DE60300745T2

DE60300745T2 - Verfahren und Vorrichtung für die Zufuhr eines wasserstoffangereicherten Gases in einer Vorkammer

Info

Publication number: DE60300745T2
Application number: DE60300745T
Authority: DE
Inventors: Joel D. Peoria Hiltner; Martin L. Peoria Willi
Original assignee: Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 2002-04-26
Filing date: 2003-04-15
Publication date: 2005-11-03
Anticipated expiration: 2023-04-16
Also published as: US6739289B2; EP1359298A3; EP1359298A2; DE60300745D1; EP1359298B1; US20030200939A1

Description

Technisches Gebiet
Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Lieferung von Brennstoff in eine Vorbrennkammer und insbesondere auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Lieferung eines mit Wasserstoff angereicherten aufbereiteten Brennstoffes zu einer Vorbrennkammer.
Hintergrund
Verbrennungsmotoren sind typischerweise konfiguriert, um eine Brennstoffmenge von einer gewissen Art in eine Hauptbrennkammer einzuleiten, in der der Brennstoff gezündet wird, um Leistung zum Betrieb des Motors zu liefern. Verschiedene Arten von Brennstoff werden mit variierenden Graden von Zündungs- und Verbrennungseigenschaften verwendet. Ein Beispiel von Brennstoff ist Erdgas, welches eine hohe Oktan-Zahl hat und somit eine beträchtliche Beständigkeit gegen Motorklopfen bietet. Wenn jedoch Erdgas als eine magere Mischung eingeleitet wird, d. h. mit Sauerstoff vermischt, und zwar zum Zweck der Verringerung von schädlichen Emissionen, zündet die magere Erdgasmischung nicht so gut wie erwünscht.
Ein übliches Verfahren, um das Problem der schlechten Zündung von mageren Brennstoffmischungen zu überwinden, ist es, eine kleine Menge einer fetten Brennstoffmischung in eine Vorbrennkammer zu liefern. Der Brennstoff in der Vorbrennkammer wird dann gezündet, und die daraus resultierende Verbrennungsflamme wird in die Hauptkammer abgeleitet, um die magerere Brennstoffmischung in der Hauptkammer zu zünden.
Es ist auch herausgefunden worden, dass ein mit Wasserstoff angereicherter Brennstoff, beispielsweise ein aufbereiteter Brennstoff, der in die Vorkammer eingeleitet wird, verbesserte Zündungseigenschaften in der Vorkammer bietet. Beispielsweise offenbart Watson im US-Patent 5 611 307 ein System, welches Wasserstoff in eine Vorkammer einleitet, entweder direkt oder mittels eines aufbereiteten Brennstoffes. Die fette Wasserstoff- Mischung, die ein stöichiometrisches Äquivalenzverhältnis im Bereich von 1,2 bis 7 hat, wird dann gezündet. Die daraus resultierende Flamme wird in die Hauptkammer zur Verbrennung des primären Brennstoffes abgeleitet.
Obwohl die fette Wasserstoff-Vorkammermischung, die von Watson offenbart wurde, den Verbrennungswirkungsgrad in der Hauptkammer steigern kann, hat die fette Mischung stark gesteigerte Temperaturen in der Vorkammer zur Folge. Beispielsweise kann die Temperatur an einer Vorkammerspitze, d. h. an dem Teil der Vorkammer, der den Eintritt der Flammen in die Hauptkammer gestattet, ungefähr 900° Celsius sein. Diese gesteigerten Temperaturen begrenzen die maximale Belastung des Motors und führen zu einer verkürzten Komponentenlebensdauer. Es wäre wünschenswert, eine leicht zu zündende Brennstoffmischung in der Vorbrennkammer vorzusehen und verringerte Temperaturen während des Zündungsprozesses beizubehalten.
Die vorliegende Erfindung ist darauf gerichtet, eines oder mehrere der oben dargelegten Probleme zu überwinden.
