CN105756772B - 火花点燃贫燃发动机中的稳定燃烧 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及火花点燃贫燃发动机中的稳定燃烧。具体地，贫燃发动机可包括燃烧腔室、被构造成将贫燃料/空气混合物提供到燃烧腔室的吸入歧管以及与燃烧腔室流体连通的预备腔室。预备腔室可包括被构造成开始燃烧腔室内的贫燃料/空气混合物的燃烧的火花点燃器以及容纳在预备腔室内的加热元件。加热元件可被构造成将预备腔室的温度加热到足以允许由预备腔室内的燃料和空气产生过氧化氢(H2O2)的温度。

Description

火花点燃贫燃发动机中的稳定燃烧
技术领域
本发明总体涉及贫燃发动机，并且更具体涉及实现火花点燃贫燃发动机中的稳定燃烧。
背景技术
主要包括甲烷(CH4)的天然气是具有吸引力的能源，因为它在燃烧时比诸如油或煤的其他能源产生较少的氮氧化物(NOx)和二氧化碳。许多天然气供能的发动机以及其他类型的发动机可在贫燃料/空气混合物燃烧以产生机械输出的“贫燃”条件下操作。贫燃料/空气混合物具有过多的空气和小于1的燃料/空气比率，而富燃料/空气混合物具有过多燃料和大于1的燃料/空气比率。贫燃料/空气混合物中的过多空气会导致氮氧化物(NOx)的排放降低，以及燃料效率的改进，因为更多氧气可用来与燃料一起燃烧。
虽然有效，由于缺乏足够燃料分子来提供连续燃烧反应的气袋，使用贫燃料/空气混合物的发动机会趋于不稳定燃烧。因此，贫燃发动机会遭受不稳定燃烧，这涉及诸如缓慢和/或不完全燃烧或贫燃料/空气混合物的不可靠火花点燃(会造成无法点火)的缺陷。
作为加速燃烧和改善点燃可靠性的方式，一些贫燃发动机可包括预备腔室来开始主燃烧腔室内的贫燃料/空气混合物的燃烧(见美国专利号7261097)。特别是，预备腔室可以是与其中通过火花塞点燃富含燃料混合物的主燃烧腔室流体连通的小腔室。预备腔室内的点燃燃料混合物可产生火焰，火焰会喷出进入主燃烧腔室以点燃主燃烧腔室内的贫燃料/空气混合物，并开始主燃烧腔室内的贫燃料/空气混合物的燃烧。其他技术使用自由基来触发燃烧腔室内的贫燃料/空气混合物的点燃，而不使火花或火焰作为点燃源。
但是，需要额外的策略来增强贫燃发动机中的燃烧稳定性，特别是支持开发设计成在越来越贫条件下操作的发动机的努力。尤其是，本发明解决了这个问题。
发明内容
根据本发明的一个方面，公开一种贫燃发动机。贫燃发动机可包括燃烧腔室、被构造成将贫燃料/空气混合物提供到燃烧腔室的吸入歧管和与燃烧腔室流体连通的预备腔室。预备腔室可包括被构造成开始燃烧腔室内的贫燃料/空气混合物的燃烧的火花点燃器和容纳在预备腔室内的加热元件。加热元件可被构造成将预备腔室加热到足以允许由预备腔室内的燃料和空气产生过氧化氢(H2O2)的温度。
根据本发明的另一方面，公开一种贫燃发动机。贫燃发动机可包括燃烧腔室、被构造成将贫燃料/空气混合物提供到燃烧腔室的吸入歧管和与燃烧腔室流体连通的预备腔室。预备腔室可包括可被构造成开始燃烧腔室内的贫燃料/空气混合物的高温燃烧的火花点燃器。预备腔室还可包括容纳在预备腔室内的加热元件，并且加热元件可被构造成开始预备腔室内的燃料和空气的中温燃烧。中温燃烧可在预备腔室内产生过氧化氢(H2O2)，并且H2O2可以被构造成分解成稳定预备腔室和燃烧腔室两者内的燃烧的羟基(OH·)。
根据本发明的另一方面，公开一种用于稳定贫燃发动机内的燃烧的方法。该方法可包括提供贫燃发动机，其中贫燃发动机包括燃烧腔室和与燃烧腔室流体连通的预备腔室，并且其中预备腔室具有火花点燃器和容纳在预备腔室内的加热元件。该方法还可包括将燃料和空气的混合物提供到预备腔室，并使用加热元件将预备腔室加热到足以由预备腔室内的燃料和空气产生过氧化氢(H2O2)的温度。该方法还可包括将贫燃料/空气混合物提供到燃烧腔室，并将预备腔室内产生的H2O2提供到燃烧腔室。该方法还可包括通过火花点燃器点燃燃烧腔室内的贫燃料/空气混合物以开始贫燃燃料/空气混合物的燃烧，其中点燃由H2O2产生羟基(OH·)。另外，该方法还可包括通过OH·基稳定燃烧腔室内的燃烧。
