超临界的柴油燃烧用的方法

超临界的柴油燃烧用的方法
【专利摘要】一种超临界的柴油燃烧用的方法组合了熏蒸和超临界的柴油燃料燃烧，以实现更高的燃料效率并减少来自压缩点火发动机的废气污染物。本发明通过组合在喷射液态柴油燃料之前自动点火的两种气体（DME和甲烷）来利用熏蒸方法。管理与燃烧室气体的发动机压缩组合的熏蒸气体的该预燃烧，以获得将喷入液态柴油燃料的超临界燃烧室环境。该目标超临界燃烧室环境使柴油燃料在燃烧之前变成超临界流体，使得柴油燃料的燃烧效率明显提高并且由柴油燃料的燃烧产生的废气污染物可以忽略。
【专利说明】超临界的柴油燃烧用的方法
[0001]相关申请的引用
[0002]本申请要求2011年6月14日提交的美国临时专利申请N0.61/496，887的申请日的权益。如在这里完全地阐述的那样，前述美国临时申请的全部内容通过引用包含于此。
[0003]关于联邦赞助的研究或开发的声明
[0004]不适用。
_5]对缩微胶片附件的引用
[0006]不适用。
【技术领域】
[0007]本发明总体上涉及内燃机，更具体地涉及产生用于压缩点火发动机的超临界的燃烧室环境用的改进的方法。
【背景技术】
[0008]柴油发动机的发明人，鲁道夫?狄塞尔(Rudolph Diesel)-1897，使用“天然气”作为柴油发动机熏蒸燃料充填物(fumigant fuel charge)。柴油发动机的熏蒸是向柴油发动机的进气充填物中添加气态燃料。柴油发动机熏蒸技术的发展在持续，诸如公开于里特(Ritter)等的美国专利N0.6,901,889中的技术。
`[0009]柴油燃料的预加热提高燃烧效率并减少废气污染物，这从二十世纪三十年代开始就已被开发。自行着火的柴油燃烧在二十世纪八十年代得到了广泛关注。近期，Tavlarides等的美国专利N0.7，488，357等公开了使柴油燃料在喷射到燃烧室之前变成超临界的方法和设备。
[0010]Levine的美国专利4，892，561公开了包含至少50重量％的甲醚的内燃机用燃料。
[0011]Basu等的美国专利5，632，786描述了用于操作火花点火内燃机的方法，该内燃机使用包含二甲醚和丙烷的改进的成分作为燃料。
[0012]Willi等的美国专利6,095,102教示了一种双燃料发动机(dual fuel engine),其在压缩冲程中产生了气态燃料、空气和引燃燃料(pilot fuel)的实质均匀的混合物。
[0013]Whitcome的美国专利6，145，495公开了柴油发动机用的丙烷喷射系统。
[0014]Ouellette等的美国专利6，202，601描述了用于向内燃机中喷射双燃料的方法和设备。由比主燃料更易燃的引燃燃料来对主燃料进行点火。
[0015]Weissman等的美国专利6, 206,940教示了一种用于延长稀燃极限(lean limit)的燃料公式。
[0016]Ishikiriyama等的美国专利6, 213,104公开了通过将燃料的压力和温度升高到临界压力和临界温度之上来将燃料以超临界状态供给到内燃机。
[0017]Flynn等的美国专利6,286,482描述了带燃烧控制的预混合充填压缩点火发动机。
[0018]Basu等的美国专利6，324，827教示了在干燥的低NOx燃烧系统中产生动力的方法。
[0019]Towfighi的美国专利6，607，567公开了用于由燃烧动力操作的工具的推进气体，
其基于包含如下混合物的可燃气体:40重量％至70重量％的二甲醚、一氧化二氮和/或硝基甲烷，8重量％至20重量％的丙烯、丙炔、丙烷和/或丙二烯，以及20重量％至45重量％的异丁烷和/或正丁烷。
[0020]Ritter等的美国专利6，901，889和7，225，763描述了通过使用双燃料熏蒸系统来减少来自柴油发动机的颗粒和NOx排放物的系统和方法。
