导管式燃料喷射制造技术

本文提出的多种技术涉及增强燃烧室内的混合，以形成包括燃料和原料气的一种或多种局部预混合混合物，使得能够在局部预混合混合物的点火和随后的燃烧期间能够产生最少量的或不产生碳烟及其他不期望的排放物。为了实现燃料和原料气的充分混合，可引导燃料射流穿过导管的管孔，从而使原料被吸入管孔中，进而产生湍流以混合燃料和吸入的原料气。导管可定位为接近燃料喷射器的梢端中的开口。本文提出的多种技术可用于多种燃烧系统，例如压缩点火(CI)往复式发动机、火花点火(SI)往复式发动机、燃气涡轮(GT)发动机、燃烧器和锅炉、井口/精炼厂火炬系统等。

Ducted fuel injection

Various techniques proposed in this paper involve enhancing mixing in the combustion chamber to form one or more partially premixed mixtures comprising fuel and feedstock gas so that a minimum or no soot and other undesirable emissions can be produced during ignition and subsequent combustion of partially premixed mixtures. In order to achieve the full mixing of fuel and raw gas, the fuel jet can be guided through the pipe hole, so that the raw material is sucked into the pipe hole, thereby generating turbulence to mix fuel and inhaled raw gas. The conduit can be positioned near the opening of the tip of the fuel injector. The various technologies proposed in this paper can be used in various combustion systems, such as compression ignition (CI) reciprocating engine, spark ignition (SI) reciprocating engine, gas turbine (GT) engine, burner and boiler, wellhead/refinery torch system, etc.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】导管式燃料喷射相关申请本申请要求于2016年11月20日提交的标题为“导管式燃料喷射(DUCTEDFUELINJECTION)”的美国专利申请第15/363,966号的优先权，而上述美国专利申请第15/363,966号要求于2016年1月13日提交的标题为“导管式燃料喷射应用(DUCTEDFUELINJECTIONAPPLICATIONS)”的美国临时专利申请第62/278,184号的优先权。本申请还是2015年7月1日提交的标题为“导管式燃料喷射(DUCTEDFUELINJECTION)”的美国专利申请第14/789,782号的部分继续申请，而该部分继续申请要求于2014年10月1日提交的标题为“导管式燃料喷射(DUCTEDFUELINJECTION)”美国临时专利申请第62/058,613号的优先权。这些申请的全部内容通过参引并入本文。政府权益声明本专利技术是根据SandiaCorporation和美国能源部之间的DE-AC04-94AL85000号合同开发的。美国政府对本专利技术享有一定的权利。
技术介绍
