[发明专利]一种实现柴油发动机低排放的稀相燃烧方法及其装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种可以实现柴油机低排放的稀相燃烧方法。

本发明还涉及实现上述方法的装置。

背景技术

柴油机的效率高达33～42％，比汽油机可节能30％，但是随着世界各国的排放法规日趋严格，传统柴油机面临极大的挑战。柴油机尾气的主要污染物为氮氧化物(NOx)和颗粒物质(PM)，NOx的生成条件为高温富氧，而PM生成的主要原因是由于油气混合不均匀导致的局部缺氧。目前，实现柴油机低NOx和PM排放的基本方法是稀相燃烧，即采用高空燃比，以减少局部缺氧、降低燃烧温度。燃料与空气的混合程度和混合质量与污染物的生成有直接关系，所以燃料全部或部分预混合是当前各种稀燃柴油机的普遍做法。但是，预混合均质压缩点火存在着压缩比低、运行范围窄、着火角度和燃烧速率不易控制等严重缺陷，而且，因为存在贫可燃极限，柴油的稀相燃烧会导致HC和CO的排放升高。

除了稀相燃烧之外，还有一些技术也可有效降低柴油机尾气排放，例如，中国发明专利02131308.3采用等离子体裂解装置将柴油裂解为富含H₂和CO气体，按一定比例掺入柴油燃烧，可降低柴油机尾气NOx含量，并使发动机内燃烧更充分，减少HC和CO。

甲醇做为替代燃料，在现阶段很受关注，但掺烧甲醇或直接燃用甲醇会导致发动机功率下降和醇醛排放超标，将甲醇裂解为合成气再进入发动机燃烧是一种理想的利用方式。中国发明专利CN1779218利用发动机余热实现甲醇裂解反应，此前也有专利85109487.2提出了利用发动机余热裂解碳氢燃料生成富氢气体，掺入汽油或柴油进入发动机燃烧的方法，其节能与环保效果显著。

发明内容

本发明的目的在于提供一种实现柴油发动机低排放的稀相燃烧方法。

本发明的又一目的在于提供实现上述方法的装置。

为实现上述目的，本发明的技术方案是使柴油在高温高压的合成气中预蒸发，再与过量压缩空气混合燃烧的非预混合稀相燃烧，该方法可以有效降低柴油机尾气中NOx、颗粒物质、未燃烧的碳氢化物(HC)和CO等污染物的含量，克服了稀相燃烧柴油机运行范围窄、压缩比低和着火角度不易控制的缺点。

具体地说，本发明提供的实现柴油发动机低排放的稀相燃烧方法，包括如下步骤：

A)利用柴油发动机排气的余热作为主要热源，使甲醇发生催化裂解反应，生成富含H₂和CO的合成气，其温度约400～500℃，压力约2～3MPa；

B)将步骤A所述的合成气与柴油按重量比5～25∶1扩散混合，使得大部分柴油以蒸气或气溶胶的形式分散在气相；

C)按照空燃比约40～60∶1的比例吸入过量空气，形成燃料混合气，并将其压缩至气压接近燃料混合气1.5倍左右；

D)将燃料混合气挤压进入燃烧室与空气混合，被活塞继续压缩直至着火并燃烧做功；

E)燃烧做功完成后，其中的废气排出；完成后进入新一轮循环。

所述的方法，其中，甲醇发生催化裂解反应的条件为260～390℃，1～2MPa。

本发明提供的用于实现上述方法的装置，其结构为：

一甲醇催化裂解装置，与柴油发动机排气管连接，以该排气管的排气为余热使甲醇催化裂解装置内的甲醇发生反应，生成合成气；

柴油发动机的气缸顶部空间设置一个有孔道的具孔活塞，将气缸分隔为上下两个空间，该具孔活塞沿气缸轴向作上下滑动，进行排除废气以及向燃烧室挤压燃料混合气；

具孔活塞与缸盖之间的空间为预蒸发室，具孔活塞与活塞之间的空间作为燃烧室；其中具孔活塞由顶层和底层两个部件构成，顶层和底层部件均为分布有相同孔道的圆柱形活塞；顶层部件旋转固定的角度，可与底层部件的孔道重合与交错，以实现预蒸发室与燃烧室的连通和隔离；

气缸顶部与预蒸发室相通地分别设置一进气道和喷油嘴，合成气通过进气道注入预蒸发室，柴油通过喷油嘴注入预蒸发室。

所述的装置，其中，甲醇催化裂解装置在冷启动或余热量不足时由辅助热源供热。

所述的装置，其中，辅助热源为电炉。

所述的装置，其中，顶层部件由转动控制杆驱动旋转。

所述的装置，其中，顶层部件与底层部件相位角相差时，孔道重合；相位角相同时，孔道位置相互交错，孔道闭合。

所述的装置，其中，具孔活塞由滑动控制杆进行控制，使具孔活塞沿气缸轴向作上下滑动。

本发明的有益效果：