专利名称：用含醇燃料运行压缩点火发动机的方法和系统的制作方法
用含醇燃料运行压缩点火发动机的方法和系统
本发明涉及运行压缩点火发动机(compression ignition engines)的方法,特 别涉及用车上(on board)制备的含醚燃料运行这些发动机。
本发明还提供可用于实施本发明的方法的系统。
压缩点火发动机的最典型实例是用高辛烷值柴油燃料运行的柴油机。为了降低由 柴油燃料的燃烧引起的环境污染，过去已作出一些尝试以将柴油燃料换成具有降低的环境 影响的替代燃料。
醚，特别是通过低级醇的脱水制成的醚，如二甲醚和二乙醚已表明是环境影响方 面优异的柴油燃料。
在许多公开文献，例如美国专利Nos. 4，892，561,5, 906, 664和7，449，034中描述 了低级醚作为柴油燃料的用途。
尽管其有清洁燃烧特性和在柴油机中的高效率，醚基燃料的主要缺点是在车上难 以储存和操作。在环境条件下，二甲醚是气体形式。为了将二甲醚燃料转化成其更方便的 液体形式，该燃料必须在压力下储存和操作。
从文献中获知乙醇在用于压缩点火发动机时是较差燃料。但是，据报道，乙醇/ 二 乙醚(DEE)混合物克服这一限制并开启高效和极清洁的柴油机运行的途径。但是，有要解 决的实际问题。DEE目前在任何销售网络中都不可得并具有相对严格的安全限制，包括使用 加压燃料罐。总之主张使用在车上转化的乙醇或含乙醇的燃料。
传统上，在中等压力(20巴)下通过用合适催化剂的乙醇脱水进行DEE的生产。在 车上包括这种系统意味着在喷入发动机之前蒸发含乙醇的燃料，进行转化，冷凝产物并进 一步压缩该混合物(直至600-2000巴)。该非稳态运行还增加现有设备的复杂性并造成额 外制造成本和额外车辆重量。
现代柴油机带有共轨燃料系统。该系统照惯例由高压泵和高压泵和在大约80巴 和通常更高的高压下储存燃料的燃料积蓄室(fuel accumulation chamber)构成。该积蓄 室向多个燃料喷射器供应高压燃料。从室中取出多余燃料，减压并再循环至燃料罐。
本发明集中于能在车上生产、储存和喷射含醇/醚/水的燃料混合物的小型催化 活性共轨系统。其也是灵活的并可用于其它燃料，例如不含醇的柴油燃料，其中催化预转化 是不合适的。
因此，本发明的一般特征是将醇脱水催化剂集成到发动机共轨的积蓄室中并在高 压下运行。
在其最广义实施方案中，本发明是用通过含醇初级燃料的车上转化获得的含醚燃 料运行压缩点火发动机的方法，包含以下连续步骤(a)从燃料罐中取出所述含醇初级燃料并将所述初级燃料在其液体形式下加压至最 终发动机喷射压力；(b)将该加压的初级燃料引入燃料积蓄室；(c)将该加压的初级燃料分配到连接该积蓄室与该发动机的燃料喷射器的管道中；(d)在该燃料喷射器之前通过与布置在该积蓄室内的醇脱水催化剂接触来将至少一部分加压的初级燃料转化成含醚燃料；(e)将所述含醚燃料喷入发动机；(f)任选使一部分含醇初级燃料从该积蓄室再循环至该燃料罐。
本发明还提供用于用含醚燃料运行压缩点火发动机的系统，其包含压缩点火发动机；适于储存初级含醇燃料的燃料罐；用于将该初级燃料加压的高压泵；适于接收该加压的初级燃料的燃料积蓄室；用于将该积蓄室连接至用于将燃料喷入发动机的燃料喷射器的连接管；和布置在该燃料积蓄室内的醇脱水催化剂。
本发明的系统可进一步包含连接至该积蓄室出口端和燃料罐入口端的燃料再循环管和在积蓄室出口端与燃料罐入口端之间的压力控制阀。
