[发明专利]机动车辆的具有燃烧空气醚熏蒸的自点火内燃机和在机动车辆的自点火内燃机中用于燃烧空气醚熏蒸的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种如权利要求1前序部分所述的、用于机动车辆的具有燃烧空气醚熏蒸(功能)(fumigation)的自点火内燃机。本发明还涉及一种如权利要求11前序部分所述的、在机动车辆的自点火内燃机中用于对燃烧空气醚进行熏蒸的方法。

背景技术

目前，在全世界减少空气污染物排放进行努力的范围内，在所有工业国家中存在着对于释放某些有害物质的极限值或目标值形式的法律规定。其中也包括柴油发动机的废气排放、尤其是氮氧化物(NOx)和炭黑(PM颗粒)，这一点由于全世界增加的交通是特别有意义的。因此存在对具有大功率的燃烧处理和废气后处理的发动机的需求，它们要能够符合提高的环境保护要求和伴随而来的更加严厉的废气标准，尤其是在排放氮氧化物和炭黑方面。

为了减少炭黑排放作为适合的措施已知使用含氧燃料。以甲醇(十六烷值约为3)、乙醇(十六烷值约为8)、n丁醇(十六烷值约为17)或二甲醚(DME，十六烷值约为55至80)工作的发动机在稀薄混合气运行时实际上不排放炭黑。但是现代的高速运转柴油机的运行要求十六烷值＞50，因此甲醇、乙醇和n-丁醇由于其较低的十六烷值不能直接在自点火内燃机或柴油发动机中使用，而是需要附加的点火辅助措施，例如火花塞或/和加速点火附件。而二甲醚在这方面不受限制，但是限制在于，DME是处于压力下的沸点-26℃的液体，因此与液化气燃料(LPG-液化石油气)类似，需要特殊的运输系统，它在柴油发动机的传统机动车辆中不存在。

通过选择性催化还原能够降低柴油发动机的氮氧化物排放，这种方法30多年以来作为SCR方法(SCR选择性催化还原)已知。按照该方法将尿素水溶液(AdBlue)定量添加到催化器上的废气流中，由此在水解反应中形成氨和水。然后使产生的氨在所谓的SCR催化器中在200至600℃温度时将废气中含有的氮氧化物还原成氮气，催化器由二氧化钛、五氧化钒和氧化钨组成或者由沸石组成。通过这种方式尽管能够在很大程度上从废气中去除氮氧化物。但是消耗的尿素水溶液最多为发动机运行所需的柴油燃料量的约8％，并且因此必需总是在附加的油箱中准备相应的溶液量。

近几年来已经证实，冷却的废气回输(AGR)是选择性催化还原的一种合理的用于减少柴油发动机的氮氧化物排放的替代方案，柴油发动机燃烧低硫的、基于矿物油的柴油燃料。这里通过使废气通道与抽吸空气通道或燃烧空气通道连接的控制阀，使一部分废气与冷却的抽吸空气或燃烧空气混合，并且以这种混合物输送到燃烧室，由此能够使在柴油燃料燃烧时的温度下降到对于形成氮氧化物必需的水平以下。可选地，可以在吸气冲程期间通过进气阀通过直接将废气导入到发动机燃烧室中来实现所述温度降低。因此通过废气回输实现的降低温度是以在燃烧室中提供的低氧的柴油燃料气体混合物的较低燃烧值为基础的。对于柴油发动机，废气回输率在满负荷时最大为35％。但是这种高AGR率的发动机在制造上比没有AGR装置的柴油发动机昂贵，因为高废气回输率导致高的增压压力，例如通过具有中间冷却的两级增压，并且导致超过1800bar的高燃料喷射压力。在使用含氧燃料时可以没有排放缺点地放弃高的增压压力，这也能够实现具有传统的单级充气组的发动机运行。

背景是，一些国家尤其是如中国在几年内将拥有较高的由天然气制造甲醇(生产成本约2至3EUR/GJ)和由煤制造甲醇(生产成本约7EUR/GJ)的生产能力，在同时缺少基于矿物油的燃料的情况下，预计额外的生产成本约16EUR/GJ，并且在巴西目前已经普遍地提供生物乙醇或生物柴油，并且对于用酒精燃料与以基于矿物油的柴油燃料运行的发动机，对于柴油发动机或商用车发动机上面给出的针对环境的要求同样重要。

对于在柴油发动机中使用甲醇，已经证实熏蒸方案是适合的。在此一部分甲醇在车载催化反应器中按照方程式：

2CH₃OH→(CH₃)₂O+H₂O   (1)

转换成气体的二甲醚和水蒸汽并直接混合到燃烧空气中。催化的反应器含有氧化铝球作为催化剂。对于按照方程式1的反应，氧化铝(γ-Al₂O₃)已经证实是有最为效的催化剂，其特征还在于其高的热稳定性。为了例如可以为180kW发动机的熏蒸提供足够的二甲醚，需要0.7kg的γ-Al₂O₃催化剂。对于稳定的反应过程还需要＞250℃的反应-转换温度，在冷起动时利用甲醇燃烧器在25s以内达到该温度。