[发明专利]废气—燃料重整再循环天然气发动机系统及控制方法

说明书

本发明公开了一种废气—燃料重整再循环天然气发动机系统及控制方法，包括发动机、燃料供给装置、给所述燃料供给装置供给的气罐、重整器及中冷器。直接利用发动机燃料与O₂、水蒸气发生多种重整反应产生富含H₂、CO的重整气体，且产H₂效率高，实现在线制取氢气，避免提供额外的燃料存储装置或氢气储存罐，提高了安全性并且减小了整个系统的体积；采用了双管程，提高传热系数，从而提高重整的效率；重整气中含有大量H₂，能提高缸内燃烧速度，拓宽稀薄燃烧极限；循环废气能稀释进气管中氧浓度，提高工质比热容，降低缸内燃烧温度；重整气和循环废气两者相结合可实现天然气发动机稳定低温稀薄燃烧，同时降低HC、CO和NOx。

技术领域

本发明属于LNG发动机技术领域，具体涉及一种废气—燃料重整再循环天然气发动机系统及控制方法。

背景技术

在能源危机以及保护环境的双重作用下，寻找替代能源和减少污染物排放成为了内燃机研究领域的热门课题。作为一种优质的发动机替代燃料，液化天然气(LNG)具有能量密度大、易于运输、燃烧效果好等优点。发动机燃用天然气时具有二氧化碳、硫化物和颗粒物排放低的优点，因此得到大力发展。

对于天然气发动机，常采用低温稀薄燃烧技术，以抑制敲缸和氮氧化物(NOx)排放。然而过高的空燃比会导致发动机失火、未燃碳氢(HC)和一氧化碳(CO)排放物增加；已有台架实验和理论研究表明：天然气中添加氢气(H₂)能提高燃烧速度缩短火焰淬熄距离，改善发动机失火问题以实现稳定的稀薄燃烧，从而降低HC、CO和NOx排放。

与早期利用氢气罐将氢气通入进气管实现掺氢相比，在线重整制氢技术通过重整装置利用高温废气余热催化少量燃料与部分废气产生重整气。重整气中包含H₂、CH₄、CO等，可直接通入进气道供给发动机使用，达到掺氢效果。对于燃料和废气，发生的重整反应主要包含：部分氧化反应、水蒸气重整反应、水气转化反应等。但在线重整制氢技术产生的氢气量不能很好的匹配发动机工况，发挥掺氢的最佳效果。

废气再循环技术将部分废气冷却或直接通入进气管中，稀释进气管中空气，减小氧含量并增加比热容，从而降低缸内燃烧温度，减小氮氧化物排放。但是过大的废气再循环率会导致燃烧不稳定，造成循环波动增大，甚至失火，同时CO和HC排放增加。

发明内容

本发明的目的就是针对上述技术的不足，提供一种实现天然气发动机各工况下稳定低温稀薄燃烧的废气—燃料重整再循环天然气发动机系统及控制方法，从而提高热效率，减小HC、CO和NOx排放。

为实现上述目的，本发明所设计的废气—燃料重整再循环天然气发动机系统，包括发动机、设置在所述发动机内给所述发动机供燃料的燃料供给装置、给所述燃料供给装置供给的气罐、重整器及中冷器；所述重整器包括筒形反应外壳、设置在所述筒形反应外壳前端的中空前端盖、设置在所述筒形反应外壳后端的中空后端盖、安装在所述中空前端盖中心位置进气孔的进气管、安装在所述中空后端盖中心位置出气孔的废气排气管及内置在所述筒形反应外壳空腔中的反应管束，所述进气管通过排气管与所述发动机出气口相连，所述废气排气管的第一路通过废气旁通管与所述中冷器的第二冷却管相连通，所述废气排气管的第二路与外界连通，所述中冷器出口通过混合管与所述发动机的发动机进气管相连；

所述重整器还包括安装在所述中空前端盖内腔中的半球形前套、安装在所述中空后端盖内腔中的半球形后套、衬在所述半球形前套前气腔内的前管板及衬在所述半球形后套后气腔内的后管板；

所述前气腔内的中间位置处轴向布置有将前气腔分割成进气腔和排气腔的隔板；所述反应管束包括一级反应管束和二级反应管束，所述一级反应管束的一端插入所述前管板且位于所述隔板上方的管孔中，所述一级反应管束的另一端插入所述后管板上部的管孔中，所述二级反应管束的一端插入所述前管板且位于所述隔板下方的管孔中，所述二级反应管束的另一端插入所述后管板下部的管孔中；