CN103821637B - 内燃机和用于运行内燃机的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种内燃机，具有：主燃烧室，用于燃烧第一燃烧混合物；对于每个主燃烧室存在预燃烧室，用于燃烧第二燃烧混合物；第一燃烧气体混合器，提供第一燃烧混合物并与燃料输入管道和空气输入管道相连；第二燃烧气体混合器，提供第二燃烧混合物并与燃料输入管道、空气输入管道及合成气体输入管道相连；第一混合物管道，与第一燃烧气体混合器及主燃烧室相连；第二混合物管道，与第二燃烧气体混合器及预燃烧室相连；预燃烧室具有到主燃烧室的贯穿开口，第一燃烧气体混合器和合成气体输入管道相连，设有控制或调节装置以控制或调节第一和/或第二燃烧混合物的燃料、空气和合成气体的混合比，该控制或调节装置与第一和/或第二燃烧气体混合器相连。

Description

内燃机和用于运行内燃机的方法
技术领域
本发明涉及一种内燃机以及一种用于运行该类内燃机的方法。
背景技术
在EP 359 298 A2中公开了一种带有主燃烧室和预燃烧室的内燃机，对于该内燃机而言，从转化器向预燃烧室输入合成气体。因为合成气体含氢，由此改进内燃机的点火性能。
在WO 2008/150370 A1中公开了一种带有废气再循环的内燃机，其中，废气在材料方面和燃料一起在转化器中转化为合成气体。这有助于降低内燃机废气中的不希望的排放。
利用上述两种积极效果很难，因为根据内燃机的工作点，用于两种效果的燃烧气体中的最佳合成气体含量存在差异。此外，燃气发动机对合成气体的利用受到取决于气体成分(H2、CO、CH4、含三个或者多个碳原子的碳水化合物以及水蒸气)和发动机的工作情况(功率、增压……)的自燃情况以及取决于气体成分的爆燃限制。
发明内容
本发明的任务在于，使上述两种积极效果可同时优化利用，并完全或者部分消除上述限制。
该任务通过一种具有的内燃机以及一种用于运行内燃机的方法加以解决。按照本发明的内燃机具有：至少一个主燃烧室，用于燃烧第一燃烧混合物；对于每个主燃烧室，至少一个预燃烧室，用于燃烧第二燃烧混合物；第一燃烧气体混合器，用于提供第一燃烧混合物，该第一燃烧气体混合器与燃料输入管道和空气输入管道相连；第二燃烧气体混合器，用于提供第二燃烧混合物，该第二燃烧气体混合器与燃料输入管道、空气输入管道以及合成气体输入管道相连；和第一混合物管道，该第一混合物管道与第一燃烧气体混合器以及主燃烧室相连；第二混合物管道，该第二混合物管道与第二燃烧气体混合器以及预燃烧室相连；其中，预燃烧室具有至少一个到主燃烧室中的贯穿开口；所述内燃机的特征在于，第一燃烧气体混合器为了混合合成气体而与合成气体输入管道相连，并且设有一个控制装置或者调节装置，用于对第一燃烧混合物中和/或第二燃烧混合物中的燃料、空气和合成气体的混合比加以控制或者调节，该控制装置或者调节装置与第一燃烧气体混合器和/或与第二燃烧气体混合器相连。
这一方面通过不仅向预燃烧室、而且向主燃烧室至少按份额输入合成气体，以及另一方面通过两个分开的燃烧气体混合器(优选根据内燃机的工作点)对用于主燃烧室和预燃烧室的燃烧气体成分相互独立地进行调节来实现。
通过调节或者控制合成气体份额可以实现最佳的用于内燃机的工作点。一方面，这通过随着合成气体份额的增加、亦即燃烧气体中的氢含量的增大从而发动机的燃烧技术效率得以提高而得到。另一方面，随着合成气体份额的增大，设备的能源效率降低，因为在转化器中出现了较高的损失。该联系在图2中作了说明。
在US 2004/0045514 A1中公开了一种内燃机，其中，不仅向主燃烧室、而且向预燃烧室输入来自转化器的继续处理后的反应产物，一方面应赋予用于主燃烧室的液态燃料高的辛烷值，另一方面应改进点火。但既不需要设置控制，也不需要设置调节混合比。