很多现代发动机被设计为使得发动机的每个燃烧缸均包括构造成将燃料直接喷射到燃烧室中的专用燃料喷射器。尽管这样的“直喷式”发动机代表发动机技术较以往设计(例如汽化器)在提高发动机效率和减少排放物方面的改进，但是直喷式发动机可能会产生相对较高水平的某些不期望的排放物。发动机排放物可能包括由富燃料和贫氧燃料的混合物的燃烧产生的碳烟。碳烟包括由扩散火焰的富燃区产生的微小碳颗粒，而扩散火焰的富燃区通常产生于可在中到高负荷下运行的发动机的燃烧室中。碳烟危害环境，是由美国国家环境保护局(EPA)管控的一种排放物，并且是第二重要的气候强迫物质(二氧化碳是最重要的)。目前，通过排气系统中的较大且较昂贵的颗粒过滤器将碳烟从柴油发动机的废气中去除。还可能必须利用其他燃烧后处理，例如NOx选择性催化还原系统、NOx捕集器、氧化催化剂等。必须对这些后处理系统进行维护，从而能够持续且有效地减少碳烟/颗粒及其他不期望的排放物，并因此在初始设备成本及后续维护方面为燃烧系统增加了额外的成本。燃烧技术的焦点是使燃料在较稀薄的混合物中燃烧，因为这样的混合物趋向于产生更少的碳烟、NOx和潜在的其他被管控的排放物、如碳氢化合物(HC)和一氧化碳(CO)。一种这样的燃烧策略为抬举火焰稀燃(leanerlifted-flamecombustion)(LLFC)。LLFC是不产生碳烟的燃烧策略，因为燃烧在大致小于或等于2的当量比下发生。当量比是燃料与氧化剂质量的实际比率除以燃料与氧化剂质量的化学计量比。LLFC可以通过增强燃烧室中燃料与原料气(即具有或不具有额外的气相化合物的空气)的局部混合来实现。
技术实现思路
以下是本文要更详细地描述的主题的简要概述。本
技术实现思路
部分并非旨在限制权利要求的范围。本文描述了设计为相对于在常规燃烧室构型/布置中发生的混合而提高燃烧室内部的局部混合速率的多种技术。提高的混合速率用于形成包括燃料和原料气的一种或多种局部预混合混合物，使得在局部预混合混合物的点火及随后的燃烧期间，所形成的混合物在燃烧室中产生最少量的碳烟和/或其它不期望的排放物、或者不产生碳烟和/或其它不期望的排放物。为了使燃料和原料气的混合能够产生具有这种改进的燃料-原料气分配比的局部预混合混合物，可以将燃料射流引导为使得其穿过导管的管孔(例如沿着管体、中空圆柱体)，其中燃料的通过使得原料气被吸入管孔中，从而在管孔内产生湍流，进而增强燃料和吸入的原料气的混合。燃烧室内的原料气可以包括具有或不具有额外的气相化合物的空气。局部预混合混合物的燃烧可以发生在燃烧室内，其中燃料可以是任何合适的可燃的或易燃的液体或蒸汽。例如，燃烧室可由包括缸孔的壁(例如形成在发动机缸体中的缸孔)、气缸盖的火焰板表面以及在缸孔内进行往复运动的活塞的活塞顶的多个表面形成。燃料喷射器可安装在气缸盖中，其中燃料经由燃料喷射器的梢端中的至少一个开口喷射到燃烧室中。对于燃料喷射器梢端中的每个开口而言，导管可以与其校准为，使得由燃料喷射器喷射的燃料能够穿过导管的管孔。由于流经管孔的高速燃料射流在局部产生的低压导致原料气被吸入到导管的管孔中。由于由管体壁和燃料射流中心线之间的较大的速度梯度产生的强烈湍流，这种原料气与燃料迅速混合，导致形成离开导管的、具有一定的燃料-原料气分配比的局部预混合混合物，该局部预混合混合物在燃烧室中的后续的点火和燃烧期间形成最少量的碳烟和/或其它不期望的排放物、或者不形成碳烟和/或其它不期望的排放物。在一实施方式中，导管可以沿其长度形成有多个孔或狭槽，以进一步使得能够在燃料沿管孔通过期间将原料气吸入导管的管孔中。在另一实施方式中，导管可以由管体形成，其中管体的壁彼此平行(例如、为中空圆柱体)，因此导管的第一端部处的管孔(例如入口)的直径与导管的第二端部处的管孔(例如出口)的直径相同。在另一实施方式中，管体的壁可以不平行，以使得导管的第一端部处的管孔的直径不同于导管的第二端部处的管孔的直径。导管可以由适于在燃烧室中应用的任何材料形成，例如诸如钢、因科镍合金(INCONEL)、哈斯特合金(HASTELLOY)等的含金属材料、含陶瓷材料等。在另一实施方式中，导管可在将燃料喷射器插入燃烧室之前就附接到燃料喷射器，使得包括燃料喷射器和导管的组件定位成形成燃烧室的一部分。在另一实施方式中，燃料喷射器可以位于燃烧室中，并且导管随后附接到燃料喷射器或气缸盖。在发动机的运行期间，导管的管孔内侧的温度可以小于燃烧室内的环境温度，使得混合物的点火延迟时间增加，并且燃料和原料气在自动点火之前的混合与将燃料直接喷射到燃烧室中相比得到了进一步的改进。本文提出的多种实施方式可用于多种燃烧系统，例如压缩点火(CI)往复式发动机、火花点火(SI)往复式发动机、燃气涡轮(GT)发动机、燃烧器和锅炉、井口/精炼厂火炬系统等。上述