醇脱水催化剂优选以固定床方式布置在位于燃料积蓄室内的反应器中，以使加压的初级燃料从积蓄室入口经过催化剂床并在转化后，将含醚燃料喷入发动机中。
该反应器优选是径向流反应器，其中含醇初级燃料从反应器中心径向经过催化剂床并送往反应器与积蓄室内壁之间的环形空间(circular space)。
在这种实施方案中，醇脱水催化剂可以负载在面向反应器中心的催化惰性的多孔层上。
该多孔层优选选自陶瓷和金属材料，通常陶瓷或金属泡沫。
本发明的方法和系统的主要优点在于所有形成的醚燃料立刻用于发动机中的燃烧并避免储存多余含醚燃料。
利用本发明，初级燃料的转化在液相中进行，因此不需要初级燃料的蒸发和含醚燃料的冷凝。
该共轨的积蓄室确保转化的燃料混合物的缓冲，从而实现高速和准恒定质量流量的喷射。
通过醇根据下列反应催化脱水成其相应的醚实现含醚燃料的形成
醇至醚的脱水通常由液体或固体酸，如硫酸、氧化铝、二氧化硅氧化铝、沸石、磺酸、氧化错-鹤酸盐和氧化招磷酸盐催化。
醇脱水是平衡反应。因此平衡限制阻止醇100%转化成醚和水。
在例如由95 w%乙醇和5 %水构成的初级乙醇燃料的反应温度下，在150至350°C 脱水温度下液相中的平衡组成通常为9-21 w%乙醇、19-22 w% H2O和59-71 %二乙醚。
用于压缩点火发动机的具有有用的点火和燃烧特征的醚燃料是例如二乙醚/乙醇/水混合物和二甲醚/甲醇/ 水混合物，具有最多20%的甲醇含量和最多20%的水含量。
在美国专利No. 7，449，034中，含有二甲醚、甲醇和最多48%水的柴油燃料已表明是压缩点火发动机中的有效燃料。
除甲醇和乙醇外，更高级醇的混合物也是用于本发明的合适的初级燃料。
优选的醇混合物是甲醇和乙醇的混合物。
另一些合适的含醇初级燃料是烃与一种或多种醇，如生物柴油和醇，如水黄皮油 和乙醇(60-40体积％)的混合物，其催化转化成含有 15-20体积％ DEE的生物柴油/DEE/ 水的混合物。
用于本发明的另一些合适的初级燃料是汽油和醇的混合物，例如在瑞典的加油站 可得的含有85%乙醇的汽油。
在醚柴油燃料组合物的上述范围内，通常将本发明的方法的运行条件调节至 120° C至350° C的喷射温度和80至2400巴的喷射压力。由此，醇在脱水催化剂存在下在适 当反应速率下在液相中以绝热方式转化成醚、水和醇的混合物。
为了将含醇初级燃料的温度升至脱水反应温度，优选从环境温度加热燃料。这优 选通过使加压的燃料在引入积蓄室内的催化剂之前经过与来自发动机的热废气间接热交 换的热交换器来进行。
在发动机启动过程中，废气所处的温度不足以供应加热含醇初级燃料所必须的温 度。在这些条件下，优选在上述运行方法中包括例如借助安装在积蓄室内的电加热器或发 动机加热器另外加热加压燃料的进一步步骤。
脱水催化剂通常以固定床形式布置在积蓄室内。
催化剂可填满整个积蓄室或如附
图1中所示布置成允许反向液流以控制在床中 的停留时间，因此控制转化率。共轨体积允许在喷射前储存产物。
如上提到，该催化剂优选如附图2中所示布置在居中位于积蓄室内的径向流反应 器中。
在使用径向流反应器时，将初级燃料在反应器入口处引入积蓄室中。在反应器运 行过程中，限制或封闭积蓄室出口并迫使初级燃料流主要从反应器中心径向经过催化剂通往积蓄室内壁。
通常，在催化剂床与积蓄室内壁之间布置同心空间以改进所形成的含醚燃料在经 过催化剂床时分配至燃料喷射器和储存。