为了向控制装置或者调节装置提供尽可能多的关于发动机状态的信息，可以在燃料输入管道中和/或在空气输入管道中和/或在废气管道中和/或在蒸汽输入管道中和/或在合成气体输入管道中设有体积流量测量仪，所述体积流量测量仪与调节装置或者控制装置相连。体积流量测量仪也可以构成为体积流量调节阀，该体积流量调节阀除了对体积流量进行测量外还拥有调节阀和调节回路。
优选规定，在控制装置或者调节装置中可计算出给定混合比，并根据给定混合比对在内燃机第一燃烧气体混合器中和在内燃机第二燃烧气体混合器中的燃料、空气和/或合成气体的混合比进行调节或者控制。给定混合比根据工作点和使用范围以及自然对于发动机的主燃烧室和预燃烧室而有所不同。
通过针对相应的应用(高发动机功率、高发动机效率、低排放)对限定的燃烧气体成分进行相应的调节，应根据所使用的燃料和排放规定能实现对优化的发动机运行。其中有利的是，在一定的浓度限制之内分别对氢、一氧化碳和甲烷以及较高的碳氢化合物的份额进行调节。
为了例如针对尽可能低的有害物质排放优化燃气发动机，用于主燃烧室的第一燃烧混合物(给定燃烧气体成分)具有份额为20％至30％的氢和份额为5％至10％的一氧化碳。(所有的比例数据涉及体积份额)。
作为第二个示例，可以用除了甲烷外还含有较高碳氢化合物的燃料来引导燃气发动机以便运行，其中，应实现尽可能高的发动机功率。在该情况下，第一燃烧混合物的给定燃烧气体成分可以具有份额为35％至45％的氢、5％至10％的一氧化碳和最大5％的较高的碳氢化合物。
为了燃气发动机的改进的点火性能和降低排放，用于预燃烧室的第二燃烧混合物的给定燃烧气体成分可以包含份额为25％至40％的氢、5％至10％的一氧化碳和20％至30％的甲烷。
为了针对控制装置和调节装置使得可对合成气体的成分进行良好地估算，可以使用转化器转换函数来计算给定混合比。由此通过根据指向转化器中的物料流的体积流量以及在转化器中的输入和输出温度作为转化器转换函数的数值计算生成的合成气体的不同组成成分的浓度，避免耗费地测量合成气体组成成分的不同浓度。转化器转换函数可以通过测量或者热动态模拟进行生成。
为进一步改进在预燃烧室中的点火性能，可以在第二混合物管道中设有压缩机，由此可以在预燃烧室中实现更高的喷射压力。
可以规定，内燃机具有用于生成合成气体的转化器，该转化器与燃料输入管道和空气输入管道相连。在这里有利的可以是，转化器还与水输入管道和/或废气管道相连。
通过将废气再循环到转化器中，提高设备效率。
在按照本发明的用于运行内燃机的方法中：由燃料、空气和合成气体混合第一燃烧混合物和第二燃烧混合物，对第一燃烧混合物中和/或第二燃烧混合物中的燃料、空气和合成气体的混合比加以控制或者调节；和将第一燃烧混合物输入给主燃烧室，而将第二燃烧混合物输入给预燃烧室。
根据本发明方法的一种优选实施方案，在燃料输入管道中和/或在空气输入管道中和/或在废气管道中和/或在蒸汽输入管道中和/或在合成气体输入管道中分别测量至少一个体积流量。
根据本发明方法的另一种优选实施方案，根据测量到的所述至少一个体积流量对于第一燃烧混合物的和/或第二燃烧混合物的混合比计算燃料、空气和合成气体的给定混合比。
根据本发明方法的又一种优选实施方案，借助转化器转换函数计算用于达到给定燃烧气体成分的给定混合比。
根据本发明方法的再一种优选实施方案，对第二燃烧混合物在输入给预燃烧室之前进行压缩。
根据本发明方法的另一优选实施方案，在转化器中生产合成气体。
附图说明
本发明的其他优点和细节根据附图以及所属的附图说明得出。其中：
图1示出根据本发明的内燃机的示意图，和
图2示出根据本发明的内燃机的最佳工作点的说明图。
具体实施方式
图1示出内燃机-转化器设备的连接图。示出了主燃烧室1、预燃烧室2以及转化器3。通过空气输入管道5将空气L、通过燃料输入管道4将燃料从燃料箱T以及通过合成气体输入管道6将合成气体S输入给内燃机30。第一燃烧气体混合器24和第二燃烧气体混合器25由此混合第一燃烧混合物BG1或者第二燃烧混合物BG2。将第一燃烧混合物BG1通过第一混合物管道10输入给主燃烧室1，而将第二燃烧混合物BG2通过第二混合物管道10’输入给预燃烧室2。如果第二燃烧混合物BG2在预燃烧室2中被点火，则通过贯穿开口33出现点火火舌，该点火火舌对主燃烧室1中的第一燃烧混合物BG1进行点火。此外，内燃机30可以具有在第二混合管道10’中的压缩机26以及具有涡轮增压器27。内燃机30的废气A通过废气管道9排出。
