專利名稱：減小增壓式活塞發(fā)動機氮氧化物(Nox)排放的方法以及活塞發(fā)動機配置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種權(quán)利要求1前序部分所述的方法以及一種權(quán)利要求11所述的活塞發(fā)動機配置。
背景技術(shù)：
在高燃燒溫度下，氮氧化物(Nox)形成在活塞發(fā)動機的氣缸內(nèi)，并和廢氣一起排放到空氣中。由于氮氧化物排放對于環(huán)境的不利影響，已經(jīng)進行多種嘗試來消除它們。
公知的是將水和燃燒空氣添加在燃燒過程中以減小氮氧化物排放物的產(chǎn)生。這種現(xiàn)象尤其取決于水的冷卻效果。實際上，將水添加到活塞發(fā)動機的燃燒過程中主要以三個不同的選擇方式賦予實踐，使得水直接供應(yīng)到發(fā)動機燃燒室，或者和燃料一起作為燃料乳濁液供應(yīng)，或者水通過抽吸空氣通道供應(yīng)到抽吸空氣內(nèi)。
在出版物US5758606中，提出一種供應(yīng)水到發(fā)動機抽吸空氣隨后到增壓器的方法。水首先通過發(fā)動機冷卻水加熱并輸送到增濕塔，其中噴射成霧狀的水進行蒸發(fā)。例如由于增濕塔所需的空間以及大尺寸增濕塔高壓下操作時所帶來的某些安全隱患，使得此類配置不實用。
將水和抽吸空氣一起供應(yīng)到燃燒空間不減小發(fā)動機的軸效率，但在某些情況下抽吸空氣的溫度必須升高，出于減小氮氧化物排放的觀點，使得空氣濕度從到達足夠的程度，繼而降低質(zhì)量流速和空氣的氧含量。燃燒空間蒸發(fā)所獲得的水量因此只是在抽吸空氣的壓力和溫度條件下保持氣態(tài)形式。因此，燃燒空間內(nèi)獲得的水量和抽吸空氣一起受到抽吸空氣條件下水蒸氣的飽和限制。由于抽吸空氣的連續(xù)濕化，由于部分的水在氣缸換氣階段存在而不能利用，因此所需水量相對高，在這種情況下，抽吸閥和排放閥同時開啟。
在出版物EP 0 683 301 A1中，提供一種根據(jù)發(fā)動機的點火順序?qū)⑺苯庸?yīng)到發(fā)動機氣缸的設(shè)裝置。在調(diào)節(jié)單元控制的抽吸行程期間噴射水，該調(diào)節(jié)單元使用發(fā)動機的轉(zhuǎn)動速度、活塞的位置和/或發(fā)動機的操作條件作為輸入數(shù)據(jù)。在此類型的解決方案中，問題是例如將水最佳地分配到燃燒空間，使得不必噴射過多的水，并且另一方面可以獲得所需效果。另外，將水直接供應(yīng)到燃燒空間需要相當(dāng)復(fù)雜的裝置。供應(yīng)水和燃料可通過相同的噴嘴配置交替進行。
還可通過將水和燃料一起作為乳濁液進行供應(yīng)而將水直接供應(yīng)到燃燒空間。該解決方案在許多方面是有利的，但是其特別的問題在于設(shè)備必須根據(jù)組合的燃料和水流速確定尺寸，其能量相對高。在這種情況下，特別是部分加載的情況，操作并不是最佳。在出版物EP0742363中，對于傳統(tǒng)燃料-水-乳濁液噴射問題提出一種解決方案。但是，燃料-水-乳濁液的制備系統(tǒng)相對復(fù)雜，并其水量控制緩慢。
