CN116783378A - 包括两个燃烧腔室的涡轮机的燃烧方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种组件的燃烧方法，所述组件包括：第一涡轮(T1)、第一燃烧腔室(CC1)和空气压缩机(C1)，所述第一涡轮(T1)被供应来自所述燃烧腔室(CC1)的全部气体，所述压缩机(C1)给所述第一燃烧腔室(CC1)供应空气；第二燃烧腔室(CC2)，所述第二燃烧腔室被供应来自所述第一涡轮(Tl)中膨胀的全部气体；第二涡轮(T2)，所述第二涡轮被供应所述第二燃烧腔室(CC2)的燃烧气体，其中，在所述第一燃烧腔室(CC1)中实施燃烧，所述燃烧经调整以限制氮氧化物的排出，而在一氧化碳和未燃尽碳氢化合物方面无约束，并且在所述第二燃烧腔室(CC2)中实施燃烧，所述燃烧经调整以减少一氧化碳和未燃尽碳氢化合物。
Description
技术领域
本发明要求于2021年1月25日提交的法国申请N°2100653的优先权，该申请的内容(文本、附图和权利要求)通过引用并入本文。
本发明涉及气体涡轮的领域。本发明更具体地涉及一种包括两个燃烧腔室的涡轮机的燃烧方法。
背景技术
气体涡轮类型的能量转换器是在电力产生中众所周知的。这些机器包括：压缩机，所述压缩机压缩空气并且增加所述空气的压力；燃烧腔室，所述燃烧腔室使用燃料并且产生热能；以及涡轮，所述涡轮用于回收气体的做功。由所述涡轮产生的功率的一部分用于驱动所述压缩机，而另一部分用于驱动发电机并且产生电气功率。在汽车应用的情况下，该电力可用于给电动或混动车辆的牵引电池再充电。
为了减少来源于机动车辆的污染物的排出，现有技术已知使气体涡轮并入到混动车辆的推进系统中。为了移动，所述混动车辆或是使用来源于热力发动机的能量，或是使用电气能量，所述热力发动机被供应燃料(例如柴油、汽油、乙醇、甲醇或天然气)。所述电气能量可直接地由集成至所述车辆的电力产生系统产生或者可来源于集成至所述车辆的电池。一些混动车辆还可再充电。所述涡轮发电机(其例如由气体涡轮和电力发电机组成)由此用于产生该电气能量，并且能够减少二氧化碳和其它大气污染物(如氮氧化物)的排出。布雷顿循环是使用气体涡轮的热力学循环。其在减少污染物排放方面具有出色的性能。这些转换器的一些热力学循环包括能够实现极高的效率和功率密度的多个压缩和膨胀阶段。例如，从文件FR308748A1中已知使用该循环的这种气体涡轮。
另外，环境标准要求在所述车辆的污染物的排出方面的严格限制。为了掌控这些排出，这些排出在去污染系统中进行处理。然而，该去污染系统是复杂的且昂贵的，因为该去污染系统典型地包括催化剂。例如，为了在内燃式发动机方面减少氮氧化物NOx、一氧化碳CO和未燃尽碳氢化合物HC的排出，需要三元催化剂。该催化剂包括涂层，所述涂层包括稀有材料(例如用于处理氮氧化物NOx的铑、用于处理一氧化碳CO和未燃尽碳氢化合物HC的钯和铂)。这些经使用的稀有材料的成本正在急剧上升，尤其是用作氮氧化物NOx催化剂的铑的成本。
由此，需找到一种解决方案来在源头处阻断氮氧化物NOx的排出，以避免使用这些材料。仅在燃烧中阻断氮氧化物NOx的排出，这典型地会加剧CO和HC的一氧化碳CO和未燃尽碳氢化合物HC的排出。由此，需找到用于减少NOx以及CO和HC的方式。
发明内容
