專利名稱：內(nèi)燃?xì)怏w發(fā)生器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明背景1、發(fā)明領(lǐng)域本發(fā)明涉及減少內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)和渦輪機(jī)的氧化氮的排放量，特別涉及把空氣/燃料混合物從一預(yù)熱組件傳送到一完全絕熱的燃燒器的新穎裝置和方法，該燃燒器包括一把一部分主燃料的氣體供應(yīng)給一絕熱外燃燒器的絕熱內(nèi)燃燒器。
2、現(xiàn)有技術(shù)概述眾所周知，燃燒過程中通常在高溫下會(huì)生成氧化氮(NOx)，而若發(fā)動(dòng)機(jī)工作在過量空氣和貧油狀態(tài)下，溫度就會(huì)降低，從而NOx減少。幾十年來對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)和渦輪機(jī)的研究表明，貧油燃燒限度超過了NOx排放量低于規(guī)定目標(biāo)所需大小。天然氣和汽油是貧油燃燒已達(dá)到其極限的兩個(gè)例子，人們發(fā)現(xiàn)，添加氫可提高這一極限從而使NOx的排放量低到可接受的大小。但是，氫生成裝置本身又帶來了問題。
在另用一又重、又需要加壓的罐中的材料提供氫時(shí)就會(huì)碰到問題和困難。例如，在發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒器中加入甲醇、硝酸或硝酸銨可生成氫。但它們會(huì)占用燃料的空間而減小存儲(chǔ)體積從而降低整體性能并因輔助材料的使用而復(fù)雜化。也可使用存儲(chǔ)在其中盛有甲烷的加壓容器中的氫(氫氣和甲烷的混合物)，但每使用1％的氫，發(fā)動(dòng)機(jī)的范圍降低約.75％，因?yàn)闅涞膯挝惑w積中的含能量很低，此外還需要安全存儲(chǔ)氫的專用裝置。
本發(fā)明的目的是提供一種可使用主燃料獲得氫的欠氧化燃燒器。
本申請(qǐng)人的原先兩個(gè)專利申請(qǐng)已努力對(duì)欠氧化燃燒器作出改進(jìn)，為此，預(yù)先混合燃料和空氣、用燃燒器的生成物與燃料-空氣混合物進(jìn)行熱交換而預(yù)熱燃料-空氣混合物以及影響燃燒生成物的循環(huán)。這些現(xiàn)有努力可成功地減少氧化氮的排放量。因此，上述第一個(gè)專利所述兩級(jí)燃燒器所使用的技術(shù)用含有過量燃料的空氣-燃料組成實(shí)現(xiàn)化學(xué)平衡，而在該現(xiàn)有專利的第二級(jí)中，使用有關(guān)技術(shù)努力在第一級(jí)的生成物與過量空氣之間取得平衡。
現(xiàn)有燃燒器使用過量空氣而大致分兩級(jí)進(jìn)行反應(yīng)。第一級(jí)包括空氣-燃料比接近理想配比的反應(yīng)區(qū)，從而出現(xiàn)高溫而造成與燃料不希望有的化學(xué)反應(yīng)。該高溫使NOx的濃度提高。第二級(jí)在過量空氣下工作而達(dá)到最終的整個(gè)空氣-燃料比。其溫度降低，但并非低到不生成NOx的程度，而且這一級(jí)一般并不除去在第一級(jí)生成的NOx?？偟慕Y(jié)果是這兩級(jí)中所生成的NOx都出現(xiàn)在燃燒器廢氣中。
在上述第二個(gè)專利申請(qǐng)中，所公開的技術(shù)是在一欠氧化燃燒器中通過一過程在空氣與過量燃料之間取得化學(xué)平衡，在此過程中，空氣-燃料混合物的流動(dòng)方向經(jīng)過若干次快速反向。這一技術(shù)可在較高溫度下實(shí)現(xiàn)平衡而不形成NOx，因?yàn)檫^量的燃料有利地造成在空氣和燃料之間進(jìn)行反應(yīng)，而不是在空氣與N3之間進(jìn)行反應(yīng)而生成NO2。