[0021]Tavlarides等的美国专利7，488，357教示了柴油、生物柴油或具有废气混合物或液态C02的混合燃料的复合物。该复合物在超临界区或超临界流体混合物附近是液体状态，使得在喷射进燃烧室时该复合物作为单一和均匀的超临界相准瞬时地扩散到被加压的热空气中。
[0022]前述专利反映了本发明人已知的现有技术的当前状态。希望对这些专利的引用和讨论有助于 申请人:坦诚地履行可能与本发明的权利要求的审查有关的信息公开的已知义务。然而， 申请人:谦恭地认为，上述专利单独地或者组合考虑都没有公开、教示、建议、示出或明显地呈现这里公开和要求保护的本发明。

【发明内容】

[0023]本发明的超临界的柴油燃烧用的方法组合了熏蒸和超临界的柴油燃料燃烧，以实现更高的燃料效率并减少来自诸如柴油发动机的压缩点火发动机的废气污染物。本发明通过组合在喷射液态柴油燃料之前自动点火的两种气体(DME和甲烷)来利用熏蒸方法。管理与燃烧室气体的发动机压缩组合的熏蒸气体的该预燃烧，以获得将喷入液态柴油燃料的超临界燃烧室环境。该目标超临界燃烧室环境使柴油燃料在燃烧之前变成超临界流体，使得柴油燃料的燃烧效率明显提高并且由柴油燃料的燃烧产生的废气污染物可以忽略。
[0024]具有可燃气态燃料的柴油发动机进气充填物的熏蒸总是需要喷射的液态柴油燃料是引发燃烧事件的引燃点火源。这允许燃烧事件的精确定时，降低消耗的总柴油燃料，并且减少废气污染物，这是因为气态燃料比液态柴油燃料燃烧地更完全。
[0025]作为超临界流体的柴油燃料的燃烧使得燃烧事件类似于气态燃料燃烧事件。作为超临界流体，柴油燃料不会展现出表面张力，且其扩散性比为液态的情况大两个数量级。这是超临界流体的两个主要特性，这两个特性有助于更高的燃烧效率和更少的废气污染物。
[0026]以非常高的压力将液态柴油燃料喷射到燃烧室中，以实现该液态燃料的雾化。这导致由滴(droplet)和丝(ligament)构成的喷雾进入到燃烧室环境中。由于液态燃料滴和丝从燃烧室气体获取热并且开始蒸发，所以有点火延迟时间段。该柴油燃料蒸气燃烧。柴油燃烧通常被认为是稀燃燃烧事件，但是只有在考虑燃料和氧化剂的体积数量关系时这才是成立的。每个滴和丝都在它们的表面周围产生极富燃料的燃烧区域。该富燃料的燃烧区域产生“即时的”NOx (在升高温度燃烧事件期间及富燃料燃烧期间形成的氮化物)，并且将滴或丝内的剩余液体封装入极热的区域，该极热的区域产生剩余流体的热解和焦化。废气中的颗粒源和温度产生NOx。
[0027]由于超临界流体柴油燃料不会展现出表面张力，所以不能形成滴和丝，或者，即使形成也不能保持。这排除了富燃料燃烧区域的可能性，减少即时的和热的NOx产生以及柴油燃料的热解和焦化。
[0028]表面张力的损失伴随的效果是，柴油燃料现在具有是液滴或丝的100倍的扩散性。燃烧效果是，柴油燃料现在至少100倍地与氧化剂接触。结果发生如下的燃烧事件:与典型的柴油燃烧相比，在短时间段内释放更多热能，而不会形成即时NOx和颗粒。
[0029]因此，本发明的目标是为诸如柴油发动机的压缩点火发动机提供新的和改进的超临界燃烧室环境。
[0030]本发明的另一目标是提供具有改进的燃料效率的柴油发动机燃烧室环境。
[0031]本发明的再一目标或特征是减少了 NOx和烟灰排放物的柴油发动机燃烧室环境。
[0032]从下面的描述中，并结合对以示例的形式例示出本发明的优选实施方式的附图的考虑，将更容易地理解作为本发明的特点的关于操作的组织和方法的其它新颖的特征以及其进一步的目标和优点。然而，应当清楚地理解，附图仅用于例示和描述而不是要限定对本发明的限制。表征本发明的各创新特征在所附的权利要求书中具体指出，该权利要求书形成本公开的一部分。本发明不在于这些特征中的任何单独的一个，而在于其用于指定功能的所有特定结构组合。
