专利名称：燃烧方法及设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及燃烧方法，特别是非均质充量压燃式内燃机中的燃烧方法，本发明 还涉及用于所述方法的发动机。
背景技术：
本文使用的术语“柴油发动机”是指注入燃料时发动机中的压缩引发燃烧的压 燃式内燃机。燃烧室内非均质充量的燃料和空气由于快速压缩过程中产生热而被点燃。 这与奥托循环发动机不同，在奥托循环发动机中燃料和空气在通过火花塞点燃之前被混合在一起。
柴油发动机与均质充量压燃式(HCCI)发动机不同，后者使用预混合的燃料和空 气的压缩点火产生均质充量。当燃料/空气混合物被充分压缩时，其自发点燃。HCCI 适合稀燃运转并由此可具有比传统奥托循环发动机更高的效率，且峰温度较低，从而减 少了 NOxW形成。然而，HCCI比传统发动机中的燃烧更难以控制，从而可能引起定时 问题(timing problem)。与由向压缩空气中注入燃料的时间控制点火的柴油发动机，或者 由产生火花的时间控制点火的奥托循环发动机相比，HCCI没有可被直接控制的明确的引 燃物(combustion initiator)。此外，为了实现具有可变功率输出的动力运转，控制系统必 须能够改变运转条件，例如压缩比、引入气体的温度和压力以及燃料-空气比，这样可 能增加复杂性和成本。为了确保点火并避免燃料小滴冷凝而弄湿气缸壁，HCCI中使用的 燃料的沸点应相对地低。
US 5,117,800公开了柴油发动机或火花点火发动机的操作方法，其包括使所供应 的助燃空气富含氧气，同时调整发动机的燃料注入或点火正时，以弥补由于助燃空气中 的氧含量增加而引起的提前燃烧(advanced combustion)。该方法使用涡轮增压器作为泵， 通过氧气产生膜分离空气。与常规涡轮增压的助燃空气相比，富含氧的空气处于较低压 力，并因此比常规涡轮增压的助燃空气冷，从而降低或消除了对中冷器的需求。
US 3,794,007公开了使用来自发动机的燃料供应源的燃料加热用于冷启动的助燃 空气。当使用可燃性差的燃料(例如汽油)时，在荷载发动机的启动运转中通过燃烧火 焰吸入空气加热器(flame-suction-air-heater)中的燃料来加热吸入管路(suction line)或吸 入歧管(intake manifold)中的空气。该发动机的压缩比相对较低。以这种方式燃烧燃料 降低了燃料的效率，而吸入空气密度的下降降低了发动机的整体效率。
US 4,333,4 公开了燃烧过程需要最少两个气缸的等温发动机。该发动机具有压 缩空气的压缩气缸，该压缩空气经过热交换器递送至膨胀气缸。膨胀气缸接收该压缩空 气和燃料，在动力冲程(power stroke)过程发生燃烧的同时，膨胀气缸中的气压降低至大 气压，膨胀气缸推动曲轴。该过程是等温的，而非绝热的，从而使膨胀气缸的内部温度 在动力冲程的膨胀阶段保持恒定或仅有少量上升。额外的气缸提高摩擦损失。
柴油发动机燃料的燃烧品质特性用十六烷值(CN)表示，其中，将十六烷值定义 为正常十六烷和ι-甲基萘的混合物中正常十六烷(正十六烷)的体积百分比，在特定测试条件下的标准发动机内进行燃烧时，该混合物与测试燃料具有相同的点火性质(点火 延迟)。CN值高的燃料的点火延迟低，适合用于柴油发动机中。商业化柴油发动机燃 料的CN值通常在40-55的范围内。CN值高的燃料通常不适合用于需要具有自动点火阻 性的奥托循环发动机。
用辛烷值(ON)表示奥托循环发动机燃料的燃烧品质性能，高ON的燃料是合适 的。通常，高CN的燃料的ON值低，反之低CN的燃料的ON值高，因此向汽油发动机 中加入柴油发动机燃料(或向柴油发动机中加入汽油)可能是个高代价的错误。
十六烷值低或为零的燃料包括芳香烃(例如甲苯)和醇(例如甘油)。例如， 乙醇的十六烷值约为8，甲醇的十六烷值约为3(M.Murphy，J.Taylor, andR.McCormick. Compendiumof Experimental Cetane Numbers Data, NationalRenewable Energy Laboratory, 2004，NREL/SR-M0-36805)。本文使用的术语“CN非常低的物质”是指十六烷值 在0-30之间的物质。可以使用等同于十六烷值的其它点火性质代替十六烷值。低十六 烷值物质理解为在标准的狄塞尔循环模式下不能点火或不能维持稳定运转的易燃物质。 CN非常低的物质被认为不适合用于柴油发动机中，除非通过与十六烷值较高的燃料进行 混合或通过加入十六烷值增进剂(例如聚硝酸酯和胺)对其进行改良。参见，例如US 4,746,3 和WO 85/002194。十六烷值增进剂价格昂贵，而聚硝酸酯具有易爆炸的缺点。
