替代燃料內(nèi)燃機(jī)的自點火操作的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明披露了一種利用低十六烷燃料(諸如熱解油等的替代燃料)操作自點火內(nèi)燃機(jī)(ICE)的方法以及一種內(nèi)燃機(jī)。為達(dá)到自點火條件，可將內(nèi)燃機(jī)設(shè)置為具有至少17:1、例如為18:1的壓縮比(步驟100)。此外，可使用具有在340K至360K范圍內(nèi)的最低溫度的充氣加載內(nèi)燃機(jī)的燃燒室(步驟200)，并且在上止點之前以內(nèi)燃機(jī)活塞的在20度至10度范圍內(nèi)、例如在17.5度至11度之間的噴射角將低十六烷燃料噴射進(jìn)充氣(步驟300)，從而形成低十六烷燃料-充氣混合物。在燃燒循環(huán)過程中進(jìn)一步壓縮低十六烷燃料-充氣混合物可導(dǎo)致至少為1000K的壓縮終點溫度，從而允許低十六烷燃料的自點火。
【專利說明】替代燃料內(nèi)燃機(jī)的自點火操作

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明整體涉及使用替代燃料的內(nèi)燃機(jī)(ICE)，并且更具體地涉及這些內(nèi)燃機(jī)的自點火操作。

【背景技術(shù)】
[0002]替代燃料代替基于原油的燃料是一直受到關(guān)注的主題，特別是關(guān)于對諸如柴油燃料、輕燃料油(LFO)、以及重燃油(HFO)等基于原油的燃料的替換。替代燃料包括第一代生物燃料(例如棕櫚油、油菜籽油、芥花油、動物脂肪油等)和第二代生物燃料(例如由非糧食作物、即生物質(zhì)廢料制成的油)。
[0003]第二代生物燃料的實例包括對例如木制品或諸如麥秸或玉米桿、草、木材、木屑、葡萄藤和甘蔗等農(nóng)業(yè)廢料的熱解而獲取的“熱解油”。一般而言，熱解油主要通過“快速熱解”技術(shù)生產(chǎn)，其包括生物質(zhì)在流態(tài)化的起泡沙床反應(yīng)器中的快速熱解，其中，固態(tài)載熱介質(zhì)循環(huán)，并因此較好地控制固體停留時間并獲得高的加熱速率(高達(dá)1000°C /秒)。
[0004]諸如熱解油等替代燃料的化學(xué)成分和物理特性與例如柴油、LFOjP HFO等基于原油的燃料有明顯的不同，尤其是關(guān)于高含量的水和氧，導(dǎo)致相當(dāng)?shù)偷臒嶂岛徒档偷狞c火特性。通常，替代燃料可具有低的十六烷值。例如，熱解油可具有在4至15范圍內(nèi)的十六烷值，其主要影響自點火特性。與其相比，基于原油的燃料可具有高的十六烷值，例如柴油:48-58，LFO:40-52,以及 HFO:28-41。
[0005]總之，替代燃料的使用需要內(nèi)燃機(jī)(特別是以中速操作的大型內(nèi)燃機(jī))適應(yīng)于替代燃料的這些特定特征。
[0006]由于燃料的低動力性，替代燃料在內(nèi)燃機(jī)中的使用尤其影響操作的類型。對于基于熱解油的燃料，低動力性可能部分地與高水含量、十六烷值和熱解油內(nèi)側(cè)的長分子鏈直接相關(guān)。
[0007]已提出點燃熱解油的各種方法。例如，GB 2349175A披露了使用富氧空氣的熱解油操作的發(fā)動機(jī)。此外，參見例如Eur Ing J H Blowes于2003年9月的ETSU B/T1/00761/00/REP, URN 02/1437 的“EVALUAT1N OF COMPLEMENTARY TECHNOLOGIES TOREDUCE B1 ENGINE EMISS1NS，，、以及 D.Chiaramonti 等人在 2005Elsevier，Renewableand Sustainable Energy Reviews的“POWER GENERAT1N USING FAST PYROLYSIS LIQUIDSFROM B1MASS”，對點火噴射的使用進(jìn)行了測試。
[0008]對于柴油發(fā)動機(jī)，例如在EP 1273795B1和EP 2136054A1中披露了在變化的時刻噴射燃料的系統(tǒng)。這些系統(tǒng)基于凸輪軸作為調(diào)節(jié)在早開始時刻和晚開始時刻之間燃油輸送開始的裝置。