催化剂中的径向流确保低压降和长停留时间。
在催化剂负载在惰性多孔材料层或床上时,防止初级燃料接触该催化剂。当不希 望初级燃料转化或仅必须转化一部分初级燃料时，这是有利地。使初级燃料的未转化部分 再循环至燃料罐。
优选的惰性材料具有导电性，并可在连到电源上时同时充当用于在经过催化剂之 前(例如在发动机启动过程中)加热初级燃料的电加热器。
经过催化剂的含醇初级燃料的量在具有径向流反应器的实施方案中由将积蓄室 与燃料罐或高压泵连接的出口管路中的压力控制阀控制。
为了在含醇燃料不可得且发动机必须用例如常规柴油燃料运行时使用该系统，为 该径向反应器提供包围至少反应器出口并将反应器出口与积蓄室出口连接的可活动防渗 板(moveable impermeable sheet)。在控制阀的关闭位置,初级燃料,例如柴油可以沿催化 惰性材料通过该反应器，并在使防渗可活动板到达允许燃料从反应器出口流入在反应器外 壁与积蓄内壁之间的空间的位置时轴向通过该反应器。
在下列说明书中参照附图更详细解释本发明的上述特征和方面，其中图1示意性显示根据本发明的一个实施方案的带有布置在轴向流催化剂床中的醇脱 水催化剂的共轨燃料喷射单元的系统的横截面；图2是根据本发明的另一实施方案带有在共轨的积蓄室内的径向流催化剂床的系统 的示意性剖视图；和图3显示用常规柴油燃料运行时的图2的系统。
参照图1，用在本发明的一个具体实施方案中的带有共轨燃料喷射系统的压缩点 火发动机包含连接至高压泵(未显示)的乙醇初级燃料罐(未显示)。含乙醇的燃料通过泵加 压至最终喷射压力并送往共轨系统的积蓄室。该积蓄室带有在居中位于积蓄室内并与该室 的内壁隔开的反应器内的催化床。
在正常发动机负荷周期中，将任选预热的加压的含醇初级燃料连续送往积蓄室并 分配到容纳醇脱水催化剂床并同心布置在积蓄室内的反应器中。
通过与脱水催化剂接触，将含醇初级燃料转化成上述醚、醇和水燃料混合物。
将由此形成的含醚燃料从积蓄室内壁与反应器之间的空间引入发动机的燃料喷 射器中。
图2显示在积蓄室内提供径向流反应器的本发明的一个实施方案。
该反应器同心布置在积蓄室的壁内。
含醇初级燃料通过高压泵(未显示)加压并送入反应器的中心部分中。在反应器的 出口部分，反应器壳体带有防渗可活动板，其用于使未转化的初级燃料传送至积蓄室出口 和传送至使未转化的初级燃料再循环至燃料罐(未显示)或高压泵的再循环管。该再循环管 带有压力控制阀。
如该图中所示，迫使例如引入反应器中的含乙醇的初级燃料混合物径向经过该反 应器并最初经过围绕该反应器中心部分的惰性层或床。已经过该惰性层或床的初级燃料径 向经过负载在该惰性层上的催化床或层至反应器与积蓄室内部之间的环形空间。通过通往 含醇脱水催化剂的催化床，将初级燃料转化成含醚燃料，例如乙醇、DEE和水的混合物。该 含醚燃料随后从该环形空间送往发动机的燃料喷射器(未显示).在此实施方案中通过控制阀和催化剂床体积的调节控制转化的初级燃料的量。在关闭 阀位置，全部量的初级燃料通过径向经过催化剂转化。在打开阀位置，全部量的初级燃料以 轴向流向经过反应器至积蓄室出口并再循环至燃料罐或高压泵。
惰性层用于防止经过反应器中心部分流向积蓄室出口的那部分初级燃料的接触 和转化。
径向流反应器的出口部分在本发明的所示实施方案中带有将反应器出口与积蓄 室出口连接的防渗圆柱形板。
