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氫氣沖刷式燃燒室.pdf

摘要
申請專利號:

CN201380070036.0

申請日:

2013.01.16

公開號:

CN104919154A

公開日:

2015.09.16

當前法律狀態:

撤回

有效性:

無權

法律詳情: 發明專利申請公布后的視為撤回IPC(主分類):F01N 5/02申請公布日:20150916|||實質審查的生效IPC(主分類):F01N 5/02申請日:20130116|||公開
IPC分類號: F01N5/02; F02B19/12; F02M27/02 主分類號: F01N5/02
申請人: 卡特彼勒能源方案有限公司
發明人: 米歇爾·希里羅
地址: 德國曼海姆市
優先權:
專利代理機構: 北京市中咨律師事務所11247 代理人: 吳鵬; 馬江立
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201380070036.0

授權公告號:

||||||

法律狀態公告日:

2018.03.13|||2016.01.06|||2015.09.16

法律狀態類型:

發明專利申請公布后的視為撤回|||實質審查的生效|||公開

摘要

本發明涉及一種火花點火式燃氣發動機1,其具有廢氣導管6和氣缸蓋1.2,所述氣缸蓋1.2具有至少一個火花塞2,所述火花塞上有預燃室2.1和噴射器2.2,所述噴射器4連接到所述預燃室2.1,用于使用氫氣沖刷所述預燃室2.1,并且所述噴射器4具有用于產生氫氣的熱重整器5,而所述熱重整器5供應有水并且按照下列反應式把水轉化成氫氣:R1:MOred+H2O《-》MOox+H2或R2:MOox《-》MOred+O2,并且所述熱重整器5連接到廢氣導管6的至少一部分,從而對熱重整器5供熱,并且存在附加加熱裝置7.1、7.2,所述加熱裝置7.1、7.2由為所述發動機提供動力的燃氣提供動力,以完成如下放熱氧化反應:R3:CH4+O2《-》2H2O+CO2,或R3':CnHm+(n/2)O2《-》(m/2)H2+nCO,由此加熱裝置7.1、7.2熱力學聯接到所述熱重整器5,用于額外加熱所述熱重整器5。

權利要求書

權利要求書
1.  一種用于運行火花點火式燃氣發動機(1)的步驟,所述火花點火式燃氣發動機(1)具有:利用至少一個預燃室火花塞(2)產生廢氣流(6)的燃燒室(1.1);氫源(3、5),所述氫源(3、5)對所述火花塞(2)的預燃室(2.1)供應氫氣;以及噴射器(4),所述噴射器(4)連接到所述預燃室(2.1),以便用氫氣沖刷所述預燃室(2.1),由此所述燃燒室(1.1)裝有具有在1.6至2.6之間的值λ的燃氣空氣混合物,其特征在于,
a)所述氫源(5)是按照下面反應中的至少一個將水轉化為氫氣的熱重整器,所述反應如下:
R1:MOred+H2O<<->>MOox+H2,
R2:MOox<<->>MOred+O2,并且其特征在于,給所述重整器(5)供應水并且供應來自所述廢氣流(6)的至少一部分的熱,并且其特征在于,存在附加加熱裝置(7.1、7.2),所述加熱裝置(7.1、7.2)由為所述發動機(1)提供動力的燃氣的一部分提供動力,以便實現下面的放熱氧化反應:
R3:CH4+O2<<->>2H2O+CO2,或
R3':CnHm+(n/2)O2<<->>(m/2)H2+nCO,由此所述加熱裝置(7.1、7.2)熱力學聯接到所述重整器(5),并且另外地加熱所述重整器(5),和/或
b)所述氫源(3)是按照下面反應中的至少一個將較高的碳氫化合物轉化成氫氣的轉換器,所述碳氫化合物包括n個碳原子和m個氫原子,所述反應如下:-CnHm+nH2O<<->>(m/2+n)H2+nCO,-CnHm+(n/2)O2<<->>(m/2)H2+nCO,-CnHm+nCO2<<->>(m/2)H2+2nCO,由此給所述重整器(3)供應了水、燃氣以及來自所述廢氣流(6)的至少一部分的熱。

