專利名稱：運(yùn)行壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)的方法和系統(tǒng)的制作方法
運(yùn)行壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)的方法和系統(tǒng)本發(fā)明涉及運(yùn)行壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)的方法和特別是使用含醚燃料運(yùn)行所述發(fā)動(dòng)機(jī)。本發(fā)明還提供用于應(yīng)用本發(fā)明的系統(tǒng)。壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)的最典型的例子是使用高十六烷值柴油燃料運(yùn)行的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)。為減少由柴油燃料燃燒產(chǎn)生的環(huán)境污染，過(guò)去人們數(shù)次嘗試了使用環(huán)境影響小的替代燃料來(lái)取代柴油燃料。醚，特別是通過(guò)低級(jí)醇脫水制備的醚，如二甲醚和二乙醚，已被證明是出眾的柴油燃料。在許多出版物，例如美國(guó)專利4，892，561,5, 906, 664和7，449，034，中已經(jīng)記述了
使用低級(jí)醚作為柴油燃料。盡管醚基燃料具有在柴油發(fā)動(dòng)機(jī)中的高效率和清潔燃燒特性，但其主要缺陷在于難以在車(chē)上儲(chǔ)存和處理。在環(huán)境條件下，二甲醚呈氣態(tài)形式。為將二甲醚燃料轉(zhuǎn)變成更方便的液態(tài)形式，必須在壓力下儲(chǔ)存和處理所述燃料。盡管二乙醚在環(huán)境條件下呈液態(tài)形式，但此醚具有高蒸汽壓且在與空氣接觸時(shí)有很高的爆炸危險(xiǎn)。現(xiàn)代的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)具備共軌燃料系統(tǒng)。該系統(tǒng)由高壓泵和在大于2，000巴的高壓下儲(chǔ)存燃料的燃料蓄壓室(accumulation chamber)組成。該蓄壓室向多個(gè)燃料噴射器提供高壓燃料。過(guò)剩的燃料被從該室取回，減壓并再循環(huán)到燃料箱。在美國(guó)專利6，340，003中記述了使用醚作為柴油發(fā)動(dòng)機(jī)燃料的這種系統(tǒng)。通過(guò)該專利的方法，初級(jí)的甲醇燃料在被引入蓄壓室之前被加壓和轉(zhuǎn)化成含醚的柴油燃料。該方法的缺陷出現(xiàn)在當(dāng)必須從所述室中除去過(guò)剩的含醚燃料和再循環(huán)到燃料箱時(shí)，其需要兩個(gè)油箱，一個(gè)用于醇燃料，一個(gè)用于轉(zhuǎn)化的含醚燃料。本發(fā)明的一般目的在于提供一種在車(chē)上將基于低級(jí)醇或多種低級(jí)醇的混合物的初級(jí)燃料轉(zhuǎn)化成含醚的二級(jí)燃料以運(yùn)行裝備有共軌燃料系統(tǒng)的壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)而無(wú)特別是在車(chē)輛中處理和儲(chǔ)存所述二次燃料的困難的方法。根據(jù)上述目的，本發(fā)明為使用通過(guò)轉(zhuǎn)化基于醇的初級(jí)燃料獲得的含醚燃料運(yùn)行壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)的方法，步驟包括
(a)從燃料箱連續(xù)取出所述基于醇的初級(jí)燃料并在所述基于醇的初級(jí)燃料的液態(tài)形式下將其加壓到最終的發(fā)動(dòng)機(jī)噴射壓力；
(b)將所述加壓的基于醇的初級(jí)燃料連續(xù)引入燃料蓄壓室；
(C)將所述加壓的基于醇的初級(jí)燃料連續(xù)分配到連接所述蓄壓室與發(fā)動(dòng)機(jī)燃料噴射器的管中；
(d)在所述燃料噴射器之前通過(guò)與設(shè)置在所述燃料噴射器上游的每個(gè)管中的醇脫水催化劑接觸將所述加壓的基于醇的初級(jí)燃料連續(xù)轉(zhuǎn)化成含醚燃料；
Ce)在噴射壓力下將所述含醚燃料連續(xù)噴射到所述發(fā)動(dòng)機(jī)中；和 Cf)從所述蓄壓室中連續(xù)取出一部分所述引入的基于醇的初級(jí)燃料；和 (g)將所述取出的基于醇的初級(jí)燃料減壓和再循環(huán)到所述燃料箱。
本發(fā)明還提供用于上述方法的系統(tǒng)，其包括
壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)；
適于儲(chǔ)存基于醇的初級(jí)燃料的燃料箱；
用于對(duì)所述基于醇的初級(jí)燃料加壓的高壓泵；
適于接收和儲(chǔ)存所述加壓的基于醇的初級(jí)燃料的蓄壓室；
用于連接所述蓄壓室與燃料噴射器的連接管，其中所述燃料噴射器用于將燃料噴射到所述壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)中；
設(shè)置在所述蓄壓室與所述燃料噴射器之間的每個(gè)所述連接管內(nèi)的醇脫水催化劑；和 用于將過(guò)剩的基于醇的初級(jí)燃料從所述蓄壓室再循環(huán)到所述燃料箱的再循環(huán)管線。·本發(fā)明的方法和系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于所有形成的醚燃料都立即用于在發(fā)動(dòng)機(jī)中燃燒并避免了過(guò)剩的醚燃料的儲(chǔ)存。過(guò)剩的基于醇的初級(jí)燃料被再循環(huán)到燃料箱。所述醚燃料的形成按照以下反應(yīng)通過(guò)醇向其相應(yīng)的醚的催化脫水實(shí)現(xiàn)
2CnH(2n+2)0 C2nH (4n+2) + H2O
醇向醚的脫水由液體或固體酸催化，如硫酸、氧化鋁、二氧化硅氧化鋁、沸石、磺酸、二氧化鋯-鎢酸鹽、氧化鋁磷酸鹽。醇脫水是平衡反應(yīng)。因此，平衡限制妨礙醇向醚和水的100%轉(zhuǎn)化。在例如由95w%乙醇和5w°/oK構(gòu)成的基于乙醇的初級(jí)燃料的反應(yīng)溫度下，在150-350°C之間的脫水溫度下平衡組成為9-21w%乙醇、19_22w%H20和59_71 %二乙醚。為確保所述組成保持均勻，有利的是或者在將所述初級(jí)燃料提供給所述蓄壓室時(shí)作為添加劑，或者是在所述燃料箱中或在將所述初級(jí)燃料提供給所述車(chē)輛時(shí)作為所述初級(jí)燃料的添加劑加入基本上不被所述脫水催化劑轉(zhuǎn)化的乳化劑。在本發(fā)明中所述初級(jí)燃料可基于的適合的醇除甲醇和乙醇之外還有它們的混合物以及其它醇。優(yōu)選的醇混合物為甲醇與乙醇的混合物。其它適當(dāng)?shù)幕诖嫉某跫?jí)燃料包括甲醇以及醇與烴類(如汽油)的共混物。后者包括可商購(gòu)獲得的E85 (其一般包含85%乙醇、13%汽油和2%MTBE (甲基叔丁基醚))，醇、汽油和汽油添加劑的其它組合物也可用于本發(fā)明。盡管它們被稱作醇與烴類的混合物，但汽油和汽油添加劑卻可能包含少量的非烴物質(zhì)，如有機(jī)金屬燃燒催化劑。假如所述初級(jí)燃料可與水混溶或者存在乳化劑從而可將水均勻地分布在所述初級(jí)燃料中，則所述初級(jí)燃料還可包括水。對(duì)本公開(kāi)來(lái)說(shuō)，二次燃料應(yīng)定義為由如上所定義的初級(jí)燃料形成的燃料混合物。所述二次燃料包含醚且具有可用的點(diǎn)火和燃燒特性適合用于壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)中。所述二次燃料包括上述的二乙醚/乙醇/水混合物以及甲醇含量直至20%且水含量直至20%的二甲醚/甲醇/水混合物，以及另外還包含烴類(如汽油)的類似的混合物。在美國(guó)專利7，449，034中，包含二甲醚、甲醇和直至48%水的柴油燃料已被證明是壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)的有效燃料。當(dāng)所述初級(jí)燃料包含汽油(包括添加劑在內(nèi))時(shí)，所述汽油也將包含在所述二次燃料中，因?yàn)樵谒雒撍呋瘎┥喜粫?huì)發(fā)生顯著的汽油轉(zhuǎn)化。在所述二次燃料組合物的上述范圍內(nèi)，一般將調(diào)節(jié)本發(fā)明的方法的運(yùn)行條件為1500C -350°c的噴射溫度和200-2，400巴的噴射壓力。從而，醇向醚、水和醇的混合物的轉(zhuǎn)化在所述脫水催化劑的存在下和在合適的反應(yīng)速率下以絕熱方式進(jìn)行。為將所述基于醇的初級(jí)燃料的溫度升高到所述脫水反應(yīng)溫度，必須從環(huán)境溫度加熱所述燃料。其優(yōu)選如下進(jìn)行在所述蓄壓室中蓄積所述基于醇的初級(jí)燃料之前，使加壓的燃料經(jīng)過(guò)熱交換器與來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)的熱排氣進(jìn)行間接熱交換。所述基于醇的初級(jí)燃料從所述蓄壓室進(jìn)入連接所述室與所述燃料噴射器的每個(gè)所述管中，并與在合適的溫度下催化上述醇脫水反應(yīng)的催化劑發(fā)生接觸。所述脫水催化劑可以如美國(guó)專利6，319，877中所公開(kāi)的以催化硬件(catalysedhardware)的形式設(shè)置在所述管的側(cè)壁上，或者設(shè)置在安裝在所述蓄壓室與所述燃料噴射器之間的每個(gè)所述管上的反應(yīng)器室之內(nèi)。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，所述催化劑被電加熱到反應(yīng)溫度。
