[发明专利]用于内燃机中燃料的富氧燃烧的设备和方法

说明书

技术领域

本发明涉及在内燃机中进气之后的氮的消除或减少。

背景技术

目前被接受的想法是全球变暖是由于温室气体排放，诸如二氧化碳(CO₂)和甲烷(CH₄)。目前全球二氧化碳排放的大约四分之一来自于汽车源。随着发展中国家汽车保有量猛增，这部分二氧化碳排放将快速增长。由于氮几乎占地球大气中气体的80％，因此其存在于内燃机的燃烧室中加重了通常称为NO_x污染物的大量氧化物的产生。虽然催化转换器能转化许多这些不良化合物，但人们已经认识到非常希望从空气/燃料混合物减少或消除氮。来自汽车源的空气污染管理具有许多挑战，诸如空间和重量限制，该应用的规模经济性，以及汽车源的快速动态操作。

在USP6170264中提出了用于在固定发电厂或内燃机中使用的富氧燃烧过程，该过程包括用于在将空气用于碳氢燃料燃烧之前从空气分离氮的步骤，以便较少或消除作为燃烧副产物的氧化氮和其他污染物。已提出通过使用高精炼燃料来进一步减少诸如硫、硫化物和各种氮氧化物(NO_x)，所述高精炼燃料诸如是氢、甲烷、丙烷、净化天然气和诸如乙醇和甲醇的轻馏分。

‘264专利中具体提出了使用基于膜的空气分离系统的空气分离装置，以通过使空气供给流在压力下穿过膜而将空气分离成其组成部分。横跨膜的压力梯度使得大多数可透过的成分比其他成分更快速地穿过膜，由此产生富含透过成分的产品流，同时该成分从原供给流去除。许多膜可以在环境温度下操作。说明了几种类型的膜及其特征。醋酸纤维素膜被认为具有用于氧和氮的良好分离系数，但具有较低的通量率。设置在微孔聚砜基板上的复合膜具有比醋酸纤维低的分离系数，但在下同压力差下具有较高通量率。提供串联的多层膜可以提高产品流中的氧浓度。

电陶瓷膜是允许离子运动的离子固体溶液，当从空气供给流分离氧时，其要求大约800℉的较高温度来使阳离子运动。在‘264专利的图12的示例中，称为“工作流体”的燃烧废气被引导到换热器，该换热器继而将电陶瓷膜加热到800℉的理想操作温度。该专利将氧化钇稳定的氧化锆作为用于电陶瓷膜的可能材料。

‘264专利还想到膜可以用于使氮穿过并且由此减少剩余空气供给流的氮含量。在该操作模式中，富氮流将在膜的出口侧并且富氧流将是保留物。由于通过膜的扩散速率由离子迁移率确定，而离子迁移率又是具体材料的特征并且取决于网格中的阳离子的尺寸、电荷和几何特征，因此电陶瓷膜的几何特征和位置将由操作模式确定。

USP5051113公开了用于汽车发动机的进气系统，其使用选择性可透膜以实现进入发动机进气系统的空气的氧富集，以便提高发动机效率。USP5051113的公开内容通过参考包含于此。该系统利用全氟间二氧杂环戊烯膜，其具有至少1.4:1的氧/氮选择性并且在最优条件下提供大约10％到最大66％的O₂增大，或者进气中从大约10％到30％的O₂增大。与富氧燃烧不同，由于膜氧/氮选择性的限制，‘113专利的氧富集过程没有消除大部分的NO_x污染物。

在由内燃机驱动的机动车辆中使用富氧燃烧过程的主要问题是如何使用于通过例如‘264专利的现有技术实施该过程所必需的所公开的空气分离部件要求的额外重量和空间最小。例如，在关心每加仑行驶里程比率和车辆重量的汽车设计者看来，用于使废气循环通过换热器以便获得用于电陶瓷膜的800℉操作温度的步骤所需要的额外装置的尺寸和重量将是该过程的显著缺点。

实际上，从机动车辆减少排放污染物所面临的大多数问题在解决从固定发电厂减少相同污染物时都不存在，这是因为地板空间和/或头顶空间不受限制。发电厂中也已经有可用的电力和其他设施以允许辅助设备，诸如在空气分离步骤中使用的压缩机。

因而，要解决的一个问题是如何实现用于驱动机动车辆的ICE中富氧燃烧的已知优点，同时使对机动车辆的总体高效操作的不利影响最小，该不利影响是关于额外部件的重量增大和与空气分离步骤相关的动力需求。

发明内容