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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 采用純氧燃燒技術(shù)的二氧化碳全回收零排放高效新型車用動(dòng)力系統(tǒng)初探
- 來(lái)源：
- 第十一屆“挑戰(zhàn)杯”國(guó)賽作品
- 小類：
- 機(jī)械與控制
- 簡(jiǎn)介：
- 本項(xiàng)目提出了一種采用純陽(yáng)燃燒技術(shù)的車用內(nèi)燃機(jī)。該內(nèi)燃機(jī)以汽油為燃料，采用內(nèi)燃蘭金循環(huán)，循環(huán)效率可達(dá)56%，整機(jī)熱效率可達(dá)44%，顯著高于傳統(tǒng)汽油機(jī)和柴油機(jī)。同時(shí)，該發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)氮氧化物、HC以及CO排放，由二氧化碳和水組成的廢氣經(jīng)冷凝過(guò)程分離，再對(duì)二氧化碳進(jìn)行回收，在達(dá)到高效率、低油耗的前提下實(shí)現(xiàn)了徹底的零排放，回收的二氧化碳還可以出售，增加額外的經(jīng)濟(jì)效益。經(jīng)計(jì)算分析，使用此項(xiàng)技術(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)在成本上也和傳統(tǒng)柴油機(jī)相當(dāng)，十分具有發(fā)展?jié)摿褪袌?chǎng)前景。
- 詳細(xì)介紹：
- 本項(xiàng)目研究設(shè)計(jì)的發(fā)動(dòng)機(jī)采用內(nèi)燃蘭金循環(huán)（Internal Combustion Rankine Cycle），采用氧氣代替空氣作為助燃劑與汽油形成混合氣?；旌蠚馊紵^(guò)程中向氣缸內(nèi)噴入高溫高壓的循環(huán)水，一方面控制燃燒速度，以防缸內(nèi)出現(xiàn)過(guò)高壓力，另一方面吸收熱量汽化為水蒸氣膨脹做功，使得在活塞下行初期缸內(nèi)維持一穩(wěn)定壓力，大大增加了循環(huán)的熱效率，經(jīng)模擬計(jì)算，本循環(huán)最高熱效率可達(dá)56%。 由于燃燒過(guò)程中沒(méi)有氮氧化物的產(chǎn)生，所以可以組織富氧燃燒，使汽油燃燒充分，沒(méi)有CO或HC的排放。廢氣僅為二氧化碳和水蒸汽的混合氣，經(jīng)排氣門排出后經(jīng)熱交換器來(lái)加熱后續(xù)循環(huán)要噴入缸內(nèi)的水，而后在冷凝器中分離二氧化碳和水，一部分水返回循環(huán)用于控制燃燒過(guò)程，另一部分排入大氣。二氧化碳經(jīng)過(guò)特殊的熱交換器被轉(zhuǎn)化為干冰進(jìn)行回收。為了增加整車的巡航能力，氧氣來(lái)源采用液氧，并在液氧罐和干冰貯藏罐附近布置液氧/干冰轉(zhuǎn)換器，利用液氧汽化所吸收的熱量來(lái)使二氧化碳轉(zhuǎn)化為干冰。回收的干冰可以出售，在工業(yè)、石油開(kāi)采等領(lǐng)域運(yùn)用，可謂變廢為寶。考慮到本套系統(tǒng)相對(duì)于傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)附件較多（如噴水器、噴氧器、二氧化碳?jí)嚎s泵等）以及制氧本身的能耗，本項(xiàng)目組對(duì)這些功率損失進(jìn)行了計(jì)算和評(píng)估，最終得到整機(jī)熱效率可達(dá)44%，顯著高于傳統(tǒng)汽油機(jī)和柴油機(jī)。本系統(tǒng)以四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)為基礎(chǔ)，以進(jìn)氣道噴射氧氣和燃油，通過(guò)改變進(jìn)排氣門的升程規(guī)律及點(diǎn)火定時(shí)，實(shí)現(xiàn)了無(wú)掃階段的二沖程工作過(guò)程，大大提高了系統(tǒng)的升功率（100kW/l,無(wú)增壓裝置的汽油機(jī)平均為30kW/l）。遠(yuǎn)期目標(biāo)為缸內(nèi)直接噴射氧氣及燃料，取消進(jìn)氣系統(tǒng)。
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作品專業(yè)信息
撰寫目的和基本思路