在所述發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)期間，排氣可能處于不能有效地將所述基于醇的初級(jí)燃料加熱到必要的反應(yīng)溫度的溫度。在該條件下，優(yōu)選在上述運(yùn)行方法中包括進(jìn)一步的另外加熱所述加壓的燃料的步驟，例如借助于安裝在所述蓄壓室上的電加熱器或發(fā)動(dòng)機(jī)加熱器。調(diào)節(jié)本發(fā)明的方法的運(yùn)行條件，以獲得要求的點(diǎn)火性能的醚燃料。下面參照附圖
對(duì)本發(fā)明的上述特征和方面進(jìn)行更詳細(xì)的說(shuō)明，其中唯一的一個(gè)附圖示意顯示了用于本發(fā)明的方法的具有共軌燃料噴射單元的系統(tǒng)，其中所述共軌燃料噴射單元裝備有醇脫水反應(yīng)器。用于本發(fā)明的特定實(shí)施方案的具有共軌燃料噴射系統(tǒng)的壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)包括用于基于醇的初級(jí)燃料的燃料箱2，其通過(guò)管線3連接到高壓泵4。在泵4中將所述基于醇的初級(jí)燃料加壓到最終的噴射壓力，并將其傳輸?shù)剿龉曹壪到y(tǒng)的蓄壓室6。在引入室6之前，在熱交換器8中通過(guò)與來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)(未顯示)的熱排氣7進(jìn)行間接熱交換加熱所述加壓的基于醇的初級(jí)燃料。在熱交換器8中將所述加壓的基于醇的初級(jí)燃料間接地預(yù)熱到醇脫水反應(yīng)溫度，例如 150。。-300 0C ο在正常的發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷循環(huán)(load cycle)期間，使所述預(yù)熱且加壓的基于醇的初級(jí)燃料連續(xù)經(jīng)過(guò)蓄壓室6并通過(guò)管線9a、9b、9c和9d分配到燃料噴射器I la、I lb、I Ic和lid。在引入所述燃料噴射器之前，在設(shè)置于管線9a-9d每一個(gè)內(nèi)的脫水催化劑的存在下使所述基于醇的初級(jí)燃料脫水。所述脫水催化劑可以呈在管線9a_9d中的催化硬件的形式或者如圖所示以固定床的方式設(shè)置在反應(yīng)器10a、IObUOc和IOd中。通過(guò)與所述脫水催化劑接觸，所述基于醇的初級(jí)燃料被部分轉(zhuǎn)化為上述包括醚、醇和水，以及可能的汽油，的二次燃料混合物。在發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)或低負(fù)荷循環(huán)期間，發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度可能不夠高以致于不能在熱交換器8內(nèi)提供適合的熱量。在這些發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)中，在所述蓄壓室8中借助于設(shè)置在所述室內(nèi)的電加熱器12進(jìn)一步加熱所述加壓的基于醇的初級(jí)燃料。作為替代或者除其之外，還可以通過(guò)電熱(未顯示)加熱所述催化劑。當(dāng)上述系統(tǒng)連續(xù)工作時(shí)，必須從室6中連續(xù)取出過(guò)剩的基于醇的初級(jí)燃料。這借助于閥14來(lái)實(shí)現(xiàn)，其中閥14是液壓或電磁操作的。在通往燃料箱2的管線16中將取出的基于醇的初級(jí)燃料減壓8。上述說(shuō)明是按照具有共軌噴射系統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)給出的，但本領(lǐng)域技術(shù)人員將意識(shí)到本發(fā)明也適用于其它類型的壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)。
上述說(shuō)明和附圖是純示意性的，除此之外在壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)中慣用的部件和裝置對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)將是顯而易見(jiàn)的，在附圖中未顯示。
權(quán)利要求