[0033]因此已宽泛地给出本发明的更重要的特征，以便后面的详细说明可以更好地被理解，并且以便可以更好地理解本公开对现有技术做出的贡献。当然，本发明的附加的特征将在下面被描述，其将形成所附的权利要求书的附加的主题事项。本领域技术人员将理解，作为本公开的基础的概念可以容易地用作用于实现本发明的若干个目的的其它结构、方法和系统的设计基础。因此，重要的是，权利要求应当被理解为包括这种等同构成，只要它们不脱离本发明的精神和范围即可。
[0034]此外，摘要的目的是使得美国专利商标局和不熟悉专利或法律术语或措词的一般公众，以及特别是科学家、工程师和本领域的从业者通过粗略地检视即可快速地确定本申请的技术公开的特性和实质。摘要即不是要限定本申请的由权利要求限定的发明，也不是要以任何方式限制本发明的范围。
[0035]仅是为了方便说明的目的，在下面的描述中可能使用特定术语及派生词，这将不是限制性的。例如，诸如“上”、“下”、“左”和“右”等词语将指示所参照的附图中的方向，除非另有说明。类似地，诸如“内”和“外”等词语将分别地指示朝向和远离装置或区域及其指定部件的几何中心。单数时态表示包括多个，反之亦然，除非另有说明。
【专利附图】

【附图说明】
[0036]考虑到下面给出的详细说明，将更好地理解本发明，上面阐述的目的之外的目的将变得明显。参照附图给出下面的说明，其中:
[0037]图1是二冲程柴油发动机的截面图，其中活塞处于中立的排气/进气位置；
[0038]图2是压缩冲程开始时发动机的截面图；
[0039]图3是作功冲程(power stroke)开始时发动机的截面图。
【具体实施方式】
[0040]本发明适用于所有压缩点火发动机(CIE)，这种发动机使用2号柴油燃料、轻燃料油(light fuel oil)、生物柴油(biodiesel)、水乳化柴油燃料(water emulsified dieselfuel)或者轻燃料油乳液(light fuel oil emulsion)、柴油替代品(diesel surrogate)的混合物或者这些燃料的混合物来运行。本发明可以容易地改型到已有的CIE上，其中在二冲程和四冲程CIE上的安装之间仅需稍许变型。本发明还可以容易地实施为新的CIE设计和构造。设备和方法将根据所适用的“CIE家族”而改变。“CIE家族”旨在包括与CIE在功能上相似的单元。最大的分类是二冲程CIE和四冲程CIE。当适于在CIE的不同家族上使用时，方法和设备将不同。转速的低、中、高将是子家族，燃烧室的排量也是一样。
[0041]该新颖的燃烧方法的原理将保持不变。该原理就是，在喷射液态柴油燃料之前，使用熏蒸燃料混合物(fumigant fuel blend)在CIE的燃烧室中建立超临界流体/气体环境。该超临界流体/气体环境具有在喷射液态柴油燃料之前在燃烧室的恒定容积空间(CVS)中得到的不小于800psi的目标压力。CVS—般被认为是由从10° BTDC(上死点之前，活塞到达TDC之前的位置)开始并终止于10° ATDC (上死点之后，活塞经过TDC之后的位置)的活塞压缩的燃烧空间。为了获得该压力和对应温度(1200° F至1400° F)，本创新的方法和设备的构成将适用于CIE的各家族来执行。下面的详细说明是应用于每汽缸的排量大于500立方英寸的二冲程单向流动中速(unifiow medium speed) CIE的本发明的实施方式。通过机械单元喷射器喷射柴油燃料。
