本發(fā)明涉及一種利用發(fā)動機廢氣余熱低溫重整燃料的新型裝置，具體設計一種利用發(fā)動機廢氣加熱的外置燃料重整器低溫(T<1000K)重整燃料，通過控制該外置重整器的邊界條件(溫度、壓力、當量比等)將燃料重整成不同活性的低溫氧化產物(醛類、酮類、過氧化物等)，而后根據實際工況條件將重整后不同活性的低溫重整氣導入到發(fā)動機中參與燃燒的裝置系統(tǒng)。
背景技術：
目前內燃機依舊在交通運輸中占有絕對主導地位，然而隨著近些年能源的逐漸枯竭、環(huán)境的日趨惡化，傳統(tǒng)內燃機的燃燒模式顯然已經滿足不了能源以及環(huán)境的要求。因此就內燃機而言，國內外專家學者針對燃燒技術進行了廣泛的研究并提出了一些新型燃燒模式，如均質壓燃(HCCI)、低溫燃燒(LTC)和部分預混合燃燒(PPC)等等。近些年，燃料重整這一新型燃燒方式逐漸應用在內燃機上，并且提高了發(fā)動機的熱效率，降低了排放。與此同時，發(fā)動機廢氣余熱的利用也已經引起國內外專家學者的重視。
技術實現(xiàn)要素：
本發(fā)明將發(fā)動機廢氣余熱與燃料重整相結合，對燃料進行無催化劑的低溫熱重整，旨在進一步提高發(fā)動機熱效率及降低排放。本發(fā)明公開了一種利用發(fā)動機廢氣余熱低溫重整燃料的新型裝置。主體部分將一款自制的外置燃料低溫重整裝置連接發(fā)動機，其中發(fā)動機排氣管纏繞在該低溫重整裝置四周用于加熱待重整的新鮮燃料，重整后的燃料與新鮮空氣混合導入到發(fā)動機中參與燃燒。發(fā)動機運行在不同的工況條件下，通過控制外置重整器相應的重整反應邊界條件，可以排出不同氧化階段不同活性的低溫重整氣，再結合發(fā)動機氣缸內噴油器直噴的燃料，可以實現(xiàn)缸內混合氣活性與濃度的分層，改變燃油燃燒反應的反應路徑，可以有效拓寬高效清潔燃燒范圍。本發(fā)明只需要采用簡單的氧化反應后處理器即可以滿足歐VI排放法規(guī)的要求。
為了解決上述技術問題，本發(fā)明提出的一種利用發(fā)動機廢氣余熱低溫重整燃料的裝置，包括發(fā)動機氣缸、一臺外置低溫燃料重整器、空氣進氣管和燃料進樣管，所述發(fā)動機氣缸連接有發(fā)動機進氣管和發(fā)動機廢氣管；所述空氣進氣管的一端和所述燃料進樣管的一端均連接至所述外置低溫燃料重整器的進口，所述空氣進氣管的另一端連接至一空氣瓶，所述空氣進氣管上設有氣體流量計；所述燃料進樣管的另一端連接至一燃料注射泵，所述燃料進樣管上設有燃料汽化罐；所述外置低溫燃料重整器的出口通過重整氣氣管與所述發(fā)動機進氣管相連；所述重整氣氣管上、并位于臨近外置低溫燃料重整器的出口處設有一熱電偶；所述發(fā)動機廢氣管上設有第一廢氣閥和第二廢氣閥，所述第一廢氣閥位于發(fā)動機廢氣管的始端，所述第二廢氣閥位于發(fā)動機廢氣管的末端；所述第一廢氣閥上連接出有第一廢氣管旁路，所述第一廢氣管旁路與所述第一廢氣閥連接、并纏繞過所述外置低溫燃料重整器后連接至所述第一廢氣閥和第二廢氣閥之間的廢氣管的中間管段上，所述第一廢氣管旁路上，在繞過所述外置低溫燃料重整器的位置處設有一熱電偶；所述第二廢氣閥上連接有第二廢氣管旁路，所述第二廢氣管旁路與所述第二廢氣閥連接、并纏繞過所述燃料汽化罐后連接至所述發(fā)動機廢氣管的末端，所述第