CN102272424A - 燃烧氨的内燃机 - Google Patents

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Abstract

在内燃机中，供给到燃烧室(5)内的氨由配置在燃烧室(5)中的点火装置点火。作为该点火装置，使用放出等离子流的至少一个等离子流火花塞(6)或产生火花的多个火花塞(6’)。

Description

燃烧氨的内燃机
技术领域
本发明涉及燃烧氨的内燃机。
背景技术
以往，在内燃机中主要使用化石燃料作为燃料。但是，在该情况下，使燃料燃烧会产生使地球温室效应加剧的CO2。与此相对，使氨燃烧则完全不会产生CO2，因此，公知有为了不产生CO2而采用氨作为燃料的内燃机(参照专利文献1)。
但是，氨与化石燃料相比不容易燃烧，因此，在使用氨作为燃料时，需要想办法使氨容易燃烧。因此，在上述的内燃机中，利用排气热由氨生成氢，并将生成的氢储存在氢吸藏合金中，将由氨生成的氢或储存在氢吸藏合金中的氢供给到副燃烧室内，利用火花塞使副燃烧室内的氢燃烧，由此使燃烧室内的氨气燃烧。
专利文献1：日本特开平5-332152号公报
发明内容
但是，若使用氢吸藏合金，不仅存在重量变重这样的问题，而且由于需要进行使氢吸藏合金吸藏氢的控制和使所吸藏的氢从氢吸藏合金放出的控制，因此还存在用于处理氢的系统变得复杂这样的问题。
因此，在本发明中，在利用配置在燃烧室的点火装置将供给到燃烧室内的氨点火的燃烧氨的内燃机中，作为点火装置，使用放出等离子流的至少一个等离子流火花塞或产生火花的多个火花塞。
在使用放出等离子流的等离子流火花塞的情况下，点火火焰核(点火火焰中心)的表面积变大，因此容易使氨燃烧，在使用产生火花的多个火花塞的情况下，在多个部位生成点火火焰核，因此，容易使氨燃烧。
附图说明
图1是内燃机的整体图。
图2是等离子流火花塞的顶端部的侧视剖视图。
图3是表示点火能E的图。
图4是汽缸盖的仰视图。
图5是表示内燃机的另一实施例的整体图。
图6是表示点火能E的图。
图7是表示内燃机的又一实施例的整体图。
附图标记的说明
5...燃烧室
6...等离子流火花塞
7...进气阀
8...进气口
13...液态氨喷射阀
14...燃料箱
21...氨吸附件
23...氨净化催化剂
具体实施方式
参照图1，1表示内燃机主体，2表示汽缸体，3表示汽缸盖，4表示活塞，5表示燃烧室，6表示配置在燃烧室5的顶面中央部的点火装置，7表示进气阀，8表示进气口，9表示排气阀，10表示排气口。进气口8经由进气支管11与平衡箱12连结，在各进气支管11分别配置有用于向对应的进气口8内喷射液态氨的液态氨喷射阀13。从燃料箱14向该液态氨喷射阀13供给液态氨。
平衡箱12经由进气管道15与空气过滤器16连结，进气管道15内配置有由促动器(致动器)17驱动的节气门(节流阀)18和例如使用了红外线的吸入空气量检测器19。另一方面，排气口10经由排气歧管20与氨吸附件21连结，氨吸附件21经由排气管22与能将排气中所含的氨净化的氨净化催化剂23连结。
燃料箱14内充满着0.8MPa～1.0MPa左右的高压的液态氨，该燃料箱14内配置有燃料供给泵24。该燃料供给泵24的喷出口经由当喷出压为预定以上时使液态氨返回燃料箱14内的溢流阀(relief valve)25、在内燃机运转时开阀而当内燃机停止时被关阀的截止阀26以及液态氨供给管27，与液态氨喷射阀13连结。
