本發明涉及內燃機節能環保領域,尤其是涉及一種內燃機氣缸外尾氣催化還原綜合處理系統及其運行方法。
背景技術:
1、以碳氫燃料作為主要燃料的內燃機,其熱效率很難達到40%以上,大部分熱能隨尾氣和冷卻系統散發浪費掉了,其中尾氣帶走的熱量約35~50%,冷卻系統帶走的熱量約10~25%。
2、內燃機大多數采用水冷方式冷卻內燃機,需要設置水箱、散熱器、風扇等設施,不僅增加了內燃機的空間重量,還增加了內燃機的能耗,同時散熱器銹蝕漏水也增加了維修保養成本;水冷系統低溫凍結會造成內燃機啟動困難;而且冷卻系統浪費散發的10~25%熱量到大氣中,不僅降低了內燃機熱效率,還會造成大氣熱污染。
技術實現思路
1、本發明旨在至少在一定程度上解決相關技術中的技術問題之一。為此,本發明提出一種內燃機氣缸外尾氣催化還原綜合處理系統及其運行方法。
2、本發明解決其技術問題所采用的技術方案是:一種內燃機氣缸外尾氣催化還原綜合處理系統,包括氣缸外尾氣催化還原處理系統內燃機、多余含氫混合氣體處理系統和ecu;
3、所述氣缸外尾氣催化還原處理系統內燃機包括活塞、可控氣分流閥、內燃機氣套、氣缸、氣缸蓋和低溫氣體噴嘴,所述活塞在所述氣缸內往復運動;所述內燃機氣套為內燃機氣缸體和氣缸蓋的內外殼之間的空間;所述氣缸蓋上設有排氣閥門,所述排氣閥門與所述氣缸連通;
4、所述可控氣分流閥第一出氣口與所述內燃機氣套進氣口連通,所述可控氣分流閥第二出氣口通過所述第一低溫氣體管與低溫氣體噴嘴連接,所述低溫氣體噴嘴還通過第一低溫氣體管與內燃機氣套出氣口連接;
5、所述多余含氫混合氣體處理系統包括氣液分離器、混合式熱交換二氧化碳液化器;
6、所述氣液分離器進氣口通過第四連接通道與排氣閥門連接,所述氣液分離器出氣口與所述混合式熱交換二氧化碳液化器進氣口通過第一連接通道連通,所述混合式熱交換二氧化碳液化器的出氣口通過第三低溫氣體管連接至第二低溫氣體管一端,所述第二低溫氣體管連接可控氣分流閥進氣口;
7、所述氣缸外尾氣催化還原處理系統內燃機還通過第一液氧管與所述多余含氫混合氣體處理系統連接;所述可控氣分流閥、低溫氣體噴嘴分別與ecu連接。
8、在本發明的一個較佳實施例中,所述多余含氫混合氣體處理系統還包括壓縮機、氣液間壁式熱交換器和可控三通閥,所述壓縮機、氣液間壁式熱交換器、可控三通閥依次設置在氣液分離器和混合式熱交換二氧化碳液化器之間的第一連接通道上;
9、所述氣液分離器底部出水口通過水管與氣液間壁式熱交換器進水口連通,所述氣液間壁式熱交換器出水口與儲水箱連接;所述第一連接通道出氣口與所述可控三通閥進氣口連通,所述可控三通閥第一出氣口與所述混合式熱交換二氧化碳液化器進氣口連通,所述混合式熱交換二氧化碳液化器底部出液口連通液化二氧化碳儲罐,所述可控三通閥第二出氣口通過氣管與所述第二低溫氣體管連通;所述混合式熱交換二氧化碳液化器出氣口與所述第三低溫氣體管進氣口連通,所述第三低溫氣體管出氣口與所述單向閥進氣口連通,所述單向閥出氣口與所述第二低溫氣體管進氣口連通;所述第三低溫氣體管上設有安全排氣閥;
10、液化二氧化碳罐由一個或多個液化二氧化碳儲罐組成,多個液化二氧化碳儲罐的容積可以不同,但總容積根據碳氫燃料箱總容積以及所選碳氫燃料二氧化碳排放系數確定。
11、在本發明的一個較佳實施例中,所述排氣閥門通過排氣歧管/總管、第二連接通道、第三連接通道與所述第四連接通道連接,所述第四連接通道與氣液分離器的進氣口連接,所述第四連接通道進氣口處設有尾氣節氣門;