1.使用通過(guò)轉(zhuǎn)化基于醇的初級(jí)燃料獲得的含醚燃料運(yùn)行壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)的方法，步驟包括 (a)從燃料箱連續(xù)取出所述基于醇的初級(jí)燃料并在所述基于醇的初級(jí)燃料的液態(tài)形式下將其加壓到最終的發(fā)動(dòng)機(jī)噴射壓力； (b)將所述加壓的基于醇的初級(jí)燃料連續(xù)引入燃料蓄壓室； (C)將所述加壓的基于醇的初級(jí)燃料連續(xù)分配到連接所述蓄壓室與發(fā)動(dòng)機(jī)燃料噴射器的管中； (d)在所述燃料噴射器之前通過(guò)與設(shè)置在所述燃料噴射器上游的每個(gè)管中的醇脫水催化劑接觸將至少部分所述加壓的基于醇的初級(jí)燃料連續(xù)轉(zhuǎn)化成含醚燃料； (e)在噴射壓力下將所述含醚燃料連續(xù)噴射到所述發(fā)動(dòng)機(jī)中；和 Cf)從所述蓄壓室中連續(xù)取出一部分所述引入的基于醇的初級(jí)燃料；和 (g)將所述取出的基于醇的初級(jí)燃料減壓和再循環(huán)到所述燃料箱。
2.權(quán)利要求I的方法，包括進(jìn)一步的通過(guò)與來(lái)自所述發(fā)動(dòng)機(jī)的熱排氣的間接熱交換預(yù)熱所述基于醇的初級(jí)燃料的步驟。
3.權(quán)利要求I或2的方法，包括進(jìn)一步的在所述蓄壓室之內(nèi)加熱所述加壓的燃料的步驟。
4.權(quán)利要求1、2或3的方法，其中所述基于醇的初級(jí)燃料包含不同醇的混合物。
5.權(quán)利要求1、2或3的方法，其中所述基于醇的初級(jí)燃料包含甲醇和/或乙醇。
6.權(quán)利要求1、2、3、4或5的方法，其中所述基于醇的初級(jí)燃料包含汽油。
7.用于根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法的系統(tǒng)，其包括 壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)； 適于儲(chǔ)存基于醇的初級(jí)燃料的燃料箱； 用于對(duì)所述基于醇的初級(jí)燃料加壓的高壓泵； 適于接收和儲(chǔ)存所述加壓的基于醇的初級(jí)燃料的蓄壓室； 用于連接所述蓄壓室與燃料噴射器的連接管，其中所述燃料噴射器用于將燃料噴射到所述壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)中； 設(shè)置在所述蓄壓室與所述燃料噴射器之間的每個(gè)所述連接管內(nèi)的醇脫水催化劑；和 用于將過(guò)剩的基于醇的初級(jí)燃料從所述蓄壓室再循環(huán)到所述燃料箱的再循環(huán)管線。
8.權(quán)利要求6的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括用于通過(guò)與來(lái)自所述發(fā)動(dòng)機(jī)的熱排氣的間接熱交換加熱所述基于醇的初級(jí)燃料的熱交換器。
9.權(quán)利要求7或8的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括設(shè)置在所述蓄壓室之內(nèi)的加熱裝置。
10.權(quán)利要求7、8或9的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括用于加熱所述脫水催化劑的加熱裝置。
11.權(quán)利要求7、8、9或10的系統(tǒng)，其中所述脫水催化劑以催化硬件提供。
全文摘要
用于使用通過(guò)轉(zhuǎn)化基于醇的初級(jí)燃料獲得的含醚燃料運(yùn)行壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)的方法和系統(tǒng)，包括以下步驟和裝置(a)從燃料箱連續(xù)取出所述基于醇的初級(jí)燃料并在所述基于醇的初級(jí)燃料的液態(tài)形式下將其加壓到最終的發(fā)動(dòng)機(jī)噴射壓力；(b)將所述加壓的基于醇的初級(jí)燃料連續(xù)引入燃料蓄壓室；(c)將所述加壓的基于醇的初級(jí)燃料連續(xù)分配到連接所述蓄壓室與發(fā)動(dòng)機(jī)燃料噴射器的管中；(d)在所述燃料噴射器之前通過(guò)與設(shè)置在所述燃料噴射器上游的每個(gè)管中的醇脫水催化劑接觸將所述加壓的基于醇的初級(jí)燃料連續(xù)轉(zhuǎn)化成含醚燃料；(e)在噴射壓力下將所述含醚燃料連續(xù)噴射到所述發(fā)動(dòng)機(jī)中；和(f)從所述蓄壓室中連續(xù)取出一部分所述引入的基于醇的初級(jí)燃料；和(g)將所述取出的基于醇的初級(jí)燃料減壓和再循環(huán)到所述燃料箱。
文檔編號(hào)F02B51/02GK102947571SQ201180017629
公開(kāi)日2013年2月27日 申請(qǐng)日期2011年3月2日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月31日
發(fā)明者P·L·T·加布里爾森, T·V·W·詹森斯, S·E·米克爾森, S·I·安德森 申請(qǐng)人:赫多特普索化工設(shè)備公司