CN109312695A - 减少烃排放物的方法和活塞式发动机 - Google Patents

Abstract

在用于减少使用气态燃料作为主燃料运行的活塞式发动机(1)中未燃烧和部分燃烧的烃的排放物的方法中，燃料的气体分子在被引入到发动机(1)的燃烧室(15)之前以预定的极性带电，并且具有相同极性的电荷被施加到燃烧室(15)的壁上。

Description

减少烃排放物的方法和活塞式发动机

技术领域

本发明涉及根据权利要求1的前序部分的用于减少活塞式发动机中未燃烧和部分燃烧的烃的排放物的方法。本发明还涉及一种如在其它独立权利要求的前序部分中限定的活塞式发动机。

背景技术

内燃发动机的烃排放物的控制是重要的，因为烃排放物对健康和环境有不利影响。作为有害影响的一个例子，甲烷是强温室气体。排放法规常常指的是总烃(THC)排放物或非甲烷烃(NMHC)。减少内燃发动机的烃排放物是一项具有挑战性的任务，因为许多潜在的措施尤其对NOx排放具有不利影响。在燃气发动机中，稀薄燃烧技术提供了一种减少NOx排放物的解决方案，但是THC排放仍然是一个挑战。有不同的机制会导致THC排放物。一种这样的机制涉及燃烧室中的热边界层。在燃烧室的壁附近，朝向燃烧室的壁的快速热交换对燃烧具有负面影响。结果，燃料氧化是无效的，导致THC排放物。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于减少使用气态燃料作为主燃料运行的活塞式发动机中未燃烧和部分燃烧的烃的排放物的方法。根据本发明的方法的特征在权利要求1的特征部分中给出。本发明的另一个目的是提供一种改进的活塞式发动机，其包括用于将气态燃料引入进气管道的燃料引入装置。发动机的特征在其它独立权利要求的特征部分中给出。

在根据本发明的方法中，燃料的气体分子在被引入到发动机的燃烧室之前以预定的极性带电，并且具有相同所述极性的电荷被施加到燃烧室的壁。

根据本发明的发动机包括用于在将燃料引入到发动机的燃烧室之前以预定的极性使气态燃料带电的燃料带电装置，以及用于将具有相同所述极性的电荷施加到每个燃烧室的壁的电荷施加装置。

由于燃料和燃烧室壁的带电，燃烧室壁排斥燃料的气体分子。燃烧室壁附近的燃料浓度(在燃烧室壁附近燃烧不如燃烧室的其它部分中那样有效)由此是降低的。因此，由热边界层引起的THC排放物减少了。

根据本发明的实施方式，燃料和燃烧室的壁都是带正电的。

根据本发明的实施方式，电荷被施加到发动机的每个气缸的防抛光环。可选地或另外，电荷可以被施加到发动机的每个气缸的气缸套。如果仅将电荷施加到防抛光环，则带电部件更容易与发动机的其余部分电绝缘。另一方面，通过使整个气缸套带电，确保了在整个燃烧过程期间燃烧室壁附近的燃料浓度保持较低。

根据本发明的实施方式，使用高压电源使燃烧室的壁带电。高电压源可以是例如线性输出变压器。电压可以是例如在50kV到100kV的范围内。

根据本发明的实施方式，用电离器使燃料带电，该电离器布置在气缸的进气阀上游的燃料供给系统中。例如，磁场、光电离或微波可用于使燃料带电。

发动机可以使用稀薄空气/燃料混合物来运行。

根据本发明的实施方式，发动机针对该发动机的每个气缸都设置有自己的电离器。然而，也可以给发动机提供一个电离器，该电离器对发动机的几个或所有气缸是共用的。

附图说明

下面参照附图更详细地描述本发明的实施方式，其中

图1示意性地示出了活塞式发动机，

图2示出了根据本发明实施方式的发动机的气缸，和

图3示出了根据本发明的另一实施方式的发动机的气缸。

具体实施方式

在图1中示意性地示出了活塞式发动机1。发动机1是大型内燃发动机，例如船舶的主发动机或辅助发动机，或者在发电厂中用于发电的发动机。发动机1的气缸内径至少为150mm。发动机1的额定功率至少为每气缸100kW。发动机1包括多个气缸2。在图1中，示出了四个气缸2，但是发动机1可以包括任意合理数量的气缸2，其可以例如布置成直线或V形结构。发动机1是燃气发动机或双燃料或多燃料发动机，其可使用两种或多种替代燃料来运行。如果发动机1是双燃料或多燃料发动机，它可以在至少一种气体模式下运行，其中气态燃料用作主燃料。表述"主燃料"是指负责发动机1的气缸2中的热量释放的主要部分的燃料。优选地，至少90％的释放在气缸2中的热量通过主燃料的燃烧释放。气态燃料可以是例如天然气、沼气或来自石油钻探现场的伴生气。发动机1也可具有液体燃料模式，其中液体燃料用作主燃料。液体燃料可以是例如轻质燃料油或重质燃料油。在气体模式中，发动机1根据奥托循环运行。在液体燃料模式下，发动机1可以根据狄赛尔循环运行。

