專利名稱：燃燒方法及設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃燒方法，特別是非均質(zhì)充量壓燃式內(nèi)燃機(jī)中的燃燒方法，本發(fā)明 還涉及用于所述方法的發(fā)動機(jī)。
背景技術(shù)：
本文使用的術(shù)語“柴油發(fā)動機(jī)”是指注入燃料時發(fā)動機(jī)中的壓縮引發(fā)燃燒的壓 燃式內(nèi)燃機(jī)。燃燒室內(nèi)非均質(zhì)充量的燃料和空氣由于快速壓縮過程中產(chǎn)生熱而被點燃。 這與奧托循環(huán)發(fā)動機(jī)不同，在奧托循環(huán)發(fā)動機(jī)中燃料和空氣在通過火花塞點燃之前被混合在一起。
柴油發(fā)動機(jī)與均質(zhì)充量壓燃式(HCCI)發(fā)動機(jī)不同，后者使用預(yù)混合的燃料和空 氣的壓縮點火產(chǎn)生均質(zhì)充量。當(dāng)燃料/空氣混合物被充分壓縮時，其自發(fā)點燃。HCCI 適合稀燃運轉(zhuǎn)并由此可具有比傳統(tǒng)奧托循環(huán)發(fā)動機(jī)更高的效率，且峰溫度較低，從而減 少了 NOxW形成。然而，HCCI比傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)中的燃燒更難以控制，從而可能引起定時 問題(timing problem)。與由向壓縮空氣中注入燃料的時間控制點火的柴油發(fā)動機(jī)，或者 由產(chǎn)生火花的時間控制點火的奧托循環(huán)發(fā)動機(jī)相比，HCCI沒有可被直接控制的明確的引 燃物(combustion initiator)。此外，為了實現(xiàn)具有可變功率輸出的動力運轉(zhuǎn)，控制系統(tǒng)必 須能夠改變運轉(zhuǎn)條件，例如壓縮比、引入氣體的溫度和壓力以及燃料-空氣比，這樣可 能增加復(fù)雜性和成本。為了確保點火并避免燃料小滴冷凝而弄濕氣缸壁，HCCI中使用的 燃料的沸點應(yīng)相對地低。
US 5,117,800公開了柴油發(fā)動機(jī)或火花點火發(fā)動機(jī)的操作方法，其包括使所供應(yīng) 的助燃空氣富含氧氣，同時調(diào)整發(fā)動機(jī)的燃料注入或點火正時，以彌補(bǔ)由于助燃空氣中 的氧含量增加而引起的提前燃燒(advanced combustion)。該方法使用渦輪增壓器作為泵， 通過氧氣產(chǎn)生膜分離空氣。與常規(guī)渦輪增壓的助燃空氣相比，富含氧的空氣處于較低壓 力，并因此比常規(guī)渦輪增壓的助燃空氣冷，從而降低或消除了對中冷器的需求。
US 3,794,007公開了使用來自發(fā)動機(jī)的燃料供應(yīng)源的燃料加熱用于冷啟動的助燃 空氣。當(dāng)使用可燃性差的燃料(例如汽油)時，在荷載發(fā)動機(jī)的啟動運轉(zhuǎn)中通過燃燒火 焰吸入空氣加熱器(flame-suction-air-heater)中的燃料來加熱吸入管路(suction line)或吸 入歧管(intake manifold)中的空氣。該發(fā)動機(jī)的壓縮比相對較低。以這種方式燃燒燃料 降低了燃料的效率，而吸入空氣密度的下降降低了發(fā)動機(jī)的整體效率。
US 4,333,4 公開了燃燒過程需要最少兩個氣缸的等溫發(fā)動機(jī)。該發(fā)動機(jī)具有壓 縮空氣的壓縮氣缸，該壓縮空氣經(jīng)過熱交換器遞送至膨脹氣缸。膨脹氣缸接收該壓縮空 氣和燃料，在動力沖程(power stroke)過程發(fā)生燃燒的同時，膨脹氣缸中的氣壓降低至大 氣壓，膨脹氣缸推動曲軸。該過程是等溫的，而非絕熱的，從而使膨脹氣缸的內(nèi)部溫度 在動力沖程的膨脹階段保持恒定或僅有少量上升。額外的氣缸提高摩擦損失。