[0009]本發(fā)明至少部分地涉及改進(jìn)或克服相關(guān)現(xiàn)有技術(shù)的一個或多個方面，并且特別是提供使用替代燃料的噴嘴系統(tǒng)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]根據(jù)本發(fā)明的一方面，一種使用低十六烷燃料操作自點火內(nèi)燃機(jī)的方法可包括:提供內(nèi)燃機(jī)，其具有至少為17:1、例如在17:1至22:1的范圍內(nèi)、諸如18:1、19:1、20:1、21:1和22:1的壓縮比；使用具有在340K至360K范圍內(nèi)的最低溫度的充氣加載所述內(nèi)燃機(jī)的燃燒室；在上止點之前，以所述內(nèi)燃機(jī)活塞在20度至10度范圍內(nèi)的噴射角將所述低十六烷燃料噴射進(jìn)所述充氣，從而形成低十六烷燃料-充氣混合物；以及進(jìn)一步壓縮所述低十六烷燃料-充氣混合物，以實現(xiàn)至少1000K的壓縮終點溫度(例如在1000K至1300K的范圍內(nèi)，例如1200K)，從而允許所述低十六烷燃料的自點火。
[0011]在另一方面中，一種切換至使用低十六烷燃料操作自點火內(nèi)燃機(jī)的方法可包括:使用基于原油的燃料和用于冷卻和噴射正時的各設(shè)定操作所述內(nèi)燃機(jī)；使用切換燃料和用于冷卻和噴射正時的各設(shè)定切換并操作所述內(nèi)燃機(jī)，直到所述內(nèi)燃機(jī)清除基于原油的燃料殘留；并且然后根據(jù)上述的方法使用低十六烷燃料切換和操作所述內(nèi)燃機(jī)。
[0012]在又一方面中，一種用于使用低十六烷燃料操作的自點火內(nèi)燃機(jī)，所述自點火內(nèi)燃機(jī)可包括:具有活塞的氣缸單元，所述活塞限定燃燒室，在所述活塞的操作循環(huán)過程中，所述燃燒室以至少17:1、例如在17:1至22:1的范圍內(nèi)、諸如18:1、19:1、20:1、21:1和22:1的壓縮比減少尺寸；空氣系統(tǒng)，能夠使用具有至少350K的最低溫度的充氣加載所述燃燒室；以及噴射系統(tǒng)，其能夠在上止點之前，以活塞的在20度至10度的范圍內(nèi)、例如在
17.5度至11度之間、諸如16度的噴射角噴射所述低十六烷燃料，因此在所述燃燒室內(nèi)形成低十六烷燃料-充氣混合物，其中，在所述自點火內(nèi)燃機(jī)的操作期間，對于所述低十六烷燃料-充氣混合物設(shè)置至少1000K的自點火壓縮終點溫度。
[0013]在一些實施方式中，例如，基于撓性凸輪軸技術(shù)或共軌技術(shù)，使用噴射系統(tǒng)的前期位置設(shè)定，噴射角可設(shè)定在20度至10度的范圍內(nèi)，例如在17.5度至11度的范圍內(nèi)，諸如為17度、16度和15度的角度。
[0014]在一些實施方式中，活塞可限定燃燒室，并且方法可進(jìn)一步包括擺動活塞，使得在內(nèi)燃機(jī)的壓縮循環(huán)過程中燃燒室以至少17: 1、例如為18:1的壓縮比減少尺寸。
[0015]結(jié)合下述說明和附圖，本發(fā)明的其他特征和方面將更加明顯。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1示出內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)的示意性框圖；以及
[0017]圖2是示出內(nèi)燃機(jī)自點火操作的流程圖。

【具體實施方式】
[0018]下面是本發(fā)明示例性實施方式的具體說明。本文所描述和附圖示出的示例性實施方式用于教導(dǎo)本發(fā)明的原理，使該領(lǐng)域普通技術(shù)人員能夠在很多不同環(huán)境和很多不同應(yīng)用中實施并使用本發(fā)明。因此，示例性實施方式不用于也不應(yīng)該被認(rèn)為是對專利保護(hù)范圍的限制性說明。而是，專利保護(hù)范圍由所附權(quán)利要求限定。
[0019]本發(fā)明可部分地基于以下認(rèn)識:針對替代燃料(尤其是熱解油)應(yīng)用的自燃空氣可基于高于1000K的燃燒終點溫度，例如在1100K和1300K之間的范圍內(nèi)，諸如1200K?？赏ㄟ^如下方式達(dá)到該燃燒終點溫度:a)相對于常規(guī)柴油發(fā)動機(jī)(具有ε (epsilon)值為16的大型柴油發(fā)動機(jī))增加壓縮比(例如，ε值增加至18) ；b)調(diào)節(jié)充氣系統(tǒng)，以提供升高的充氣溫度；以及C)在上止點之前，例如以20度至10度范圍內(nèi)、諸如17.5度和11度之間的噴射活塞角度，比諸如HFO/柴油等基于原油的燃料更早地噴射熱解油。
