基于甲醇脱水重整的逆向反应活性控制压燃式发动机

技术领域

本发明涉及内燃机结构技术领域，尤其涉及一种基于甲醇脱水重整的逆向反应活性控制压燃式发动机。

背景技术

反应活性控制压燃(Reactivity Controlled Compression Ignition,RCCI)是发动机领域的一种新兴的低温燃烧技术，其采用两套喷油系统实现缸内直喷高活性燃料(如柴油、二甲醚)，进气道喷射低活性燃料(如汽油、甲醇)的供油策略。通过控制两种燃料的活性对发动机的燃烧进行有效控制。相比于传统的柴油压燃模式，RCCI燃烧方式能够有效降低氮氧化物(NOx)和碳烟的排放，同时两种活性差异的燃料配合能够解决低温预混燃烧不可控的问题。基于RCCI燃烧模式，提出了逆向反应活性控制压燃(Reverse RCCI,R-RCCI)燃烧模式，即采用进气道内预混少量高活性燃料，缸内直喷低活性燃料的方式实现发动机缸内燃料活性的分层，从而实现发动机高效、清洁的燃烧。R-RCCI燃烧模式由于预混燃油减少，可以有效降低HC排放，同时预混的燃油活性较高，有利于近壁面处的燃油氧化，因此可以进一步降低不完全燃烧损失；其次，直喷燃油活性较低，滞燃期较长，因此燃油和空气可以实现较好的混合，从而有利于降低NOx和碳烟排放。

但是R-RCCI的供油策略存在着现实应用困难的问题。R-RCCI发动机需提供两套供油系统以满足双燃料的需求，提高制造成本的同时造成了燃油添加复杂的问题。

发明内容

根据上述提出的技术问题，而提供一种基于甲醇脱水重整的逆向反应活性控制压燃式发动机，本发明基于甲醇脱水重整反应器实现甲醇作为唯一燃料满足R-RCCI发动机活性分层的需求。通过甲醇重整反应器与发动机的联合控制，提供不同发动机工况下的优化燃料分配方案，解决燃料添加复杂的问题，同时实现发动机系统高效、清洁的燃烧。回收利用尾气能量，进一步提升燃料利用率达到节能减碳的环保目的。本发明采用的技术手段如下：

一种基于甲醇脱水重整的逆向反应活性控制压燃式发动机，包括甲醇油箱和甲醇脱水重整反应系统、R-RCCI发动机系统，所述甲醇油箱分出两条支路，分别为甲醇直喷管路和甲醇重整管路，所述甲醇脱水重整反应系统用于对甲醇进行催化重整反应，甲醇催化重整反应后的产物与空气预混通过进气管路进入发动机的气缸内部，所述R-RCCI发动机系统用于将甲醇直喷管路的甲醇增压后由喷油嘴直喷进入发动机的气缸内部，并实现对直喷甲醇与进气道预混的重整产物的活性控制。

进一步地，所述甲醇脱水重整反应系统包括甲醇泵、甲醇蒸发器、甲醇重整反应器，所述甲醇泵、蒸发器的蒸发区、甲醇重整反应器的反应区依次相连，经过高压泵和第一喷油嘴后连接至发动机的进气管路。

进一步地，所述R-RCCI发动机系统包括温控仪、高压共轨系统和双燃料发动机，甲醇直喷管路的甲醇进入高压共轨系统，增压后由第二喷油嘴直喷进入发动机的气缸内部。

进一步地，还包括连接在发动机输出端的尾气分流器和尾气处理装置。

进一步地，发动机的尾气由尾气分流器分成两项支路，第一支路通过温度控制器连接在甲醇重整反应器的换热区入口，换热区出口与尾气处理器相连；第二支路直接与尾气处理器相连。

进一步地，甲醇重整反应器内换热区的温度控制在550～700K之间。

进一步地，蒸发器内换热区的温度控制在423～523K之间。

进一步地，参加甲醇脱水反应的甲醇能量占发动机循环能量的10～30％之间。

进一步地，通过直喷进入发动机缸内的甲醇能量占发动机循环能量的70～90％之间，喷油时刻控制在活塞上止点前60～20℃A。

本发明的特点及产生的有益效果是，本发明通过甲醇车载在线重整制备二甲醚可实现单一燃料的活性变化，以一种燃料提供R-RCCI发动机所需的燃料活性分层。低活性甲醇与高活性重整产物的配合，可实现针对不同发动机工况下的燃料与控制策略的协同优化，在控制层面引入燃料控制机制，可实现不同负荷下的发动机的高效、清洁燃烧，进一步降低HC、NOx和碳烟排放。此外，采用甲醇作为替代燃料实现双燃料的燃烧模式，在缓解能源压力的同时降低燃油添加的复杂性。最后，利用尾气能量驱动重整反应器的运行可从能量回收角度提升发动机系统的整体燃油经济型，达到节能减碳的环保目的。本发明所述的基于甲醇脱水重整的逆向反应活性控制压燃发动机系统，能够达到欧VI排放法规，保证NOx排放低于0.4g/kW·h，同时实现碳烟的近零排放。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明基于甲醇脱水重整的逆向反应活性控制压燃式发动机的结构原理简图。