2.  根據權利要求1所述的步驟,其中,給所述預燃室(2.1)供應燃氣和氫氣的混合物。

3.  根據權利要求1所述的步驟,其中,給所述預燃室(2.1)供應氫 氣和空氣的混合物或供應氫氣、燃氣和空氣的混合物,所述混合物的空氣a和氫氣h的比λ如下:1<=λ=a/h或
0,1<=λ=a/h<=1。

4.  根據權利要求1所述的步驟,其中,用于使所述燃燒室(1.1)裝有空氣-燃氣-混合物的至少一個壓縮機(8)由馬達(10)驅動。

5.  根據權利要求5所述的步驟,其中,電力地驅動所述壓縮機(8)。

6.  根據權利要求1所述的步驟,其中,所述發動機(1)具有廢氣渦輪機(15)和用于發電的至少一個發電機(15.1),所述發電機(15.1)通過所述廢氣渦輪機(15)機械地驅動,所述廢氣渦輪機(15)位于所述重整器(3、5)的下游。

7.  根據權利要求1所述的步驟,其中,在所述轉換器(3)中僅轉換具有至少兩個或三個碳原子的較高碳氫化合物。

說明書

說明書氫氣沖刷式燃燒室
技術領域
本發明涉及一種用于運行具有生成廢氣流的燃燒室、氫源和噴射器的火花點火式燃氣發動機的步驟,所述燃燒室具有至少一個預燃室火花塞,所述氫源給所述火花塞的預燃室提供氫氣,所述噴射器連接到所述預燃室,用于使用氫氣沖刷所述預燃室,由此燃燒室裝載有值λ至少為1.6的燃氣空氣混合物。
背景技術
EP0770171 B1公開了內燃機點火裝置,更具體來說是用于提升燃燒效率的氫氣輔助射流點火(HAJI)裝置。在本申請說明書中術語“氫氣”意在包括氫氣和其他快速燃燒的燃料。稀薄燃燒方法的優點在下文做了理論解釋。過量空氣通過增加總的比熱比、通過減少由于燃燒產物的分解造成的能量損失、并且通過減少發動機冷卻系統的熱損失,提高發動機熱效率。此外,當火焰溫度隨著燃料空氣混合比的降低而下降時,NOx生成大幅減少,而過量空氣可以促進CO和從裂隙和淬火層排出的碳氫燃料排放物更充分的反應。該發明還進一步公開其研究了在全油門(全動力)情況下將主燃燒室的燃料比從1=1變動到3.5所造成的影響,以及在部分油門情況下較小范圍內的變動所造成的影響;即使是在全動力情況下,通過增加相對空氣/燃料比,可以將每循環所做的功we(以及轉矩)降低到零;正常點火的該發動機的稀薄極限在l=1.64時出現,然而在wc的可用范圍內,對于氫氣輔助射流點火HAJI則不存在稀薄極限。
發明內容
本發明的目的是配置和布置一種用于Otto燃氣發動機的燃料系統以 實現氫氣的有效供給。
根據本發明,實現上述目的在于
a)所述氫源是一種熱重整器,根據至少一個如下反應將水轉化成氫氣:
R1:MOred+H2O<<->>MOox+H2,
R2:MOox<<->>MOred+O2,
在于,該重整器供有水以及來自廢氣流的至少一部分的熱,且在于,存在附加加熱裝置,所述加熱裝置由為發動機提供動力的燃氣的一部分提供動力以實現以下放熱氧化反應:R3:CH4+O2<<->>2H2O+CO2,或
R3':CnHm+(n/2)O2<<->>(m/2)H2+nCO,
由此該加熱裝置與所述重整器熱力學聯接并且額外地加熱該重整器和/或
b)所述氫源是一種轉化器,其根據以下反應中的至少一個把更高的碳氫化合物轉化成氫氣,所述碳氫化合物由n個碳原子和m個氫原子組成:
-CnHm+nH2O<<->>(m/2+n)H2+nCO,
-CnHm+(n/2)O2<<->>(m/2)H2+nCO,
-CnHm+nCO2<<->>(m/2)H2+2nCO,
由此該重整器供有水、燃氣以及來自所述廢氣流的至少一部分的熱。
將生產的氫氣注入預燃室并由此至少部分地與燃燒室中的燃氣混合物混合。該氫氣增加燃燒率并由此提高發動機的效率。此外,在燃燒室中具有至少1.6或者1.6至2.6之間的值λ的極貧氣體-空氣混合物導致與更低的NOx(氮氧化物)部分燃燒。增高的燃燒率允許較晚的燃燒點,其導致較高程度的效率。進一步的效率優點部分起因于用于氧化反應R3、R3'的甲烷,因為有利用廢氣能量產生的氫氣再充的能量。
化學反應生成H2的效率如同熱力學循環過程不受限制。因此,用于此化學工藝中的熱廢氣能量以提升許多的效率被重組,導致更好的總體效率。
此外,再充此生成的氫氣導致氮氧化物(NOx)和甲醛的還原,即甲醛(CH2O)的排放,因為添加的氫氣對燃燒具有催化效應。因此,發動機的效率也得到增高。
驅動至少一個壓縮機,用于通過發動機(例如,電動機)用空氣-燃氣-混合物加載燃燒室,這也是有利的。除反應R3、R3'的能源之外,渦輪增壓機的廢氣渦輪機能夠被替換而空氣壓縮機能夠由電或流體驅動。這允許廢氣保留更多的熱能,即大約550℃到600℃的較高廢氣溫度,這個溫度比在廢氣渦輪機情況下高出100℃到150℃。這些溫度用于反應R1和R2。在這種情況下,效率度升高到大約53%。
此外,它能夠對為預燃室供應燃氣和氫氣的混合物有利。在這種情況下,額外注入氫氣帶來兩方面的優點,即,在廢氣中存在較少的碳微粒物質,以及達到較高的燃燒率。這是因為點火通過使用附加的氫氣是更強有力的。此外,在預燃室之內的焦油的重建減少。
燃燒率的另一增加是通過為預燃室提供氫氣和空氣的混合物或氫氣和天然氣和空氣的混合物實現,上述混合物具有空氣a和氫氣h的比率A如下:1<=λ=a/h或1.2<=λ=a/h<=1.5。
此外,如果用于為燃燒室加載空氣-燃氣-混合物的至少一個壓縮機通過馬達(例如,電力)驅動,這可以是有利的。為此,所連接的廢氣渦輪機可以去掉。因此,在進入重整器時,廢氣具有高出100℃到150℃的溫度。此較高溫度幫助改進重整器或相應反應器的操作,使得加熱裝置可以產生更少的熱量輸出。
如果發動機具有廢氣渦輪機以及用于發電的至少一個另一發電機,這可以是有利的;所述另一發電機通過廢氣渦輪機進行機械驅動,所述廢氣渦輪機位于所述源的下游。可從廢氣中獲得的能量可以在此階段中獲得并用于產生加熱過程或供電過程所需的能源。
此外,如果在轉換器中轉換至少具有兩個或三個碳原子的更高的碳氫化合物,這可以是有利的。對于優化可用天然氣的甲烷值,更有效的是首先轉換更高的碳氫化合物,即,甲烷本身不可被轉換,并因此通過氫氣連 接。
附圖說明
本發明的其他優點和細節詳見權利要求書和說明書,且如附圖所示,其中:
圖1顯示具有H2重整器的發動機發電機組的供應鏈的示意圖;
圖2顯示類似于圖1的具有電驅動壓縮機的示意圖;
圖3顯示具有燃氣轉化器的發動機發電機組的供應鏈的示意圖;
圖4顯示具有燃燒室的氣缸蓋的示意圖。
具體實施方式
圖1的示意圖顯示具有空氣-燃氣混合物的火花點火式燃氣發動機1的供應鏈。