[0020]假設(shè)內(nèi)燃機(jī)在這些條件下可操作，則可以允許內(nèi)燃機(jī)使用基于原油的燃料以及諸如熱解油的替代燃料進(jìn)行操作，并且還可以允許在內(nèi)燃機(jī)的連續(xù)操作過程中在基于原油的燃料與替代燃料之間進(jìn)行切換。
[0021]燃料之間的這種切換可基于例如在Caterpillar Motoren GmbG&C0.KG于同天提交的申請“ETHANOL-BASED FUEL AND USE THEREOF”中所披露的切換燃料。此外，例如在Caterpillar Motoren GmbG&C0.KG 于同天提交的申請“OPERATING A POWER PLANT WITHALTERNATIVE FUELS”中詳細(xì)披露了合并有這種內(nèi)燃機(jī)的系統(tǒng)。這些申請的內(nèi)容在此以引用的方式并入本文。
[0022]圖1示出內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)I的示意性框圖。系統(tǒng)I可包括外部燃料系統(tǒng)10、內(nèi)燃機(jī)20、以及控制系統(tǒng)。
[0023]外部燃料系統(tǒng)10可包括用于諸如低十六烷燃料(例如熱解油和基于乙醇的切換燃料)等替代燃料的一個或多個容器12、用于諸如柴油、HF0、和LFO等基于原油的燃料的一個或多個容器14、以及用于添加劑的一個或多個容器16。外部燃料系統(tǒng)10還可包括外部燃料供應(yīng)系統(tǒng)18，用于供應(yīng)在諸如溫度和粘度等各條件下所需類型的燃料。經(jīng)由燃料管線19，外部燃料供應(yīng)系統(tǒng)18可與各容器12、14和16以及內(nèi)燃機(jī)20流體連接。燃料管線19在圖1中以粗線示出。外部燃料供應(yīng)系統(tǒng)18可包括用于燃料(尤其是諸如熱解油等替代燃料)均化的均化器(未示出)，和/或用于調(diào)節(jié)燃料燃燒參數(shù)的一個或多個處理單元(未示出)。
[0024]內(nèi)燃機(jī)20可包括燃燒單元、與外部燃料系統(tǒng)18流體連接的噴射系統(tǒng)22、以及空氣系統(tǒng)。
[0025]內(nèi)燃機(jī)20可構(gòu)造為使用例如熱解油和/或熱解油與添加劑(諸如潤滑油、礦物油、合成油和/或天然油)的混合物進(jìn)行操作。內(nèi)燃機(jī)20還可允許使用諸如柴油和HFO等基于原油的燃料進(jìn)行操作。
[0026]燃燒單元可設(shè)置有一個或多個氣缸單元24，每個氣缸單元24具有由氣缸套(未示出)限定的燃燒室26、氣缸蓋(未示出)、以及由連桿30連接至曲軸32的活塞28。
[0027]燃燒室26的壓縮比可在ε值高于16的范圍內(nèi)，例如在16至20之間的范圍內(nèi)，諸如18。ε值為18意味著在壓縮沖程期間當(dāng)活塞28從下止點(BDC ;活塞28的最低位置)運(yùn)動至上止點(TDC ;活塞28的最高位置)時燃燒室26的體積以系數(shù)18被壓縮。為了在具有例如ε值為16的標(biāo)準(zhǔn)柴油發(fā)動機(jī)中實現(xiàn)該ε值，可使用墊圈來延長連桿30幾毫米。取決于發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)和尺寸，例如對于高速發(fā)動機(jī)和小型發(fā)動機(jī)，連桿30或活塞28可在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行修改，以達(dá)到所需的自點火溫度。
[0028]噴射系統(tǒng)22可構(gòu)造為調(diào)節(jié)諸如噴射壓力、噴射正時、以及噴射次數(shù)和類型(例如預(yù)噴射和后噴射)等噴射參數(shù)。噴射系統(tǒng)22可包括例如用于常規(guī)的泵-管線-噴嘴噴射或共軌噴射系統(tǒng)的噴射噴嘴34和凸輪從動噴射泵系統(tǒng)(未不出)。在共軌噴射系統(tǒng)的情況下，噴射系統(tǒng)22還可允許調(diào)節(jié)軌壓。
[0029]凸輪噴射泵系統(tǒng)可以為如上述的EP 1273795Β1和EP 2136054Α1中披露的撓性凸輪軸構(gòu)造，并可允許調(diào)節(jié)早開始時刻和晚開始時刻之間的燃料噴射的開始。在從20度至10度的范圍內(nèi)，在到達(dá)TDC之前，早開始可以為17.5度，在到達(dá)TDC之前，晚開始可以為11度。