本發(fā)明的目的在于提供一種減小氮氧化物排放以及在增壓式活塞發(fā)動機內(nèi)形成煙霧的方法和配置，該配置和方法取決于水在燃燒過程中作用，并大致消除現(xiàn)有技術(shù)的缺陷。為了更加明確，本發(fā)明的目的在于提供一種方法和配置，該方法和配置除了減小氮氧化物之外，對于發(fā)動機的軸效率、動力輸出和所需水量來說是有利的。同樣，本發(fā)明的目的在于提供一種活塞發(fā)動機配置，其中氮氧化物的排放低于現(xiàn)有技術(shù)的解決方案。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的主要通過權(quán)利要求1和11以及更加詳盡的其他權(quán)利要求來實現(xiàn)。
在本發(fā)明的減小增壓活塞發(fā)動機內(nèi)氮氧化物(Nox)排放的方法中，燃燒空氣的壓力通過增壓裝置增加到高于環(huán)境壓力的程度，并且采用與燃料噴射相同的噴射設(shè)備將水作為乳濁液噴射到發(fā)動機燃燒空間內(nèi)。另外，在該方法中，在將燃燒空氣輸入發(fā)動機燃燒空間之前，燃燒空氣中的水量增加。
按照本發(fā)明的方法，在發(fā)動機運行的同時，根據(jù)測量和/或確定發(fā)動機操作條件以及燃料供應(yīng)系統(tǒng)能力利用程度連續(xù)確定所需水量和供應(yīng)位置。因此，可以利用從燃料供應(yīng)系統(tǒng)獲得將要噴射的燃料-水-乳濁液量的準確信息以及經(jīng)過這種方法輸入水量的準確信息。
按照本發(fā)明的實施例，按照發(fā)動機負載調(diào)整燃料量；和燃料一起供應(yīng)的水量，使得供應(yīng)量的差別盡可能與燃料供應(yīng)系統(tǒng)的最大能力以及將要供應(yīng)的燃料量相符，并且將要供應(yīng)到燃燒空氣內(nèi)的水量以如下方式調(diào)整，使其數(shù)量至少與平衡預(yù)定氮氧化物排放程度以及和燃料一起供應(yīng)的水量造成的氮氧化物排放程度之間差別的量相對應(yīng)。
按照本發(fā)明另一實施例，燃料-水-乳濁液的水量保持幾乎恒定，并且所需總水量通過調(diào)整將要供應(yīng)到燃燒空氣內(nèi)的水量來調(diào)整。為了更加準確，將要供應(yīng)到燃燒空氣內(nèi)水量按照發(fā)動機負載調(diào)整，有利地是按照燃燒氣體的壓力調(diào)整。為了能夠總是將有利形式的水噴射到燃燒空氣內(nèi)，已經(jīng)采用噴射，使得每個噴嘴內(nèi)的噴射壓力保持幾乎恒定。將要噴射的水量通過保持任何給定時間內(nèi)所需操作噴嘴的數(shù)量來調(diào)整。因此，設(shè)置按照開關(guān)原理調(diào)整的多個噴嘴，在這種情況下使用中總是需要所需數(shù)量的噴嘴。
按照本發(fā)明，燃料-水-乳濁液有利地包括占有燃料量10％-55％的水，并且將要和燃燒空氣一起供應(yīng)的水量是燃料供應(yīng)的0.5-5倍。燃料-水-乳濁液的水量保持幾乎恒定，換言之，不按照發(fā)動機快速負載變化的動態(tài)數(shù)據(jù)進行調(diào)整。而是通過調(diào)整將要供應(yīng)到燃燒空氣的水量，根據(jù)發(fā)動機實際負載進行控制。噴射到燃燒空氣的水有利的是液體，但是某些情況也可以是蒸氣。
當(dāng)原理上將要供應(yīng)到燃燒空氣的水量調(diào)整成略微大于空氣飽和所需的水量時，該方法的控制進一步簡化，并且在引導(dǎo)空氣進入發(fā)動機的燃燒空間之前，保持為液體形式的水與燃燒空氣分開。
本發(fā)明的活塞發(fā)動機配置包括多個氣缸、布置成通過燃燒空氣通道與每個氣缸連通的增壓器，以及供應(yīng)燃料-水-乳濁液的設(shè)備，另外多個噴嘴與氣缸連接以便將燃料-水-乳濁液供應(yīng)到每個氣缸內(nèi)。另外，在本發(fā)明的活塞發(fā)動機配置中，噴嘴配置布置在燃燒空氣通道內(nèi)，使得水在燃燒空氣流動方向上進入燃燒空氣，隨后到增壓器。所述噴嘴配置有利地包括多個可以單獨開啟和閉合的噴嘴。
