CN104179604B - 使用经部分氧化柴油燃料的推进装置和运行该装置的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及使用经部分氧化柴油燃料的推进装置和运行该装置的方法。本发明涉及用于车辆的推进装置，其包括对燃料进行部分氧化的装置(2)、燃料罐(1)和柴油内燃机(4)，其中推进装置的特征在于，对燃料进行部分氧化的装置(2)与燃料罐(1)和柴油内燃机(4)处于流体连接，这导致在车辆中携带的至少一些燃料在柴油内燃机中燃烧之前进行部分氧化。这个种类的装置的优点在于，在燃烧燃料期间形成显著更少的原积炭，并且这个积炭此外可收集在后续过滤器中且在低燃尽温度下完全燃烧。本发明进一步涉及用于运行这种推进装置的各种方法和在描述的推进装置中使用经部分氧化燃料，以减少积炭排放。

Description

使用经部分氧化柴油燃料的推进装置和运行该装置的方法
技术领域
本发明涉及用于基于柴油内燃机的车辆的推进装置，其中，要燃烧的燃料最初部分地氧化，并且然后作为与未氧化燃料的混合物在柴油内燃机中燃烧。本发明此外涉及用于使用至少经部分氧化的柴油燃料运行柴油内燃机的方法，并且涉及在上面描述的推进装置中使用经部分氧化的柴油燃料来减少积炭排放。
背景技术
用于减少柴油车辆中的积炭排放(尤其是细积炭微粒)的策略当前为大量研究的目标。这个的原因不仅仅是需要显著减少积炭排放的Euro V和Euro VI排气标准。
在近几年本身结合柴油车辆建立的且由Euro VI标准规定的减少积炭微粒排放的一个起始点是使用柴油微粒过滤器。这里，柴油积炭微粒收集在过滤器系统中且然后通过加热到高于250℃的温度转化成气态分解产物(基本为CO2)。过滤颗粒排气成分不是实际问题。实际问题实际上是使这个柴油微粒过滤器竟可能完全地再生，其中，收集的积炭微粒必须分解成气态分解产物。
在再生的情况下，关于被动连续再生描述了差别，被动连续再生在高于250℃的温度下进行，并且优选涉及根据以下反应公式在氧化催化剂上形成的NO2：
2NO2 + C → CO + 2NO。
另外，优选在高于450℃的温度下利用氧进行的不连续主动再生必须根据下面显示的反应公式至少以某个时间间隔进行：
C + O2 → CO2
2C + O2 → 2CO。
为了利用氧进行主动再生，大体需要升高排气温度。这可通过应用于发动机的措施来实现，诸如进气空气节流，或后喷射和在发动机的下游的措施，诸如喷燃器、外部燃料计量或加热式外部催化剂。但是，应用于发动机且在发动机下游的措施存在问题，微粒过滤器必须加热到高温，以进行主动燃烧，为了实现这一点，车辆必须开某个距离。如果车辆不开到较长距离，过滤器中的未燃烧的积炭残余可导致问题，尤其是过滤器的阻塞。此外，发动机下游的措施通常与增加能量需要相关联，这导致车辆消耗更多的燃料。
这些问题导致越来越多地寻求能够用来抑制之前在柴油发动机中形成积炭的方法。
EP 0 590 914中描述的相关方法包括在燃烧之前从额外的罐将添加剂混合到燃料中。这个添加剂降低微粒过滤器中的积炭微粒的燃尽温度，并且因而促进其燃烧。
另外，能够使用含氧“燃料添加剂”来降低再生温度。燃料添加剂的添加描述在例如DE 10 2009 035 503 A1或DE 10 2008 032 254 B4中。在US 2006/180099 A1或WO2011/126653 A1中，含氧成分(诸如乙醇)被添加到柴油燃料，其中包含在燃料中的乙醇在燃烧之前经历酸催化脱水。由此形成的二乙醚比乙醇具有显著更好的燃烧属性，并且因此燃烧过程可借助于醚的产生来控制。但是，与将乙醇添加到柴油燃料相关联的一个问题在于，两种成分可在罐中离解，从而使得必须进一步添加添加剂来稳定混合物。这些又需要昂贵的生产和分配，从而导致燃料有相当大的额外成本。
