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CN102137992A - 利用非燃料流体喷射操作发动机的设备和方法 - Google Patents

利用非燃料流体喷射操作发动机的设备和方法 Download PDF

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CN102137992A CN2009801339814A CN200980133981A CN102137992A CN 102137992 A CN102137992 A CN 102137992A CN 2009801339814 A CN2009801339814 A CN 2009801339814A CN 200980133981 A CN200980133981 A CN 200980133981A CN 102137992 A CN102137992 A CN 102137992A
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Abstract

水喷射器具有火花塞端配件，该配件用于安装在火花点火式或压缩点火式内燃机的各个燃烧室上，通过该水喷射器将一些水或其他非燃料流体喷射到燃烧室内。每个燃烧室的温度和燃烧压力以及大气的温度、压力和湿度可以被监测并用于控制喷射到燃烧室内的水量，使得发动机能够仿效在标准ISO额定大气条件下发生的操作而在内燃条件下操作，因而提供其ISO额定输出，而不管大气条件如何。喷嘴安装在水喷射器的火花塞端，其包括多个开口，用于以预定空间喷雾图案将水或其他非燃料流体喷射到燃烧室内。对于火花点火发动机，高能预燃室可以与水喷射器集成一体，以便在水喷射到压缩循环中时便于点火。对于柴油发动机，水喷射喷嘴可以设置有与气缸内的柴油喷射器的图案互补的空间喷雾图案。通过使用排气热交换器来对喷射到发动机中的至少一些流体进行预热并且结合在用于控制燃烧的较低温度下的第一流体喷射，可以进一步提高发动机效率，并且在膨胀冲程期间利用基本更高温度的第二流体喷射来提高压缩冲程期间的效率，以维持在非ISO条件下高的额定输出。

Description

利用非燃料流体喷射操作发动机的设备和方法
本申请要求于2008年6月28日提交的美国临时申请61/133,176的权益和优先权。
技术领域
本发明涉及内燃机的结构和操作模式，更具体地说涉及非燃料流体诸如水向燃烧室内的喷射。
背景技术
通过向内燃机的气缸内喷射水或其他非燃料流体获得的功率增加和燃料节约已经公知很长时间。已经表明在压缩循环期间添加水能够降低发动机的NOx。
当用功率说明环境温度、压力和湿度的变化时使用“ISO条件”，ISO条件分别为59°F(15℃)、海平面处的大气压力(14.54378psi或1.01325巴)和60％的相对湿度。对于狄塞尔循环或奥托循环，在气缸内工作以提供推动力的主要质量都是由被添加到发动机的燃料加热的大气空气提供的。由于空气密度是其温度、压力和湿度的函数，在偏离标准ISO条件的某些大气条件下，气缸内的质量可能会减少，因此引起发动机的功率下降。
Van Dal的美国专利No.4,589,377描述了将水或其他非燃料物质喷射到奥托循环内燃机内，被喷射的非燃料物质的量和喷射时间通过诸如引入的燃料质量、内燃机的压缩比、燃料的特性和预定的燃烧峰值温度之类的因素来控制。
Nakayama的美国专利No.6,112,705描述了将水喷射到压缩点火(即狄塞尔循环)内燃机内以降低NOx排放。Zur Loye等人的美国专利公报No.2002/0026926也描述了水向压缩点火内燃机的喷射。