在燃燒空氣通道內(nèi)，有利地采用至少一個液滴分離器，使得液體水在引入發(fā)動機氣缸之前與燃燒空氣分離。發(fā)動機配置還有利地包括連接到所述噴嘴配置上的水預(yù)熱配置，在這種情況下，液滴分離器與水預(yù)熱配置連通。
通過本發(fā)明可以獲得多個優(yōu)點，例如更有效地減少氮氧化物和來自排放氣體的煙霧。另外，本發(fā)明方法所消耗的總水量低于公知的方法，并且本發(fā)明的方法的燃料消耗率非常低。在本發(fā)明的解決方法中，當(dāng)乳濁液形式的水在燃料中蒸發(fā)時，使得燃料滴分解，燃料滴形成及其燃燒更加有效。
本發(fā)明將參考附圖并通過實例進行說明，其中

圖1表示本發(fā)明實施例的示意說明。
在圖1中，參考標(biāo)號1表示活塞發(fā)動機，該發(fā)動機以公知的方式連接到增壓器上。與發(fā)動機1的每個氣缸相連的是燃料噴射噴嘴7，燃料和水(燃料-水-乳濁液)通過該噴嘴供應(yīng)到發(fā)動機。該系統(tǒng)該包括供應(yīng)燃料-水-乳濁液的設(shè)備7’。燃料可以作為現(xiàn)成乳濁液來獲得，在這種情況下設(shè)備7’主要包括燃料供應(yīng)配置，供應(yīng)燃料-水-乳濁液的設(shè)備也可包括燃料-水-乳濁液的制造設(shè)備。供應(yīng)燃料-水-乳濁液顯著地減小氮氧化物的排放。燃料-水-乳濁液中的水量有利地保持恒定，水通常形成燃料量的10％-55％。燃料的水量通常盡可能保持很高，但是考慮到燃料系統(tǒng)設(shè)定的極限以及使用的燃料。如果水和燃料的比例變化，有利地按照發(fā)動機負載進行所述變化。
在連接增壓器2和發(fā)動機的通道3內(nèi)布置與管線12連接的噴嘴配置4以便將水供應(yīng)到燃燒空氣。這可以是在增壓器的壓縮機之前的相應(yīng)噴嘴配置4’。附圖中，水系統(tǒng)以標(biāo)號11表示。按照需要，可以包括例如蒸氣發(fā)生器或水預(yù)熱裝置。在通道3內(nèi)，還布置熱交換配置5，以便改變?nèi)紵諝獾臏囟?。通?連接到發(fā)動機1的空氣腔室8，空氣從中導(dǎo)入每個發(fā)動機氣缸。附圖中還示出有利地使用在該配置中的液滴分離器6。從液滴分離器6，通道13布置到水系統(tǒng)11上，使得與燃燒空氣分離的水循環(huán)和重新使用。以此方式，如果需要，原理上比足以使得空氣飽和的水更多的水可輸送到燃燒空氣內(nèi)。采用噴嘴配置4、4’，燃燒空氣的水量在燃燒空氣進入發(fā)動機燃燒空間之前增加。將要供應(yīng)到空氣內(nèi)的水量每次有利地進行選擇，使得空氣大致飽和。通常，和燃燒空氣在一起的水量大約是燃料供應(yīng)量的0.5-5倍。根據(jù)情況，水可以作為液體或蒸氣供應(yīng)。
為了實施本發(fā)明的方法，發(fā)動機控制系統(tǒng)9布置成從發(fā)動機的不同位置收集信息。發(fā)動機燃燒空氣的狀態(tài)通過布置在壓縮機之前的測量元件3.1確定。在壓縮機之后還可以有另外的測量元件3.3，如圖1所示。另外，燃燒空氣的以及所謂增壓壓力的狀態(tài)可通過布置成與發(fā)動機1的燃燒空氣腔室8連通的測量元件3.2來確定。發(fā)動機排放氣體的狀態(tài)按照測量元件10的測量數(shù)據(jù)確定。在測量元件1.1和1.2的測量的幫助下進一步進行發(fā)動機操作。因此，特別是測量元件1.2布置成測量發(fā)動機的負載和轉(zhuǎn)動速度。