技术实现思路
提供了简单概述，以便提供对本文所讨论的系统和/或方法的一些方面的基本理解。该
技术实现思路
部分并非是本文所讨论的系统和/或方法的全面概括。其并非旨在确定关键/主要元件或界定这样的系统和/或方法的范围。其唯一的目的是以简化的形式呈现一些概念作为稍后呈现的更详细的描述的前序。附图说明图1为示例性燃烧室设备的截面图。图2为示出了形成示例性燃烧室设备的火焰板、气门、燃料喷射器和导管的示意图。图3为包括燃料喷射器和导管布置的示例性燃烧室装置的特写图。图4为具有圆筒形构型的导管的示意图。图5A为具有非平行侧面的导管的示意图。图5B为具有沙漏状轮廓的导管的示意图。图5C为具有漏斗形轮廓的导管的示意图。图6A至图6C示出了包括沿着其长度的多个孔的导管。图7A和图7B为示出了位于燃烧室中的由燃料喷射器和导管组成的组件的示意图。图8A和图8B示出了包括三个导管和螺纹附接部分的示例性布置。图8C为附接到燃料喷射器组件的导管组件的示意图。图8D为附接到火焰板的导管组件的示意图，所述附接有助于导管组件关于燃料喷射器组件的定位。图9A和图9B示出了利用导管来引导形成燃料喷射器的梢端中的开口。图10为示出了用于产生具有一定燃料-原料气分配比的局部预混合混合物的示例性方法的流程图，该局部预混合混合物在燃烧室中形成最本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种燃烧系统，包括：燃料喷射器，所述燃料喷射器包括第一开口，其中，燃料被喷射穿过所述第一开口进入燃烧室中；以及由中空管体形成的导管，其中所述导管校准为使得离开所述燃料喷射器的所述第一开口的燃料被喷射穿过所述中空管体并进入所述燃烧室中。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.01.13 US 62/278,184;2016.11.29 US 15/363,9661.一种燃烧系统，包括：燃料喷射器，所述燃料喷射器包括第一开口，其中，燃料被喷射穿过所述第一开口进入燃烧室中；以及由中空管体形成的导管，其中所述导管校准为使得离开所述燃料喷射器的所述第一开口的燃料被喷射穿过所述中空管体并进入所述燃烧室中。2.根据权利要求1所述的燃烧系统，其中，所述燃烧系统为压缩点火往复式发动机。3.根据权利要求1所述的燃烧系统，其中，所述燃烧系统为火花点火往复式发动机。4.根据权利要求1所述的燃烧系统，其中，所述燃烧系统为燃气涡轮发动机。5.根据权利要求1所述的燃烧系统，其中，所述燃烧系统被包括在燃烧器设备中。6.根据权利要求1所述的燃烧系统，其中，所述燃烧系统被包括在锅炉设备中。7.根据权利要求1所述的燃烧系统，其中，所述燃烧系统被包括在构造为使可燃气体在气体火炬操作中燃烧的设备中。8.一种用于在燃烧室中使燃料与原料气混合的方法，包括：喷射燃料穿过燃料喷射器中的开口，所述开口位于所述燃烧室中；以及使所喷射的燃料与所述原料气在导管中混合，其中所述导管包括中空管体并且校准为使得所喷射的燃料行进穿过所述中空管体，所述燃料穿过所述中空管体在所述中空管体内引起燃料/原料气混合物的湍流流动、并且使得存在于所述燃烧室中的原料气被吸入所述中空管体中，由此使所喷射的燃料与所述原料气混合。9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述燃烧室形成压缩点火往复式发动...

【专利技术属性】
技术研发人员：C·J·穆勒，
申请(专利权)人：桑迪亚国家技术与工程解决方案有限公司，
类型：发明
国别省市：美国,US