专利名称：一种天然气发动机及其燃烧方法
技术领域：
本发明涉及天然气发动机清洁燃烧技术领域，尤其涉及一种天然气发动机及其燃烧方法。
背景技术：
现有的天然气发动机主要采取两种燃烧方式:火花点火引燃、天然气-柴油双燃料柴油引燃。天然气-柴油双燃料发动机是一种压燃式发动机，由于天然气的十六烷值很低，因此需要利用少量柴油对其进行引燃。该发动机的设计思路与本发明相差较大，在此不做详细说明。火花点火式天然气发动机和传统的汽油机非常类似，利用火花塞或其它类似的引燃手段触发燃烧。为了降低氮氧化物的排放，通常采用稀燃模式，即过量空气或利用EGR(尾气再循环系统)以降低氮氧化物的排放。该技术能够满足较低要求的排放法规，已经被多个公司产业化。由于受到天然气可燃极限的影响，EGR (尾气再循环系统)或过量空气的使用量受限，若果空气超过一定的极限，将导致熄火、燃烧不稳定、高HC (碳氢化物)和CO (—氧化碳)排放等问题。该技术虽然能够在一定程度上降低氮氧化物的排放，但随着排放法规的日益严格，导致该技术越来越难以满足要求。新开发的天然气发动机多采用理论空燃比燃烧,结合三元催化技术(three-way catalyst (TffC))进行尾气后处理,导致发动机的效率进一步受限。一些研究者提出了在天然气中掺入氢气的方式，这一技术虽然起到了较好的扩大可燃极限的效果，但在氮氧化物的排放上仍难满足要求，且涉及到额外的氢气供给系统，成本较高，系统复杂，并未得到实际的产业化应用。在现有技术中，还有些天然气发动机是利用催化器将预加热的天然气和空气混合进行改质后进行燃烧，采用这种燃烧方式的天然气发动机运行在理论空燃比附近，以便利用三元催化技术进行尾气(氮氧化物、碳氢化物和一氧化碳)后处理，这种燃烧方式使得发动机在中低负荷下的泵功损失严重，高负荷下爆震也导致发动机的压缩比受限而效率不闻。
发明内容
(一)要解决的技术问题本发明的目的在于提供一种能够提高发动机效率，且降低污染物排放的天然气发动机及其燃烧方法。(二)技术方案为了解决上述技术问题，本发明提供一种天然气发动机，所述发动机包括:燃烧室、空气进气管、排气管、控制器、空气控制阀、传感器单元和尾气净化单元；所述空气进气管与所述燃烧室的进气口连通；所述空气控制阀设置在所述空气进气管上，用于通过改变空气进气量以实现所述发动机的燃烧模式在富燃模式和稀燃模式间的切换；
所述尾气净化单元和所述传感器单元均设置在所述排气管上，且所述尾气净化单元靠近所述排气管的尾气输入口；所述尾气净化单元，用于在富燃模式下，将尾气中的氮氧化物和碳氢化物转化成氨气，并储存预定量的氨气，以及，在稀燃模式下，将尾气中的氮氧化物与所述储存的氨气反应生成氮气；所述传感器单元用于分别检测所述排气管排出的氨气和氮氧化物的含量，并将检测结果发送给所述控制器；所述控制器，用于当所述排气管排出的氨气的含量超过第一预设值时，控制所述空气控制阀将所述发动机的燃烧模式由富燃模式切换至稀燃模式，以及，当所述排气管排出的氮氧化物的含量超过第二预设值时，控制所述空气控制阀，将所述发动机的燃烧模式由稀燃模式切换至富燃模式。进一步，所述尾气净化单元包括:三元催化器、选择性还原催化器；所述三元催化器和所述选择性还原催化器均设置在所述排气管上，且所述三元催化器靠近所述排气管的尾气输入口；所述三元催化器，用于在富燃模式下，将尾气中的一部分氮氧化物转化为氮气，另一部分氮氧化物和尾气中的碳氢化物转化为氨气，以及，在稀燃模式下，将尾气中的一氧化碳和碳氢化物转化为水和二氧化碳；所述选择性还原催化器，用于储存富燃模式下三元催化器中生成的氨气，并用于稀然模式下，将尾气中的氮氧化物与所述储存的氨气转化为氮气。进一步，所述传感器单元包括:氨气传感器和氮氧化物传感器；所述氨气传感器用于检测所述排气管排出的氨气的含量，并将检测结果发送给所述控制器；所述氮氧化物传感器用于检测所述排气管排出的氮氧化物的含量，并将检测结果发送给所述控制器。