[0030]噴射噴嘴34可以由燃料噴射泵供給加壓的替代燃料，并可構(gòu)造為噴射例如熱解油至燃燒室26內(nèi)。
[0031]空氣系統(tǒng)可包括單級或多級渦輪增壓器系統(tǒng)36、高溫(HT)冷卻系統(tǒng)(例如約340K的最低冷卻劑溫度)、和低溫(LT)冷卻系統(tǒng)(例如約310K的最低冷卻劑溫度)、以及進(jìn)口閥38和出口閥40。
[0032]渦輪增壓器系統(tǒng)36可包括例如一個或兩個壓縮級，其中充氣側(cè)的壓縮機(jī)可由排氣側(cè)的渦輪機(jī)驅(qū)動。
[0033]由于當(dāng)使用諸如熱解油等替代燃料運(yùn)行內(nèi)燃機(jī)時具有較低的排氣體積流量，壓縮機(jī)可能不會像使用基于原油的燃料操作過程中那樣被有力地驅(qū)動。因此，與使用柴油操作過程中相比，在使用熱解油的操作過程中，來自周圍環(huán)境的充氣可較少地被壓縮，并相應(yīng)地由渦輪增壓器系統(tǒng)36較少地加熱。
[0034]HT冷卻系統(tǒng)和LT冷卻系統(tǒng)可在渦輪增壓器系統(tǒng)36的壓縮級之前和/或之后設(shè)置冷卻器。例如，作為沿流動方向的序列，空氣系統(tǒng)可包括位于最后壓縮級與前進(jìn)口閥38之間的HT冷卻系統(tǒng)的HT冷卻器42和LT冷卻系統(tǒng)的LT冷卻器44。例如在CaterpillarMotoren GmbG&C0.KG的歐洲專利申請EP 11182936中披露了可選的冷卻系統(tǒng)。
[0035]為了向燃燒室26提供具有升高溫度的充氣，可減少對壓縮的充氣的冷卻。例如，可僅操作HT冷氣器42或LT冷氣器44。例如，與針對使用兩個冷卻器的常規(guī)柴油操作的約333K的充氣溫度相比，僅操作HT冷卻器42可導(dǎo)致在充氣之前用于壓縮的充氣的約353K的溫度。
[0036]燃燒單元22及由此具有噴射噴嘴34的噴射系統(tǒng)22以及內(nèi)燃機(jī)20的燃燒室26的數(shù)量不被具體限制。例如，靜止或可移動的動力系統(tǒng)可包括用于串聯(lián)結(jié)構(gòu)的6個、7個、8個或9個燃燒單元22，同時內(nèi)燃機(jī)的V型結(jié)構(gòu)可包括例如12個、16個、18個或20個燃燒單元22。
[0037]發(fā)動機(jī)系統(tǒng)I的操作可由控制系統(tǒng)控制。具體而言，控制系統(tǒng)可構(gòu)造為基于所需機(jī)械輸出和在一些系統(tǒng)中所需熱輸出來控制內(nèi)燃機(jī)20的操作。
[0038]控制系統(tǒng)可包括控制單元50和一個或多個控制傳感器(未示出)，諸如溫度傳感器、壓力傳感器、和粘度傳感器。控制傳感器可構(gòu)造為測量例如在不同壓力級的充氣和排氣的溫度和壓力、以及外部燃料系統(tǒng)10 (尤其為外部燃料供應(yīng)系統(tǒng)18)和噴射系統(tǒng)40中燃料的溫度和壓力，并向控制單元50提供這些數(shù)據(jù)?？蓽y量例如外部燃料系統(tǒng)18和/或燃料系統(tǒng)22中的粘度。
[0039]控制單元50可以為單個微處理器或多個微處理器，其可包括用于控制尤其燃燒單元22、HT冷卻器42、和LT冷卻器44以及例如閥的內(nèi)燃機(jī)其他元件的裝置?？刂茊卧?0可以為能夠控制與發(fā)動機(jī)和/或其相關(guān)元件相關(guān)聯(lián)的多種功能的一般發(fā)動機(jī)控制單元(ECT)?？刂茊卧?0可包括運(yùn)行應(yīng)用所需的所有元件，諸如存儲器、輔助存儲裝置、以及諸如中央處理單元的處理器或該領(lǐng)域中已知的用于控制內(nèi)燃機(jī)及其各元件的任何其他裝置。其他各種已知電路可與控制單元50相關(guān)聯(lián)，包括電源電路、信號調(diào)節(jié)電路、通信電路、和其他合適的電路?？刂茊卧?0可分析并比較所接收和存儲的數(shù)據(jù)，并基于存儲在存儲器中或由用戶輸入的指令和數(shù)據(jù)確定是否需要動作。
[0040]例如，控制單元50可將接收的值與儲存在存儲器中的目標(biāo)值進(jìn)行比較，并且基于比較的結(jié)果，控制單元50可發(fā)送信號至一個或多個元件，以改變其操作狀態(tài)。