在气体模式中，气态主燃料可以通过火花塞或借助于引燃燃料喷射而被点燃。在附图的实施方式中，发动机1设置有引燃燃料喷射系统。发动机1还包括用于将气态燃料引入到发动机1的气缸2中的气体供给系统。发动机1还可包括用于将液体主燃料引入到发动机1的气缸2中的另一燃料喷射系统。

气体供给系统包括用于发动机1的每个气缸2的进气阀9。进气阀9用于控制气态燃料向气缸2的供给。进气阀9连接到控制单元6，该控制单元6控制进气阀9的打开和关闭。气态燃料不是被直接引入到气缸2，而是每个进气阀9被配置成将气态燃料引入到发动机1的靠近气缸2的进给阀的进气管道。因此，在进气冲程期间，气态燃料被引入到发动机1的气缸2中。气态燃料与进入空气混合以形成均匀混合物。混合物优选是包含比完全燃烧被引入到气缸2中的燃料所需要的空气多的空气的稀薄混合物。部分气态燃料可被引入到预燃室，以形成更富集的混合物，这有利于燃料/空气混合物的点燃。每个气缸2可设有预燃室阀，用于控制气态燃料向预燃室的供给。当气缸2使用气态燃料作为主燃料运行时，利用奥托燃烧过程。在附图的实施方式中，液体引燃燃料用于点燃气态燃料。可选地，空气和气态燃料的混合物可以通过火花塞点燃。气态燃料从气罐10通过供气管11供给到发动机1的气缸2。气体源也可以是，例如，生产可燃气体的管线或工业过程。气体供给系统设置有主气阀12，其用于控制供给到气缸2的进气阀9的气体的压力。

图1所示的引燃燃料喷射系统是共轨系统。引燃燃料喷射系统包括用于发动机1的每个气缸2的引燃燃料喷射器3。每个引燃燃料喷射器3可被单独控制。引燃燃料喷射器3连接到控制单元6，用于控制引燃燃料喷射的定时和持续时间。引燃燃料喷射系统包括低压泵4和高压泵5。低压泵4从燃料箱7提供燃料到高压泵5。高压泵5以适于将燃料直接喷射到发动机1的气缸2中的压力将燃料供应到燃料轨8中。燃料轨8中的压力可以例如在800至3000巴的范围内。每个燃料喷射器3连接到相同的燃料轨8。引燃燃料喷射系统还可包括不止一个低压泵和/或高压泵4、5。代替或除了所有引燃燃料喷射器3共用的燃料轨之外，每个引燃燃料喷射器3可设有自己的燃油贮存器。引燃燃料喷射系统还可包括多个燃料轨8。引燃燃料喷射系统或引燃燃料喷射系统的部分也可用于将液体主燃料引入到发动机1的气缸2中。

图2示意性地示出了图1的活塞式发动机1的一个气缸2。气缸2由插入发动机体中的气缸套20形成。活塞14在气缸2中在下止点和上止点之间以往复的方式移动。气缸盖16封闭上止点端，即气缸2的上端。活塞14与气缸盖16和气缸套20的壁一起限定了燃烧室15，在其中燃料发生燃烧。吸入空气，在气体模式中，还有气态主燃料也通过进气管道13引入到气缸2中。进气阀9布置成将气态主燃料引入到进气管道13中。进给阀17布置成打开和关闭燃烧室15和进气管道13之间的流体连通。废气通过排气管道18从气缸2中排出。燃烧室15和排气管道18之间的流体连通可以通过排气阀19打开和关闭。图2还示出了引燃燃料喷射器3，其可用于将液体引燃燃料直接喷射到燃烧室15中。

在燃气发动机中，靠近燃烧室15的壁产生了全部未燃烧或部分燃烧的烃(THC)排放物的显著部分。在位于燃烧室15的壁附近的热边界层中，朝向燃烧室壁的快速热交换速率干扰了燃烧，结果形成了THC排放物。根据本发明，通过将具有相同的极性的电荷施加到燃料的气体分子和燃烧室15的壁而减少了这种现象。燃烧室壁和燃料因此彼此排斥，这降低了热边界层中的燃料浓度。结果，燃料更有效地燃烧，并且形成较少的THC排放物。

燃烧室15的壁利用产生DC电压的高压电源24而带电。施加到燃烧室壁的电压可以在例如50kV到100kV的范围内。在图2的实施方式中，每个气缸套20连接到DC电压电源24的正极端子。因此，每个气缸套20带正电。然而，如果燃料带负电，则燃烧室壁也可以带负电。气缸套20用绝缘材料26与发动机体和气缸盖16电绝缘。

