火花点燃贫燃发动机中的稳定燃烧制造技术

本发明专利技术涉及火花点燃贫燃发动机中的稳定燃烧。具体地，贫燃发动机可包括燃烧腔室、被构造成将贫燃料/空气混合物提供到燃烧腔室的吸入歧管以及与燃烧腔室流体连通的预备腔室。预备腔室可包括被构造成开始燃烧腔室内的贫燃料/空气混合物的燃烧的火花点燃器以及容纳在预备腔室内的加热元件。加热元件可被构造成将预备腔室的温度加热到足以允许由预备腔室内的燃料和空气产生过氧化氢(H2O2)的温度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术总体涉及贫燃发动机，并且更具体涉及实现火花点燃贫燃发动机中的稳定燃烧。
技术介绍
主要包括甲烷(CH4)的天然气是具有吸引力的能源，因为它在燃烧时比诸如油或煤的其他能源产生较少的氮氧化物(NOx)和二氧化碳。许多天然气供能的发动机以及其他类型的发动机可在贫燃料/空气混合物燃烧以产生机械输出的“贫燃”条件下操作。贫燃料/空气混合物具有过多的空气和小于1的燃料/空气比率，而富燃料/空气混合物具有过多燃料和大于1的燃料/空气比率。贫燃料/空气混合物中的过多空气会导致氮氧化物(NOx)的排放降低，以及燃料效率的改进，因为更多氧气可用来与燃料一起燃烧。虽然有效，由于缺乏足够燃料分子来提供连续燃烧反应的气袋，使用贫燃料/空气混合物的发动机会趋于不稳定燃烧。因此，贫燃发动机会遭受不稳定燃烧，这涉及诸如缓慢和/或不完全燃烧或贫燃料/空气混合物的不可靠火花点燃(会造成无法点火)的缺陷。作为加速燃烧和改善点燃可靠性的方式，一些贫燃发动机可包括预备腔室来开始主燃烧腔室内的贫燃料/空气混合物的燃烧(见美国专利号7261097)。特别是，预备腔室可以是与其中通过火花塞点燃富含燃料混合物的主燃烧腔室流体连通的小腔室。预备腔室内的点燃燃料混合物可产生火焰，火焰会喷出进入主燃烧腔室以点燃主燃烧腔室内的贫燃料/空气混合物，并开始主燃烧腔室内的贫燃料/空气混合物的燃烧。其他技术使用自由基来触发燃烧腔室内的贫燃料/空气混合物的点燃，而不使火花或火焰作为点燃源。但是，需要额外的策略来增强贫燃发动机中的燃烧稳定性，特别是支持开发设计成在越来越贫条件下操作的发动机的努力。尤其是，本专利技术解决了这个问题。
技术实现思路
根据本专利技术的一个方面，公开一种贫燃发动机。贫燃发动机可包括燃烧腔室、被构造成将贫燃料/空气混合物提供到燃烧腔室的吸入歧管和与燃烧腔室流体连通的预备腔室。预备腔室可包括被构造成开始燃烧腔室内的贫燃料/空气混合物的燃烧的火花点燃器和容纳在预备腔室内的加热元件。加热元件可被构造成将预备腔室加热到足以允许由预备腔室内的燃料和空气产生过氧化氢(H2O2)的温度。根据本专利技术的另一方面，公开一种贫燃发动机。贫燃发动机可包括燃烧腔室、被构造成将贫燃料/空气混合物提供到燃烧腔室的吸入歧管和与燃烧腔室流体连通的预备腔室。预备腔室可包括可被构造成开始燃烧腔室内的贫燃料/空气混合物的高温燃烧的火花点燃器。预备腔室还可包括容纳在预备腔室内的加热元件，并且加热元件可被构造成开始预备腔室内的燃料和空气的中温燃烧。中温燃烧可在预备腔室内产生过氧化氢(H2O2)，并且H2O2可以被构造成分解成稳定预备腔室和燃烧腔室两者内的燃烧的羟基(OH·)。根据本专利技术的另一方面，公开一种用于稳定贫燃发动机内的燃烧的方法。该方法可包括提供贫燃发动机，其中贫燃发动机包括燃烧腔室和与燃烧腔室流体连通的预备腔室，并且其中预备腔室具有火花点燃器和容纳在预备腔室内的加热元件。该方法还可包括将燃料和空气的混合物提供到预备腔室，并使用加热元件将预备腔室加热到足以由预备腔室内的燃料和空气产生过氧化氢(H2O2)的温度。该方法还可包括将贫燃料/空气混合物提供到燃烧腔室，并将预备腔室内产生的H2O2提供到燃烧腔室。该方法还可包括通过火花点燃器点燃燃烧腔室内的贫燃料/空气混合物以开始贫燃燃料/空气混合物的燃烧，其中点燃由H2O2产生羟基(OH·)。另外，该方法还可包括通过OH·基稳定燃烧腔室内的燃烧。在结合附图阅读时，本专利技术的这些和其他方面将变得容易理解。附图说明图1是具有根据本专利技术构造的贫燃发动机的作业机器的示意图示。图2是单独示出的根据本专利技术构造的贫燃发动机的示意图示。图3是根据本专利技术构造的贫燃发动机的预备腔室和加热元件的透视图。图4是根据本专利技术可以在预备腔室内出现以产生过氧化氢(H2O2)和羟基(OH·)的反应的示意图示。图5是根据本专利技术的贫燃发动机的燃烧循环中所涉及的一系列事件的时间线。图6是根据本专利技术构造的图5的燃烧循环的气体交换过程的一部分的示意图示。图7是根据本专利技术构造的气体交换过程的随后部分的示意图示。图8是根据本专利技术构造的燃烧循环的压缩阶段的示意图示。图9是根据本专利技术构造的燃烧循环的燃烧阶段的示意图示。图10是描述根据本专利技术的方法可以在贫燃发动机中稳定燃烧所涉及的一系列步骤的流程图。应该理解到附图不必按照比例绘制，并且本专利技术的实施方式有时示意性地且以局部视图图示。进一步理解到以下详细描述本质上只是示例性的，并不意图限制本专利技术或其应用和使用。在此方面，另外理解到所描述的实施方式不局限于与特定类型的发动机一起使用。因此，虽然出于说明便利，本专利技术以某些示例性实施方式描述和描绘，将理解到本专利技术可以应用于多种其他类型的实施方式和多种其他系统和环境中。具体实施方式现在参考附图，并具体参考图1-2，示出具有贫燃发动机12的作业机器10。作业机器10可执行与采矿、建造、畜牧、运输或本领域已知的其他产业相关的操作。作为非限定例子，作业机器10可以是推土机、装载机、挖掘机或倾卸卡车。替代地，它可以是发电机、泵、乘客车辆、船舶或通过贫燃发动机供能的任何其他类型的机器。如这里使用，“贫燃”发动机是在其中燃料/空气比率小于1的贫条件下至少临时操作的发动机。贫燃发动机12可以使用天然气(即甲烷(CH4))作为燃料，虽然在一些情况下也可以使用其他类型的燃料(例如柴油、汽油等)。另外，贫燃发动机12可以是涡轮增压、自然吸气、增压或中间冷却发动机。通常，贫燃发动机12可包括布置在缸盖16内的主燃烧腔室14、被构造成将贫燃料/空气混合物提供到燃烧腔室14的吸入歧管18、排气歧管20和布置在燃烧腔室14内的活塞22，如图2最佳示出。贫燃发动机12还可包括与燃烧腔室14流体连通的预备腔室24。与燃烧腔室14相比，预备腔室24可具有小容积，并且它可定位在缸盖16的顶部上，如所示。特别是，预备腔室24可具有燃烧腔室14的总容积的大约1-2％的容积。替代的发动机配置还可包括排气再循环系统以便将排气副产品重新循环到吸入歧管18和/或预备腔室24。在操作中，贫燃发动机12可压缩燃烧腔室14内的贫燃料/空气混合物，并且可控制地火花点燃贫燃料/空气混合物以开始贫燃料/空气混合物的燃烧，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种贫燃发动机，包括：燃烧腔室；吸入歧管，其被构造成将贫燃料/空气混合物提供到燃烧腔室；以及预备腔室，其与燃烧腔室流体连通，预备腔室包括：火花点燃器，其被构造成开始燃烧腔室内的贫燃料/空气混合物的燃烧；以及加热元件，其容纳在预备腔室内，加热元件被构造成将预备腔室加热到足以允许由预备腔室内的燃料和空气产生过氧化氢(H2O2)的温度。