12、所述第三連接通道還與準空氣混合器進氣口連通,所述低溫氣體噴嘴設置在所述準空氣混合器上,所述準空氣混合器出氣口與進氣歧管/總管進氣口連通,所述進氣歧管/總管出氣口通過設置在氣缸蓋上的進氣閥門與氣缸連通;所述第三連接通道上設有傳感器,所述低溫氣體噴嘴、傳感器、尾氣節氣門分別連接ecu。
13、在本發明的一個較佳實施例中,所述第二連接通道出氣口與催化重整裝置進氣口連通,所述催化重整裝置內設有催化劑,所述催化重整裝置出氣口與所述第三連接通道進氣口連通,所述第三連接通道與第四連接通道進氣口連通。
14、在本發明的一個較佳實施例中,所述準空氣混合器上設有第一液氧噴嘴,第一液氧管一端連接第二液氧管,所述第一液氧管另一端直接與第一液氧噴嘴連接,或第一液氧管另一端與氣液分離器熱交換后與第一液氧噴嘴連接,所述第一液氧噴嘴連接ecu。
15、在本發明的一個較佳實施例中,所述氣缸蓋上設有第二燃料噴嘴或第二lng噴嘴;所述第二連接通道上設有第一燃料噴嘴或第一lng噴嘴;
16、氣缸外尾氣催化還原處理系統內燃機還包括碳氫燃料箱或lng罐;所述碳氫燃料箱連接燃料管一端,所述燃料管另一端與所述準空氣混合器熱交換后再與第一燃料噴嘴(26)和所述第二燃料噴嘴連接;
17、lng罐連接lng管一端,lng管另一端與所述混合式熱交換二氧化碳液化器熱交換、氣液分離器熱交換、準空氣混合器熱交換連接后再與所述第一lng噴嘴和所述第二lng噴嘴連接;
18、所述第一燃料噴嘴、所述第一lng噴嘴、所述第二燃料噴嘴、所述第二lng噴嘴分別連接ecu。
19、在本發明的一個較佳實施例中,所述多余含氫混合氣體處理系統還包括液氧罐,所述液氧罐蒸發氧氣口連接氧氣管一端,所述氧氣管另一端與所述混合式熱交換二氧化碳液化器連接;所述液氧罐連接第二液氧管一端,所述第二液氧管另一端與設置在混合式熱交換二氧化碳液化器上的第二液氧噴嘴連接,或所述第二液氧管另一端與lng罐頂部bog液化腔內的熱交換器連接后再與所述第二液氧噴嘴連接,所述第二液氧噴嘴連接ecu;
20、所述液氧罐由一個或多個液氧罐組成,多個液氧罐的容積可以不同,但總容積根據碳氫燃料箱總容積以及所選碳氫燃料空燃比以及液氧揮發率和其它需求確定;當液氧罐由多個相同容積液氧罐組成時,可僅設一個與單個液氧罐容積相同或略大的液化二氧化碳儲罐,當每個液氧罐中液氧耗盡時,均可用于儲存液態二氧化碳。
21、本發明還公開了一種內燃機氣缸外尾氣催化還原綜合處理系統運行方法,包括以下步驟:內燃機氣缸外尾氣催化還原綜合處理系統運行方法分為四沖程運行方法和二沖程運行方法;
22、內燃機做功后氣缸內的由二氧化碳和水蒸氣組成的全部高溫尾氣,通過排氣閥門、排氣歧管/總管排入第二連接通道,ecu根據傳感器檢測的信息,控制第一燃料噴嘴將適量碳氫燃料或控制第一lng噴嘴將適量lng,噴入第二連接通道內與全部高溫尾氣混合成混合氣體后,進入催化重整裝置中,并通過催化劑時被部分催化重整生成氫氣和一氧化碳再生燃料,形成主要由氫氣、一氧化碳、二氧化碳和水蒸氣組成的已降溫的含氫混合氣體后進入第三連接通道內,ecu根據內燃機工況控制尾氣節氣門,控制將第三連接通道(37)內的多余含氫混合氣體通過第三連接通道第一出氣口,經由第四連接通道排入多余含氫混合氣體處理系統;同時大部分含氫混合氣體通過第三連接通道第二出氣口進入準空氣混合器內,由ecu控制低溫氣體噴嘴將低溫氣體、控制第一液氧噴嘴將液氧,噴入準空氣混合器中與大部分含氫混合氣體混合成為已降溫的具有一定壓力的含氫準空氣;