在例如将常规的不含醇的柴油燃料(其决不能转化并直接用作发动机中的燃料) 引入上述系统的情况中，从积蓄室出口撤回防渗环形板并随后允许燃料从反应器出口经由 如图3中所示的积蓄室中的环形空间通至燃料喷射器。
上述说明书和附图完全是示意性的并且不按比例绘制，在附图中没有显示本领域 技术人员显而易见的在共轨喷射系统中常规的部件和装置。
权利要求
1.用通过含醇初级燃料的车上转化获得的含醚燃料运行压缩点火发动机的方法，该方法包含连续步骤 (a)从燃料罐中取出所述含醇初级燃料并将所述初级燃料在其液体形式下加压至最终发动机喷射压力； (b)将该加压的初级燃料引入燃料积蓄室； (c)将该加压的初级燃料分配到连接该积蓄室与该发动机燃料的喷射器的管道中； (d)在该燃料喷射器之前通过与布置在该积蓄室内的醇脱水催化剂接触来将至少一部分该加压的初级燃料转化成含醚燃料； (e)将所述含醚燃料喷入发动机； (f)任选使一部分该含醇初级燃料从该积蓄室再循环至该燃料罐。
2.权利要求1的方法，其中所述脱水催化剂以固定床方式布置在该燃料积蓄室内，并使所述加压的初级燃料从该积蓄室入口经过该催化剂床并在转化成所述含醚燃料后喷入发动机中。
3.权利要求1的方法，其中所述加压的初级燃料从反应器中心径向经过径向流反应器和该醇脱水催化剂，送往该反应器与该积蓄室内壁之间的环形空间。
4.权利要求3的方法，其中醇脱水催化剂负载在面向该径向流反应器中心的催化多孔惰性层上。
5.权利要求4的方法，其中所述惰性层由选自陶瓷和金属材料的多孔材料构成。
6.根据权利要求1至5任一项的方法，包括通过与来自发动机的热废气的间接热交换预热该含醇初级燃料的进一步步骤。
7.根据权利要求1至6任一项的方法，包括在积蓄室内加热所述加压燃料的进一步步骤。
8.根据权利要求1至7任一项的方法，其中所述含醇初级燃料含有不同醇的混合物。
9.根据权利要求1至7任一项的方法，其中所述含醇初级燃料含有甲醇和/或乙醇。
10.根据权利要求1至7任一项的方法，其中所述含醇初级燃料含有烃和一种或多种醇的混合物。
11.用于用含醚燃料运行压缩点火发动机的系统，其包含 压缩点火发动机； 适于储存初级含醇燃料的燃料罐； 用于将该初级燃料加压的高压泵； 适于接收该加压的初级燃料的燃料积蓄室； 连接管，其用于将该积蓄室连接至将燃料喷入该压缩机的燃料喷射器；和 布置在该燃料积蓄室内的醇脱水催化剂。
12.权利要求11的系统，进一步包含连接至该积蓄室出口端和该燃料罐入口端的燃料再循环管和在该积蓄室出口端与该燃料罐入口端之间的压力控制阀。
13.权利要求11或12的系统，其中所述醇脱水催化剂以固定床方式布置在反应器中。
14.根据权利要求11至13任一项的系统，其中所述反应器是径向流反应器。
15.根据权利要求14的系统，其中惰性材料层面向反应器中心布置在该径向流反应器内且所述催化剂负载在所述层上。
16.根据权利要求14或15的系统，其中防渗可活动板包围反应器出口并连接该反应器出口与该积蓄室出口。
全文摘要
用通过含醇初级燃料的车上转化获得的含醚燃料运行压缩点火发动机的方法和用在该方法中的系统。
文档编号F02M27/02GK103026029SQ201180017925
公开日2013年4月3日 申请日期2011年3月2日 优先权日2010年3月31日
发明者C.杜维希, P.L.T.加布里尔森, T.V.W.詹森斯, J.诺尔斯克 申请人:赫多特普索化工设备公司