專利名稱：使用水注射的分開式循環(huán)發(fā)動機的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及分開式循環(huán)發(fā)動機，尤其涉及結合用于改善功率和/或運行的 水注射的發(fā)動機。
背景技術：
為了清楚起見，應用到現(xiàn)有技術中所公開的發(fā)動機的術語"分開式循環(huán)發(fā) 動機鄰本申請中所稱的術語"分開式循環(huán)發(fā)動機'定義如下 本文所稱的分開式循環(huán)發(fā)動機包括 曲軸，可以圍繞曲軸軸線轉動；動力活塞，所述動力活塞可滑動地容納在動力氣缸內(nèi)并且操作性地連接 到曲軸，使得所述動力活塞通過在所述曲軸的單個轉動期間的動力(或膨 脹)沖程和排氣沖程而往復運動；壓縮活塞，所述壓縮活塞可滑動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轉動期間的進氣沖程和壓 縮沖程而往復運動；和使動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 限定壓力室的進氣閥與排氣(交換)閥。全都受讓于本發(fā)明的受讓人的美國專利US No.6，543,225B2 、 US No.6,609,371 B2和US No.6，952，923 (史古德利集團的專利)公開了本文所定 義的分開式循環(huán)內(nèi)燃機的示例。這些專利包含在這些專利授權時引用為背景 技術的很多美國和外國專利和公開出版物。因為這些發(fā)動機真正將傳統(tǒng)的壓 力/體積奧托(O加)循環(huán)的四個沖程(即，進氣、壓縮、動力和排氣)分配 到兩個專用缸(一個氣缸專用于高壓壓縮沖程，而另一個氣缸專用于高壓動 力沖程)，所以用于這些發(fā)動機的術語為"分開式循環(huán)(split-cycle)"。目前，相當多的研究已經(jīng)致力于空氣混合型發(fā)動機?？諝饣旌闲桶l(fā)動機 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和空氣馬達的功能以及傳統(tǒng)的發(fā)動機的功能的發(fā)動機，用于提供混合系統(tǒng)的優(yōu)點。這 些功能包括在制動期間儲存加壓的空氣并且在隨后的啟動和加速期間將加壓 的空氣用于驅動發(fā)動機。在過去，注射水到傳統(tǒng)的四沖程內(nèi)燃機的氣缸中已經(jīng)被應用，用于增壓 式發(fā)動機的碰撞控制，但并不知道將其用于提高審慟熱效率或制動功率。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明由應用水或蒸汽注射至吩開式循環(huán)發(fā)動機以提高制動功率輸出和/或效率的計穀幾模型化研究產(chǎn)生。爆炸(碰撞)控制和NOx排放物的減小的可能的結果也被考慮。研究的總結的結論如下注射水到壓縮氣缸中被預測提高制動功率和效率。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測具有中性的作用，但蒸汽注射到交換通道 中能夠增加發(fā)動機功率和效率。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，同時冷卻發(fā)動機的 這些部件，那么注射水至鵬脹汽缸中被預測顯著地提高制動功率和效率。預湖仿法未模擬與提高的抗爆炸性和減小的NOx排放物相關的附加的益 處，m于具有水和蒸汽注射的SI發(fā)動機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)。所有預測的另一重要的假定是任何注射的水能夠在進入氣缸或交換通道 時立即蒸發(fā)。這實際上是不可能的，并且水注射的優(yōu)點將顯著地依賴于水可 被蒸發(fā)的速度。內(nèi)燃機的時間常數(shù)使得在壓縮氣缸中很難實現(xiàn)蒸發(fā)，除非水 以非常細小的液滴形式出現(xiàn)，從而提供很大的表面積，并且希望接近其沸 點。雖然水或蒸汽注射的優(yōu)點看上去很有吸引力，但是存在嚴重的實際問 題、顯著地增加的硬件復雜性、水消耗、凍結保護、油污染以及可能的腐 蝕。外部蒸汽產(chǎn)生將會是主要的硬件成本。另一方面，分開式循環(huán)發(fā)動機比4 沖程發(fā)動機從注射水到壓縮機中獲利多，因為壓縮機功和再膨脹損失大于4沖程發(fā)動機。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 將會更容易，并且可能幫助控制交^H，。報告的總結結論導致使用水注射的分開式循環(huán)發(fā)動機的幾個實施例的構 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)動機；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)動機；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)動機；直接幽寸水到膨E^缸中的分開式循環(huán)發(fā)動機； 直接蒸汽注射到膨脹氣缸中的分開式循環(huán)發(fā)動機；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中的分開 式循環(huán)空氣混合型發(fā)動機。另外的變化和次組也被設想。從隨后的本發(fā)明的詳細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。