柴油發(fā)動機(jī)燃料的燃燒品質(zhì)特性用十六烷值(CN)表示，其中，將十六烷值定義 為正常十六烷和ι-甲基萘的混合物中正常十六烷(正十六烷)的體積百分比，在特定測試條件下的標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動機(jī)內(nèi)進(jìn)行燃燒時，該混合物與測試燃料具有相同的點火性質(zhì)(點火 延遲)。CN值高的燃料的點火延遲低，適合用于柴油發(fā)動機(jī)中。商業(yè)化柴油發(fā)動機(jī)燃 料的CN值通常在40-55的范圍內(nèi)。CN值高的燃料通常不適合用于需要具有自動點火阻 性的奧托循環(huán)發(fā)動機(jī)。
用辛烷值(ON)表示奧托循環(huán)發(fā)動機(jī)燃料的燃燒品質(zhì)性能，高ON的燃料是合適 的。通常，高CN的燃料的ON值低，反之低CN的燃料的ON值高，因此向汽油發(fā)動機(jī) 中加入柴油發(fā)動機(jī)燃料(或向柴油發(fā)動機(jī)中加入汽油)可能是個高代價的錯誤。
十六烷值低或為零的燃料包括芳香烴(例如甲苯)和醇(例如甘油)。例如， 乙醇的十六烷值約為8，甲醇的十六烷值約為3(M.Murphy，J.Taylor, andR.McCormick. Compendiumof Experimental Cetane Numbers Data, NationalRenewable Energy Laboratory, 2004，NREL/SR-M0-36805)。本文使用的術(shù)語“CN非常低的物質(zhì)”是指十六烷值 在0-30之間的物質(zhì)?？梢允褂玫韧谑橹档钠渌c火性質(zhì)代替十六烷值。低十六 烷值物質(zhì)理解為在標(biāo)準(zhǔn)的狄塞爾循環(huán)模式下不能點火或不能維持穩(wěn)定運轉(zhuǎn)的易燃物質(zhì)。 CN非常低的物質(zhì)被認(rèn)為不適合用于柴油發(fā)動機(jī)中，除非通過與十六烷值較高的燃料進(jìn)行 混合或通過加入十六烷值增進(jìn)劑(例如聚硝酸酯和胺)對其進(jìn)行改良。參見，例如US 4,746,3 和WO 85/002194。十六烷值增進(jìn)劑價格昂貴，而聚硝酸酯具有易爆炸的缺點。
甘油作為用于柴油發(fā)動機(jī)的生物燃料制造中的副產(chǎn)物而在工業(yè)中的形成量逐漸 增加。能夠利用甘油和其它CN非常低的物質(zhì)作為柴油發(fā)動機(jī)用燃料是有利的。然而，利 用重醇(heavier alcohol)作為柴油發(fā)動機(jī)燃料存在問題。最近的一篇綜述Mario Pagliaro, Rosaria Cihminna, Horoshi Kimura, MicheleRossi and Cristina Delia Pina From Glycerol to Value-Added Products, Angew.Chem.Int.Ed.2007，46，4434-4440 指出，甘油“不能直接 加入到燃料中，原因是甘油在高溫下聚合，并由此阻塞發(fā)動機(jī)，并且甘油被部分氧化成 有毒的丙烯醛”。在最近的一篇綜述 Thomas Stenhede Wartsila Green Solutions-Running Large Engines on Alternative Fuels, International Seminar onGasification, Malmo, Sweden, 100ctober2008中，作者總結(jié)得出以下技術(shù)狀況“甘油的點火和燃燒性質(zhì)非常差，[并 且]不能在柴油發(fā)動機(jī)中點火”。獲得甘油的高粘度需要加熱至約130°C，從而使其與用 于常規(guī)柴油發(fā)動機(jī)燃料的良好霧化的粘度相匹配。然而，這妨礙了十六烷改性添加劑或 者點火改性添加劑(在該溫度以下通常分解或不穩(wěn)定)的使用。例如，主要的十六烷值 增進(jìn)劑2-乙基己基硝酸酯在120°C分解，從而阻礙了粘度調(diào)節(jié)和十六烷改良的必要步驟 的組合。因此，到目前為止，將甘油用作柴油發(fā)動機(jī)燃料的嘗試并不令人滿意。