Bromberg, L.等人在其名称为“On-Board Plasmatron Generation of HydrogenRich Gas for Diesel Engine Exhaust Aftertreatment and Other Applications(用于柴油发动机排气后处理和其它应用的富氢气体的机载等离子管发生)(2002年12月11日的PSFC JA-02-30)”的投稿中遵从备选方法。在这个方法中，等离子管重整器用来将柴油燃料或生物油转换成富氢气体。柴油等离子管重整器技术能够将大量的燃料转换成氢，而不需要催化剂。这通过使用特殊等离子体来实现，以在非催化的情况下将柴油燃料转换成氢，氢的生产量足以产生NOX阱。
在EP 1 891 309 B1中也描述了借助于等离子体来转换燃料，其中，携带在车辆中的一些燃料经历利用包含臭氧的空气等离子体的处理。为此，柴油的挥发性成分通过引入气体而被蒸发，并且与臭氧反应。在这个反应中形成的来自柴油的分解产物然后传送到排气流中，以便有利于积炭微粒在那里进行后燃烧。
DE 103 59 395 A1还描述了燃料残余在它们离开燃烧室之后的后燃烧，其中，还原气体(诸如氢、一氧化碳、氨或烃或它们的混合物)被引入到排气流中。为此，首先借助于“机载”反应器用携带的燃料产生还原气体，其中，反应器设计成使得进行重整裂解或裂化过程。借助于这个过程，一些燃料转换成所述还原剂，还原剂然后引入到排气管线中，以进行还原性灰分解。
但是，在燃料的实际分解之后开始的措施的一个缺点在于，原始形成的积炭的量不受影响，即燃烧本身不能得到改进。但是，与使得然后必须以额外的代价燃烧的积炭较少的燃烧控制相比，排气后处理始终在能量方面不那么有利。
最终，DE 23 65 255公开了用于减少来自石油燃烧过程的氮氧化物排放的方法，其中要馈送到内燃机的一些燃料在重整器中转化成分解和氧化产物，诸如醛和酮、一氧化碳、氢和短链烃，并且然后馈送到内燃机。在这个情况下，供应的混合物特别在火花塞的区域中引入到发动机的燃烧室中，并且用作高度可燃烧的装料(“富化混合物”)。这个混合物由火花塞点燃，燃烧从那里传播到燃料混合物的其余部分(“贫化混合物”)。但是，DC 23 65255基本涉及传统的火花点火发动机，并且涉及减少氮氧化物排放。
除了已经取得的进步之外，需要可借助来抑制或至少减少燃料成分形成的积炭微粒的方法和装置，以便防止积炭在下游的柴油积炭微粒过滤器中不利地积聚。本发明涉及这些问题。
附图说明
借助于图1中的示例显示本发明的说明书实施例，其中，从燃料罐1获得燃料且燃料馈送到重整器2。在重整器中，燃料中的烃被氧化，以给出含氧烃。这些经部分氧化的烃与原始烃相比存储起来不那么稳定，并且这些经部分氧化的烃在混合器单元3中与原始燃料混合，并且然后经由燃料路径馈送来在柴油内燃机4中进行燃烧。
图2描述经由空气路径进行计量的备选说明性实施例。为了这个目的，从燃料罐1获得燃料，并且使燃料在重整器2中氧化。在部分氧化期间，高挥发性含氧烃(也就是说包括醚)形成达一定程度。然后这些可馈送到混合器单元3中的进气空气路径，并且可因而进入柴油内燃机(4)。
具体实施方式
本发明的目标是实现一种装置，其中，尽可能地抑制在燃烧过程期间形成积炭微粒。本发明的另一个目标在于甚至在积炭微粒形成时改进形成的积炭微粒，使得它们可更容易地分解，并且与来自传统的推进装置的积炭微粒的情况下相比，在后续积炭微粒过滤器中消耗更少的能量。本发明的另一个在于竟可能地不对柴油燃料混合额外的成分，因为这与以增加的成本产生和分配这种添加剂(例如甲醛、乙醇等)相关联。因此本发明的显著目标是提供一种装置，可借助于该装置“机载地”(即在运动的车辆上)对燃料进行改性，使得它满足现有的要求。
本发明的第一方面因此涉及用于车辆的推进装置，包括对燃料进行部分氧化的装置2、燃料罐1和柴油内燃机4，其中，推进装置的特征在于，对燃料进行部分氧化的装置2与燃料罐1和柴油内燃机4处于流体连接，这导致携带在车辆中的至少一些燃料可在柴油内燃机中燃烧之前进行部分氧化。
“一些”燃料意图表示不是所有的燃料经由对燃料进行部分氧化的装置传送到柴油内燃机。优选，引入到柴油内燃机中的燃料的仅50(体积)%或更少，特别是30(体积)%或更少，且特别优选15(体积)%或更少传送经过对燃料进行部分氧化的装置。另一方面，需要将足够的燃料传送经过这个装置，以确保可检测到减少积炭排放的效果。因此优选的是，燃料的至少1(体积)%，特别是至少3(体积)%，特别优选至少5(体积)%，以及最优选大约10(体积)%传送经过对燃料进行部分氧化的装置。