进一步，所述发动机还包括:天然气改质单元；所述天然气改质单元包括:尾气再循环管路、催化改质器和第二天然气气路；所述尾气再循环管路一端与所述排气管连通，另一端与所述燃烧室的进气口连通；所述催化改质器设置在所述尾气再循环管路上；所述第二天然气气路一端与天然气供应端连通，另一端与所述尾气再循环管路连通，且所述第二天然气气路与所述尾气再循环管路连通处位于所述催化改质器靠近所述排气管的一侧。再进一步，所述发动机还包括冷却器，所述冷却器设置在所述尾气再循环管路上，且位于所述催化改质器靠近所述燃烧室进气口的一侧。进一步，所述发动机还包括尾气换热器，所述尾气换热器设置在所述排气管上，且位于所述尾气净化单元与所述传感器单元之间，所述第二天然气气路先与天然气供应端连通，再与所述尾气换热器连通，最后与所述尾气再循环管路连通。进一步，所述发动机还包括涡轮增压器；所述涡轮增压器包括增压器、涡轮和转轴，所述增压器通过所述转轴与所述涡轮相连；所述增压器与所述空气进气管连通，所述涡轮与所述排气管连通，且所述涡轮位于所述尾气净化单元与所述排气管的尾气输入口之间。进一步，所述发动机还包括中冷器；所述中冷器设置在所述空气进气管上，且位于所述增压器靠近所述燃烧室进气口的一侧。进一步，所述天然气发动机的压缩比大于12。本发明还提供一种天然气发动机的燃烧方法，所述燃烧方法包括:S1:在富燃模式下，尾气净化单元将尾气中的氮氧化物和碳氢化物转化成氨气，并储存预定量的氨气；S2:传感器单元检测排气管排出的氨气的含量，并将第一检测结果发送到控制器；S3:所述控制器根据所述第一检测结果判断所述排气管排出的氨气的含量是否超过第一预设值，如果是，所述控制器控制空气控制阀将所述发动机的燃烧模式由富燃模式切换至稀燃模式，执行S4，否则，返回SI ；S4:在稀燃模式下，所述尾气净化单元将尾气中的氮氧化物与所述储存的氨气转化为氮气；S5:所述传感器单元检测所述排气管排出的氮氧化物的含量，并将第二检测结果发送到所述控制器；S6:所述控制器根据所述第二检测结果判断所述排气管排出的氮氧化物的含量是否超过第二预设值，如果是，所述控制器控制空气控制阀将所述发动机的燃烧模式由稀燃模式切换至富燃模式，返回所述步骤SI，否则，返回S4。(三)有益效果本发明提供的天然气发动机，采用稀然模式与富燃模式交替的燃烧模式，使得发动机效率得到了很大的提高。本发明提供的天然气发动机集稀燃、高压缩比、尾气余热利用于一体，总体发动机效率将远高于现有的火花点燃式天然气发动机。本发明提供的天然气发动机利用三元催化器和选择性还原催化器净化尾气，实现了极低的氮氧化物排放，其中，富燃模式下，三元催化器中利用尾气实时生成氨气，无需添加额外的氨气，进一步提高天然气发动机的效率。
图1是本发明提供的天然气发动机的结构示意图。图中，1:天然气罐；2:第一天然气气路；3:进气道；4:第二天然气气路；5:尾气控制阀；6:尾气再循环管路；7:催化改质器；8:冷却器；9:排气管；10:涡轮增压器；11:三元催化器；12:选择性还原催化器；13:氮氧化物传感器；14:氨气传感器；15:中冷器；16:尾气换热器；17:空气控制阀；18:控制器；19空气进气管。
具体实施例方式下面结合附图对本发明提供的天然气发动机及其燃烧方法的具体实施方式
作进一步详细说明。这些实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制。在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖
直”、“水平”、“顶”、“底” “内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。本发明提供的天然气发动机采用稀燃模式和富燃模式交替的火花点火燃烧模式。这里的稀燃模式是指当量空燃比大于I的燃烧模式；富燃模式是指当量空燃比小于I的燃烧模式。而空燃比是指混合气中的空气质量与燃料质量的比值，当量空燃比是指实际空燃比与理论空燃比的比值。在实际运行中，本发明提供的天然气发动机绝大部分时间运行在稀燃模式，以实现发动机效率最大化。发动机间歇性的运行在富燃模式，并控制当量空燃比在0.9-1之间，以防止过量一氧化碳的生成。