx emissions and brake thermal efficiency in a diesel engine under low-temperature and heavy-EGR conditions.Int.J.Hydrogen Energy 2011;36:6281-6291]。进气压力增强通过增加进气充量的密度来增强发动机最大功率输出,从而允许吸入更大量的O2。进气增压可以在约2.5巴的增压进气压力下将NOx水平降低至100ppm以下[Nagalingam B,Dübel M,Schmillen K,Performance of the supercharged spark ignition hydrogen engine.SAE International 1983;SAE paper#831688]。
[0019] 因此,本申请提出了一种有效减少柴油机废气排放的策略:一种压缩点火(CI)混合系统,该系统有效解决环境问题。所提出的CI系统如图1所示,此系统包括:(a)氢气(H2)-生物柴油双燃料发动机,(b)冷却EGR,(c)通过带无叶扩散器的离心式压缩机对新鲜空气进行进气增压(d)控制器和反馈控制系统,用于实现和维持环境可接受的排放水平。根据车辆的类型(例如,是轻型商用车还是重型商用车),确定EGR的百分比以及确保气缸到气缸EGR分配的空气完全混合将是设计优化的问题。
[0020] 给定的增压内燃(IC)发动机的运行特性依赖于增压压缩机的适当选择[Baines NC.Fundamentals of Turbocharging.Concepts ETI,Inc.2005]。在整个操作范围内需要宽的操作范围和高效率[Schleer MW,Flow Structure and  Stability of a Turbocharger Centrifugal Compressor.PhD Dissertation,Swiss Federal Institute of Technology(ETH),Zurich 2006]。大多数动力系统设计师更喜欢离心式压缩机和轴向压缩机,因为它们结构相对简单,尺寸更小,制造成本更低[Taylor  CF.Internal Combustion Engine in Theory and Practice,Volume 1:Thermodynamics,Fluid Flow,ndPerformance.2  Edition,MIT Press 1985]。此外,它们通常产生中等水平的噪音,并且在
1.5至3的压力比范围内具有非常好的效率,其中许多增压器被设计用于操作[Taylor CF.Internal Combustion Engine in Theory and Practice,Volume 1:Thermodynamics,Fluid Flow,Performance.2nd Edition,MIT Press 1985]。离心式压缩机的主要缺点是它们的性能范围受到喘振和堵塞的限制[Taylor CF.Internal Combustion Engine in Theory and Practice,Volume 1:Thermodynamics,Fluid Flow,Performance.2nd Edition,MIT Press 1985][Komatsubara Y,Mizuki S.Dynamical system analysis of unsteady phenomena in centrifugal compressor.J.of Thermal Science 1996:6(1)]。
离心式压缩机的机械增压是有利的,因为它可以在很宽的速度范围内运转,并且适用于所有时间运转发动机,包括当发动机启动时发生涡轮迟滞时的情况[Heywood JB.Internal Combustion Engine Fundamentals.McGraw Hill,New York,N.Y.1988]。所提出的CI系统中的增压离心式压缩机的示意性配置如图1所示。在具有冷却EGR的混合式氢气(H2)-生物柴油双燃料发动机系统中,反馈控制系统接收三个输入,将产生的气态废气排放水平与环境可接受的排放水平进行比较,因此提供了四个输出。此三个输入来自:(i)气体排放物和颗粒物排放分析仪,(ii)压力传感器,(iii)温度传感器。此四个控制输出以发送电子信号的方式输出到:(1)气流控制器,(2)EGR流量控制器,(3)氢气(H2)流量控制器,(4)生物柴油流量控制器。
[0021] 在石油能源应用中使用的大多数离心压缩机使用无叶片扩散器以摆脱浪涌和失速的问题[Boyce MP.Gas Turbine Engineering Handbook.2nd edition.Butterworth Heinemann,Elsevier 2002]。无页片扩散器通常是一种重量轻且简单的流动通道,其内部没有任何元件来引导流动。无叶扩散器通常具有以下优点:(i)相对较大的流出出口度,(ii)由此产生相对短的流动路径,(iii)由此导致的摩擦损失不大,从而纠正了叶轮出口处的实际流动角度(β2)小于叶片角度(β2')的事实。叶片式扩散器可以将级效率提高2%,但效率增益的代价是,在喘振和滞止(阻塞)方面,头流压缩机(head-flow compressor)图上的操作范围更窄。另外,在制造成本方面,叶片式扩散器比无叶式扩散器更昂贵。此外,具有叶片式扩散器的无叶片空间可导致效率降低和/或总压力降低。叶片式扩散器损耗的原因是:叶片入射角,叶片引起的皮肤摩擦和无叶片空间。通常发现,离开叶片式扩散器的动能大约有一半会丢失[Boyce  MP.Gas  Turbine  Engineering  Handbook.2nd 
edition.Butterworth Heinemann,Elsevier 2002]。对于无叶片扩散器而言,损耗主要是由于无页片扩散器内经历的粘性流动损失,这对理想气体来说是微不足道的[Boyce MP.Gas Turbine Engineering Handbook.2nd edition.Butterworth Heinemann,Elsevier 2002]。叶片式扩散器通常用于高排放压力应用。
[0022] 已经用生物燃料混合(例如,B20)研究了柴油发动机的效率。[Dempsey AB.,Walker NR,Reitz R.Effect of piston bowl geometry on dual fuel reactivity controlled compression ignition(RCCI)in a light-duty engine operated with gasoline/diesel and methanol/diesel.Society of Automotive Engineers International Journal of Engines 2013;6(1):78-100]。使用丙烷-柴油双燃料的化学计量生物柴油直接喷射减排技术对于提高效率和降低二氧化碳和氮氧化物排放水平方面一直受到关注。此外,麻疯树油展示了提高效率并减少二氧化碳和氮氧化物排放量。因此,所提出的具有冷却EGR和无叶片扩散器的增压离心压缩机的氢气(H2)-生物柴油双燃料压缩点火发动机被预计是有效的。被提出的这个想法将有助于开发内燃机技术。
[0023] 在一个实施例中,丙烷和麻风树甲酯与柴油燃料的混合百分比范围为:丙烷10-50%,麻风树甲酯10-50%,柴油80-0%。
[0024] 在本申请提及的所有文献都被认为是整体性地包括在本申请的公开内容中,以便在必要时可以作为修改的依据。此外应理解,在阅读了本申请的上述公开内容之后,本领域技术人员可以对本申请作各种改动或修改,这些等价形式同样落于本申请所要求保护的范围。
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