利用LNG冷能降低天然气发动机冷却水温度的系统及方法.pdf

本发明属于天然气发动机领域，具体涉及一种利用LNG冷能降低天然气发动机冷却水温度的系统及方法。本发明的LNG供给系统中设有大循环供给管路和小循环供给管路，两条管路分别加装有大小循环换热器；利用LNG冷能降低循环水温度，换热器同时利用循环水自身温度，用作LNG气化器；发动机冷却系统对应发动机不同工况下LNG冷能两级利用，有利于迅速使用天然气发动机的供气量以及冷却水温度，达到动态平衡。对柴油机改装而来的天然气发动机，改装简单，冷能利用率高，具有很强的应用前景。

1.  利用LNG冷能降低天然气发动机冷却水温度的系统，包括发动机冷却系统和发动机本体，所述发动机冷却系统包括散热器（8），风扇（9），节温器（11），放水阀（12），水泵（14），分水管（18），水套（19）；所述发动机本体包括传动带（13），传动轮(15)，油底壳(16)，飞轮(17)；
其特征在于，还包括LNG供给系统，所述LNG供给系统的LNG储罐（1），高压切断阀（4），手动阀门（5），LNG大循环供给管路，三通阀（7），缓冲罐（2），天然气直喷喷嘴（20）通过管路依次连接， 所述LNG供给系统还包括LNG小循环供给管路，所述LNG小循环供给管路设于手动阀门（5）和三通阀（7）之间。

2.  如权利要求1所述的利用LNG冷能降低天然气发动机冷却水温度的系统，其特征在于，所述三通阀（7）和缓冲罐（2）之间还设有调压阀（3）。

3.  如权利要求1或2所述的利用LNG冷能降低天然气发动机冷却水温度的系统，其特征在于，所述三通阀（7），调压阀（3），缓冲罐（2）上设置的压力传感器，天然气直喷喷嘴（20），节温器（11），均与ECU（21）电气连接。

4.  如权利要求1所述的利用LNG冷能降低天然气发动机冷却水温度的系统，其特征在于，所述LNG大循环管路包括管路（A1）和（A2），所述管路（A1）、（A2）之间连接着大循环换热器（6），所述换热器（6）内部LNG管路环绕大循环冷却水管道；
所述LNG小循环管路包括管路（B1）和（B2），所述管路（B1）、（B2）之间连接着小循环换热器（10），所述换热器（10）内部LNG管路环绕小循环冷却水管道。

5.  利用LNG冷能降低天然气发动机冷却水温度的系统的方法，其特征在于，具体步骤包括：
（1）发动机水温低于76℃时，三通阀（7）处于关闭状态，LNG经过小循环管路（B1），进入小循环换热器（10）随后进入小循环管路（B2），节温器（11）关闭水套（19）通向大循环冷却水管路的通道，将冷却水经过小循环换热器（10），送入水泵（14）以及分水管（18）进入小循环；
（2）发动机水温达到76℃～86℃之间时，三通阀（7）开启大小循环管路（A2）以及（B2），节温器（11）同时开启大循环冷却水管道和小循环冷却水管道，LNG冷能同时经过大循环换热器（6）和小循环换热器（10）换热；
（3）发动机水温高于86℃时，三通阀（7）关闭LNG小循环供给管路（B2）通向调压阀（3）连接，开启LNG大循环供给管路（A2）与调压阀（3）连接，节温器（11）关闭小循环冷却水管道，冷却水经过大循环换热器（6），进入散热器（8），经水泵（14）后进入分水管（18）。