- 化石燃料的燃燒不可避免的要產(chǎn)生二氧化碳，減少其排放主要通過(guò)二氧化碳分離回收技術(shù)。而在高效利用能源方面，傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)在自身熱效率方面已達(dá)到某種瓶頸?；诟邿嵝实膬?nèi)燃蘭金循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)以純氧作為助燃劑，規(guī)避了氮氧化物排放問(wèn)題，這樣便可以實(shí)現(xiàn)富氧燃燒，有效控制CO、HC的生成，最后可以低成本分離成分為二氧化碳和水蒸氣的尾氣固化二氧化碳并利用其固化放熱汽化及加熱液氧，最后回收二氧化碳，實(shí)現(xiàn)了零排放。
科學(xué)性、先進(jìn)性及獨(dú)特之處
- 1.采用純氧燃燒技術(shù)，規(guī)避了氮排放物，有效控制HC及CO排放，使尾氣中僅包含二氧化碳和水蒸氣，實(shí)現(xiàn)低成本分離回收二氧化碳的目的，達(dá)到徹底的零排放，并無(wú)需傳統(tǒng)尾氣處理系統(tǒng)。 2.采用水循環(huán)技術(shù)控制燃燒溫度，充分利用缸內(nèi)廢氣熱量，將循環(huán)效率提高到56%。 3.將氧氣和燃料噴入缸內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了無(wú)掃氣過(guò)程的二沖程工作循環(huán)，可將發(fā)動(dòng)機(jī)的升功率提高到100KW/l（非增壓汽油機(jī)為30KW/l）。
應(yīng)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義
- 以氧氣為助燃劑不會(huì)產(chǎn)生氮氧化物，故而可以采用富氧燃燒，控制HC及CO的生成，實(shí)現(xiàn)低成本分離回收二氧化碳,實(shí)現(xiàn)零排放。ICRC循環(huán)采用水回收缸內(nèi)廢熱，控制燃燒速度，并利用廢熱汽化循環(huán)水做功，該循環(huán)效率可達(dá)56%。 ICRC動(dòng)力系統(tǒng)是現(xiàn)有技術(shù)的集成，是已成熟應(yīng)用于發(fā)電領(lǐng)域的純氧燃燒技術(shù)的小型化，其開(kāi)發(fā)成本，周期將遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于全新技術(shù)。回收的干冰可以在工業(yè)，農(nóng)業(yè)領(lǐng)域再利用，創(chuàng)造一定的效益。
學(xué)術(shù)論文摘要
- 摘要：基于內(nèi)燃蘭金循環(huán)結(jié)合水再循環(huán)技術(shù)的碳?xì)淙剂霞冄跞紵夹g(shù)已經(jīng)在渦輪機(jī)發(fā)電領(lǐng)域得到大力發(fā)展，但這一技術(shù)在往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)上的應(yīng)用尚未展開(kāi)。高效率的燃燒循環(huán)以及真正的零排放讓這一技術(shù)在車用動(dòng)力系統(tǒng)上的移植極具吸引力。我們從熱循環(huán)效率計(jì)算，整體熱機(jī)效率分析，動(dòng)力系統(tǒng)成本估算，以及市場(chǎng)前景預(yù)測(cè)四方面入手，對(duì)ICRC系統(tǒng)做了較為系統(tǒng)的評(píng)估。結(jié)果顯示，ICR循環(huán)在往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)工作模式下熱效率可達(dá)到56%，整機(jī)效率可達(dá)44%，采用汽油為燃料，但其熱效率卻顯著高于先進(jìn)柴油機(jī)的熱循環(huán)效率及整機(jī)熱效率。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)了液氧/二氧化碳轉(zhuǎn)換器，在增加整車巡航能力的同時(shí)通過(guò)液氧汽化所吸收的熱量來(lái)固化干冰，對(duì)二氧化碳進(jìn)行回收。可以預(yù)見(jiàn)，ICRC車用內(nèi)燃動(dòng)力系統(tǒng)以其零排放、高效率的特點(diǎn)一定會(huì)擁有廣闊的市場(chǎng)前景。 關(guān)鍵詞：蘭金循環(huán)；二氧化碳回收；廢熱回收；碳?xì)淙剂霞冄跞紵夹g(shù)
獲獎(jiǎng)情況
- 無(wú)
鑒定結(jié)果
- 1.科技查新報(bào)告 編號(hào)200921D2001020 2.兩項(xiàng)專利申請(qǐng) 發(fā)明專利名稱:一種二沖程內(nèi)燃機(jī)燃燒系統(tǒng)及使用方法 發(fā)明專利名稱:一種車載液氧/二氧化碳熱交換器
參考文獻(xiàn)