在燃料箱14内的压力为0.8MPa～1.0MPa左右的高压时，使燃料供给泵24的工作停止，此时燃料箱14内的液态氨在燃料箱14内的压力的作用下被供给到液态氨喷射阀13。另一方面，例如在外部气温低、燃料箱14内的压力降低了时，由燃料供给泵24将液态氨供给到液态氨喷射阀13。另外，在燃料箱14安装有用于检测燃料箱14内的压力的压力传感器28、和用于检测燃料箱14内的液态氨的温度的温度传感器29。
电子控制单元30由数字计算机构成，具有由双向总线31相互连接的ROM(只读存储器)32、RAM(随机存取存储器)33、CPU(微处理器)34、输入端口35及输出端口36。吸入空气量检测器19的输出信号、压力传感器28的输出信号及温度传感器29的输出信号分别经由对应的AD变换器37被输入到输入端口35。此外，在加速(油门)踏板40连接有产生与加速踏板40的踏入量L成正比的输出电压的负载传感器41，负载传感器41的输出电压经由对应的AD变换器37被输入到输入端口35。在输入端口35还连接有每当曲轴旋转例如30°时产生输出脉冲的曲轴转角传感器42。另一方面，输出端口36与点火装置6的点火电路39连接，输出端口36还经由对应的驱动电路38连接于液态氨供给阀13、节气门驱动用促动器17、燃料供给泵24及截止阀26。
图1表示使用等离子流火花塞作为点火装置6的情况，图2表示该等离子流火花塞6的顶端部的构造的一例。在图2所示的例子中，等离子流火花塞6具有与燃烧室5内连通的放电室50、配置在放电室50内部的中心电极51、包围放电室50及中心电极51的绝缘体52、包围绝缘体52的导电性壳体53、和配置在放电室50的开口端周围的接地电极54。当在中心电极51和接地电极54之间施加高电压，由此在中心电极51和接地电极54之间产生气体放电时，在放电室50内生成高温高压的等离子气体，结果，由该等离子气体构成的等离子流55从放电室50喷出到燃烧室5内。
内燃机运转时，液态氨被从液态氨供给阀13喷射到各汽缸的进气口8内。此时，从液态氨喷射阀13喷射出的液态氨刚一被喷射就减压沸腾而气化。液态氨的气化潜热极大，是例如汽油的气化潜热的4倍，因此当液态氨气化时，供给到燃烧室5内的吸入空气的温度降低很多。结果，供给到燃烧室5内的吸入空气的密度变高，容积效率提高，因此，内燃机输出得以提高。另外，在这样设为喷射液态氨的情况下，还具有不需要设置在设为喷射气态氨时所必需的气化器这样的优点。
在进气口8内气化了的氨以气态氨的形式被供给到燃烧室5内，供给到燃烧室5内的气态氨在压缩行程的后半由从等离子流火花塞6喷出的等离子流55点着火。从图2可知，等离子流55的外表面积、即点火火焰核的表面积很大，因此，燃烧室5内的气态氨在等离子流55的外表面上的无数个点被点着，这样，本来难以点着火的氨也变得容易点着火。
此外，氨的火焰传播速度缓慢，因此，与使用汽油作为燃料的情况相比，最佳点火时期为提前角侧。此外，内燃机转速越高，该最佳点火时期越向提前角侧移动，因此在内燃机高速旋转时能否在能将氨点着火的时期点火成为问题。但是，若使用等离子流火花塞6，则气态氨整体的燃烧时期变短，这样在内燃机高速旋转时也能在使气态氨良好着火、能够良好燃烧的时期进行点火。
若使气态氨完全燃烧，则理论上成为N2和H2O，完全不会产生CO2。但是，实际上残留未燃的氨，这样，从燃烧室5排出未燃氨。因此，在内燃机排气通路内配置能将排气中所含的未燃氨净化的氨净化催化剂23。
但是，在内燃机起动时等这样的、由于氨净化催化剂23的温度低所以氨净化催化剂23未活化时，不能将从内燃机排出的未燃氨净化。因此在本发明的实施例中，在氨净化催化剂23上游的内燃机排气通路内配置能够吸附排气中所含的氨、当温度上升时将吸附的氨放出的氨吸附件21。
