CN102695870B - 处理燃烧气流及改装汽车内燃机的方法、套件及汽车 - Google Patents

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Abstract

本发明描述一种燃烧过程，在该燃烧过程中，燃烧空气(A*)在进入燃烧室(C)之前通过穿过由管形电离器(12)产生的高电压电场而被电离。本发明描述了优选应用，在该优选应用中，内燃机吸入的空气在进入燃烧室之前被电离。在本发明的其中一个方面，控制空气的电离以限制正离子的产生，获得正离子与负离子之间的平衡。

Description

处理燃烧气流及改装汽车内燃机的方法、套件及汽车
技术领域
本发明涉及燃烧领域。特别地，本发明涉及用于减少燃烧过程中的排放、因此减少燃烧过程的环境影响的方法。更详细地，本发明涉及用于处理燃烧过程中的燃烧气流的方法。
背景技术
众所周知，矿物燃料的燃烧产生一系列污染物，包括氮氧化物NOx、硫氧化物SOx、一氧化碳、挥发性有机化合物(VOC)、剩余碳氢化合物(HC)以及微粒。这些污染物对环境以及直接对人都有一系列负面影响。燃烧还产生二氧化碳(CO2)，由于二氧化碳源于碳的完全氧化，因而不属于上面那样的污染物，但是已经证明二氧化碳对具有重大环境影响的著名“温室效应”负有责任。
前述污染物的形成既来源于燃料中的杂质(例如，对于硫氧化物，由气体或煤中所包含的硫形成)，又来源于燃烧过程中涉及的非常复杂的反应。例如，剩余的碳氢化合物和微粒来自于碳的不完全燃烧，而氮氧化物通过涉及氮的复杂化学反应而形成，这在燃烧空气中是不可避免要出现的。
存在一系列的补救及预防方式以试图减小燃烧过程的环境影响，这些方式一般基于烟雾处理原理从而去除某个污染物，或者修改燃烧参数(例如，减小回收废气的温度)从而防止污染物的形成。然而，这些预防方式中的一些方式(例如，烟雾的脱硫或脱氮)昂贵且复杂，并且仅能够应用在大的装置中。然而，已知许多污染物甚至来源于中型或小型的锅炉(例如，用于加热的锅炉)，而且也来源于车辆发动机。
对燃料的预处理(例如，去除硫、杂质等)可专用于大型系统，并且仍然不能完全解决上面概括的问题。在现有技术中，对燃烧空气的处理包括对空气的预热(实施预热是为了提高产率)和/或利用一部分废气进行稀释，这可减小温度峰值，并减少一些污染物特别是NOx的形成。
更详细而言，对于车辆(轻型及重型)的内燃机，近些年已试图通过采用烟雾的催化处理(由于日益严格的标准而成为必须)解决它们对环境的影响。而且，柴油机对于大量的微粒排放负有责任，其试图在所谓的微粒过滤器中以随后的烟燃烧而减少该微粒排放。然而，这些过滤器价格昂贵且不是总能应用到现有的车辆中。
对于确定的线性路径，发动机废气中包含的微粒与暗度系数k相关，该暗度系数k与入射光的亮度和穿过烟雾的亮度的比值相关。例如，在国际标准ISO11614：1999中描述了用于测量暗度系数的方法。
一般而言，采用日益强硬的排放标准带来一系列的经济问题，包括：新汽车的成本增加、二手汽车的价值损失，以及不符合最新标准的车辆无法到达历史中心。
发热领域遭遇类似的问题。例如，已知锅炉和加热系统对大气污染有同等大的贡献。
发明内容
本发明所基于的问题是提供一种简单、有效且低成本的系统，用于减少燃烧过程的环境影响。本发明特别要提供一种既能应用在固定装置(例如，锅炉)中又能应用在汽车发动机中的系统。
本发明所基于的构思包括对燃烧空气或者燃烧控制的至少一部分进行预先电离处理。因而，本发明的第一方面包括一种用于处理燃烧过程中的燃烧气流的方法，其特征在于，燃烧气流的至少一部分被电离，得到被电离气流，并且所述被电离气流被馈送给所述燃烧过程。