[0041]控制單元50可包括該領(lǐng)域中已知的任意存儲裝置，用于存儲與內(nèi)燃機(jī)及其元件的操作相關(guān)的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)可以以一個或多個映射的形式存儲，映射例如將閥的操作與壓縮機(jī)上游和下游進(jìn)氣的溫度和/或進(jìn)入燃燒室26的充氣溫度相關(guān)聯(lián)，和/或?qū)λ鼈冞M(jìn)行描述。各個映射可以是表格、圖表、和/或方程式的形式，并包括從實驗室和/或室外操作收集的內(nèi)燃機(jī)的數(shù)據(jù)的匯編。映射可通過在各種操作條件下對內(nèi)燃機(jī)的操作執(zhí)行儀器測試并同時變化與其相關(guān)聯(lián)的參數(shù)來生成。控制器可參考這些映射并響應(yīng)于另一元件的期望的操作來控制一個元件的操作。
[0042]具體而言，控制單元50可構(gòu)造為從各種控制傳感器接收輸入。使用來自控制傳感器的輸入，控制單元50可構(gòu)造為經(jīng)由控制連接52控制外部燃料供應(yīng)系統(tǒng)18、噴射系統(tǒng)22、渦輪增壓器系統(tǒng)36、HT冷卻系統(tǒng)(具體為HT冷卻器42)、以及LT冷卻系統(tǒng)(具體為LT冷卻器44)的操作?？刂七B接52在圖1中以虛線示出。
[0043]例如，控制單元50可調(diào)節(jié)閥以阻塞、增加或減少經(jīng)HT冷卻器42和/或LT冷卻器44引導(dǎo)的冷卻劑量，直到達(dá)到期望的充氣溫度。
[0044]工業(yè)實用性
[0045]本發(fā)明的構(gòu)思涉及使用諸如熱解油等低十六烷替代燃料來操作作為自點火發(fā)動機(jī)的內(nèi)燃機(jī)。此外，該構(gòu)思可提供這樣的發(fā)動機(jī)參數(shù)，其也允許使用諸如HFO和LFO等基于原油的燃料來操作作為自點火發(fā)動機(jī)的內(nèi)燃機(jī)。此外，該構(gòu)思可允許利用特定切換燃料來操作作為自點火發(fā)動機(jī)的內(nèi)燃機(jī)，該燃料以媒介方式使用，以避免基于原油的燃料與諸如基于熱解油的燃料等替代燃料的任意混合，但其本身與這兩種燃料類型都相容。
[0046]例如，基于乙醇的燃料可包括:基于乙醇和蓖麻油的總體積，乙醇的體積占40% -90%，以及蓖麻油的體積占60% -10%，并且可選地包括總量占乙醇和蓖麻油總重量的高達(dá)3%重量的一種或多種添加劑。
[0047]乙醇可來自生物源。如本文和所附權(quán)利要求中使用的術(shù)語“乙醇”包括純乙醇(即，乙醇包含少于0.5%體積的水)和包含大量水的乙醇。
[0048]作為生物油，蓖麻油可用在本發(fā)明的基于乙醇的燃料中。蓖麻油是從蓖麻(Ricinus communis)的蓖麻子獲取的蔬菜油。蓖麻醇酸是蓖麻油的主要脂肪酸鏈(占85% -95%重量)，其在C12處具有羥基，這為脂肪酸鏈提供極性，改進(jìn)了如乙醇的極性液體的可溶性。同時，蓖麻醇酸的其他非極性烴鏈仍然提供足夠的非極性特征，使得蓖麻油與例如基于原油的燃料(諸如柴油燃料、LFO或HF0)的非極性液體可溶混。
[0049]乙醇含量可以在體積上占40% -80% (例如，在體積上占45% _65%、或者在體積上占45% -55%、或者在體積上占48% -52% )，而蓖麻油含量在體積上占60% -20% (例如，在體積上占55 % -35 %、或者在體積上占55 % -45 %、或者在體積上占52 % -48 % )。由于經(jīng)濟(jì)上的原因，當(dāng)基于乙醇的燃料用于內(nèi)燃機(jī)特別是自點火內(nèi)燃機(jī)的連續(xù)操作(長時間操作)時，基于乙醇燃料中的乙醇含量可以盡可能的高，例如在體積上占60% -90%，或者在體積上占70 % -90 %、或者在體積上占80 % -90 %、或者在體積上占85 % -90 %。
[0050]基于乙醇的燃料可選地包括例如總量占乙醇和蓖麻油總重量高達(dá)3%重量的一種或多種添加劑，優(yōu)選地總量占乙醇和蓖麻油總重量高達(dá)2%重量，特別是總量高達(dá)1%的重量。所述添加劑可選自下述構(gòu)成的添加劑組:熱穩(wěn)定劑、老化穩(wěn)定劑、抗氧化劑、染色劑、染料、防銹劑、膠質(zhì)形成抑制劑、金屬鈍化劑、上缸潤滑劑、摩擦改良劑、清潔劑、抑菌劑、殺真菌劑、殺微生物劑及上述的混合物。
[0051]如果根據(jù)所用發(fā)動機(jī)類型或需要使用添加劑的任何其他情況考慮需要添加劑，則可選地包括在基于乙醇的燃料中的添加劑可用于改進(jìn)基于乙醇燃料的一種或多種特性。然而，考慮到環(huán)境因素(增加的排放)，基于乙醇的燃料可設(shè)置為不具有任何添加劑。