[0042]该类型的CIE利用Roots送风机(Roots blower)或润轮增压器来将进气压缩到包围汽缸组件的下部的气室中，该汽缸组件包括这些发动机动力组件。这些气箱具有通道门(access door)，熏蒸燃料喷射器将固定到该通道门，并且该通道门指向向汽缸供给空气的最近的进气口。该喷射器将喷射由压力容器燃料箱供给来的液态熏蒸燃料，该压力容器燃料箱具有内部燃料泵以提高燃料箱压力，使得燃料将在通往喷射器的整个路径中保持液态。喷射器的脉冲将由一控制器(device)控制，该控制器至少总是监测下述发动机参数:发动机转数(rpm)，以建立每次喷射脉冲用的时序，其被定时为正好在活塞使进气口露出并且空气充填物开始进入燃烧室时脉冲；以及持续地读取在整个发动机周期中出现的各压力(例如，每第四个汽缸的压力)。将由控制器解释该精确的压力信息，这进而将改变熏蒸燃料喷射器脉冲持续时间，以向燃烧室提供较多或较少的熏蒸燃料。目标是在喷射柴油燃料之前在CVS中得到的800psi。在800psi和1200° F至1400° F的相关温度的情况下，CVS中的超过90%的气体是超临界的。H2O和CO2将不是超临界的，但是Ν2、02、0Η、Η202和CO将全部是超临界的。
[0043]柴油燃料用的单元喷射器将被改变成在TDC之后，例如5°至10° ATDC，喷射柴油燃料。还将缩短单元喷射器的脉冲持续时间。因为柴油燃料的雾化喷雾将遭遇明显更大的燃烧室压力，其将受到更大的剪切力，这大大减小了柴油燃料滴和丝的尺寸。同时，这些滴和丝将受到超临界流体/气体的刺激，该流体/气体构成超临界的燃烧室环境。由于超临界流体/气体，这些物质成为超溶剂(hyper-solvent)。
[0044]高度雾化的柴油燃料滴和丝不仅从外部而且还从内部通过传导和辐射两者被加热。超临界的物质将其热能的超过60%以福射能的形式释放。在800psi,蒸发被充分地延迟，以允许燃烧室超临界环境将足够的热能赋予柴油燃料，这样柴油燃料在明显燃烧开始之前跃过其临界温度点。柴油燃料已经被喷射器推过其临界压力点，而由于在燃烧室中遭遇的压力而保持超过该临界压力点。该跃过临界温度点和临界压力点已经使柴油燃料变成超临界流体，没有表面张力并且100倍地分散到超临界燃烧室环境中。柴油燃料的燃烧比典型柴油燃料燃烧进行的更强烈并且在CIE的转动周期中稍晚。
[0045]典型的柴油燃料燃烧被定时为在CVS中发生最大热释放。燃烧事件典型地在活塞即将达到10° BTDC时开始，并且持续到经过10° ATDC的最高热释放。功能地从燃烧的观点出发，该序列允许柴油燃料在燃烧室中保持的热降低到低于支持燃烧所需的温度(约60° ATDC)之前合乎逻辑地燃烧。从机械和热管理观点出发，该定时是浪费的，并且使得形成较多的NOxK合物。在机械方面，当活塞与曲轴的关系实质上是竖线时，高热释放定时是最小机械优势和最少能量传递可能以帮助曲轴转动的时间。该高热释放在其活动的燃烧序列的至多1/3实质上停顿。该停顿的作用是允许热散发到最容易接近的散热器中，N2和02，分别为燃烧气体的75%和15%。燃烧事件的该停顿机械地转移并且伴随着热散发到N2，这使得CIE的效率变低并且增加废气中的NOx的量。
[0046]在本创新的方法中，燃烧气体是超临界的，这允许柴油燃料燃烧事件的定时延迟到20° ATDC处的高热释放的目标。在该曲柄角度处，能量传递机械地更有利，这允许燃烧室空间比传统CIE燃烧更快地增长，由此缓解峰值热散发和明显的NOx化合物生成。