出于本发明的目的，术语“燃烧空气”旨在指代大气空气或者富含氧气和/或可能与其它气体混合的空气，例如与回收的废气混合的空气。术语“将所述燃烧气流进行电离”旨在表示燃烧气流或其至少一部分在与燃料混合和/或与燃料接触之前、并且优选地在进入燃烧室之前经受电离过程。
通过使燃烧气流的至少一部分经过合适强度的电场，实现所述电离过程。例如，气流拂过产生电场并导致空气电离的至少一个电离器。电离过程、特别是空气的电离是是已知的，因此本文没有详细描述。电中性的空气分子(主要是O2、N2)分裂为带正电荷或负电荷的两个或三个部分(离子)。该分裂是通过增加能量实现的。优选地，根据本发明，通过产生合适的电场而引起电离。
在本发明的一些实施例中，燃烧气流或者燃烧气流的至少一部分穿过具有直流或交流高电压的交流电场，该电场的标称值是几千伏特，优选地是2kv与5kV之间且更优选地是2kv与3kV之间。然而，在其它实施例中，可能采用更高的值，例如9kV。如果电离电压是交变的，则振荡频率优选是约50kHz，例如在40kHz与60kHz之间，并且更优选地在45kHz与50kHz之间。特别地，在应用于狄塞尔循环内燃机时，为了在汽车中使用，利用以约2500V标称电压及约50kHz频率操作的电离器能够获得最佳结果。电离器被布置为截取由内燃机吸入的气流，优选布置在气流计(气流速率传感器)的上游。
本发明一方面包括对空气的电离过程进行控制，作用是限制正离子的产生，从而得到适合于特定应用(示例锅炉或发动机)的成比例的正离子和负离子。本发明的特定方面包括控制空气的电离，以得到包含成预定比例的正离子与负离子的被电离燃烧气流。申请人已经发现，在已知的电离过程中，产生的正离子实质多于产生的负离子，这也归因于正离子的平均寿命相比负离子的几秒钟的平均寿命更长并能够达到几分钟。因此，被馈送以例如对称交流电压的电离器往往产生所生成的正离子超过最佳值的被电离气流。正离子的过度产生对人会有害，并且在燃烧应用中还发现由于臭氧是惰性气体而不会促进燃烧。
本发明的一方面包括限制正离子的产生，得到正离子与负离子之间的预定比例。对电离过程的控制基本上以电离电压的正分量的衰减或减少来实现，其中电离电压例如由通过高电压栅极变压器向电离设备提供的电源电压来代表。优选地，比例约为1∶4，即，2/10的正离子和8/10的负离子。
下面是优选实施例。
在第一实施例中，电离设备由高电压栅极变压器馈送，并且所述变压器包括连接至脉冲型馈送电路的初级线圈以及连接至所述电离设备的至少一个电极的次级线圈。优选地，通过至少一个电子开关(例如，MOS-FET)，变压器的初级线圈接地。通过这种方式，闭合所述开关会引起变压器初级线圈中的电流，并且断开所述开关会导致次级线圈中的电流脉冲以及能量向电离设备转移。该开关能够利用振荡器提供的矩形波信号来控制。
更详细地，开关的断开相当于将一个电流脉冲(因而将能量)转移至变压器的次级线圈，然后转移至电离设备。电离过程基本发生在所述脉冲的上升前沿期间。根据本发明的一个方面，开关的断开及闭合频率使得：两个脉冲之间的时间段与将开关闭合时间期间从初级线圈中电流流过得到的能量转移至次级线圈所需的时间基本相当。本申请人已经发现，通过这种方式，产生的离子主要是负离子，并获得期望的受控制的双极电离效应。
在可能的构造形式中，电离设备实质上包括由电介质材料的主体隔离的两个电极；所述两个电极中的一个接地，且另一个电极由所述脉冲电路进行馈送。
根据另一个实施例，电离设备，例如管形电离器的一个电极被馈送以电压V(t)，该电压V(t)具有相对于参考零电压随时间(t)交变的趋势。所述电压V(t)代表引起空气电离的信号。根据本发明一些方面，与所述电压V(t)的负半波关联的RMS(Root Mean Square，均方根)值大于与正半波关联的RMS值。因此，从电压V(t)的正的部分转移的能量小于由同一函数的负的部分转移的能量。所述电压V(t)相对于零可以是对称的或不对称的，并且具有不同的波形；优选地，所述电压V(t)大致为正弦曲线。
