进气组分局部富氮燃烧和NO_x排放控制方法

专利名称：进气组分局部富氮燃烧和NO_x排放控制方法
技术领域：
本发明属于内燃机和热工燃烧设备应用技术领域，特别涉及进气组分变密度分布富氮抑制燃烧与NOx排放的控制问题。
背景技术：
内燃机及热工燃烧设备排放法规要求促使其燃烧控制技术水平不断提升，通过更完善的燃烧过程控制，实现热能动力强化和超低的燃料消耗与排放。内燃机和热工燃烧设备的燃烧主要受制于进气中氧、氮组分浓度，其中氧分助燃，氮分阻燃，二者份额分布是燃烧过程控制的基本要素。可通过控制进气中氧、氮组分分布来控制燃烧室内复杂燃烧过程实施燃烧和排放的优化。其中，富氧供气(Oxygen-Enriched Air， OEA)可以明显减少燃烧不充分的排放，提高动力性，縮短着火延迟期，有利于低品位燃料燃烧；富氮供气(Nitrogen-Enriched Air，NEA)抑制燃烧进程，有利于减轻NOx排放。其中，内燃机等设备的富氮供气抑制燃烧类似于废气再循环(Exhaust gas recirculation, EGR)技术原理，能减轻NOx排放，是替代废气再循环的一种有效方法。同时，作为前端燃烧控制技术，要优于燃烧后处理技术，减少大量的后处理装置。它不但有利于燃烧控制，而且有利于通过组织燃烧降低燃料消耗，节省能源，从根本上减少有害排放物。 在内燃机等热力燃烧设备上选择性应用富氮燃烧是一种新的技术理念，特别是进气组分分布的局部富氮，通过抑制燃烧旺盛区域的燃烧，降低燃烧速度，减小燃烧室内燃烧温度，降低NOx排放；同时，保持燃烧弱势区域的常规供气氧浓度，不至于衰减和影响该区域的燃烧。 本发明提出进气组分局部区域富氮控制方法，即在主流空气进气的常规氧、氮浓度基础上，增加缸内局部区域的氮浓度，达到燃烧室内氧、氮变密度分布或分层，抑制核心区域燃烧，不影响室壁边缘区域燃烧，实现均衡燃烧，提高燃烧热效率，降低排放水平。实际上，富氮进气和富氮抑制燃烧已有技术提及和专利产生。如美国专利"Variableoxygen—nitrogen enriched intake air system for Internalcombustion engineApplication (5649517)"提出富氧进气减轻HC、 CO和微粒等排放，并提及了富氮进气对N0x排放的减少作用，以及富氧和富氮进气的选择性利用；专利"Multi-stage combustionusingnitrogen-enriched air (67900300)"提出利用富氮供气的多阶段燃烧控制，目的是实现燃烧温度和排放物的有效控制；专利"Nitrogen enriched combustion of a NaturalGas Internal combustion engineto reduce NOx Emissions (0044760)，，提出在天然气内燃机中引入富氮组分供气燃烧，达到降低NOx排放的目的，但是富氮组分提升到81X后，HC排放增加、动力性和经济性降低，表明全富氮供气，降低N0x排放的潜力有限，反而对燃烧产生不利影响。此外，中国专利"发动机富氧燃烧法(00131589. 7)"、"缸内喷氧的内燃发动机及其富氧燃烧控制方法(200510107741. 0)"等提到在现有发动机进气环节中加入空气分离法制氧技术，提升进气氧气浓度，促进燃烧，但是还没有中国专利提及富氮控制燃烧和改善N0x排放技术，只是已有相关文献提及富氮改善N0x排放技术。尽管如此，已有技术提及和专利均没有提到进气组分变密度分层和分布概念，利用适时的局部富氮差异性分布控制，抑制旺盛燃烧，改善N0x排放，实现区域性燃烧和排放的全新控制技术，避免全富氮供气的不利影响，克服燃烧控制的局限性。 