我們發(fā)現(xiàn)，共同專利nos.07-858,840和07-997,450的技術(shù)所得到的生成物容易進(jìn)一步與空氣燃燒。因此使用相關(guān)的兩級(jí)過程可獲得發(fā)動(dòng)機(jī)以過量空氣工作而實(shí)際上不生成NOx的燃燒器。第一級(jí)包括這兩個(gè)共同專利所述的那種過量燃料的燃燒器。第二級(jí)使用同樣的技術(shù)，但工作在過量空氣下。獲得最終空氣-燃料混合物所需的第一級(jí)的生成物和過量空氣引入到第二級(jí)中。在第二級(jí)中，該空氣和該生成物同樣進(jìn)行這兩個(gè)共同專利的技術(shù)所述的快速反向，從而迅速實(shí)現(xiàn)化學(xué)平衡。由于在欠氧化燃燒器獲得的燃料生成物的反應(yīng)性提高、所獲得的燃料流數(shù)次反向以及氫的濃度較高，因此可在第二級(jí)中以比通常所使用的空氣-燃料比更高的空氣-燃料比造成平衡。從而溫度大大降低、NOx大大減少。
這兩個(gè)共同專利的技術(shù)使用一欠氧化燃燒器，它不工作在一燃燒器的第一級(jí)的常見的接近理想配比的反應(yīng)區(qū)中。盡管上述燃燒器生成最終出現(xiàn)在廢氣中的NOx，但燃料大大過量的欠氧化燃燒器中不會(huì)生成NOx。相反，它使容易燃燒的CO和H2以及極少量的未分解的燃料平衡。因此，若把獲得所需整個(gè)空氣-燃料比所需的這類生成物和空氣的混合物注入其中同樣具有上述共同專利所述的使混合流快速反向的裝置的第二級(jí)燃燒器中，就可獲得快速的化學(xué)平衡。這些因素加上較高濃度的H2，就可在空氣/燃料比極低的情況下以較低溫度穩(wěn)定燃燒而不生成NOx。
因此，早就需要提供新穎裝置和方法實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破以便獲得一種在簡(jiǎn)單的完全絕熱的燃燒器中從燃料中生成氫的簡(jiǎn)單方法.在這里，與通常認(rèn)為的不同，無需使用催化劑，也無需專用高壓氫氣存儲(chǔ)裝置，從而使用實(shí)際上不生成NOx的第一和第二級(jí)而如同在整個(gè)燃燒器中那樣獲得良好結(jié)果.從而獲得一無NOx燃燒器。
本發(fā)明概述因此，為了克服上述問題和困難，本發(fā)明提供一種新穎裝置和方法，該新穎裝置和方法使用一完全絕熱的燃燒器在空氣/燃料配比為0.3-1的過量燃料下燃燒空氣和碳?xì)浠衔铮撊紵靼ǖ谝患?jí)燃燒器，該第一級(jí)燃燒器包括一與一主燃料源合適連通的燃燒室，該燃燒室包括把一部分主燃料與一部分或所有主空氣一起引入該燃燒器中而使該燃料部分和空氣部分碰撞第一擋板裝置的裝置，從而使有待在燃燒室中點(diǎn)火的燃料/空氣混合物充分混合。還包括把經(jīng)燃燒的氣體從第一級(jí)燃燒器中經(jīng)第二擋板裝置排入第二級(jí)燃燒器的燃燒室后排出到外部的裝置。由所述碰撞造成的充分混合使得過量燃料的反應(yīng)接近理論平衡，盡管過量的原有燃料的反應(yīng)性很低。
因此，本發(fā)明的主要目的是提供一種具有充分預(yù)先混合燃料和不足量空氣的裝置的完全絕熱的新穎裝置，為此，空氣和燃料混合物在從第一室流入第二室的過程中用一連串擋板組件使之來回流動(dòng)后才進(jìn)入對(duì)混合物進(jìn)行點(diǎn)火的燃燒室。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種非常簡(jiǎn)單的新穎燃燒裝置和方法，該燃燒裝置不使用催化劑，該方法用噴入發(fā)動(dòng)機(jī)主燃燒室中的一部分或全部發(fā)動(dòng)機(jī)主燃料生成氫，而余下的燃料或全部燃料流以很高的空氣/燃料比燃燒從而不生成氧化氮或減少氧化氮的生成量。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種用來減少發(fā)動(dòng)機(jī)的氧化氮排放量的氫氣發(fā)生器，它無需使用會(huì)降低燃料性能的添加劑，而該燃燒器并不增加發(fā)動(dòng)機(jī)的復(fù)雜性。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種使用兩級(jí)全絕熱燃燒器減少內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)或渦輪機(jī)的氧化氮排放量的新穎裝置和方法，為此，使用一把一小部分或全部的發(fā)動(dòng)機(jī)主燃料送入其中的簡(jiǎn)單的氫氣發(fā)生器，從而所生成的氫氣在發(fā)動(dòng)機(jī)中與余下的主燃料一起或作為燃料共同點(diǎn)火或流動(dòng)。
另一個(gè)目的是提供空氣/燃料混合物預(yù)熱裝置和方法，從而提高燃燒溫度而有助于平衡過程。
另一個(gè)目的是使用一最好具有兩個(gè)燃料-空氣混合室的絕熱燃燒器以便確保液態(tài)燃料的氣化而提高氫氣輸出。
附圖的簡(jiǎn)要說明后附權(quán)利要求書特別限定了本發(fā)明的新穎特征。從結(jié)合附圖的下述說明中可清楚看出本發(fā)明的結(jié)構(gòu)、工作情況以及其他目的和優(yōu)點(diǎn)，附圖中

圖1為甲烷-空氣混合物的理論平衡計(jì)算圖；圖2為在一發(fā)動(dòng)機(jī)中用來生成氫氣的新穎兩級(jí)無NOx燃燒裝置的局部剖視的放大縱向簡(jiǎn)示圖；圖3為使用燃料/空氣的氫氣發(fā)生器在用一應(yīng)用熱交換原理的預(yù)熱裝置加熱到1000°F之前(表為“正?！?和之后(表為VOB)的理論溫度圖；圖4為現(xiàn)有單級(jí)燃燒器的縱向剖面圖；圖5為具有獨(dú)立絕熱熱交換燃燒器的兩級(jí)燃燒器的另一實(shí)施例的剖面圖；圖6同圖5，但示出一修正的熱交換器；圖7為沿圖5中7-7線剖取的圖5所示燃燒器的橫截面圖；圖8為沿圖6中8-8線剖取的橫截面圖；以及圖9同圖6，但示出一修正的熱交換器和一位于熱交換器與燃燒器后部之間的陶瓷或水泥隔離環(huán)；
圖10為從圖9所示燃燒器上取下的該陶瓷環(huán)的正視圖。
對(duì)優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)說明在圖1所示現(xiàn)有燃燒器中，空氣(結(jié)構(gòu)式，O2+3.76N2)與燃料之比設(shè)定成以大量氧氣(O2)與所有碳(C)原子反應(yīng)生成二氧化碳(CO2)以及與所有氫(H)反應(yīng)生成水(H2O)。在用甲烷(CH4)作為燃料時(shí)，這可用下述方程表示，(1)，其中，空氣/燃料的“理想配比”S在氧原子正好與所有燃料原子反應(yīng)時(shí)為1。比方說用于發(fā)動(dòng)機(jī)的現(xiàn)有燃燒器通常工作在S大于1的情況下，從而空氣分子(O2和N2)仍過量，只是在高溫下生成很難分解成元素的高濃度NOx。從而生成污染物。
圖1示出甲烷-空氣混合物在一個(gè)大氣壓、供油溫度為78°F、空氣/燃料比S為0.1-3.0下進(jìn)行反應(yīng)時(shí)的理論平衡計(jì)算結(jié)果。該圖示出在不同S下每摩爾甲烷生成的各種生成物的摩爾數(shù)，只是NOx為體積百分比乘10。溫度為°F除以1000。這些計(jì)算幾乎包括所有可能生成物。但是不包括N2，因?yàn)樗诳v座標(biāo)之外；它可從S×2×3.76算出。
如圖所示，NOx在溫度很高的S＝1處為0.19-0.34％。這一百分比過高。由于過量空氣使溫度降低，因此NOx在S＝2處為0.08％，而在S＝3處只有0.01％。在后面這種情況下，氮?dú)馀c氧氣之間的反應(yīng)很慢，從而實(shí)際的NOx濃度更低。但是，現(xiàn)有燃燒器在這類非常貧油的條件下的工作不穩(wěn)定。
上述兩個(gè)共同專利的技術(shù)使用一欠氧化燃燒器，它不工作在一燃燒器的第一級(jí)的常見的接近理想配比的反應(yīng)區(qū)中。盡管上述燃燒器生成最終出現(xiàn)在廢氣中的NOx，但燃料大大過量的欠氧化燃燒器中不會(huì)生成NOx。相反它使容易燃燒的CO和H2以及極少量的未分解的燃料平衡。因此，若把獲得所需整個(gè)空氣-燃料比所需的這類生成物和空氣的混合物噴入其中同樣具有上述共同專利所述的使混合流快速反向的裝置的第二級(jí)燃燒器中，就可獲得快速的化學(xué)平衡。這些因素加上較高濃度的H2，就可在空氣/燃料比極低的情況下以較低溫度穩(wěn)定燃燒而不生成NOx。
