以具有可变组成的乳液燃料运行柴油机的方法和设备的制造方法
【专利说明】以具有可变组成的乳液燃料运行柴油机的方法和设备
[0001]本发明涉及一种用于以柴油包水燃料乳液(Wasser-Dieselkraftstoff-Emuls1η)运行内燃机的方法。本发明还涉及一种产生用于柴油机的柴油包水燃料乳液的设备，以及涉及一种装配有该设备的柴油机。
[0002]本发明的背景
[0003]柴油机燃烧的特点是在非常高的压力下通过注入器喷嘴将自燃燃料注入到设置在活塞中的燃烧室内。通过压缩加热至高温的燃烧空气中的燃料在雾化和汽化之后，发生已汽化的燃料组分与燃烧空气的混合。一方面通过借助于6至8孔的注入器喷嘴分布燃料，另一方面通过使入口通道中产生的空气打旋来实现增碳作用。然后通过裂解相对较长的燃料分子和形成活性基而发生对燃料空气混合物的化学处理。如果活性基的浓度足够高，则燃料空气混合物的自燃以链式反应的形式开始。物理和化学增碳作用过程所需的时间被称为滞燃期(点火延迟)。由于燃料直接注入导致可用于增碳作用的时间很短，其余的燃烧发生在具有局部不均匀燃料分布的燃料空气混合物中。这种“不均匀的”燃料空气混合物的点火阶段的特点是在混合物的已点火区中出现“点火核心”。随着燃烧的继续，燃料液滴首先反应，所述燃料液滴在燃料注入开始就已到达压缩的热燃烧空气且因此对于其可获得相对较长的时间用于混合物处理。由于产生的相对较快的燃烧反应，该燃烧阶段(也称为“预混合”混合物的燃烧)的特点是较高的燃烧温度和由此形成较多的热的氮氧化物以及形成较少的烟尘。然而，在该第一燃烧阶段期间，仅仅燃烧燃料空气混合物的由滞燃期的长度所确定的某一部分。当通过急剧升高的气体温度和密集的负荷运动使燃烧过程继续时，在燃烧开始时还未点火的且依赖于所需发动机负荷的剩余量的混合物被首先处理，然后在缺少空气时以相对较低的燃烧率部分燃烧。该燃烧阶段(也称为“扩散受控的”燃烧)特点是由于局部空气缺乏而出现最初的烟尘形成，和随后的烟尘的不完全后氧化以及同时氮氧化物的形成降低。
[0004]燃烧过程的各阶段和相应的污染物形成机制得到氮氧化物和烟尘排放之间的关系，即柴油机燃烧的特征，也称为NOx颗粒交换(trade-off)。这种NOx颗粒相互关系指的是，如果为了低NOx排放而调整发动机运行参数(例如注入定时)，烟尘/颗粒排放同时上升是不可避免的。
[0005]为了遵守法律上规定的柴油机的污染物排放，在发动机内部和外部都以废气处理过程的形式采取措施。在发动机内采取的改善燃料空气混合物形成的最重要措施在于，使用能够实现大于200MPa的注入压力的高压注入系统。按这种方法实现的注入喷射成较小燃料液滴的分解的改善引起燃料与燃烧空气混合的改善，并由此导致较少的富混合区，以及相应地导致大幅度降低烟尘和颗粒排放。由于燃烧温度较高，按这种方法加强的增碳作用造成NOx排放较高，这将借助于增强的负荷压力和优化的注入量曲线通过增加过量空气来避免。另一个措施是废气再循环(EGR)，其还越来越多地用在重型商用车辆发动机中。然而，废气返回率以及从而还有通过降低燃烧空气中的氧气含量而可能降低的NOx再一次受至IJ增多的烟尘和颗粒排放的限制。
[0006]由于所述的在发动机内采取的降低污染物的措施不足以使排放低于废气限值，以尿素作为还原剂的且与柴油机分离的DeNOX催化转换器系统和已知用在客运车辆中的颗粒过滤器系统正在用于必须满足欧5和欧6污染物种类要求的新批准的商用车辆发动机中。为了实现排放目标，柴油机的原始排放行为必须与所用的废气处理系统适应。例如，在典型的欧5柴油机中，通过注入压力为160至180MPa的灵活可调的共轨(Common-Rail，CR)注入系统将颗粒排放降低至对应的限值，而通常通过使用基于尿素的DeNOx系统来大幅度地降低氮氧化物排放。有时，也通过废气再循环和下游的DeNOx系统的组合来降低NOx排放。使用哪些经济上可行的方法组合主要取决于柴油机的原始排放。在欧6排放水平的柴油机中，为了进一步降低颗粒排放，需要使用其它的注入压力为200MPa以上的优化的注入系统，以及更有效的EGR-DeNOx系统组合。具体而言，使用具有大体上较高EGR速率的EGR系统和使用具有高达90%的NOx转换率的DeNOx系统是必需的。如果通过所述的EGR和DENOx系统的使用不能符合NOx排放限值，则另外使用相应适应调整EGR和DeNOx系统的颗粒过滤器系统是不可避免的。