烃部分氧化而产生含氧烃是已知的过程，并且可以各种方式实现。借助于示例，以下氧化反应是适当的：
R'-CH2-R''+ 1/2 O2 → R'-CH2O-R''；
R'-CH2-R'' + O2 → R'-CO-R'' + H2O；
R'-CH2-R'' + 1/2 O2 → R'-CHOH-R''；
其中，R'-CH2-R''化合物形成传统的柴油的成分。在传统的柴油或柴油燃料是上面提到的情况下，认为这些包括符合标准EN 590的定义的矿物柴油。R'和R''是任意的烷基。
可能涉及氧自由基与来自柴油的烃的其它反应如下：
R'-CH2-R''+ O → R'-CH2O-R''；
R'-CH2-R'' + 2O → R'-CO-R'' + H2O；
R'-CH2-R'' + O → R'-CHOH-R''；
可在本发明的范围内以各种方式产生氧自由基。但是，氧自由基优选在可包含催化剂的燃料重整器中通过等离子体放电产生，或借助于臭氧发生器来间接产生(通过形成O3)。
因而，在臭氧分解的情况下，芳族与臭氧反应，例如，形成乙二醛。
C6H5 + 2O3 → 3(CHO)2
在本发明的范围内，因此优选的是，对燃料进行部分氧化的装置2具有用于等离子体放电的装置、燃料重整器、特别是具有催化剂的燃料重整器，或臭氧发生器。适于等离子体放电的装置描述在DE 10 2008 062 417 A1或DE 60 2004 004 728 T2中。DE 10 2006043 128 A1、EP 1 535 660 A1或DE 11 2008 001 062 T5描述了重整器。在“Novelprocess to evaporate liquid fuels and its application to catalytic partialoxidation of diesel(蒸发液体燃料的新颖过程和其对柴油进行催化部分氧化的应用)(Journal of Power Source，165 (2007) 210-216)”中，作者描述一种用于蒸发和氧化燃料的重整器系统，目标是获得尽可能多的氢和一氧化碳。“Externe Nacheinspritzung zurRegeneration von Dieselpartikelfiltern(Motortechnische Zeltung, 5/2004, 354-361)”描述了一种系统，其中为了对含积炭柴油微粒过滤器进行主动再生，通过借助于使用外部燃料喷射器计量的柴油使燃料在氧化催化剂上完全氧化来产生放热反应，以便使柴油微粒过滤器(DPF)再生。使用的催化剂的配方大体包括Pt以及Pd。所有这些系统的目标是尽可能完全地氧化燃料。
相反，本发明的目标是仅获得燃料的部分氧化，通过温和地控制描述的系统(较低温度和/或较少活性催化剂)。也就是说，在原理上，上面描述的燃料重整器、用于进行等离子体放电的装置等可在本发明的范围内使用，但是与在现有技术中描述的相比，它们必须在较低温度下运行和/或配备有更少的活性催化剂。
在本发明的范围内，此外优选的是，装置中的氧化控制成使得获得的经部分氧化的燃料在传送通过该装置后，具有的氧含量为至少0.5(重量)%，特别是至少2(重量)%且特别优选地至少5(重量)%，并且最优选至少10(重量)%。另一方面，在传送通过装置之后的氧含量应当不太高，因为这会导致柴油成分过度地分裂成小的分解产物，从而与未氧化柴油相比，显著降低产物的点火温度。因此优选的是，经部分氧化燃料的氧含量不超过30(重量)%，特别是不超过15(重量)%。
对燃料进行部分氧化的装置2优选设计成使得醚、醛、酮、羧酸和/或醇在其运行期间由燃料中的饱和烃和/或不饱和烃产生。应当小心地管理氧化反应，使得尽可能少地形成极可燃的氧化产物(例如氢)。此外，应当小心确保形成的反应产物仍然可容易与柴油燃料的烃混合。原因在于，氧化产物在柴油燃料燃烧之前混合到柴油燃料，或必须在所述燃料之前或与所述燃料同时引入到燃烧室中。如果氧化产物包含太高比例的高度可燃气体，则这可导致燃烧过程中的过早点火，从而导致喷射的柴油燃料的不那么有利的燃烧。
