熱分層再生式燃燒室以及用于對(duì)內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)中的燃燒室和所形成發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行改進(jìn)的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本公開總體上涉及往復(fù)式活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的領(lǐng)域，更具體地涉及導(dǎo)致在現(xiàn)有往復(fù)式活塞內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)(尤其是在稀燃條件下工作的發(fā)動(dòng)機(jī))中的改善的燃燒的燃燒室改進(jìn)和充量點(diǎn)火改進(jìn)。
【背景技術(shù)】
[0002]在將這種壓縮機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)換成燃燒天然氣燃料而不是燃燒液體燃料或蒸氣之后，大的、固定的所謂“傳統(tǒng)”天然氣燃料燃燒、往復(fù)式活塞、組合式或整體式內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)以及由這種發(fā)動(dòng)機(jī)所驅(qū)動(dòng)的壓縮機(jī)已被用于經(jīng)過(guò)分配管線栗送天然氣達(dá)100多年。
[0003]這種燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)-壓縮機(jī)的一些布置可以參見(jiàn)授予Mueller的專利US2，514，287、授予 Scheiterlein 的 US 2，917，226、和授予加熱等人的 US 4，091，772 中。這種發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室布置的最近例子可以參見(jiàn)McClendon的正在審批的美國(guó)專利申請(qǐng)公開US2010/0319655。對(duì)傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)的其它描述可以參見(jiàn)由“發(fā)動(dòng)機(jī)和能量轉(zhuǎn)換試驗(yàn)室”資助的報(bào)告，其標(biāo)題為“ERLE Cost Study of the Retrofit Legacy Pipeline Engines to Satisfy1/2 g/BHP-HR N0x”，修訂版1，2009年5月21日，其涉及由發(fā)動(dòng)機(jī)和能量轉(zhuǎn)換試驗(yàn)室、國(guó)家天然氣機(jī)械試驗(yàn)室(堪薩斯州立大學(xué)的研究所)、Advance Technology公司和Hoerbiger公司所完成的研究。
[0004]對(duì)傳統(tǒng)Cooper-Bessemer型GMV整體式角度氣體發(fā)動(dòng)機(jī)_壓縮機(jī)的進(jìn)一步概述可參見(jiàn)由美國(guó)機(jī)械工程師學(xué)會(huì)歷史和遺產(chǎn)委員會(huì)于2006年8月為俄亥俄州弗農(nóng)山莊的諾克斯縣歷史博物館而出版的“美國(guó)機(jī)械工程師學(xué)會(huì)的歷史性機(jī)械工程里程碑”。描述這種發(fā)動(dòng)機(jī)的另一個(gè)出版物可參見(jiàn)Bourn、Gingrich和Smith的“用于提升操作、可靠性和完整性的先進(jìn)的壓縮機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)控制”，美國(guó)德克薩斯州圣安東尼奧市的美國(guó)西南研究院，美國(guó)能源部資助編號(hào)DE-FC26-03NT41859，美國(guó)西南研究愿項(xiàng)目編號(hào)03.10198，2004年3月。
