富氫廢氣再循環(huán)系統(tǒng)和方法
【專利說明】富氫廢氣再循環(huán)系統(tǒng)和方法
[0001]相關申請
[0002]本申請參照美國臨時專利申請第61/594，698號，要求其優(yōu)先權，并且要求保護其權益，該臨時專利申請于2012年2月3日提交并且名稱為“用于天然氣火花點火發(fā)動機的富氫廢氣再循環(huán)系統(tǒng)(Hydrogen Rich EGR System for Natural Gas Spark IgnitedEngines) ”。上述臨時專利申請的全部內容通過引用的方式納入本文。
[0003]背景
[0004]目前，火花點火(SI)天然氣發(fā)動機按化學計量的或者接近化學計量的空氣/燃料比(AFR)運行，由于天然氣燃料的非常差的點火性和可燃性，需要通過廢氣再循環(huán)(EGR)進行有限的混合稀釋。較低的EGR水平由于排放溫度限制和爆震燃燒而降低發(fā)動機的性能(扭矩和功率)。低EGR水平也降低發(fā)動機的效率，因為需要較低的壓縮比來防止爆震燃燒。

【發(fā)明內容】

[0005]—個或多個實施例提供一種富氫廢氣再循環(huán)系統(tǒng)和方法，其包括添加補充的噴射器，該噴射器將超過化學計量點的額外天然氣注射到發(fā)動機氣缸中的一個內。在燃燒后，該氣缸的廢氣中仍保持較高的氫含量。然后，將廢氣經(jīng)由富氫排放路徑導引到廢氣再循環(huán)混合器，其中，該廢氣與來自其它缸的廢氣和天然氣混合。然后將所得的混合物導引到發(fā)動機的所有氣缸中，以由于增加的氫而改善燃燒。
【附圖說明】
[0006]圖1示出了根據(jù)本系統(tǒng)和方法的天然氣火花點火發(fā)動機的富氫超EGR系統(tǒng)。
【具體實施方式】
[0007]本系統(tǒng)和方法顯著改善了非常稀薄且/或高度稀釋(借助EGR)天然氣(NG)燃料混合物的燃燒，由此使得實現(xiàn)更高的EGR水平，從而用于更高的發(fā)動機性能和效率。
[0008]目前，在汽車應用中，大多數(shù)NG火花點火發(fā)動機以化學計量AFR或接近化學計量AFR運行并且以低水平EGR運行。此允許用于排放標準的三效催化器進行可靠的燃燒和應用。然而，稀薄燃燒和/或較高的EGR需要更復雜、更高的火花能量點火系統(tǒng)，而這種系統(tǒng)又會損害火花塞的耐用性。相反地，稀薄燃燒和/或較高的EGR由于較低的栗送損失和較尚的壓縮比而提尚了發(fā)動機的性能。
[0009]現(xiàn)有EGR系統(tǒng)利用氫燃料的特性。更具體地，氫是高度可燃的，其火焰速度比天然氣燃燒快6倍。此使得添加氫能夠顯著地提高點火和燃燒性能。在一個實施例中，如以下進一步所述，來自六缸發(fā)動機的一個氣缸的富氫“超EGR”恒定地將17%的增量提供到EGR流中，該EGR流由第二(按化學計量的)EGR路徑調節(jié)。
[0010]更具體地，目前，化學計量的化學計量天然氣發(fā)動機運行標準EGR回路。S卩，按化學計量的廢氣(沒有氫含量)被饋送通過EGR控制閥和可選的EGR冷卻器。該燃料系統(tǒng)通常包括一個或多個中心饋送天然氣噴射器。[0011 ] 所提出的系統(tǒng)和方法將“超富”回路添加到現(xiàn)有EGR系統(tǒng)中。該“超富”回路包括具有富氫噴射器的富氫混合物端口，以提高空燃當量一一在一個實施例中對于六個氣缸中的一個，提高到1.2至1.4級別。對于所有缸，富氫(在一個實施例中為3%至6% )EGR路徑饋送通過EGR冷卻器和EGR混合器。
[0012]圖1示出了根據(jù)本系統(tǒng)和方法的用于天然氣火花點火發(fā)動機的富氫超EGR系統(tǒng)100。圖1示出了某些標準的發(fā)動機部件，包括化學計量混合路徑102、一些發(fā)動機氣缸105、化學計量排氣路徑107、EGR冷卻器110、主EGR路徑115、渦輪增壓器120、三效催化器125、EGR閥130、EGR混合器135、增壓空氣冷卻器140、天然氣主噴射器145以及進氣節(jié)流閥150。
[0013]另外，圖1示出了天然氣燃料供應線160、用于使缸6富氫的補充天然氣噴射器165、富混合物端口 170、富氫EGR路徑180以及可選的第二 EGR冷卻器185。
[0014]在典型操作中，天然氣從天然氣燃料供應線160饋送到天然氣主噴射器145。然后，該天然氣傳遞至EGR混合器135，在此處，天然氣與來自EGR閥130的廢氣混合。然后，將該天然氣和廢氣的混合物提供到氣缸105，在氣缸105中，混合物燃燒。來自各缸的廢氣向外行進穿過化學計量排放路徑，在該排放路徑中，該廢氣的一部分用來為渦輪增壓器120提供動力，并且然后穿過三效催化器125。剩余的廢氣再循環(huán)到EGR閥130。渦輪增壓器120壓縮進氣，該進氣然后傳遞到增壓空氣冷卻器140并且進入天然氣主噴射器。