其結(jié)果是如同整個(gè)燃燒器那樣的實(shí)際上不生成NOx的第一和第二級(jí)，從而獲得一不生成NOx的燃燒器。
圖2例示出本發(fā)明一無NOx燃燒器10。一燃燒器外殼11中填滿絕熱材料12?？諝鈴囊贿M(jìn)口13流入，其流量由一閥14控制。由閥14A控制的一部分空氣流入一熱交換器15中與第一級(jí)燃燒器17中的高熱氣體16進(jìn)行熱交換。燃料從一進(jìn)口18經(jīng)一閥19流入熱交換器15中。經(jīng)預(yù)熱的空氣/燃料混合物從一孔20流出該熱交換器后進(jìn)入一由一管22圍成的環(huán)形空間21。該混合氣體流過環(huán)形空間后碰撞在一套筒23的蓋上從而轉(zhuǎn)一90°的彎，最終從一孔24流出套筒9。該混合氣體然后碰撞在絕熱后壁25上從而又轉(zhuǎn)一90°的彎?；旌蠚怏w在外壁26又轉(zhuǎn)一90°的彎后由一火花塞27點(diǎn)火。燃燒混合氣體流過第一級(jí)燃燒器17到達(dá)防火壁30并從一管21流出第一級(jí)燃燒室。從閥14流入的其余空氣流入一扁平形熱交換器31中與氣體24進(jìn)行熱交換后從熱交換器31經(jīng)進(jìn)口33流入管32。該熱交換器也可是一個(gè)與管21連通的直形管。燃燒生成物與空氣混合物從管32經(jīng)一孔34流入第二環(huán)形空間35。該混合氣體碰撞在一套筒37的封閉端上從而轉(zhuǎn)過90°后經(jīng)一出口38后碰撞在防火壁上從而又轉(zhuǎn)過90°。該混合氣體然后流到第二室或第二級(jí)燃燒器40的圓筒壁26。該混合氣體最終從一孔41流出。
從圖1可推出第一和第二級(jí)燃燒器中混合物的可接受的組成。因此，對(duì)第一級(jí)欠氧化燃燒器來說，S應(yīng)大于0.3以防止固態(tài)碳妨礙該燃燒器的工作或防止甲烷難于在第二級(jí)中燃燒；但為防止生成NOx應(yīng)小于0.6。對(duì)第二級(jí)來說，為防止生成NOx，S應(yīng)達(dá)到3，最好為3。后一理想配比包括供應(yīng)給這兩級(jí)燃燒器的總的空氣和燃料。
還公開了提高欠氧化燃燒器的操作性和性能的方法，為此，整個(gè)燃燒器絕熱以保存能量、把燃燒部置于空氣/燃料預(yù)熱組件中、使預(yù)熱器的空氣/燃料混合流靠近外絕熱層、用由主反應(yīng)生成的一氧化碳和水之間的反應(yīng)提高氫氣輸出或另外加入氫氣。上述共同專利通過預(yù)先混合燃料和空氣、與燃燒生成物進(jìn)行熱交換而預(yù)熱燃料/空氣流以及循環(huán)燃燒生成物而對(duì)欠氧化燃燒器作出改進(jìn)。下面說明作出改進(jìn)的進(jìn)一步裝置。
圖3包括燃料-空氣流在加熱到1000°F之前和之后的理論溫度，在后面這一情況下提高了600°-800°F。如上述申請(qǐng)所述，溫度的提高大大提高了達(dá)成生成氫氣所需的理論平衡的可能性。但為了達(dá)到這些溫度，必須降低熱能損耗。
工作在理想配比大于1、主要生成物為二氧化碳和水的甲烷燃燒器每磅甲烷生成約22,000Btu的熱量，熱能損耗可為1000Btu/lb或更多，因此其燃燒溫度可接近很可能取得化學(xué)平衡的理論值3300°F。另一方面，欠氧化燃燒器的反應(yīng)所釋放的能量少得多，因?yàn)槠淅硐肷晌餅闅錃夂鸵谎趸?。因此，圖3中的“Btu/lb”曲線指欠氧化理想配比為.25-.75、甲烷與空氣反應(yīng)時(shí)的理論熱量輸出。從圖中可看出，能量輸出在約0.3的最低實(shí)際比時(shí)低到約500Btu，在約.5的高比例時(shí)約為7500。在如此低的能量輸出下少量熱能損耗也是不容許的。
圖3中的“正?！鼻€指欠氧化燃燒器的空氣/燃料流為78°F、理想配比為.25-.75時(shí)的理論溫度。在0.3的低實(shí)際比下，熱量損耗在熱量輸出中所占比例會(huì)很高，從而實(shí)際上無法達(dá)到理論溫度。即使在0.5的高實(shí)際比例下，除非大大降低熱量損耗，也很難達(dá)到2300°F的理論溫度。