[0005]上述類型的傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作良好并且繼續(xù)應(yīng)用直到現(xiàn)在。另一方面，它們?nèi)匀痪哂行枳鲞M(jìn)一步研究和探索而克服的某些缺點(diǎn)。舉出這種缺點(diǎn)的一些例子，發(fā)動(dòng)機(jī)具有如下傾向:在冷時(shí)難以啟動(dòng)；在冷時(shí)運(yùn)行不平穩(wěn)，有機(jī)械應(yīng)力施加在移動(dòng)部件(諸如活塞和軸承)上并且有損壞火花點(diǎn)火器的提前點(diǎn)火事件；在燃燒循環(huán)的峰值點(diǎn)火壓力的相對(duì)較高變動(dòng)和峰值點(diǎn)火壓力的正時(shí)變動(dòng)情況下運(yùn)行；排放過(guò)多的N0x、未燃燒烴類和過(guò)多的C0 ;以及由于施加在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)上的折中因而在低于理論效率的效率下運(yùn)行。
[0006]因此，往復(fù)式活塞內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域的一篇概述展現(xiàn)了通過(guò)使用預(yù)燃燒室來(lái)啟動(dòng)火炬樣的輸出以導(dǎo)致稀燃燃料空氣混合物的點(diǎn)火從而改進(jìn)這種發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室中的稀燃的各種嘗試。
[0007]因此，對(duì)于用于克服或避免所述缺點(diǎn)并且使發(fā)動(dòng)機(jī)排放符合現(xiàn)代排放標(biāo)準(zhǔn)的這種發(fā)動(dòng)機(jī)的改進(jìn)的燃燒室設(shè)計(jì)存在著需求。然而，獲得這種改進(jìn)不必以晝夜不停工作的發(fā)動(dòng)機(jī)的過(guò)長(zhǎng)停機(jī)時(shí)間或者對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)部件進(jìn)行較大修改為代價(jià)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)部件的較大修改將會(huì)需要代價(jià)高且長(zhǎng)時(shí)間的測(cè)試和探索來(lái)證明其可行性并顯示成功結(jié)果。這種發(fā)動(dòng)機(jī)不再被制造，并且發(fā)動(dòng)機(jī)的修理和大修經(jīng)常要求制造部件來(lái)更換不再容易獲得的磨損元件和部件。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明提供一種用于對(duì)內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)主燃燒室中的燃燒和所形成發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行改進(jìn)的方法。該發(fā)動(dòng)機(jī)包括布置在頭部與往復(fù)式活塞之間的主燃燒室。在頭部與主燃燒室之間設(shè)置熱保持元件。該熱保持元件構(gòu)造成減小從主燃燒室進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)頭部的熱傳遞。設(shè)置預(yù)燃燒室，其包括反應(yīng)室。該反應(yīng)室構(gòu)造成具備空氣/燃料的二次充量和第一火花點(diǎn)火器。反應(yīng)室經(jīng)由構(gòu)造成將燃料徑向物料從反應(yīng)室排放入主燃燒室中的多個(gè)排放通道而與主燃燒室相連通。燃料徑向物料是從二次充量中產(chǎn)生。熱保持元件是聯(lián)接到頭部的自支撐結(jié)構(gòu)。熱保持元件包括面向頭部部分，該面向頭部部分的形狀大體上對(duì)應(yīng)于主燃燒室的面向頭部的一部分。
[0009]此外，本發(fā)明提供一種用于改進(jìn)往復(fù)式活塞內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室中的燃燒的方法。發(fā)動(dòng)機(jī)包括布置在頭部與往復(fù)式活塞之間的主燃燒室。該方法包括設(shè)置在頭部與主燃燒室之間的熱保持元件，該熱保持元件構(gòu)造成減少?gòu)闹魅紵疫M(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)頭部的熱傳遞。熱保持元件是聯(lián)接到頭部的自支撐結(jié)構(gòu)。熱保持元件包括面向頭部部分，該部分的形狀大體上對(duì)應(yīng)于主燃燒室的面向頭部的一部分。熱保持元件被設(shè)置成使得在熱保持元件的面向頭部部分與主燃燒室的面向頭部部分之間形成一個(gè)間隙。
