[發(fā)明專利]一種天然氣發(fā)動機及其燃燒方法

有效

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• 申請日: 2013-04-15
• 公開（公告）號: CN103184941A
• 公開（公告）日: 2013-07-03
• 發(fā)明（設計）人: 何鑫;王志;帥石金;王建昕
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: F02D19/02
• 分類號: F02D19/02;F01N3/20;F01N11/00
• 代理公司: 北京路浩知識產權代理有限公司 11002
• 代理人: 韓國勝

技術領域

本發(fā)明涉及天然氣發(fā)動機清潔燃燒技術領域，尤其涉及一種天然氣發(fā)動機及其燃燒方法。

背景技術

現有的天然氣發(fā)動機主要采取兩種燃燒方式：火花點火引燃、天然氣-柴油雙燃料柴油引燃。天然氣-柴油雙燃料發(fā)動機是一種壓燃式發(fā)動機，由于天然氣的十六烷值很低，因此需要利用少量柴油對其進行引燃。該發(fā)動機的設計思路與本發(fā)明相差較大，在此不做詳細說明。

火花點火式天然氣發(fā)動機和傳統的汽油機非常類似，利用火花塞或其它類似的引燃手段觸發(fā)燃燒。為了降低氮氧化物的排放，通常采用稀燃模式，即過量空氣或利用EGR（尾氣再循環(huán)系統）以降低氮氧化物的排放。該技術能夠滿足較低要求的排放法規(guī)，已經被多個公司產業(yè)化。由于受到天然氣可燃極限的影響，EGR（尾氣再循環(huán)系統）或過量空氣的使用量受限，若果空氣超過一定的極限，將導致熄火、燃燒不穩(wěn)定、高HC（碳氫化物）和CO（一氧化碳）排放等問題。該技術雖然能夠在一定程度上降低氮氧化物的排放，但隨著排放法規(guī)的日益嚴格，導致該技術越來越難以滿足要求。新開發(fā)的天然氣發(fā)動機多采用理論空燃比燃燒，結合三元催化技術（three-way?catalyst(TWC）)進行尾氣后處理，導致發(fā)動機的效率進一步受限。一些研究者提出了在天然氣中摻入氫氣的方式，這一技術雖然起到了較好的擴大可燃極限的效果，但在氮氧化物的排放上仍難滿足要求，且涉及到額外的氫氣供給系統，成本較高，系統復雜，并未得到實際的產業(yè)化應用。

在現有技術中，還有些天然氣發(fā)動機是利用催化器將預加熱的天然氣和空氣混合進行改質后進行燃燒，采用這種燃燒方式的天然氣發(fā)動機運行在理論空燃比附近，以便利用三元催化技術進行尾氣（氮氧化物、碳氫化物和一氧化碳）后處理，這種燃燒方式使得發(fā)動機在中低負荷下的泵功損失嚴重，高負荷下爆震也導致發(fā)動機的壓縮比受限而效率不高。

發(fā)明內容

（一）要解決的技術問題

本發(fā)明的目的在于提供一種能夠提高發(fā)動機效率，且降低污染物排放的天然氣發(fā)動機及其燃燒方法。

（二）技術方案

為了解決上述技術問題，本發(fā)明提供一種天然氣發(fā)動機，所述發(fā)動機包括：燃燒室、空氣進氣管、排氣管、控制器、空氣控制閥、傳感器單元和尾氣凈化單元；

所述空氣進氣管與所述燃燒室的進氣口連通；

所述空氣控制閥設置在所述空氣進氣管上，用于通過改變空氣進氣量以實現所述發(fā)動機的燃燒模式在富燃模式和稀燃模式間的切換；

所述尾氣凈化單元和所述傳感器單元均設置在所述排氣管上，且所述尾氣凈化單元靠近所述排氣管的尾氣輸入口；

所述尾氣凈化單元，用于在富燃模式下，將尾氣中的氮氧化物和碳氫化物轉化成氨氣，并儲存預定量的氨氣，以及，

在稀燃模式下，將尾氣中的氮氧化物與所述儲存的氨氣反應生成氮氣；

所述傳感器單元用于分別檢測所述排氣管排出的氨氣和氮氧化物的含量，并將檢測結果發(fā)送給所述控制器；

所述控制器，用于當所述排氣管排出的氨氣的含量超過第一預設值時，控制所述空氣控制閥將所述發(fā)動機的燃燒模式由富燃模式切換至稀燃模式，以及，

當所述排氣管排出的氮氧化物的含量超過第二預設值時，控制所述空氣控制閥，將所述發(fā)動機的燃燒模式由稀燃模式切換至富燃模式。

進一步，所述尾氣凈化單元包括：三元催化器、選擇性還原催化器；

所述三元催化器和所述選擇性還原催化器均設置在所述排氣管上，且所述三元催化器靠近所述排氣管的尾氣輸入口；

所述三元催化器，用于在富燃模式下，將尾氣中的一部分氮氧化物轉化為氮氣，另一部分氮氧化物和尾氣中的碳氫化物轉化為氨氣，以及，

在稀燃模式下，將尾氣中的一氧化碳和碳氫化物轉化為水和二氧化碳；

所述選擇性還原催化器，用于儲存富燃模式下三元催化器中生成的氨氣，并用于稀然模式下，將尾氣中的氮氧化物與所述儲存的氨氣轉化為氮氣。

進一步，所述傳感器單元包括：氨氣傳感器和氮氧化物傳感器；

所述氨氣傳感器用于檢測所述排氣管排出的氨氣的含量，并將檢測結果發(fā)送給所述控制器；

所述氮氧化物傳感器用于檢測所述排氣管排出的氮氧化物的含量，并將檢測結果發(fā)送給所述控制器。

進一步，所述發(fā)動機還包括：天然氣改質單元；

所述天然氣改質單元包括：尾氣再循環(huán)管路、催化改質器和第二天然氣氣路；

所述尾氣再循環(huán)管路一端與所述排氣管連通，另一端與所述燃燒室的進氣口連通；

所述催化改質器設置在所述尾氣再循環(huán)管路上；