在结合附图阅读时，本发明的这些和其他方面将变得容易理解。
附图说明
图1是具有根据本发明构造的贫燃发动机的作业机器的示意图示。
图2是单独示出的根据本发明构造的贫燃发动机的示意图示。
图3是根据本发明构造的贫燃发动机的预备腔室和加热元件的透视图。
图4是根据本发明可以在预备腔室内出现以产生过氧化氢(H2O2)和羟基(OH·)的反应的示意图示。
图5是根据本发明的贫燃发动机的燃烧循环中所涉及的一系列事件的时间线。
图6是根据本发明构造的图5的燃烧循环的气体交换过程的一部分的示意图示。
图7是根据本发明构造的气体交换过程的随后部分的示意图示。
图8是根据本发明构造的燃烧循环的压缩阶段的示意图示。
图9是根据本发明构造的燃烧循环的燃烧阶段的示意图示。
图10是描述根据本发明的方法可以在贫燃发动机中稳定燃烧所涉及的一系列步骤的流程图。
应该理解到附图不必按照比例绘制，并且本发明的实施方式有时示意性地且以局部视图图示。进一步理解到以下详细描述本质上只是示例性的，并不意图限制本发明或其应用和使用。在此方面，另外理解到所描述的实施方式不局限于与特定类型的发动机一起使用。因此，虽然出于说明便利，本发明以某些示例性实施方式描述和描绘，将理解到本发明可以应用于多种其他类型的实施方式和多种其他系统和环境中。
具体实施方式
现在参考附图，并具体参考图1-2，示出具有贫燃发动机12的作业机器10。作业机器10可执行与采矿、建造、畜牧、运输或本领域已知的其他产业相关的操作。作为非限定例子，作业机器10可以是推土机、装载机、挖掘机或倾卸卡车。替代地，它可以是发电机、泵、乘客车辆、船舶或通过贫燃发动机供能的任何其他类型的机器。如这里使用，“贫燃”发动机是在其中燃料/空气比率小于1的贫条件下至少临时操作的发动机。贫燃发动机12可以使用天然气(即甲烷(CH4))作为燃料，虽然在一些情况下也可以使用其他类型的燃料(例如柴油、汽油等)。另外，贫燃发动机12可以是涡轮增压、自然吸气、增压或中间冷却发动机。
通常，贫燃发动机12可包括布置在缸盖16内的主燃烧腔室14、被构造成将贫燃料/空气混合物提供到燃烧腔室14的吸入歧管18、排气歧管20和布置在燃烧腔室14内的活塞22，如图2最佳示出。贫燃发动机12还可包括与燃烧腔室14流体连通的预备腔室24。与燃烧腔室14相比，预备腔室24可具有小容积，并且它可定位在缸盖16的顶部上，如所示。特别是，预备腔室24可具有燃烧腔室14的总容积的大约1-2％的容积。替代的发动机配置还可包括排气再循环系统以便将排气副产品重新循环到吸入歧管18和/或预备腔室24。在操作中，贫燃发动机12可压缩燃烧腔室14内的贫燃料/空气混合物，并且可控制地火花点燃贫燃料/空气混合物以开始贫燃料/空气混合物的燃烧，由此产生以奥托循环方式(见下面的进一步详细描述)驱动活塞22的功率输出。
现在转向图3，示出预备腔室24的更详细视图。预备腔室24可包括被构造成将天然气燃料喷射到预备腔室24内的燃料喷射器26(或其他燃料递送装置)。预备腔室24还可包括火花点燃器28、与燃烧腔室14流体连通的多个柱形孔30和加热元件32。在一种配置中，预备腔室24可具有从预备腔室24的底部34径向延伸的七个到八个柱形孔30，虽然孔30的其他数量和配置也是可以的。另外，如图3所示，燃料喷射器26和加热元件32可布置在预备腔室24的顶部36附近，而火花点燃器28和柱形孔30可布置在预备腔室24的底部34附近。但是，将理解到相对于图3所示那些，燃料喷射器26、加热元件32、火花点燃器28和孔30可在预备腔室24中具有替代位置。
注意到，加热元件32可将预备腔室24加热到足以引起预备腔室24内的燃料和空气的中温燃烧的温度。如这里使用，“中温燃烧”指的是出现在大约800开氏(K)到大约1200K的温度范围内的燃烧。预备腔室24内的中温范围燃烧可有利地引起过氧化氢(H2O2)的产生，因为由CH4和O2产生的H2O2出现在大约700K到大约950K(见图4)的温度范围内。H2O2可接着经由柱形孔30转移到燃烧腔室14，并且H2O2可分解以便在适当条件下提供羟基(OH·)(见下面进一步详细描述)。根据本领域普通技术人员理解的机制，OH·基可加速和稳定燃烧腔室14内的贫燃料/空气混合物的燃烧。因此，本发明平衡加热元件32的能力以引起作为燃烧稳定OH·基的前体的H2O2的产生，从而促进贫条件下的燃烧稳定性。