[0047]通过组合燃烧室气体压缩和柴油燃料喷射燃烧事件之前的序列，来创建该超临界燃烧室环境。喷射到进气中的熏蒸燃料是混合物，优选地是为各CIE家族而混合的丙烷和二甲醚(DME)的传统混合物。这些燃料是在单个压力容器中易混合和组合的，特别地为所服务的CIE家族而混合，但是已经确定在1-20% 二甲醚和80-99%丙烷的范围。在该示例中，熏蒸燃料以液体的形式喷射。在发动机的高转速CIE家族的情况下，对于二冲程或四冲程发动机，熏蒸燃料将以气体的形式喷射。由于熏蒸燃料成分的低沸点(丙烷为-44° F，二甲醚为-11° F)，这些液态燃料将在压缩冲程的早期阶段蒸发并且随着充填气体的压缩的增加而与空气充填物快速地均质化。在大约20° BTDC，二甲醚将自动点火。该自动点火触发丙烷的点火。熏蒸燃料燃烧是两阶段燃烧，使得燃烧事件的较大者，丙烷燃烧，正好在进入CVS中时发生。这样做将减小活塞上的背压。二甲醚燃烧原则上是触发丙烷燃烧的手段。
[0048]可以由汽缸内的压力传感器来连续地读取燃烧室压力，例如每四个汽缸用一个压力传感器。由控制器解释传感器输出，这将增加或减小熏蒸燃料喷射器的脉冲持续时间，以最佳地管理流到燃烧室中的熏蒸燃料，以在柴油燃料喷射之前获得目标超临界压力。
[0049]参照图1-3，其中，在多幅图中，相同的附图标记指示相同的部件，这里示出了一种用于超临界的柴油燃烧的改进的新方法。
[0050]附图示出了单向流动的二冲程柴油发动机的截面图。运行原理也适用于四冲程柴油发动机，区别在于熏蒸燃料喷射器将以尽可能靠近每个汽缸的进气阀的方式安装在四冲程发动机进气歧管上。所绘示的熏蒸燃料喷射器用于将本创新的系统应用于已有柴油发动机。新构造的发动机可以实施为系统，优选地，通过将熏蒸燃料喷射器布置成直接喷射部件，脉冲地直接喷入燃烧室。
[0051]图1绘示出二冲程柴油发动机10，活塞12处于中立的排气/进气位置。排气阀14已经在活塞即将下降时打开，以允许来自之前燃烧的废气开始经过排气口 18排出，其中该活塞下降将使进气口 16露出。随着活塞的持续下降，其使进气口 16露出，该进气口已经被空气压缩器20加压。所有使用柴油燃料运转的柴油发动机都使用某种形式的空气压缩器，诸如送风机或涡轮增压器，以强制使空气进入发动机的燃烧室。新鲜进气流入燃烧室有助于将来自之前燃烧的废气通过排气口推出。正好随着新鲜空气开始进入燃烧室，安装并直接指向多个进气口中的一个进气口的熏蒸燃料喷射器22脉冲，以释放由熏蒸燃料箱24供给的一定体积的混合熏蒸燃料。
[0052]在低速和中速(例如，在1200rpm以下的)柴油发动机中，将以液体的形式喷射熏蒸燃料。高速柴油发动机将使熏蒸燃料以气体的形式喷射，以确保在熏蒸燃料自动点火之前发生完全蒸发和均质化。熏蒸燃料是在同一压力箱24中保持的丙烷和二甲醚的混合物。丙烷在-44° F蒸发，二甲醚在-11° F蒸发，在标准运转条件下，实质上两者都永远是气体。
[0053]图2是压缩冲程开始时发动机的截面图。活塞12持续上升，关闭进气口 16，排气阀14已关闭，压缩冲程开始。随着活塞朝向排气阀滑动，燃烧室内的气体被压缩并且温度开始升高。所有柴油发动机都被设计成使得，在活塞进入CVS之前，这些气体的压缩将使温度升高到充分地高于柴油燃料的自动点火温度。典型的柴油燃料压缩点火在柴油燃料被喷射到燃烧室中时发生，从大约16° BTDC开始点火。在本创新的系统运行中，活塞压缩熏蒸燃料空气混合物26使得熏蒸燃料蒸发并且与空气充填物均质化。在大约20° BTDC，二甲醚将达到自动点火温度并燃烧。该燃烧将引起丙烷的燃烧，这与通过活塞使气体的压缩组合，将导致超临界燃烧室环境。
[0054]图3是作功冲程开始时发动机的截面图，超临界燃烧室环境32具有大约800psi的CVS压力。在该压力和对应温度(1200° F至1400° F)的情况下，燃烧室中的所有气体(除了 H2O和CO2)都是超临界流体。在5° ATDC和10° ATDC之间，来自柴油燃料箱28的柴油燃料通过柴油燃料喷射器30被喷射到该超临界环境中。