在本發(fā)明的方法中，與燃料和燃燒空氣組合的方式將水輸入燃燒過程。以此方式，通過使用兩個分開的系統(tǒng)，有利地實現(xiàn)水量控制，使得燃料-水-乳濁液的水量大致恒定，并且所需總水量通過控制和調(diào)整將要供應(yīng)到燃燒空氣內(nèi)水量來調(diào)整。將要供應(yīng)到燃燒空氣內(nèi)的水量有利地按照發(fā)動機的負載來調(diào)整，其中例如燃燒空氣壓力可以是適當(dāng)?shù)闹甘酒?。按照任何給定時間的需要，將要供應(yīng)到燃燒空氣內(nèi)水量通過開啟和閉合適當(dāng)數(shù)量的水噴射噴嘴來調(diào)整，并且每個噴嘴的注射壓力幾乎恒定。以此方式，水有利地形成液滴或霧化，同時適量的水供應(yīng)到燃燒空氣。
本發(fā)明的方法通過以下方式有利地進行，使得燃料-水-乳濁液包括恒定量的水，通常是燃料量的10％-55％，并且水源內(nèi)預(yù)熱的液態(tài)水用來濕化燃燒空氣。因此，水所需重量通過調(diào)整供應(yīng)到燃燒空氣內(nèi)的水量來調(diào)整，使得供應(yīng)到空氣內(nèi)水量總是在原理上超過空氣飽和所需的水量。在該方法中，在導(dǎo)入發(fā)動機燃燒空氣之前，液態(tài)形式的水進一步與燃燒空氣分離，并且分離的水循環(huán)到水源以便重新使用。
本發(fā)明不局限于所示的實施例，在所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)可以進行多種變型。
權(quán)利要求
1.一種在增壓活塞發(fā)動機(1)中減小氮氧化物(Nox)排放的方法，其中燃燒空氣的壓力通過增壓裝置(2)增加到高于環(huán)境壓力的程度，其中通過相同的噴射裝置將水和燃料作為乳濁液噴射到發(fā)動機燃燒空間內(nèi)，其特征在于，另外，在燃燒空氣引入發(fā)動機燃燒空間之前，燃燒空氣內(nèi)的水量增加(4、4’)。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在發(fā)動機運行的同時，根據(jù)發(fā)動機操作狀態(tài)(1.1、1.2、3.1、3.2)以及燃料供應(yīng)系統(tǒng)的能力利用程度的測量和/或確定，連續(xù)確定水供應(yīng)需要和供應(yīng)位置(4、4’)。
3.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，按照發(fā)動機負載(1.2)確定燃料量；調(diào)整和燃料一起供應(yīng)的水量，使其供應(yīng)量的差別盡可能與燃料供應(yīng)系統(tǒng)的最大能力和將要供應(yīng)的燃料量相符；調(diào)整供應(yīng)到燃燒空氣(4、4’)內(nèi)的水量，使其數(shù)量至少與平衡預(yù)定氮氧化物排放程度以及和燃料一起供應(yīng)的水量造成氮氧化物排放程度之間差別的數(shù)量相對應(yīng)。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，燃料-水-乳濁液(7)的水量幾乎保持恒定，并且所需總水量通過調(diào)整將要供應(yīng)到燃燒空氣(4、4’)內(nèi)的水量來調(diào)整。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，將要供應(yīng)到燃燒空氣內(nèi)的水量按照發(fā)動機負載(1.2)來調(diào)整。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，將要供應(yīng)到燃燒空氣內(nèi)的水量按照燃燒空氣壓力(3.2)來調(diào)整。