【技术特征摘要】
2015.01.02 US 14/588,5591.一种贫燃发动机，包括：
燃烧腔室；
吸入歧管，其被构造成将贫燃料/空气混合物提供到燃烧腔室；
以及
预备腔室，其与燃烧腔室流体连通，预备腔室包括：
火花点燃器，其被构造成开始燃烧腔室内的贫燃料/空气混
合物的燃烧；以及
加热元件，其容纳在预备腔室内，加热元件被构造成将预
备腔室加热到足以允许由预备腔室内的燃料和空气产生过氧化氢
(H2O2)的温度。
2.根据权利要求1所述的贫燃发动机，其中，贫燃发动机使用
天然气作为燃料。
3.根据权利要求1所述的贫燃发动机，其中，预备腔室被构造
成在贫燃料/空气混合物通过火花点燃器开始燃烧之前将H2O2递送
到燃烧腔室。
4.根据权利要求3所述的贫燃发动机，其中，燃烧腔室内的H2O2在贫燃料/空气混合物通过火花点燃器开始燃烧时分解成羟基(OH·)，
并且OH·基稳定燃烧腔室内的贫燃料/空气混合物的燃烧。
5.根据权利要求4所述的贫燃发动机，其中，加热元件被构造
成开始预备腔室内的燃料和空气的中温燃烧。
6.根据权利要求5所述的贫燃发动机，其中，加热元件的温度
是至少900K，并且其中加热元件的温度低于足以造成燃烧腔室内的
贫燃料/空气混合物自动点燃的温度。
7.根据权利要求6所述的贫燃发动机，其中，预备腔室内的燃
料与空气的比率为1或更小。
8.根据权利要求7所述的贫燃发动机，其中，预备腔室还包括
燃料喷射器，燃料喷射器被构造成将燃料的至少一部分提供到预备

\t腔室，并且其中加热元件大致垂直于从燃料喷射器到预备腔室的燃
料的流动路径布置。
9.根据权利要求7所述的贫燃发动机，其中，贫燃发动机被构
造成经历气体交换过程，在气体交换过程期间，排气从燃烧腔室排
空，并且贫燃料/空气混合物从吸入歧管进入燃烧腔室。
10.根据权利要求9所述的贫燃发动机，其中，H2O2在气体交
换过程期间从预备腔室递送到燃烧腔室。
11.根据权利要求10所述的贫燃发动机，其中，贫燃发动机被
构造成经历压缩阶段，在压缩阶段期间，燃烧腔室内的贫燃料/空气
混合器被压缩，并且其中贫燃料/空气混合物的一部分在压缩阶段期
间从燃烧腔室进入预备腔室。
12.一种贫燃发动机，包括：
燃烧腔室；
吸入歧管，其被构造成将贫燃料...

【专利技术属性】
技术研发人员：C·金，
申请(专利权)人：卡特彼勒公司，
类型：发明
国别省市：美国;US