Zusammenfassung der Erfindung
Gemäß eines Aspektes der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren vorgesehen, um einen mit Wasserstoff angereicherten Brennstoff in eine Vorbrennkammer zu liefern. Das Verfahren weist die Aufbereitung einer Brennstoffmenge auf, um einen mit Wasserstoff angereicherten Brennstoff zu erzeugen, weiter den aufbereiteten Brennstoff in die Vorbrennkammer zu liefern und den mit Wasserstoff angereicherten Brennstoff mit einer Brennstoff/Luft-Mischung zu einem weniger als stöichiometrischen Verhältnis zu kombinieren.
Gemäß eines weiteren Aspektes der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren offenbart, um eine Zündung mit verringerter Temperatur in einer Vorbrennkammer vorzusehen. Das Verfahren weist die Aufbereitung einer Brennstoffmenge auf, um einen mit Wasserstoff angereicherten Brennstoff zu erzeugen, weiter die Lieferung des aufbereiteten Brennstoffes in die Vorbrennkammer, die Lieferung eines Teils der Brennstoff/Luft-Mischung aus einer Hauptbrennkammer in die Vorbrennkammer, weiter die Kombination des aufbereiteten Brennstoffes und der Brennstoff/Luft-Mischung zu einem weniger als stöichiometrischen Verhältnis und die Zündung des kombinierten Brennstoffes in der Vorbrennkammer, wobei der weniger als stöichiometrisch gemischte Brennstoff eine Zündung mit verringerter Temperatur vorsieht.
Gemäß noch einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung offenbart, um einen mit Wasserstoff angereicherten Brennstoff zu einer Vorbrennkammer zu liefern. Die Vorrichtung weist eine Brennstoffversorgung und eine Brennstoffaufbereitungsvorrichtung auf, um eine Brennstoffmenge von der Brennstoffversorgung aufzunehmen und einen mit Wasserstoff angereicherten Brennstoff zu erzeugen, wobei der mit Wasserstoff angereicherte Brennstoff mit einer Brennstoff/Luft-Mischung mit einem weniger als stöichiometrischen Verhältnis in der Vorbrennkammer kombiniert wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine diagrammartige Darstellung von einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
2 ist eine Kurvendarstellung, die beispielhafte Vorteile durch die Anwendung der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
3 ist ein Flussdiagramm, welches ein bevorzugtes Verfahren der vorliegenden Erfindung veranschaulicht; und
4 ist eine diagrammartige Darstellung eines alternativen Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
Detaillierte Beschreibung
Mit Bezug auf die Zeichnungen und die beigefügten Ansprüche werden ein Verfahren und eine Vorrichtung 100 offenbart, um einen mit Wasserstoff angereicherten Brennstoff zu einer Vorbrennkammer 104 zu liefern.
1 bildet einen Teil eines Motors 102 ab. Der Motor 102 ist ein Verbrennungsmotor, der einen trennbaren Brennstoff zur Erzeugung von Leistung verwendet. Ein beispielhafter Brennstoff weist Erdgas auf. Jedoch können andere Arten von Brennstoff ebenfalls verwendet werden, wie beispielsweise Deponie-Gas, Bio-Gas usw.. Bei einem typischen Betrieb wird Brennstoff zu einer Hauptbrennkammer 106 geliefert, in der die Verbrennung stattfindet. Bei gewissen Betriebsbedingungen ist es jedoch schwierig, eine volle und vollständige Verbrennung zu erreichen.
Eine Technik, die verwendet wird, um bei der Verbrennung in der Hauptbrennkammer 106 zu helfen, ist es, eine kleine Brennstoffmenge in der Vorbrennkammer 104 zu zünden und den gezündeten Brennstoff in die Hauptbrennkammer 106 zu liefern. Der gezündeten Brennstoff verursacht die Verbrennung des Brennstoffes in der Hauptbrennkammer 106. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird der Brennstoff in der Vorbrennkammer 104 mittels einer Zündungsvorrichtung 116 gezündet, wie beispielsweise mittels einer Zündkerze. Der gezündete Brennstoff wird dann zu der Hauptbrennkammer 106 durch einen Flammenverbindungsdurchlassweg 118 geliefert.