發(fā)明概述
在獨立權(quán)利要求中闡述了本發(fā)明的各方面。在從屬權(quán)利要求中闡述了本發(fā)明的 優(yōu)選特征。
本發(fā)明人驚訝地發(fā)現(xiàn)，通過向發(fā)動機(jī)供應(yīng)溫度顯著(substantially)高于環(huán)境溫度 的助燃空氣，CN非常低的物質(zhì)能夠在壓燃式發(fā)動機(jī)中有效燃燒，而不需要進(jìn)行化學(xué)改良 或者使用添加劑。汽油能夠燃燒，甚至十六烷值定義為零的1-甲基萘也能夠燃燒。
點火所需的最小溫度和穩(wěn)定運轉(zhuǎn)所需的最小溫度將根據(jù)所述物質(zhì)的性質(zhì)和發(fā)動 機(jī)的結(jié)構(gòu)而變化。采用多因素(multiple)，其與絕熱效率、Y因子(氣體在恒定體積下 的比熱與在恒定壓力下的比熱的比值)和壓縮比有關(guān)。壓縮比是與發(fā)動機(jī)的總熱力學(xué)效率有關(guān)的尤其重要的因數(shù)，然而由于結(jié)構(gòu)約束、物質(zhì)封裝和摩擦損失，可使用的最大 壓縮比有實際限度。非增壓式(nonpressure charged)狄塞爾循環(huán)發(fā)動機(jī)通常被限定為 22 1，而增壓式發(fā)動機(jī)通常被限定為 16 1。奧托循環(huán)發(fā)動機(jī)由于充量爆炸(charge detonation)而通常使用 8 1-10 1范圍內(nèi)的壓縮比，其遠(yuǎn)低于狄塞爾循環(huán)發(fā)動機(jī)。 較高的壓縮比將在助燃空氣的絕熱壓縮后產(chǎn)生更多的溫度增加。然而，每單位壓縮比增 加獲得的終氣體溫度相對較低，例如，為了獲得與通過將進(jìn)氣溫度提高 65°C而產(chǎn)生的 相同的終氣體溫度，給定測試發(fā)動機(jī)的壓縮比必須從22 1提高至 36 1。通過計算 表明，助燃空氣入口溫度提高1°C可在壓縮后使溫度提高大約3°C或更高的溫度。與冷啟 動系統(tǒng)不同，助燃空氣在發(fā)動機(jī)運轉(zhuǎn)的基本全部時間內(nèi)(即，基本在發(fā)動機(jī)運轉(zhuǎn)期間)維 持在高溫和優(yōu)選經(jīng)過調(diào)節(jié)的壓力下。
雖然為了獲得適合注入發(fā)動機(jī)氣缸的粘度需要對一些高粘度物質(zhì)進(jìn)行加熱，但 可以在注入即將進(jìn)行前將其加熱，從而使該物質(zhì)在燃燒之前不長時間保持在高溫下。本 發(fā)明人發(fā)現(xiàn)在甘油的情況下，使用本發(fā)明的方法能夠進(jìn)行干凈且高效的燃燒，而不產(chǎn)生 阻塞發(fā)動機(jī)的聚合產(chǎn)物。
在本發(fā)明中，優(yōu)選在將助燃空氣供應(yīng)至發(fā)動機(jī)氣缸前對其進(jìn)行壓縮。這樣可以 提高質(zhì)量流量，并提高效率。提高質(zhì)量流量還具有降低峰溫度和壓力的作用，這樣往往 可以減少NOx氣體的產(chǎn)生。當(dāng)然，助燃空氣在氣缸中進(jìn)一步壓縮，在該氣缸中發(fā)生壓燃 式燃燒。