例如，可通过以下方法之一实现对正半波的RMS值的所述衰减。在第一方法中，函数V(t)相对于零是不对称的，即，正半波的峰值比负半波的峰值低(绝对值)。例如，函数V(t)基本上是相对于零线并朝向负值偏移的正弦曲线。在第二方法中，对关于零对称的电压V(t)通过正峰值矫正从而进行正半波衰减。通过对电压信号的正半波的衰减可以减小正电压的RMS值。例如，通过包括一个或多个电阻及至少一个二极管的一系列无源元件，能够实现所述衰减。
第二实施例提出的电离设备包括：被馈送以正直流电压的用于产生正离子的至少一个电极，以及被馈送以负直流电压的用于产生负离子的至少一个电极，所述负电压具有比所述正电压更高的绝对值。例如，该电离设备为针型，具有接收正电压的一个或多个电极(针)以及同样多的接收负电压的电极。
因此，根据本发明，用于控制电离器的电路包括：至少一个高电压栅极变压器，该变压器通过适合对来自该变压器的信号进行放大的一系列二极管及电容器而连接至相应的电离电极；以及适合对所述变压器提供的电压的正分量进行衰减或减小的控制装置。在不同实施例中，前述电极可通过被馈送以直流电压的针或者通过管形电离器的电极或电容器板来代表。
采用上述方法及相关电路，通过产生电场引起空气的电离，其中在该电场中，与正电压(在直流或正弦信号的正半波中)关联的能量转移小于与负电压关联的能量转移。正离子的产生受到控制，并且实现正离子与负离子之间的前述平衡。
申请人已注意到，在对燃烧空气进行预先电离处理之后，污染物下降惊人。据信这归因于由电离过程所引起的自由基的形成，该自由基进入燃烧室并防止污染物形成，但并非想将此作为限制。应注意，电离是已知的过程，但是到目前为止，它还仅被建议用于封闭空间、办公室等中的环境处理，以改善空气质量。另一方面，在燃烧过程中，现有技术通常教导处理燃烧烟雾或者提前处理燃料(脱硫，等)。相反地，申请人已经发现，对于燃烧空气进行预先的电离处理可得到显著的优点。在现有技术中，燃烧空气通常未被处理或者最多被加热以提高产率。
受控的双极电离、即控制正离子与负离子之间的比例，代表本发明的优选实施例，并且具有在燃烧室中减少臭氧形成的进一步的优点，以及限制正离子排放(已发现其对健康有害)的优点。然而，这不排除为了实现更多地生成自由基而促进臭氧产生的可能性。
优选的应用包括对内燃机、更优选是狄塞尔循环发动机吸入的空气进行电离。根据本发明特别优选的方面，内燃机包括至少一个电离器，该电离器被定位成对内燃机吸入的气流进行作用，优选在测量吸入空气流速的气流计(若设置的话)的上游。本发明可有益地应用到汽车发动机(两冲程和四冲程均可、奥图循环、狄塞尔循环或其它)中。本发明可能的应用既涉及摩托车或者轻型车辆，也涉及重型车辆。本发明可应用到新汽车中，或者作为售后附件改善现有车辆。已确定在摩托车的狄塞尔循环发动机中具有特别显著的有益应用，并且特别用于减小污染物的排放及烟雾的暗度。
因此，本发明的特定方面包括用于对汽车内燃机进行馈送的系统的改装方法，其特征在于：在馈送给所述内燃机的空气的通道上布置至少一个电离器，使得所述电离器与内燃机吸入的空气的至少一部分相遇；并提供所述电离器的控制电路，用于控制所述电离器，以启动如前所述对内燃机吸入的空气的至少一部分进行电离处理。
本发明的一个方面由用于改装汽车内燃机的套件代表，该套件包括：至少一个电离器，用于安装在馈送给内燃机的空气的通道上；以及所述电离器的合适的控制电路。