Eine Brennstoffversorgung 108 liefert Brennstoff sowohl zu der Vorbrennkammer 104 als auch zu der Hauptbrennkammer 106. Alternativ kann mehr als eine Brennstoffversorgung verwendet werden. Darüber hinaus können der Brennstoff für die Vorbrennkammer 104 und für die Hauptbrennkammer 106 von der gleichen Brennstoffart sein, oder können unterschiedliche Brennstoffe sein, wie erwünscht.
Brennstoff wird von der Brennstoffversorgung 108 zu einer Brennstoffaufbereitungsvorrichtung 110 über einen Brennstoffdurchlassweg A geliefert. Die Brennstoffaufbereitungsvorrichtung 110 wirkt dahingehend, dass sie den Brennstoff aufbereitet, um mit Wasserstoff angereicherten Brennstoff zu erzeugen. Die Aufbereitung von Brennstoff ist in der Technik wohlbekannt und kann mittels Techniken wie beispielsweise einer teilweisen Oxidation, einer Dampfaufbereitung bzw. Dampf-Reformation usw. erreicht werden.
Der aufbereitete bzw. reformierte Brennstoff wird dann über den Brennstoffdurchlassweg B und durch ein Verbrennungsisolationsrückschlagventil 114 zur Vorbrennkammer 104 geliefert.
In einem alternativen Ausführungsbeispiel, wie es in 4 gezeigt ist, wird Brennstoff auch über den Brennstoffdurchlassweg C von der Brennstoffversorgung 108 zu den Mitteln 112 zur Kombination geliefert, um mit dem mit Wasserstoff angereicherten Brennstoff kombiniert zu werden, der ebenfalls über den Brennstoffdurchlass B zu den Mitteln 112 zur Kombination geliefert wird. Vorzugsweise wird der Brennstoff mit dem mit Wasserstoff angereicherten Brennstoff als ein Verhältnis von 80% mit Wasserstoff angereichertem Brennstoff zu 20% Brennstoff kombiniert, obwohl genauso andere Verhältnisse verwendet werden könnten. Der kombinierte Brennstoff wird dann über den Brennstoffdurchlassweg D zu der Vorbrennkammer 104 geliefert.
Zusätzlicher Brennstoff wird über einen Brennstoffdurchlassweg E von der Brennstoffversorgung 108 zur Hauptbrennkammer 106 geliefert. Die Verbrennung des Brennstoffes in der Hauptbrennkammer 106 findet statt, wenn der gezündete kombinierte Brennstoff von der Vorbrennkammer 104 in die Hauptbrennkammer 106 über den Flammenverbindungsdurchlassweg 118 eintritt.
In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der zur Vorbrennkammer 104 gelieferte Brennstoff ungefähr 5% des gesamten verwendeten Brennstoffes, und der zur Hauptbrennkammer 106 gelieferte Brennstoff sorgt für den Rest von 95%. Die kleine Brennstoffmenge, die zu der Vorbrennkammer 104 geliefert wird, wird mit einer kleinen Menge der Brennstoff/Luft-Mischung aus der Hauptbrennkammer 106 kombiniert, um eine magere Mischung zu er zeugen, das heißt eine weniger als stöichiometrische Mischung. Jedoch versieht die Zugabe des mit Wasserstoff angereicherten Brennstoffes den kombinierten Brennstoff mit Zündungseigenschaften, die mit fetten Brennstoffmischungen bezüglich der Effizienz und der Wirksamkeit vergleichbar sind. Vorzugsweise ist die restliche Brennstoff/Luft-Mischung in der Hauptbrennkammer 106 ebenfalls mager, was somit den Vorteil der Verbrennung einer mageren Brennstoffmischung bietet.