甘油作为用于柴油发动机的生物燃料制造中的副产物而在工业中的形成量逐渐 增加。能够利用甘油和其它CN非常低的物质作为柴油发动机用燃料是有利的。然而，利 用重醇(heavier alcohol)作为柴油发动机燃料存在问题。最近的一篇综述Mario Pagliaro, Rosaria Cihminna, Horoshi Kimura, MicheleRossi and Cristina Delia Pina From Glycerol to Value-Added Products, Angew.Chem.Int.Ed.2007，46，4434-4440 指出，甘油“不能直接 加入到燃料中，原因是甘油在高温下聚合，并由此阻塞发动机，并且甘油被部分氧化成 有毒的丙烯醛”。在最近的一篇综述 Thomas Stenhede Wartsila Green Solutions-Running Large Engines on Alternative Fuels, International Seminar onGasification, Malmo, Sweden, 100ctober2008中，作者总结得出以下技术状况“甘油的点火和燃烧性质非常差，[并 且]不能在柴油发动机中点火”。获得甘油的高粘度需要加热至约130°C，从而使其与用 于常规柴油发动机燃料的良好雾化的粘度相匹配。然而，这妨碍了十六烷改性添加剂或 者点火改性添加剂(在该温度以下通常分解或不稳定)的使用。例如，主要的十六烷值 增进剂2-乙基己基硝酸酯在120°C分解，从而阻碍了粘度调节和十六烷改良的必要步骤 的组合。因此，到目前为止，将甘油用作柴油发动机燃料的尝试并不令人满意。
发明概述
在独立权利要求中阐述了本发明的各方面。在从属权利要求中阐述了本发明的 优选特征。
本发明人惊讶地发现，通过向发动机供应温度显著(substantially)高于环境温度 的助燃空气，CN非常低的物质能够在压燃式发动机中有效燃烧，而不需要进行化学改良 或者使用添加剂。汽油能够燃烧，甚至十六烷值定义为零的1-甲基萘也能够燃烧。
点火所需的最小温度和稳定运转所需的最小温度将根据所述物质的性质和发动 机的结构而变化。采用多因素(multiple)，其与绝热效率、Y因子(气体在恒定体积下 的比热与在恒定压力下的比热的比值)和压缩比有关。压缩比是与发动机的总热力学效率有关的尤其重要的因数，然而由于结构约束、物质封装和摩擦损失，可使用的最大 压缩比有实际限度。非增压式(nonpressure charged)狄塞尔循环发动机通常被限定为 22 1，而增压式发动机通常被限定为 16 1。奥托循环发动机由于充量爆炸(charge detonation)而通常使用 8 1-10 1范围内的压缩比，其远低于狄塞尔循环发动机。 较高的压缩比将在助燃空气的绝热压缩后产生更多的温度增加。然而，每单位压缩比增 加获得的终气体温度相对较低，例如，为了获得与通过将进气温度提高 65°C而产生的 相同的终气体温度，给定测试发动机的压缩比必须从22 1提高至 36 1。通过计算 表明，助燃空气入口温度提高1°C可在压缩后使温度提高大约3°C或更高的温度。与冷启 动系统不同，助燃空气在发动机运转的基本全部时间内(即，基本在发动机运转期间)维 持在高温和优选经过调节的压力下。
虽然为了获得适合注入发动机气缸的粘度需要对一些高粘度物质进行加热，但 可以在注入即将进行前将其加热，从而使该物质在燃烧之前不长时间保持在高温下。本 发明人发现在甘油的情况下，使用本发明的方法能够进行干净且高效的燃烧，而不产生 阻塞发动机的聚合产物。
在本发明中，优选在将助燃空气供应至发动机气缸前对其进行压缩。这样可以 提高质量流量，并提高效率。提高质量流量还具有降低峰温度和压力的作用，这样往往 可以减少NOx气体的产生。当然，助燃空气在气缸中进一步压缩，在该气缸中发生压燃 式燃烧。
所述压缩可以容易地由以废气推动的涡轮增压器产生。可以利用来自废气的废 热、由涡轮压缩器的固有低效率产生的热或其它任何加热空气的方法或者热源的组合将 助燃空气加热。这种利用加热的压缩助燃空气的方法与传统的涡轮增压系统相反，在传 统的涡轮增压系统中经过涡轮加压的空气被冷却(中冷或后冷)，以提高质量流量。
在一个实施方式中，可以提高助燃空气的含氧量以有助于燃烧。任选地，氧富 集可以与助燃空气的压缩组合使用。
广义上，本发明涉及将助燃空气或工作流体加热至一个温度，所述温度能够实 现和/或优化燃料的性质和条件不平衡的燃料燃烧和本领域通常已知的燃烧。本发明能 够使迄今不被用作压燃式发动机燃料的CN非常低的物质在压燃式发动机中燃烧。
本发明使用的术语“工作流体”是指用作将系统的一部分的能量转移至系统的 另一部分的媒介的流体(气体或液体)。所述工作流体可以包括混合有可燃烧或支持燃烧 的气体或蒸汽的空气。