加热元件32可具有足以将预备腔室加热到足以引起预备腔室24内的中温燃烧的表面温度，但是它可以低于足以引起燃烧腔室14内的贫燃料/空气混合物的自动点燃的温度，从而维持通过火花点燃器28在燃烧腔室14内开始燃烧的完全控制。例如，加热元件32可具有大约900K或大约1600K的范围内的表面温度，虽然表面温度可根据加热元件32的尺寸和设计变化。另外，加热元件32可以定位在预备腔室24内侧并定位在燃料喷射器28附近以便随着燃料进入预备腔室24来加热燃料。为了增强从加热元件32到燃料的热传递，加热元件32可大致垂直于燃料从燃料喷射器26进入预备腔室24时的流动路径定向。但是，加热元件32也可相对于燃料流动路径平行或以其他方式形成角度。
图4示出由预备腔室24内的燃料(CH4)和氧(O2)产生H2O2所涉及的反应机制。在由于加热元件32的加热作用而使预备腔室24内的温度达到至少大约700K-大约950K的范围时，CH4可分解成产生甲基(CH3·)和氢基(H·)。氢基(H·)可与O2反应以产生过氧氢基(HO2·)，其可以接着从另一CH4分子提取氢以产生H2O2和CH3·基。CH3·基可接着重新组合以产生乙烷(CH3-CH3)。在1000K以上的温度，产生的H2O2可分解以形成OH·基，如所示。在一些情况下，OH·基可形成在预备腔室24内，如果局部温度(例如在加热元件32的表面处)至少为1000K。否则，在通过火花点燃器28(可以将两个腔室瞬间加热到1200K以上的温度)点燃时，OH·基可形成在燃烧腔室14/预备腔室24内。注意到单独通过火花点燃器28的火花点燃将不会由燃料(CH4)和O2产生H2O2，因为热供应是瞬间的，并且不提供出现反应的足够时间。
现在参考图5-9，示出可以涉及在贫燃发动机12的单个燃烧循环38中的一系列事件。特别是，图5列出燃烧循环38的气体交换过程、压缩阶段和燃烧阶段期间出现的一些事件，其中事件之间的间隔不代表时间间隔。图6-9图示图5的一些事件，因为它们出现在贫燃发动机12中。
以气体交换过程开始，排气歧管20的排气阀40可以打开以允许排气42经过排气歧管20排空燃烧腔室14(事件(a))。在此时间期间，排气42可通过活塞22的向上运动推出燃烧腔室14并进入排气歧管20(见图6)。另外，经过燃料喷射器26的预备腔室燃料喷射和经过吸入歧管18上的燃料喷射器43的燃烧腔室燃料喷射可开始启动燃料44分别流入预备腔室24和吸入歧管18(事件(b)-(c)和图6)。因此，吸入歧管18的燃料44可与空气混合以产生贫燃料/空气混合物，从而递送到燃烧腔室14内。另外，预备腔室24内的燃料44可与空气混合并通过加热元件32加热以引起中温燃烧和H2O2的产生。在一些情况下，预备腔室24内产生的H2O2可分解并产生OH·基，如果局部温度至少为1000K，诸如在加热元件32的表面附近。如果产生，这些OH·基也可加速和稳定预备腔室24内的燃烧。
一旦排气42从燃烧腔室14充分排空，吸入阀46可打开以允许新鲜贫燃料/空气混合物48从吸入歧管18进入燃烧腔室14，并置换排空的排气，并且排气阀40可以关闭(事件(d)-(e)和图7)。另外，通过活塞22的向下运动在燃烧腔室14内产生的真空可将新鲜贫燃料/空气混合物48抽吸到燃烧腔室14内。活塞22的向下运动也可将H2O2/OH·基50(以及其他气体)抽吸经过预备腔室24的孔30并进入燃烧腔室14(见图7)。以此方式，H2O2/OH·基50可在通过火花点燃器28开始燃烧腔室14内的燃烧之前在气体交换过程期间预先定位在燃烧腔室14内。