2 ist eine Kurvendarstellung 202, die die Temperaturdifferenz in der Vorbrennkammer 104 veranschaulicht, wenn mit Wasserstoff angereicherter Brennstoff mit dem Brennstoff kombiniert wird, und zwar im Vergleich zu der Temperatur, wenn Brennstoff alleine verwendet wird. Ein Vergleich einer Kurvendarstellung 204 einer fetten Vorkammer nur mit Erdgas mit einer Kurvendarstellung 206 einer mageren Vorkammer mit aufbereitetem angereicherten Brennstoff zeigt eine Verringerung der Temperatur von 60 bis 70°C, wenn mit Wasserstoff angereicherter Brennstoff zu einer mageren Brennstoffmischung zugeführt wird. Es sei jedoch bemerkt, dass die Temperatur nahe dem Flammenverbindungsdurchlassweg, was üblicherweise als die Vorkammerspitze bekannt ist, ungefähr 900°C sein kann. Die Anwendung einer mageren Vorkammer mit einer Anreicherung mit aufbereitetem Brennstoff hat erwiesenermaßen diese Temperatur um bis zu mehrere 100 Grad verringert.
Mit Bezug auf 3 ist ein Flussdiagramm gezeigt, welches ein bevorzugtes Verfahren zur Lieferung eines mit Wasserstoff angereicherten Brennstoffes in eine Vorbrennkammer 104 veranschaulicht.
In einem ersten Steuerblock 302 wird eine Brennstoffmenge zu der Brennstoffaufbereitungsvorrichtung 110 geliefert. Die Steuerung geht voran zu einem zweiten Steuerblock 304, in dem die erste Brennstoffmenge aufbereitet bzw. reformiert wird, um einen mit Wasserstoff angereicherten Brennstoff zu erzeugen.
In einem dritten Steuerblock 306 wird der aufbereitete Brennstoff zu der Vorbrennkammer 104 geliefert. In einem vierten Steuerblock 308 wird der aufbereitete Brennstoff mit einer kleinen Menge der Brennstoff/Luft-Mischung von der Hauptbrennkammer mit einem weniger als stöichiometrischen Verhältnis kombiniert. Es ist in der Technik wohlbekannt, dass das stöichiometrische Verhältnis ein äquivalentes Verhältnis von 1,0 hat, das heißt, die Mischung hat gerade genügend Luft, um den gesamten Brennstoff zu verbrennen. Äquivalenzverhältnisse von mehr als 1,0 sind als fette Mischungen klassifiziert, und Äquivalenzverhältnisse von weniger als 1,0 werden als mager angesehen. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist erwünscht, dass der kombinierte Brennstoff ein Äquivalenzverhältnis von ungefähr 0,5 bis 0,7 hat.
Der kombinierte Brennstoff wird dann gezündet, wie von einem fünften Steuerblock 310 gezeigt. In einem sechsten Steuerblock 312 wird der gezündete Brennstoff, das heißt die Flamme von der Zündung des kombinierten Brennstoffes, zu der Hauptbrennkammer 106 mittels des Flammenverbindungsdurchlassweges 118 abgeleitet. Der gezündete Brennstoff wiederum sieht eine Verbrennung der restlichen Menge der Brennstoff/Luft-Mischung in der Hauptbrennkammer 106 vor.
Industrielle Anwendbarkeit
Als ein Beispiel der Anwendung der vorliegenden Erfindung ist es erwünscht, einer mageren Brennstoff in der Hauptbrennkammer 106 zu verbrennen, um eine vollständigere Verbrennung zu erreichen und somit die Emissionen von schädlichen Gasen und Partikeln zu reduzieren. Jedoch ist es schwierig, magere Brennstoffmischungen direkt zu zünden, insbesondere Brennstoffe wie Erdgas. Ein Verfahren, um dies zu überwinden ist es, eine kleine Menge des Brennstoffes in der Vorbrennkammer 104 zu zünden und den gezündete Brennstoff zu verwenden, um eine Verbrennung in der Hauptbrennkammer 106 zu verursachen. Der Vorbrennkammerbrennstoff ist üblicherweise eine fette Mischung, was somit die Verbrennung in der Vorbrennkammer 104 erleichtert.
