專利名稱：缸內(nèi)噴水發(fā)動機的制作方法
發(fā)明的領(lǐng)域本發(fā)明普遍地涉及內(nèi)燃機，特別涉及噴水發(fā)動機。極為特殊的是，本發(fā)明涉及具有在壓縮沖程中向汽缸直接噴水，通過冷卻壓縮氣體來提高效率的一種內(nèi)燃機。
相關(guān)技術(shù)為了改進發(fā)動機工作，種種流體，如水和水與其他物質(zhì)形成的溶液，如酒精，業(yè)已普遍地被噴入到以碳氫化合物易燃料的發(fā)動機中，在壓縮沖程當(dāng)中，水滴汽化，吸收在燃燒室內(nèi)產(chǎn)生的熱能，防止過早點火。已汽化的水其后在動力沖程中被燃燒的燃料混合物加熱并膨脹，提高了燃燒過程的機械效率。有益的輔助效果可以包括，防止在發(fā)動機汽缸壁上碳的積聚。噴水的有益作用的結(jié)果，使發(fā)動機可依靠較稀的燃料混合物，更平穩(wěn)且有效地運行。而且，減低了燃燒的高峰溫度，使氮的氧化物的形成減少并將在發(fā)動機組件上的熱應(yīng)力減至最低。
業(yè)已開發(fā)了許多種裝置向內(nèi)燃機的進氣中引入流體。這些裝置包括乳化液噴注系統(tǒng)，和一進氣加濕器，在該加濕器中，空氣在被引入到發(fā)動機之前穿過一容水的部分。直接向進氣中噴入流體受到機械系統(tǒng)不能精確計量較小水量，以致不能獲得水在最終燃料/空氣進氣中最佳的體積化的限制。因為水吸熱的能力主要在于由液體到氣體的相變，加濕的或直接噴水系體是不實用的。
相關(guān)的技術(shù)系統(tǒng)未能完全成功地滿足發(fā)動機的要求，主要是由于單純的機械裝置不能適應(yīng)寬范圍的條件。在W.T.Crothers的美國專利4,031,864中介紹了一種向一普通燃燒室中輸送兩種不同流體的方法。甲醇和汽油儲存在一共同的罐中，而由在該罐中不同的液面被抽出來，用水來實現(xiàn)相分離。該發(fā)明的主要目的是可以使用不同的燃料。
V.A.Renda的美國專利4,351,289介紹了在一內(nèi)燃機高峰動力需求期間供水的方法。由一個噴射泵增壓一個罐，用此罐的水進行水的噴射，該泵在一探測進氣歧管真空度的真空開關(guān)控制下，僅在預(yù)定轉(zhuǎn)矩水平以上通電。
M.Vinokur的美國專利4,461,245介紹一種向內(nèi)燃機供水以達到能使用較稀燃料混合物運行的方法。利用進氣歧管壓力控制水泵的輸出，從而使噴水率與發(fā)動機負荷相應(yīng)。
轉(zhuǎn)讓給L.Sandbery的美國專利4,558,665介紹了一種向渦輪增壓發(fā)動機的汽缸供水的方法。這個系統(tǒng)，在每一吸入閥之前向每一歧管渦輪噴水，并與燃料系統(tǒng)獨立地工作。
J.O’Neill，E.Schisler和P.Kubo的美國專利4,960,080介紹一種應(yīng)用于發(fā)電機的內(nèi)燃機噴水系統(tǒng)。當(dāng)發(fā)電機輸出達到相應(yīng)于驅(qū)動發(fā)動機開始放出NOX的預(yù)定水平時，該系統(tǒng)被啟動。
G.Spears的美國專利4,096,829介紹一種向具有火花點火系統(tǒng)的內(nèi)燃機噴水的系統(tǒng)。該系統(tǒng)以與發(fā)動機的轉(zhuǎn)速(RPM)成比例的速度驅(qū)動一噴水泵，這里(RPM)是由點火電線中之一感應(yīng)地探測出。通過一霧化器的空氣流控制噴水率。
R.Miller的美國專利4,448,153介紹一種向汽化器噴水、以便可以用較稀燃料混合物的系統(tǒng)。一個噴水泵與發(fā)動機的參數(shù)，如溫度、油壓和歧管壓力相應(yīng)，進行開和關(guān)的循環(huán)。
M.J.Connor的美國專利5,148,776介紹了一在吸氣歧管中水和燃料的配合噴入系統(tǒng)。該系統(tǒng)用一計算機計算發(fā)動機燃料/空氣/水的需要量。
上面引用的技術(shù)沒有一個是公開在壓縮沖程當(dāng)中直接向汽缸噴水的，也沒有涉及與增加氧相結(jié)合的噴水技術(shù)。