二廢氣管旁路上，在繞過所述燃料汽化罐的位置處設有一熱電偶；通過將發(fā)動機廢氣管纏繞經過所述外置低溫燃料重整器和燃料汽化罐，實現(xiàn)發(fā)動機廢氣余熱的充分利用；初始燃料由所述燃料注射泵以勻速經燃料進樣管進入到燃料汽化罐中進行汽化，汽化后的燃料導入到所述外置低溫燃料重整器中，與此同時，由所述空氣瓶提供的新鮮空氣在氣體流量計調控的流量下經空氣進氣管進入到所述外置低溫燃料重整器中，在所述外置低溫燃料重整器中，汽化后的燃料與新鮮空氣混合進行低溫重整形成低溫產物；重整后的低溫產物經過重整氣氣管進入到發(fā)動機進氣管中，再次與新鮮空氣混合形成均勻混合氣導入到所述發(fā)動機氣缸中，并與缸內直噴的燃料混合燃燒實現(xiàn)混合氣活性及濃度分層。
與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果是：
本發(fā)明提出一種利用發(fā)動機廢氣余熱無催化劑低溫重整燃料的新型裝置系統(tǒng)，根據發(fā)動機實際工況特點，對外置重整器中的燃料進行低溫重整，通過控制燃油與空氣反應的邊界條件，該重整裝置排出不同氧化階段的部分中間產物或完全氧化產物，使其與空氣(或者EGR與空氣的混合氣)混合，導入到發(fā)動機汽缸中，再結合缸內直噴的燃料，可以實現(xiàn)混合氣活性及濃度分層協(xié)同控制的高效清潔燃燒。本發(fā)明將燃料經外置重整器低溫重整，重整后的低溫重整產物與新鮮空氣均勻混合導入到發(fā)動機汽缸內，而后與工作缸噴入的新鮮燃料混合燃燒，實現(xiàn)了燃油燃燒氧化反應反應路徑可調控制，從而實現(xiàn)高效清潔燃燒的目標。發(fā)動機運行在不同轉速、負荷等工況條件下，通過控制外置重整器相應的重整反應邊界條件，可以改變燃油燃燒反應反應路徑，獲得不同活性的重整混合氣，可以有效拓寬高效清潔燃燒范圍。本發(fā)明只需要采用簡單的氧化反應后處理器即可以滿足歐VI排放法規(guī)的要求。
附圖說明
圖1是本發(fā)明一種利用發(fā)動機廢氣余熱低溫重整燃料的裝置結構示意簡圖。
圖中：
1-發(fā)動機汽缸 2-發(fā)動機進氣管 3-重整氣氣管
4-熱電偶 5-外置低溫燃料重整器 6-發(fā)動機廢氣管
7-廢氣管支路 8-熱電偶 9-第一廢氣閥
10-廢氣管的中間管段 11-第二廢氣閥 12-廢氣管支路
13-熱電偶 14-空氣進氣管 15-氣體流量計
16-空氣瓶 17-燃料進樣管 18-燃料氣化罐
19-燃料注射泵 20-終端廢氣管
具體實施方式
下面結合附圖和具體實施例對本發(fā)明技術方案作進一步詳細描述，所描述的具體實施例僅對本發(fā)明進行解釋說明，并不用以限制本發(fā)明。
本發(fā)明提出的一種利用發(fā)動機廢氣余熱低溫重整燃料的裝置實現(xiàn)了燃料的低溫重整，也可以實現(xiàn)發(fā)動機氣缸內混合氣濃度分層和活性分層燃燒，并且不需要添加催化劑，同時排氣管廢氣的余熱也得到了有效利用，從而使發(fā)動機更加高效節(jié)能的運行。本發(fā)明基于發(fā)動機燃料低溫重整方法，由外置低溫燃料重整器及發(fā)動機主體兩部分組成。