[0052]在上述例如由Caterpillar Motoren GmbG&C0.KG于同天提交的申請“ETHANOL-BASED FUEL AND USE THEREOF”中披露了基于乙醇的燃料的更多細(xì)節(jié)。
[0053]參照圖2的流程圖，其示出內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)I的操作。
[0054]基于提供適于具有18壓縮比(步驟100)的內(nèi)燃機(jī)，任務(wù)可以是執(zhí)行內(nèi)燃機(jī)的自點火操作(步驟102)。對于熱解油的自點火，在例如140巴的壓力下，可能期望壓縮室中的溫度達(dá)到聞于1000K。
[0055]由增大的壓縮比導(dǎo)致在TDC處燃燒室內(nèi)的高壓縮以及由此導(dǎo)致的高壓，可部分地達(dá)到該溫度。
[0056]此外或替代地，設(shè)定空氣系統(tǒng)參數(shù)可增加溫度(步驟200)。具體而言，可操作渦輪增壓器以預(yù)壓縮并因此加熱充氣(步驟202)。在最后壓縮機(jī)級的出口，預(yù)壓縮充氣的溫度可以為419K。
[0057]由于當(dāng)使用基于原油的燃料和諸如熱解油等替代燃料來運(yùn)行內(nèi)燃機(jī)時排出氣體體積流量的不同，渦輪增壓器系統(tǒng)36的壓縮機(jī)可提供充氣的不同預(yù)壓縮程度。例如，與柴油操作過程相比，在熱解油操作期間，壓縮機(jī)不能被有力地驅(qū)動，并且來自環(huán)境壓力(例如在298K時)的充氣較少地被壓縮，并因此僅由渦輪增壓器系統(tǒng)36加熱至約419K。
[0058]由于作為替代燃料的實例的熱解油降低的內(nèi)能，可修改并以機(jī)械方式優(yōu)化渦輪增壓器。例如，可修改渦輪的葉輪，從而以降低的排出氣體體積流量提供足夠的壓縮。替代地或額外地，可使用例如具有低壓級和高壓級的多級渦輪增壓器系統(tǒng)。
[0059]然后可利用通常包括LT和HT冷卻回路的冷卻系統(tǒng)降低預(yù)壓縮充氣的溫度。這些系統(tǒng)可用于將預(yù)壓縮充氣冷卻至353K的最低溫度。例如，可僅(或主要)使用HT冷卻回路的HT冷卻器42實施冷卻(步驟204)。此外，可控制HT冷卻劑的流量，以不會冷卻至最低溫度之下。
[0060]最低溫度取決于替代燃料的壓縮比和類型、以及替代燃料的噴射正時。例如，最低溫度可在340K至360K之間的范圍內(nèi)。
[0061]替代地或額外地，可使用LT冷卻回路實施冷卻(步驟206)，例如使用經(jīng)冷卻器44的冷卻劑的受限流量。在一些實施例中，可以不需要任何LT冷卻。
[0062]此外或替代地，設(shè)定燃料系統(tǒng)參數(shù)(步驟300)可增加溫度。例如，可調(diào)節(jié)諸如含水量、分子量等燃料參數(shù)(步驟302)。
[0063]此外或替代地，可修改噴射正時(步驟304)。例如，為在沖程過程中增強(qiáng)壓縮室內(nèi)充氣對作為替代燃料實例的熱解油的加熱，與通常在柴油操作期間噴射的HFO或DFO相比，可更早地噴射熱解油?？赏ㄟ^如下方式實現(xiàn)早噴射，例如，通過將撓性凸輪軸系統(tǒng)設(shè)定在其早期位置，從而在上止點之前以如下角度噴射熱解油，例如以20度至10度范圍內(nèi)的角度，例如在17.5度至11度之間，諸如17度、16度或15度。
[0064]使用所披露的發(fā)動機(jī)操作參數(shù)，可實現(xiàn)例如140巴壓力時溫度至少為1000K (例如對于熱解油為1130K)的自點火熱解油-充氣混合物。
[0065]在本發(fā)明披露的實施方式中，可提供至少17:1的壓縮比(例如在17:1至22:1的范圍內(nèi)，諸如18:1、19:1、20:1、21:1和22:1)與至少1000K溫度下(例如在1100K至1300K之間的范圍內(nèi)，諸如1200K)的壓縮的充氣混合物。
[0066]本文中，術(shù)語“大型內(nèi)燃機(jī)”是指如下的內(nèi)燃機(jī)，其可用作固定動力提供系統(tǒng)的主要或輔助發(fā)動機(jī)，固定動力提供系統(tǒng)為諸如用于產(chǎn)熱和/或發(fā)電的動力廠，以及用于生產(chǎn)諸如巡洋艦、貨船、集裝箱船、輔助艦、和油輪等船只/船舶的動力廠。