Die fette Brennstoffmischung bewirkt jedoch, dass sich hohe Temperaturen innerhalb der Vorbrennkammer 104 entwickeln. Die hohen Temperaturen, die ungefähr 900°C an dem Teil der Vorbrennkammer 104 nahe dem Flammenverbindungsdurchlassweg 118 sein können, das heißt an der Vorkammerspitze, begrenzen die maximale Belastung des Motors 102 und haben eine kurze Lebensdauer der Komponenten zur Folge. Die vorliegende Erfindung, die einen mit Wasserstoff angereicherten Brennstoff in die Vorbrennkammer 104 liefert, reduziert die Temperatur bis zu mehreren 100 Grad Celsius, was somit die Probleme vermindert, die durch hohe Temperaturen erzeugt werden.
Andere Aspekte, Ziele und Merkmale der vorliegenden Erfindung können aus einem Studium der Zeichnungen, der Offenbarung und der beigefügten Ansprüche erhalten werden.

Claims

Verfahren zur Lieferung eines mit Wasserstoff angereicherten Brennstoffes in eine Vorbrennkammer (104), welches folgende Schritte aufweist: Aufbereitung einer Brennstoffmenge, um einen mit Wasserstoff angereicherten Brennstoff zu erzeugen; Lieferung des aufbereitetem Brennstoffes in die Vorbrennkammer (104); und Kombination des mit Wasserstoff angereicherten Brennstoffes mit einer Brennstoff/Luft-Mischung zu einem weniger als stöichiometrischen Verhältnis.
Verfahren nach Anspruch 1, welches weiter folgende Schritte aufweist: Zündung des kombinierten Brennstoffes in der Vorbrennkammer (104); Ableitung des gezündete Brennstoffes in eine Hauptbrennkammer (106); und Vorsehen einer Verbrennung einer Brennstoffmenge in der Hauptbrennkammer (106).
Verfahren nach Anspruch 1, welches weiter den Schritt aufweist, den aufbereitetem bzw. reformierten Brennstoff mit einer weiteren Brennstoffmenge zu kombinieren, bevor der aufbereitete Brennstoff in die Vorbrennkammer (104) geliefert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das weniger als stöichiometrische Verhältnis ein Äquivalenzverhältnis im Bereich von ungefähr 0,5 bis 0,7 aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Brennstoff Erdgas ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der aufbereitete Brennstoff einen mit Wasserstoff angereicherter Brennstoff ist.
Vorrichtung 100 zur Lieferung eines mit Wasserstoff angereicherten Brennstoffes in eine Vorbrennkammer (104), die folgendes aufweist: eine Brennstoffversorgung (108); und eine Brennstoffaufbereitungsvorrichtung (110), um eine Brennstoffmenge von der Brennstoffversorgung (108) aufzunehmen und einen mit Wasserstoff angereicherten Brennstoff zu erzeugen; wobei der mit Wasserstoff angereicherte Brennstoff mit einer Brennstoff/Luft-Mischung in der Vorbrennkammer (104) in einem weniger als stöichiometrischen Verhältnis kombiniert wird.
Vorrichtung (100) nach Anspruch 7, die weiter folgendes aufweist: eine Zündungsvorrichtung (116), die in der Vorbrennkammer (104) gelegen ist; eine Hauptbrennkammer (106); und einen Flammenverbindungsdurchlassweg (118) von der Vorbrennkammer (104) zu der Hauptbrennkammer (106), um den Durchlass des kombinierten Brennstoffes zu gestatten, der von der Zündungsvorrichtung (116) gezündet wurde, und zwar von der Vorbrennkammer (104) zur Hauptbrennkammer (106).
Vorrichtung nach Anspruch 7, die weiter Mittel (112) aufweist, um den mit Wasserstoff angereicherten Brennstoff mit einer weiteren Brennstoffmenge von der Brennstoffversorgung (108) zu kombinieren und darauf ansprechend den kombinierten Brennstoff zu der Vorbrennkammer (104) zu liefern.