基本信息
- 项目名称：
- 采用纯氧燃烧技术的二氧化碳全回收零排放高效新型车用动力系统初探
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 本项目提出了一种采用纯阳燃烧技术的车用内燃机。该内燃机以汽油为燃料，采用内燃兰金循环，循环效率可达56%，整机热效率可达44%，显著高于传统汽油机和柴油机。同时，该发动机无氮氧化物、HC以及CO排放，由二氧化碳和水组成的废气经冷凝过程分离，再对二氧化碳进行回收，在达到高效率、低油耗的前提下实现了彻底的零排放，回收的二氧化碳还可以出售，增加额外的经济效益。经计算分析，使用此项技术的发动机在成本上也和传统柴油机相当，十分具有发展潜力和市场前景。
- 详细介绍：
- 本项目研究设计的发动机采用内燃兰金循环（Internal Combustion Rankine Cycle），采用氧气代替空气作为助燃剂与汽油形成混合气。混合气燃烧过程中向气缸内喷入高温高压的循环水，一方面控制燃烧速度，以防缸内出现过高压力，另一方面吸收热量汽化为水蒸气膨胀做功，使得在活塞下行初期缸内维持一稳定压力，大大增加了循环的热效率，经模拟计算，本循环最高热效率可达56%。 由于燃烧过程中没有氮氧化物的产生，所以可以组织富氧燃烧，使汽油燃烧充分，没有CO或HC的排放。废气仅为二氧化碳和水蒸汽的混合气，经排气门排出后经热交换器来加热后续循环要喷入缸内的水，而后在冷凝器中分离二氧化碳和水，一部分水返回循环用于控制燃烧过程，另一部分排入大气。二氧化碳经过特殊的热交换器被转化为干冰进行回收。为了增加整车的巡航能力，氧气来源采用液氧，并在液氧罐和干冰贮藏罐附近布置液氧/干冰转换器，利用液氧汽化所吸收的热量来使二氧化碳转化为干冰。回收的干冰可以出售，在工业、石油开采等领域运用，可谓变废为宝。考虑到本套系统相对于传统发动机附件较多（如喷水器、喷氧器、二氧化碳压缩泵等）以及制氧本身的能耗，本项目组对这些功率损失进行了计算和评估，最终得到整机热效率可达44%，显著高于传统汽油机和柴油机。本系统以四冲程发动机为基础，以进气道喷射氧气和燃油，通过改变进排气门的升程规律及点火定时，实现了无扫阶段的二冲程工作过程，大大提高了系统的升功率（100kW/l,无增压装置的汽油机平均为30kW/l）。远期目标为缸内直接喷射氧气及燃料，取消进气系统。
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撰写目的和基本思路
- 化石燃料的燃烧不可避免的要产生二氧化碳，减少其排放主要通过二氧化碳分离回收技术。而在高效利用能源方面，传统发动机在自身热效率方面已达到某种瓶颈。基于高热效率的内燃兰金循环发动机以纯氧作为助燃剂，规避了氮氧化物排放问题，这样便可以实现富氧燃烧，有效控制CO、HC的生成，最后可以低成本分离成分为二氧化碳和水蒸气的尾气固化二氧化碳并利用其固化放热汽化及加热液氧，最后回收二氧化碳，实现了零排放。
科学性、先进性及独特之处
- 1.采用纯氧燃烧技术，规避了氮排放物，有效控制HC及CO排放，使尾气中仅包含二氧化碳和水蒸气，实现低成本分离回收二氧化碳的目的，达到彻底的零排放，并无需传统尾气处理系统。 2.采用水循环技术控制燃烧温度，充分利用缸内废气热量，将循环效率提高到56%。 3.将氧气和燃料喷入缸内，实现了无扫气过程的二冲程工作循环，可将发动机的升功率提高到100KW/l（非增压汽油机为30KW/l）。
应用价值和现实意义
- 以氧气为助燃剂不会产生氮氧化物，故而可以采用富氧燃烧，控制HC及CO的生成，实现低成本分离回收二氧化碳,实现零排放。ICRC循环采用水回收缸内废热，控制燃烧速度，并利用废热汽化循环水做功，该循环效率可达56%。 ICRC动力系统是现有技术的集成，是已成熟应用于发电领域的纯氧燃烧技术的小型化，其开发成本，周期将远远小于全新技术。回收的干冰可以在工业，农业领域再利用，创造一定的效益。
学术论文摘要
- 摘要：基于内燃兰金循环结合水再循环技术的碳氢燃料纯氧燃烧技术已经在涡轮机发电领域得到大力发展，但这一技术在往复式内燃机上的应用尚未展开。高效率的燃烧循环以及真正的零排放让这一技术在车用动力系统上的移植极具吸引力。我们从热循环效率计算，整体热机效率分析，动力系统成本估算，以及市场前景预测四方面入手，对ICRC系统做了较为系统的评估。结果显示，ICR循环在往复式内燃机工作模式下热效率可达到56%，整机效率可达44%，采用汽油为燃料，但其热效率却显著高于先进柴油机的热循环效率及整机热效率。本项目设计了液氧/二氧化碳转换器，在增加整车巡航能力的同时通过液氧汽化所吸收的热量来固化干冰，对二氧化碳进行回收。可以预见，ICRC车用内燃动力系统以其零排放、高效率的特点一定会拥有广阔的市场前景。 关键词：兰金循环；二氧化碳回收；废热回收；碳氢燃料纯氧燃烧技术