[0010]本發(fā)明還提供一種熱保持元件，該熱保持元件構(gòu)造成被安裝在內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的頭部與主燃燒室之間；發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室是在頭部與往復(fù)式活塞之間。熱保持元件構(gòu)造成減少?gòu)闹魅紵疫M(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)頭部的熱傳遞。熱保持元件是聯(lián)接到頭部的自支撐結(jié)構(gòu)，并且包括面向頭部部分，該部分的形狀大體上對(duì)應(yīng)于主燃燒室的面向頭部的一部分。熱保持元件被設(shè)置成使得在熱保持元件的面向頭部部分與主燃燒室的面向頭部部分之間形成間隙。
[0011]所公開概念的目的是提供一種用于如上所述地對(duì)傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)的主燃燒室進(jìn)行重新設(shè)計(jì)的方案；該方案僅包括通過(guò)采用包括改變和添加發(fā)動(dòng)機(jī)頭部區(qū)中的部件的簡(jiǎn)單解決方案對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的頭部和燃燒室在頭部區(qū)中的部分進(jìn)行修改，所述簡(jiǎn)單解決方案可避免上述缺點(diǎn)并且提高發(fā)動(dòng)機(jī)的工作平順性和效率。
[0012]本發(fā)明提出了用主燃燒室再生式熱保持器元件或者用于目前使用于傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)和采用相同燃料和點(diǎn)火技術(shù)的類似發(fā)動(dòng)機(jī)中所使用的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)頭部中的燃?xì)馍淞鼽c(diǎn)火器裝置的系統(tǒng)，來(lái)替換Goossak型徑向預(yù)燃燒自由基產(chǎn)生的反應(yīng)室和點(diǎn)火系統(tǒng)。
[0013]基于以下的描述和附圖，用于改進(jìn)往復(fù)式活塞內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的主燃燒室中的啟動(dòng)和操作性燃燒的方法的實(shí)施例以及所形成的改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)施例的許多其它優(yōu)點(diǎn)、特征和功能將變得顯而易見(jiàn)和更好地理解。以下的描述并非意圖限制用于改進(jìn)往復(fù)式活塞內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的主燃燒室中的啟動(dòng)和操作性燃燒的方法以及所形成改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)施例的范圍，相反僅僅提供示例性實(shí)施例以便于理解。
[0014]本文中所描述實(shí)施例和實(shí)例的一個(gè)特征包括一種對(duì)具有例如主缸體和流體冷卻頭部的往復(fù)式活塞內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)主燃燒室中的啟動(dòng)和操作性稀燃進(jìn)行改進(jìn)的方法，這種燃燒室是由在各發(fā)動(dòng)機(jī)活塞上方的可變?nèi)莘e所限定，其中提供以下步驟:
(a)提供不同于位于發(fā)動(dòng)機(jī)頭部?jī)?nèi)部的發(fā)動(dòng)機(jī)主缸體和頭部的熱保持元件，該熱保持元件保持各燃燒循環(huán)的燃燒熱以便將其傳遞至隨后燃燒循環(huán)的充量；
(b)將熱保持元件安裝在頭部中作為具有面向頭部部分的自支撐結(jié)構(gòu)，該面向頭部部分具有大體上對(duì)應(yīng)于由頭部所限定的主燃燒室的部分的形狀的形狀，并且在發(fā)動(dòng)機(jī)工作之前至少在面向頭部部分與頭部之間存在間隙，并且所布置的間隙的大小基于發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)之后熱保持器的溫度而改變，因此熱傳遞元件與頭部之間的熱傳遞速率是作為發(fā)動(dòng)機(jī)工作期間的間隙大小的函數(shù)而改變，以優(yōu)化在壓縮沖程的后階段期間與熱保持元件接觸的燃料-空氣層的溫升。