本发明的优点在于成本低及应用容易。例如，对于摩托车领域，本发明仅需要以低人力成本对传统内燃机的入口进行修改。其还可有利地以与已知“改装”系统(其通常涉及对排气系统进行实质改动)相比低得多的成本应用于现有范围的车辆。而且，所描述的使用电压脉冲的控制系统允许获得所谓的双极电离，其中正离子与负离子之间的比率被限定在预定范围内，从而避免过度产生已知是另一个污染因素的臭氧。
本发明的另一方面包括执行燃烧过程的锅炉、发动机或者另一个设备，用于如前所述对燃烧空气进行处理，产生热量和/或机械能或电能。
通过下面详细的说明以及借助于附图，本发明的特点和优点将更加清晰。
附图说明
图1示出本发明应用的总图。
图2示出根据本发明的一方面制造的空气电离箱，该空气电离箱能够用于例如汽车发动机。
图3代表根据本发明优选实施例的图1和图2的管形电离器的可能的电路图。
图3A代表输入给图3的控制电路的电压信号，并且图3B给出图3的脉冲馈送电路的操作原理的示例。
图4代表根据本发明另一实施例的电路图。
图4A和图4B分别代表输入给图4的控制电路以及从图4的控制电路输出的电压信号。
图5代表根据本发明进一步实施例的电路图。
图5A和图5B分别代表输入给图5的控制电路以及从图5的控制电路输出的电压信号。
具体实施方式
图1示意性示出接收燃料流F及燃烧气流A*的燃烧室C，其中燃烧气流A*在表示为10的设备中提前被电离。例如，燃烧室C可代表锅炉的燃烧室(例如用于生成热水、加热等等)或者代表内燃机的燃烧室。从燃烧室C排出的是废气流G。
在图1的示例中，设备10由箱11示意性表示，在箱11里设置管形电离器12。该电离器12对输入气流A作用，产生经电离的气流A*。进入设备10的所述气流A能够从外部吸入，该气流A可能经过过滤或与回收的燃烧废气混合。
在图2中更详细地示出了优选应用。所述图2示出能够应用于例如汽车发动机的空气电离箱20。所述电离箱具有带有空气入口22的主体21，并且具有在先前情况中表示为12的管形电离器。该电离箱20可安装在发动机舱中，从而截取由发动机本身吸入的气流。
所述电离器12大小与发动机的功率成比例。已经发现，具有大约10mm直径及45mm长度的管形电离器适合低功率发动机(不超过约90HP)；长度是120mm且具有约50mm直径的电离器适合中型功率发动机(不超过约150HP)，并且长度是195mm的电离器适合超过150HP的发动机。提供这样的数值是作为指导但并非用于限制目的。
下面详细描述本发明的一些优选实施例。
第一实施例
电离器12包括由石英或其它绝缘电介质材料制成的大致圆柱形的管100。该管装配有内片101并具有外网102，内片101和外网102都由导电材料(例如，金属材料)制成。所述内片101和外网102基本上形成电容器的电容器板并且大致在管100的整个长度上延伸。网102接地，而其它电容器板(即，片101)连接至高电压栅极变压器T的次级线圈103(处于高电压)的一端。所述线圈103另一端接地。
所述变压器T连接至脉冲馈送电路106，该脉冲馈送电路106基本上基于电子开关109的使用。当所述开关109闭合时，电流穿过变压器的初级线圈；当开关断开时，能量转移给次级线圈以及连接至次级线圈的电离器。更详细地，所述变压器T的初级线圈104连接至处于低直流电压(12V)的馈线105并连接至控制电路106，该控制电路106实质上包括矩形波振荡器107、驱动级108和电子MOS开关109。所述开关109具有闭合时间，该闭合时间是由振荡器所产生的矩形波的正脉冲给出的。在图3A中，输入信号V3，in被示为12V直流电(DC)。