Sihgh的美国专利No.6,311,651、No.6,571,749和No.7,021,272描述了计算机控制的内燃机，其采用了特别在气缸中进行燃烧期间或燃烧已经开始之后将水喷射到内燃机的每个气缸内。内燃机的每个气缸都设置有用于测量气缸内的压力和温度的压力传感器和温度传感器。这些传感器连接至计算机，以基于通过从传感器接收到的信号确定的气缸的“能含量”来控制喷射到气缸内的水的速度和持续时间。
Hobbs的美国专利No.5,125,366描述了将水引入到内燃机中，其中使用了加压水源。采用计算机和各种内燃机传感器来控制水向内燃机气缸的引入。Binion的美国专利No.5,718,194和No.5,937,799描述了用于内燃机的缸内水喷射系统。水以高压低温喷射。Miller的美国专利No.4,448,153描述了用于内燃机的水喷射系统，该水喷射系统响应于内燃机温度向内燃机的气缸内喷射水。美国专利公报No.2006/0037563、Connor的美国专利No.5,148,776和Lee的美国专利No.6,892,680均公开了用于内燃机的水喷射，其中通过计算机响应于一个或多个感测到的内燃机/气缸参数来控制水的喷射。
上述美国专利No.4,448,153、No.4,589,377、No.5,125,366、No.5,148,776、No.5,718,194、No.5,937,799、No.6,311,651、No.6,571,749、No.6,892,680和No.7,021,272以及美国专利公报No.2002/0026926和No.2006/0037563的公开内容通过引用结合在本申请中。
发明内容
尽管通过向内燃机气缸内喷射水(或其他不可燃流体)来获得在燃料节约方面的益处和增益已经公知很长时间，但是如下特征中一些或全部特征无论单独地或组合地均被认为是本发明的各种实施例的特别特征：
(a)响应于外界空气密度(压力和温度)中的任何变化和/或燃料空气混合物中的水含量(湿度)调节喷射的水(或其他不可燃流体)的喷射量；
(b)能够在水喷射控制系统中调节添加到气缸的水量以使内燃机能够产生其在ISO条件下的额定功率，而不管当前大气条件如何；
(c)能够点燃更贫油的内燃机混合物的高能点火系统；
(d)能够输出绝对(ISO)内燃机压力的缸内压力测量系统；
(e)能够使其火焰图案被修改以与不同内燃机的几何形状相适应的预燃室设计；
(f)水喷射器设计，其能够使其喷雾图案被修改以与不同内燃机的几何形状和与奥托循环内燃机的预燃室点火器的火焰图案相适应，或者与压缩点火式内燃机的狄塞尔喷射器喷雾图案相适应；
(g)油/水分离器，用于从内燃机的油中除去水；
(h)排气热交换器，其用于预热被喷射到内燃机内的水，以由此降低用于缸内喷射的水的粘性以及促进进程效率；
(i)辅助的冷凝热交换器，用于从内燃机的排气中回收水；
(j)有机兰金可变相位涡轮和冷凝器，用于从冷凝热交换器和排气中提取被添加的能量；以及
(k)用膨胀冲程期间的更高温度的第二流体喷射补充第一流体喷射，以控制压缩冲程期间的燃烧。
本发明的一些实施方式提供了一种内燃式操作系统，该内燃式操作系统使内燃机能够仿效在标准ISO额定大气条件下发生的操作而在内燃条件(诸如燃烧室内的压力和温度)下操作，因而能够提供其ISO额定输出，而不管大气条件如何。优选设置水喷射器，该水喷射器具有装配至火花点火式或压缩点火式内燃机的燃烧室的火花塞端，通过该水喷射器将一些水或其他非燃料流体喷射到燃烧室内。在水喷射器的火花塞端装配喷嘴，该喷嘴包括多个开口，用于以预定空间喷雾图案将水或其他非燃料流体提供至燃烧室。在这些实施例中，每个内燃机燃烧室的温度和燃烧压力以及大气的温度、压力和湿度优选被监测并用于控制喷射到燃烧室内的水。这不仅能够在非标准ISO条件下以全额定功率操作时通过利用在压缩和膨胀循环期间喷射到气缸内的水添加质量来补偿由于空气的大气特性引起的气缸内工作流体质量的下降，而且还能够在以小于全额定功率的功率操作时提高内燃机的总效率。具体的说，当水被加压、预热并在上止点之后喷射到气缸内时(于是水在膨胀冲程期间蒸发)可以实现非ISO条件下的最大额定功率。