获奖情况
- 无
鉴定结果
- 1.科技查新报告 编号200921D2001020 2.两项专利申请 发明专利名称:一种二冲程内燃机燃烧系统及使用方法 发明专利名称:一种车载液氧/二氧化碳热交换器
参考文献
- 基于兰金循环的纯氧燃烧技术目前主要应用于发电领域，通过将航天技术和传统发电系统相结合，开发了类似于火箭推动器上的“气体发生器”来代替传统的蒸汽锅炉和废气处理系统。燃烧过程中用循环水在高温高压下产生水蒸汽和二氧化碳的混合气，并推动蒸汽轮机做功。废气由涡轮进入冷凝器/分离器从而冷却并分离成水和二氧化碳。回收的二氧化碳在净化后可以销售或进行妥善处理。 本项目把这种循环应用到内燃机领域，以活塞代替涡轮，实现内燃机上的高效率零排放。目前这项技术在内燃机领域的应用国内尚未有相关文献的报道。 1.ROBERT W. BILGER, Zero Release Combustion Technologies and the Oxygen Economy, Fifth International Conference on Technologies and Combustion for a Clean Environment, 1999. 2.Bilger R W, Zhijun Wu. Carbon Capture for Automobiles Using Internal Combustion Rankine Cycle Engines. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, 2009, 131: 034502-1. 3.R.E. Anderson, S.E. Doyle, K.L. Pronske, Demonstration and Commercialization of Zero-Emission Power Plants, 29th International Technical Conference on Coal Utilization and Fuel systems, 2004. 4.Holloway S. An Overview of the Underground Disposal of Carbon Dioxide. Energy Conservation and Management,1997,38(S):193-198
同类课题研究水平概述
- 利用兰金循环回收余热一直是国内外内燃机领域研究的热门课题。1976年加州理工大学针对卡车发动机余热利用发表的“Waste Heat Recovery In Truck Engines”文章就显示利用兰金循环可在理论上提升燃油经济性26%。2006年，AVL公司提出利用超临界有机兰金循环回收重型车用柴油机余热以提高发动机热效率，宝马（BMW）公司也提出了兰金双循环系统。自1999年至今，基于内燃兰金循环结合水再循环技术的碳氢燃料纯氧燃烧技术已经在涡轮机发电领域得到大力发展。美国清洁能源系统公司通过将航天技术和传统发电系统相结合，开发了这项应用化石燃料的零排放发电技术。CES工作方法的核心是用类似于火箭推动器上的“气体发生器”来代替传统的蒸汽锅炉和废气处理系统。燃烧过程中用循环水在高温高压下产生水蒸汽和二氧化碳的混合气。产生的高温高压气体推动涡轮进行发电。废气由涡轮进入冷凝器/分离器从而冷却并分离成水和二氧化碳。回收的二氧化碳在净化后可以销售或进行妥善处理，大部分的水都会送到气体生成器里进行下一次循环。系统效率从37.3%提高到45%，远期目标是实现60%以上的效率。 国内的研究在排放方面主要针对含氧燃料或富氧燃烧对于燃烧过程及排放的影响较多；废热利用方面主要研究废热排出汽缸后如何利用有机兰金循环来对其加以利用，而未见到关于发动机纯氧燃烧，或车用内燃机二氧化碳回收的相关文献报道。 经过科技查新，发现国内其它项目组或课题组均未出现关于纯氧内燃兰金循环在车用动力系统中的应用，本项目通过喷水在缸内建立兰金循环，对废热进行直接利用，同时采用纯氧燃烧并回收二氧化碳最终达到彻底零排放，填补了国内在此研究领域的空白。