因此，在本发明的实施例中，在内燃机起动时等这样的氨净化催化剂23未活化时，从内燃机排出的未燃氨被吸附到NOx吸附件21。接着当NOx吸附件21及氨净化催化剂23的温度上升时，从NOx吸附件21放出所吸附的氨。在NOx吸附件21的温度上升到开始放出所吸附的NOx的温度的时候，氨净化催化剂23已经活化，因此从NOx吸附件21放出的氨被氨净化催化剂23净化。这样若在氨净化催化剂23的上游配置NOx吸附件21，则在从内燃机起动时到内燃机停止为止的期间都能够将从内燃机排出的未燃氨净化。
该氨净化催化剂23由能够将氨氧化的氧化催化剂及在存在氨时能够选择性地对排气中所含的NOx还原的NOx选择还原催化剂中的任一方或双方构成。在氨净化催化剂23由氧化催化剂构成的情况下，从内燃机排出的未燃氨在氧化催化剂被氧化，如此阻止未燃氨被排出到大气中。
另一方面，在使氨燃烧时也会生成NOx，因此，在从内燃机排出的排气中含有NOx。此外，由于排气中含有未燃氨，因此若使用NOx选择还原催化剂作为氨净化催化剂23，则排气中的NOx在NOx选择还原催化剂被排气中的未燃氨还原，此时未燃氨被氧化。即，若使用NOx选择还原催化剂，能够将排气中的NOx及未燃氨双方净化，因此，可以说NOx选择还原催化剂极其适合作为燃烧氨的内燃机的排气净化催化剂。
要使燃烧室5内的气态氨良好着火，点火时的气态氨的温度越低，需要越大的点火能。即，优选是根据内燃机的运转状态控制点火能。因此，在本发明的实施例中，如图3(A)所示，内燃机负载L越降低，使点火能E越增大，如图3(B)所示，内燃机转速N越高，使点火能E越增大。
即，由于内燃机负载L越降低，使得节气门18的开度越小，因此燃烧室5内的压缩端压力随着内燃机负载L降低而变低。因此，在进行点火的压缩行程末期中的燃烧室5内的气态氨的温度随着内燃机负载L降低而变低，这样，如图3(A)所示，使点火装置6的点火能E在内燃机负载L降低时增大。
另一方面，点火时期随着内燃机转速N变高而提前，因此进行点火时的燃烧室5内的压力随着内燃机转速N变高而降低。因此，进行点火时的燃烧室5内的气态氨的温度随着内燃机转速N变高而降低，这样，如图3(B)所示，使点火装置6的点火能E在内燃机转速N变高时增大。另外，在图1所示的实施例中，由点火电路39控制等离子流火花塞6的放电电流值，由此控制等离子流火花塞6的点火能。
另一方面，点火能越高，燃烧室5内的气态氨越容易着火。因此在图4(A)所示的例子中，多个等离子流火花塞6配置在燃烧室5内。此外，在使用产生火花的火花塞的情况下也同样，若设置多个火花塞，则气态氨在多个点处被点着火，这样，本来难以着火的氨也变得容易着火。因此，在图4(B)所示的例子中，产生火花的多个火花塞6’配置在燃烧室5内。
即，在本发明中，由配置在燃烧室5的点火装置6将供给到燃烧室5内的氨点火，该情况下如图1、图4(A)及图4(B)所示，使用放出等离子流的至少一个等离子流火花塞6或产生火花的多个火花塞6’作为点火装置。
如图1所示，若使用液态氨作为供给燃料，则在内燃机温度低时，尤其是内燃机的低温起动时，液态氨的气化不充分，结果，有未燃氨的排出量增大的危险性。因此，在图5所示的实施例中，除了液态氨供给阀13之外，还设有用于将气态氨供给到吸入空气中的气态氨供给装置。
即，参照图5，该气态氨供给装置具有用于使液态氨气化的氨气化装置60、和用于储存气化的气态氨的氨气容器61，氨气容器61内的气态氨被供给到吸入空气中。如图5所示，氨气化装置60经由用于控制流量的控制阀62与在液态氨喷射阀13和截止阀26之间的液态氨供给管27连结，因此，液态氨经由控制阀62被供给到氨气化装置60内。