根据其他实施例的一些特有特征，在大气条件已经减小了空气密度从而例如减小了可用的马力(降低内燃机功率)时，可以利用水喷射器将内燃机的功率增加到其额定状态。这可以通过在压缩和膨胀循环期间由喷射到气缸内的水添加质量来补充由于空气的大气特性而引起的气缸内的工作流体质量的下降。这被认为是添加质量和因此增加了燃烧室内的压力的结果。优选在每个循环期间监测每个内燃机的气缸的压力以获得相对于当前实际大气条件的表压力，然后利用当前大气条件与ISO额定条件之间的温度差、压力差和湿度差将所测量的表压力转换成在标准ISO额定条件下相应的ISO绝对内部压力。通过比较测量的ISO绝对内部压力和已知的绝对内部压力(在那些相同ISO额定条件下以最大额定输出操作时实际产生的内部压力)，可以控制水喷射，以使内燃机恢复至其额定输出，而与大气条件无关。
优选通过利用用于测量气缸压力的传感器测量环境空气的温度、压力和湿度、燃料中的水、在压缩循环中喷射的水以及燃烧室内内燃机的操作参数(例如压力和温度)来控制向燃烧室内的水喷射，该传感器优选与水喷射器部件集成一体。这既适合于奥托循环(火花点火)内燃机，又适合于狄塞尔循环(压缩点火)内燃机，并且还适合于这些循环的变型(米勒内燃机、分离燃烧室式内燃机、充量压缩点火内燃机)。所得的水喷射受到控制的新燃烧循环不仅提高了内燃机效率(提高的程度受到被喷射的水的温度、时刻和喷雾图案的影响)，而且通过对直接喷射到燃烧室内的水(或其他合适的非燃料流体)的增加的喷射时间和空间图案的控制而允许在所有大气条件下产生以ISO条件测量的最大额定功率。
本发明的一些实施例的另一特有特征是利用针对具有特有气缸和活塞几何结构的每个内燃机设计的特定喷雾图案来将诸如水之类的非燃料流体引入所有气缸室，优选既控制向气缸喷射的水的空间图案，又控制气缸内的燃料的点火源的空间图案。
喷射器、点火器和/或压力传感器优选组合成用于每个气缸的单个比重计装置，该比重计装置在其火花塞端具有喷嘴结构，该喷嘴结构伸入到燃烧室，并优选设计成利用用于火花塞和/或狄塞尔喷射器的标准螺纹规格固定在适当位置，或者在另选实施例中，通过传统的狄塞尔喷射器保持夹固定在适当位置。这使得能够在现场对用过的和新的设备方便地进行升级，以便利用这里所描述的各种水喷射技术的诸多优点。对于火花点火内燃机，优选将高能预燃室点火器与水喷射器集成在一起，以形成“热比重计”点火器-喷射器，其在压缩/膨胀循环过程中独立地控制压缩燃料空气混合物在燃烧室内的点燃以及水在适当时间(或多个时间)的喷射。对于柴油和其他压缩点火内燃机，优选通过配备有两组喷嘴喷口的“柴油比重计”喷射器将水和燃料独立地喷射到燃烧室，其中水喷口具有与柴油喷口互补的空间喷雾图案。
根据其他一些优选实施例的又一重要特征，预燃室可以结合在水喷射器设计中，使得存在高能点火源，从而允许更贫油的燃烧室混合物(诸如在压缩过程中进行水喷射时会产生这种混合物)能够被点燃。预燃室可以用于增加特殊燃料，例如氢气，其目的是为了与进入燃烧室内的高速射流更好地预燃，并且在极度贫油燃料混合物的情况(利用大量水喷射时会产生这种情况)下降低内燃机的总排放。非燃料流体可以通过增加过氧化物或尿素或其他添加剂或润滑剂来改变，以改变NOx、CO、内燃机排气和气缸壁的润滑性特征。这些添加剂还可以是所测量的大气参数以及外部排气测量结果的函数。