本发明旨在通过提供一种组件的燃烧方法来解决现有技术中所遇到的问题，所述组件包括：
-第一气体膨胀涡轮、第一燃烧腔室和空气压缩机，所述第一气体膨胀涡轮被供应来自所述燃烧腔室的全部气体，所述压缩机给所述第一燃烧腔室供应空气，
-第二燃烧腔室，所述第二燃烧腔室被供应来自所述第一气体膨胀涡轮中膨胀的全部气体，第二气体膨胀涡轮，所述第二气体膨胀涡轮被供应所述第二燃烧腔室的燃烧气体，
其中，
-在所述第一燃烧腔室中实施燃烧，所述燃烧经调整以限制氮氧化物的排出，而在一氧化碳和未燃尽碳氢化合物方面无约束，
-在所述第二燃烧腔室中实施燃烧，所述燃烧经调整以减少一氧化碳和未燃尽碳氢化合物。
其技术效果在于获得一种涡轮机，所述涡轮机允许在不存在去污染催化剂的情况下有效地同时减少氮氧化物、一氧化碳和未燃尽碳氢化合物。
可单独地或组合地设置各种附加特征：
根据实施例，所述组件按照预确定的固定运行点进行。
根据实施例，所述第一燃烧腔室是所谓的双流腔室，在所述双流腔室中，来自所述压缩机的空气流量分成两部分，即所述流量中作为助燃剂参与所述燃烧的部分和所述流量中不参与所述燃烧的剩余部分。
根据实施例，所述第二燃烧腔室是所谓的单流腔室，在所述单流腔室中，来自所述第一燃烧腔室的全部燃烧气体和所述空气流量中未参与所述第一燃烧腔室中燃烧的那部分混合，以参与该第二燃烧腔室中的燃烧。
根据实施例，从所述第二涡轮离开的气体发送到热交换器中以加热从所述压缩机离开的空气，在所述空气进入到所述第一燃烧腔室中之前。
本发明还旨在提供一种组件，所述组件包括：
-第一气体膨胀涡轮、第一燃烧腔室和空气压缩机，所述第一气体膨胀涡轮被供应来自所述燃烧腔室的全部气体，所述压缩机给所述第一燃烧腔室供应空气，
-第二燃烧腔室，所述第二燃烧腔室被供应来自所述第一气体膨胀涡轮中膨胀的全部气体，第二气体膨胀涡轮，所述第二气体膨胀涡轮被供应所述第二燃烧腔室(CC2)的燃烧气体，
-燃料喷射部件，所述燃料喷射部件用于向所述燃烧腔室中的每个中喷射燃料，
-管控部件，所述管控部件用于管控所述燃烧腔室中的燃烧，
其特征在于，所述第一燃烧腔室是所谓的双流腔室，所述第二燃烧腔室是所谓的单流腔室，并且，用于管控所述燃烧的管控部件配置用于：操控所述第一燃烧腔室中的燃烧，所述燃烧经调整以限制氮氧化物的排出，而在一氧化碳和未燃尽碳氢化合物方面无约束；以及操控所述第二燃烧腔室中的燃烧，所述燃烧经调整以减少一氧化碳和未燃尽碳氢化合物。
根据实施例，所述压缩机是径向压缩机，并且，所述涡轮是径向涡轮。
根据实施例，所述组件包括电力发电机，所述电力发电机经联接以便回收由在所述第一涡轮、所述第二涡轮之中的至少一个元件产生的机械能量。
本发明还旨在提供一种机动车辆，所述机动车辆包括电气牵引发动机和本发明的组件，所述电气牵引发动机由牵引电池供电，所述组件包括这种发电机，该发电机给所述牵引电池供电。
附图说明
通过阅读本发明下文中的非限制性特殊实施例的详细说明和附图，本发明的其它特征和优点将更加清楚，在所述附图中：
-图1示意性地示出了符合本发明的机动车辆。
-图2示意性地示出了符合本发明的组件的实施例。
-图3示意性地示出了符合本发明的组件的另一实施例。
具体实施方式
图1示出了机动车辆，所述机动车辆在虚线框中包括本发明的组件1。
电力发电机G1与该组件1联接以便使由该组件产生的机械能量转换成电流。