[0015]除了典型的EGR系統(tǒng)，圖1示出了:現(xiàn)在將天然氣燃燒供應線的一部分引導到用于使第六個氣缸富氫的補充天然氣噴射器165。由此，進入該氣缸的燃料被富氫至相當大地超過預期的化學計量點。由此，在氣缸6燃燒之后，廢氣的氫含量很高，并且然后使氣缸6的所得高氫廢氣再循環(huán)到其它氣缸中。
[0016]更具體地，從補充天然氣噴射器165起，補充的燃料穿過該富氫混合物端口 170并且進入缸6，在缸6中，該燃料燃燒。并不使缸6的廢氣導引通過化學計量的排放路徑107，而是穿過富氫EGR路徑180，并且在一個實施例中穿過富EGR路徑冷卻器185直到它達到EGR混合器135。在該EGR混合器145處，來自富氫EGR路徑180的廢氣與來自化學計量排放路徑107的廢氣以及來自天然氣主噴射器145的天然氣結合。然后，將該混合物提供到所有六個缸105中。
[0017]添加具有高氫含量的第二 “超富EGR回路”支持火花點燃以及高EGR含量和/或天然氣與空氣的稀薄混合物的燃燒。富EGR具有3%至6%的氫含量，該氫含量在富燃燒缸中通過對當量比在范圍1.2至1.4中(在一個實施例中)的NG燃料/空氣進行燃燒而產(chǎn)生。該富氫一比1.0(化學計量)的更高當量，是通過將天然氣燃料補充地注射到六缸發(fā)動機的一個氣缸的入口而實現(xiàn)的。專用缸的所有廢氣流返回到入口。由此，最小的EGR百分含量在一個實施例中是大約17%。將EGR控制在17%之上是通過增加標準EGR的一段而實現(xiàn)的，該標準EGR的一段在一個實施例中包括EGR冷卻器和EGR閥。
[0018]本系統(tǒng)和方法包括這樣的優(yōu)勢:更大壓縮比，從而更好的性能和更冷的EGR;較低的火花能量，從而更好的火花塞耐用性；減少或消除爆震燃燒；以及允許高的EGR率(>17% )而不會增大栗送損失，同時提供正的或接近零的升-背壓(boost-backpressure)。
[0019]另外，本系統(tǒng)和方法可以提高帶有三效催化器的化學計量燃燒天然氣發(fā)動機的應用，該應用可以是滿足關于高速公路排放標準EPA/CARB 2010的便宜方法。
【主權項】
1.一種用于天然氣火花點火發(fā)動機的富氫廢氣再循環(huán)系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括: 補充噴射器，所述噴射器將額外的天然氣注入到用于發(fā)動機的至少一個氣缸的燃料供應線，其中額外的天然氣超過所述至少一個氣缸的燃燒的化學計量點； 富氫排放路徑，其從所述至少一個氣缸的輸出開始；以及 廢氣再循環(huán)混合器，其中，所述富氫排放路徑將富氫廢氣從所述至少一個氣缸傳送到所述廢氣再循環(huán)混合器，其中，所述廢氣再循環(huán)混合器將富氫廢氣與來自所述發(fā)動機的至少一個其它氣缸的廢氣和天然氣進行混合，并且將所得的混合物提供到所述發(fā)動機的多個氣缸中。2.如權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述富氫排放路徑包括富氫廢氣再循環(huán)路徑冷卻器。3.如權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，通過所述補充噴射器來增加天然氣導致天然氣燃料/空氣當量比在1.2至1.4的范圍內。4.一種用于富氫廢氣再循環(huán)的方法，所述方法包括: 將額外的天然氣注射到用于發(fā)動機的至少一個氣缸的燃料供應線，其中，所述額外的天然氣超過所述至少一個氣缸的燃燒的化學計量點； 使所述至少一個氣缸的富氫廢氣傳遞到富氫排放路徑，以傳送到所述廢氣再循環(huán)混合器; 在廢氣再循環(huán)混合器處，將富氫廢氣與來自所述發(fā)動機的至少一個其它氣缸的廢氣和天然氣進行混合；并且 將所得的混合物提供到所述發(fā)動機的多個氣缸。5.如權利要求4所述的方法，其特征在于，還包括:將富氫廢氣傳遞通過富廢氣再循環(huán)路徑冷卻器。6.如權利要求4所述的方法，其特征在于，額外的天然氣的注射導致天然氣燃料/空氣當量比在范圍1.2-1.4內。
【專利摘要】提供了一種用于富氫廢氣再循環(huán)的系統(tǒng)和方法。該系統(tǒng)包括添加補充噴射器，該噴射器將超過化學計量點的額外的天然氣添加到發(fā)動機氣缸中的一個中。在燃燒后，該缸的廢氣仍舊保持較高氫含量。然后，該廢氣通過富氫排放路徑導引到廢氣再循環(huán)混合器，在該混合器中，該廢氣與來自其它氣缸的廢氣和天然氣混合。然后將最終的混合物導引到發(fā)動機的所有氣缸中以由于該增加的氫而獲得改善的燃燒。
【IPC分類】F02M26/22, F02M26/36
【公開號】CN105308305
【申請?zhí)枴緾N201380076811
【發(fā)明人】G·蘇奇達, R·P·祖科斯基
【申請人】萬國引擎知識產(chǎn)權有限責任公司
【公開日】2016年2月3日
【申請日】2013年5月24日
【公告號】DE112013007111T5, US20160108862, WO2014189524A1