本發(fā)明的優(yōu)點通常的火花點火渦輪增壓發(fā)動機是燃料-空氣奧托循環(huán)和空氣布雷敦循環(huán)的結(jié)合。這一復(fù)式循環(huán)設(shè)置是基本的奧托循環(huán)的改進，即從汽缸中除去部分壓縮(經(jīng)由渦輪增壓機)。同時質(zhì)量流量和相伴的功率出力也被增加。但是，火花點火復(fù)式發(fā)動機仍由于在一個共同的汽缸中進行燃燒和壓縮，在容積效率和燃燒效率方面存在問題。理想的是，這些過程象在布雷敦循環(huán)氣體渦輪發(fā)動機中發(fā)生的那樣單獨地被優(yōu)化并在分離的室中進行。該復(fù)式循環(huán)事實上是提供一定程度的分離和優(yōu)化，但仍被限制在一種工程技術(shù)上的汽缸內(nèi)熱力學(xué)的折衷方案之中。本發(fā)明為了整體的效率和功率輸出的增益，通過獨立優(yōu)化壓縮和燃燒/膨脹熱力學(xué)過程，來解決熱力學(xué)上的不協(xié)調(diào)之處。是在一修改了的復(fù)式渦輪增壓往復(fù)式發(fā)動機中完成這些過程的，在機械和熱動力學(xué)方面有很大改善。
本發(fā)明的發(fā)動機循環(huán)事實上是一新型循環(huán)，是對常規(guī)復(fù)式循環(huán)的一種改進。它向循環(huán)中加水，并作為一供選擇措施，還加氧，以改進質(zhì)量流量、容積效率、燃燒效率、燃燒溫度、火焰穩(wěn)定性、可點火性以及減小燃料消耗和氦氧化物或NOX的生成。
常規(guī)的火花或等離子體點火發(fā)動機在效率上受到限制，這是由于1)為了排除過早點火而采用低的壓縮比；2)在壓縮沖程內(nèi)低效率的緩和升溫；3)壓縮功的低效率的減少；4)隨著壓縮時溫度上升，進氣閥關(guān)閉，在室中具有恒定的物質(zhì)質(zhì)量，5)空氣中氧含量的限制。
常規(guī)火花或等離子體點火發(fā)動機存在著壓縮比的限制，是由于空氣或燃料-空氣混合物在壓縮沖程中溫度上升，和熱誘導(dǎo)發(fā)生過早點火的可能性，一個發(fā)動機的效率是受壓縮比的強烈影響的函數(shù)。但是，因為過早點火的限制，常規(guī)的火花/等離子體點火發(fā)動機不能利用象在柴油機循環(huán)中發(fā)生的那樣的高壓縮比產(chǎn)生的高效率。在壓縮沖程以前和/或當(dāng)中向汽缸內(nèi)噴注低溫和/或霧化水，通過吸收周圍熱流量(水的汽化潛熱)水相變成蒸氣，排除了熱誘發(fā)過早點火現(xiàn)象。
常規(guī)的火花/等離子體點火發(fā)動機本來就不具有在壓縮沖程時減小熱流升溫的有效方法。在壓縮沖程當(dāng)中，在汽缸內(nèi)的氣體物質(zhì)溫度上升是由于1)由汽缸壁、蓋和活塞頂、閥等來的對流和輻射加熱；2)由于活塞壓縮氣體體積，發(fā)生絕熱或多變加熱。由于上述加熱現(xiàn)象，普通的火花/等離子體點火發(fā)動機不具備有效的機制減小壓縮沖程或循環(huán)時的升溫。在壓縮沖程以前和/或當(dāng)中向缸內(nèi)噴入低溫和/或霧化水，會吸收汽缸源發(fā)出的熱流量并吸收壓縮功熱。水會相變成蒸汽，緩和整個缸內(nèi)的物質(zhì)溫升。換言之，由于噴入水，在壓縮沖程終端被壓縮物質(zhì)(包括水/空氣/燃料或水/加氧空氣/燃料)的最終溫度會大為降低。這最終壓縮沖程溫度會在被壓縮的物質(zhì)混合物的熱點火點以下，從而排除過早點火現(xiàn)象。
一個直接或缸內(nèi)噴射燃料并是火花/等離子體(或者說不是壓燃式)的發(fā)動機也會通過在缸內(nèi)壓縮沖程噴水受益。在這循環(huán)中，噴入的水/空氣物質(zhì)被保持在點火溫度以下，以致噴入的燃料不過早點火或發(fā)火。
常規(guī)的火花或等離子體點火發(fā)動機本身不具有減小在壓縮循環(huán)當(dāng)中壓縮功的有效方法。在壓縮沖程之前和/或當(dāng)中，在汽缸內(nèi)噴入低溫和/或霧化水會使水相變，經(jīng)過吸收周圍熱流量(水的汽化潛熱)變成蒸汽，從而降低或緩和被壓縮物質(zhì)的溫度。因汽缸內(nèi)的物質(zhì)的溫度被下降或緩和，壓縮功便以一定比例下降。
常規(guī)火花/等離子體(或非壓燃式)發(fā)動機一般是恒質(zhì)量循環(huán)。在進氣閥關(guān)閉時，汽缸物質(zhì)質(zhì)量在壓縮沖程中是恒定的。在壓縮沖程中將稀釋劑，如水加到整個物質(zhì)通過量中，增加了功率輸出。壓縮沖程噴水使功率輸出增加是由于，提高了增加功率輸出和效率的膨脹沖程中相對于活塞的水的質(zhì)量/動量。在壓縮時噴入增壓的或差壓增壓的水不僅會減小壓縮沖程的溫度，而且由于向發(fā)動機循環(huán)中有差別地增加物料通過量(通過物質(zhì)的不均勻的噴入)，發(fā)動機的整個功率輸出也增加。
常規(guī)火花或等離子體點火發(fā)動機，被空氣中的含氧量很低地限制在它的燃料/空氣比上?？諝庵泻趿康南拗疲诤Ｆ矫婀Q為21％，最終固定了燃料-空氣比的較低的稀薄極限。直到最近，在較高效率的靜態(tài)膜氧發(fā)生器問世之前，使用補充的氧進行強化燃燒一直是不經(jīng)濟的。使用靜態(tài)膜發(fā)生器、排氣(廢氣)驅(qū)動渦輪增壓機和一壓力回收渦輪，才使產(chǎn)生加氧空氣流的能量代價減至最小，同時燃料/空氣比的稀薄極限增大，從而整個發(fā)動機效率提高。
與火花或等離子體點火發(fā)動機噴水有關(guān)的技術(shù)，雖然對循環(huán)的改進而值得關(guān)注，但有以下限制1)絕對濕度水平，2)水的汽化率，3)容積效率。業(yè)已開發(fā)研究了種種類型的裝置向內(nèi)燃機進氣引入流體，這些裝置具有乳化噴射系統(tǒng)、進氣加濕器和進氣歧管噴射器。
將水噴入到進氣歧管的裝置主要是影響在壓縮沖程之前空氣進氣的濕度和增濃。這些系統(tǒng)在降低進口空氣溫度和增濕到接近100％相對濕度水平方面是顯著的。但絕對溫度是一溫度函數(shù)。進氣歧管增濕被限制在一個比在缸內(nèi)低溫和/或霧化噴水要低的絕對濕度水平上，因為前者是在較低溫度情況下，而后者是在較高溫度范圍內(nèi)，當(dāng)壓縮沖程增加了壓縮比溫度便上升。在壓縮沖程內(nèi)的較高溫度使較多量的水(較高的絕對濕度)被帶入到被壓縮的物質(zhì)中，不形成可能與汽缸壁上潤滑油發(fā)生作用從而降低壁的潤滑性能的水滴或較高濕度。本發(fā)明可用于用低溫和/或霧化水向活塞以上的比較熱的凈空(freeboard space)的高壓噴淋，以產(chǎn)生一適度的相對濕度，但與進氣歧管增濕系統(tǒng)相比，產(chǎn)生一高得多的絕對濕度。
用霧化或直接射流或是夾帶液滴向進氣歧管噴水，最終進入汽缸，均要受與周圍氣體物質(zhì)的溫度和相對濕度成比例的汽化率的支配。進氣歧管霧化，雖然具有最高的歧管汽化率，但有一個相對濕度100％最大值的限制，超過此值水不再汽化而被引入到汽缸中，帶來與汽缸壁潤滑劑發(fā)生作用的麻煩結(jié)果。進氣歧管直接射流或夾帶液滴可以噴入水，但也有4個不利作用1)水-缸壁潤滑劑作用，它損害潤滑系統(tǒng)；2)主要由于熱傳導(dǎo)影響到進氣閥和汽缸壁，而過早相變成蒸汽；3)主要是由活塞頂來的熱傳導(dǎo)影響，水被集中在活塞上，隨后相變成蒸汽。(現(xiàn)在產(chǎn)生的蒸汽將會經(jīng)受全部壓縮功，將不能用來減小壓縮溫度或壓縮功)；4)在汽缸中液體水取代了氣體物質(zhì)，這導(dǎo)致降低容積效率的進氣量。與此相對照，本發(fā)明是用低溫或霧化水注入到活塞之上的凈空中去，由于較高的壓縮沖程溫度(與較低的進氣歧管溫度不同)，水較快地汽化。而且，被噴入到汽缸內(nèi)水吸收的熱幾乎完全來自被壓縮的氣體物質(zhì)，從而給循環(huán)的熱力學(xué)和燃燒動力學(xué)以積極的影響。因為缸內(nèi)噴水循環(huán)在汽缸中接受了最大密度的進氣量，并且還向這汽缸進氣量中加入了附加的水物質(zhì)，進一步提高了進氣量的密度，使發(fā)動機的容積效率，與歧管噴水相比較，達到最大。
在進氣歧管中噴水增濕器降低歧管溫度，并使氣體流密度增加。但是，進氣歧管增濕具有以下影響容積效率的限制1)在一定溫度下，干空氣比在相同溫度的空氣和水份合成物具有較大密度；2)濕度系統(tǒng)具有溫度限制，溫度必須在進氣凝固點或冰點以上，以避免將冰吸入到汽缸中。本發(fā)明使用冷卻器(熱交換器)中間冷卻進氣流，從而向汽缸室供給具有最高密度的進氣。這個進氣又被向活塞之上凈空噴入低溫和/或霧化水增濃，進氣也被伴隨的活塞壓縮濃化。熱交換器的凈效果加上在汽缸內(nèi)噴入低溫和/或霧化水，提供了注水系統(tǒng)的迄今密度最高的進氣，使容積效率大為提高。
發(fā)明的概述本發(fā)明是一非恒定質(zhì)量可選為加氧空氣的高壓縮火花/等離子體點火內(nèi)然機循環(huán)。迄今實現(xiàn)這一循環(huán)尚不為人們所知。因此，該循環(huán)是一新型循環(huán)。
本發(fā)明包括至少一個汽缸的發(fā)動機，并在其中包括進氣/排氣歧管和閥；一點燃燃料-空氣或燃料-加氧空氣混合物的方法；發(fā)放燃料的一個注入器/或多個噴射器；二個渦輪增加機；一氮氣壓力回收渦輪/壓縮機；三個后冷卻器；供給霧化或其他形式低溫水的噴射器；和氧/氮分離膜。水噴射系統(tǒng)包括一增壓的水供給裝置和在精確的時間間隔和精確的壓力下噴水的水量計量和計時裝置。
本發(fā)明如下操作，進口的空氣進氣量由兩個氣源構(gòu)成-一個過濾的環(huán)境空氣流和一個高氧富化空氣流。全部進口空氣流被氮氣壓力回收渦輪/壓縮機壓縮，并被排到進氣歧管的延伸導(dǎo)管上。因為空氣流經(jīng)過渦輪/壓縮機做功被加壓加熱，所以必須冷卻以增加進氣密度，并減小后來渦輪壓縮機的做功。為此，裝有一后冷卻熱交換器，其目的也是提高進入發(fā)動機的進氣流量。后面的渦輪增壓機壓力將空氣流或加氧空氣流增壓，并通過一后冷卻器排到一三通管。三通管之中一個口通向第二渦輪增壓機/后冷卻器組件，并繼續(xù)到氮/氧分離器。在三通管另一口上，氣體燃料被噴入并混合到進氣歧管中。冷燃料氣進一步降低進氣溫度并提高密度。燃料-空氣或燃料-加氧空氣混合物通過進氣歧管和進氣閥進入汽缸。在本發(fā)明中，進氣閥是有高熱阻涂層隔熱的，減少到燃料-空氣混合物去的熱流量。其結(jié)果是，燃料-空氣混合物以較高密度進入汽缸，從而使發(fā)動機容積效率提高。
一進入汽缸，燃料-空氣或燃料-加氧空氣混合物開始快速吸收熱?；旌衔锏倪@一升溫是不希望有的。由于為了壓縮較熱的氣體要提高活塞做功而犧牲了效率。因此，在壓縮沖程當(dāng)中，噴水系統(tǒng)向汽缸噴入高壓低溫霧化水，減少熱流量。其結(jié)果是，由于燃料-空氣或燃料-加氧空氣混合物溫度和壓力降低，壓縮功減少。而且，冷卻水噴入起到將燃料-空氣或燃料-加氧空氣混合物的溫度降到在壓縮時過早點火的溫度以下，從而可得到一較高而更有效的壓縮比。由水的吸熱能力而帶來的較低壓縮溫度造成一個較低的燃燒溫度。較低的燃燒溫度又使有較少的NOX放出。
可供選擇的氮/氧靜態(tài)膜分離系統(tǒng)在較高壓力下最佳地工作。為此，如果使用加氧空氣流，用第二渦輪增壓機和氮氣壓力回收渦輪/壓縮機作為本循環(huán)的一部分。而且，膜的效率可通過加氧空氣流的再循環(huán)而提高，即向膜供給的氣流的較高的氧含量增加了透過的流量，此時，在透過的流是富氧流，被加到由高壓氮驅(qū)動的壓力回收渦輪/壓縮機的吸入側(cè)。氮氣壓力回收壓縮機的吸入側(cè)是在部分真空狀態(tài)下工作的， 因此減小了靜態(tài)膜氮/氧分離器上的背壓并極大地提高了氧發(fā)生的效率。
本發(fā)明的目的是通過提高壓縮比和可選擇地提高空氣供給中含氧量，來增加操作上熱力學(xué)效率并減少NOX的排放量。這一目的可通過以下方案取得1)通過噴水減低伴隨的高壓縮溫度，使得能夠在較高壓縮比下運行；2)可選擇地利用氮/氧氣分離膜提高供送空氣中的氧含量。
對附圖的簡要說明

圖1是帶有可選用的加氧靜態(tài)膜發(fā)生器的噴水系統(tǒng)整個運行的示意說明圖。
優(yōu)選實施例的說明本發(fā)明是利用一缸內(nèi)噴水系統(tǒng)和一可選擇的加氧氣靜態(tài)膜系統(tǒng)來對內(nèi)燃機效率進行改進的。本發(fā)明包括(a)一個內(nèi)燃機，它具有至少一個燃燒室、至少一個固定在所述燃燒室的汽缸蓋和至少一個位于所述燃燒室內(nèi)的活塞；(b)一個空氣/燃料進氣歧管，它與所述燃燒室通過所述汽缸蓋流體連通；(c)至少一個噴水器，它與所述燃燒室流體連通；(d)一個恒壓水源，它通過一導(dǎo)管與所述噴水器連接；(e)一在所述導(dǎo)管中的閥門，它在所述活塞的壓縮循環(huán)當(dāng)中相應(yīng)于一電子信號打開，讓水流到所述噴水器；(f)一空氣進氣導(dǎo)管，它與所述空氣/燃料進氣歧管連接；(g)一排放歧管，它與所述燃燒室連接；(h)一排放導(dǎo)管，它與所述排放歧管連接；(i)至少一渦輪增壓壓縮機，它與所述排放導(dǎo)管和空氣進氣導(dǎo)管工作連接，在所述空氣進氣導(dǎo)管中壓縮進氣；(j)氮/氧靜態(tài)分離膜一組，它們通過一膜導(dǎo)管與所述空氣進氣導(dǎo)管連接，并通過一富化空氣導(dǎo)管與空氣/燃料進氣歧管連接，以便在所述空氣/燃料進氣歧管之前在進氣中除去一部分氮；(k)一個第二渦輪增壓壓縮機，它與所述排放導(dǎo)管和膜導(dǎo)管工作連接，以壓縮通入到所述氮/氧膜組的空氣；(l)一個第二渦輪增壓壓縮機后冷卻器熱交換器，它在所述第二渦輪增壓機和所述氮/氧膜組之間；(m)一氮氣排放導(dǎo)管，它與所述氮/氧靜態(tài)膜組連接；和
(n)一壓力回收渦輪，它與所述排放導(dǎo)管和所述氮排放導(dǎo)管工作連接，以驅(qū)協(xié)一與所述空氣進氣導(dǎo)管和富化空氣導(dǎo)管工作連接的壓縮機，以壓縮流入到所述空氣/燃料進氣歧管的空氣。
如圖1所示，本發(fā)明是用于二或四沖程內(nèi)燃機的新的循環(huán)，該圖是帶有可供選擇的加氧空氣靜態(tài)膜發(fā)生器的噴水系統(tǒng)的整個工作的示意性說明圖。
發(fā)動機O包括至少一個經(jīng)熱處理的活塞22，該活塞有一減少向活塞頂傳熱的氧化釔-鋯的涂層，該發(fā)動機還包括至少一汽缸蓋24，該蓋帶有至少一個裝有多達兩個火花塞18a和18b的燃燒室12；至少一個進氣閥11；至少一個排氣閥25和每一汽缸一個的噴水器17。面向每一汽缸燃燒室12的進氣和排氣閥11和25以及汽缸蓋24上有氧化釔-鋯涂層，12不包括閥座。進氣歧管10裝有一燃料噴射器21，而汽缸蓋24要有一噴水器17。
本發(fā)明還包括兩個渦輪增壓機7和30，一個壓力回收渦輪3，三個后冷卻器4、9和36，一個氮/氧氣體分離膜38，一噴水泵和水罐13和一燃料箱19。每一渦輪增壓機或壓力回收渦輪分別有一壓縮機和一渦輪。每一渦輪或以排放氣體或以氮氣驅(qū)氣為動力運轉(zhuǎn)，并用一共同的軸驅(qū)動壓縮機。
環(huán)境空氣進入壓力回收壓縮機進口1。低壓富氧空氣流進入壓力回收入口40，在那里與環(huán)境空氣按比例混合。環(huán)境空氣和低壓富氧空氣在壓力回收壓縮機2中混合產(chǎn)生一增壓的增氧空氣流，該空氣流由壓力回收壓縮機出口47出來并進入導(dǎo)管3。增氧空氣流進入后冷卻器4，在壓力回收渦輪2的壓縮功之后被冷卻，出到導(dǎo)管5。為提高壓縮機效率和提高壓縮機的排氣密度，后冷卻是必需的。增氧空氣流到達渦輪增壓機7，由該機入口6進入被壓縮，由出口8出來。渦輪增壓機7的壓縮機出口8經(jīng)導(dǎo)管44與后冷卻器9連接，以便在渦輪增壓機7的壓縮功之后進行冷卻。后冷卻器9的出口與渦輪增壓機30的壓縮機進口33經(jīng)一三通管45和一導(dǎo)管32連接，并且經(jīng)三通管45還與進氣歧管10連接。為了氮/氧分離器38的有效工作，要求用渦輪增壓機30進一步壓縮到更高壓力。渦輪增壓機30的壓縮機出口34經(jīng)過導(dǎo)管35與后冷卻器36連接，以便在渦輪增壓機30的壓縮功之后進行冷卻。為了保護分離膜，必須除去壓縮功產(chǎn)生的熱。后冷卻器36的出口經(jīng)導(dǎo)管37連接氮/氧分離器38的進口，由導(dǎo)管41排出高壓氮氣。分離器38包括一組靜態(tài)膜，該膜組包含進行氮氧分離的中空聚合物纖維。高壓氮氣進入壓力回收渦輪入口42，成為壓力回收渦輪2的驅(qū)動力。在氮氣于機械壓縮工作中消耗了它的壓力和流動能量之后，由壓力回收渦輪出口47作為排放氣體(廢氣)43排出。由氮/氧分離器38出來的低壓富氧空氣流的出口，經(jīng)導(dǎo)管39連接壓力回收渦輪2的壓縮機進口40。這高含氧的或富氧空氣流就是上面提到的流經(jīng)導(dǎo)管39與過濾的環(huán)境空氣混合在壓力回收壓縮機出口產(chǎn)生進入到導(dǎo)管3的增氧空氣流的氣體。
氣體燃料由噴射器噴射并在進氣歧管10中與增壓空氣或增氧空氣混合。冷的氣體燃料還降低了進氣的溫度。被壓縮的燃料-空氣或燃料-增氧空氣混合物，經(jīng)過閥11進入燃燒室12。進氣閥座用一有高熱阻氧化釔-鋯涂層隔熱，以減少到燃料-空氣混合物的熱流量。涂層也保持在高溫工作下的閥壽命。采取上述措施的結(jié)果是，燃料-空氣混合物在一比正常溫度低的溫度下，因而以較高密度進入汽缸，從而提高了發(fā)動機的容積效率。
燃料-空氣混合物-進入燃燒室12便開始快速升溫。燃料-空氣或燃料-增氧空氣混合物的溫度上升是由燃燒室壁來的對流和輻射熱的合成產(chǎn)生的。當(dāng)關(guān)閉進氣閥11時，由于活塞向著上死點的沖程的壓縮功，燃料-空氣或燃料-增氧空氣混合物的溫度進一步上升。因此，在壓縮沖程中，閥16打開，經(jīng)過噴射器17向燃燒室12噴入高壓霧化水。被噴入的水快速蒸發(fā)，并減緩了過度的溫升。其結(jié)果，由于降低了的燃料-空氣或燃料-增氧空氣混合物的溫度和壓力，壓縮功減小。而且，在壓縮過程中，冷卻水的噴入起到將燃料-空氣或燃料-增氧空氣混合物的溫度保持在自燃點火(熄不了火)溫度之下的作用，從而消滅了提前點火。由于注入的水量，在缸內(nèi)的氣體質(zhì)量也增加，這轉(zhuǎn)化成發(fā)動機的功率輸出的提高。在壓縮過程中，噴入增壓的或差動增壓的水會增加膨脹沖程中相對于活塞的質(zhì)量/動量，以獲得提高的功率輸出和效率。而且，由于水的注入和由水作為一個組分的增加的惰性物質(zhì)吸收更多的燃燒熱量，使壓縮沖程的終端被減小，往缸內(nèi)噴入的水降低了絕熱燃燒溫度。
由于采取上述措施，本發(fā)明的壓縮比可提高到普通柴油發(fā)動機的那么高。這是很有益的，因為內(nèi)燃機的純效率是受壓縮比的影響的。與常規(guī)火花/等離子等點火發(fā)動機相比，在壓縮沖程終端的燃料-空氣混合物是高壓、較低溫度、富氧、較高水蒸汽含量、較低氮氣含量的混合物。燃燒過程由點火火花塞18a和18b以高壓脈沖群引發(fā)。這一過程使超稀薄燃料-空氣混合物的點火得以強化，并排除了缺火的現(xiàn)象。
在燃燒過程中，缸內(nèi)氣體物質(zhì)的較高含氧量提高火焰速度和穩(wěn)定性，導(dǎo)致效率的提高。氣體物質(zhì)中水的含量提高造成較低的絕熱火焰溫度，這使受溫度強烈影響的氮氧化物或NOX的生成減小，含水量的增加降低了缸內(nèi)氣體的相對含氮量，這又降低了發(fā)動機循環(huán)生成NOX的傾向。含氧量的增加會提高發(fā)動機循環(huán)的NOX；但因為上述水的影響，與具有較低壓縮比和不在缸內(nèi)噴水的相似結(jié)構(gòu)的火花/等離子體點火發(fā)動機不同，整個循環(huán)NOX的排放是降低的。
在本發(fā)明中膨脹循環(huán)或動力沖程的改善部分是由于在隔熱的室內(nèi)減少了熱流量。燃燒室蓋24和活塞22，以及閥11和25均是有阻熱的涂層的。通過活塞到汽缸蓋中水套熱流量減少，和通過燃燒室到閥熱流量的減少改善了燃燒效率。較高壓力是與較高壓縮比相關(guān)連的，由較高壓力可得到的能量的增加，和由于加水物質(zhì)流量的增加，使膨脹循環(huán)或動力沖程比常規(guī)發(fā)動機大大改善。
排氣沖程包含著高溫、物質(zhì)質(zhì)量增加、和比常規(guī)火花/等離子體點火發(fā)動機有更高壓力的排放氣體。這具有較高能量的排放氣體經(jīng)由排放歧管26排出發(fā)動機，該歧管26被隔熱以保存能量，并且排放氣體分別經(jīng)由導(dǎo)管26和28進入渦輪入口27和29，以分別驅(qū)動渦輪增加機7和30。較高能量排放氣體對裝著高溫葉輪的渦輪增壓機來說意味著提高了動力。利用高溫排放氣體維持了排放脈沖的高頻分量，從而提高了渦輪增壓機和發(fā)動機效率。
權(quán)利要求
1.一種缸內(nèi)噴水發(fā)動機，它包括(a)一內(nèi)燃機，它具有至少一燃燒室、至少一固定在所述燃燒室上的汽缸蓋，和至少一個設(shè)在所述燃燒室內(nèi)的活塞；(b)一空氣/燃料進氣歧管，它通過所述汽缸蓋與所述燃燒室流體連通；(c)至少一噴水器，它與所述燃燒室流體連通；(d)一恒壓水流，它與所述噴水器通過一水導(dǎo)管連接；和(e)一在所述水導(dǎo)管中的閥，它在所述活塞壓縮循環(huán)中響應(yīng)于一電子信號而打開，并讓水流到所述噴水器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的缸內(nèi)噴水發(fā)動機，它還包括一空氣進氣導(dǎo)管，它與所述空氣/燃料進氣歧管連接；一排氣歧管，它與所述燃燒室連接；一排放導(dǎo)管，它與所述排氣歧管連接；和至少一渦輪增壓機壓縮機，它與所述排放導(dǎo)管和所述空氣進氣導(dǎo)管工作連接，以壓縮在所述空氣進氣導(dǎo)管中的吸入空氣。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的缸內(nèi)噴水發(fā)動機，它還包括一在所述渦輪增壓機和所述空氣/燃料進氣歧管之間的渦輪增壓機壓縮機后冷卻器熱交換器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的缸內(nèi)噴水發(fā)動機，它還包括一氮/氧靜態(tài)膜組，該膜組與所述空氣進氣導(dǎo)管通過一膜導(dǎo)管連接，并與空氣/燃料進氣歧管通過一富化空氣導(dǎo)管連接，以便在所述空氣/燃料進氣歧管之前除去在吸入空氣中的一部分氮。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的缸內(nèi)噴水發(fā)動機，它還包括一與所述排放導(dǎo)管的所述膜導(dǎo)管工作連接的第二渦輪增壓機壓縮機，以壓縮通到所述氮/氧膜組的空氣。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的缸內(nèi)噴水發(fā)動機，它還包括一在所述第二渦輪增壓機和所述氮/氧膜組之間的第二渦輪增壓機壓縮機后冷卻器熱交換器。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的缸內(nèi)噴水發(fā)動機，它還包括一氮排放導(dǎo)管和一與所述排放導(dǎo)管和所述氮排放導(dǎo)管工作連接的壓力回收渦輪，用以驅(qū)動一與所述空氣進氣導(dǎo)管和富化空氣導(dǎo)管工作連接的壓縮機，以壓縮流到所述空氣/燃料進氣歧管的空氣。
8.在一內(nèi)燃機中，其改進包括在壓縮循環(huán)當(dāng)中，直接向汽缸噴水，以通過降低壓縮溫度提高效率。
9.一種缸內(nèi)噴水發(fā)動機，它包括(a)一內(nèi)燃機，它具有至少一個燃燒室、至少一個固定在所述燃燒室的汽缸蓋和至少一個在所述燃燒室內(nèi)的活塞；(b)一空氣/燃料進氣歧管，它與所述燃燒室通過所述汽缸蓋流體連通；(c)至少一噴水器，它與所述燃燒室流體連通；(d)一恒壓水源，它與所述噴水器通過一導(dǎo)管連接；(e)一在所述導(dǎo)管中的閥，它在所述活塞的壓縮循環(huán)當(dāng)中相應(yīng)于一電子信號而打開，并讓水流到所述噴水器；(f)一空氣進氣導(dǎo)管，它與所述空氣/燃料進氣歧管連接；(g)一排氣歧管，它與所述燃燒室連接；(h)一排放導(dǎo)管，它與所述排氣歧管連接；(i)至少一渦輪增壓機壓縮機，它與所述排放導(dǎo)管和所述空氣進氣導(dǎo)管工作連接，以壓縮在所述空氣進氣導(dǎo)管中的吸入的空氣；和(j)一氮/氧靜態(tài)膜組，該膜組與所述空氣進氣導(dǎo)管通過一膜導(dǎo)管連接，并與空氣/燃料吸氣歧管通過一富化空氣導(dǎo)管連接，以便在所述空氣/燃料進氣歧管之前吸入的空氣中除去一部分氮。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的缸內(nèi)噴水發(fā)動機，它還包括一第二渦輪增壓機壓縮機，它與所述排放導(dǎo)管和所述膜導(dǎo)管工作連接，以壓縮通到所述氮/氧膜組的空氣。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的缸內(nèi)噴水發(fā)動機，它還包括，一在所述第二渦輪增壓機和所述氮/氧膜組之間的第二渦輪增壓機壓縮機后冷卻器熱交換器。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的缸內(nèi)噴水發(fā)動機，它還包括，一氮排放導(dǎo)管，和一與所述排放導(dǎo)管和所述氮排放導(dǎo)管工作連接的壓力回收渦輪，用于驅(qū)動一與所述空氣進氣導(dǎo)管和富化空氣導(dǎo)管工作連接的壓縮機，以壓縮流到所述空氣/燃料進氣歧管的空氣。
13.一種缸內(nèi)噴水發(fā)動機，它包括(a)一內(nèi)燃機，它具有至少一個燃燒室、至少一個固定在所棕燃燒室的汽缸蓋和至少一個在所述燃燒室內(nèi)的活塞；(b)一空氣/燃料進氣歧管，它與所述燃燒室通過所述汽缸蓋流體連通；(c)至少一噴水器，它與所述燃燒室流體連通；(d)一恒壓水源，它與所述噴水器通過一導(dǎo)管連接；(e)一在所述導(dǎo)管中的閥，它在所述活塞的壓縮循環(huán)當(dāng)中相應(yīng)于一電子信號而打開，并讓水流到所述噴水器；(f)一空氣進氣導(dǎo)管，它與所述空氣/燃料進氣歧管連接；(g)一排氣歧管，它與所述燃燒室連接；(h)一排放導(dǎo)管，它與所述排氣歧管連接；(i)至少一渦輪增壓機壓縮機，它與所述排放導(dǎo)管和所述空氣進氣導(dǎo)管工作連接，以壓縮在所述空氣進氣導(dǎo)管中的吸入的空氣；(j)一氮/氧靜態(tài)膜組，它與所述空氣進氣導(dǎo)管通過一膜導(dǎo)管連接，并與空氣/燃料進氣歧管通過一富化空氣導(dǎo)管連接，以便在所述空氣/燃料進氣歧管之前在吸入空氣中除去一部分氮；(k)一第二渦輪增壓機壓縮機，它與所述排放導(dǎo)管和所述膜導(dǎo)管工作連接，以壓縮通到所述氮/氧膜組的空氣；(l)一在所述第二渦輪增壓機和所述氮/氧膜組之間的第二渦輪增壓機壓縮機后冷卻器熱交換器；(m)一氮排放導(dǎo)管，它與所述氮/氧靜態(tài)膜組連接；和(n)一壓力回收渦輪，它與所述排放導(dǎo)管和所述氮排放導(dǎo)管工作連接，用于驅(qū)動一與所述空氣進氣導(dǎo)管和富化空氣導(dǎo)管工作連接的壓縮機，以壓縮流入到所述空氣/燃料進氣歧管的空氣。
全文摘要
一種適應(yīng)保護環(huán)境要求的、減少NO
文檔編號F02B47/02GK1164268SQ95195645
公開日1997年11月5日 申請日期1995年8月31日 優(yōu)先權(quán)日1995年8月31日
發(fā)明者W·悉尼·比尼恩 申請人:恩瑟姆公司