從其中環境空氣通過氣口11.1與燃燒氣體混合的氣體混合器11開始,燃料導管12經由壓縮機8和燃料冷卻器12.2導通至所述燃氣發動機1或所述燃氣發動機1的燃燒室1.1。在這個燃料導管12中緊接所述燃氣發動機1上游設置基于所述燃氣發動機1的輸出來控制的節流閥14。所述燃氣發動機1連接至發電機26,例如作為發電機組的一部分。
所述燃氣發動機1包括廢氣導管6,其中在用于驅動上述壓縮機8的燃氣發動機1的下游設置廢氣渦輪機15。在通過所述廢氣渦輪機15后,所述廢氣通過重整器5傳導,在此它將熱分別散發至所述重整器5或第一反應器5.1或第二反應器5.2。所述廢氣經由兩個分別通過用于廢氣的閥16聯結或控制的以及與反應器5.1、5.2分別關聯的獨立廢氣流并行地流經所述重整器5。用于廢氣的閥16之后緊接著分別是換熱器或過熱器17以及用于下文描述的水回路19的下游蒸發器18。在下游所述廢氣被攜帶至廢氣系統(此處未示出)之前設置廢氣換熱器20。
設置具有排水口19.1的所述水回路或輸水管19,從而向所述重整器5 供水以制備氫氣。首先,其中攜帶的水通過耦合到所述燃料導管12的水換熱器12.1進行預熱,其中熱取自所述壓縮廢氣-空氣混合物。然后在上述提到的蒸發器18中加熱水,并且在蒸汽通過用于水(即蒸汽)的對應的閥21返回到所述重整器5的兩個反應器5.1、5.2之一前,在下游過熱器17中相應地過度加熱該蒸汽。在重整期間制備的氫氣通過氫氣導管22和冷凝器22.1供應給火花塞2的預燃室2.1。此外,可以設置混合段9,在其中環境空氣或燃氣通過空氣口9.1和燃氣口9.2與氫氣混合來獲得氫氣-燃氣或氫氣-燃氣-空氣混合物。在氫氣生產期間產生的氧氣通過廢氣門5.3被排放到環境中。
為了分別達到在反應器5.1、5.2中或在重整器5中所需的溫度,對應的反應器5.1、5.2還包括也供有被供至燃氣發動機1的空氣-燃氣混合物的加熱裝置7.1、7.2。為此目的,燃料導管12包括燃料閥12.3,經由其所需的空氣-燃氣混合物通過燃料導管13和燃料閥13.1被供至對應的反應器5.1、5.2或者對應的加熱裝置7.1、7.2。在運轉各加熱裝置7.1、7.2時產生的CO2廢氣經由廢氣門5.3被運走。
此外,燃氣發動機1包括用于冷卻燃氣發動機1的配有冷卻水熱交換器24.1的冷卻回路24。冷卻回路24還與油冷交換器25相連。
根據在圖2中顯示的功能圖,壓縮機8由電動機10驅動。如圖1中所示的連接的廢氣渦輪機被省去。因此,廢氣在進入重整器5時具有高出100℃至150℃的溫度。此較高的溫度有助于改進重整器5或對應的反應器5.1、5.2的運轉從而加熱裝置7.1、7.2只需產生較少的熱輸出。
可選地,具有位于重整器5下游的配有用于發電的相連發電機15.1的廢氣渦輪機15。此電力可以用于,例如,與重整器5相連的其他加熱裝置或者過熱器17或蒸發器18。
圖3中的示意圖顯示具有燃氣轉化器的火花點火式燃氣發動機1的供應鏈。
從氣體混合器11開始,在其中環境空氣經由空氣口11.1加入并與經由燃氣導管13提供的燃燒氣體混合,燃料導管12經由壓縮機8和燃料冷 卻器12.2引導至火花點火式燃氣發動機1或者火花點火式燃氣發動機1的燃燒室1.1。在這個燃料導管12中緊挨著火花點火式燃氣發動機1的上游處提供根據火花點火式燃氣發動機1的輸出而受控制的節流閥14。