对于柴油内燃机，通过向柴油比重计增加燃料输入(CNG或LNG)而优选用液化天然气(LNG)或压缩天然气(CNG)代替通常的柴油燃料的大部分(优选从大约60％到98％)，该柴油比重计优选在喷射器喷嘴中包括用于LNG或CNG替代燃料的附加喷射器出口。同样，通过喷射低挥发性燃料(诸如氢或氢氧混合物(罗德斯气体或布朗气体))，低挥发性燃料只有在它们已经进入主燃烧室(优选通过贯穿比重计的附加通道)之后才被点燃，可以减低内燃机排气中的NOx。这被认为是由于高速火焰能够点燃极度贫油的燃料混合物(在利用大量水喷射时会产生这种极度贫油的燃料混合物)。向燃烧室增加高速火焰燃料被认为使点燃更接近于上止点，因而减少压缩泵送损失并进一步提高内燃机效率。
优选采用具有合适传感器输入的内燃机控制器来监测内燃机的所有操作参数、外部空气温度、压力和湿度、水喷射温度、燃料中的水含量和其他燃料参数。然后由该控制器利用这些输入参数来控制水喷射时刻以及在每个内燃机循环中向每个气缸喷射的水的量和温度以及用于每个气缸的点火系统的(点火)时刻。特别是在与燃烧室内最佳水喷雾图案结合时，这会在以全额定功率或小于全额定功率的功率操作时提高内燃机效率。由于从不同气缸中的不同传感器向控制器输入多种参数，因此水喷射/点火时刻控制器优选还评估每个单独的传感器是否正确地操作。
可以通过利用排气热使喷射水温度升高来使喷射水在喷射之前改变其粘性。热交换器旁路系统可以实现全范围水温。这种粘性变化能够降低喷射所需的水泵送载荷，并且对燃烧室内的喷雾图案具有影响。通过从内燃机排气回收其他废弃热来在水喷射到气缸内之前对水进行预热也可以进一步提高循环效率。
对于涡轮增压奥托循环内燃机，水喷射可以通过如下方式来实施：(a)在涡轮增压之后雾化；(b)在每个气缸进气之前雾化；或(c)在进气或压缩冲程期间直接喷射到燃烧室内；或上述三种方式的组合。水喷射可以通过去除涡轮增压器的压缩热(不是利用内部冷却器)来进一步增加内燃机效率，并且可以用于控制内燃机爆震(内燃机预燃或爆燃)。通过增加压缩比和通过利用水喷射将内燃机空气冷却到低于引起内燃机爆震的温度来避免内燃机爆震，可以提高奥托循环内燃机的效率。优选增设内燃机爆震传感器，以确保不会由于在点燃之前气缸温度升高而发生内燃机爆震。
在水喷射系统中优选包括水/油分离器，以从内燃机油中除去水。在内燃机操作期间，内燃机的燃烧气体由于活塞环中的空隙和活塞环间隙而与内燃机油混合在一起，从而产生水与内燃机油混合在一起的可能。
根据一些优选实施例的另一重要特征，通过安装冷凝热交换器和/或涡轮发生器可以进一步利用内燃机排气来产生能量和回收被喷射的大部分水。热交换器可以由抗酸金属或涂覆有特氟隆的金属制成，以抵抗来自弱酸性的排气气体的侵蚀。利用R245fa(五氟丙烷)采用可变相位涡轮或三边循环的有机兰金涡轮和冷凝器可以用来从冷凝热交换器提取能量并使水冷凝以供喷射器重复使用。可以将大气空气混合到内燃机排气中，以为热交换器内的有机涡轮的工作流体提供合适的温度条件。
本发明可以广泛地应用于各种技术应用，包括运输和发电，并且通常将会导致超过迄今为止所能实现的功率和效率的增加。对于在机车和轮船上的应用，响应于排气气体的涡轮发生器可以提供附加的电力。所需要的喷射水可以通过机车运输或可以通过反渗透在轮船上生产。对于具有高的水含量的沼气(LFG)和其他生物燃料，燃料中的水在水被直接喷射到燃烧室内的同时执行类似的质量增加功能，因此其不是作为应该被滤掉的污染物，而是被简单地测量并作为输入提供给水喷射控制器。
附图说明
为了更完全地理解本发明，下面将参照如下若干当前优选的代表性实施例的详细描述以及附图。
图1是结合有根据本发明的水喷射的十六缸发动机的示意图；
图2是根据本发明的实施例的用于在火花点火发动机中使用的火花点火点火器-喷射器(“热比重计”)的示意图；
图3是根据本发明的另一实施例的用于在火花点火发动机中使用的狄塞尔点火(微引燃)热比重计装置的示意图；
图4是根据本发明的另一实施例的用于在火花点火发动机中使用的热比重计的示意图，该热比重计还包括用于氢气或布朗气体的喷射器；
图5是图2的包括点火器-喷射器喷嘴的热比重计的火花塞端的放大图；