圖1是具有壓縮氣缸、交換通道以及膨脹氣缸的現(xiàn)有技術的分開式循環(huán) 發(fā)動機的示例性實施例的示意圖；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 三實施例的視圖；圖5是類似于圖1但顯示包括壓縮空氣儲存罐的空氣混合型發(fā)動機并且 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或多個中 的另外的實施例為特征的視圖；圖6A是7X/蒸汽、,到壓縮氣缸中的計算機模型；圖6B是圖6的項目的定義的列表；圖7A ^7K/蒸na射到交換iM中的計算機模型；圖7B是圖7A的項目的定義的列表；圖8是 ^和蒸汽注射到壓縮氣缸中的預領啲圖表；圖9是M;Jc和蒸汽注射到交換鵬中的預測的圖表；圖10A是注射水到膨脹氣缸中的計^m模型；圖10B是圖10A的項目的定義的列表；圖11是來自表A1的有水,和沒有水注射的氣缸壓力對曲軸轉角的圖 表；禾Q圖12是有水注射的氣缸^^度的圖表。
具體實施方式
I.鵬Scuderi集團，LLC委托德克薩斯州圣安東尼奧市的西南研究院 (SwRI )進行計算機化研究。所述研究涉及構建在確定直接注射7j^卩/或蒸汽 到發(fā)動機的壓縮氣缸、交換通道或膨脹氣缸中的分開式循環(huán)的四沖程發(fā)動機 的運行的預測效果中使用的計算機模型。所述計算機化研究通過關于分開式 循環(huán)發(fā)動機的示例性實施例產(chǎn)生在本文中公開的本發(fā)明。n.術i吾表在本文中使用的項目的縮寫和定義的以下術語表被衛(wèi)共用于參考。 ATDC:上死點之后；自動點火(Autoignition):在被火花塞點火的可控制的點燃之前的部分空 ^/燃料混^的不MJ空制的點燃；巴壓強單位，1巴=0.1牛/就2;基線GT功^t型狀態(tài)粒在美國專利No.6,952，923中并朋作后來比 較的基線；平均有效制動壓力(BMEP):如果平均壓力在整個的一個發(fā)動機循環(huán)中 被均勻地施加至活塞上，平均壓力將會產(chǎn)生測量的(制動)功率輸出。實質 上，發(fā)動機扭矩被發(fā)動機排量標準化；制動功率在輸出軸處測量的發(fā)動機功率，例如3M (制動)功率計； 制動熱效率(BTE)或制動效率被轉化成機械能量的燃料能量的百分 數(shù)，如在發(fā)動機的輸出軸處測量的；CI發(fā)動機壓縮點燃(例如柴油機)發(fā)動機；燃燒事件燃燒燃料的過程，典型地在發(fā)動機的膨脹室中，其持續(xù)的時 間典型地由曲柄轉角(CA)的度數(shù)來測量；壓縮機功在移動壓縮機活塞時曲軸消耗的肖讀；曲柄轉角(CA):曲軸行程的旋轉角度，典型地是指在與缸膛對齊時的 位置；烚熱含量；膨脹功在移動曲軸時膨脹活塞消耗的能量；全負載發(fā)動機在給定的速度下能產(chǎn)生的最大扭矩。另外還指發(fā)動機沿 一個發(fā)動豐腿度范圍的一系歹啲這些點的特性；GT功率來自Gamma技術公司的發(fā)動機模擬工具；注射期間燃料或水注射事件的持續(xù)時間，通常由曲軸旋轉的度數(shù)來測碰撞限制任何進一步增加的扭矩將會使得發(fā)動機碰撞的條件(不受控 制的燃燒，伴隨非常急劇的壓力上升，由自動點火點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)動機抽吸氣體相關的摩i^員耗； SI發(fā)動機火花點火(例如奧托)發(fā)動機；注射計時起點(SOI):燃料或水開始注射的曲軸的位置，通常由相對于 上死點的曲柄轉角的度數(shù)表示；化學計量(Stoichiometric)比發(fā)生燃料完全燃燒的空氣燃料比。對于汽油，化學計量比按重量是14.7: 1;和蒸汽分數(shù)是與液體相對的蒸汽的流體分數(shù)。m.由計M1化研究產(chǎn)生的分開式循環(huán)發(fā)動機的實施例
首先詳細地參考附圖的圖1，標記10總的顯示如在先前的美國專利
6，952，923 B2的圖6中公開的分開式循環(huán)的四沖程內(nèi)燃機的示例性實施例。
如所顯示的，發(fā)動機包括具有第一氣缸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，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運動。氣缸蓋22、動力 活塞24和第一氣缸14在動力氣缸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系所確定的時間關系往復移動活塞。
如果需要可使用將活塞的移動和計時(timing)相關聯(lián)的可替代的機構。 所述計時可類似于史古德利集團的專利的公開內(nèi)容或根據(jù)需要對其改變。曲 軸的旋轉方向和靠近底部死點(BDC)位置的活塞的相對移動由在附圖中與 它們對應的部件相關的箭頭來顯示。
氣缸蓋22包括適合用于實現(xiàn)分開式循環(huán)發(fā)動機10的期望目的的任何各 種通道、端口以及閥。在示出的實施例中，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?；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 點燃控制(未顯示)在精確的時間點燃空氣-燃料供給。應當理解，發(fā)動機可 被制成為柴油發(fā)動機且如果需要可在沒有火花塞的情形下運行。另外，發(fā)動 機10可被設計以在適合于基本上往復移動發(fā)動機活塞的任何燃料下操作，例 如氫氣駄然氣。在美國專利6,952,923和描述修改或改進的實施例的其它的史古德利集團 的專利中對圖1的發(fā)動機的運行方式進行了詳細描述。圖2-5示出圖1的示例 性的分開式循環(huán)發(fā)動機和其它類似的發(fā)動機可被修改以根據(jù)產(chǎn)生本發(fā)明的計 算機化的研究的結論而使用7jC^蒸,射的構思。圖2示出公幵本發(fā)明的第一實施例的發(fā)動機74，其中，發(fā)動機的基本結 構依據(jù)于圖1的實施例，并且相同的標記顯示相同的部件。發(fā)動機74與現(xiàn)有 技術的公開內(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)動機的壓縮室中的7K或蒸汽注射系統(tǒng)。例如，圖2顯示被安裝在發(fā)動機氣缸蓋22中并且致力于( 地在壓縮 沖程期間)噴射預先加熱的7jC或蒸汽到壓縮室27中的7K或蒸汽噴射器76。水 可以很細的噴霧的形式Mi:接朝壓縮機活塞26引導，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)動機78被設置有安裝在氣缸蓋22中的7jC或 蒸汽噴射器80。噴射器在進口止回閥46和出口或交換閥50都被關閉期間將 成很細的噴霧的形式的預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)動機82。噴射 預先加熱的7乂或蒸汽直接噴射到燃 燒室25中。水的噴霧可在發(fā)動機運行期間的除了發(fā)動機排氣沖程期間之外的任何時間被目，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 注射直到在動力活塞24已經(jīng)到達30、 50或90度曲柄轉角ATDC之后或在燃 燒完成至少百分之30、 50或90時，可掛共增加的功率和效率艦程度?？蒷^用至由l^i己86顯示的空氣混合型分開式循環(huán) 發(fā)動機的方式。發(fā)動機86總體上類似于發(fā)動機10但不同在于增加了空氣壓 力儲存腔或罐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。
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)動機運行條件下一起或分離地運行以獲得 每一條件需要的效果。還可提供發(fā)動機的修改的實施例，僅使用三個7X/蒸汽 注射位置中的一個，研究發(fā)現(xiàn)是最有利的。
IV計飾化研究
1.0水或蒸汽注射用于史古德利分開式循環(huán)發(fā)動機 1.1執(zhí)行總結
gt功率計^n模型已經(jīng)應用于檢查和預測對于水或蒸汽注射剝牛進行特
定假設但排除顯著的水蒸發(fā)時間、NOx和爆炸方面的情形下，水或蒸汽注射 到在4000ipm/全負載下的史古德利分開式循環(huán)(SSC)發(fā)動機的壓縮纟幾、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的結論如下
注射水到壓縮氣缸中被預測增加制動功率和效率，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。假定任何添加的水 M使用一些形式的廢熱被外部地預先加熱。
蒸汽注射到壓縮氣缸中被預測具有負面作用，但蒸汽注射到交換通道中 應增加發(fā)動機功率和效率。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，同時冷卻發(fā)動機的 這些部件，那么注射水到膨E^缸中被預測顯著地改善制動功率和效率。
