氫氣沖刷式燃燒室的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于運(yùn)行具有生成廢氣流的燃燒室、氫源和噴射器的火花點(diǎn)火式燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)的步驟，所述燃燒室具有至少一個(gè)預(yù)燃室火花塞，所述氫源給所述火花塞的預(yù)燃室提供氫氣，所述噴射器連接到所述預(yù)燃室，用于使用氫氣沖刷所述預(yù)燃室，由此燃燒室裝載有值λ至少為1.6的燃?xì)饪諝饣旌衔铩?br>【背景技術(shù)】
[0002]ΕΡ0770171 BI公開(kāi)了內(nèi)燃機(jī)點(diǎn)火裝置，更具體來(lái)說(shuō)是用于提升燃燒效率的氫氣輔助射流點(diǎn)火(HAJI)裝置。在本申請(qǐng)說(shuō)明書(shū)中術(shù)語(yǔ)“氫氣”意在包括氫氣和其他快速燃燒的燃料。稀薄燃燒方法的優(yōu)點(diǎn)在下文做了理論解釋。過(guò)量空氣通過(guò)增加總的比熱比、通過(guò)減少由于燃燒產(chǎn)物的分解造成的能量損失、并且通過(guò)減少發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的熱損失，提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率。此外，當(dāng)火焰溫度隨著燃料空氣混合比的降低而下降時(shí)，NOx生成大幅減少，而過(guò)量空氣可以促進(jìn)CO和從裂隙和淬火層排出的碳?xì)淙剂吓欧盼锔浞值姆磻?yīng)。該發(fā)明還進(jìn)一步公開(kāi)其研宄了在全油門(mén)(全動(dòng)力)情況下將主燃燒室的燃料比從I = I變動(dòng)到3.5所造成的影響，以及在部分油門(mén)情況下較小范圍內(nèi)的變動(dòng)所造成的影響；即使是在全動(dòng)力情況下，通過(guò)增加相對(duì)空氣/燃料比，可以將每循環(huán)所做的功we(以及轉(zhuǎn)矩)降低到零；正常點(diǎn)火的該發(fā)動(dòng)機(jī)的稀薄極限在I = 1.64時(shí)出現(xiàn)，然而在wc的可用范圍內(nèi)，對(duì)于氫氣輔助射流點(diǎn)火HAJI則不存在稀薄極限。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是配置和布置一種用于Otto燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)的燃料系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)氫氣的有效供給。
[0004]根據(jù)本發(fā)明，實(shí)現(xiàn)上述目的在于
[0005]a)所述氫源是一種熱重整器，根據(jù)至少一個(gè)如下反應(yīng)將水轉(zhuǎn)化成氫氣:
[0006]Rl:M0red+H20?-?M0ox+H2,
[0007]R2:M0ox?-?M0red+02,
[0008]在于，該重整器供有水以及來(lái)自廢氣流的至少一部分的熱，且在于，存在附加加熱裝置，所述加熱裝置由為發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力的燃?xì)獾囊徊糠痔峁﹦?dòng)力以實(shí)現(xiàn)以下放熱氧化反應(yīng):R3:014+02〈〈->>2!120+0)2，或
[0009]R3’:CnHffl+(n/2)02?-?(ffl/2)H2+nC0,
[0010]由此該加熱裝置與所述重整器熱力學(xué)聯(lián)接并且額外地加熱該重整器和/或
[0011]b)所述氫源是一種轉(zhuǎn)化器，其根據(jù)以下反應(yīng)中的至少一個(gè)把更高的碳?xì)浠衔镛D(zhuǎn)化成氫氣，所述碳?xì)浠衔镉搔莻€(gè)碳原子和Π1個(gè)氫原子組成:
[0012]-CnHm+nH20〈〈-》(m/2+n)H2+nC0，
[0013]-CnHffl+(n/2)02?-?(ffl/2)H2+nC0,
[0014]-CnHm+nC02〈〈-?(m/2)H2+2nC0，
[0015]由此該重整器供有水、燃?xì)庖约皝?lái)自所述廢氣流的至少一部分的熱。
[0016]將生產(chǎn)的氫氣注入預(yù)燃室并由此至少部分地與燃燒室中的燃?xì)饣旌衔锘旌?。該氫氣增加燃燒率并由此提高發(fā)動(dòng)機(jī)的效率。此外，在燃燒室中具有至少1.6或者1.6至2.6之間的值λ的極貧氣體-空氣混合物導(dǎo)致與更低的NOx (氮氧化物)部分燃燒。增高的燃燒率允許較晚的燃燒點(diǎn)，其導(dǎo)致較高程度的效率。進(jìn)一步的效率優(yōu)點(diǎn)部分起因于用于氧化反應(yīng)R3、R3’的甲烷，因?yàn)橛欣脧U氣能量產(chǎn)生的氫氣再充的能量。
