[发明专利]用于使燃料在压燃式发动机中进行基本无NOx燃烧的发动机系统和方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种在废气中含较少NO_x排放物的发动机系统和一种用于减少废气中NO_x含量的方法。本发明还涉及用于基本无NO_x燃烧的的发动机系统和方法的使用。

背景技术

冷焰是迄今尚未被非常关注的一种现象。在冷焰中，燃料在预热空气中被部分氧化且温度保持恒定在约450℃，其与空气/燃料比和停留时间无关。在冷焰过程中，仅有2-20％的燃料发热值被释放，且这些热量用于使燃料汽化，从而提供均匀的气态燃料。在研发工作中，已经观察到气体能够将碳沉积物从反应器壁去除。这个的原因尚未确定，不过，人们认为这是由于冷焰气体(即，被部分氧化的气态燃料)中存在的自由基所致。

对冷焰气体现象的更完全描述可以在美国专利US 6,793,693中查到。

从靠过量空气运行的压燃式发动机(通常被不严格地称为柴油发动机)中排出的废气主要包含颗粒物、NO_x和不完全燃烧产物(HC和CO)。

如果废气略微呈还原性(如在奥托发动机中那样)，则仅可通过催化方式去除NO_x。在压燃式发动机中，情况通常并非如此。

减少柴油发动机中NO_x排放物的已知方式是，使一些废气再循环回到发动机中(EGR)。虽然这对于靠清洁柴油燃料运行的较小柴油发动机有效果，但对于靠重燃油运行的较大发动机却是不实用的，这是因为其将在废气中产生颗粒物，这些颗粒物将与润滑油混合并导致发动机过早磨损。在EGR回路中插入过滤器的尝试并未成功，这是因为废气还包含盐和其它金属化合物，这些盐和其它金属化合物将在过滤器再生过程中熔化(当温度升高到800℃以上时)并导致过滤器的永久损坏。

虽然上述方法减少了NO_x的形成，不过也可通过插入NO_x吸收剂来去除NO_x，如在多篇专利文献中所述，例如在US 5,974,791中所述。NO_x吸收剂可由碳酸钡制成。在吸收过程中，吸收剂被转化为硝酸钡并同时释放CO₂。当吸收剂饱和时，可利用CO再生该吸收剂，其中硝酸钡被转化回碳酸钡并释放N₂气体。

还已知的是，可利用双燃料构想来减少NO_x，其中，天然气被喷射到入口空气流中，该气体/空气混合物又被喷以柴油引燃火焰。这种工作的示例由Wartsila在大型船舶发动机上实现，以及由Caterpillar/Clean AirPartners在卡车柴油发动机上实现。Wartsila证实，NO_x从12.5g/kWh减小至1.3kWh(见图1)。NO_x水平随空气/燃料比增大而减小，上限约为2，受断火的限制。类似结果已经由其他人实现。虽然这很适合于易于获得天然气的固定应用，但由于与天然气储存(通常作为LNG)相关的成本而对于船舶不实用。通过使用冷焰技术，能够对可易于在船舶上储存的单一燃料实现相同的NO_x减少。

在文献“Homogeneous diesel combustion with external mixtureformation by a cool flame vaporizer”(由Heike Puschmann等人著，copyright SAE 2006)中介绍了一种研究，其中柴油燃料在冷焰汽化器中被汽化以形成在柴油发动机中燃烧的冷焰气体。该研究的结论是，当与基于直接燃料喷射的两种低温柴油燃烧策略(即：预混合充量压燃(PCCI)和后期低温燃烧(LLTC))相比时，以冷焰气体与空气的混合物运转柴油发动机会使得烟和NO_x的形成显著减少。

在此文献中，其目的是，形成将在压缩时自燃的空气/燃料混合物。虽然可找到可能实现这个的运行点(速度和负载)，但难以在变化的速度和负载下控制和运行这样的发动机。在本发明中，选择空气/燃料比从而使得该混合物由于过稀而不会在压缩时自燃，其原理和天然气双燃料发动机(见图1)中的相同。像针对双燃料发动机那样，通过将少量液态燃料喷射到发动机中，被喷入的燃料充当引燃火焰起并将点燃预混合的压缩冷焰气体混合物。在这样的条件下运行发动机将使得NO_x排放物减少，这类似于天然气双燃料发动机所能实现的结果。