23、(1)四沖程運行方法:在內燃機做功行程推動活塞下行至下止點后,打開排氣閥門,活塞上行將高溫尾氣排出氣缸進行排氣行程;活塞上行至上止點時,關閉排氣閥門同時打開進氣閥門準空氣混合器中的具有一定壓力的含氫準空氣通過進氣歧管/總管、進氣閥門沖入氣缸,推動活塞下行至下止點結束進氣行程,接著關閉進氣閥門,活塞上行壓縮含氫準空氣進行壓縮行程;
24、對于點燃式內燃機,緊接著ecu根據內燃機工況控制第二燃料噴嘴將碳氫燃料或控制第二lng噴嘴將lng,噴入氣缸內與含氫準空氣混合成燃氣,活塞繼續上行并壓縮燃氣至上止點附近時,由ecu控制火花塞點燃燃料燃燒做功,推動活塞下行至下止點完成四沖程循環;
25、對于壓燃式內燃機,緊接著活塞繼續上行并壓縮含氫準空氣至上止點附近時,由ecu根據內燃機工況控制第二燃料噴嘴,將碳氫燃料噴入氣缸內壓燃燃料燃燒做功,推動活塞下行至下止點完成四沖程循環;
26、(2)二沖程運行方法:內燃機做功行程推動活塞下行至下止點附近時,同時打開排氣閥門和進氣閥門,活塞上行將高溫尾氣排出氣缸,同時具有一定壓力的含氫準空氣沖入氣缸內進行掃氣,將更多的高溫尾氣掃出氣缸;當活塞由下止點上行至上止點行程約1/4~1/8位置或曲軸轉角為225°~202.5°左右時,由可變氣門正時系統先后控制關閉排氣閥門和進氣閥門,部分高溫尾氣和含氫準空氣被截留在氣缸內;
27、對于點燃式內燃機,緊接著ecu根據內燃機工況控制第二燃料噴嘴將碳氫燃料或控制第二lng噴嘴將lng,噴入氣缸內與截留在氣缸內的高溫尾氣和含氫準空氣混合成燃氣,活塞繼續上行并壓縮燃氣至上止點附近時,由ecu控制火花塞點燃燃氣燃燒做功,推動活塞下行至下止點完成二沖程循環;
28、對于壓燃式內燃機,緊接著活塞繼續上行并壓縮截留在氣缸內的高溫尾氣和含氫準空氣至上止點附近時,由ecu根據內燃機工況控制第二燃料噴嘴,將碳氫燃料噴入氣缸內壓燃燃氣燃燒做功,推動活塞下行至下止點完成二沖程循環;
29、以上運行方法中,排入多余含氫混合氣體處理系統的多余含氫混合氣體,通過第四連接通道進入氣液分離器內,多余含氫混合氣體中的水蒸氣被分離為冷水后流入氣液間壁式熱交換器,冷水在氣液間壁式熱交換器內與經過壓縮升溫的多余含氫混合氣體熱交換后流入儲水箱;由ecu控制可控三通閥打開第一出氣口并關閉第二出氣口,氣液分離器內除去水分的多余含氫混合氣體通過第一連接通道、可控三通閥,由壓縮機壓入混合式熱交換二氧化碳液化器中,由ecu控制第二液氧噴嘴將液氧噴入多余含氫混合氣體中,多余含氫混合氣體中的二氧化碳受壓力和液氧或液氧、lng的冷能雙重作用被液化并儲存至液化二氧化碳儲罐中;調節第二液氧噴嘴的噴氧量,可以在液化二氧化碳或干冰之間進行選擇;可設置兩組或多組混合式熱交換二氧化碳液化器,一組用于液化二氧化碳,另一組用于制作干冰;混合式熱交換二氧化碳液化器中未被液化的氫氣、一氧化碳、氧氣和二氧化碳等低溫氣體由第三低溫氣體管、單向閥、第二低溫氣體管,通過可控氣分流閥進入內燃機氣套,由ecu控制可控氣分流閥控制調節進入內燃機氣套的低溫氣體的流量,以氣冷方式的冷卻內燃機,使內燃機保持在合適的工作溫度范圍,低溫氣體與內燃機熱交換后,由ecu控制低溫氣體噴嘴將低溫氣體噴入準空氣混合器;
30、內燃機怠速運轉時,ecu控制可控三通閥關閉第一出氣口并打開第二出氣口、同時控制關閉可控氣分流閥第一出氣口和打開第二出氣口、控制壓縮機運行、同時控制燃料噴嘴停止噴碳氫燃料或lng噴嘴停止噴lng,壓縮機將含氫多余尾氣通過可控三通閥、氣管、第二低溫氣體管、第一低溫氣體管,由低溫氣體噴嘴噴入準空氣混合器后再進入氣缸推動活塞運行實現內燃機氣動怠速運轉;
31、內燃機停機時,ecu控制將尾氣節氣門完全打開、控制可控三通閥關閉第一出氣口并打開第二出氣口、控制關閉可控氣分流閥第一出氣口和打開第二出氣口、控制壓縮機低速運行、同時控制燃料噴嘴停止噴碳氫燃料或lng噴嘴停止噴lng,利用壓縮機將氣液分離器中的除去水分的混合氣體通過可控三通閥、氣管、第二低溫氣體管、第一低溫氣體管,由低溫氣體噴嘴噴入準空氣混合器后再進入氣缸,將含水分的尾氣排出氣缸外并進入多余含氫混合氣體處理系統除去水分后,再循環至氣缸,以此循環數次即可清除氣缸內的水分,從而防止氣缸低溫結冰和氣缸銹蝕;由ecu根據檢測的信息關停壓縮機,內燃機停止運行。
32、本發明的有益效果是:
33、1、內燃機氣缸外尾氣催化還原綜合處理系統用于車船載時,車船載內燃機在加注液氧時,液化二氧化碳由液氧加注和液態二氧化碳回收站回收,回收液態二氧化碳和加注液氧可以實現差價交換,從而降低車船運行成本;回收的二氧化碳可供應給綠色燃料生產企業或其它用途,相對于從工業煙氣和大氣中捕獲二氧化碳工藝復雜、設備龐大、成本高昂,尾氣綜合處理系統回收液化二氧化碳方法簡單成本低廉,可降低成本生產綠色燃料;生產的綠色燃料再提供用于車船載尾氣綜合處理系統內燃機,可實現內燃機尾氣二氧化碳-綠色燃料-內燃機尾氣二氧化碳-綠色燃料再循環,有利于節能環保;
34、2、充分利用了尾氣的余熱,尾氣經部分催化重整生成的氫氣和一氧化碳相當于再生燃料;
35、3、尾氣經強吸熱的催化重整后的混合氣體溫度大幅度下降,再利用液氧或lng的冷能熱交換進一步降低溫度,從而不需要額外設置中冷器;同時降低了卡諾循環效率的低溫熱源的溫度,有助于提高熱效率;
36、4、液氧氣化膨脹可提高內燃機進氣通道的氣壓,將四沖程內燃機的吸氣行程的負壓吸氣,變為具有一定壓力的含氫準空氣沖壓入氣缸推動活塞做功,使內燃機的吸氣負壓消耗功率變為進氣正壓做功,因此不需要額外設置增壓器系統,而壓縮機的進氣產生的負壓,可降低內燃機的排氣壓力,有助于提高內燃機功率;
37、5、在內燃機閉環運行條件下,可取消常規內燃機的空氣濾清器、渦輪增壓器、中冷器、尾氣排氣管、三元催化器等,可減少內燃機體積和重量;大部分尾氣反復再循環燃燒有助于大幅降低殘留的一氧化碳、碳氫化合物和細微顆粒物,可節省燃料、提高熱效率并實現尾氣零排放;
38、6、用除去水分的混合氣體清除氣缸內的水汽,可防止氣缸低溫結冰和銹蝕;
39、7、由于二沖程壓縮行程減少了1/4~1/8,意味著壓縮比相對減小了1/4~1/8,這使得膨脹比大于壓縮比,可提高熱效率;
40、8、通過調節尾氣節氣門控制氣缸外大部分尾氣再循環率或可變氣門正時系統控制氣缸內截留的大部分尾氣,以及控制噴氧量,可以無級調節內燃機壓縮比;
41、9、內燃機氣缸外尾氣催化還原綜合處理系統二沖程運行方式完全解決了常規二沖程內燃機高污染和潤滑問題,而汽車采用內燃機氣缸外尾氣催化還原綜合處理系統二沖程運行方式,與同氣缸容積的常規四沖程內燃機相比,不僅大幅提升了扭矩,而且功率也提高了近一倍,因此可以大幅提升汽車百公里加速性能及爬坡能力;
42、10、取消了常規內燃機的水冷系統,用內燃機氣套取代常規內燃機的水套,而且不同于常規內燃機的翅片自然風冷或風扇強制風冷,利用低溫氣體以氣冷方式冷卻內燃機,可簡化內燃機的冷卻系統,可取消常規內燃機冷卻系統設置的水箱、水泵、冷卻液、散熱器和風扇等;不僅能減少內燃機體積和重量,還可降低能耗和制造維修成本;并可以徹底解決散熱器銹蝕漏水和水冷系統低溫凍結的問題,而且低溫氣體冷卻內燃機時吸收的熱能再循環至所述內燃機,不僅能減少冷卻系統散發的熱量提高內燃機熱效率,而且可減少大氣熱污染。