降低熱量損耗的一種方法是絕熱。如共同申請(qǐng)所述和圖4所示，燃燒器的壁45總是用具有一定絕熱性的材料制成，但是該燃燒器的壁仍有熱量損耗，因?yàn)閷?dǎo)熱率與溫差成正比，而該絕熱層的一邊是燃燒器從而溫度最高，另一邊為最低的外部溫度。此外，如取自Carborundnm for Fibrefax Felt的下表所示，大多數(shù)絕熱材料的導(dǎo)熱率隨溫度的提高而提高。
溫度導(dǎo)熱率°FBtu-in/hr-ft2-°F500 .3941000.643
15001.04120001.50425002.57230006.300圖3還示出各理想配比下所生成的氫氣理論值。由于在較低比例下生成水，氫氣隨著配比的增大從約2摩爾/摩爾甲烷的最大值減小。圖3還示出每摩爾甲烷還生成大致不變的1摩爾一氧化碳。在低溫下，一氧化碳很容易在下游轉(zhuǎn)移反應(yīng)中與水反應(yīng)重新生成氫氣即，直到理想配比為0.5時(shí)所有CO都轉(zhuǎn)換從而總氫氣量保持每摩爾甲烷約2摩爾氫氣。在理想配比很低時(shí)，如該圖所示，可加入過量水而形成氫氣。此類“轉(zhuǎn)移”反應(yīng)需要冷卻，這可以在燃燒器下游的一圓筒中用一螺旋形熱交換器與流過其中的空氣進(jìn)行冷卻。
此外，熱量損耗與表面積成正比，圖4燃燒器的表面積并未最小化?，F(xiàn)有燃燒器45包括一具有一內(nèi)燃室47的外殼46。熱交換器48用進(jìn)口48’接受燃料、用進(jìn)口50接受空氣，一部分燃料經(jīng)進(jìn)口51流入。燃料/空氣先在端部開口的管52中混合，從而混合的燃料/空氣以箭頭所示方向流向一擋板53，從而自動(dòng)轉(zhuǎn)向而流經(jīng)一杯53內(nèi)的管52而碰撞擋板53。流動(dòng)方向沿徑向向外轉(zhuǎn)過90°然后在一板55上轉(zhuǎn)過90°經(jīng)一開口54流入燃燒室47，然后經(jīng)導(dǎo)管56排出。其他內(nèi)容可見上述共同申請(qǐng)。
如圖5所示把一燃燒部與空氣/燃料熱交換器放置在一起可減小熱量損耗，該熱交換器“卷繞”在燃燒器上而更接近球形。盡管圖2所示實(shí)施例使用比現(xiàn)有燃燒器更厚、更有效的絕緣層，但圖5和7所示實(shí)施例60更有效。燃燒器60包括一套住一內(nèi)件63、具有良好絕熱層62的外件61，該內(nèi)件63呈空心，一端64開口、另一端用一壁65封閉。絕熱良好的內(nèi)件63與外件61之間形成第一室66，而標(biāo)號(hào)67表示內(nèi)件63中的第二室。供燃料/空氣混合物在其中流動(dòng)的螺旋形熱交換器68位于第一室66中而包括一進(jìn)口70和一與第二室64連通的出口71?？諝?燃料混合物經(jīng)一進(jìn)口線圈72流入熱交換器68后經(jīng)一環(huán)繞在內(nèi)件63上的中間線圈74流到出口線圈73。第二室中的火花塞73對(duì)從出口71排出后碰撞壁65而反向的經(jīng)預(yù)熱的空氣/燃料混合物點(diǎn)火。氣體然后從第二室67經(jīng)開口64流入第一室66后從出口75排出。
因此，供空氣/燃料混合物在其中流動(dòng)的螺旋形熱交換器68的四周充滿從燃燒室67排出的高熱氣體。這些高熱氣體接觸外件61的絕熱壁的內(nèi)表面，而外表面與低溫外部接觸。因此絕熱層上的溫差很大而造成熱通量的很大波動(dòng)。
圖6和8所示實(shí)施例公開了一種可大大降低熱通量波動(dòng)的熱交換器。用箭頭80表示的該燃燒裝置包括一外件81和一內(nèi)件82，它們都由絕熱壁構(gòu)成，互相同軸并互相間距地套在一起而形成第一室83和在端部85開口的燃燒室84?？諝?燃料從進(jìn)口86流入一由許多相間距、平行、與燃燒器同軸的、其兩端與環(huán)形管88和89連接的管構(gòu)成的熱交換器87。輻條管90-94連接熱交換器的各平行管與進(jìn)口86，而同樣的輻條管103連接平行管的另一端與一送料管95。管95的端部支撐一具有一端壁的擋板或杯96，從而空氣/燃料混合物碰撞該端壁而反向流動(dòng)后流入燃燒室84。該空氣/燃料流碰撞端壁98而再次反向?