图3B示出使开关109闭合的振荡器的矩形波200(曲线图a)，并示出代表变压器T的次级线圈中的电流的曲线201(曲线图b)。开关109的闭合(导电)时间与图3B中时间tA与tB之间的时间段对应。在时间tB，对变压器的馈送中断并生成曲线201的上升前沿202，这对应于能量通往电离器设备12，因而通往实际电离过程。开关的断开及闭合频率优选地使得：两个脉冲之间(即，开关的、生成上升前沿202的两次连续断开之间)的时间段与从初级线圈到次级线圈的全部能量转移所需的时间段基本相等。
优选地，集成在图3的电路图中的设备是由Philips生产的HEF40106BP型号；MOS-FET开关是由美国国际整流器公司(International Rectifier，IR)生产的IRFZ44NL。在图3中，使用本领域技术人员已知的符号，因此认为不必进行任何进一步的描述。
有益地，控制电路包括万一出现可能损坏系统的过电压(例如，高达16VDC，而标称电压是12V DC)时的电压控制，并且控制电路还包括用于调整振荡频率的调整器。
第二实施例
参考图4，电离器12在结构上与图3所示示例中的电离器类似，包括由绝缘材料制成的管100、内片101和外网102。电压由高电压栅极变压器提供，在变压器中，初级线圈120接收例如图4A中的交流正弦电压V4，in，并且次级线圈121提供电压V4，out，该电压V4，out经过电阻122、123、124和二极管125获得，带有正峰值矫正(图4B)。通过上述无源元件122-125，正半波在比S形峰值电压值Vp低的最大值V*处矫正。图4B中以虚线表示的峰值区域被信号“切割”，因此，正半波的RMS(均方根)电压值小于负半波的RMS电压值，其与图3B的信号类似。例如，图4A的输入信号是220V AC(交流电)而图4B的信号达到2.7kV AC。
应该理解，在图3及图4的实施例中，从正半波转移的能量小于从负半波转移的能量。
第三实施例
带针的电离器(图5)包括连接至正极130的电极或针(或相应多个针)，以及连接至负极131的对应的一个或多个针。220V的交流供电电压或者12V的直流电压在第一升压变压器132中被升高，然后在变压器133中被进一步升高，并且被一系列的电容器和二极管134、135整流，得到连续的输出信号(DC)。这些细节是已知的，因此不详细描述。借助于合适的调整器136、137、138，通过衰减该正极130的正电压电平而调整在正、负极130、131处的输出信号。例如，根据图5A的处于220V AC的输入信号提供4.5kV DC正电压输出信号(V5+)以及5kV DC负电压(V5-)。
参考前述实施例，在操作期间在电极(例如，图3、图4中的内片101与外网102之间)之间或者在连接至正、负极130和131的针(图5)之间建立的电场对拂过所述管100的气流进行电离，释放大量的离子。如此电离的空气进入发动机的燃烧室中，允许更容易地点燃燃烧剂，并且由电离的空气生成的自由基的出现使分子(混合了燃烧剂的空气)趋于产生较少微粒残渣(NOx、SOx、CO)的聚集。这对于汽车消耗降低以及在发动时发动机更好的响应有利。
示例
对汽车型号Opel Astra GTC 150 HP进行废烟的暗度测试。于是对该车辆进行改装，添加120mm的管形电离器，在电容器板之间的标称电压为2500V(峰值是3500V)以及振荡频率等于47.2kHz。电离器插在送气通道上，在气流计的上游，从而基本截取由发动机吸入的全部气流。电离器容纳在图2所示类型的箱中，并且该箱被布置在发动机舱中。电离器产生约50000 ION-/cm3(负离子每cm3)及约10000 ION+/cm3。
暗度系数k由暗度计BOSCHRTM 430测量，得到下面的结果。
无电离设备：在常规保养检查时对烟雾的暗度测试显示出0.77与0.91之间的常数k的值。在无电离设备的情况下，在约40天后执行第二次测试，显示出1.11与1.57之间的常数k的值。然后，安装上本申请所述类型的电离设备。在暗度测试后大约两个月，又采用相同手段执行了测试，显示出下面的值：