用于第一燃烧气体混合器24和第二燃烧气体混合器25的混合比在控制装置或者调节装置31中确定，其中，该控制装置或者调节装置与两个燃烧气体混合器相连。未示出调节装置或者控制装置或者调节装置31与所有体积流量调节阀32的连接，因为这在绘图中将会比较困难且对理解并无帮助。在燃料输入管道4、空气输入管道5、合成气体输入管道6、蒸汽输入管道8以及废气管道9中分别存在至少一个体积流量调节阀32。借助在体积流量调节阀32中调节后的体积流量和必要时借助转化器转换函数，控制装置或者调节装置31能够对混合比如此进行调节，使得在燃烧混合物中存在期望浓度的氢、一氧化碳、甲烷等。
在该实施例中，通过空气输入管道5和废气管道9将空气和来自内燃机30的废气输入给另一混合装置18。由此在该另一混合装置18中混合第一物料流并且将该第一物料流通过输入管道11继续输送。
从水箱W中借助泵36将水通过水输入管道7输入给蒸发器20。该蒸发器20可以构造成不同类型的。优选如下一种实施方式，在该实施方式中蒸发器20构造成与废气管道9热耦联的热交换器或者构造成与合成气体管道6热耦联的热交换器。
在水输入管道7中设置有加热元件23。该加热元件也可以构成为热交换器。在这里，加热元件23便与在第一冷却元件16和第二冷却元件17之间的合成气体管道6热耦联或者与第一冷却元件16热耦联。
在蒸发器20中生成的水蒸气通过蒸汽输入管道8输入给另一混合装置19。通过燃料管道4还将燃料输入给所述另一混合装置19。在所述另一混合装置19中，由蒸汽和燃料混合出第二物料流并且将该第二物料流通过第二输入管道12继续输送。
此外，在混合装置19上游在燃料管道4中连接有预加热元件21，该预加热元件可以构成为热交换器。在此，预加热元件可以构成为与第一冷却元件16、与内燃机的冷却回路和/或与合成气体管道6热耦联。冷却回路未示出，因为它在现有技术中已经公知。
通过空气输入管道5和废气管道9将空气和来自内燃机30的废气输入给所述另一混合装置18。此外，在所述另一混合装置18中对第一物料流进行混合，并将第一物料流通过输入管道11继续输送。
第一输入管道11和第二输入管道12在它们流经第一热交换器13或者第二热交换器14之后通入混合装置28中。在其中形成混合物，该混合物通过混合物管道29输入给转化器3。从转化器3导出的合成气体输入管道6通过第一热交换器13以及第二热交换器14，其中，设有一个旁通管道22作为绕过第二热交换器14的绕行路。此外，在合成气体输入管道6中设置有合成气体冷却装置15，该合成气体冷却装置由第一冷却元件16和第二冷却元件17组成。
借助合成气体输入管道6中的加热元件34在合成气体冷却后可以对合成气体重新进行加热。通过冷却、水分离和加热的顺序可以将合成气体的相对湿度保持在对于发动机合适的水平。
在废气管道9中设有热交换器21。
在该实施例中，在空气输入管道5中设置有压缩机35。
在图2中，一方面示出整个设备的效率的质量性能，另一方面示出燃烧技术方面的效率。其中，燃烧技术效率通过混合合成气体得以提高，而整个设备的效率在燃烧气体中的合成气体份额提高的情况下而提高。最佳工作点位于在各竖直线之间的区域内，该区域与两个图表相交的区域相当。
本发明并不局限于本实施例。尤其是也可以通过直接测量或者跟踪模拟转化器来确定燃烧气体的成分。测量或者模拟数值便可以传送给用于控制或者调节混合比的控制装置或者调节装置。

Claims (13)

1.内燃机，具有：
-至少一个主燃烧室(1)，用于燃烧第一燃烧混合物(BG1)，