；鸹ㄈ?00進(jìn)行點(diǎn)火，廢氣從開口85流入其一部分為熱交換器87占據(jù)的第一室83。氣體流過熱交換器后經(jīng)與第一室連通的出口102排出。該熱交換器形成一外部環(huán)形空間和一內(nèi)部環(huán)形空間。該外部環(huán)形空間包含冷的空氣/燃料混合物而靠近絕熱層的外壁。從而，一燃燒器的整個(gè)熱量損耗與送入的空氣/燃料混合物與環(huán)境之間的溫差成正比，而不再與燃燒器的輸出氣體與環(huán)境之間大得多的溫差成正比。此外，如上所述，高溫絕熱層的導(dǎo)熱率通常隨著溫度的提高而提高，因此傳給環(huán)境的熱量損耗比燃燒器的高溫氣體靠近外壁絕熱層時(shí)小。
如使用導(dǎo)熱率如上表所示、內(nèi)徑為7英寸、外徑為10英寸、高度為7英寸的一套在燃燒器上的圓筒形絕熱層，在燃燒器氣體的平均溫度為2100°F、所供應(yīng)氣體的溫度為900°F、環(huán)境溫度為78°F的情況下，現(xiàn)有熱交換器的熱通量為790Btu/hr，而本發(fā)明燃燒器的熱通量只有136，從而降低到30％。
圖9示出另一燃燒器實(shí)施例110，如上所述，它包括一套在一內(nèi)件112上的絕熱外壁111，該內(nèi)件112有一與一封閉內(nèi)室114連通的開口113。一外室115由一“罐”形金屬分隔器116與該內(nèi)室隔開。該外室與一進(jìn)口117連通而把空氣/燃料混合物送到一全絕熱噴射-混合器118，該噴射-混合器包括一擋板或杯120從而如上所述使空氣/燃料混合物反向。內(nèi)件112的一壁121使空氣/燃料混合物再次反向?；鸹ㄈ?22點(diǎn)燃燃燒室123中的氣體，然后氣體經(jīng)內(nèi)室114流到出口124。
所供應(yīng)氣體從進(jìn)口117流入燃燒器110后沿外室115的徑向流動(dòng)。氣體沿絕熱壁111在該環(huán)形空間中流動(dòng)，然后沿徑向向里流到噴射-混合器118。在燃燒室123中生成的高熱氣體碰撞隔離器116的內(nèi)表面，然后沿徑向向外流到一以該隔離器和絕熱內(nèi)件112為界的環(huán)形空間。最后氣體從出口124流出。
該隔離器用作燃燒器氣體與所供應(yīng)氣體之間的熱交換面。其面積足夠大，從而無需任何“擴(kuò)展”面。兩氣流的流動(dòng)方向相同而不是相反，以便限制熱交換、防止由常見“靴袢”過程造成的不受控制的溫度。但這并非必要，兩氣流的流動(dòng)方向也可相反。
本發(fā)明燃燒器可應(yīng)用于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)。
柴油機(jī)的一個(gè)主要問題是尾管排出的粒子(煙)，其中含有有害物質(zhì)，造成滾滾黑煙和噪聲。這類粒子可使用本發(fā)明燃燒器的第一部件在柴油噴入發(fā)動(dòng)機(jī)之前全部汽化、然后加入獲得最終空氣燃料比所需空氣而消除掉。這樣柴油就無法生成粒子。該過程還使發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒器工作在不會(huì)生成NOx的低空氣/燃料比下。
由于空氣/燃料混合物經(jīng)過多次碰撞，因此充分混合而容易點(diǎn)火并在一定體積中完全燃燒。如圖9所示，在燃?xì)怆x開該混合器位置的下方設(shè)置一最好用陶瓷制成的環(huán)125可把這一體積減小25％。該環(huán)顯然使得燃燒氣體從燃燒器的壁向其中心流動(dòng)，然后一部分氣體自發(fā)流回壁，從而更充分使用燃燒器體積。
盡管以上示出并說明了本發(fā)明的特殊實(shí)施例，但本領(lǐng)域普通技術(shù)人員不難看出，可在本發(fā)明的更廣泛的各方面之內(nèi)作出種種改動(dòng)和修正，因此，后附權(quán)利要求的目的是包括本發(fā)明真正精神和范圍內(nèi)的所有這些改動(dòng)和修正。
權(quán)利要求