如图1所示，本发明提供的天然气发动机包括:燃烧室、进气道3、空气进气管19、天然气罐1、第一天然气气路2、排气管9、控制器18、空气控制阀17、传感器单元和尾气净化单元。所述进气道3与燃烧室的进气口连通，所述排气管9与燃烧室的排气口连通。所述空气进气管19与所述燃烧室的进气口连通，也就是说所述空气进气管19与所述进气道3连通。所述空气控制阀17设置在所述空气进气管19上，用于通过改变空气进气量以实现所述发动机的燃烧模式在富燃模式和稀燃模式间的切换。所述尾气净化单元和所述传感器单元均设置在所述排气管9上，且所述尾气净化单元靠近所述排气管9的尾气输入口。在本实施方式中，所述尾气净化单元包括:三元催化器11、选择性还原催化器12。所述三元催化器11和所述选择性还原催化器12均设置在所述排气9上，且所述三元催化器11靠近所述排气管9的尾气输入口。所述选择性还原催化器12用于储存三元催化器11中生成的氨气。富燃模式下，空气相对比较少，尾气中富含碳氢化物，所以三元催化器11中主要进行还原反应，尾气中一部分氮氧化物经还原反应转化为氮气，另一部分氮氧化物与尾气中的碳氢化物反应生成氨气，生成的氨气在选择性还原催化器12中储存，供稀燃模式下与尾气中的氮氧化物反应转化为氮气。稀然模式下，空气相对比较充足，所以三元催化器11中主要进行氧化反应，尾气中的一氧化碳氧化成为无色、无毒的二氧化碳气体；尾气中的碳氢化物氧化成水和二氧化碳，而尾气中的氮氧化物在选择性还原催化器12中与储存的氨气反应转化成无害的氮气。所述传感器单元用于分别检测所述排气管排出的氨气和氮氧化物的含量，并将检测结果发送给所述控制器18。在本实施方式中，所述传感器单元包括氨气传感器14和氮氧化物传感器13，所述氨气传感器14用于检测所述排气管9排出的氨气的含量，并将检测结果发送给所述控制器18。所述氮氧化物传感器13用于检测所述排气管9排出的氮氧化物的含量，并将检测结果发送给所述控制器18。所述控制器18用于当所述排气管9排出的氨气的含量超过第一预设值时，控制所述空气控制阀17将所述发动机的燃烧模式由富燃模式切换至稀燃模式，以及，当所述排气管9排出的氮氧化物的含量超过第二预设值时，控制所述空气控制阀17，将所述发动机的燃烧模式由稀燃模式切换至富燃模式。所述天然气发动机还包括:天然气改质单元，所述天然气改质单元包括:尾气再循环管路6、第二天然气气路4、尾气控制阀5和催化改质器7。所述尾气再循环管路6 —端与所述排气管9连通，另一端与所述燃烧室的进气口连通。所述催化改质器7设置在尾气再循环管路6上。所述尾气控制阀5用于控制排气管6中的尾气进入尾气再循环管路6的量。所述天然气发动机还包括尾气换热器16，所述尾气换热器16设置在排气管9上，且位于所述尾气净化单元与所述传感器单元之间，所述第二天然气气路4先与天然气供应端(这里指天然气罐I)连通，再与所述尾气换热器16连通，最后与所述尾气再循环管路6连通，且所述第二天然气气路4与所述尾气再循环管路6连通处位于所述催化改质器7靠近所述排气管9的一侧。所述天然气罐I中的天然气一部分经由第一天然气气路2进入进气道3与空气混合后进入燃烧室，另一部分天然气经由第二天然气气路4先进入尾气换热器16加热，再进入尾气再循环管路6利用尾气进一步加热后，与尾气混合进入催化改质器7中进行天然气的改质。在催化改质器7中，天然气和水反应生成氢气与一氧化碳。由于天然气的改质反应是吸热反应，所以天然气的改质起到了余热回收再利用的作用，提高了天然气发动机系统的总体效率。在稀燃模式下，在催化改质器7中生成的氢气起到了拓展稀燃极限的作用，这是由氢气固有的促燃作用决定的。在不破坏燃烧稳定性的情况下，发动机尽可能运行在高当量空燃比，这样可以降低发动机的泵功损失，提高发动机效率。从催化改质器7中出来的混合气体含有二氧化碳，二氧化碳起到了抑制爆震、降低燃烧温度从而降低氮氧化物排放的作用。从催化改质器7出来的气体经由进气道3进入发动机燃烧室进行燃烧做功。所述天然气发动机还包括冷却器8，所述冷却器8设置在尾气再循环管路6上，且位于所述催化改质器7靠近所述燃烧室进气口的一侧。