富氮抑制燃烧技术已经在内燃机领域得到研究，也开展了许多实验研究。但是，这些专利和研究还只是全进气富氮燃烧控制，没有提到进气组分变密度分布或分层的局域性分区控制，即氮组分变密度分层和分布的概念。本专利通过一个诸如内燃机实施例的进气过程富氮程度的区域性组织，结合燃烧室内燃烧旺盛区域和弱势区域的差别，利用进气过程重整组分，进行变密度分层控制，解决富氮燃烧应用深层次发展的关键技术。本发明方法克服富氮供气燃烧受限于燃烧弱势区域进一步燃烧恶化的影响缺陷，实现内燃机和热工燃烧设备燃烧的区域性精细控制。

发明内容
本发明提供一种富氮燃烧系统和基于该系统的控制方法，通过组织进气氮组分变密度分布和分层，使进气在燃烧室内形成局域性富氮程度和变密度分布或分层，相对减少氧程度，抑制燃烧旺盛区域的燃烧，降低燃烧温度，减轻随之造成的N0x排放问题；不影响燃烧室内壁面外环流区域氮氧程度，而维持现有的氧程度，保持这些燃烧弱势区域的良好燃烧，不增加CO、HC等燃烧不充分的排放产物。富氮燃烧的区域性控制，保证富氮抑制燃烧更有效控制和技术实施。本专利以内燃机燃烧为实施技术案例，其核心创新思想与技术可应用于其它热工燃烧装置的燃烧和排放控制，具有同等作用。 本发明是通过引入富氮气流，组织重整进气氧氮浓度场，形成氧、氮变组分的分区燃烧控制技术，创新富氮燃烧控制技术。通过更有效的区域性燃烧控制，实现燃烧室内燃烧平衡和燃烧温度均衡，降低最高燃烧温度，提升最低燃烧温度，保证更高的燃烧热效率，降低N0x排放，保持C0、HC和颗粒等燃烧不充分的排放较低水平。利用氧、氮组分的助燃和阻燃特性，通过进一步组织重整进气氧氮浓度场，使燃烧室内区域性燃烧协同控制，实现真正意义的清洁燃烧和动力性强化。 在一个内燃机或热工燃烧设备工作过程实施例中，根据工况状态和运行条件要求，通过辅助的富氮气流压力、流量、喷射正时、脉宽、频率和持续期的协调控制，实现组织进气组分变密度分层和分布的燃烧室内局部区域富氮氛围。流经空气压縮机或增压器1的滤后空气2进入气体分离器(3)，分离后的富氮气流经逆止阀(4)，进入富氮气体储存器5储存。其中富氮气体还可以采用非随机装置产生的富氮气体直接备存于富氮气体储存器5，从而不需配置增压器1、气体分离器3、逆止阀4。另外分离出的富氧气流流经逆止阀8排空或进入富氧气体储存器储存。富氮气流通过电动控制阀6，根据内燃机或其它热工燃烧设备的工作过程和燃烧控制要求，实施富氮气流压力、流量、喷射正时、脉宽、频率和持续期等的时序控制，使富氮气流通过富氮气流喷嘴7喷入内燃机或其它热工燃烧设备的进气道或进气歧管12，并通过开启进气门ll，组织喷射富氮气流进入燃烧室旋流的内环中心区域或所需的局部区域，在内燃机或其它热工燃烧设备9的燃烧室10内与主气流空气13形成一定的富氮浓度变密度分层气流，形成局部的变密度富氮氛围。富氮气流喷射控制系统16与空气压縮机1、富氮气体储存器5、电动控制阀6、内燃机或其它热工燃烧设备9和富氮气流喷嘴7结合，根据工作过程工况和运行条件状态要求，实施富氮气流组织控制，达到控制要求。其中，所述空气分离器为膜分离装置、吸附装置等空气分离装置，或由富氮气源直接存储于所述富氮气体储存器5的富氮气体作为富氮气源。 进气组分局部富氮的变密度组分气流组织过程使燃烧室内形成中心或局部区域富氮组分密度分布形式，其中局部区域核心富氮程度最高，并呈内高外低，直至局部区域边缘无富氮程度。通过弱化燃烧旺盛区域的氧氛围，抑制燃烧，降低N0x排放；在贴近壁面的边缘区域，氧浓度不受变化影响，保持边缘区燃烧，实现充分燃烧，提高燃烧完全程度，解决全富氮供气造成的燃烧弱势区域的燃烧恶化问题。 在正常运行工况下，实施富氮气流压力、流量、喷射正时、脉宽、频率和持续期的协