在优选的实施例中，对燃料进行部分氧化的装置2与混合器单元3处于流体连接，混合器单元3本身与燃料罐1和柴油内燃机4处于流体连接。流体连接优选包括在混合器单元和燃料罐和/或柴油内燃机之间的管线或直接链路。这种装置示意性地示出在图1中。
在备选的另一个优选的实施例中，对燃料进行部分氧化的装置2与混合器单元3处于流体连接，混合器单元3本身与柴油内燃机4处于流体连接，并且具有吸入空气的装置。这种装置示意性地示出在图2中。因此，经部分氧化的燃料在穿过用于部分氧化的装置2之后与柴油内燃机4吸入的空气混合，之后空气和经部分氧化的燃料的混合物被引入柴油内燃机4中。优选在压缩柴油燃料和将柴油燃料喷射到柴油内燃机中之前进行引入。
还可在将燃料喷射到燃烧室中同时或在此之前不久引入空气和经部分氧化燃料的混合物，其中，在燃烧室中现有的空气可能已经通过压缩加热。在这个情况下，优选的是，混合器单元3与柴油内燃机4处于流体连接，使得经部分氧化的燃料和空气的混合物被引入到一个或多个燃烧室中，从而在此过程中与未改性燃料混合。在这个情况下，优选引入混合物而使得氧化燃料、未改性燃料和空气的混合物尽可能均质。
在本发明的范围内，此外，优选的是，根据本发明的装置具有积炭微粒过滤器，其与柴油内燃机4处于流体连接，并且柴油内燃机4产生的燃烧排气通过积炭微粒过滤器排到环境中。
本发明的另一个方面涉及在推进装置中使用经部分氧化的柴油燃料，如上面描述的那样，以减少积炭排放。在这个使用范围内，特别优选的是，经部分氧化的柴油燃料、未氧化柴油燃料和空气的组成设定成使得已经在燃烧室中减少积炭的形成。此外有利地是将用于燃烧的经部分氧化的柴油燃料、未氧化柴油燃料和空气的组成设定成使得形成的积炭包含以化学的方式结合在其中的氧原子，从而确保积炭可在后续柴油微粒过滤器中在较低的燃尽温度下分解而形成二氧化碳。用于确定积炭是否可在较低燃尽温度下分解而形成二氧化碳的基准点是仅未部分氧化的柴油燃料的燃烧中获得的积炭。
本发明的另一个方面涉及用于运行柴油内燃机的方法，具有以下步骤：
a)供应柴油燃料，
b)对至少一些柴油燃料进行部分氧化，
c)混合柴油燃料中的未改性部分和经部分氧化的柴油燃料而形成混合物，
d)将来自c)的混合物引入到燃烧室中，并且进行压缩点火燃烧过程。
作为备选方案，本发明同样涉及用于运行柴油内燃机的方法，其具有以下步骤：
a)供应柴油燃料，
b)对柴油燃料中的至少一些进行部分氧化，
c)在混合器单元中混合柴油燃料中的经氧化部分与空气，
d)将来自c)的混合物引入到燃烧室中，供应未改性柴油燃料，以及进行压缩点火燃烧过程。
在两个方法中，部分氧化有利地在柴油内燃机内进行，即不在柴油内燃机外部在单独的设备中进行。
在上面描述的方法的范围内，优选的是，混合物在步骤d)中引入燃烧室中，使得与供应的柴油燃料形成基本均质的混合物。
此外如果在氧化过程中用脂族烃获得的经氧化烃优选呈醚、醛、酮、羧酸和醇的形式，则可有利地构造方法。作为特别优选的可选方案，长链脂族烃在方法的过程中转换成经部分氧化的较小分子的烃。作为备选方案或另外，方法还可构造成使得在氧化过程中用芳族烃形成经氧化烃。
借助于上面描述的推进装置，在燃烧过程内产生的积炭微粒比来自传统的柴油燃料的积炭具有更高的活性，并且因此在后续积炭微粒过滤器中具有较低的积炭燃尽温度。在申请人不能够提供特定理论作为证据的情况下，假设，将氧引入到燃料混合物中会导致氧结合到形成的积炭中，因为柴油烃会部分氧化。通过降低积炭燃尽温度，这个氧有利于后续将积炭微粒转化成二氧化碳。
示例：
在发动机测试台上，将积炭收集为矿物柴油和包含35(重量)%的二丙二醇二甲醚的柴油的混合物的燃烧残余。矿物柴油的氧含量为大约0%，而混合物的氧含量为大约11%。
借助于在包含5%氧的合成发动机排气中的热重量分析器(TGA)来确定积炭的燃尽温度。对于来自纯柴油的积炭，确定610℃的燃尽温度，而来自包含二丙二醇二甲醚添加剂的柴油的积炭的测量给出540℃的燃尽温度。混合物因而具有比来自纯柴油的积炭低70℃的燃尽温度。