在尾气再循环管路6中，从催化改质器7出来的混合气可以直接与第一天然气气路2中出来的天然气和空气气路19中出来的空气混合后进入进气道3，也可以经过冷却器8降温后与第一天然气气路2中出来的天然气和空气气路19中出来的空气混合后引入进气道3。所述天然气发动机还包括涡轮增压器3和中冷器15。所述涡轮增压器10包括增压器、涡轮和转轴，所述增压器通过转轴与涡轮相连，所述增压器与所述空气进气管19连通，所述涡轮与所述排气管9连通，且所述涡轮位于所述尾气净化单元与所述排气管9的尾气输入口之间，以利用尾气中的能量驱动所述涡轮，所述涡轮通过所述转轴带动所述增压器旋转。所述中冷器15设置在所述空气进气管19上，且位于所述增压器靠近所述燃烧室进气口的一侧。进入空气进气管19的空气先通过所述涡轮增压器增压10之后，再经过所述中冷器15冷却后进入所述进气道3。本发明提供的天然气发动机，由于采用了涡轮增压器10对空气进行增压，所以提高了天然气发动机的总体功率。本发明提供的天然气发动机利用尾气再循环，这样大量尾气的使用起到了抑制爆燃的作用，进一步提高了天然气发动机的效率，尤其是当天然气发动机处于高负荷下，抑制爆震的作用尤其明显，这是由于高负荷作用下，爆震是影响天然气发动机效率最主要的因素。所述天然气发动机的压缩比大于12，以实现在避免发动机爆震的情况下，实现发动机效率最大化。本发明还提供一种天然气发动机的燃烧方法，所述燃烧方法包括；所述稀然模式与富燃模式的切换方法如下:S1:在富燃模式下，所述尾气净化单元将尾气中的尾气氮氧化物和碳氢化物转化成氨气，并储存预定量的氨气；S2:传感器单元检测排气管排出的氨气的含量，并将第一检测结果发送到控制器18 ；S3:所述控制器18根据所述第一检测结果判断所述排气管9排出的氨气的含量是否超过第一预设值，如果是，所述控制器18控制空气控制阀17将所述发动机的燃烧模式由富燃模式切换至稀燃模式，执行S4，否则，返回SI ；S4:在稀燃模式下，所述尾气净化单元将尾气中的氮氧化物与所述储存的氨气转化为氮气；S5:所述传感器单元检测所述排气管9排出的氮氧化物的含量，并将第二检测结果发送到所述控制器18 ；S6:所述控制器18根据所述第二检测结果判断所述排气管9排出的氮氧化物的含量是否超过第二预设值，如果是，所述控制器18控制空气控制阀17将所述发动机的燃烧模式由稀燃模式切换至富燃模式，返回所述步骤SI，否则，返回S4。以上所述仅是本发明的优选实施方法，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。
权利要求
1.一种天然气发动机，其特征在于，所述发动机包括:燃烧室、空气进气管、排气管、控制器、空气控制阀、传感器单元和尾气净化单元； 所述空气进气管与所述燃烧室的进气口连通； 所述空气控制阀设置在所述空气进气管上，用于通过改变空气进气量以实现所述发动机的燃烧模式在富燃模式和稀燃模式间的切换； 所述尾气净化单元和所述传感器单元均设置在所述排气管上，且所述尾气净化单元靠近所述排气管的尾气输入口； 所述尾气净化单元，用于在富燃模式下，将尾气中的氮氧化物和碳氢化物转化成氨气，并储存预定量的氨气，以及， 在稀燃模式下，将尾气中的氮氧化物与所述储存的氨气反应生成氮气； 所述传感器单元用于分别检测所述排气管排出的氨气和氮氧化物的含量，并将检测结果发送给所述控制器； 所述控制器，用于当所述排气管排出的氨气的含量超过第一预设值时，控制所述空气控制阀将所述发动机的燃烧模式由富燃模式切换至稀燃模式，以及， 当所述排气管排出的氮氧化物的含量超过第二预设值时，控制所述空气控制阀，将所述发动机的燃烧模式由稀燃模式切换至富燃模式。
2.根据权利要求1所述的天然气发动机，其特征在于，所述尾气净化单元包括:三元催化器、选择性还原催化器； 所述三元催化器和所述选择性还原催化器均设置在所述排气管上，且所述三元催化器靠近所述排气管的尾气输入口； 所述三元催化器，用于在富燃模式下，将尾气中的一部分氮氧化物转化为氮气，另一部分氮氧化物和尾气中的碳氢化物转化为氨气，以及， 在稀燃模式下，将尾气中的一氧化碳和碳氢化物转化为水和二氧化碳； 所述选择性还原催化器，用于储存富燃模式下三元催化器中生成的氨气，并用于稀然模式下，将尾气中的氮氧化物与所述储存的氨气转化为氮气。