图2为本发明甲醇重整反应器结构原理简图。

图3为本发明甲醇蒸发器的结构原理简图。

图中：1、甲醇油箱；2-1、甲醇泵；2-2、高压泵；3、蒸发器；4、甲醇重整反应器；5-1、第一喷油嘴；5-2、第二喷油嘴；6、高压共轨系统；7、空气流量计；8、发动机；9、尾气分流器；10、温度控制器；11、尾气处理器；

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1～3所示，本发明实施例公开了一种基于甲醇脱水重整的逆向反应活性控制压燃式发动机，包括甲醇油箱1和甲醇脱水重整反应系统、R-RCCI发动机系统，所述甲醇油箱分出两条支路，分别为甲醇直喷管路和甲醇重整管路，所述甲醇脱水重整反应系统用于对甲醇进行催化重整反应，甲醇催化重整反应后的产物与空气预混通过进气管路进入发动机的气缸内部，所述R-RCCI发动机系统用于将甲醇直喷管路的甲醇增压后由喷油嘴直喷进入发动机的气缸内部，并实现对直喷甲醇与进气道预混的重整产物的活性控制。

所述甲醇脱水重整反应系统包括甲醇泵、甲醇蒸发器、甲醇重整反应器，所述甲醇泵2-1、蒸发器3的蒸发区、甲醇重整反应器4的反应区依次相连，本实施例中，一部分甲醇通过第一支路由甲醇泵2-1定量引入蒸发器3，通过甲醇泵控制其流量，由蒸发器3的蒸发区入口进入蒸发器内部，甲醇液体受到蒸发器3中高温换热区内高温尾气的加热变为甲醇蒸汽，由蒸发器3的蒸发区出口进入甲醇重整反应器4的反应区，在甲醇重整反应器4内进行催化重整反应生成二甲醚和水，重整产物与未反应的甲醇蒸汽通过甲醇重整反应器4的反应区出口由高压泵2-2引入喷油嘴5-1，喷油嘴5-1通过电控实现对反应产物的定量喷射，最后与空气预混通过进气管路进入发动机8的气缸内部，空气进气管道上设有空气流量计7。

所述R-RCCI发动机系统包括温控仪、高压共轨系统6和双燃料发动机，甲醇直喷管路的甲醇进入高压共轨系统，提供发动机缸内燃料低活性氛围，增压后由第二喷油嘴5-2直喷进入发动机8的气缸内部。

本系统还包括连接在发动机输出端的尾气分流器和尾气处理装置，以及空气流量计等。连接各装置之间的管路包括甲醇重整管路、甲醇直喷管路、发动机进气管路、尾气循环管路、尾气排放管路。

发动机的尾气由尾气分流器9分成两项支路，第一尾气支路通过温度控制器10连接在甲醇重整反应器的换热区入口，换热区出口与尾气处理器相连；尾气流经温度控制器10保证合理温度后由甲醇重整反应器4的换热区入口进入换热区，高温尾气与甲醇蒸汽换热后由甲醇重整反应器4的换热区出口流入蒸发器3的换热区，在蒸发器3的换热区对甲醇进行加热实现甲醇的气化，随后由蒸发器3的换热区出口流出进入尾气处理器11，随后排至环境大气。第二尾气支路的尾气则直接进入尾气处理器11，经过处理后排至环境大气。

在甲醇脱水重整反应系统中，根据发动机工况要求，通过甲醇泵控制甲醇流量，甲醇重整反应器内换热区的温度控制在550～700K之间，此时能够获得较高的重整度。在R-RCCI发动机系统中，发动机尾气温度能够达到900K左右，可对重整反应器提供高温重整氛围。通过协同控制甲醇直喷油量和重整后产物量能够实现不同发动机负荷工况下的供油需求。

蒸发器内换热区的温度控制在423～523K之间，保证甲醇液体的充分气化，作为优选的实施方式，可选择47K。

参加甲醇脱水反应的甲醇能量占发动机循环能量的10～30％之间，该部分甲醇通过催化重整反应生成的产物作为高活性燃料，在发动机进气门开启时刻随空气进入气缸内部。

通过直喷进入发动机缸内的甲醇能量占发动机循环能量的70～90％之间，该部分甲醇作为低活性燃料，增加发动机缸内的活性梯度。喷油时刻控制在活塞上止点前60～20℃A。

本发明利用甲醇作为唯一燃料，利用尾气余热驱动甲醇的催化转化反应，通过甲醇脱水重整制备二甲醚实现低活性燃料向高活性燃料的转变。甲醇作为发动机唯一燃料，一部分缸内直喷，另一部分进入重整反应器，重整后产物(二甲醚、甲醇和水)作为高活性燃料由进气道进入发动机缸内。通过这样的燃料供给方式，实现了R-RCCI的燃料活性的逆向分层。不仅解决了燃料添加的问题，同时利用尾气余热，提升发动机系统的热效率。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。