所述壓縮可以容易地由以廢氣推動的渦輪增壓器產(chǎn)生?？梢岳脕碜詮U氣的廢 熱、由渦輪壓縮器的固有低效率產(chǎn)生的熱或其它任何加熱空氣的方法或者熱源的組合將 助燃空氣加熱。這種利用加熱的壓縮助燃空氣的方法與傳統(tǒng)的渦輪增壓系統(tǒng)相反，在傳 統(tǒng)的渦輪增壓系統(tǒng)中經(jīng)過渦輪加壓的空氣被冷卻(中冷或后冷)，以提高質(zhì)量流量。
在一個實施方式中，可以提高助燃空氣的含氧量以有助于燃燒。任選地，氧富 集可以與助燃空氣的壓縮組合使用。
廣義上，本發(fā)明涉及將助燃空氣或工作流體加熱至一個溫度，所述溫度能夠?qū)?現(xiàn)和/或優(yōu)化燃料的性質(zhì)和條件不平衡的燃料燃燒和本領(lǐng)域通常已知的燃燒。本發(fā)明能 夠使迄今不被用作壓燃式發(fā)動機(jī)燃料的CN非常低的物質(zhì)在壓燃式發(fā)動機(jī)中燃燒。
本發(fā)明使用的術(shù)語“工作流體”是指用作將系統(tǒng)的一部分的能量轉(zhuǎn)移至系統(tǒng)的 另一部分的媒介的流體(氣體或液體)。所述工作流體可以包括混合有可燃燒或支持燃燒 的氣體或蒸汽的空氣。
原則上可以利用固態(tài)、液態(tài)或氣態(tài)物質(zhì)實施本發(fā)明，然而由于易于注入，優(yōu)選 流體物質(zhì)。
試驗結(jié)果
使多種CN非常低的物質(zhì)在試驗設(shè)備(包括Lister-Petter直接注入兩缸柴油發(fā)動 機(jī)和Lister-Petter四缸直接注入渦輪增壓發(fā)動機(jī))中燃燒。發(fā)動機(jī)在恒定功率和速度(典 型的功率產(chǎn)生條件)下運轉(zhuǎn)。自然吸氣式發(fā)動機(jī)(normallyaspirated engine)的壓縮比為 22 1，渦輪增壓發(fā)動機(jī)的壓縮比為16 1。
利用瓦斯油(gas oil)作為燃料引發(fā)燃燒，一旦發(fā)動機(jī)加熱后，轉(zhuǎn)換成測試物 質(zhì)。最初使用二甲醚(DA/ffi)單獨引入測試物質(zhì)，以允許進(jìn)氣溫度變化，而不在研究階段出現(xiàn)發(fā)動機(jī)停轉(zhuǎn)(stalling)；然后停止DME流，并使發(fā)動機(jī)單獨依賴測試物質(zhì)運轉(zhuǎn)。加熱進(jìn)氣(助燃空氣)并改變該空氣的溫度，以確定穩(wěn)定燃燒的最小值，可以觀 察到降低進(jìn)氣溫度對提高質(zhì)量流動的作用。該測試?yán)米匀晃鼩鈨筛装l(fā)動機(jī)進(jìn)行。燃燒 變得不穩(wěn)定，且在低于90°C時完全不能燃燒。甘油(購自SigmaAldrich的純度為98.0% 的特純級甘油)的結(jié)果示于表1。在表1中Ex.T=廢氣溫度；Th%=燃料齒條(節(jié)氣門)設(shè)置；KW=產(chǎn)生的 電輸出功率；NOx =氮的氧化物(ppm) ； CO = 一氧化碳(ppm)；煙道中的O2 =廢氣中 氧水平的體積Inj.T=注入器的“過熱”溫度；空氣T=進(jìn)料口空氣溫度。表權(quán)利要求
1.燃燒CN非常低的物質(zhì)的方法，所述方法包括將所述物質(zhì)注入非均質(zhì)充量壓燃式發(fā) 動機(jī)的燃燒氣缸中，和在發(fā)動機(jī)運轉(zhuǎn)的基本全部時間內(nèi)向氣缸進(jìn)料口供應(yīng)溫度顯著高于 環(huán)境溫度的助燃空氣或工作流體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述助燃空氣或工作流體供應(yīng)至所述氣缸進(jìn)料 口的溫度為至少60°C，優(yōu)選90°C -250°C。
3.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其中，所述CN非常低的物質(zhì)是醇、酮、酯、芳族 化合物、汽油、一種或多種烴、再生油、廢溶劑或以上任意或所有的混合物，所述醇優(yōu) 選甲醇、乙醇、丙醇、丁醇、甘油或其中兩種或更多種的混合物。