[0007]因此必须注意到，适用于重型商用车辆发动机的欧5特别是欧6排放水平仅在相当大的额外的技术和经济花费的情况下才能够实现。由于催化转换器有关的增强的废气背压和可能需要的燃烧过程的适应性，对于用于降低NOx和颗粒排放的所有方法组合，可以预期燃料燃烧性能的退化。然而，原则上本文寻求的是来自发动机的NOx颗粒排放尽可能地低，因为其减少了废气处理部分所需的工作量。
[0008]除了在发动机内部采取的措施和使用废气处理系统之外，原则上，成分改良的燃料也表现出用于降低柴油机内有害排放的有吸引力的可能性。长期以来存在向柴油燃料中加入水和其它成分(如酒精)的特殊兴趣，因为按这种方法可以有利地影响氮氧化物-烟尘交换，参见 Bach, F., Luft, M., Bartosch, S., Spicher, U.:Einfluss von Diesel-Ethanol-ffasser-Emuls1nskraftstoffen auf die Dieselmotor-Emiss1nen (柴油-乙酉享-7K乳液燃料对柴油机排放的影响)MTZ 05/2011，pp.408-414。
[0009]当使用柴油包水燃料乳液时，将准备使用的水-柴油乳液代替纯柴油燃料注入到燃烧室中，而现有注入系统中使用车辆上产生的乳化添加剂或乳液。在车辆中产生乳液具有的优点在于:考虑到关于污染物最大降低的燃烧技术限制，可以相对自由地选择混合燃料中的水含量(Was-seranteil)。
[0010]原则上，除了使用柴油包水燃料乳液之外，还可以利用水的有利特征，以通过将水注入进入空气和将水直接注入燃烧室来降低燃烧温度。由于水蒸发的高热焓，当通过进水管加入水时，特别是当直接注入水时，在气缸内实现对进入空气或燃烧空气的大幅度冷却，并因此还实现了氮氧化物排放降低高达50%。然而，与乳液燃料相比，由于燃烧室中柴油燃料与水的混合相对较少且导致燃烧室中柴油燃料的均匀性较差，所以烟尘排放的降低最终较少；参见DE 10 2009 048 223 Al。因此，除了在系列发动机中较容易使用之外，乳液燃料还提供降低柴油机的废气中的关键有害组分的较大潜力。
[0011]水-柴油乳液可以被认为是混合物中至少两种液体是不溶的分散多相系统，其中水被认为是内部分散相。相应地，柴油燃料表现为外相，即分散剂。水-柴油乳液在热力学上不稳定，并在相对短的静置时间后分离。通过使用乳化添加剂，即所谓的乳化剂，原则上可将水-柴油乳液转化为热力学上稳定的形式。对乳液作为柴油机燃料的适用性而言很重要的一个标准是水滴尽可能细地分散在柴油燃料中。在使用乳化剂的车辆中产生的乳液，或如果没有使用乳化剂，则使用适合的混合设备产生的乳液，适于移动使用。车辆外部产生的乳液，如加油站可得到的那些乳液，例如，具有不适合发动机运行要求的恒定组成，并因此在排放和消耗降低方面没有完全发挥潜力。
[0012]水-柴油乳液的效果一方面在于水蒸发期间发生的温度下降，另一方面在于以水蒸气的形式增加惰性气体含量而引起的燃烧温度下降。两者都引起物理滞燃期的延长，这导致燃烧室中燃料的分布更均一(均匀)，并因此导致较大比例的“预混合”燃烧。所得到的混合物强化均匀结合细微分散在乳液中的水滴引起混合物的高富燃料区的减少，这是燃烧过程中出现烟尘的基本原因。氮氧化物排放的降低可以归因于由燃烧区中水蒸发的高热焓以及与水有关的较低局部特定热释放所导致的火焰温度的明显下降；参见Pittermann，R.，Hinz, Μ.，Kauert, L: Einfluss von Abgasrilckfilhrung und Kraftstoff-ffasser-Emuls1nauf Verbrennungsablauf und Schadstoffbildung im Dieselmotor(废气再循环和燃料-水乳液对柴油机中的燃烧过程和污染物形成的影响)。MTZ 60 (1999) 12，pp.812-818)。频繁使用的用于降低NOx排放的废气再循环(EGR)按照增加的惰性气体含量也引起较低的火焰温度。然而，较高的EGR速率下会发生增加的烟尘排放，这在结合水-柴油乳液燃料时可以避免。因此水-柴油乳液燃料的使用增加了 EGR容限，并因此增加了降低NOx和烟尘的潜力。
[0013]乳液燃料的最佳使用的另一个要求是需要使乳液中的水含量适应不同的发动机运行状态，并甚至在延长的非运行后适应发动机停机和启动。
[0014]在柴油机的启动阶段，仅在纯柴油燃料运行中才可以实现发动机的可靠快速启动和快速加热，因为在几个冲程循环之后已实现了稳定的燃烧。当在启动阶段也使用水-柴油