技术领域
[0001] 本
发明整体涉及使用替代燃料的内燃机(ICE)，并且更具体地涉及这些内燃机的自点火操作。
背景技术
[0002] 替代燃料代替基于
原油的燃料是一直受到关注的主题，特别是关于对诸如柴油燃料、轻
燃料油(LFO)、以及重燃油(HFO)等基于原油的燃料的替换。替代燃料包括第一代
生物燃料(例如
棕榈油、油
菜籽油、芥花油、动物脂肪油等)和第二代生物燃料(例如由非粮食作物、即
生物质废料制成的油)。
[0003] 第二代生物燃料的实例包括对例如木制品或诸如麦秸或玉米杆、草、木材、木屑、
葡萄藤和
甘蔗等农业废料的
热解而获取的“热解油”。一般而言，热解油主要通过“快速热解”技术生产，其包括生物质在流态化的起泡沙床反应器中的快速热解，其中，固态载热介质循环，并因此较好地控制固体
停留时间并获得高的加热速率(高达1000℃/秒)。
[0004] 诸如热解油等替代燃料的化学成分和物理特性与例如柴油、LFO、和HFO等基于原油的燃料有明显的不同，尤其是关于高含量的
水和
氧，导致相当低的热值和降低的点火特性。通常，替代燃料可具有低的
十六烷值。例如，热解油可具有在4至15范围内的十六烷值，其主要影响自点火特性。与其相比，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] 总之，替代燃料的使用需要内燃机(特别是以中速操作的大型内燃机)适应于替代燃料的这些特定特征。
[0006] 由于燃料的低动
力性，替代燃料在内燃机中的使用尤其影响操作的类型。对于基于热解油的燃料，低动力性可能部分地与高水含量、十六烷值和热解油内侧的长分子链直接相关。
[0007] 已提出点燃热解油的各种方法。例如，GB 2349175A披露了使用富氧空气的热解油操作的
发动机。此外，参见例如Eur Ing J H Blowes于2003年9月的ETSU B/T1/00761/00/REP，URN 02/1437 的“EVALUATION OF COMPLEMENTARY TECHNOLOGIES TO REDUCE BIO ENGINE EMISSIONS”、以及D.Chiaramonti等人在2005Elsevier，Renewable and Sustainable Energy Reviews的“POWER GENERATION USING FAST PYROLYSIS LIQUIDS FROM BIOMASS”，对点火喷射的使用进行了测试。
[0008] 对于
柴油发动机，例如在EP 1273795B1和EP 2136054A1中披露了在变化的时刻喷射燃料的系统。这些系统基于
凸轮轴作为调节在早开始时刻和晚开始时刻之间燃油输送开始的装置。
[0009] 本发明至少部分地涉及改进或克服相关
现有技术的一个或多个方面，并且特别是提供使用替代燃料的
喷嘴系统。
发明内容
[0010] 根据本发明的一方面，一种使用低十六烷燃料操作自点火内燃机的方法可包括：提供内燃机，其具有至少为17:1、例如在17:1至22:1的范围内、诸如18:1、19:1、20:1、
21:1和22:1的压缩比；使用具有在340K至360K范围内的最低
温度的充气加载所述内燃机的
燃烧室；在
上止点之前，以所述内燃机
活塞在20度至10度范围内的喷射
角将所述低十六烷燃料喷射进所述充气，从而形成低十六烷燃料-充气混合物；以及进一步压缩所述低十六烷燃料-充气混合物，以实现至少1000K的压缩终点温度(例如在1000K至1300K的范围内，例如1200K)，从而允许所述低十六烷燃料的自点火。
[0011] 在另一方面中，一种切换至使用低十六烷燃料操作自点火内燃机的方法可包括：使用基于原油的燃料和用于冷却和喷射正时的各设定操作所述内燃机；使用切换燃料和用于冷却和喷射正时的各设定切换并操作所述内燃机，直到所述内燃机清除基于原油的燃料残留；并且然后根据上述的方法使用低十六烷燃料切换和操作所述内燃机。
[0012] 在又一方面中，一种用于使用低十六烷燃料操作的自点火内燃机，所述自点火内燃机可包括：具有活塞的
气缸单元，所述活塞限定燃烧室，在所述活塞的操作循环过程中，所述燃烧室以至少17:1、例如在17:1至22:1的范围内、诸如18:1、19:1、20:1、21:1和22:1的压缩比减少尺寸；空气系统，能够使用具有至少350K的最低温度的充气加载所述燃烧室；以及喷射系统，其能够在上止点之前，以活塞的在20度至10度的范围内、例如在
17.5度至11度之间、诸如16度的喷射角喷射所述低十六烷燃料，因此在所述燃烧室内形成低十六烷燃料-充气混合物，其中，在所述自点火内燃机的操作期间，对于所述低十六烷燃料-充气混合物设置至少1000K的自点火压缩终点温度。
[0013] 在一些实施方式中，例如，基于挠性
凸轮轴技术或共轨技术，使用喷射系统的前期
位置设定，喷射角可设定在20度至10度的范围内，例如在17.5度至11度的范围内，诸如为17度、16度和15度的角度。
[0014] 在一些实施方式中，活塞可限定燃烧室，并且方法可进一步包括摆动活塞，使得在内燃机的压缩循环过程中燃烧室以至少17:1、例如为18:1的压缩比减少尺寸。
[0015] 结合下述说明和
附图，本发明的其他特征和方面将更加明显。
附图说明
[0016] 图1示出内燃机系统的示意性
框图；以及
[0017] 图2是示出内燃机自点火操作的
流程图。
具体实施方式
[0018] 下面是本发明示例性实施方式的具体说明。本文所描述和附图示出的示例性实施方式用于教导本发明的原理，使该领域普通技术人员能够在很多不同环境和很多不同应用中实施并使用本发明。因此，示例性实施方式不用于也不应该被认为是对
专利保护范围的限制性说明。而是，专利保护范围由所附
权利要求限定。
[0019] 本发明可部分地基于以下认识：针对替代燃料(尤其是热解油)应用的自燃空气可基于高于1000K的燃烧终点温度，例如在1100K和1300K之间的范围内，诸如1200K。可通过如下方式达到该燃烧终点温度：a)相对于常规柴油发动机(具有ε(epsilon)值为16的
大型柴油发动机)增加压缩比(例如，ε值增加至18)；b)调节充气系统，以提供升高的充气温度；以及c)在上止点之前，例如以20度至10度范围内、诸如17.5度和11度之间的喷射活塞角度，比诸如HFO/柴油等基于原油的燃料更早地喷射热解油。
[0020] 假设内燃机在这些条件下可操作，则可以允许内燃机使用基于原油的燃料以及诸如热解油的替代燃料进行操作，并且还可以允许在内燃机的连续操作过程中在基于原油的燃料与替代燃料之间进行切换。
[0021] 燃料之间的这种切换可基于例如在Caterpillar Motoren GmbG&Co.KG于同天提交的
申请“ETHANOL-BASED FUEL AND USE THEREOF”中所披露的切换燃料。此外，例如在Caterpillar Motoren GmbG&Co.KG于同天提交的申请“OPERATING A POWER PLANT WITH ALTERNATIVE FUELS”中详细披露了合并有这种内燃机的系统。这些申请的内容在此以引用的方式并入本文。
[0022] 图1示出内燃机系统1的示意性框图。系统1可包括外部燃料系统10、内燃机20、以及控制系统。
[0023] 外部燃料系统10可包括用于诸如低十六烷燃料(例如热解油和基于
乙醇的切换燃料)等替代燃料的一个或多个容器12、用于诸如柴油、HFO、和LFO等基于原油的燃料的一个或多个容器14、以及用于添加剂的一个或多个容器16。外部燃料系统10还可包括外部燃料供应系统18，用于供应在诸如温度和
粘度等各条件下所需类型的燃料。经由燃料管线19，外部燃料供应系统18可与各容器12、14和16以及内燃机20
流体连接。燃料管线19在图1中以粗线示出。外部燃料供应系统18可包括用于燃料(尤其是诸如热解油等替代燃料)均化的均化器(未示出)，和/或用于调节燃料燃烧参数的一个或多个处理单元(未示出)。
[0024] 内燃机20可包括燃烧单元、与外部燃料系统18流体连接的喷射系统22、以及空气系统。
[0025] 内燃机20可构造为使
用例如热解油和/或热解油与添加剂(诸如
润滑油、矿物油、合成油和/或天然油)的混合物进行操作。内燃机20还可允许使用诸如柴油和HFO等基于原油的燃料进行操作。
[0026] 燃烧单元可设置有一个或多个气缸单元24，每个气缸单元24具有由气
缸套(未示出)限定的燃烧室26、气缸盖(未示出)、以及由
连杆30连接至
曲轴32的活塞28。
[0027] 燃烧室26的压缩比可在ε值高于16的范围内，例如在16至20之间的范围内，诸如18。ε值为18意味着在压缩冲程期间当活塞28从
下止点(BDC；活塞28的最低位置)运动至上止点(TDC；活塞28的最高位置)时燃烧室26的体积以系数18被压缩。为了在具有例如ε值为16的标准柴油发动机中实现该ε值，可使用
垫圈来延长连杆30几毫米。取决于发动机的结构和尺寸，例如对于高速发动机和小型发动机，连杆30或活塞28可在结构上进行
修改，以达到所需的自点火温度。
[0028] 喷射系统22可构造为调节诸如喷射压力、喷射正时、以及喷射次数和类型(例如预喷射和后喷射)等喷射参数。喷射系统22可包括例如用于常规的
泵-管线-喷嘴喷射或共轨喷射系统的喷射喷嘴34和凸轮从动喷射泵系统(未示出)。在共轨喷射系统的情况下，喷射系统22还可允许调节轨压。
[0029] 凸轮喷射泵系统可以为如上述的EP 1273795B1和EP 2136054A1中披露的挠性凸轮轴构造，并可允许调节早开始时刻和晚开始时刻之间的燃料喷射的开始。在从20度至10度的范围内，在到达TDC之前，早开始可以为17.5度，在到达TDC之前，晚开始可以为11度。
[0030] 喷射喷嘴34可以由燃料喷射泵供给加压的替代燃料，并可构造为喷射例如热解油至燃烧室26内。
[0031] 空气系统可包括单级或多级
涡轮增压器系统36、高温(HT)冷却系统(例如约340K的最低冷却剂温度)、和低温(LT)冷却系统(例如约310K的最低冷却剂温度)、以及进口
阀38和出口阀40。
[0032]
涡轮增压器系统36可包括例如一个或两个压缩级，其中充气侧的
压缩机可由排气侧的
涡轮机驱动。
[0033] 由于当使用诸如热解油等替代燃料运行内燃机时具有较低的排气体积流量，压缩机可能不会像使用基于原油的燃料操作过程中那样被有力地驱动。因此，与使用柴油操作过程中相比，在使用热解油的操作过程中，来自周围环境的充气可较少地被压缩，并相应地由
涡轮增压器系统36较少地加热。
[0034] HT冷却系统和LT冷却系统可在涡轮增压器系统36的压缩级之前和/或之后设置冷却器。例如，作为沿流动方向的序列，空气系统可包括位于最后压缩级与前进口阀38之间的HT冷却系统的HT冷却器42和LT冷却系统的LT冷却器44。例如在Caterpillar Motoren GmbG&Co.KG的欧洲专利申请EP 11182936中披露了可选的冷却系统。
[0035] 为了向燃烧室26提供具有升高温度的充气，可减少对压缩的充气的冷却。例如，可仅操作HT冷气器42或LT冷气器44。例如，与针对使用两个冷却器的常规柴油操作的约333K的充气温度相比，仅操作HT冷却器42可导致在充气之前用于压缩的充气的约353K的温度。
[0036] 燃烧单元22及由此具有喷射喷嘴34的喷射系统22以及内燃机20的燃烧室26的数量不被具体限制。例如，静止或可移动的动力系统可包括用于
串联结构的6个、7个、8个或9个燃烧单元22，同时内燃机的V型结构可包括例如12个、16个、18个或20个燃烧单元22。
[0037] 发动机系统1的操作可由控制系统控制。具体而言，控制系统可构造为基于所需机械输出和在一些系统中所需热输出来控制内燃机20的操作。
[0038] 控制系统可包括控制单元50和一个或多个控制
传感器(未示出)，诸如温度传感器、
压力传感器、和粘度传感器。控制传感器可构造为测量例如在不同压力级的充气和排气的温度和压力、以及外部燃料系统10(尤其为外部燃料供应系统18)和喷射系统40中燃料的温度和压力，并向控制单元50提供这些数据。可测量例如外部燃料系统18和/或燃料系统22中的粘度。
[0039] 控制单元50可以为单个
微处理器或多个微处理器，其可包括用于控制尤其燃烧单元22、HT冷却器42、和LT冷却器44以及例如阀的内燃机其他元件的装置。控制单元50可以为能够控制与发动机和/或其相关元件相关联的多种功能的一般
发动机控制单元(ECU)。控制单元50可包括运行应用所需的所有元件，诸如
存储器、辅助存储装置、以及诸如中央处理单元的处理器或该领域中已知的用于控制内燃机及其各元件的任何其他装置。
其他各种已知
电路可与控制单元50相关联，包括电源电路、
信号调节电路、通信电路、和其他合适的电路。控制单元50可分析并比较所接收和存储的数据，并基于存储在存储器中或由用户输入的指令和数据确定是否需要动作。
[0040] 例如，控制单元50可将接收的值与储存在存储器中的目标值进行比较，并且基于比较的结果，控制单元50可发送信号至一个或多个元件，以改变其操作状态。
[0041] 控制单元50可包括该领域中已知的任意存储装置，用于存储与内燃机及其元件的操作相关的数据。数据可以以一个或多个映射的形式存储，映射例如将阀的操作与压缩机上游和下游进气的温度和/或进入燃烧室26的充气温度相关联，和/或对它们进行描述。各个映射可以是表格、图表、和/或方程式的形式，并包括从实验室和/或室外操作收集的内燃机的数据的汇编。映射可通过在各种操作条件下对内燃机的操作执行仪器测试并同时变化与其相关联的参数来生成。
控制器可参考这些映射并响应于另一元件的期望的操作来控制一个元件的操作。
[0042] 具体而言，控制单元50可构造为从各种控制传感器接收输入。使用来自控制传感器的输入，控制单元50可构造为经由控制连接52控制外部燃料供应系统18、喷射系统22、涡轮增压器系统36、HT冷却系统(具体为HT冷却器42)、以及LT冷却系统(具体为LT冷却器44)的操作。控制连接52在图1中以虚线示出。
[0043] 例如，控制单元50可调节阀以阻塞、增加或减少经HT冷却器42和/或LT冷却器44引导的冷却剂量，直到达到期望的充气温度。
[0045] 本发明的构思涉及使用诸如热解油等低十六烷替代燃料来操作作为自点火发动机的内燃机。此外，该构思可提供这样的发动机参数，其也允许使用诸如HFO和LFO等基于原油的燃料来操作作为自点火发动机的内燃机。此外，该构思可允许利用特定切换燃料来操作作为自点火发动机的内燃机，该燃料以媒介方式使用，以避免基于原油的燃料与诸如基于热解油的燃料等替代燃料的任意混合，但其本身与这两种燃料类型都相容。
[0046] 例如，基于乙醇的燃料可包括：基于乙醇和
蓖麻油的总体积，乙醇的体积占40％-90％，以及蓖麻油的体积占60％-10％，并且可选地包括总量占乙醇和蓖麻油总重量的高达3％重量的一种或多种添加剂。
[0047] 乙醇可来自生物源。如本文和所附权利要求中使用的术语“乙醇”包括纯乙醇(即，乙醇包含少于0.5％体积的水)和包含大量水的乙醇。
[0048] 作为生物油，蓖麻油可用在本发明的基于乙醇的燃料中。蓖麻油是从蓖麻(Ricinus communis)的蓖麻子获取的蔬菜油。蓖麻醇酸是蓖麻油的主要
脂肪酸链(占85％-95％重量)，其在C12处具有羟基，这为脂肪酸链提供极性，改进了如乙醇的极性液体的可溶性。同时，蓖麻醇酸的其他非极性
烃链仍然提供足够的非极性特征，使得蓖麻油与例如基于原油的燃料(诸如柴油燃料、LFO或HFO)的非极性液体可溶混。
[0049] 乙醇含量可以在体积上占40％-80％(例如，在体积上占45％-65％、或者在体积上占45％-55％、或者在体积上占48％-52％)，而蓖麻油含量在体积上占60％-20％(例如，在体积上占55％-35％、或者在体积上占55％-45％、或者在体积上占52％-48％)。由于经济上的原因，当基于乙醇的燃料用于内燃机特别是自点火内燃机的连续操作(长时间操作)时，基于乙醇燃料中的乙醇含量可以尽可能的高，例如在体积上占60％-90％，或者在体积上占70％-90％、或者在体积上占80％-90％、或者在体积上占85％-90％。
[0050] 基于乙醇的燃料可选地包括例如总量占乙醇和蓖麻油总重量高达3％重量的一种或多种添加剂，优选地总量占乙醇和蓖麻油总重量高达2％重量，特别是总量高达1％的重量。所述添加剂可选自下述构成的添加剂组：热稳定剂、老化稳定剂、抗
氧化剂、
染色剂、染料、防锈剂、胶质形成
抑制剂、金属
钝化剂、上缸
润滑剂、摩擦改良剂、清洁剂、
抑菌剂、杀
真菌剂、
杀微生物剂及上述的混合物。
[0051] 如果根据所用发动机类型或需要使用添加剂的任何其他情况考虑需要添加剂，则可选地包括在基于乙醇的燃料中的添加剂可用于改进基于乙醇燃料的一种或多种特性。然而，考虑到环境因素(增加的排放)，基于乙醇的燃料可设置为不具有任何添加剂。
[0052] 在上 述 例 如由Caterpillar Motoren GmbG&Co.KG 于同 天 提交 的 申 请“ETHANOL-BASED FUEL AND USE THEREOF”中披露了基于乙醇的燃料的更多细节。