1.一種內(nèi)燃設(shè)備，其特征在于包括一由一對(duì)燃燒室構(gòu)成的燃燒裝置，從而以0.3-1.0的過量燃料的空氣/燃料理想配比燃燒空氣和碳?xì)浠衔锒峁┛諝?燃料蒸汽；每一燃燒室包括一充分混合所述空氣/燃料蒸汽、以便噴入所述內(nèi)燃設(shè)備的混合裝置；所述燃燒裝置有一進(jìn)口裝置與該對(duì)燃燒室的每一燃燒室連通從而供所供應(yīng)的燃料和空氣流入；一與每一個(gè)所述進(jìn)口裝置連通、用來加熱所供應(yīng)的燃料和空氣的預(yù)熱裝置；每一個(gè)所述燃燒裝置的燃燒室中的所述混合裝置包括一位于所述燃燒室中、供從所述進(jìn)口裝置流入的所述經(jīng)預(yù)熱的空氣/燃料混合物碰撞其上從而生成混合蒸汽的檔壁；以及所述檔壁使所述經(jīng)預(yù)熱的空氣/燃料混合物在所述燃燒室中改變方向而進(jìn)一步混合所述空氣/燃料混合物。
2.按權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于每一個(gè)所述混合裝置包括一接受和混合所述空氣/燃料的管狀線圈；以及所述預(yù)熱裝置構(gòu)成一使用所述燃燒室中的經(jīng)燃燒氣體在每一個(gè)燃燒室中在所述管狀線圈旁進(jìn)行熱交換、從而提高有待進(jìn)入該內(nèi)燃設(shè)備的所述空氣/燃料混合物的溫度的熱交換器。
3.按權(quán)利要求2所述的設(shè)備，其特征在于每一線圈終止于一在所述檔壁緊旁開口的出口管。
4.按權(quán)利要求3所述的設(shè)備，其特征在于每一線圈足夠長(zhǎng)，從而內(nèi)部的空氣/燃料混合物被加熱到500°-1000°F。
5.按權(quán)利要求4所述的設(shè)備，其特征在于該對(duì)燃燒室位于同一縱向軸線上而頭尾相接。
6.按權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于包括每一所述燃燒室由一把所述燃燒室與周圍大氣隔開的絕熱層圍住。
7.按權(quán)利要求6所述的設(shè)備，其特征在于所述兩燃燒室頭尾相接而由一防火壁隔開。
8.按權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于該對(duì)燃燒室布置成第一室套在第二室中，二者同軸并相互間距；與所述第二室相聯(lián)的所述預(yù)熱器位于所述第二室與所述第一室之間，而與所述第一室相聯(lián)的所述預(yù)熱器位于所述第一室中。
9.按權(quán)利要求8所述的設(shè)備，其特征在于每一所述燃燒室由一加厚絕熱壁構(gòu)成。
10.按權(quán)利要求9所述的設(shè)備，其特征在于所述第一室的端部開口而與所述第二室連通。
11.一種內(nèi)燃設(shè)備，其特征在于包括一以理想配比的0.3-1.0倍的過量燃料比燃燒空氣和碳?xì)浠衔锒峁┛諝?燃料蒸汽的燃燒裝置；所述燃燒裝置包括一對(duì)燃燒室，其第一室中有一混合裝置充分混合所述空氣/燃料蒸汽以便噴入所述內(nèi)燃設(shè)備中；所述燃燒裝置在第二室中有一進(jìn)口裝置接受所供應(yīng)的空氣和燃料；以及所述第二室中用來加熱所供應(yīng)的空氣和燃料的一預(yù)熱器，該預(yù)熱器構(gòu)成一使用在所述第一室中經(jīng)燃燒的氣體在所述第二室中所述管形線圈旁進(jìn)行熱交換而提高所述有待流入所述第一室中的所述空氣/燃料混合物的溫度的熱交換器。
12.按權(quán)利要求11所述的設(shè)備，其特征在于每一個(gè)所述燃燒室由一絕熱層圍住而把熱量保持在所述室中。
13.按權(quán)利要求12所述的設(shè)備，其特征在于所述兩室互相同軸套疊；所述第一室構(gòu)成套在作為一外室的所述第二室中的內(nèi)室；以及所述第一室的端部開口而與所述第二室連通。
14.按權(quán)利要求13所述的設(shè)備，其特征在于，包括一位于所述第一室與所述第二室之間的所述空間中、形成一通向所述第一室的所述混合裝置的進(jìn)氣通道以及一從所述第一室通向所述內(nèi)燃設(shè)備的出氣通道的隔板。
15.按權(quán)利要求11所述的設(shè)備，其特征在于，包括一位于所述第一室中、用來點(diǎn)燃所述空氣/燃料蒸汽的點(diǎn)火裝置。