图6示出了用于图2的点火器-喷射器喷嘴的喷口孔的第一布置；
图7示出了用于图2的点火器-喷射器喷嘴的喷口孔的另选布置；
图8是图1所示的十六缸发动机的示意图，其中该发动机被修改以与液化天然气(LNG)一起使用；
图9是图8所示的十六缸发动机的示意图，但是该发动机被修改以与压缩天然气(CNG)一起使用；
图10是具有水喷射(“柴油比重计”)的柴油喷射器；以及
图11是具有CNG或LNG喷射的柴油比重计；以及
图12示出了用于评价不同实施例的热力学模型。
具体实施方式
为了便于阅读，下面的描述将通常是指使用水作为非燃料流体，但是应理解，可以使用其他非燃料流体。因此，尽管将水作为非燃料流体以增加的质量喷射到燃烧室内是个明显的选择，但是可以使用其他合适的流体，包括诸如氩、氮之类的惰性气体、二氧化碳和氨气、以及充氧水组合物。
参照图1，提供具有本发明的改进的十六缸发动机10。空气传感器12提供环境空气的温度、压力和相对湿度。从该大气数据和进入发动机的空气的当前质量流率，可以确定在任何给定发动机设计构造内进入发动机的空气密度和的空气质量。
处理过的水(具有添加剂或没有添加剂)被供应至高压调节泵14。该泵向发动机10的每个缸16提供高压水。水首先通过排气热交换器18，排气热交换器18使水温升高。水既在发动机的压缩循环中使用以防止爆震，也在发动机的膨胀循环中使用以提供增加的功率和改善循环效率。在初始压缩循环中，水可以：(a)直接喷射到气缸内；或(b)喷射到涡轮增压器的压缩机排气中；或(c)喷射到进气阀内；或(d)上述情形的任意组合。
每个气缸16装备有爆震传感器20、温度传感器22和压力传感器24(在图2中示出)。压力传感器被校准以读取基于ISO条件的压力而不是表压力。调节的ISO数据通过利用来自空气传感器12的压力、温度和湿度输入(以及/或者从进入的空气流中的质流传感器得到的等同数据)来计算，并且考虑到了由燃料中含有的任何水或水添加剂产生的附加质量。
附加地参照图2、3和4，对于火花点火发动机来说，每个气缸16装配有能够装配在发动机的传统火花塞螺纹图案(screw pattern)内的点火器-喷射器控制装置。该点火器-喷射器控制装置优选为热比重计26的形式，该热比重计控制每个气缸16内的点火图案和时刻以及每个气缸16内的喷水图案和喷水时刻，并且通过燃料压力传感器24来控制每个循环内的压力。水被从高压水源提供给水线路25。每个热比重计包含压力传感器24，以确保不会超过制造商的ISO标定条件。燃烧压力传感器24通过电线28连接至主控制器30。压力传感器输出作为绝对ISO压力而不是相对表压力来传输(或通过控制器30转换成绝对ISO压力)。水量和时刻通过主控制器30经由水控制螺线管32来控制，以通过将所测量的参数与ISO条件相关联而与发动机的ISO额定值相匹配，不管大气空气条件如何。
油净化系统42被设计成去除油系统中夹带的任何水。油然后返回到曲轴箱用于润滑发动机。
如图2所示，对于火花点火发动机，热比重计26的设计包括插入到预燃室34内的火花塞27，该预燃室34经由燃烧气体通道38将来自该预燃室34的燃烧气体的高能火焰36(另参见图5)引导到燃烧室内。与其他可能的情形相比，将高能火焰36引入燃烧室(未示出)允许更贫油的混合物燃烧(因此允许更高的燃料效率)。预燃室34在其火花塞端终止于带螺纹的喷射器喷嘴35，该喷射器喷嘴35设有延伸到预燃室34内的通道38和喷水口40，喷水口40与水线路25密封地流体连通，以提供喷水图案，该喷水图案可以定制化以与每个活塞和头部几何形状相匹配，并且可以与点火器喷口图案相适应。例如，如图5中最佳所示，带螺纹的喷嘴35中的限定喷水口40的各个孔可以以倾斜角周向倾斜地钻成，以赋予水以涡旋，以由此促进与进入的燃烧气体更好的混合。可以以试验方式通过顺序地安装每个均具有不同系列的倾斜钻孔的不同测试喷嘴并选择提供最佳性能的喷嘴钻孔来容易地确定对于给定的发动机构造来说合适的喷射角。