[0053] 参照图2的流程图，其示出内燃机系统1的操作。
[0054] 基于提供适于具有18压缩比(步骤100)的内燃机，任务可以是执行内燃机的自点火操作(步骤102)。对于热解油的自点火，在例如140巴的压力下，可能期望压缩室中的温度达到高于1000K。
[0055] 由增大的压缩比导致在TDC处燃烧室内的高压缩以及由此导致的高压，可部分地达到该温度。
[0056] 此外或替代地，设定空气系统参数可增加温度(步骤200)。具体而言，可操作涡轮增压器以预压缩并因此加热充气(步骤202)。在最后压缩机级的出口，预压缩充气的温度可以为419K。
[0057] 由于当使用基于原油的燃料和诸如热解油等替代燃料来运行内燃机时排出气体体积流量的不同，涡轮增压器系统36的压缩机可提供充气的不同预压缩程度。例如，与柴油操作过程相比，在热解油操作期间，压缩机不能被有力地驱动，并且来自环境压力(例如在298K时)的充气较少地被压缩，并因此仅由涡轮增压器系统36加热至约419K。
[0058] 由于作为替代燃料的实例的热解油降低的内能，可修改并以机械方式优化涡轮增压器。例如，可修改涡轮的
叶轮，从而以降低的排出气体体积流量提供足够的压缩。替代地或额外地，可使用例如具有低压级和高压级的多级涡轮增压器系统。
[0059] 然后可利用通常包括LT和HT冷却回路的冷却系统降低预压缩充气的温度。这些系统可用于将预压缩充气冷却至353K的最低温度。例如，可仅(或主要)使用HT冷却回路的HT冷却器42实施冷却(步骤204)。此外，可控制HT冷却剂的流量，以不会冷却至最低温度之下。
[0060] 最低温度取决于替代燃料的压缩比和类型、以及替代燃料的喷射正时。例如，最低温度可在340K至360K之间的范围内。
[0061] 替代地或额外地，可使用LT冷却回路实施冷却(步骤206)，例如使用经冷却器44的冷却剂的受限流量。在一些
实施例中，可以不需要任何LT冷却。
[0062] 此外或替代地，设定燃料系统参数(步骤300)可增加温度。例如，可调节诸如
含水量、分子量等燃料参数(步骤302)。
[0063] 此外或替代地，可修改喷射正时(步骤304)。例如，为在冲程过程中增强压缩室内充气对作为替代燃料实例的热解油的加热，与通常在柴油操作期间喷射的HFO或DFO相比，可更早地喷射热解油。可通过如下方式实现早喷射，例如，通过将挠性凸轮轴系统设定在其早期位置，从而在上止点之前以如下角度喷射热解油，例如以20度至10度范围内的角度，例如在17.5度至11度之间，诸如17度、16度或15度。
[0064] 使用所披露的发动机操作参数，可实现例如140巴压力时温度至少为1000K(例如对于热解油为1130K)的自点火热解油-充气混合物。
[0065] 在本发明披露的实施方式中，可提供至少17:1的压缩比(例如在17:1至22:1的范围内，诸如18:1、19:1、20:1、21:1和22:1)与至少1000K温度下(例如在1100K至1300K之间的范围内，诸如1200K)的压缩的充气混合物。
[0066] 本文中，术语“大型内燃机”是指如下的内燃机，其可用作固定动力提供系统的主要或辅助发动机，固定动力提供系统为诸如用于产热和/或发电的动力厂，以及用于生产诸如巡洋舰、货船、
集装箱船、辅助舰、和油轮等船只/
船舶的动力厂。
[0067] 此外，本文使用的术语“内燃机”不受具体限制，并包括任意发动机，其中燃料的燃烧通过氧化剂发生，以产生高温和高压气体，其直接施加至诸如活塞或涡轮
叶片等发动机的可动部件，并使其运动一定距离，从而产生机械能。因此，如本文所使用的，术语“内燃机”包括活塞式发动机和涡轮，其能够例如使用诸如热解油等替代燃料操作。
[0068] 适用于替代燃料的这种发动机的实例包括在500转/分至1000转/分的范围内操作的中速柴油内燃机，如由德国的Caterpillar Motoren GmbH&Co.KG,Kiel生产的串联式和V型发动机系列M20、M25、M32、M43。此外，所披露的构思可应用于二冲程发动机。
[0069] 虽然本文描述了本发明的优选实施方式，在不偏离所附权利要求的范围的情况下，可合并有改进和修改。