3.根据权利要求1或2所述的天然气发动机，其特征在于，所述传感器单元包括:氨气传感器和氮氧化物传感器； 所述氨气传感器用于检测所述排气管排出的氨气的含量，并将检测结果发送给所述控制器； 所述氮氧化物传感器用于检测所述排气管排出的氮氧化物的含量，并将检测结果发送给所述控制器。
4.根据权利要求1所述的所述天然气发动机，其特征在于，所述发动机还包括:天然气改质单元； 所述天然气改质单元包括:尾气再循环管路、催化改质器和第二天然气气路； 所述尾气再循环管路一端与所述排气管连通，另一端与所述燃烧室的进气口连通； 所述催化改质器设置在所述尾气再循环管路上； 所述第二天然气气路一端与天然气供应端连通，另一端与所述尾气再循环管路连通，且所述第二天然气气路与所述尾气再循环管路连通处位于所述催化改质器靠近所述排气 管的一侧。
5.根据权利要求4所述的天然气发动机，其特征在于，所述发动机还包括冷却器，所述冷却器设置在所述尾气再循环管路上，且位于所述催化改质器靠近所述燃烧室进气口的一侧。
6.根据权利要求4所述的天然气发动机，其特征在于，所述发动机还包括尾气换热器，所述尾气换热器设置在所述排气管上，且位于所述尾气净化单元与所述传感器单元之间，所述第二天然气气路先与天然气供应端连通，再与所述尾气换热器连通，最后与所述尾气再循环管路连通。
7.根据权利要求1所述的天然气发动机，其特征在于，所述发动机还包括涡轮增压器； 所述涡轮增压器包括增压器、涡轮和转轴，所述增压器通过所述转轴与所述涡轮相连； 所述增压器与所述空气进气管连通，所述涡轮与所述排气管连通，且所述涡轮位于所述尾气净化单元与所述排气管的尾气输入口之间。
8.根据权利要求7所述的天然气发动机，其特征在于，所述发动机还包括中冷器； 所述中冷器设置在所述空气进气管上，且位于所述增压器靠近所述燃烧室进气口的一侧。
9.根据权利要求1所述的天然气发动机，其特征在于，所述天然气发动机的压缩比大于12。
10.一种权利要求1-9中任意一项所述的天然气发动机的燃烧方法，其特征在于，所述燃烧方法包括: S1:在富燃模式下，尾气净化单元将尾气中的氮氧化物和碳氢化物转化成氨气，并储存预定量的氨气； 52:传感器单元检测排气管排出的氨气的含量，并将第一检测结果发送到控制器； 53:所述控制器根据所述第一检测结果判断所述排气管排出的氨气的含量是否超过第一预设值，如果是，所述控制器控制空气控制阀将所述发动机的燃烧模式由富燃模式切换至稀燃模式，执行S4，否则，返回SI ； S4:在稀燃模式下，所述尾气净化单元将尾气中的氮氧化物与所述储存的氨气转化为氮气； 55:所述传感器单元检测所述排气管排出的氮氧化物的含量，并将第二检测结果发送到所述控制器； 56:所述控制器根据所述第二检测结果判断所述排气管排出的氮氧化物的含量是否超过第二预设值，如果是，所述控制器控制空气控制阀将所述发动机的燃烧模式由稀燃模式切换至富燃模式，返回所述步骤SI，否则，返回S4。
全文摘要
本发明涉及天然气发动机清洁燃烧技术领域，具体公开了一种天然气发动机，包括空气进气管、排气管、控制器、空气控制阀、传感器单元和尾气净化单元；空气控制阀设置在空气进气管上，尾气净化单元和传感器单元均设置在排气管上；传感器单元用于分别检测排气管排出的氨气和氮氧化物的含量，并将检测结果发送给控制器；控制器用于当排气管排出的氨气的含量超过第一预设值时，控制空气控制阀将燃烧模式由富燃模式切换至稀燃模式，以及当排气管排出的氮氧化物的含量超过第二预设值时，控制空气控制阀将燃烧模式由稀燃模式切换至富燃模式。本发明提供的天然气发动机，采用稀然模式与富燃模式交替的燃烧模式，使得发动机效率得到了很大的提高。
文档编号F01N11/00GK103184941SQ201310129930
公开日2013年7月3日 申请日期2013年4月15日 优先权日2013年4月15日
发明者何鑫, 王志, 帅石金, 王建昕 申请人:清华大学