- 基于蘭金循環(huán)的純氧燃燒技術(shù)目前主要應(yīng)用于發(fā)電領(lǐng)域，通過(guò)將航天技術(shù)和傳統(tǒng)發(fā)電系統(tǒng)相結(jié)合，開(kāi)發(fā)了類似于火箭推動(dòng)器上的“氣體發(fā)生器”來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的蒸汽鍋爐和廢氣處理系統(tǒng)。燃燒過(guò)程中用循環(huán)水在高溫高壓下產(chǎn)生水蒸汽和二氧化碳的混合氣，并推動(dòng)蒸汽輪機(jī)做功。廢氣由渦輪進(jìn)入冷凝器/分離器從而冷卻并分離成水和二氧化碳。回收的二氧化碳在凈化后可以銷售或進(jìn)行妥善處理。 本項(xiàng)目把這種循環(huán)應(yīng)用到內(nèi)燃機(jī)領(lǐng)域，以活塞代替渦輪，實(shí)現(xiàn)內(nèi)燃機(jī)上的高效率零排放。目前這項(xiàng)技術(shù)在內(nèi)燃機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用國(guó)內(nèi)尚未有相關(guān)文獻(xiàn)的報(bào)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
同類課題研究水平概述
- 利用蘭金循環(huán)回收余熱一直是國(guó)內(nèi)外內(nèi)燃機(jī)領(lǐng)域研究的熱門課題。1976年加州理工大學(xué)針對(duì)卡車發(fā)動(dòng)機(jī)余熱利用發(fā)表的“Waste Heat Recovery In Truck Engines”文章就顯示利用蘭金循環(huán)可在理論上提升燃油經(jīng)濟(jì)性26%。2006年，AVL公司提出利用超臨界有機(jī)蘭金循環(huán)回收重型車用柴油機(jī)余熱以提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率，寶馬（BMW）公司也提出了蘭金雙循環(huán)系統(tǒng)。自1999年至今，基于內(nèi)燃蘭金循環(huán)結(jié)合水再循環(huán)技術(shù)的碳?xì)淙剂霞冄跞紵夹g(shù)已經(jīng)在渦輪機(jī)發(fā)電領(lǐng)域得到大力發(fā)展。美國(guó)清潔能源系統(tǒng)公司通過(guò)將航天技術(shù)和傳統(tǒng)發(fā)電系統(tǒng)相結(jié)合，開(kāi)發(fā)了這項(xiàng)應(yīng)用化石燃料的零排放發(fā)電技術(shù)。CES工作方法的核心是用類似于火箭推動(dòng)器上的“氣體發(fā)生器”來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的蒸汽鍋爐和廢氣處理系統(tǒng)。燃燒過(guò)程中用循環(huán)水在高溫高壓下產(chǎn)生水蒸汽和二氧化碳的混合氣。產(chǎn)生的高溫高壓氣體推動(dòng)渦輪進(jìn)行發(fā)電。廢氣由渦輪進(jìn)入冷凝器/分離器從而冷卻并分離成水和二氧化碳。回收的二氧化碳在凈化后可以銷售或進(jìn)行妥善處理，大部分的水都會(huì)送到氣體生成器里進(jìn)行下一次循環(huán)。系統(tǒng)效率從37.3%提高到45%，遠(yuǎn)期目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)60%以上的效率。 國(guó)內(nèi)的研究在排放方面主要針對(duì)含氧燃料或富氧燃燒對(duì)于燃燒過(guò)程及排放的影響較多；廢熱利用方面主要研究廢熱排出汽缸后如何利用有機(jī)蘭金循環(huán)來(lái)對(duì)其加以利用，而未見(jiàn)到關(guān)于發(fā)動(dòng)機(jī)純氧燃燒，或車用內(nèi)燃機(jī)二氧化碳回收的相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道。 經(jīng)過(guò)科技查新，發(fā)現(xiàn)國(guó)內(nèi)其它項(xiàng)目組或課題組均未出現(xiàn)關(guān)于純氧內(nèi)燃蘭金循環(huán)在車用動(dòng)力系統(tǒng)中的應(yīng)用，本項(xiàng)目通過(guò)噴水在缸內(nèi)建立蘭金循環(huán)，對(duì)廢熱進(jìn)行直接利用，同時(shí)采用純氧燃燒并回收二氧化碳最終達(dá)到徹底零排放，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)在此研究領(lǐng)域的空白。