壓縮機8由電動機10驅動。因此,不需要連接廢氣渦輪機。排氣在進入下述重整器3時具有比在廢氣渦輪機的情況中高出100℃至150℃的溫度。此較高的溫度促成重整器3的增強運轉。
火花點火式燃氣發動機1包括排氣導管6,其中在火花點火式燃氣發動機1的下游提供用于燃氣的重整器3。廢氣的熱經由未示出的熱交換器部分地散逸至重整器3。
在重整器3的下游,廢氣渦輪機15設置有與它聯接的發電機15.1。廢氣的進一步膨脹產生也可用于電動機10的電。
廢氣渦輪機15之后是用于下述水回路19的熱交換器或過熱器19和蒸發器18。在廢氣被運送至此處未示出的排氣系統之前的下游提供廢氣換熱器20。
為了向重整器3供應用于生產重整燃氣的水蒸汽,提供具有水口19.1的水回路或水導管19。首先,運載于其中的水通過與燃料導管12耦連的水換熱器12.1進行預熱,其中該熱獲取自壓縮的廢氣-空氣混合物。然后水在上述蒸發器18中被加熱,并且蒸汽在被排入重整器3中之前相應地在下游的過熱器19中被過度加熱。
將用于向水蒸汽添加燃燒氣體的燃氣-蒸汽混合物點13.2設置在蒸發器18和過熱器19之間。該混合點13.2經由用于氣體的氣閥13.1與燃氣導管13相連。可以將在重整期間產生的重整燃氣供至混合器11,并由此經由重整燃氣導管22和冷凝器22.1供至空氣-燃氣混合物用于在火花點火式燃氣發動機1中燃燒。
可選地或另外地,可以將重整燃氣經由噴射器4供至下述火花塞2的預燃室2.1。在重整燃氣導管22內有混合段9,具有空氣口9.1和氣口9.2,允許在它被注入預燃室2.1之前使燃氣和/或空氣混合到重整燃氣。
根據圖4,燃氣發動機1包括配有具有預燃室2.1的火花塞2的氣缸 蓋1.2。預燃室火花塞2或預燃室2.1分別經由噴射器4供有氫氣或者氫氣和燃氣和/或空氣的混合物。通過用此燃料沖刷預燃室2.1,在其中產生高爆炸性氣體混合物,從而在燃燒室1.1中即使是具有至少1.6或在1.6和2.6之間的值λ的極貧氣體-空氣混合物也是可燃的,導致具有較低NOx(氮氧化物)部分的燃燒和增高的燃燒率。增高的燃燒率允許較晚的燃燒點,其導致較高程度的效率。
標號表
1 燃氣發動機
1.1 燃燒室
1.2 氣缸蓋
2 火花塞,預燃室火花塞
2.1 預燃室
3 氫源,轉化器
4 噴射器
5 氫源,熱重整器
5.1 反應器
5.2 反應器
5.3 重整器的廢氣門
6 廢氣導管,廢氣流
7.1 加熱裝置
7.2 加熱裝置
8 壓縮機
9 用于燃氣和/或空氣的混合段
9.1 空氣口
9.2 燃氣口
10 電動機,馬達
11 氣體混合器
11.1 空氣口
12 燃料導管
12.1 熱交換器
12.2 燃料冷卻器
12.3 燃料閥
13 燃料導管
13.1 燃料閥
13.2 混合點
14 節流閥
15 廢氣渦輪機
15.1 另一個發電機
16 廢氣閥
17 過熱器
18 蒸發器
19 水回路,水導管
19.1 水口
20 廢氣熱交換器
21 水閥
22 氫氣導管
22.1 冷凝器
24 冷卻系統/回路
24.1 冷卻水熱交換器
25 油冷交換器
26 發電機
λ 比率 空氣實際/空氣化學計量

關 鍵 詞:
氫氣 沖刷 燃燒室
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