在气体交换过程(即事件(a)-(e))完成之后，吸入歧管18和预备腔室24内的燃料喷射可以停止(事件(f)-(g))，并且可以开始压缩阶段。具体地，吸入阀46可关闭(事件(h))，并且燃烧腔室14内的贫燃料/空气混合物48可以通过活塞22的向上运动压缩加压(见图8)。另外，活塞22的向上运动可推动一些贫燃料/空气混合物48经由孔30进入预备腔室24以便提供用于在预备腔室24内产生H2O2的燃料和O2两者的来源(见图8)。
燃烧腔室14内的贫燃料/空气混合物的高温燃烧可接着通过火花点燃器28的点燃开始(事件(i)和图9)。如这里使用，“高温燃烧”指的是出现在高于1200K的温度的燃烧。特别是，火花点燃器28的点燃可产生喷出孔30并点燃燃烧腔室14内的贫燃料/空气混合物48的高温火焰52(即，>1200K)。燃烧腔室14内的H2O2可接着分解以产生可加速和稳定燃烧腔室14内的燃烧的OH·基。燃烧可释放足够能量以驱动活塞22的向下运动(见图9)，并且燃烧循环38可以接着重复。将理解到，燃烧循环38(气体交换、压缩和燃烧)通过活塞22的两个冲程进行。
现在转向图10，示出可以涉及在根据本发明稳定贫燃发动机12中的燃烧的一系列步骤。注意到图10所示的步骤是以上描述的燃烧循环38的部分，并因此是循环和重复的，如所示。以框60开始，燃料和空气的混合物可以提供到预备腔室24。如上所述，预备腔室24内的燃料和空气的混合物是来自燃料喷射器26的燃料44和在压缩阶段期间(见图8)通过燃烧腔室14提供的贫燃料/空气混合物48以及来自之前燃烧循环的残留气体的混合物。特别是，燃料44从燃料喷射器26供应到预备腔室24应该得到控制，以便在预备腔室24内的燃料和空气之间提供至少化学计算(1:1)或更贫的比率，以确保有足够的O2来产生H2O2。
根据下一个框62，可以通过加热元件32开始预备腔室24内的燃料和空气的中温燃烧，由此产生H2O2以及OH·基，如果局部温度足够高。贫燃料/空气混合物可接着从吸入歧管18提供到燃烧腔室14(框64)，并且H2O2(以及任何OH·基)可从预备腔室24递送到燃烧腔室14(框66)。如上所述，贫燃料/空气混合物48和H2O2/OH·基50可在燃烧循环38的气体交换过程期间供应到燃烧腔室14(见图7)。燃烧可接着通过火花点燃器28在燃烧腔室14内开始，由此在燃烧腔室14内由H2O2产生OH·基(框68)。OH·基可接着加速和稳定燃烧腔室14内的贫燃料/空气混合物的燃烧(框72)，并且一系列步骤可以在随后燃烧循环中重复，如所示。
虽然针对天然气贫燃发动机教导了本发明的燃烧稳定方法，将理解到这里公开的概念可适用于具有预备腔室的任何类型的发动机。
工业实用性
本发明的教导可以在多种设置中找到产业应用，诸如但不局限于使用天然气贫燃发动机的应用。这里公开的贫燃发动机使用定位在预备腔室内的加热元件来引起预备腔室内的中温燃烧和H2O2产生。H2O2可在火花点燃之前供应到主燃烧腔室以提供燃烧稳定OH·基的来源。因此，这里公开的概念可以用来增加贫燃发动机的燃烧稳定性(在预备腔室和主燃烧腔室两者中)，以及将贫燃领域延伸到越来越贫的条件以进一步减小NOx排放。此外，这里公开的加热元件与火花点燃器分离，从而维持主燃烧腔室内的火花点燃的完全控制。希望的是这里公开的技术可以在宽范围领域内找到广泛的产业应用，诸如但不局限于发电、运输、采矿和畜牧应用。

Claims (1)

1.一种用于稳定贫燃发动机中的燃烧的方法，包括：
提供贫燃发动机，贫燃发动机包括燃烧腔室和与燃烧腔室流体流通的预备腔室，预备腔室具有火花点燃器和容纳在预备腔室内的加热元件；
将燃料和空气的混合物提供到预备腔室；
使用加热元件将预备腔室加热到出现中温燃烧的温度，出现中温燃烧的温度在800开氏到1200开氏的温度范围内，从而由预备腔室内的燃料和空气产生过氧化氢；
将贫燃料/空气混合物提供到燃烧腔室；
将预备腔室内产生的过氧化氢递送到燃烧腔室；
通过火花点燃器点燃燃烧腔室内的贫燃料/空气混合物以开始贫燃料/空气混合物的燃烧，点燃由过氧化氢产生羟基(OH·)；以及
通过羟基(OH·)稳定燃烧腔室内的燃烧。
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