4.如前述任一權(quán)利要求所述的方法，其中，在壓力下向所述氣缸進(jìn)料口供應(yīng)助燃空 氣或工作流體，所述壓力為使得經(jīng)過所述進(jìn)料口進(jìn)入所述氣缸的質(zhì)量流量被調(diào)節(jié)使基本 等于在標(biāo)準(zhǔn)運轉(zhuǎn)條件下進(jìn)入氣缸的質(zhì)量流量。
5.如前述任一權(quán)利要求所述的方法，其進(jìn)一步包括在將所述物質(zhì)注入燃燒室之前對 其進(jìn)行加熱。
6.如前述任一權(quán)利要求所述的方法，其中，利用來自所述發(fā)動機(jī)的廢熱對至少一些 所述助燃空氣或工作流體進(jìn)行加熱。
7.如前述任一權(quán)利要求所述的方法，其中，利用由來自所述發(fā)動機(jī)的廢氣流驅(qū)動的 渦輪增壓器對所述助燃空氣或工作流體加壓。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其中，通過由來自所述發(fā)動機(jī)的廢氣流驅(qū)動的渦輪增壓 器的固有低效率對至少部分所述助燃空氣或工作流體進(jìn)行加熱。
9.如前述任一權(quán)利要求所述的方法，其中，所述助燃空氣或工作流體富含氧。
10.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其中，所述物質(zhì)為甘油，且其中對甘油進(jìn)行加熱 并在60°C -160°C范圍內(nèi)的溫度下將其注入氣缸中。
11.熱電聯(lián)產(chǎn)的方法，所述方法包括燃燒前述任一項權(quán)利要求所述的CN非常低的物 質(zhì)，并利用回收自進(jìn)料空氣的熱維持或提高用于回收的可用的廢氣廢熱能。
12.用于燃燒燃料的設(shè)備，其包括具有氣缸和加熱裝置的非均質(zhì)充量壓燃式發(fā)動機(jī)， 所述加熱裝置將供應(yīng)至所述氣缸的助燃空氣加熱和加壓至顯著高于環(huán)境溫度和壓力的溫 度和壓力。
13.如權(quán)利要求12所述的設(shè)備，其中，所述加熱裝置包括將來自所述發(fā)動機(jī)廢氣和/ 或冷卻系統(tǒng)的熱轉(zhuǎn)移至助燃空氣或工作流體的熱交換器。
14.如權(quán)利要求12或13所述的設(shè)備，其中，使所述加熱裝置適應(yīng)于將助燃空氣或工 作流體加熱至至少60°C，優(yōu)選90°C _250°C范圍內(nèi)的溫度。
15.如權(quán)利要求12-14中任一項所述的設(shè)備，其中，用于將供應(yīng)至所述氣缸的助燃空 氣或工作流體加壓的裝置是經(jīng)布置并適應(yīng)于由來自發(fā)動機(jī)的廢氣流驅(qū)動的渦輪增壓器。
全文摘要
本發(fā)明一方面提供了燃燒十六烷值非常低的物質(zhì)的方法，該方法包括將所述物質(zhì)注入非均質(zhì)充量壓燃式發(fā)動機(jī)的燃燒氣缸中，并在發(fā)動機(jī)運轉(zhuǎn)的基本全部時間內(nèi)向所述氣缸的進(jìn)料口供應(yīng)溫度顯著高于環(huán)境溫度的助燃空氣或工作流體。本發(fā)明其它方面提供了在該方法中使用的壓燃式發(fā)動機(jī)和使用該發(fā)動機(jī)燃燒燃料的方法。
文檔編號F02M31/02GK102027225SQ200980117655
公開日2011年4月20日 申請日期2009年3月19日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月20日
發(fā)明者約翰·麥克尼爾 申請人:阿克菲爾研究有限公司