为了可利用排气热而促进液态氨的气化，氨气化装置60配置在内燃机排气通路内或与内燃机排气通路相邻，例如与氨净化催化剂23相邻配置，而且为了即使在排气温度低时也能将液态氨气化，该氨气化装置60具有电加热器63。在氨气化装置60内被气化的氨经由供给管64被供给到氨气容器61内，如此氨气容器61内被气态氨充满。
如图5所示，在氨气容器61安装有用于分别检测氨气容器61内的压力及温度的气压传感器65和气温传感器66，控制控制阀62以使得氨气容器61内的气压成为预定的目标气压。在图5所示的实施例中，在平衡箱12内配置气态氨喷射阀67，氨气容器61内的气态氨经由供给管68被供给到该气态氨喷射阀67。因此，在该实施例中根据需要而从气态氨喷射阀67将气态氨喷射到平衡箱12内。
根据内燃机的运转状态，设定从液态氨喷射阀13和气态氨喷射阀67中的任一方喷射氨还是从双方喷射氨、以及在从液态氨喷射阀13及气态氨喷射阀67双方喷射氨时的氨喷射比例。例如，内燃机的低温起动时，仅从气态氨喷射阀67喷射氨，当内燃机温度上升时，开始也从液态氨喷射阀13喷射氨。此外，在要求高输出的高负载运转时，仅从液态氨喷射阀13喷射氨。
当喷射液态氨时，由于液态氨的气化潜热导致吸入空气温度降低，因此氨变得难以着火。因此在本发明的实施例中，在液态氨及气态氨被供给到吸入空气中时，考虑到液态氨的气化潜热会导致吸入空气温度降低，根据供给到吸入空气中的液态氨的量与供给到吸入空气中的气态氨的量的比率来改变点火装置6的点火能。
在该情况下，要保良好的着火，优选液态氨的比例越大，越增大点火能，因此在本发明的实施例中，如图6所示，液态氨的量相对于供给到吸入空气中的所有氨的量的比例越增大，使点火装置6的点火能E越增大。
此外，气态氨喷射阀67，取代如图5所示那样配置在平衡箱12内，可以如图7(A)所示，对于各汽缸的进气口8分别配置，也可以如图7(B)所示在各汽缸5的燃烧室5内分别配置。

Claims (10)

1.一种燃烧氨的内燃机，由配置在燃烧室的点火装置将供给到燃烧室内的氨点火，
作为所述点火装置，使用放出等离子流的至少一个等离子流火花塞或者产生火花的多个火花塞。
2.根据权利要求1所述的燃烧氨的内燃机，当内燃机负载降低时，使所述点火装置的点火能增大。
3.根据权利要求1或2所述的燃烧氨的内燃机，当内燃机转速变高时，使所述点火装置的点火能增大。
4.根据权利要求1所述的燃烧氨的内燃机，在内燃机排气通路内配置有能够将排气中所含的氨净化的氨净化催化剂，在该氨净化催化剂上游的内燃机排气通路内配置有氨吸附件，所述氨吸附件能够吸附排气中所含的氨、并且当温度上升时将吸附的氨放出。
5.根据权利要求4所述的燃烧氨的内燃机，所述氨净化催化剂由能够将氨氧化的氧化催化剂以及在存在氨时能够选择性地将排气中所含的NOx还原的NOx选择还原催化剂中的任一方或双方构成。
6.根据权利要求1所述的燃烧氨的内燃机，将液态氨供给到吸入空气中。
7.根据权利要求6所述的燃烧氨的内燃机，除了用于将液态氨供给到吸入空气中的液态氨喷射阀之外，还具有用于将气态氨供给到吸入空气中的气态氨供给装置。
8.根据权利要求7所述的燃烧氨的内燃机，所述气态氨供给装置具有：用于使液态氨气化的氨气化装置、和用于储存气化的气态氨的氨气容器，氨气容器内的气态氨被供给到吸入空气中。
9.根据权利要求7所述的燃烧氨的内燃机，根据供给到吸入空气中的液态氨的量与供给到吸入空气中的气态氨的量的比率，使所述点火装置的点火能改变。
10.根据权利要求9所述的燃烧氨的内燃机，液态氨的量相对于被供给到吸入空气中的所有氨的量的比例越增大，使所述点火装置的点火能越增大。
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