[0067]此外，本文使用的術(shù)語“內(nèi)燃機(jī)”不受具體限制，并包括任意發(fā)動機(jī)，其中燃料的燃燒通過氧化劑發(fā)生，以產(chǎn)生高溫和高壓氣體，其直接施加至諸如活塞或渦輪葉片等發(fā)動機(jī)的可動部件，并使其運(yùn)動一定距離，從而產(chǎn)生機(jī)械能。因此，如本文所使用的，術(shù)語“內(nèi)燃機(jī)”包括活塞式發(fā)動機(jī)和渦輪，其能夠例如使用諸如熱解油等替代燃料操作。
[0068]適用于替代燃料的這種發(fā)動機(jī)的實例包括在500轉(zhuǎn)/分至1000轉(zhuǎn)/分的范圍內(nèi)操作的中速柴油內(nèi)燃機(jī)，如由德國的Caterpillar Motoren GmbH&C0.KG, Kiel生產(chǎn)的串聯(lián)式和V型發(fā)動機(jī)系列M20、M25、M32、M43。此外，所披露的構(gòu)思可應(yīng)用于二沖程發(fā)動機(jī)。
[0069]雖然本文描述了本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，在不偏離所附權(quán)利要求的范圍的情況下，可合并有改進(jìn)和修改。
【權(quán)利要求】
1.一種使用低十六烷燃料操作自點火內(nèi)燃機(jī)的方法，該方法包括: 提供內(nèi)燃機(jī)(20)，其具有至少為17:1的壓縮比，例如為18:1 ； 使用具有在340K至360K范圍內(nèi)的最低溫度的充氣加載所述內(nèi)燃機(jī)(20)的燃燒室(26)； 在上止點之前，以所述內(nèi)燃機(jī)(20)的活塞(28)的在20度至10度范圍內(nèi)的噴射角將所述低十六烷燃料噴射進(jìn)所述充氣，從而形成低十六烷燃料-充氣混合物；以及 進(jìn)一步壓縮所述低十六烷燃料-充氣混合物，以達(dá)到至少1000K的壓縮終點溫度，從而允許所述低十六烷燃料的自點火。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括: 在使用所述充氣加載所述燃燒室(26)之前，預(yù)壓縮所述充氣至例如至少2巴的壓力，例如2.5巴；以及 冷卻所述預(yù)壓縮充氣至所述最低溫度。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中，所述預(yù)壓縮充氣在冷卻之前具有在400K至440K范圍內(nèi)的溫度。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或權(quán)利要求3所述的方法，其中，通過主要使用或僅使用高溫冷卻系統(tǒng)的高溫冷卻器(42)來執(zhí)行所述冷卻。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，還包括將所述高溫冷卻系統(tǒng)的冷卻劑冷卻至在330K至370K之間的溫度范圍內(nèi)的最低溫度。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任意一項權(quán)利要求所述的方法，其中，例如基于撓性凸輪軸技術(shù)或共軌技術(shù)，利用噴射系統(tǒng)(22)的前期位置設(shè)定將所述噴射角設(shè)定在20度至10度的范圍內(nèi)，例如在17.5度至11度的范圍內(nèi)，諸如為17度、16度和15度的角度。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任意一項權(quán)利要求所述的方法，其中，所述低十六烷燃料具有小于8的十六烷值，并且所述低十六烷燃料選自例如由下述構(gòu)成的組:熱解油成份、乙醇/生物油混合物，例如包括20% -80%體積的乙醇和80% -20%體積的蓖麻油的乙醇/蓖麻油混合物，或者包括40% -90%體積的乙醇和60% -10%體積的蓖麻油的乙醇/蓖麻油混合物，以及可選地包括一種或多種總量達(dá)乙醇和蓖麻油總重量的3%重量的添加劑。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任意一項權(quán)利要求所述的方法，其中，所述活塞(28)限定所述燃燒室(26)，并且該方法還包括擺動所述活塞(28)，使得所述燃燒室(26)在所述內(nèi)燃機(jī)(20)的壓縮循環(huán)過程中以至少為17:1、例如為18:1的壓縮比減少尺寸。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至8中任意一項權(quán)利要求所述的方法，還包括控制噴射角、所述預(yù)壓縮充氣的溫度、和/或取決于替代燃料類型和/或環(huán)境空氣參數(shù)的充氣的預(yù)壓縮。