如圖1所示，本發(fā)明提出的一種利用發(fā)動機廢氣余熱低溫重整燃料的裝置，包括發(fā)動機氣缸1、一臺外置低溫燃料重整器5、空氣進氣管14和燃料進樣管17，所述發(fā)動機氣缸1連接有發(fā)動機進氣管2和發(fā)動機廢氣管6；所述空氣進氣管14的一端和所述燃料進樣管17的一端均連接至所述外置低溫燃料重整器5的進口，所述空氣進氣管14的另一端連接至一空氣瓶16，所述空氣進氣管14上設有氣體流量計15；所述燃料進樣管17的另一端連接至一燃料注射泵19，所述燃料進樣管17上設有燃料汽化罐18，所述燃料汽化罐18用以汽化來自燃料進樣管17的液體燃料，使其在一定溫度下變成汽態(tài)，再導入到外置低溫燃料重整器5中與新鮮空氣進行低溫重整。
所述外置低溫燃料重整器5的出口通過重整氣氣管3與所述發(fā)動機進氣管2相連；所述重整氣氣管3上、并位于臨近外置低溫燃料重整器5的出口處設有一熱電偶4。
所述發(fā)動機廢氣管6上設有第一廢氣閥9和第二廢氣閥11，所述第一廢氣管9位于發(fā)動機廢氣管的始端，所述第二廢氣閥11位于發(fā)動機廢氣管的末端(即終端廢氣管20)。所述第一廢氣閥9上連接出有第一廢氣管旁路，所述第一廢氣管旁路的一端7與所述第一廢氣閥9連接、并纏繞過所述外置低溫燃料重整器5后，所述第一廢氣管旁路的另一端12連接至所述第一廢氣閥9和第二廢氣閥11之間的廢氣管的中間管段10上，所述第一廢氣管旁路上，在繞過所述外置低溫燃料重整器5的位置處設有一熱電偶8。所述第一廢氣閥9用以調控進入第一廢氣管旁路7的廢氣量，進而調控外置低溫燃料重整器5的重整溫度，用以燃料低溫重整。
所述第二廢氣閥11上連接有第二廢氣管旁路，所述第二廢氣管旁路與所述第二廢氣閥11連接、并纏繞過所述燃料汽化罐18后連接至所述發(fā)動機廢氣管的末端(即終端廢氣管20)，所述第二廢氣管旁路上，在繞過所述燃料汽化罐18的位置處設有一熱電偶13。
通過將發(fā)動機廢氣管6纏繞經過所述外置低溫燃料重整器5和燃料汽化罐18，實現(xiàn)發(fā)動機廢氣余熱的充分利用。所述燃料注射泵19按照規(guī)定重整當量比勻速進樣燃料；所述燃料氣化罐18位于燃料進樣管17的管路上，用以氣化待重整的液體燃料，其中燃料氣化罐18的外周被發(fā)動機廢氣管纏繞，氣化溫度由第二廢氣閥11調控；所述外置低溫燃料重整器5空氣進氣系統(tǒng)由氣體流量計15調控進入外置低溫燃料重整器5的空氣量；本發(fā)明中所述外置低溫燃料重整器5由發(fā)動機廢氣管路纏繞，溫度調控由第一廢氣閥9控制，并且與位于外置低溫燃料重整器5上的熱電偶進行閉環(huán)溫度控制；在位于重整氣氣管3上并臨近外置低溫燃料重整器5出口處安放的一個熱電偶4用以檢測重整后混合氣的溫度。
本發(fā)明中形成的重整回路走向：初始燃料由所述燃料注射泵19以勻速經燃料進樣管17進入到燃料汽化罐18中進行汽化，汽化后的燃料導入到所述外置低溫燃料重整器5中與新鮮空氣混合進行低溫重整。所述氣體回路走向：由所述空氣瓶16提供的新鮮空氣在氣體流量計15調控的流量下經空氣進氣管14進入到所述外置低溫燃料重整器5中與汽化后的燃料混合進行低溫重整，在所述外置低溫燃料重整器5中，汽化后的燃料與新鮮空氣混合進行低溫重整形成低溫產物，發(fā)動機氣缸內的噴油器控制汽缸內燃油的噴入時刻及噴油量，所述重整回路及氣體回路的流量控制分別是通過燃料注射泵19和氣體流量計15實現(xiàn)的。重整后的低溫產物經過重整氣氣管3進入到發(fā)動機進氣管2中，再次與新鮮空氣混合形成均勻混合氣導入到所述發(fā)動機氣缸1中，并與缸內直噴的燃料混合燃燒實現(xiàn)混合氣活性及濃度分層。