发电机G1与电气网络联接，所述电气网络包括电池B和电气发动机MEL，所述电气发动机用于牵引所述车辆。AC/DC电气转换器可设置用于管理在所述电气网络中的电气流。由此，发电机G1可给电池B再充电。电池B经使用用于给电气牵引发动机MEL供电。组件1由此从牵引链机械地断联，并且可按照其最大化效率点运行。
图2示出了图1所示的组件1的实施例。该组件因此具有第一涡轮T1。该气体膨胀涡轮T1被供应在第一燃烧腔室CC1中产生的燃烧气体。该涡轮T1还与其所驱动旋转的空气压缩机C1联接。空气压缩机C1给燃烧腔室CC1供应加压空气。该加压空气与经喷射到燃烧腔室C1中的燃料燃烧以产生发送到涡轮T1中的燃烧气体。出于紧凑性原因，设置径向压缩机C1。出于相同的紧凑性原因，可设置径向涡轮T1、T2。
电力发电机G1与所述组件联接以便回收由在压缩机C1、第一涡轮T1或第二涡轮T2之中的元件中的至少一个产生的机械能量。
在该实施例中，已在第一涡轮T1中膨胀的燃烧气体优选地直接引入到第二燃烧腔室CC2中以与经喷射到第二燃烧腔室CC2中的燃料燃烧。
在第一燃烧腔室CC1中，实施燃烧，所述燃烧经调整以获得较低的NOx排出，因此获得了在低温下的均匀燃烧，所述均匀燃烧生成小于10ppm的NOx以与环境标准(尤其是标准€7)兼容，同时摆脱在一氧化碳CO和未燃尽碳氢化合物HC方面的约束。
所述组件还包括燃料喷射部件(未示出)，所述燃料喷射部件用于向燃烧腔室CC1和CC2中的每个中喷射燃料。
所述组件还包括用于管控燃烧腔室CC1、CC2中的燃烧的管控部件(例如电子计算机)。该电子计算机包括通过经储存于存储器中的软件指令进行获取和处理的获取和处理部件以及为了操控如下文描述的燃烧所需的控制部件。
为了获得这种较低的NOx排出，可使用所谓的双流燃烧腔室。在这种燃烧腔室中，来自压缩机C1的空气流量m总分成两部分，即所述流量中作为助燃剂参与所述燃烧的第一部分m空气1以及所述流量中不参与所述燃烧的剩余部分m空气2(m总＝m空气1+m空气2)。
使所述空气流量分成两部分的这一事实能够管控(在第一燃烧腔室CC1中经过的且有效地参与所述燃烧的)流量。在该情况下，可能执行化学计量式的且整体均匀的燃烧。已知富足型燃烧能够减少NOx的排出。事实上，在该情况下，所述燃烧将消耗全部可用氧气O2，并因此将不会剩余氧气O2来与氮气N2反应以形成氮氧化物NOx，NOx即当N2分子在高温下遇到O2分子时根据Pischinger图形成的N2O、NO、NO2。因此存在用于形成NOx的两个可能条件：第一是较高的燃烧温度，第二是氧气O2和氮气N2的存在。
因此还具有可能执行贫乏型均匀燃烧的可能性，在该情况下，由于燃烧温度(根据Pischinger图，局部地<1300℃)不足以生成NOx，避免了所述NOx的产生。
在第一燃烧腔室CC1的出口处，所述燃烧气体和所述空气中未参与所述燃烧的那部分m空气2相互混合。这些燃烧气体包括很少的氮氧化物，但包括燃烧产物：二氧化碳CO2、水H2O、一氧化碳CO、未燃尽碳氢化合物HC。一氧化碳CO和未燃尽碳氢化合物HC在不完全燃烧(缺少氧气)之后形式。
新的混合物进入到第一涡轮T1(其中执行第一膨胀)中。接下来，在第一涡轮T1的出口处，该混合物进入到第二燃烧腔室CC2中。