10.一種切換至使用低十六烷燃料操作自點火內(nèi)燃機(jī)的方法，該方法包括: 使用基于原油的燃料和用于冷卻和噴射正時的各設(shè)定來操作所述內(nèi)燃機(jī)(20)； 使用切換燃料和用于冷卻和噴射正時的各設(shè)定切換并操作所述內(nèi)燃機(jī)(20)，直到所述內(nèi)燃機(jī)(20)清除基于原油的燃料殘留；并且然后 根據(jù)權(quán)利要求1至9中任意一項權(quán)利要求所述的方法使用低十六烷燃料切換和操作所述內(nèi)燃機(jī)(20)。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，還包括 當(dāng)使用切換燃料和/或替代燃料切換以操作所述內(nèi)燃機(jī)(20)時，使用所述內(nèi)燃機(jī)(20)的低溫冷卻系統(tǒng)的低溫冷卻器(44)切換或至少減少預(yù)壓縮充氣的冷卻。
12.一種用于使用低十六烷燃料操作的自點火內(nèi)燃機(jī)(20)，所述自點火內(nèi)燃機(jī)(20)包括: 具有活塞(28)的氣缸單元(24)，所述活塞(28)限定燃燒室(26)，在所述活塞(28)的操作循環(huán)過程中，所述燃燒室(26)以至少17: 1、例如為18:1的壓縮比減少尺寸； 空氣系統(tǒng)，其能夠使用具有至少為350K的最低溫度的充氣加載所述燃燒室(26);以及 噴射系統(tǒng)(22)，其能夠在上止點之前，以活塞(28)的在20度至10度的范圍內(nèi)、例如在17.5度至11度之間、諸如16度的噴射角噴射所述低十六烷燃料，從而在所述燃燒室(26)內(nèi)形成低十六烷燃料-充氣混合物， 其中，在所述自點火內(nèi)燃機(jī)(20)的操作期間，對于所述低十六烷燃料-充氣混合物設(shè)置至少1000K的自點火壓縮終點溫度。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述自點火內(nèi)燃機(jī)，其中，所述空氣系統(tǒng)包括由排氣驅(qū)動并且在冷卻之前在例如400K至440K的范圍內(nèi)的溫度下將充氣預(yù)壓縮至例如至少2巴、例如為2.5巴的壓力的渦輪增壓器系統(tǒng)(36)。
14.根據(jù)權(quán)利要求12或權(quán)利要求13所述的自點火內(nèi)燃機(jī)，還包括高溫冷卻系統(tǒng)，其具有在330K至370K之間的溫度范圍內(nèi)的最低溫度操作的冷卻劑和用于冷卻所述預(yù)壓縮充氣的高溫冷卻器(42)。
15.一種內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)(1)，包括: 根據(jù)權(quán)利要求12至權(quán)利要求14中任意一項權(quán)利要求所述的自點火內(nèi)燃機(jī)(20)，并且還包括低溫冷卻系統(tǒng)，其具有在280K至330K之間的溫度范圍內(nèi)操作的冷卻劑和用于冷卻預(yù)壓縮充氣的低溫冷卻器(44)； 包括用于基于原油的燃料和替代燃料的容器(12，14，16)的外部燃料系統(tǒng)，以及用于供應(yīng)一種或多種所選燃料至所述自點火內(nèi)燃機(jī)(20)的外部燃料系統(tǒng)；以及 在基于原油的燃料和替代燃料的所述自點火內(nèi)燃機(jī)(20)的連續(xù)操作過程中，用于控制基于原油的燃料操作和替代燃料操作之間的切換過程的控制系統(tǒng)，所述控制系統(tǒng)包括控制單元(50)，其能夠控制:替代燃料操作期間的冷卻，以主要或僅使用所述高溫冷卻器(42)來執(zhí)行，從而將壓縮的充氣冷卻至340K至360K范圍內(nèi)的最低溫度；以及礦物燃料操作期間的冷卻，使用所述高溫冷卻器(42)和所述低溫冷卻器(42)來執(zhí)行，從而將壓縮的充氣冷卻至320K至340K范圍內(nèi)的最低溫度。
【文檔編號】F02D41/30GK104136731SQ201380011173
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2013年2月27日 優(yōu)先權(quán)日:2012年2月28日
【發(fā)明者】A·馮德奧斯滕-扎克, J-U·雷, U·施萊默-克林 申請人:卡特彼勒發(fā)動機(jī)有限責(zé)任兩合公司