[0017]化學(xué)反應(yīng)生成Η2的效率如同熱力學(xué)循環(huán)過(guò)程不受限制。因此，用于此化學(xué)工藝中的熱廢氣能量以提升許多的效率被重組，導(dǎo)致更好的總體效率。
[0018]此外，再充此生成的氫氣導(dǎo)致氮氧化物(NOx)和甲醛的還原，即甲醛(CH2O)的排放，因?yàn)樘砑拥臍錃鈱?duì)燃燒具有催化效應(yīng)。因此，發(fā)動(dòng)機(jī)的效率也得到增高。
[0019]驅(qū)動(dòng)至少一個(gè)壓縮機(jī)，用于通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)(例如，電動(dòng)機(jī))用空氣-燃?xì)?混合物加載燃燒室，這也是有利的。除反應(yīng)R3、R3’的能源之外，渦輪增壓機(jī)的廢氣渦輪機(jī)能夠被替換而空氣壓縮機(jī)能夠由電或流體驅(qū)動(dòng)。這允許廢氣保留更多的熱能，即大約550°C到600°C的較高廢氣溫度，這個(gè)溫度比在廢氣渦輪機(jī)情況下高出100°C到150°C。這些溫度用于反應(yīng)Rl和R2。在這種情況下，效率度升高到大約53%。
[0020]此外，它能夠?qū)轭A(yù)燃室供應(yīng)燃?xì)夂蜌錃獾幕旌衔镉欣?。在這種情況下，額外注入氫氣帶來(lái)兩方面的優(yōu)點(diǎn)，即，在廢氣中存在較少的碳微粒物質(zhì)，以及達(dá)到較高的燃燒率。這是因?yàn)辄c(diǎn)火通過(guò)使用附加的氫氣是更強(qiáng)有力的。此外，在預(yù)燃室之內(nèi)的焦油的重建減少。
[0021]燃燒率的另一增加是通過(guò)為預(yù)燃室提供氫氣和空氣的混合物或氫氣和天然氣和空氣的混合物實(shí)現(xiàn)，上述混合物具有空氣a和氫氣h的比率A如下:1〈 = λ = a/h或1.2〈=λ = a/h< = 1.5o
[0022]此外，如果用于為燃燒室加載空氣-燃?xì)?混合物的至少一個(gè)壓縮機(jī)通過(guò)馬達(dá)(例如，電力)驅(qū)動(dòng)，這可以是有利的。為此，所連接的廢氣渦輪機(jī)可以去掉。因此，在進(jìn)入重整器時(shí)，廢氣具有高出100°c到150°C的溫度。此較高溫度幫助改進(jìn)重整器或相應(yīng)反應(yīng)器的操作，使得加熱裝置可以產(chǎn)生更少的熱量輸出。
[0023]如果發(fā)動(dòng)機(jī)具有廢氣渦輪機(jī)以及用于發(fā)電的至少一個(gè)另一發(fā)電機(jī)，這可以是有利的；所述另一發(fā)電機(jī)通過(guò)廢氣渦輪機(jī)進(jìn)行機(jī)械驅(qū)動(dòng)，所述廢氣渦輪機(jī)位于所述源的下游?？蓮膹U氣中獲得的能量可以在此階段中獲得并用于產(chǎn)生加熱過(guò)程或供電過(guò)程所需的能源。
[0024]此外，如果在轉(zhuǎn)換器中轉(zhuǎn)換至少具有兩個(gè)或三個(gè)碳原子的更高的碳?xì)浠衔?，這可以是有利的。對(duì)于優(yōu)化可用天然氣的甲烷值，更有效的是首先轉(zhuǎn)換更高的碳?xì)浠衔铮?，甲烷本身不可被轉(zhuǎn)換，并因此通過(guò)氫氣連接。
【附圖說(shuō)明】
[0025]本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)和細(xì)節(jié)詳見(jiàn)權(quán)利要求書(shū)和說(shuō)明書(shū)，且如附圖所示，其中:
[0026]圖1顯示具有H2重整器的發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)組的供應(yīng)鏈的示意圖；
[0027]圖2顯示類(lèi)似于圖1的具有電驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)的示意圖；
[0028]圖3顯示具有燃?xì)廪D(zhuǎn)化器的發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)組的供應(yīng)鏈的示意圖；
[0029]圖4顯示具有燃燒室的氣缸蓋的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0030]圖1的示意圖顯示具有空氣-燃?xì)饣旌衔锏幕鸹c(diǎn)火式燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)I的供應(yīng)鏈。