调控制，既保证正常燃烧和良好的HC、 C0和微粒等排放水平，又有效降低N0x排放；在冷启
动和暖机过程中，通常关闭富氮气流供气系统，有利于冷启动的着火和燃烧。 因此，该进气组分变密度分布和分层的富氮浓度控制方法，利用局部调整的概念，
不但解决全富氮燃烧的不利影响，也进一步解决冷启动的冷壁淬熄造成的C0、 HC和碳烟排
放问题，而且对一般工况的燃烧室内燃烧均匀控制等起到重要作用，实现燃烧强度的"削峰
填谷"，抑制最高温度程度，保持较高的最低温度，降低排放水平和提高燃烧热效率。该技术
控制理念的实施，将成为进气组分氧、氮变密度分层或分布控制方法的关键特征，从而为富氮燃烧控制提供创新途径。


图1为进气组分局部富氮燃烧和N0x排放控制方法的系统图。 图2为进气组分局部富氮燃烧和N0x排放控制方法的燃烧室内进气组分变密度分
布内环流局部区域富氮示意图。 图中各部件的编号和对应名称如下 图1中l-空气压縮机或增压器、2-过滤后空气、3-气体分离器、4-逆止阀、5-富氮气体储存器、6_电动控制阀、7-富氮气流喷嘴、8-逆止阀、9_内燃机或热工燃烧设备、10-燃烧室、11-进气门、12-进气道或进气歧管、13-空气主进气、14-排气道、15-排气门、16-富氮气流喷射控制系统。 图2中燃烧室内组织进气氧氮组分局部区域内环流富氮示意图。其中阴影区域为燃烧室中心区或局部的富氮区域，区域内存在内高外低的逐级递减富氮变密度分布(图中阴影逐次色差)。此外，非阴影区域为燃烧室外围区域，不受富氮影响区域。粗虚线表明富氮分层气流的内环流行程。富氮气流喷嘴布置和角度主要基于富氮气流在进气门开启时能保证富氮气流处在内环流的燃烧室中心或某一局部的燃烧旺盛区域，通常需要利用气道、气门结构仿真模拟计算和实验设计，并结合喷射压力、正时、喷射脉宽、喷射频率、喷射量和工况状态等协调优化控制。
具体实施例方式
在内燃机或热工燃烧设备工作过程中，根据工况状态和运行条件要求，通过辅助的富氮气流喷射压力、正时、喷射脉宽、喷射频率的协同控制，实现组织进气组分变密度分布和分层内环流富氮控制，即流经空气压縮机或增压器1的滤后空气2进入气体分离器3，分离后的富氮气流经逆止阀4，进入富氮气体储存器5储存，其中，1空气压縮机或增压器、3
5气体分离器、逆止阀8可采用随机或非随机装备。电动控制阀6根据工作过程控制要求，使辅助的富氮气流通过富氮气流喷嘴7喷入内燃机或热工燃烧设备的进气道或进气歧管12，并通过开启进气门11时，喷射富氮气流主要聚于燃烧室旋流的中心区域，与主气流空气13形成一定的富氮浓度变密度分布和分层气流于内燃机或热工燃烧设备9的燃烧室10内。该进气流组织过程使燃烧室中心或局部富氮区域核心的富氮浓度可达79 90%，并具有内高外低的逐级递减富氮变密度分布。富氮区域外贴近壁面的燃烧室外环基本不受富氮气流影响，维持常规空气进气空燃比的氧浓度，其关联影响程度限制在不超过当地常规空气氮浓度0. 5 1%。富氮气流喷射控制由控制系统16完成。 在冷启动和暖机过程中，电动控制阀6和富氮气流喷嘴7处于关闭状态，关闭富氮气流供气系统，有利于冷启动的着火和燃烧，以及暖机工况。在高NOx排放的燃烧热能动力工况，燃烧室外环区域富氮影响程度不超过当地常规空气氮浓度0. 5 1%。
在气体分离器3中，富氮气流经逆止阀4进入富氮气体储存器5储存备用；分离的富氧气流流经逆止阀8排出或作它用。
权利要求
进气组分局部富氮燃烧和NOx排放控制方法，其特征在于由气体分离装置产生或备存于富氮气体储存器5的辅助的富氮气流，与主进气的自然空气气流结合，形成可控变密度分布的进气合流，组织于燃烧室内部，实现富氮燃烧控制。
2. 进气组分局部富氮燃烧和NOx排放控制方法，其特征在于由气体分离装置产生或备 存于富氮气体储存器5的辅助的富氮气流，流经电动控制阀6和进气道富氮气流喷嘴7，在 进气道或进气道歧管12内喷射流出，形成可控分层合流，在燃烧室内形成内环流区域或局 部区域富氮氛围和由内向外的逐级递减富氮变浓度分布，局部富氮区域边缘无富氮程度， 外环流不受富氮影响，利用氧、氮组分的不同浓度分布形成局部区域燃烧控制。
3. 根据权利要求2，所述的进气组分分布局部富氮燃烧和NOx排放控制方法，其特征在 于所述的电动控制阀6和富氮气流喷嘴7根据内燃机或热工燃烧设备工作过程控制要求， 实施富氮气流压力、流量、喷射正时、脉宽、频率和持续期的协调控制，使富氮气流通过富氮 气流喷嘴7喷入进气道或进气道歧管12，并通过开启进气门11时，喷射富氮气流与主流空 气13在燃烧室10内形成局部的富氮变密度分层。
4. 根据权利要求3，富氮气流喷嘴7几何位置、角度确定，应根据内燃机或热工燃烧设 备应用具体设计，结合不同进气道流动特性进行调整其中，富氮气流喷嘴7包括气道浅入 式单孔或多孔形式，以及插入式(全插入、半插入)多孔形式，其中，多孔喷射器包括单路输 送流量匹配方式和多路分步调控方式。
5. 根据权利要求3，所述的进气组分分布局部富氮燃烧和N0x排放控制方法，其特征在 于在正常运行工况下，喷射形成的富氮作用区域能保证氧浓度是由燃烧室中心向边缘方向 逐步递增；电动控制阀6和富氧气流喷嘴7采用气流压力、流量、喷射正时、脉宽、频率和持 续期的协同控制。
6. 根据权利要求l，所述的进气组分分布局部富氮燃烧和NOx排放控制方法，其特征在 于所述的辅助的富氮气流能调整燃烧室局部氧、氮组分份额。
7. 根据权利要求l，所述的进气组分分布局部富氮燃烧和NOx排放控制方法，其特征在 于在冷启动和暖机过程中，关闭富氮气流供气系统。
8. 根据权利要求2，所述的燃烧室旋流的内环区域或局部区域，其特征在于使燃烧室 环流中心或局部富氮区域核心的富氮浓度可达79% 90%范围，并具有内高外低的逐级 递减富氮变浓度分布。
9. 根据权利要求2，所述的燃烧室外环边缘区域或局部富氮区域之外，其特征在于该 外环区域应不受富氮气流影响，维持常规空气进气空燃比的氧浓度。在任何工况，该区域富 氮影响程度不超过当地常规空气氮浓度0. 5 1%。
全文摘要
一种进气组分局部富氮燃烧和NOx排放控制方法，利用富氮气流在进气道辅助喷射，组织进气流在燃烧室内形成氧氮组分变密度分布和分层，达到燃烧室内氧氮组分浓度梯级分布，形成区域性燃烧控制，创新出精细燃烧控制技术。进气流氧氮组分重整弱化燃烧旺盛区域的氧氛围，抑制燃烧，降低NOx排放；在贴近燃烧室边缘区域，氧氮浓度不受富氮气流影响，保持边缘区充分燃烧。该方法通过实现燃烧室内燃烧强度“削峰填谷”，达到燃烧温度均衡，抑制最高燃烧温度、降低NOx排放和提高燃烧热效率，解决以往全富氮空气进气造成燃烧弱势区域燃烧恶化问题。提出的富氮燃烧控制不仅仅限于内燃机工作过程，该发明对于广泛的燃烧设备具有应用意义。
文档编号F02M35/10GK101737212SQ20091021797
公开日2010年6月16日 申请日期2009年12月10日 优先权日2009年12月10日
发明者金英爱, 高淳, 高青 申请人:吉林大学