根据COX排放的最大值来确定TGA燃尽温度，并且因此TGA燃尽温度不表示微粒过滤器中的燃尽温度的绝对值。但是，TGA实验的结果可相对地转移到微粒过滤器。
根据本发明的推进装置和/或根据本发明的用于运行柴油内燃机的方法优选用于车辆中，并且特别优选地，用于商用车辆中。

Claims (15)

1.一种用于车辆的推进装置，其包括对燃料进行部分氧化的装置(2)、燃料罐(1)和柴油内燃机(4)，其特征在于，所述对燃料进行部分氧化的装置(2)与所述燃料罐(1)和所述柴油内燃机(4)处于流体连接，这导致携带在所述车辆中的燃料中的至少一些可在所述柴油内燃机中燃烧之前进行部分氧化，其中，
- 所述对燃料进行部分氧化的装置(2)与混合器单元(3)处于流体连接，所述混合器单元(3)本身与所述燃料罐(1)和所述柴油内燃机(4)处于流体连接；或者
- 所述对燃料进行部分氧化的装置(2)与混合器单元(3)处于流体连接，所述混合器单元(3)本身与所述柴油内燃机(4)处于流体连接并且具有用于吸入空气的装置，并且所述混合器单元(3)这样与所述柴油内燃机(4)处于流体连接，使得经部分氧化的燃料和空气的混合物在与未改性燃料混合的情况下被引入到一个或多个燃烧室中。
2.根据权利要求1所述的推进装置，其特征在于，所述对燃料进行部分氧化的装置(2)包含用于进行等离子体放电的装置、燃料重整器或者臭氧发生器。
3.根据权利要求2所述的推进装置，其特征在于，所述燃料重整器具有催化剂。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的推进装置，其特征在于，所述对燃料进行部分氧化的装置(2)设计成产生醚、醛、酮、羧酸和醇。
5.根据权利要求1所述的推进装置，其特征在于，所述混合器单元(3)与所述柴油内燃机(4)处于流体连接，使得经部分氧化的燃料和空气的混合物被引入一个或多个气缸中，从而在该过程中与未改性燃料混合。
6.根据权利要求5所述的推进装置，其特征在于，在该混合过程中形成均质混合物。
7.根据权利要求1至3中的任一项所述的推进装置，其特征在于，所述装置此外具有连接到所述柴油内燃机(4)上的积炭微粒过滤器。
8.经部分氧化的柴油燃料的一种应用，经部分氧化的柴油燃料使用在根据权利要求1至7中的任一项所述的推进装置中，以减少积炭排放。
9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于，积炭排放的减少在燃烧室中进行。
10.根据权利要求8或9所述的应用，其特征在于，所述经部分氧化的柴油燃料与未改性柴油燃料和空气混合，使得与燃烧未改性柴油燃料和空气的混合物而获得的积炭相比，在燃烧期间形成的积炭在燃烧方面具有更高的活性。
11.一种用于运行柴油内燃机的方法，其具有以下步骤：
a)供应柴油燃料，
b)对所述柴油燃料中的至少一些进行部分氧化，
c)混合所述柴油燃料中的未改性部分与所述柴油燃料，以形成混合物，
d)将来自c)的混合物引入燃烧室中且进行压缩点火燃烧过程。
12.一种用于运行柴油内燃机的方法，其具有以下步骤：
a)供应柴油燃料，
b)对所述柴油燃料中的至少一些进行部分氧化，
c)在混合器单元中混合所述柴油燃料中的经氧化部分与空气，
d)将来自c)的混合物引入燃烧室中，供应未改性柴油燃料，以及进行压缩点火燃烧过程，
其中，在步骤d)中将所述混合物引入所述燃烧室(4)中，使得与供应的燃料形成基本均质混合物。
13.根据权利要求11或12所述的方法，其特征在于，在氧化过程中用脂族烃形成经氧化的烃。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述经氧化的烃呈醚、醛、酮、羧酸和醇的形式。
15.根据权利要求11或12所述的方法，其特征在于，在氧化过程中用芳族烃形成经氧化的烃。
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