-有电离设备：暗度系数k在0.04与0.07之间；
-无电离设备：暗度系数k在0.17与0.23之间。
考虑该数据可以看出，带着根据本发明的空气电离系统使用车辆一段时间，废烟暗度大幅降低，因此减少了微粒的排放。已经发现，对燃烧空气进行电离具有清洁燃烧室的作用，因此在烟雾中具有更少的微粒，这随着时间的推移本身即能证明，并且即使拆下该设备也会保持一定的时间。还发现，由于发动机能够以低于制造商声称的转速的较低转速实现最大扭矩，这还改善了车辆的性能，因此车辆加速更快。消耗测试也已表明消耗下降。经过约600km的行程，记录了下面的消耗值：
-有电离设备：约5.2-5.7升/100km
-无电离设备：约6.7-6.8升/100km。

Claims (10)

1.一种用于处理燃烧过程中的燃烧气流的方法，其中，所述燃烧气流的至少一部分被电离，得到被电离气流，并且所述被电离气流被馈送给所述燃烧过程；控制所述燃烧气流的电离以限制正离子的产生，得到正离子与负离子之间的预定比例；所述方法包括衰减或减小电离电压的正分量，以实现对生成正离子的所述限制，通过至少一个电离设备对所述燃烧气流进行电离，所述电离设备包括由电介质材料制成的主体(100)隔离的两个电极(101、102)；所述两个电极中的一个(102)接地并且另一个电极(101)被馈送以电压V(t)，该电压V(t)具有相对于零电压随时间而交变的值，其中，与所述电压V(t)的负半波关联的RMS值大于与正半波关联的RMS值，受电压作用的所述电极(101)连接至高电压栅极变压器的次级线圈(121)，并且提供给所述电极的电压信号的正半波通过一个或多个电阻(122-124)和至少一个二极管(125)被衰减，实现对正半波的峰值的矫正。
2.根据权利要求1所述的方法，正离子与负离子之间的所述比例为1∶4，即，2/10的正离子及8/10的负离子。
3.根据前述权利要求1或2所述的方法，导致空气电离的电场的电压的标称值在2kv与5kV之间。
4.根据权利要求3所述的方法，所述电场具有在20kHz到60kHz之间的振荡频率。
5.根据权利要求1所述的方法，所述燃烧气流的至少一部分在燃烧室的入口的上游被电离，得到所述被电离气流。
6.根据权利要求1、2、4和5中任一项所述的方法，所述电离设备是管式设备，包括电介质管以及分别在所述管的内部和外部的两个电极。
7.根据权利要求1、2、4和5中任一项所述的方法，其中：
-所述燃烧过程是在狄塞尔循环内燃机中的燃烧过程；
-所述燃烧空气的电离利用以2500V的标称电压及50kHz的频率操作的管形电离器(12)实现。
8.一种用于改装汽车内燃机的方法，其特征在于：
-在馈送给所述内燃机的空气的通道上设置至少一个电离器(12)，使得所述电离器与所述内燃机吸入的空气的至少一部分相遇，
-提供所述电离器的控制电路(106)，用于控制所述电离器以根据任一前述权利要求启动对所述内燃机吸入的空气的至少一部分进行电离处理。
9.一种用于改装汽车内燃机的馈送系统的套件，包括：至少一个电离器，用于安装在所述内燃机的送气通道上；以及所述电离器的控制电路，用于根据前述权利要求1-7中任一项启动对所述内燃机吸入的空气的至少一部分进行电离处理。
10.一种汽车，包括：内燃机以及安装在所述内燃机的送气通道上的至少一个电离器；以及所述电离器的控制电路，用于根据前述权利要求1-7中任一项启动对所述内燃机吸入的空气的至少一部分进行电离处理。
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