[0015]通過(guò)利用在發(fā)動(dòng)機(jī)工作期間位于頭部?jī)?nèi)部的熱保持器的自然熱膨脹和收縮，而改變步驟(b)的間隙的大小。在發(fā)動(dòng)機(jī)工作期間，可將該間隙減小到零，以便在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)下有效地增加熱保持器與頭部之間的熱傳遞，該熱傳遞導(dǎo)致熱保持器的高加熱同時(shí)保持將熱傳遞至與熱保持元件接觸的燃料-空氣層的能力。
[0016]發(fā)動(dòng)機(jī)頭部和熱保持器分別具有:頭部和熱保持器的熱擴(kuò)散率、頭部和熱保持器的熱容量、及頭部和熱保持器的熱傳遞系數(shù)。熱保持器是由如下材料制成，該材料具有以下的至少一種:低于頭部熱擴(kuò)散率的熱保持器熱擴(kuò)散率、大于頭部熱容的熱保持器熱容、和低于頭部熱傳遞系數(shù)的熱保持器熱傳遞系數(shù)。適用于本公開的發(fā)動(dòng)機(jī)可以是液體冷卻、二沖程、直接噴射的天然氣燃料稀燃發(fā)動(dòng)機(jī)，該發(fā)動(dòng)機(jī)在一個(gè)構(gòu)造中優(yōu)選地包括位于發(fā)動(dòng)機(jī)頭部處的預(yù)燃燒室，該預(yù)燃燒室具有一個(gè)空間，其中預(yù)燃燒室具備在預(yù)燃燒室空間內(nèi)部的火花點(diǎn)火器并且接收用于發(fā)動(dòng)機(jī)各燃燒循環(huán)的二次空氣/燃料的充量。
[0017]目前的發(fā)動(dòng)機(jī)中的預(yù)燃燒室和火炬點(diǎn)火器使用火花點(diǎn)火的預(yù)燃燒室，給該預(yù)燃燒室提供高體積的點(diǎn)火氣體，以與主燃燒室燃燒循環(huán)定時(shí)的關(guān)系將該點(diǎn)火氣體點(diǎn)燃從而產(chǎn)生熱燃燒燃料的射流或“火炬”，該射流被噴射入主燃燒室，其中主充量已被允許點(diǎn)燃用于各燃燒事件的主充量。需要火炬點(diǎn)火器裝置，這主要是由于主燃燒室中的稀燃條件和主燃燒室中的其它條件。
[0018]通過(guò)除去點(diǎn)火器的噴嘴端部并且用設(shè)置有多個(gè)排放孔的具有尖銳進(jìn)入和離開邊緣、限定的長(zhǎng)度、和限定的孔尺寸的端蓋來(lái)更換相同的Goossak型反應(yīng)室并且結(jié)合使用規(guī)定的反應(yīng)室容積與主燃燒室容積的比率、規(guī)定的反應(yīng)室空氣/燃料混合物、規(guī)定的主燃燒空氣/燃料混合物、和規(guī)定的反應(yīng)室與主燃燒室之間的壓力差，而對(duì)目前的預(yù)燃燒室和氣體火炬點(diǎn)火器進(jìn)行改進(jìn)。
[0019]任選地，主燃燒室中的火花點(diǎn)火器和輔助電加熱器可用于對(duì)基本氣缸頭部的改進(jìn)。
[0020]主燃燒室中的再生式熱保持元件或系統(tǒng)可以是涂層、固體元件、或者僅位于燃燒室的改進(jìn)的頭部端部的其它裝置，以及燃燒室與燃料噴射器之間的充分密封、反應(yīng)室孔蓋、與主燃燒室相連通的火花點(diǎn)火器和其它物件。假設(shè)頭部11的材料具有規(guī)定的熱擴(kuò)散率、熱容量和熱傳遞系數(shù)，那么再生式熱保持器20的材料將被選擇成具有低于頭部11的熱擴(kuò)散率(平方英尺/小時(shí))、高于頭部11的熱容量CpXp (Btu/立方英尺F)和低于頭部11的熱傳遞系數(shù)k (Btu/hr ft.F)中的一個(gè)或多個(gè)?？蓪㈦娂訜嵫b置埋入熱保持器或發(fā)動(dòng)機(jī)的頭部中，用于給主燃燒室的重要區(qū)域加熱。
[0021]所獲得的是更加穩(wěn)定和可靠的點(diǎn)火正時(shí)和充量點(diǎn)火、更穩(wěn)定但更短的燃燒事件、較低的燃燒溫度以及減少的NOx、改善的變異系數(shù)(C0V)(表示為各燃燒循環(huán)的燃燒事件之間的峰值點(diǎn)火壓力(PFP)的標(biāo)準(zhǔn)偏差)、以及PFP的位置、較低的一氧化碳(C0)排放和改善的特定燃料消耗(SFC);以上所有均未犧牲功率，并且有可能提高功率。
[0022]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)示例性形態(tài)，提出了一種用于對(duì)水冷卻、二沖程、直接燃料噴射、天然氣燃料燃燒、往復(fù)式活塞內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的主燃燒室中的啟動(dòng)和操作性燃燒進(jìn)行改進(jìn)的方法；該內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)通常包括: