專利名稱：使用水注射的分開式循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及分開式循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)，尤其涉及結(jié)合用于改善功率和/或運(yùn)行的 水注射的發(fā)動(dòng)機(jī)。
背景技術(shù)：
為了清楚起見，應(yīng)用到現(xiàn)有技術(shù)中所公開的發(fā)動(dòng)機(jī)的術(shù)語(yǔ)"分開式循環(huán)發(fā) 動(dòng)機(jī)鄰本申請(qǐng)中所稱的術(shù)語(yǔ)"分開式循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)'定義如下 本文所稱的分開式循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)包括 曲軸，可以圍繞曲軸軸線轉(zhuǎn)動(dòng)；動(dòng)力活塞，所述動(dòng)力活塞可滑動(dòng)地容納在動(dòng)力氣缸內(nèi)并且操作性地連接 到曲軸，使得所述動(dòng)力活塞通過在所述曲軸的單個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)期間的動(dòng)力(或膨 脹)沖程和排氣沖程而往復(fù)運(yùn)動(dòng)；壓縮活塞，所述壓縮活塞可滑動(dòng)地容納在壓縮氣缸內(nèi)并且操作性地連接 到曲軸，使得所述壓縮活塞通過在所述曲軸的單個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)期間的進(jìn)氣沖程和壓 縮沖程而往復(fù)運(yùn)動(dòng)；和使動(dòng)力氣缸和壓縮氣缸相互連接的氣體通道，所述氣體通道包括在其間 限定壓力室的進(jìn)氣閥與排氣(交換)閥。全都受讓于本發(fā)明的受讓人的美國(guó)專利US No.6，543,225B2 、 US No.6,609,371 B2和US No.6，952，923 (史古德利集團(tuán)的專利)公開了本文所定 義的分開式循環(huán)內(nèi)燃機(jī)的示例。這些專利包含在這些專利授權(quán)時(shí)引用為背景 技術(shù)的很多美國(guó)和外國(guó)專利和公開出版物。因?yàn)檫@些發(fā)動(dòng)機(jī)真正將傳統(tǒng)的壓 力/體積奧托(O加)循環(huán)的四個(gè)沖程(即，進(jìn)氣、壓縮、動(dòng)力和排氣)分配 到兩個(gè)專用缸(一個(gè)氣缸專用于高壓壓縮沖程，而另一個(gè)氣缸專用于高壓動(dòng) 力沖程)，所以用于這些發(fā)動(dòng)機(jī)的術(shù)語(yǔ)為"分開式循環(huán)(split-cycle)"。目前，相當(dāng)多的研究已經(jīng)致力于空氣混合型發(fā)動(dòng)機(jī)?？諝饣旌闲桶l(fā)動(dòng)機(jī) 只需要添加空氣壓力容器，所述空氣壓力容器被添加至包括壓縮機(jī)和空氣馬達(dá)的功能以及傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)的功能的發(fā)動(dòng)機(jī)，用于提供混合系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)。這 些功能包括在制動(dòng)期間儲(chǔ)存加壓的空氣并且在隨后的啟動(dòng)和加速期間將加壓 的空氣用于驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。在過去，注射水到傳統(tǒng)的四沖程內(nèi)燃機(jī)的氣缸中已經(jīng)被應(yīng)用，用于增壓 式發(fā)動(dòng)機(jī)的碰撞控制，但并不知道將其用于提高審慟熱效率或制動(dòng)功率。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明由應(yīng)用水或蒸汽注射至吩開式循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)以提高制動(dòng)功率輸出和/或效率的計(jì)穀幾模型化研究產(chǎn)生。爆炸(碰撞)控制和NOx排放物的減小的可能的結(jié)果也被考慮。研究的總結(jié)的結(jié)論如下注射水到壓縮氣缸中被預(yù)測(cè)提高制動(dòng)功率和效率。注射水到交換通道中可能沒有功率或效率益處，但可以顯著地降低NOx和爆炸作用。假定任何添 加的水S31使用一種形式的廢熱被外部地加熱。蒸汽注射到壓縮氣缸中被預(yù)測(cè)具有中性的作用，但蒸汽注射到交換通道 中能夠增加發(fā)動(dòng)機(jī)功率和效率。假定任何添加的蒸汽通過使用廢熱被從外部 產(chǎn)生。如果能夠使注射的7K碰撞活塞或氣缸蓋以產(chǎn)生蒸汽，同時(shí)冷卻發(fā)動(dòng)機(jī)的 這些部件，那么注射水至鵬脹汽缸中被預(yù)測(cè)顯著地提高制動(dòng)功率和效率。預(yù)湖仿法未模擬與提高的抗爆炸性和減小的NOx排放物相關(guān)的附加的益 處，m于具有水和蒸汽注射的SI發(fā)動(dòng)機(jī)是公知的并且是非常有意義的。假 定7]<漆汽注射量在燃料注射量的約1-2倍范圍內(nèi)。所有預(yù)測(cè)的另一重要的假定是任何注射的水能夠在進(jìn)入氣缸或交換通道 時(shí)立即蒸發(fā)。這實(shí)際上是不可能的，并且水注射的優(yōu)點(diǎn)將顯著地依賴于水可 被蒸發(fā)的速度。內(nèi)燃機(jī)的時(shí)間常數(shù)使得在壓縮氣缸中很難實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)，除非水 以非常細(xì)小的液滴形式出現(xiàn)，從而提供很大的表面積，并且希望接近其沸 點(diǎn)。雖然水或蒸汽注射的優(yōu)點(diǎn)看上去很有吸引力，但是存在嚴(yán)重的實(shí)際問 題、顯著地增加的硬件復(fù)雜性、水消耗、凍結(jié)保護(hù)、油污染以及可能的腐 蝕。外部蒸汽產(chǎn)生將會(huì)是主要的硬件成本。另一方面，分開式循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)比4 沖程發(fā)動(dòng)機(jī)從注射水到壓縮機(jī)中獲利多，因?yàn)閴嚎s機(jī)功和再膨脹損失大于4沖程發(fā)動(dòng)機(jī)。雖然在膨脹氣缸中注射蒸汽可能是困難的，但是在交換通道中 將會(huì)更容易，并且可能幫助控制交^H，。報(bào)告的總結(jié)結(jié)論導(dǎo)致使用水注射的分開式循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的幾個(gè)實(shí)施例的構(gòu) 思，這些包括直接注射水到壓縮氣缸中的分開式循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)；在壓縮空氣排放到膨脹氣缸中之前，直接注射水到交換通道中的分開式 循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)；在壓縮空氣排放到膨脹氣缸之前，直接注射蒸汽到交換通道中的分開式 循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)；直接幽寸水到膨E^缸中的分開式循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)； 直接蒸汽注射到膨脹氣缸中的分開式循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)；直接注射7K/蒸汽到壓縮氣缸、交換通道以及膨脹氣缸中的一個(gè)中的分開 式循環(huán)空氣混合型發(fā)動(dòng)機(jī)。另外的變化和次組也被設(shè)想。從隨后的本發(fā)明的詳細(xì)描述以及附圖中將更加全面地理解本發(fā)明的這些 和其它特征和優(yōu)點(diǎn)。


圖1是具有壓縮氣缸、交換通道以及膨脹氣缸的現(xiàn)有技術(shù)的分開式循環(huán) 發(fā)動(dòng)機(jī)的示例性實(shí)施例的示意圖；圖2是類似于圖1但顯示以直接,水或蒸汽到壓縮氣缸中為特征的本 發(fā)明的第一實(shí)施例的視圖；圖3是類似于圖1但顯示以直接,7K^蒸汽到交換ilit中為特征的第 二實(shí)施例的視圖；圖4是類似于圖1但顯示以直接、M7j^蒸汽到膨脹氣缸中為特征的第 三實(shí)施例的視圖；圖5是類似于圖1但顯示包括壓縮空氣儲(chǔ)存罐的空氣混合型發(fā)動(dòng)機(jī)并且 以包括水或蒸汽注射到壓縮氣缸、交換通道以及膨脹氣缸中的一個(gè)或多個(gè)中 的另外的實(shí)施例為特征的視圖；圖6A是7X/蒸汽、,到壓縮氣缸中的計(jì)算機(jī)模型；圖6B是圖6的項(xiàng)目的定義的列表；圖7A ^7K/蒸na射到交換iM中的計(jì)算機(jī)模型；圖7B是圖7A的項(xiàng)目的定義的列表；圖8是 ^和蒸汽注射到壓縮氣缸中的預(yù)領(lǐng)啲圖表；圖9是M;Jc和蒸汽注射到交換鵬中的預(yù)測(cè)的圖表；圖10A是注射水到膨脹氣缸中的計(jì)^m模型；圖10B是圖10A的項(xiàng)目的定義的列表；圖11是來自表A1的有水,和沒有水注射的氣缸壓力對(duì)曲軸轉(zhuǎn)角的圖 表；禾Q圖12是有水注射的氣缸^^度的圖表。
具體實(shí)施方式
I.鵬Scuderi集團(tuán)，LLC委托德克薩斯州圣安東尼奧市的西南研究院 (SwRI )進(jìn)行計(jì)算機(jī)化研究。所述研究涉及構(gòu)建在確定直接注射7j^卩/或蒸汽 到發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮氣缸、交換通道或膨脹氣缸中的分開式循環(huán)的四沖程發(fā)動(dòng)機(jī) 的運(yùn)行的預(yù)測(cè)效果中使用的計(jì)算機(jī)模型。所述計(jì)算機(jī)化研究通過關(guān)于分開式 循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的示例性實(shí)施例產(chǎn)生在本文中公開的本發(fā)明。n.術(shù)i吾表在本文中使用的項(xiàng)目的縮寫和定義的以下術(shù)語(yǔ)表被衛(wèi)共用于參考。 ATDC:上死點(diǎn)之后；自動(dòng)點(diǎn)火(Autoignition):在被火花塞點(diǎn)火的可控制的點(diǎn)燃之前的部分空 ^/燃料混^的不MJ空制的點(diǎn)燃；巴壓強(qiáng)單位，1巴=0.1牛/就2;基線GT功^t型狀態(tài)粒在美國(guó)專利No.6,952，923中并朋作后來比 較的基線；平均有效制動(dòng)壓力(BMEP):如果平均壓力在整個(gè)的一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)中 被均勻地施加至活塞上，平均壓力將會(huì)產(chǎn)生測(cè)量的(制動(dòng))功率輸出。實(shí)質(zhì) 上，發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩被發(fā)動(dòng)機(jī)排量標(biāo)準(zhǔn)化；制動(dòng)功率在輸出軸處測(cè)量的發(fā)動(dòng)機(jī)功率，例如3M (制動(dòng))功率計(jì)； 制動(dòng)熱效率(BTE)或制動(dòng)效率被轉(zhuǎn)化成機(jī)械能量的燃料能量的百分 數(shù)，如在發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出軸處測(cè)量的；CI發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮點(diǎn)燃(例如柴油機(jī))發(fā)動(dòng)機(jī)；燃燒事件燃燒燃料的過程，典型地在發(fā)動(dòng)機(jī)的膨脹室中，其持續(xù)的時(shí) 間典型地由曲柄轉(zhuǎn)角(CA)的度數(shù)來測(cè)量；壓縮機(jī)功在移動(dòng)壓縮機(jī)活塞時(shí)曲軸消耗的肖讀；曲柄轉(zhuǎn)角(CA):曲軸行程的旋轉(zhuǎn)角度，典型地是指在與缸膛對(duì)齊時(shí)的 位置；烚熱含量；膨脹功在移動(dòng)曲軸時(shí)膨脹活塞消耗的能量；全負(fù)載發(fā)動(dòng)機(jī)在給定的速度下能產(chǎn)生的最大扭矩。另外還指發(fā)動(dòng)機(jī)沿 一個(gè)發(fā)動(dòng)豐腿度范圍的一系歹啲這些點(diǎn)的特性；GT功率來自Gamma技術(shù)公司的發(fā)動(dòng)機(jī)模擬工具；注射期間燃料或水注射事件的持續(xù)時(shí)間，通常由曲軸旋轉(zhuǎn)的度數(shù)來測(cè)碰撞限制任何進(jìn)一步增加的扭矩將會(huì)使得發(fā)動(dòng)機(jī)碰撞的條件(不受控 制的燃燒，伴隨非常急劇的壓力上升，由自動(dòng)點(diǎn)火點(diǎn)燃并且潛在地具有破壞 性)；蒸發(fā)潛熱材料經(jīng)歷液體和氣體之間的相變而不改變溫度所需要的能NOx:歸化物；抽吸損耗與ffiil發(fā)動(dòng)機(jī)抽吸氣體相關(guān)的摩i^員耗； SI發(fā)動(dòng)機(jī)火花點(diǎn)火(例如奧托)發(fā)動(dòng)機(jī)；注射計(jì)時(shí)起點(diǎn)(SOI):燃料或水開始注射的曲軸的位置，通常由相對(duì)于 上死點(diǎn)的曲柄轉(zhuǎn)角的度數(shù)表示；化學(xué)計(jì)量(Stoichiometric)比發(fā)生燃料完全燃燒的空氣燃料比。對(duì)于汽油，化學(xué)計(jì)量比按重量是14.7: 1;和蒸汽分?jǐn)?shù)是與液體相對(duì)的蒸汽的流體分?jǐn)?shù)。m.由計(jì)M1化研究產(chǎn)生的分開式循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)施例
首先詳細(xì)地參考附圖的圖1，標(biāo)記10總的顯示如在先前的美國(guó)專利
6，952，923 B2的圖6中公開的分開式循環(huán)的四沖程內(nèi)燃機(jī)的示例性實(shí)施例。
如所顯示的，發(fā)動(dòng)機(jī)包括具有第一氣缸14和在其中延伸穿過的相鄰的第 二氣缸16的發(fā)動(dòng)禾/li且12。曲軸18被^i依戶;M^且12中，用于圍繞曲軸軸線 20旋轉(zhuǎn)，曲線軸線20垂直于附圖的平面延伸。氣缸14、 16的上端被氣缸蓋 22封閉。
第一和第二氣缸14、 16限定內(nèi)部軸,面，第一動(dòng)力活塞24和第二壓 縮活塞26被分別容納在所述內(nèi)部軸承表面中用于往復(fù)運(yùn)動(dòng)。氣缸蓋22、動(dòng)力 活塞24和第一氣缸14在動(dòng)力氣缸14中限定了^f只可以變化的燃燒室25。氣 缸蓋22、壓縮活塞26以鄉(xiāng)二氣缸16在壓縮氣缸16中限定^f只可以變化的 壓縮室27。
曲軸18包括在其間具有相位角31的軸向位移的且成角度地偏移的第一 和第二曲柄行程28、 30。第一曲柄行程28 i!31第一連接桿32被樞軸,接 至第一動(dòng)力活塞24，并且第二曲柄行程30艦第二連接桿34被樞軸i鵬接 至第二壓縮活塞26，用于在氣缸中以由它們的曲柄行程的角度偏移和氣缸、 曲柄以及活塞的幾何關(guān)系所確定的時(shí)間關(guān)系往復(fù)移動(dòng)活塞。
如果需要可使用將活塞的移動(dòng)和計(jì)時(shí)(timing)相關(guān)聯(lián)的可替代的機(jī)構(gòu)。 所述計(jì)時(shí)可類似于史古德利集團(tuán)的專利的公開內(nèi)容或根據(jù)需要對(duì)其改變。曲 軸的旋轉(zhuǎn)方向和靠近底部死點(diǎn)(BDC)位置的活塞的相對(duì)移動(dòng)由在附圖中與 它們對(duì)應(yīng)的部件相關(guān)的箭頭來顯示。
氣缸蓋22包括適合用于實(shí)現(xiàn)分開式循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)10的期望目的的任何各 種通道、端口以及閥。在示出的實(shí)施例中，氣缸蓋包括使第一和第二氣缸 14、 16相互連接的氣體交換M 36。氣體交換Sil包括^m二氣缸16的封 閉端開口的進(jìn)口 38和在第一氣缸14的封閉端開口的出口 40。第二氣缸16還 與傳統(tǒng)的吸氣口 42連接并且第一氣缸14還與傳統(tǒng)的排氣口 44連接。
氣缸蓋22中的閥包 Si口止回閥46和三個(gè)凸輪激劻的提升閥、出口閥 (或交換閥)50、第二氣,氣閥52以及第一氣缸排氣闊54。止回閥46只允 許單向的壓縮空氣從第二 (壓縮)氣缸16流入到存JC器進(jìn)口 38。存貯器出口 閥50被打開以允許高壓空氣從交mMit 36 ^A到第一 (動(dòng)力)氣缸14中。
9提升閥50、 52、 54可被任何適合的裝置(例如具有分別接合閥50、 52、 54 的凸輪突出部66、 68、 70的凸輪軸60、 62、 64用于、 所述閥)激勵(lì)?；鸹ㄈ?2也被安裝在氣缸蓋中，電極延伸iSA到燃燒室25中用于iM 點(diǎn)燃控制(未顯示)在精確的時(shí)間點(diǎn)燃空氣-燃料供給。應(yīng)當(dāng)理解，發(fā)動(dòng)機(jī)可 被制成為柴油發(fā)動(dòng)機(jī)且如果需要可在沒有火花塞的情形下運(yùn)行。另外，發(fā)動(dòng) 機(jī)10可被設(shè)計(jì)以在適合于基本上往復(fù)移動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)活塞的任何燃料下操作，例 如氫氣駄然氣。在美國(guó)專利6,952,923和描述修改或改進(jìn)的實(shí)施例的其它的史古德利集團(tuán) 的專利中對(duì)圖1的發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行方式進(jìn)行了詳細(xì)描述。圖2-5示出圖1的示例 性的分開式循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)和其它類似的發(fā)動(dòng)機(jī)可被修改以根據(jù)產(chǎn)生本發(fā)明的計(jì) 算機(jī)化的研究的結(jié)論而使用7jC^蒸,射的構(gòu)思。圖2示出公幵本發(fā)明的第一實(shí)施例的發(fā)動(dòng)機(jī)74，其中，發(fā)動(dòng)機(jī)的基本結(jié) 構(gòu)依據(jù)于圖1的實(shí)施例，并且相同的標(biāo)記顯示相同的部件。發(fā)動(dòng)機(jī)74與現(xiàn)有 技術(shù)的公開內(nèi)容的區(qū)別在于增加用于直接注射加熱液體或蒸發(fā)(蒸汽)的水 到發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮室中的7K或蒸汽注射系統(tǒng)。例如，圖2顯示被安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋22中并且致力于( 地在壓縮 沖程期間)噴射預(yù)先加熱的7jC或蒸汽到壓縮室27中的7K或蒸汽噴射器76。水 可以很細(xì)的噴霧的形式Mi:接朝壓縮機(jī)活塞26引導(dǎo)，這可有助于7賴卩活塞并 且蒸發(fā)水。ilii這種布置可獲得改善的功率和效率以及碰撞限制和NOx排放 物的減小。在圖3中，類似于圖1的發(fā)動(dòng)機(jī)78被設(shè)置有安裝在氣缸蓋22中的7jC或 蒸汽噴射器80。噴射器在進(jìn)口止回閥46和出口或交換閥50都被關(guān)閉期間將 成很細(xì)的噴霧的形式的預(yù)熱的水或蒸汽直接噴射到交換M 36中。圖4顯示類似于圖1且設(shè)置有安裝在與火花塞72相鄰的氣缸蓋22中的 7j^或蒸汽噴射器84的發(fā)動(dòng)機(jī)82。噴射 預(yù)先加熱的7乂或蒸汽直接噴射到燃 燒室25中。水的噴霧可在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行期間的除了發(fā)動(dòng)機(jī)排氣沖程期間之外的任何時(shí)間被目，除非僅需sm卩戶;M室的表面。為了防止與燃燒沖突，在開始燃燒之后注射水看上去是需要的。延遲水 注射直到在動(dòng)力活塞24已經(jīng)到達(dá)30、 50或90度曲柄轉(zhuǎn)角ATDC之后或在燃 燒完成至少百分之30、 50或90時(shí)，可掛共增加的功率和效率艦程度。可l^用至由l^i己86顯示的空氣混合型分開式循環(huán) 發(fā)動(dòng)機(jī)的方式。發(fā)動(dòng)機(jī)86總體上類似于發(fā)動(dòng)機(jī)10但不同在于增加了空氣壓 力儲(chǔ)存腔或罐88。所述罐ilil管道90連接至交換通道92。電磁閥94、 96控 制在交換通道和所述罐之間以及在交換通道和燃傲膨脹室25之間的空氣流 動(dòng)。
根據(jù)本發(fā)明，分離的7K/蒸汽噴射器100、 102、 104安裝在氣缸蓋中并且 被連接以分別將7jC/蒸汽直接噴射到壓縮室27、交換通道92以及燃燒室25 中。噴射器可根據(jù)需要在變化的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行條件下一起或分離地運(yùn)行以獲得 每一條件需要的效果。還可提供發(fā)動(dòng)機(jī)的修改的實(shí)施例，僅使用三個(gè)7X/蒸汽 注射位置中的一個(gè)，研究發(fā)現(xiàn)是最有利的。
IV計(jì)飾化研究
1.0水或蒸汽注射用于史古德利分開式循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī) 1.1執(zhí)行總結(jié)
gt功率計(jì)^n模型已經(jīng)應(yīng)用于檢查和預(yù)測(cè)對(duì)于水或蒸汽注射剝牛進(jìn)行特
定假設(shè)但排除顯著的水蒸發(fā)時(shí)間、NOx和爆炸方面的情形下，水或蒸汽注射 到在4000ipm/全負(fù)載下的史古德利分開式循環(huán)(SSC)發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮纟幾、交 換通道以及膨脹元件中的潛在性能和燃料效率益處?？偨Y(jié)的結(jié)論如下
注射水到壓縮氣缸中被預(yù)測(cè)增加制動(dòng)功率和效率，但注射水到交換通道 中沒有益處，除了可能是顯著的潛在的N0X和爆炸效應(yīng)。假定任何添加的水 M使用一些形式的廢熱被外部地預(yù)先加熱。
蒸汽注射到壓縮氣缸中被預(yù)測(cè)具有負(fù)面作用，但蒸汽注射到交換通道中 應(yīng)增加發(fā)動(dòng)機(jī)功率和效率。假定任何添加的蒸汽通過使用廢熱被外部地產(chǎn) 生。
如果能夠使注射的水撞擊活塞或氣缸蓋以產(chǎn)生蒸汽，同時(shí)冷卻發(fā)動(dòng)機(jī)的 這些部件，那么注射水到膨E^缸中被預(yù)測(cè)顯著地改善制動(dòng)功率和效率。
預(yù)測(cè)方法沒有模擬與對(duì)于具有7jC和蒸汽^t的SI發(fā)動(dòng)機(jī)是公知的并且是 非常顯著的改善的繊炸性和減小的N0X鄉(xiāng)物相關(guān)的另夕卜的優(yōu)點(diǎn)。假定的 7K/^汽注射量在燃料注射量的約1-2倍范圍內(nèi)變動(dòng)。
所有預(yù)測(cè)的另一重要假定是任何注射的水能夠在進(jìn)入氣缸或交換通道時(shí)瞬間蒸發(fā)。這實(shí)際上是不可能的，并且水注射的優(yōu)點(diǎn)將顯著地依賴于水可被 蒸發(fā)的速度。內(nèi)燃機(jī)的時(shí)間常數(shù)使得在壓縮氣缸中可能很難獲得蒸發(fā)，除非 水以非常細(xì)的液滴形式出現(xiàn)，從而提供很大的表面積，并且希望接近其沸 點(diǎn)。雖然水或蒸汽注射的優(yōu)點(diǎn)看上去很有吸引力，但是具有嚴(yán)重的實(shí)際問 題，顯著增加的硬件復(fù)雜性、水消耗、凍結(jié)保護(hù)、油污染以及可能的腐蝕。 外部蒸汽的產(chǎn)生將會(huì)是主要的硬件成本。另一方面，SSC從注射水到壓縮機(jī)中比4沖程發(fā)動(dòng)機(jī)獲利更多，因?yàn)閴嚎s機(jī)功和再膨脹損失比4沖程發(fā)動(dòng)機(jī)大。雖然在膨脹氣缸中注射蒸汽可能會(huì)很難，但這在交換通道中可能更容 易，并且可能幫助控制交^n溫變。1.2做功(work)的主要元素1.2.1水和蒸汽注射到壓縮機(jī)氣缸和交換M中水和/或蒸汽的注射被用插入到發(fā)動(dòng)機(jī)的相關(guān)部件(例如插入到壓縮機(jī) (圖6)或插入到交換鵬(圖7))中的噴射器模型化。水或蒸汽可在與發(fā)動(dòng)機(jī)部件相關(guān)的占優(yōu)的壓力條件下被注射。變量包括 7jC/蒸汽驗(yàn)、數(shù)量、注射時(shí)機(jī)和注射瞬間的擬蒸汽成分；GT功^M型還可 超宗水和蒸汽的樣本。水注射假定如果下游溫度和壓力條件將會(huì)支持蒸汽，則可選擇的百分?jǐn)?shù) 的水可被瞬間蒸發(fā)成蒸汽，水轉(zhuǎn)化成蒸汽的能量來自水被注射到其中的工作 流體。剩余(未蒸發(fā))的百分?jǐn)?shù)的水保留作為發(fā)動(dòng)機(jī)的非燃燒部件(壓縮機(jī) 和交換裝置)中的7K，但在膨脹裝置中的燃燒期間蒸發(fā)。然而，在燃燒(在 膨脹裝置中)之后，任何被ai寸的7K將保持為水，除一瞎汽分?jǐn)?shù)被指定。對(duì)于蒸汽注射，蒸發(fā)能量在占優(yōu)的壓力條件下由外部供給，因此這將依 賴于廢熱源?，F(xiàn)在將對(duì)來自這些模型的總結(jié)的預(yù)測(cè)進(jìn)行描述。結(jié)果7K/汽和蒸汽的注射的效勢(shì)優(yōu)點(diǎn)對(duì)于注射到壓縮機(jī)中與注射到交換通道中明顯不同。注射水到壓縮機(jī)中，伴隨蒸發(fā)，導(dǎo)致了隨著增加的蒸發(fā)程度功率輸出和 制動(dòng)效率的改善。功率和效率的改善(圖8)是由于減小的壓縮機(jī)功、由于較 低的循環(huán)溫度在膨脹裝置中減小的熱損耗以及與大約等于燃料質(zhì)量的注射水 相關(guān)的質(zhì)量流的增加的組合效應(yīng)。
蒸汽注射到壓縮機(jī)中(圖8中的單個(gè)點(diǎn))對(duì)功率和效率的作用幾乎是中 性的，主要是因?yàn)樵黾拥膲嚎s機(jī)抽吸損耗抵消功輸出的增益和來自膨脹氣缸 的減小的熱損耗。
相反地，蒸汽ai寸到交換3IM中(圖9中的單個(gè)點(diǎn))增加了 SSC發(fā)動(dòng)機(jī) 的功率和效率，由于所述蒸汽對(duì)壓縮機(jī)功具有可以忽略的作用，并且僅僅通 過較高的壓力而增加膨脹功(圖9)。
另一方面，注射水到交換通道中對(duì)功率的作用幾乎是中性的，但顯著地 降低制動(dòng)熱效率，這兩個(gè)作用是因?yàn)樗疀]有顯著地降低壓縮機(jī)功，但通過減 小交換通道壓力降低了膨脹裝置的功，這種作用大于在膨脹氣缸中抵消減小 的熱損耗的好處。
雖然這種GT功^t莫型沒有NOx或自動(dòng)點(diǎn)火模型，但是如果SSC發(fā)動(dòng)機(jī) 是碰撞限制的，幾乎可以確定的是水和蒸汽注射到壓縮氣缸和交換通道中將 對(duì)NOx的減少和性能的提高具有顯著的好處。
1.2.2 7K和蒸汽注射到膨脹氣缸中
模型(圖10)已經(jīng)被用于模擬在4000ipm/全負(fù)載下M:從活塞產(chǎn)生蒸汽 吸取熱量的構(gòu)思，假定活塞頂在600°K G27。C)，并且在與活塞碰撞之后在 600°K水蒸發(fā)成過熱的蒸汽。50°和90。ATDC的"水'細(xì)寸(SOI)計(jì)時(shí)的開始 被探討，使得7媳汽不與在約50。ATDC停止的燃燒沖突，并且在蒸粒后， 蒸汽被iAM料空，混合物(其例如在90。ATDC時(shí)處于約2000。K (1727。C))
轉(zhuǎn)移的熱M:熱。
模型假定水蒸發(fā)的熱量也由活塞提供，即水被注射，水被活塞蒸發(fā)，并 且使蒸汽從蒸發(fā)的蒸汽條件變至與氣缸內(nèi)填充溫度匹配的過熱所需要的熱量 從氣缸內(nèi)燃燒填充物中提取。從活塞轉(zhuǎn)移來的熱量被手動(dòng)地調(diào)整以便以等于 水的蒸發(fā)的熱量的量降低其熱損耗。這可通過將水噴霧撞擊在活塞上被物理 地獲得，而無需從氣缸燃H空氣混合物轉(zhuǎn)移的任何的熱量；更多的熱量通過將水噴射至氣缸的其它內(nèi)表面上(例如排氣閥或氣缸蓋)可被提取。燃料流的蒸汽注射比(例如約116%和232%)已經(jīng)tt擇，以使得注射水的蒸發(fā)熱量大致匹配從燃燒輸入活塞的循環(huán)熱量輸入(或相乘，允許來自氣缸蓋的熱量轉(zhuǎn)移)。供給泵(feedpump)水注射功被包括。7JC注射壓力匹配 在注射期間發(fā)生的這些占優(yōu)的氣缸壓力。由水撞擊/蒸發(fā)的蒸汽潛熱引起的活塞溫度的變化通過假定蒸發(fā)的潛熱只 冷卻活塞的一部分，活塞的剩余部分處于欠(less)臨界部件溫度，而被大致 評(píng)估?；钊睦鋮s部分被任意地假定為活塞的凈質(zhì)量的10%，但可以被輕易 地改變。預(yù)測(cè)在表Al (蒸汽1-2對(duì)基線)中被總結(jié)，并M^I31^活塞轉(zhuǎn)移的 熱量隨后蒸發(fā)麟汽的7乂注射可提高制動(dòng)功率和制動(dòng)熱效率13-18%。屬掛單位基線蒸汽l蒸汽2注射期間(。ATDC)NA50-7050-907W燃料的百分?jǐn)?shù)01162327X/ (燃料和空氣)的百分?jǐn)?shù)06.9112.92水注身中鵬(。C)NA327327功率增加(%)NA13.3417.90效率增加(%)NA13.6518.19活塞溫度的減小(。C)NA2.505.00表Al:在4000RPM/全負(fù)載時(shí)蒸汽注射對(duì)制動(dòng)性能和效率的作用50。ATDC的開始注射計(jì)時(shí)(SOI)被選擇以在膨脹比(在早期的SOI時(shí) 較高)和來自燃燒氣體的熱量轉(zhuǎn)移之間提供有利的折中。氣缸壓力和溫度圖(圖11和12)顯示隨著蒸汽產(chǎn)生，氣缸壓力升高，但 氣缸#^^初增加，之后隨著活塞膨脹降低。起初可能會(huì)迷惑，容積壓力(bulk pressure)可增加，而容積溫度(bulk temperature)減小。建議的解釋是另外(冷卻器)的質(zhì)量在7K注射期間被增加 至起初的氣缸容量中，并且這降低混合物的溫度，但這必定會(huì)抵消掉蒸發(fā)壓 力元件的蒸汽焓的增加?；钊鋮s
表Al顯示估計(jì)的在10%的活塞凈重量上的最大減小為2.5-5.0°C，假定
是與水撞擊接觸的區(qū)域(g卩，可能是活塞頂)。如果蒸汽蒸發(fā)的熱量從較大部 分的活塞質(zhì)量中抽取，那么活塞溫度的減小將會(huì)成比例地減小。這些溫度的 減小的估計(jì)被大大簡(jiǎn)單化，并且只提供可能的，減小的粗略的指導(dǎo)。
水注射/蒸汽蒸發(fā)可被同樣地應(yīng)用至氣缸蓋，以^4卩排氣閥蓋。 氣缸體溫度(圖12)(容積溫度)是增加的氣缸質(zhì)量和在蒸汽(約
600°K)和后(post)燃燒氣體(約1800-2400°K)之間的熱交換的效果的折中。
雖然通過參考特定的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了描述，但是應(yīng)當(dāng)理解，在公 開的本發(fā)明的思想的實(shí)質(zhì)和范圍內(nèi)可對(duì)本發(fā)明進(jìn)行諸多變化。因此，應(yīng)當(dāng)認(rèn) 識(shí)到本發(fā)明并不限于公開的實(shí)施例，而是本發(fā)明具有隨后的權(quán)利要求的語(yǔ)言 限定的整個(gè)范圍。
權(quán)利要求
1.一種分開式循環(huán)水注射發(fā)動(dòng)機(jī)，包括圍繞曲軸軸線旋轉(zhuǎn)的曲軸；動(dòng)力活塞，所述動(dòng)力活塞可滑動(dòng)地容納在動(dòng)力/膨脹氣缸中，并且操作性地連接至所述曲軸，使得所述動(dòng)力活塞通過在所述曲軸的一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)期間的膨脹沖程和排氣沖程而往復(fù)運(yùn)動(dòng)；壓縮活塞，所述壓縮活塞可滑動(dòng)地容納在壓縮氣缸內(nèi)并且操作性地連接到所述曲軸，使得所述壓縮活塞通過在所述曲軸的一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)期間的進(jìn)氣沖程和壓縮沖程而往復(fù)運(yùn)動(dòng)；交換通道，所述交換通道在所述壓縮氣缸和所述動(dòng)力/膨脹氣缸之間被操作性地連接，并且可選擇性地操作以接收來自所述壓縮氣缸的壓縮空氣并且遞送壓縮空氣至所述動(dòng)力/膨脹氣缸，用于在發(fā)動(dòng)機(jī)操作期間傳送動(dòng)力至所述曲軸；閥，所述閥選擇性地控制進(jìn)入和流出所述壓縮氣缸和動(dòng)力氣缸的氣體流；和水注射裝置，所述水注射裝置在發(fā)動(dòng)機(jī)操作期間與所述壓縮氣缸、所述交換通道以及所述動(dòng)力氣缸中的至少一個(gè)相關(guān)聯(lián)并且適合注射水到所述壓縮氣缸、所述交換通道以及所述動(dòng)力氣缸中的至少一個(gè)中。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1中的發(fā)動(dòng)機(jī)，其中，所^7jC注射裝置適合注射加熱液 體或蒸汽形式的水。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其中，所3t/X注射裝置與所述壓縮氣 缸相關(guān)聯(lián)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其中，所^7jC注射裝置與所述交換通 道相關(guān)聯(lián)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2戶皿的發(fā)動(dòng)機(jī)，其中，所^/X注射裝置與所述動(dòng)力/膨 脹氣缸相關(guān)聯(lián)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其中，所述水在所述氣缸中的燃燒開 始之后被注射到所述動(dòng)力/膨脹氣缸中。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其中，所述水在所述燃燒事件的至少 30%已經(jīng)發(fā)生之后被注射。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其中，所述7K在所述燃燒事件的至少 50%已經(jīng)發(fā)生之后被注射。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其中，所述水在所述燃燒事件的至少 90%已經(jīng)發(fā)生之后被注射。
10. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其中，在所述動(dòng)力活塞到達(dá)所3zy^脹沖程的至少30度ATOC時(shí)，所3t;Ki4M開始。
11. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其中，在所述動(dòng)力活塞到達(dá)所述膨 脹沖程的至少50度ATDC時(shí)，所^/JC注射開始。
12. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其中，在所述動(dòng)力活塞到達(dá)所述膨 脹沖程的至少90度ATOC時(shí)，所^/K注射幵始。
13. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其中，所述發(fā)動(dòng)機(jī)是分開式循環(huán)空氣混合型發(fā)動(dòng)機(jī)，并皿一步包括-空氣存貯器，所述空氣存貯器操作地連接至在所述壓縮氣缸和所述動(dòng)力/膨脹氣缸之間的所述交換通道，并且可選擇性地操作以接收來自所述壓縮氣缸 的壓縮空氣并且遞送壓縮空氣至所述動(dòng)力/膨脹氣缸，用于在發(fā)動(dòng)機(jī)操作期間傳 送動(dòng)力至所述曲軸，所述閥選擇地控制流入和流出所述壓縮氣缸和動(dòng)力氣缸以 及所述空氣存貯器的氣^t荒。
全文摘要
一種分開式循環(huán)水注射發(fā)動(dòng)機(jī)包括圍繞曲軸軸線旋轉(zhuǎn)的曲軸。動(dòng)力活塞可滑動(dòng)地容納在動(dòng)力/膨脹氣缸中，并且操作性地連接至曲軸。壓縮活塞可滑動(dòng)地容納在壓縮氣缸內(nèi)并且操作性地連接到曲軸。交換通道在壓縮氣缸和動(dòng)力/膨脹氣缸之間操作性地連接，并且可選擇性地操作以接收來自壓縮氣缸的壓縮空氣并且遞送壓縮空氣至動(dòng)力/膨脹氣缸，用于在發(fā)動(dòng)機(jī)操作期間傳送動(dòng)力至曲軸。閥選擇性地控制進(jìn)入和流出壓縮和動(dòng)力氣缸的氣體流。水注射裝置在發(fā)動(dòng)機(jī)操作期間與壓縮氣缸、交換通道以及動(dòng)力氣缸中的至少一個(gè)相關(guān)聯(lián)并且適合注射水到壓縮氣缸、交換通道以及動(dòng)力氣缸中的至少一個(gè)中。
文檔編號(hào)F02B47/00GK101622431SQ200880006385
公開日2010年1月6日 申請(qǐng)日期2008年2月11日 優(yōu)先權(quán)日2007年2月27日
發(fā)明者讓-皮埃爾·皮羅 申請(qǐng)人:史古德利集團(tuán)有限責(zé)任公司