原则上可以利用固态、液态或气态物质实施本发明，然而由于易于注入，优选 流体物质。
试验结果
使多种CN非常低的物质在试验设备(包括Lister-Petter直接注入两缸柴油发动 机和Lister-Petter四缸直接注入涡轮增压发动机)中燃烧。发动机在恒定功率和速度(典 型的功率产生条件)下运转。自然吸气式发动机(normallyaspirated engine)的压缩比为 22 1，涡轮增压发动机的压缩比为16 1。
利用瓦斯油(gas oil)作为燃料引发燃烧，一旦发动机加热后，转换成测试物 质。最初使用二甲醚(DA/ffi)单独引入测试物质，以允许进气温度变化，而不在研究阶段出现发动机停转(stalling)；然后停止DME流，并使发动机单独依赖测试物质运转。加热进气(助燃空气)并改变该空气的温度，以确定稳定燃烧的最小值，可以观 察到降低进气温度对提高质量流动的作用。该测试利用自然吸气两缸发动机进行。燃烧 变得不稳定，且在低于90°C时完全不能燃烧。甘油(购自SigmaAldrich的纯度为98.0% 的特纯级甘油)的结果示于表1。在表1中Ex.T=废气温度；Th%=燃料齿条(节气门)设置；KW=产生的 电输出功率；NOx =氮的氧化物(ppm) ； CO = 一氧化碳(ppm)；烟道中的O2 =废气中 氧水平的体积Inj.T=注入器的“过热”温度；空气T=进料口空气温度。表权利要求
1.燃烧CN非常低的物质的方法，所述方法包括将所述物质注入非均质充量压燃式发 动机的燃烧气缸中，和在发动机运转的基本全部时间内向气缸进料口供应温度显著高于 环境温度的助燃空气或工作流体。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述助燃空气或工作流体供应至所述气缸进料 口的温度为至少60°C，优选90°C -250°C。
3.如权利要求1或2所述的方法，其中，所述CN非常低的物质是醇、酮、酯、芳族 化合物、汽油、一种或多种烃、再生油、废溶剂或以上任意或所有的混合物，所述醇优 选甲醇、乙醇、丙醇、丁醇、甘油或其中两种或更多种的混合物。
4.如前述任一权利要求所述的方法，其中，在压力下向所述气缸进料口供应助燃空 气或工作流体，所述压力为使得经过所述进料口进入所述气缸的质量流量被调节使基本 等于在标准运转条件下进入气缸的质量流量。
5.如前述任一权利要求所述的方法，其进一步包括在将所述物质注入燃烧室之前对 其进行加热。
6.如前述任一权利要求所述的方法，其中，利用来自所述发动机的废热对至少一些 所述助燃空气或工作流体进行加热。
7.如前述任一权利要求所述的方法，其中，利用由来自所述发动机的废气流驱动的 涡轮增压器对所述助燃空气或工作流体加压。
8.如权利要求7所述的方法，其中，通过由来自所述发动机的废气流驱动的涡轮增压 器的固有低效率对至少部分所述助燃空气或工作流体进行加热。
9.如前述任一权利要求所述的方法，其中，所述助燃空气或工作流体富含氧。
10.如权利要求1或2所述的方法，其中，所述物质为甘油，且其中对甘油进行加热 并在60°C -160°C范围内的温度下将其注入气缸中。
11.热电联产的方法，所述方法包括燃烧前述任一项权利要求所述的CN非常低的物 质，并利用回收自进料空气的热维持或提高用于回收的可用的废气废热能。
12.用于燃烧燃料的设备，其包括具有气缸和加热装置的非均质充量压燃式发动机， 所述加热装置将供应至所述气缸的助燃空气加热和加压至显著高于环境温度和压力的温 度和压力。
13.如权利要求12所述的设备，其中，所述加热装置包括将来自所述发动机废气和/ 或冷却系统的热转移至助燃空气或工作流体的热交换器。
14.如权利要求12或13所述的设备，其中，使所述加热装置适应于将助燃空气或工 作流体加热至至少60°C，优选90°C _250°C范围内的温度。
15.如权利要求12-14中任一项所述的设备，其中，用于将供应至所述气缸的助燃空 气或工作流体加压的装置是经布置并适应于由来自发动机的废气流驱动的涡轮增压器。
全文摘要
本发明一方面提供了燃烧十六烷值非常低的物质的方法，该方法包括将所述物质注入非均质充量压燃式发动机的燃烧气缸中，并在发动机运转的基本全部时间内向所述气缸的进料口供应温度显著高于环境温度的助燃空气或工作流体。本发明其它方面提供了在该方法中使用的压燃式发动机和使用该发动机燃烧燃料的方法。
文档编号F02M31/02GK102027225SQ200980117655
公开日2011年4月20日 申请日期2009年3月19日 优先权日2008年3月20日
发明者约翰·麦克尼尔 申请人:阿克菲尔研究有限公司