利用LNG冷能降低天然气发动机冷却水温度的系统及方法
技术领域
本发明属于天然气发动机领域，尤其涉及天然气发动机LNG冷能利用及其气化的系统。
背景技术
我国石油资源逐渐走向枯竭，汽车尾气排放污染日益加重，使得天然气发动机在我国得到迅速发展。其中天然气发动机多选择以液态天然气的形成将燃料储存在LNG储罐中，因为LNG加注时间短，单位体积能量密度大同样容积的LNG车用储罐装载的天然气是CNG储气瓶的3倍左右，故LNG汽车可以满足长途行驶的需要。同时LNG储存压力为1.6MPa，CNG储存压力高于LNG，达到20MPa。LNG泵从储罐中抽出-162℃的液化天然气，将液化天然气压力增至7.0—10.0MPa，温度升高至-158.0—-151.6℃，这就使得LNG供给管路中需要加装气化装置及调压装置等。文章《对L N G 冷能利用中几个问题的讨论》指出高压LNG 具有从120K 到常温这一温度范围内不同温位的冷能，如果能分成多段在不同的温位下充分利用，就可以取得最大的效益。
液化天然气供给系统中常用的是水浴式气化器。一方面LNG冷能可以用来降低发动机循环冷却水的温度，另一方面发动机冷却水热量使LNG加热、气化。采用水浴式汽化器更能充分保证换热效率并且结构紧凑占地小，价格低。低温的液化天然气经过后被汽化成适合的温度供给发动机。外部是一根套管作为换热器的壳程与汽车发动机的冷却水系统相连形成闭合的回路。外壳保证其间流动的冷却水不会外泄。
专利CN102423997 A 提出了一种利用液化天然气汽化潜热实线过冷的汽车的空调系统，其特征是在普通空调工作循环管路上加装一段LNG换热管， 利用LNG冷量增加制冷剂在冷凝器出口的过冷度，减少压缩机耗功。但是LNG温度为-162℃，空调温度制冷问题在十几度至三十度上下浮动，对冷量利用率低。专利CN 101326410 B 提出了一种使用不同制冷剂的多管路制冷系统，包括带有不同制冷剂的多条管路。控制器选择性地匹配感知的环境空间调节的应用，用于选择性地与多条管路相连接。每种制冷剂在指示温度范围中可提供效率好处。一个管路可充有一种制冷剂，其在较高环境温度下最好地被利用，而其它管路可具有在较低环境温度下最好地被利用的一种制冷剂。系统的控制器监控环境温度，并根据感知的环境温度在顺序中利用两个管路。该发明需要提供不同制冷剂，在车载系统上难以应用。专利 CN 101746840 B 提出了一种利用LNG冷能进行海水淡化的系统。其本质是利用水和反应房产的热能来汽化LNG ，应用原理与专利CN102423997 A相近。专利 CN 202812795 U提出了一种LNG冷能回收利用系统，实现多级多管路LNG换热设计，一定程度上提高了LNG气化器的使用寿命，但是第一第二管路之间的换热存在一定的冷量损失。
发明内容
针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种利用LNG冷能降低天然气发动机冷却水温度的系统，同时能够利用天然气发动机冷却水热量将LNG气化为气态天然气作为燃料。
天然气发动机的燃烧温度比同柴油机的燃烧温度平均高出100℃—150℃，因此发动机的热负荷大幅增加，要使得现有柴油机的冷却系统能够应用到天然气发动机上去，必须降低天然气发动机冷却系统的热负荷。另一方面，缸内直喷式天然气发动机每个供气循环内供气量远大于进气道低压喷射的天然气发动机，所以对LNG供给能力又有了更大的要求。本发明契合上述两点，利用LNG冷能降低发动机冷却循环水温度；利用发动机冷却循环水热量气化LNG，并且能够随着发动机负荷大小相互调节，形成动态平衡。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种利用LNG冷能降低天然气发动机冷却水温度的系统，包括LNG供给系统，发动机冷却系统以及发动机本体构成。
所述发动机冷却系统包括散热器，风扇，节温器，放水阀，水泵，分水管，水套，其中节温器控制着大小循环管路的选择。
所述发动机本体包括传动带，传动轮，油底壳，飞轮；发动机运转动力由传动带，传动轮传递至风扇，水泵及飞轮。
所述LNG供给系统由LNG储罐，高压切断阀，手动阀门，LNG大循环供给管路，三通阀，缓冲罐,天然气直喷喷嘴构成；LNG储罐依次与高压切断阀，手动阀门，LNG大循环供给管路，三通阀，缓冲罐，天然气直喷喷嘴通过管路连接；
所述LNG供给系统还包括LNG小循环供给管路，所述有LNG小循环供给管路设于手动阀门和三通阀之间。
所述手动阀门人工开闭，所述高压切断阀在管路压力异常增大时自动切断LNG储罐与LNG供给管路之间的联系。
三通阀和缓冲罐之间还设有调压阀，管路中的天然气经调压阀调压后进入缓冲罐。
所述三通阀，调压阀，缓冲罐上设置的压力传感器，天然气直喷喷嘴，节温器，均与ECU电气连接，由ECU控制。
所述LNG大循环管路包括管路A1、A2，所述A1和A2之间连接着大循环换热器，所述大循环换热器内部LNG管路环绕大循环冷却水管道，强化换热；
所述LNG小循环管路包括管路B1、B2，所述B1和B2之间连接着小循环换热器，所述小循环换热器内部LNG管路环绕小循环冷却水管道，强化换热。
上述方案中，所述发动机冷却系统对应发动机不同工况下LNG冷能两级利用，有利于迅速使用天然气发动机的供气量以及冷却水温度，达到动态平衡。