如图3所示，用于使用柴油燃料的微引燃点火发动机的热比重计26a的设计与图2中所示的比重计类似，但是其中柴油喷射器39插入到预燃室34内。热比重计26a的火花塞端35装配有发动机的点火装置螺纹图案(或其他合适的连接器)。
参照图4，设置热比重计26用于在火花点火发动机中使用，热比重计26与图2的热比重计类似，但是该热比重计26还包括用于氢气或布朗气体(二原子和单原子氢氧的稳定的化学计量“混合物”)的喷射器41。布朗气体可以添加到或替换经由通道38进入预燃室24的气态燃料。当如图所示将布朗气体供给到热比重计26b内时，进入燃烧室的火焰36的能量于是会具有非常高的能量，从而使得低热混合物能够被燃烧。
参照图6和7，两个不同的热比重计喷嘴设计35a和35b具有各自的能够产生两组不同的喷水测试图案的内部连接区域37a、37b。在图6所示的图案35a中，在较小的喷水口40a被固定的情况下，可以在区域37a内以各种位置和取向钻出较大的气态燃料通道38a，而在备选图案35b中，燃料通道38b被固定，并且可以在区域37b内钻出喷口40b。
参照图8，与图1所示的发动机类似的十六缸发动机10a已经被修改，以与从LNG源42通过连接至发动机气缸的LNG燃料线路48供给至LNG泵44和驱动器46的液化天然气一起使用。
参照图9，图8的十六缸发动机10b已经被进一步修改，以与从LNG源42通过蒸发器47并通过与发动机气缸CNG连接的燃料线路50供给至LNG泵44和驱动器46的压缩天然气(CNG)一起使用。在另选实施例(未示出)中，CNG可以在装置外产生并在压缩罐中存储和运输，在这种情况下，CNG在位置47处从控制阀直接供给。
图10示出了柴油发动机的柴油比重计。其目的在于取代柴油发动机中的柴油喷射器并包括柴油入口52和入水口54。除了以传统的柴油喷雾锥53向发动机提供柴油燃料之外，图10中的喷射器还以围绕柴油喷雾锥53的同心喷雾图案56引入水，从而使喷射的水围绕喷射的柴油燃料。水量通过控制器来控制，以使发动机性能到达ISO条件并取代所使用的柴油燃料量。
图11中所示的柴油比重计类似于图10中的比重计，但是可以附加地利用来自第三入口58的CNG或LNG作为用于一些或全部更重的柴油燃料的替代燃料。除了同心的柴油和水喷雾锥53和56外，其还提供了由相应环形的CNG或LGN喷口形成的外同心喷雾锥60，以将另选的燃料引入到燃烧室。因此，图11具有三种喷雾图案，而图10具有两种喷雾图案。在这两种情况下，与图6和图7所示的热比重计喷嘴设计类似，可以针对具体的燃烧室的几何形状重新布置喷口，以形成最佳一组喷雾图案。
表1至4示出了从根据本发明的各种实施例修改和操作的典型往复式发动机(在这种情况下为CAT G3516C)的计算机化热力学模型获得的数值结果，在利用其数据表进行校准后，在标准ISO3046/1条件下的最大功率和降低时在非ISO条件下进行效率评价，采取96.7％的发生器效率，并且采取恒定的涡轮增压器压缩器和膨胀器效率。而且，使用燃烧进入空气流量连同气缸形状和压缩比来计算在ISO下所需的涡轮增压器压力比(由于缺少压缩机特性曲线，因此涡轮增压器压力比在模型中保持恒定)。通过海拔(0到12000英尺)、温度(50到130°F)和湿度(0％3100％)来映射构建的模型。超出设计范围的性能被确定并被制成表格。利用数据表，热力学模型被校准(针对涡轮增压器的效率、压缩和膨胀的效率)。