第二燃烧腔室CC2是所谓的单流燃烧腔室，在所述单流燃烧腔室中，来自第一涡轮T1的出口的全部气体流量由此处在第二燃烧腔室CC2中以参与第二燃烧腔室CC2中的燃烧。
由此，第二燃烧腔室CC2包括第一燃烧腔室CC1的燃烧产物的100％。
这些燃烧产物是：二氧化碳CO2、水H2O、来自所述第一燃烧腔室的少量氮氧化物NOx、一氧化碳CO、未燃尽碳氢化合物HC、氮气N2和氧气O2。
在该第二燃烧腔室CC2中，所述燃烧经调整以减少一氧化碳CO和未燃尽碳氢化合物HC。在该第二燃烧腔室CC2中，由于由(未参与所述第一燃烧腔室中的燃烧的)空气流量m空气2带来的多出的氧气，一氧化碳CO和未燃尽碳氢化合物HC将减少。
此外，已知获得了具有来自所述燃烧气体的三原子分子CO2、H2O的混合物，这些三原子分子具有更大的比热，因此这些三原子分子将吸收热量并且降低在第二燃烧之后的温度。由此，将可能地伴随着非常少的氮氧化物NOx自然地执行第二燃烧，因为所述温度的降低阻止了氮氧化物的形成。所述CO和所述HC将与多出的O2燃烧并且将自然地减少。
为了优化运行和简化去污染，可设置使所述组件按照预确定的固定运行点进行。
由此，在双流燃烧腔室与单流燃烧腔室之间的该联结能够同时地减少所述机器的NOx、CO和HC的排出。
图3示出了另一实施例，其中，所述组件还包括回收器R。回收器R是用于在从压缩机C1离开的空气(在其进入到第一燃烧腔室CC1中之前)与在第二涡轮T2的出口处的燃烧气体(其能够加热该空气)之间交换热量的交换器。事实上，对于所述回收器的使用能够增加在第一燃烧腔室CC1的入口处的温度，并因此能够减小流量m空气1和增加流量m空气2。这因此导致了在第一燃烧腔室CC1中消耗非常少的氧气。剩余的氧气由此能够增加在第二燃烧腔室CC2中处理CO和HC的处理效率。
使用气体涡轮的优点在于，所述气体涡轮与新的能量媒介(例如来自生物质的新燃料)、气体燃料、不能够在传统内燃式发动机中使用的(铝、镁、铁、粉末等类型的)固体燃料兼容。所提供的设计能够通过工作于每个燃烧腔室中的燃烧来最终地减少全部污染物(NOx，CO和HC)。具有两个燃烧腔室的这一事实能够优化氮氧化物NOx，并且在所述第一燃烧腔室中摆脱在一氧化碳CO和未燃尽碳氢化合物HC方面的约束，然后在所述第二燃烧腔室中减少CO和HC。由于来自所述第一燃烧腔室的燃烧气体的存在，所述第二燃烧腔室还有助于避免NOx，这构成了类似于排气气体循环的效果。
本发明能够在源头处减少具有气体涡轮的组件的氮氧化物NOx、一氧化碳CO和未燃尽碳氢化合物HC的排出。这种具有气体涡轮的组件是使电动车辆的电池混动化的部件。其目的在于提供一种车辆，所述车辆具有电动车辆的全部益处(几乎无维修、无噪声、无振动等)但具有较低成本(具有气体涡轮的组件的成本保持比提供更高续航的电池的成本更低(归因于燃料的能量密度比电池的能量密度更高))，并且具有较低的环境影响，并且不需要任何经使用用于催化剂的稀有材料(例如铑、钯或铂)。
Claims (9)
1.一种组件的燃烧方法，所述组件包括：
-第一气体膨胀涡轮(T1)、第一燃烧腔室(CC1)和空气压缩机(C1)，所述第一气体膨胀涡轮(T1)被供应来自所述第一燃烧腔室(CC1)的全部气体，所述空气压缩机(C1)给所述第一燃烧腔室(CC1)供应空气，