16.一種內(nèi)燃設(shè)備，其特征在于包括一燃燒空氣和碳?xì)浠衔锒峁┛諝?燃料蒸汽的燃燒裝置；所述燃燒裝置有一套在一第二室中的第一室；所述每一室由一絕熱壁界定；裝在所述燃燒裝置上而圍住所述第二室的預(yù)熱裝置；以及位于所述第二室中、用來點(diǎn)燃所述空氣/燃料蒸汽的點(diǎn)火裝置。
17.按權(quán)利要求16所述的設(shè)備，其特征在于包括所述第二室中、用來充分混合所述第二室中的所述空氣/燃料蒸汽的一混合裝置。
18.按權(quán)利要求17所述的設(shè)備，其特征在于包括一位于所述第一室與所述第二室之間的熱交換線圈。
19.按權(quán)利要求18所述的設(shè)備，其特征在于所述熱交換器為一螺旋形線圈。
20.按權(quán)利要求18所述的設(shè)備，其特征在于所述熱交換器為一螺旋管。
21.按權(quán)利要求18所述的設(shè)備，其特征在于包括位于所述第一室中、形成一對(duì)流路的一隔板，所述流路之一與所述第二室連通，另一流路與該內(nèi)燃設(shè)備連通。
22.按權(quán)利要求21所述的設(shè)備，其特征在于所述第一室與一空氣/燃料進(jìn)口和所述混合裝置連接，所述流路之一與所述內(nèi)燃設(shè)備連通。
23.按權(quán)利要求22所述的設(shè)備，其特征在于包括一與所述混合裝置同軸地設(shè)置在所述第二室中、使高熱氣流流向該室中心的陶瓷環(huán)。
24.一種內(nèi)燃設(shè)備，其特征在于包括一以理想配比的0.3-1.0倍的過量燃料比燃燒空氣和碳?xì)浠衔锒峁┛諝?燃料蒸汽的燃燒裝置；所述燃燒裝置包括一對(duì)全絕熱室，其中第一室中有一混合裝置充分混合所述空氣/燃料蒸汽以便噴入所述內(nèi)燃設(shè)備中；所述燃燒裝置在該對(duì)全絕熱室的第二室中有一進(jìn)口裝置，接受所供應(yīng)的空氣和燃料；所述第二室中用來加熱所供應(yīng)的燃料和空氣的預(yù)熱裝置；所述混合裝置在所述第一室中有一檔壁，供經(jīng)預(yù)熱的空氣/燃料混合物碰撞其上而生成一混合蒸汽；所述檔壁使所述經(jīng)加熱的空氣/燃料混合物在所述第一室中改變方向而進(jìn)一步混合；所述混合裝置包括一接受和混合所供應(yīng)的空氣/燃料的管狀線圈；以及預(yù)熱裝置構(gòu)成一使用在所述第一室中經(jīng)燃燒的氣體在所述第二室中所述管形線圈旁進(jìn)行熱交換而提高所述有待流入所述第一室中的所述空氣/燃料混合物的溫度的熱交換器。
全文摘要
本發(fā)明公開了在一簡(jiǎn)單燃燒器中用一部分或全部燃料制得的氫氣進(jìn)行混合而減少發(fā)動(dòng)機(jī)的氧化氮的排放量的設(shè)備。該設(shè)備包括一絕熱燃燒器(10),該燃燒器有一供一部分或全部燃?xì)饣蛉加驮谄渲信c空氣混合后由一火花塞(27)點(diǎn)火的內(nèi)燃室(17,40)。該室位于一供油預(yù)熱組件內(nèi)。一混合室(17,40)中有一連串檔壁(22,23,32,37)供噴入的空氣和燃料蒸汽碰撞其上而使空氣/燃料充分混合后才點(diǎn)火燃燒,然后排入發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室中。該預(yù)熱組件(15,31)用從燃燒室中流出的經(jīng)燃燒氣體的熱交換過程提高所供應(yīng)的空氣/燃料混合物的溫度。由于該設(shè)備對(duì)整個(gè)燃燒器進(jìn)行絕熱而保持能量、把燃燒部置于空氣/燃料預(yù)熱組件中、使預(yù)熱器的空氣/燃料混合物靠近外絕熱層(12),用由主反應(yīng)生成的一氧化碳與水之間的反應(yīng)提高氫氣輸出或單獨(dú)加入氫氣,因此操作性和性能提高。
文檔編號(hào)C10G9/04GK1185171SQ95197879
公開日1998年6月17日 申請(qǐng)日期1995年6月2日 優(yōu)先權(quán)日1995年6月2日
發(fā)明者戴維·M·莫爾德, 倫納德·格雷納 申請(qǐng)人:氫燃燒器技術(shù)公司