-对于每个主燃烧室(1)，至少一个预燃烧室(2)，用于燃烧第二燃烧混合物(BG2)，
-第一燃烧气体混合器(24)，用于提供第一燃烧混合物(BG1)，该第一燃烧气体混合器与燃料输入管道(4)和空气输入管道(5)相连，
-第二燃烧气体混合器(25)，用于提供第二燃烧混合物(BG2)，该第二燃烧气体混合器与燃料输入管道(4)、空气输入管道(5)以及合成气体输入管道(6)相连，和
-第一混合物管道(10)，该第一混合物管道与第一燃烧气体混合器(24)以及主燃烧室(1)相连，
-第二混合物管道(10’)，该第二混合物管道与第二燃烧气体混合器(25)以及预燃烧室(2)相连，
其中，预燃烧室(2)具有至少一个到主燃烧室(1)中的贯穿开口(33)，其特征在于，第一燃烧气体混合器(24)为了混合合成气体(S)而与合成气体输入管道(6)相连，并且设有一个控制装置或者调节装置(31)，用于对第一燃烧混合物(BG1)中和/或第二燃烧混合物(BG2)中的燃料、空气和合成气体的混合比加以控制或者调节，该控制装置或者调节装置与第一燃烧气体混合器(24)和/或与第二燃烧气体混合器(25)相连。
2.根据权利要求1所述的内燃机，其特征在于，在燃料输入管道(4)和/或空气输入管道(5)和/或废气管道(9)和/或蒸汽输入管道(8)中和/或合成气体输入管道(6)中分别设有至少一个体积流量测量仪(32)，该体积流量测量仪与控制装置或者调节装置(31)相连。
3.根据权利要求2所述的内燃机，其特征在于，在控制装置或者调节装置(31)中基于体积流量可计算出给定混合比，其中，体积流量由所述至少一个体积流量测量仪(32)可测量，在第一燃烧气体混合器(24)中和在第二燃烧气体混合器(25)中的燃料、空气和合成气体的混合比根据给定混合比可调节或者可控制。
4.根据权利要求3所述的内燃机，其特征在于，用于达到给定燃烧气体成分的给定混合比在控制装置或者调节装置(31)中借助转化器转换函数可计算。
5.根据权利要求1至4中的一项所述的内燃机，其特征在于，在第二混合物管道(10’)中设有压缩机(26)。
6.根据权利要求1至4中的一项所述的内燃机，其特征在于，设有用于生成合成气体的转化器(3)，该转化器与燃料输入管道(4)和空气输入管道(5)相连。
7.根据权利要求6所述的内燃机，其特征在于，所述转化器(3)与蒸汽输入管道(8)和/或废气管道(9)相连。
8.用于运行内燃机(30)的方法，其中：
-由燃料、空气和合成气体(S)混合第一燃烧混合物(BG1)和第二燃烧混合物(BG2)，对第一燃烧混合物(BG1)中和/或第二燃烧混合物(BG2)中的燃料、空气和合成气体的混合比加以控制或者调节，和
-将第一燃烧混合物(BG1)输入给主燃烧室(1)，而将第二燃烧混合物(BG2)输入给预燃烧室(2)。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，在燃料输入管道(4)中和/或在空气输入管道(5)中和/或在废气管道(9)中和/或在蒸汽输入管道(8)中和/或在合成气体输入管道(6)中分别测量至少一个体积流量。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，根据测量到的所述至少一个体积流量对于第一燃烧混合物(BG1)的和/或第二燃烧混合物(BG2)的混合比计算燃料、空气和合成气体(S)的给定混合比。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，借助转化器转换函数计算用于达到给定燃烧气体成分的给定混合比。
12.根据权利要求8至11中的一项所述的方法，其中，对第二燃烧混合物(BG2)在输入给预燃烧室之前进行压缩。
13.根据权利要求8至11中的一项所述的方法，其中，在转化器(3)中生产合成气体(S)。
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