然后，通过在上止点向模型增加水喷射，然后将计算得到的火焰温度与没有任何水喷射的ISO参照模型匹配(这通过改变燃料流量实现)，来生成表1中的数据。水量决定了能够获得的功率的增加，并且重复该过程，直到功率和火焰温度接近ISO条件。具体地说，将从表1看出，维持满额输出所需的水喷射量在更高海拔(更低压力)处增加，并在大约100°F(38℃)经历明显的峰值。表1采用了60％的相对湿度，对于其他周围环境湿度来说可以重复同一过程，从而可以调节对于给定的环境大气温度和压力所需的喷射水流量，以便考虑到实际湿度并且还考虑到燃料中已经存在的任何水。
然后，提高具有更多变量的该热力学模型(表2)的进一步改进的版本(表3)，以包括本发明的其他实施例的益处。具体的说，在压缩/减压循环期间以两个不同温度在两个不同时间喷射变化的水量，从而不仅增加功率，而且还增加效率。通过在燃料点燃之前以较低温度(100°F)喷射少量水，可以将压缩比从11.3增加至14，而不会发生自动点火，这是因为燃烧室的温度被由此降低了。除了由于增加的压缩比而使功率和效率增加外，喷水还具有降低损失的双重益处。通过降低峰值温度，减少了裂解，从而提高了燃烧效率，并且降低了由于水套冷却水和热辐射引起的损失。已经发现，这种效率提高的最佳喷射点是在压缩之前，且在冲程过程中没有任何水喷射。这可以通过在二次冷却器之后由标准的入口雾化来实现。
利用对模型的其他修改进行的进一步计算还表明，喷射水以增加功率的最佳时间并不是在上止点(如表1所采取的)，因为这明显会导致水在与燃烧气体混合时被蒸发，由此会抑制否则已经发生的膨胀，并且使燃烧室内的压力和温度立即产生下降，结果使膨胀性能下降。然而，如果功率增加的水喷射稍后进行，优选是在气体已经膨胀了四倍时，则由发动机热损失降低和水的膨胀而导致的效率和功率的提高胜过任何抑制效应。此外，如果用于稍后在膨胀阶段进行喷射的加压水首先利用发动机排气预先加热到相当高的温度(优选加热到大约650°F)，然后将高温水喷出到活塞头和壁上以冷却金属表面而蒸发，则在总效率上将会有进一步增加，如表3(ISO条件)和表4(降低大气压力并升高温度)中所反映的那样。
尽管结合优选实施例描述了本发明，然而应理解，本领域技术人员将容易地理解，在不脱离本发明的原理和范围的情况下可以采用各种修改和变化。因而，这些修改可以在所附权利要求的范围内实践。
表2
Figure BPA00001327420700141
表1
Figure BPA00001327420700142
表3
通过水喷射增加的压缩
Figure BPA00001327420700151
表4
12.7磅/平方英寸(4000英尺)，90°F环境，利用水喷射
Figure BPA00001327420700161

Claims (20)

1.一种用于提高内燃机的功率和效率的方法，其中在压缩/膨胀循环期间将水或其它不可燃流体喷射到所述内燃机的气缸内，该方法包括如下步骤：
监测当前大气条件中的任何变化；
确定在当前大气条件下使所述内燃机能够产生在ISO条件下的额定功率所需的喷射流体的量；
响应于燃料源中的水含量的任何变化调节所述喷射流体的量；
利用排气热交换器预热被喷射到所述内燃机内的流体中的至少一些流体；以及
使用膨胀冲程期间的更高温度的第二流体喷射补充第一流体喷射，以控制压缩冲程期间的燃烧。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，该方法包括如下附加步骤中的一个或多个：
设置结合有高能点火系统的比重计，该高能点火系统能够点燃更贫油的内燃机混合物；
利用辅助冷凝热交换器从所述内燃机的排气中回收水；以及
获得绝对(ISO)内部压力；
修改从热比重计输出的火焰图案以与不同的内燃机燃烧室几何形状相适应，所述热比重计被设计成用于一种特定的燃烧室几何形状；
修改从被设计用于一种特定内燃机设计的比重计输出的喷射图案以与不同的内燃机设计相适应；