7.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，燃料-水-乳濁液包括燃料量的10％-55％的水，并且將要和燃燒空氣一起供應(yīng)的水量是燃料供應(yīng)量的0.5-5倍。
8.如上述權(quán)利要求任一項所述的方法，其特征在于，燃燒空氣的水量通過將液態(tài)水噴射到燃燒空氣內(nèi)來增加。
9.如權(quán)利要求1-7任一項所述的方法，其特征在于，燃燒空氣的水量通過將水蒸氣噴射到燃燒空氣內(nèi)來增加。
10.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，將要供應(yīng)到燃燒空氣的水量原理上調(diào)整成大于空氣飽和所需的水量，并且在空氣導(dǎo)入發(fā)動機燃燒空間之前，液態(tài)水與入燃燒空氣分離。
11.一種活塞發(fā)動機配置(1)，包括多個氣缸、通過燃燒空氣通道(3)布置并與每個氣缸連通的渦輪增壓器(2)，其特征在于，該配置包括供應(yīng)燃料-水-乳濁液(7’)的裝置，另外，具有多個與氣缸連通的噴嘴(7)，并且噴嘴配置(4、4’)布置在燃燒空氣通道(3)內(nèi)以便使得水在燃燒空氣流動方向上引入燃燒空氣，隨后到渦輪增壓器。
12.如權(quán)利要求11所述的活塞發(fā)動機配置，其特征在于，燃燒空氣通道(3)內(nèi)布置至少一個液滴分離器(6)，以便在引入發(fā)動機(1)氣缸之前，將液態(tài)水和燃燒空氣分離。
13.如權(quán)利要求11所述的活塞發(fā)動機配置，其特征在于，其包括連接到所述噴嘴配置上的水預(yù)熱配置(1)，并且液滴分離器(6)與水預(yù)熱配置(11)連通。
14.如權(quán)利要求11所述的活塞發(fā)動機配置，其特征在于，所述噴嘴配置(4、4’)包括可單獨開啟和閉合的多個噴嘴。
全文摘要
一種在增壓活塞發(fā)動機(1)減小氮氧化物(Nox)排放的方法，其中燃燒空氣的壓力通過增壓裝置(2)增加到高于環(huán)境壓力的程度，其中通過相同的噴射裝置將水和燃料作為乳濁液噴射到發(fā)動機燃燒空間內(nèi)，在燃燒空氣引入發(fā)動機燃燒空間之前，燃燒空氣內(nèi)的水量增加(4、4’)。本發(fā)明還涉及一種活塞發(fā)動機配置(1)，其包括多個氣缸、通過燃燒空氣通道(3)布置并與每個氣缸連通的渦輪增壓器(2)，該配置還包括產(chǎn)生燃料－水－乳濁液(7’)的裝置以及與氣缸連通以便將燃料－水－乳濁液供應(yīng)到每個氣缸的噴嘴(7)，另外，噴嘴配置(4、4’)布置在燃燒空氣通道(3)內(nèi)以便水在燃燒空氣流動方向上供應(yīng)到燃燒空氣內(nèi)并隨后到增壓器。
文檔編號F02M25/022GK1643244SQ03806417
公開日2005年7月20日 申請日期2003年3月13日 優(yōu)先權(quán)日2002年3月20日
發(fā)明者J·胡普利, D·帕羅 申請人:瓦特西拉芬蘭有限公司