[0031]從其中環(huán)境空氣通過(guò)氣口 11.1與燃燒氣體混合的氣體混合器11開(kāi)始，燃料導(dǎo)管12經(jīng)由壓縮機(jī)8和燃料冷卻器12.2導(dǎo)通至所述燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)I或所述燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)I的燃燒室1.1。在這個(gè)燃料導(dǎo)管12中緊接所述燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)I上游設(shè)置基于所述燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)I的輸出來(lái)控制的節(jié)流閥14。所述燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)I連接至發(fā)電機(jī)26，例如作為發(fā)電機(jī)組的一部分。
[0032]所述燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)I包括廢氣導(dǎo)管6，其中在用于驅(qū)動(dòng)上述壓縮機(jī)8的燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)I的下游設(shè)置廢氣渦輪機(jī)15。在通過(guò)所述廢氣渦輪機(jī)15后，所述廢氣通過(guò)重整器5傳導(dǎo)，在此它將熱分別散發(fā)至所述重整器5或第一反應(yīng)器5.1或第二反應(yīng)器5.2。所述廢氣經(jīng)由兩個(gè)分別通過(guò)用于廢氣的閥16聯(lián)結(jié)或控制的以及與反應(yīng)器5.1,5.2分別關(guān)聯(lián)的獨(dú)立廢氣流并行地流經(jīng)所述重整器5。用于廢氣的閥16之后緊接著分別是換熱器或過(guò)熱器17以及用于下文描述的水回路19的下游蒸發(fā)器18。在下游所述廢氣被攜帶至廢氣系統(tǒng)(此處未示出)之前設(shè)置廢氣換熱器20。
[0033]設(shè)置具有排水口 19.1的所述水回路或輸水管19，從而向所述重整器5供水以制備氫氣。首先，其中攜帶的水通過(guò)耦合到所述燃料導(dǎo)管12的水換熱器12.1進(jìn)行預(yù)熱，其中熱取自所述壓縮廢氣-空氣混合物。然后在上述提到的蒸發(fā)器18中加熱水，并且在蒸汽通過(guò)用于水(即蒸汽)的對(duì)應(yīng)的閥21返回到所述重整器5的兩個(gè)反應(yīng)器5.1,5.2之一前，在下游過(guò)熱器17中相應(yīng)地過(guò)度加熱該蒸汽。在重整期間制備的氫氣通過(guò)氫氣導(dǎo)管22和冷凝器22.1供應(yīng)給火花塞2的預(yù)燃室2.1。此外，可以設(shè)置混合段9，在其中環(huán)境空氣或燃?xì)馔ㄟ^(guò)空氣口 9.1和燃?xì)饪?9.2與氫氣混合來(lái)獲得氫氣-燃?xì)饣驓錃?燃?xì)?空氣混合物。在氫氣生產(chǎn)期間產(chǎn)生的氧氣通過(guò)廢氣門(mén)5.3被排放到環(huán)境中。
[0034]為了分別達(dá)到在反應(yīng)器5.1、5.2中或在重整器5中所需的溫度，對(duì)應(yīng)的反應(yīng)器5.1,5.2還包括也供有被供至燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)I的空氣-燃?xì)饣旌衔锏募訜嵫b置7.1,7.2。為此目的，燃料導(dǎo)管12包括燃料閥12.3，經(jīng)由其所需的空氣-燃?xì)饣旌衔锿ㄟ^(guò)燃料導(dǎo)管13和燃料閥13.1被供至對(duì)應(yīng)的反應(yīng)器5.1、5.2或者對(duì)應(yīng)的加熱裝置7.1,7.2。在運(yùn)轉(zhuǎn)各加熱裝置7.1,7.2時(shí)產(chǎn)生的0)2廢氣經(jīng)由廢氣門(mén)5.3被運(yùn)走。
[0035]此外，燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)I包括用于冷卻燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)I的配有冷卻水熱交換器24.1的冷卻回路24。冷卻回路24還與油冷交換器25相連。
[0036]根據(jù)在圖2中顯示的功能圖，壓縮機(jī)8由電動(dòng)機(jī)10驅(qū)動(dòng)。如圖1中所示的連接的廢氣渦輪機(jī)被省去。因此，廢氣在進(jìn)入重整器5時(shí)具有高出100°C至150°C的溫度。此較高的溫度有助于改進(jìn)重整器5或?qū)?yīng)的反應(yīng)器5.1、5.2的運(yùn)轉(zhuǎn)從而加熱裝置7.1、7.2只需產(chǎn)生較少的熱輸出。
[0037]可選地，具有位于重整器5下游的配有用于發(fā)電的