[0055]所有柴油发动机都在柴油燃料临界压力点之上的IOOOpsi的压力喷射柴油燃料。因为CVS压力为大约800psi (柴油燃料的临界压力点的大约2.5倍)，所喷射的柴油燃料很好地保持在其临界压力点之上。因为CVS的增加的压力，所喷射的柴油燃料受到非常高的剪切力，这增加了柴油燃料滴和丝的雾化。CVS中的主要的超临界气体是N2和O2，该超临界气体作为超临界流体用作超溶剂，刺激柴油燃料滴和丝，从而从柴油燃料滴和丝的内部以及从外部赋予热能，超过60%为辐射能。由超临界超溶剂向柴油燃料赋予热能的该动作使得柴油燃料在燃烧之前转变成超临界状态。
[0056]由于超临界流体柴油燃料不具有表面张力，超临界流体柴油燃料以液体的100倍分散在超临界燃烧室环境中。该超临界的柴油燃料的燃烧开始的目标是在20° ATDC时发生，以在最大机械滑块/曲柄杠杆的时间获得最大外力的优势。因为柴油燃料的最大热释放现在定时为获得更大的活塞速度的优势，热保留将最小化，NOx化合物的形成将明显地减少。
[0057]上述公开足以使本领域的普通技术人员得以实施本发明，上述公开提供了发明人目前认为是实施本发明的最佳模式。虽然这里提供了本发明的优选实施方式的全部完整公开，但是这不是要将本发明限制于所示出和描述的精确的结构、尺寸关系和操作。本领域技术人员将容易地了解各种变型、替代结构、改变和等同，在不脱离本发明的本质精神和范围的情况下，可以适当地采用这些变型、替代结构、改变和等同。这些改变可能会涉及替代材料、组件、结构配置、尺寸、形状、形式、功能、操作特征等。
[0058]因此，上述描述和例示不应当被解释为限制本发明的范围，本发明的范围由所附的权利要求限定。
【权利要求】
1.一种超临界的柴油燃烧用的方法，其包括: 提供具有燃烧室的压缩点火发动机； 向被调节成自动点火的所述燃烧室中提供熏蒸燃料充填物，以在喷射柴油燃料之前在所述燃烧室中产生超临界环境； 向所述燃烧室中喷射柴油燃料，其中，所述柴油燃料在燃烧之前变成超临界流体。
2.根据权利要求1所述的超临界的柴油燃烧用的方法，其特征在于，所述熏蒸燃料充填物包括二甲醚和丙烷的混合物。
3.根据权利要求1所述的超临界的柴油燃烧用的方法，其特征在于，所述熏蒸燃料充填物包括1-20%的二甲醚和80-99%的丙烷。
4.根据权利要求1所述的超临界的柴油燃烧用的方法，其特征在于，提供熏蒸燃料充填物的步骤包括向发动机的进气口喷射熏蒸燃料。
5.根据权利要求4所述的超临界的柴油燃烧用的方法，其特征在于，所述熏蒸燃料充填物以液体的形式被喷射。
6.根据权利要求4所述的超临界的柴油燃烧用的方法，其特征在于，所述熏蒸燃料充填物以气体的形式被喷射。
7.根据权利要求1所述的超临界的柴油燃烧用的方法，其特征在于，在TDC之后将所述柴油燃料喷射到所述燃烧室中。
8.根据权利要求1所述的超临界的柴油燃烧用的方法，其特征在于，在5°至10° ATDC将所述柴油燃料喷射到所述燃烧室中。
9.根据权利要求1所述的超临界的柴油燃烧用的方法，其特征在于，在喷射所述柴油燃料之前，所述超临界环境具有至少SOOpsi的恒定容积空间。
10.根据权利要求1所述的超临界的柴油燃烧用的方法，其特征在于，所述超临界环境的温度为1200° F至1400° F。
11.根据权利要求1所述的超临界的柴油燃烧用的方法，其特征在于，所述柴油燃料在大约20° ATDC燃烧。
12.根据权利要求1所述的超临界的柴油燃烧用的方法，其特征在于，所述柴油燃料包括2号柴油燃料、轻燃料油、生物柴油、水乳化柴油燃料、轻燃料油乳液、柴油替代品的混合物和这些燃料的混合物中的一者。
【文档编号】F02M43/00GK103732904SQ201280039661
【公开日】2014年4月16日 申请日期:2012年6月14日 优先权日:2011年6月14日
【发明者】C·S·斯托内 申请人:Wsc 斯利有限公司