本發(fā)明中，利用外置低溫燃料重整器5，通過調控重整器的邊界條件可以得到不同活性的低溫氧化產物，例如重整PRF90(異辛烷與正庚烷體積比為9)燃料，可以得到高活性物質(過氧甲烷CH3O2H，羰基的過氧化物KETs等等)，也可以得到低活性物質或者稱為抑制燃燒的物質(甲醛CH2O，丙酮CH3COCH3等等)。因此可以根據發(fā)動機實際工況條件需求，通過調控重整器中的邊界條件(溫度，壓力，當量比等)將其中的混合氣重整成所需活性的氧化階段產物，再與新鮮空氣混合導入到發(fā)動機汽缸內參與燃燒工作。實質上低溫重整產物的導入改變了發(fā)動機汽缸內燃料消耗的化學反應路徑，進而影響了發(fā)動機汽缸內的燃燒工作過程。與此同時，發(fā)動機廢氣余熱的利用也使得發(fā)動機整體能量得到了節(jié)約。
利用本發(fā)明的利用發(fā)動機廢氣余熱低溫重整燃料的裝置在下述幾種工況下工作時的表現(xiàn)：
針對低活性燃料或者發(fā)動機處于低速小負荷工況條件，控制該外置低溫燃料重整系統(tǒng)的邊界條件(溫度，壓力，當量比等)使重整器內的燃料轉化成高活性的低溫重整產物，導入到發(fā)動機缸內，再結合發(fā)動機缸內直噴的新鮮燃料，實現(xiàn)混合氣濃度和活性分層燃燒。因為高活性自由基物質點火滯燃期短，更容易點火，與工作缸缸內直噴燃料相互作用，促進點火，保證了在低速小負荷條件下燃燒的穩(wěn)定性，從而擴展了小負荷運行區(qū)域。
對于高活性燃料或者發(fā)動機處于大負荷/滿負荷工況條件下，同樣調控外置重整器的邊界條件，將重整器中的燃料低溫重整成低活性的重整產物(醛類，丙酮等等)，再導入到發(fā)動機汽缸內參與燃燒。因為低溫重整后的混合氣活性降低，著火滯燃期長，通過與工作缸直噴高活性燃料混合實現(xiàn)混合氣活性與濃度耦合控制的高效清潔燃燒。
綜上，本發(fā)明提出的是利用一套外置低溫重整系統(tǒng)根據發(fā)動機實際工況條件產生不同氧化階段的低溫重整產物，并且該重整系統(tǒng)不外加催化劑。本發(fā)明與其他相應燃料重整技術方案最大的不同點在于是根據不同工況需求，通過對重整氧化反應邊界條件控制，獲得不同重整氧化階段的中間產物，如產生過氧化物、醛、酮、CO、H2等中間產物。燃料經重整后中間產物活性降低，不同氧化階段的中間產物重新與新鮮空氣混合后形成化學活性不同不同的混合氣，并與工作缸噴入的燃料再進行燃燒反應，從而僅采用單一燃料實現(xiàn)活性與濃度分層控制的高效清潔燃燒模式，從而實現(xiàn)了燃燒反應路徑可調控制。
盡管上面結合附圖對本發(fā)明進行了描述，但是本發(fā)明并不局限于上述的具體實施方式，上述的具體實施方式僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領域的普通技術人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明宗旨的情況下，還可以做出很多變形，這些均屬于本發(fā)明的保護之內。