氢气冲洗式燃烧室的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种用于运转具有燃烧室和氢源的火花点火式燃气发动机的过程，所 述源为发动机供应氢气，其中燃烧室装载有燃气空气混合物。
【背景技术】
[0002] 欧洲专利EP0770171B1公开了内燃发动机点火装置，更具体地说是提高了燃烧效 率的氢气辅助喷气点火（HAJI)装置。在本说明书中，术语"氢气"意图包括氢气和其他速 燃燃料。下面将从理论上对稀薄燃烧法的益处进行阐述。通过增加整体比热的比率、减少 来自于分解燃烧产物所产生的能量损失以及降低发动机冷却系统的热损耗，过量空气提高 了发动机的热效率。此外，因火焰温度随着燃料空气比例降低而下降，NOx产物呈指数性减 少，并且过量空气可促进从裂缝和淬火层中排放出的C0和碳氢燃料的更完全反应。还公开 对在全节流（开足马力）情况下在1 = 1-3. 5的范围内和在部分节流的情况下在更小范围 内改变主燃烧室燃料组成的效应的研宄，以及即使开足马力仍然有可能通过增加相对空气 /燃料比减少每个循环功（和扭矩）至无载量；然而正常点火的发动机的稀薄极限显示在 1 = 1. 64发生，在wc的可用范围内不存在氢气辅助喷射点火HAJI的稀薄极限。欧洲专利 EP0770171B1公开了为提高燃料效率的多种尝试。这样的尝试包括在火花塞区域内含富集 混合物的燃料层次法、分开的或者单独的预燃烧室发动机或与层级法组合的预燃烧室发动 机以及整个燃料供应的氢气富集。这些尝试中没有一个完全成功，并且上述问题仍然存在。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的是以能够达到更高燃烧率的方式配置并设置奥托燃气发动机的燃 烧过程。
[0004] 根据本发明，上述目的通过下面两种方法实现：a)通过将所装载的燃气空气混合 物填充氢气来实现上述目的，即，将氢气添加到空气燃气混合物中，或b)直接用氢气填充 燃烧室，填充量是所装载气体体积的总量的最多X%，X%作为由下表值X决定的燃气空气 混合物比例，其中该所装载的氢气、空气和燃气的混合物根据下表将被调整到Y的最大值 入：
[0006] 最大值A定义为该表的第二行中示出的两值之间的范围。例如，对于所装载气体 体积至多3 %的氢气量，最大值A介于1. 8和2. 1之间。
[0007] 除在上表中示出的六个值之外的其他氢气量所对应的其他值可以在图4的图表 中获得。在这种情况下，除氢气之外的额外气体比例是甲烧。采用15cm/s的层流燃烧速率。
[0008] A-曲线是Y值的范围上限的曲线，并且□-曲线是Y值范围下限的曲线，两者都 依赖于X值。
[0009] 分配高度稀释混合物导致燃烧含有的NOx(氮氧化物）份量较低并增加了燃烧率。 燃烧率增加使得点火延迟，这使得效率更高。
[0010] 对于例如3%氢气量的情况，A值应当是2. 01或更少，S卩，所装载的氢气、空气和 燃气的混合物总是可以浓于提及的Y值（2. 01)，这是因为较浓混合物基本上比稀薄混合物 更易点火。如果氢气的比例小于3%，混合物应当浓于所述Y值（2.01)以获得良好的点火 性能，即高的燃烧率。
[0011] 所提及的X值和Y值是本领域技术人员基于以尽可能稀地装载氢气、空气和燃气 的混合物的方式调整X值和Y值的六个示例。
[0012] 尽管如同要求保护的那样，其他来源的氢气也是必需的，但更高比例的100 %的氢 气量也很有市场。在这种情况下，A值应当至多为9. 8。如上所述，对于少于100%氢气量， 该混合物必须比Y= 9. 8稍浓一点。对于80%氢气量，该混合物必须不稀于8. 60。
[0013] 由于其他燃烧环境和条件，上述所有值可能有+/-15%的偏差。
[0014] 氢气增加了燃烧速率并因此增加了发动机效率。除此之外，如果在X值为1.81以 上的的燃烧室内，非常稀薄的燃气-空气混合物会导致与更低的NOx(氮氧化物）部分的燃 烧。增加的燃烧速率使得延迟点火，这使得效率更高。进一步的效率优点部分起因于用于 氧化反应R3、R3'的甲烷，这是因为存在由氢气补给的、通过采用废气能量所产生的能量。
[0015] 通过化学反应产生H2的效率不受如热动力循环过程的限制。因此，用于此化学工 艺的热废气能量在更好的效率程度下重整，这样产生更好的总体效率程度。
[0016] 此外，因为加入的氢气对燃烧具有催化作用，所有补给这样产生的氢气会导致氮 氧化物（NOx)以及甲醛的还原即，甲醛（CH20)的排放。为此，发动机效率也会增加。如果 产生废气流的发动机具有热重整器作为来源，这也可以是一大优点，所述热重整器根据下 列反应将水转化为氢气：
