本發(fā)明屬于發(fā)動機低溫燃燒技術領域，涉及一種在線燃料重整可變燃燒模式發(fā)動機裝置及方法。
背景技術：
在能源危機以及環(huán)境污染的國際大環(huán)境下，內燃機的主要發(fā)展方向分為替代燃料的利用和內燃機的先進燃燒方式兩個方面。替代燃料中，合成氣來源廣泛、制造成本低，能夠實現內燃機的高效清潔燃燒，具有巨大的應用前景。在合成氣中，H2作為主要燃料氣體具有燃燒速度、火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤斓奶攸c，致使點火式發(fā)動機的缸內溫度過高，導致NOx排放的惡化。因此結合壓燃式發(fā)動機的先進低溫燃燒方式更為適宜合成氣作為替代燃料的應用。在低溫燃燒技術中，合成氣可應用于沖量均質壓燃HCCI)的燃燒模式和反應活性可控壓燃RCCI)的燃燒模式。在均質壓燃模式下合成氣與空氣由進氣道進入發(fā)動機燃燒室形成均質燃氣，由上行活塞壓縮進行多點燃燒，其具有經濟性高、NOx排放極低的顯著優(yōu)勢，然而合成氣作為低活性燃料在低負荷下不易被壓縮著火，同時其中H2的燃燒速度過快導致均質壓燃發(fā)動機高負荷下的燃燒粗暴。在反應活性可控燃燒模式下，需要兩套噴油系統，進氣道噴射低活性燃料和缸內直噴高活性燃料，通過這種雙燃料部分預混的燃燒方式，RCCI發(fā)動機具有在寬廣的運行范圍之內靈活的控制燃燒相位的優(yōu)勢，然而這種燃燒模式需要高、低兩種活性燃料的支持，在燃料添加方面具有極大的不便利性。這些都是合成氣作為內燃機替代燃料所面臨的問題。
美國通用電氣公司在2012年申請的《利用多種燃料的發(fā)動機及其相關方法》ZL201280058990.3)中提出了使用多種燃料模式的發(fā)動機，但其需要多種燃料的供給，并且沒有指明多種燃料的配合使用方案。孟山都技術公司于2010年申請的《重整乙醇發(fā)動機》ZL201080038253.8)專利提供了燃料重整的思路，然而燃料重整后的燃燒模式并沒有詳細的敘述。
技術實現要素：
為解決上述現有技術問題，本發(fā)明提出了一種在線燃料重整可變燃燒模式發(fā)動機及控制方法，其使用合成氣作為主要燃料源，利用廢氣余熱重整制備二甲醚作為副燃料的策略；結合主、副燃料的使用，在不同種燃燒模式中順暢切換以適應不同工況下對合成氣發(fā)動機的要求。
本發(fā)明的具體技術方案如下：
一種在線燃料重整可變燃燒模式發(fā)動機，包括進氣口、氣體管路、電磁閥、合成氣燃料箱、熱交換器、重整反應室、氣體壓縮機、二甲醚燃料箱、發(fā)動機燃燒室、廢氣管路、渦輪、過濾器、排氣口。其中，進氣口與氣體管路A相連，氣體管路A上設有電磁閥a并與發(fā)動機燃燒室相連；合成氣燃料箱分別與氣體管路B和氣體管路C相連，氣體管路B上設電磁閥b，氣體管路C上設電磁閥c，氣體管路B通過熱交換器與重整反應室相連，氣體管路C與氣體管路A匯合之后與發(fā)動機燃燒室相連。重整反應室通過氣體壓縮機與二甲醚燃料箱相連，電磁閥d與電磁閥e分別設于二甲醚燃料箱的氣體管路D和氣體管路E上。氣體管路D與發(fā)動機燃燒室相連，氣體管路E與氣體管路A和氣體管路C匯合后與發(fā)動機燃燒室相連。廢氣管路連接發(fā)動機燃燒室、氣體壓縮機的渦輪、過濾器、熱交換器和排氣口。
針對上述一種在線燃料重整可變燃燒模式發(fā)動機的控制方法，在不同工況下分別進行如下步驟：
在發(fā)動機冷啟動階段，利用二甲醚直噴的方式實現傳統柴油機的燃燒模式。電磁閥a控制發(fā)動機進氣，電磁閥d控制二甲醚的噴射時刻以及噴射量；二甲醚燃料在活塞處于上止點前10℃A～0℃A時噴入發(fā)動機燃燒室進行傳統壓縮著火。
在發(fā)動機中、低負荷階段，利用預混二甲醚與合成氣實現均質混合氣壓燃的燃燒模式。電磁閥a控制發(fā)動機進氣，電磁閥b控制合成氣重整流量，電磁閥c控制合成氣噴射流量，電磁閥e控制二甲醚與空氣、合成氣預混流量；此時，空氣與合成氣、二甲醚燃料預混由進氣道進入發(fā)動機燃燒室進行均質壓燃。