在气态燃料经由进气阀9被引入到进气管道13中并进一步引入到燃烧室15中之前，燃料的气体分子是带电的，即电离的。为了使燃料带电，电离器25布置在进气阀9的上游。在附图的实施方式中，发动机1的每个气缸2都设置有自己的电离器25。然而，也可以使用一组气缸2或发动机1的所有气缸2所共用的电离器25。

在燃料带正电的情况下，在电离过程中产生自由电子和阳离子。从每个气体分子中移出最松散结合的电子所需的能量被称为电离能。能量可以以许多不同的方式进入该过程，并且电离器25的运行因此可以基于许多不同的原理。至少可以利用磁场、微波或光电离。例如，在光电离中，当光子与分子碰撞时，电子从分子中被移出。不同的运行原理可以以许多不同的方式实施。例如，非热等离子体技术可用于电离过程。在天然气用作气态燃料的情况下，形成甲烷阳离子(CH₄ ⁺)。当阳离子进入燃烧室15时，它们被带正电的气缸套20排斥。因此，燃料的浓度在燃烧室15的壁附近较低。

图3示出了本发明的另一个实施方式。图3的气缸套20与图2的气缸套20的不同之处在于，气缸套20设有用于容纳防抛光环22的凹部21。凹部21位于气缸套20的上端。防抛光环22是套筒状元件，其用于从活塞14上去除积碳。防抛光环22的内径小于气缸套20的内径，但大于在活塞环23以上区域的活塞14的外径。防抛光环22的下端处于这样的高度，当活塞14处于上止点时，防抛光环22的下端在活塞14的所有活塞环23的上方，但活塞14的上端在防抛光环22的下端以上。因此，防抛光环22可以从在活塞环23上方的活塞顶上刮掉积碳。

在图3的实施方式中，整个气缸套20不带电。相反，DC电压电源24连接到防抛光环22。电绝缘体26布置在防抛光环22与气缸套20之间。因此，只有防抛光环22带电。该实施方式的优点在于，整个气缸套20不需要与发动机体电绝缘。因为大多数燃烧发生在上止点附近，所以即使利用图3的实施方式也可以实现THC排放物的充分减少。

本领域技术人员将理解，本发明不限于上述实施方式，而是可以在所附权利要求的范围内变化。

Claims (16)

1.一种用于减少使用气态燃料作为主燃料运行的活塞式发动机(1)中未燃烧和部分燃烧的烃的排放物的方法，其特征在于，所述燃料的气体分子在被引入到所述发动机(1)的燃烧室(15)之前以预定的极性带电，并且具有相同所述极性的电荷被施加到所述燃烧室(15)的壁。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述燃料和所述燃烧室(15)的所述壁都是带正电的。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述电荷被施加到所述发动机(1)的每个气缸(2)的防抛光环(22)。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中所述电荷被施加到所述发动机(1)的每个气缸(2)的气缸套(20)。

5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中使用高压电源(24)使燃烧室(15)的所述壁带电。

6.根据权利要求5所述的方法，其中所述高压电源(24)是线性输出变压器。

7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中施加到所述燃烧室(15)的所述壁上的电压在50kV到100kV的范围内。

8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中用电离器(25)使所述燃料带电，所述电离器(25)布置在位于所述气缸(2)的进气阀(9)上游的燃料供给系统中。

9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中使用磁场、光电离或微波使所述燃料带电。

10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述发动机(1)使用稀薄空气/燃料混合物运行。

11.一种活塞式发动机(1)，该活塞式发动机包括用于将气态燃料引入到进气管道(13)中的燃料引入装置(9)，其特征在于，所述发动机(1)包括用于在将所述气态燃料引入到所述发动机(1)的燃烧室(15)之前以预定的极性使所述气态燃料带电的燃料带电装置(25)，以及用于将具有相同所述极性的电荷施加到每个燃烧室(15)的所述壁的壁电荷施加装置(25)。

12.根据权利要求11所述的发动机(1)，其中用于使所述燃烧室壁带电的所述电荷施加装置(24)是高压电源。

13.根据权利要求12所述的发动机(1)，其中所述高压电源(24)是线性输出变压器。

14.根据权利要求11至13中任一项所述的发动机(1)，其中用于使所述燃料带电的所述燃料带电装置(25)包括电离器。

15.根据权利要求14所述的发动机(1)，其中所述发动机(1)针对该发动机(1)的每个气缸(2)都设置有自已的电离器(25)。

16.根据权利要求14或15所述的发动机(1)，其中所述电离器(25)的运行基于磁场、光电离或微波。