-第二燃烧腔室(CC2)，所述第二燃烧腔室被供应来自所述第一气体膨胀涡轮(T1)中膨胀的全部气体，第二气体膨胀涡轮(T2)，所述第二气体膨胀涡轮被供应所述第二燃烧腔室(CC2)的燃烧气体，
其特征在于，
-在所述第一燃烧腔室(CC1)中实施燃烧，所述燃烧经调整以限制氮氧化物(NOx)的排出，而在一氧化碳(CO)和未燃尽碳氢化合物(HC)方面无约束，
-在所述第二燃烧腔室(CC2)中实施燃烧，所述燃烧经调整以减少一氧化碳(CO)和未燃尽碳氢化合物(HC)。
2.根据权利要求1所述的燃烧方法，其特征在于，所述燃烧方法按照预确定的固定运行点进行。
3.根据权利要求1或2所述的燃烧方法，其特征在于，所述第一燃烧腔室(CC1)是所谓的双流腔室，在所述双流腔室中，来自所述空气压缩机(C1)的空气流量分成两部分，即所述流量中作为助燃剂参与所述燃烧的部分和所述流量中不参与所述燃烧的剩余部分。
4.根据上述权利要求中任一项所述的燃烧方法，其特征在于，所述第二燃烧腔室(CC2)是所谓的单流腔室，在所述单流腔室中，来自所述第一燃烧腔室(CC1)的全部燃烧气体和所述空气流量中未参与所述第一燃烧腔室(CC1)中燃烧的那部分混合，以参与所述第二燃烧腔室(CC2)中的燃烧。
5.根据上述权利要求中任一项所述的燃烧方法，其特征在于，从所述第二气体膨胀涡轮(T2)离开的气体发送到热交换器(R)中以加热从所述空气压缩机离开的空气，在所述空气进入到所述第一燃烧腔室(CC1)中之前。
6.一种组件，所述组件包括：
-第一气体膨胀涡轮(T1)、第一燃烧腔室(CC1)和空气压缩机(C1)，所述第一气体膨胀涡轮(T1)被供应来自所述第一燃烧腔室(CC1)的全部气体，所述空气压缩机(C1)给所述第一燃烧腔室(CC1)供应空气，
-第二燃烧腔室(CC2)，所述第二燃烧腔室被供应来自所述第一气体膨胀涡轮(T1)中膨胀的全部气体，第二气体膨胀涡轮(T2)，所述第二气体膨胀涡轮被供应所述第二燃烧腔室(CC2)的燃烧气体，
-燃料喷射部件，所述燃料喷射部件用于向所述燃烧腔室(CC1，CC2)中的每个中喷射燃料，
-管控部件，所述管控部件用于管控所述燃烧腔室(CC1，CC2)中的燃烧，
其特征在于，所述第一燃烧腔室(CC1)是所谓的双流腔室，所述第二燃烧腔室(CC2)是所谓的单流腔室，并且，用于管控所述燃烧的管控部件配置用于：操控所述第一燃烧腔室(CC1)中的燃烧，所述燃烧经调整以限制氮氧化物(NOx)的排出，而在一氧化碳(CO)和未燃尽碳氢化合物(HC)方面无约束；以及操控所述第二燃烧腔室(CC2)中的燃烧，所述燃烧经调整以减少一氧化碳(CO)和未燃尽碳氢化合物(HC)。
7.根据权利要求6所述的组件，其特征在于，所述空气压缩机(C1)是径向压缩机，并且，所述涡轮(T1，T2)是径向涡轮。
8.根据权利要求6或7所述的组件，其特征在于，所述组件包括电力发电机(G1)，所述电力发电机经联接以便回收由在所述第一气体膨胀涡轮(T1)、所述第二气体膨胀涡轮(T2)之中的至少一个元件产生的机械能量。
9.一种机动车辆，所述机动车辆包括电气牵引发动机(MEL)，所述电气牵引发动机由牵引电池(B)供电，其特征在于，所述机动车辆包括根据权利要求8所述的组件，所述电力发电机(G1)给所述牵引电池(B)供电。
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