[0017] R1：M0red+H20 << - >> M0ox+H2,
[0018] R2 :M0ra<< ->>M0Md+02，以及给所述重整器提供水和至少一部分来自所述废 气流的热，并且具有额外的加热装置（所述加热装置由为发动机提供动力的燃气的一部分 提供动力）来获得下列放热氧化反应：
[0019]R3:CH4+02<<->>21120+〇)2，或
[0020] R3，：CnHffl+(n/2)〇2<<->>(m/2)H2+nCO,
[0021] 其中所述加热装置在热力学联接至所述重整器并且额外加热所述重整器。
[0022] 也可采用另一过程，其中产生废气流的发动机具有转化器，所述转化器根据下列 反应的至少一种将可用气体的较高HCs转化成氢气，所述HCs由n个碳原子和m个氢原子 组成：
[0023] CnHm+nH20 < < - > > W2+n)H2+nC0，
[0024] R3，：CnHffl+(n/2)〇2<<->>(m/2)H2+nCO,
[0025] CnHm+nC02 < < - > > W2)H2+2nC0，
[0026] 其中给所述转化器提供水、燃气和来自所述废气流的至少一部分热。
[0027]可选地，如果具有热重整器并且另外有转化器用于产生氢气，也是有利的。
[0028] 此外，如果至少有一个用于装载所述空气-燃气混合物的压缩机是由一个电机驱 动的，比如说是电力驱动的，那么这样是有利的。这种情况，可以省去相连接的废气涡轮机。 因此，废气在进入重整器时的温度要在l〇〇°C到150°C以上。此较高温度有利于重整器或者 相应反应器的改良运行，这样加热装置可以产生更少的热量输出。
[0029] 如果发动机由废气涡轮机和至少一个其他发电机来发电，则是有利的，所述其他 发电机经由废气涡轮机进行机械驱动，所述废气涡轮机位于源的下游。废气中的可用能可 以在此阶段获得，并用来产生用于加热或者供能过程所需的能。
[0030] 此外，如果在转化器中仅转换了具有至少两到三个碳原子的高碳氢化合物，则是 有利的。为优化可用气体中甲烷数，先转换高碳氢化合物更为有效，即：甲烷本身不必被转 换，并因此与氢连接。
【附图说明】
[0031] 在权利要求书和在说明书以及附图中将对本发明的其他优点和细节进行解释，其 中：
[0032] 图1示出具有H2重整器的发动机发电机组的供给链的示意图；
[0033] 图2示出具有电动压缩机的与图1类似的示意图；
[0034]图3示出具有气体转化器的发动机发电机组的供给链示意图。
【具体实施方式】
[0035]图1中的示意图示出具有空气-废气混合物的火花点火式燃气发动机1的供应 链。
[0036] 从气体混合器11开始，环境空气在此与主燃烧气体经由气口 11. 1和气口 11. 2混 合，燃料导管12经由压缩机8和燃料冷却器12. 2通到燃气发动机1或者燃气发动机1的 燃烧室1. 1。被燃气发动机1的输出所控制的节流阀14设置在紧邻燃气发动机1上游位置 的燃料导管12中。燃气发动机1连接到发电机26,例如作为发电机组的一部分。
[0037] 燃气发动机1包括废气导管6,其中废气涡轮机2设置在被用来驱动上述的压缩机 8的燃气发动机1的下游。在通过废气涡轮机2之后，废气被引导通过重整器5,在此将热 量分别消散到重整器5或第一反应器5. 1或第二反应器5. 2。废气通过两个独立的废气流 并行地流经重整器5,所述废气流通过废气阀16分别进行连结和控制，并且与各自反应器 5. 1、5. 2相关联。用于废气的阀门16后面接着分别是换热器或者过热器17,以及下面描述 的用于水回路19的下游蒸发器18。废气换热器20设置在废气被带离废气系统（此处未示 出的）之前的下游。
[0038] 具有水端口 19. 1的水回路或水管道19设置用于为重整器5提供用于制备氢的 水。首先，在其中携带的水通过连接到燃料导管12的水换热器12. 1预热，该热量采自压缩 的废气空气混合物。然后水在上述的蒸发器18中加热，并且水蒸气在通过用于水（即蒸 汽）的相应的阀门21返回到重整器5的二个反应器5. 1，5. 2之一之前，相应地在下游的过 热器17中过热。-重整期间制备的氢借助氢管道4和冷凝器4.1供给到混合器11。在氢 产生期间产生的氧通过废料门5. 3被传送到环境中。
[0039] 为了达到相应反应器5. 1，5. 2或者重整器5分别要求的温度，相应反应器5. 1，5. 2 还应包括加热装置7. 1，7. 2,