天然气发动机冷启动阶段，需要相对较浓的混合气并尽快提高冷却水温度。此时发动机水温低于76℃，三通阀处于关闭状态，LNG经过小循环管路B1，进入小循环换热器随后进入小循环管路B2，节温器关闭水套通向大循环冷却水管路的通道，将冷却水经过小循环换热器，送入水泵以及分水管进入小循环，发机冷却水温度迅速提高。进一步促进LNG气化量，为冷启动的发动机提供充足气态天然气。
发动机水温达到76℃～86℃之间，说明发动机进入正常工作状态，三通阀开启大小循环管路A2以及B2，此时节温器同时开启大循环冷却水管道和小循环冷却水管道， LNG冷能同时经过大循环换热器和小循环换热器两级换热器换热，使得天然气供应量趋于稳定。
发动机水温高于86℃时，意味着发动机进入负载增大，热负荷过大的工况，需要供气量需要大幅提高，冷却水需要尽快降温。此时供给量增大的LNG进入大循环换热器，其冷量可以加速冷却循环水，降低高负载条件下天然气发动机的热负荷。三通阀关闭LNG小循环供给管路B2通向调压阀3连接，开启LNG大循环供给管路A2与调压阀3连接，节温器开启大循环冷却水管道，冷却水进散热器，风扇启动降低散热器中冷却水温度。节温器关闭其左侧小循环管路，冷却水经水泵直接送入分水管，有利于加快冷却水循环速度，反过来促进LNG的气化速度。
本发明的有益效果为：
本发明冷却系统的大循环管路和小循环管路，可以实现发动机在不同工况下LNG冷能两级利用，有利于迅速使用天然气发动机的供气量以及冷却水温度，达到动态平衡。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
附图标记说明如下：
1-LNG储罐，2-缓冲罐，3-调压阀，4-高压切断阀，5-手动阀门，6-大循环换热器，7-三通阀，8-散热器，9-风扇，10-小循环换热器，11-节温器， 12-放水阀，13-传动带，14-水泵，15-传动轮，16-油底壳，17-飞轮，18-分水管，19-水套，20-天然气直喷喷嘴，21-ECU，A1，A2为大循环中LNG供给管路  B1，B2为小循环中LNG供给管路。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
如图1所示，一种利用LNG冷能降低天然气发动机冷却水温度的系统，包括LNG供给系统，发动机冷却系统以及发动机本体。LNG储罐1中，压力为1.6MPa，温度为-162℃，需要液态天然气LNG升温调压以满足天然气喷嘴20的喷射要求。
LNG储罐1内的液态天然气经大循环LNG供给管路A1进入大循环换热器6；经小循环LNG供给管路B1进入小循环换热器10。LNG进入任意换热器之前，均须通过高压切断阀4及手动阀门5以便在管路压力异常增大时自动切断LNG储罐1与LNG供给管路之间的联系。
对LNG冷能的利用分为两级，由两条供给路径完成。第一条为LNG流经手动阀门5后进入大循环管路A1，而后进入大循环换热器6，随后再经大循环管路A2，经过三通阀7后被送入调压阀3，调压后送入缓冲罐2，最后经喷嘴20喷入气缸。第二条为LNG流经手动阀门5后进入小循环管路B1，而后进入小循环换热器10，随后再经小循环管路B2，经过三通阀7后被送入调压阀3，调压后送入缓冲罐2，最后经喷嘴20喷入气缸。
缓冲罐2的作用是储备一定量的天然气气体以备天然气发动机启动时需要，或发动机负载急剧变化时使用。
初始状态下，节温器11及三通阀7均受ECU 21控制，处于关闭状态，即冷却水大循环管路被节温器11关闭，LNG大循环管路A2至调压阀3通道被三通阀7关闭。
天然气发动机启动时，从缓冲罐2中吸收天然气进入气缸做功，此时发动机冷却水温度低于76℃，天然气发动机冷却系统进入小循环模式。此时三通阀7处于关闭状态，LNG经过小循环管路B1，进入小循环换热器10随后进入小循环管路B2。此处小循环换热器10设计尺寸相对较小，以降低LNG冷能换热效果，因为发动机需要尽快提高冷却水温度达到暖机效果。
天然气发动机冷却水温度达到76℃～86℃之间，此时发动机进入正常工作状态。此时节温器11开启水套19进入大循环散热器8的通道，风扇9启动促进散热。此时三通阀7开启大小循环管路A2以及B2，LNG冷能经过大小循环两级换热器换热，大循环换热器6处LNG冷能利用率高，小循环换热器10处冷能利用率低，共同作用下使得发动机水温区域稳定，也使得天然气气化量区域稳定，二者达到动态平衡。
天然气发动机水温高于86℃时，意味着发动机进入负载增大，热负荷过大的工况，一方面动力输出需要增大供气量，另一方面冷却水需要尽快降温。此时节温器11控制小循环水路不再流经小循环换热器10左侧管路，冷却水由散热器8进入水泵14后直接进入分水管18。此时三通阀7关闭LNG小循环供给管路B2通向调压阀3连接，开启LNG大循环供给管路A2与调压阀3连接。此时冷却水全部经由大循环管路中的大循环换热器6降温。大循环换热器6换热能力强，冷能利用率高，其冷量可以加速冷却循环水，降低高负载条件下天然气发动机的热负荷。冷却水热量促进LNG气化，为高负载时的天然气发动机供给更多气态燃料。随着LNG供给量增加，冷却水温度下降，LNG气化量随之降低，直至LNG供给量与冷却水温度重新达到正常温度下的动态平衡。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。