设置水/油分离器以从内燃机油中去除水。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述内燃机是奥托循环内燃机，具有特定几何形状的燃烧室和输出专用于该几何形状的特定火焰图案的热比重计。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述内燃机是狄塞尔循环内燃机，具有特定几何形状的燃烧室和输出专用于该几何形状的水和燃料的互补喷雾图案的柴油比重计。
5.一种内燃机，该内燃机具有喷射器，该喷射器具有延伸到燃烧室内的喷嘴结构，受控量的水或其它非燃料流体通过该喷嘴结构喷射到所述燃烧室内，该内燃机包括：
火花塞端装置，该火花塞端装置用于将所述喷射器装配到所述燃烧室；和
喷口装置，该喷口装置用于以预定空间喷雾图案将所述非燃料流体引导到所述燃烧室内。
6.根据权利要求5所述的内燃机，其中，该内燃机还包括与所述喷射器形成一体的预燃室，用于向所述燃烧室提供预定的火焰图案。
7.根据权利要求5所述的内燃机，其中，该内燃机还包括第二组喷口，该第二组喷口用于以与所述喷口装置的相应喷雾图案互补的预定喷雾图案将柴油燃料喷射到所述燃烧室内。
8.根据权利要求5所述的内燃机，其中，该内燃机还包括供给装置，该供给装置用于在所述非燃料流体被喷射到所述燃烧室内之前提供对所述非燃料流体的加压和预热。
9.根据权利要求8所述的内燃机，其中，该内燃机还包括可操作地连接至所述喷射器和所述供给装置的控制系统，该控制系统用于在压缩冲程内在第一时间间隔期间使第一量的具有第一温度的所述流体喷射，并且用于在膨胀冲程内在随后的第二时间间隔期间使第二量的具有第二温度的所述流体喷射。
10.根据权利要求9所述的内燃机，其中，所述第二温度为至少650华氏温度，并且所述第一温度基本小于所述第二温度。
11.根据权利要求10所述的内燃机，其中，所述第一时间间隔在燃烧之前，并且所述第二时间间隔在膨胀了四倍之后。
12.一种内燃机，该内燃机具有多个气缸，每个所述气缸均设有喷射器，该喷射器具有延伸到相应的燃烧室内的相应的喷嘴结构，通过该喷嘴结构将受控量的水或其他非燃料流体喷射到所述燃烧室内，所述内燃机包括：
用于确定每个所述燃烧室的温度和燃烧压力的装置；
用于确定大气的温度、压力和湿度的装置；和
控制器，该控制器利用所确定的大气温度、压力和湿度来控制将要被喷射到所述燃烧室内的水的量。
13.根据权利要求12所述的内燃机，其中，用于确定所述内燃机的燃烧室的燃烧压力的所述装置能够确定绝对ISO内燃机压力。
14.根据权利要求12所述的内燃机，其中，该内燃机还包括用于确定燃料的水含量的装置，其中所述控制器在计算所述受控量时考虑该水含量。
15.根据权利要求12所述的内燃机，其中，该内燃机还包括用于调节由水喷射器增加的水量的装置，从而使所述内燃机能够产生在ISO条件下的额定功率，而与大气条件无关。
16.根据权利要求12所述的内燃机，其中，该内燃机还包括油/水分离器，用于从内燃机油中去除水。
17.根据权利要求12所述的内燃机，其中，该内燃机还包括排气热交换器，用于预热被喷射到所述内燃机中的水。
18.一种用于操作火花点火式或压缩点火式内燃机的方法，该内燃机具有多个燃烧室，通过该方法将一些水或其他非燃料流体喷射到所述燃烧室内，该方法包括：
确定所述内燃机的每个燃烧室的温度和燃烧压力；
确定大气的温度、压力和湿度；以及
利用所确定的大气温度、压力和湿度来控制喷射到所述燃烧室内的水。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，确定所述内燃机的燃烧室的燃烧压力的步骤包括测量绝对ISO内燃机压力。
20.根据权利要求18所述的方法，其中，该方法还包括确定所述内燃机中使用的燃料的水含量，并且基于由大气条件引起的空气密度变化以及燃料中的水含量来控制喷射的水量。
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