在發(fā)動機中、高負荷階段，利用缸內直噴二甲醚，進氣道內預混合成氣的方式，實現反應活性可控壓燃的燃燒模式。電磁閥a控制發(fā)動機進氣，電磁閥b控制合成氣重整流量，電磁閥c控制合成氣噴射流量，電磁閥d控制二甲醚缸內直噴流量以及噴射時刻；空氣與合成氣預混由進氣道進入發(fā)動機燃燒室，二甲醚在活塞處于上止點前50℃A～40℃A直噴進入發(fā)動機燃燒室，通過對燃料的比例控制實現活性分層，進而對著火時刻進行控制，最終實現活性可控壓燃的燃燒方式。
本發(fā)明產生的有益效果是，利用低活性合成氣燃料與高活性二甲醚燃料的控制實現了不同種燃燒模式的相互轉化，避免了冷啟動不易著火，高載荷下容易爆震的缺點，拓寬了合成氣作為發(fā)動機替代燃料的應用范圍。其中合成氣的成分要求較為寬松；重整溫度低，可完全用尾氣余熱進行加熱；對二甲醚的需求量較小，對重整度的要求不高；合成氣重整二甲醚的催化劑不需要貴金屬，節(jié)省成本；利用對燃料控制完全不需要對二甲醚和未反應的合成氣進行分離，省去了冗雜的分離步驟。通過本發(fā)明系統，能夠大幅降低氮氧化物、碳煙排放和發(fā)動機的噪音，其中，氮氧化物排放低于0.5g/kW·h；碳煙排放基本消除；發(fā)動機聲響強度低于8MW/m2。
附圖說明
圖1為本發(fā)明的系統結構原理簡圖。
圖中：1進氣口；2氣體管路；3電磁閥；4合成氣燃料箱；5熱交換器；6重整反應室；7氣體壓縮機；8二甲醚燃料箱；9發(fā)動機燃燒室；10廢氣管路；11渦輪；12過濾器；13排氣口。
具體實施方案
以下結合附圖并通過實施例對本發(fā)明的系統組成、部件連接關系和具體控制方法做進一步的說明。
一種在線燃料重整可變燃燒模式發(fā)動機，包括進氣口1、氣體管路2、電磁閥3、合成氣燃料箱4、熱交換器5、重整反應室6、氣體壓縮機7、二甲醚燃料箱8、發(fā)動機燃燒室9、廢氣管路10、渦輪11、過濾器12、排氣口13。
其中進氣口1與氣體管路A 2-1相連，氣體管路A 2-1上設有電磁閥a 3-1并與發(fā)動機燃燒室9相連。合成氣燃料箱4分別與氣體管路B 2-2和氣體管路C 2-3相連，氣體管路B 2-2上設電磁閥b 3-2，氣體管路C 2-3上設電磁閥c 3-3，氣體管路B 2-2通過熱交換器5與重整反應室6相連，氣體管路C 2-3與氣體管路A 2-1匯合之后與發(fā)動機燃燒室9相連；重整反應室6通過氣體壓縮機7與二甲醚燃料箱8相連，電磁閥d 3-4與電磁閥e 3-5分別設于二甲醚燃料箱8的氣體管路D 2-4和氣體管路E 2-5上。氣體管路D 2-4與發(fā)動機燃燒室9相連。氣體管路E 2-5與氣體管路A 2-1和氣體管路C 2-3匯合后與發(fā)動機燃燒室9相連。廢氣管路10連接發(fā)動機燃燒室9、氣體壓縮機的渦輪11、過濾器12、熱交換器5和排氣口13。
上述一種在線燃料重整可變燃燒模式發(fā)動機的控制方法如下：
在發(fā)動機冷啟動階段：電磁閥a3-1控制發(fā)動機進氣，電磁閥d3-4控制二甲醚的噴射時刻以及噴射量；二甲醚燃料在活塞處于上止點前10℃A～0℃A時噴入發(fā)動機燃燒室9進行傳統壓縮著火；
在發(fā)動機中、低負荷階段：電磁閥a3-1控制發(fā)動機進氣，電磁閥b3-2控制合成氣重整流量，電磁閥c3-3控制合成氣噴射流量，電磁閥e3-5控制二甲醚與空氣、合成氣預混流量；空氣與合成氣、二甲醚燃料預混由進氣道進入發(fā)動機燃燒室9進行均質壓燃；
在發(fā)動機中、高負荷階段：電磁閥a3-1控制發(fā)動機進氣，電磁閥b3-2控制合成氣重整流量，電磁閥c3-3控制合成氣噴射流量，電磁閥d3-4控制二甲醚缸內直噴流量以及噴射時刻；空氣與合成氣預混由進氣道進入發(fā)動機燃燒室9，二甲醚在活塞處于上止點前50℃A～40℃A直噴進入發(fā)動機燃燒室9實現反應活性可控壓燃的燃燒模式。
其中，主要控制參數如下：中、低負荷下，合成氣占總能量比為50％～70％；中、高負荷下，合成氣占總能量比為70％～80％。