預測方法沒有模擬與對于具有7jC和蒸汽^t的SI發(fā)動機是公知的并且是 非常顯著的改善的繊炸性和減小的N0X鄉(xiāng)物相關的另夕卜的優(yōu)點。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。
所有預測的另一重要假定是任何注射的水能夠在進入氣缸或交換通道時瞬間蒸發(fā)。這實際上是不可能的，并且水注射的優(yōu)點將顯著地依賴于水可被 蒸發(fā)的速度。內(nèi)燃機的時間常數(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。雖然水或蒸汽注射的優(yōu)點看上去很有吸引力，但是具有嚴重的實際問 題，顯著增加的硬件復雜性、水消耗、凍結保護、油污染以及可能的腐蝕。 外部蒸汽的產(chǎn)生將會是主要的硬件成本。另一方面，SSC從注射水到壓縮機中比4沖程發(fā)動機獲利更多，因為壓縮機功和再膨脹損失比4沖程發(fā)動機大。雖然在膨脹氣缸中注射蒸汽可能會很難，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氣缸和交換M中水和/或蒸汽的注射被用插入到發(fā)動機的相關部件(例如插入到壓縮機 (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)動機部件相關的占優(yōu)的壓力條件下被注射。變量包括 7jC/蒸汽驗、數(shù)量、注射時機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支持蒸汽，則可選擇的百分數(shù) 的水可被瞬間蒸發(fā)成蒸汽，水轉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))的百分數(shù)的水保留作為發(fā)動機的非燃燒部件(壓縮機 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，除一瞎汽分數(shù)被指定。對于蒸汽注射，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)在將對來自這些模型的總結的預測進行描述。結果7K/汽和蒸汽的注射的效勢優(yōu)點對于注射到壓縮機中與注射到交換通道中明顯不同。注射水到壓縮機中，伴隨蒸發(fā)，導致了隨著增加的蒸發(fā)程度功率輸出和 制動效率的改善。功率和效率的改善(圖8)是由于減小的壓縮機功、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量的注射水 相關的質量流的增加的組合效應。
蒸汽注射到壓縮機中(圖8中的單個點)對功率和效率的作用幾乎是中 性的，主要是因為增加的壓縮機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中的單個點)增加了 SSC發(fā)動機 的功率和效率，由于所述蒸汽對壓縮機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功率的作用幾乎是中性的，但顯著地 降低制動熱效率，這兩個作用是因為水沒有顯著地降低壓縮機功，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或自動點火模型，但是如果SSC發(fā)動機 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/全負載下M:從活塞產(chǎn)生蒸汽 吸取熱量的構思，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'細寸(SOI)計時的開始 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時處于約2000。K (1727。C))
轉移的熱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。從活塞轉移來的熱量被手動地調整以便以等于 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 評估?；钊睦鋮s部分被任意地假定為活塞的凈質量的10%，但可以被輕易 地改變。預測在表Al (蒸汽1-2對基線)中被總結，并M^I31^活塞轉移的 熱量隨后蒸發(fā)麟汽的7乂注射可提高制動功率和制動熱效率13-18%。屬掛單位基線蒸汽l蒸汽2注射期間(。ATDC)NA50-7050-907W燃料的百分數(shù)01162327X/ (燃料和空氣)的百分數(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/全負載時蒸汽注射對制動性能和效率的作用50。ATDC的開始注射計時(SOI)被選擇以在膨脹比(在早期的SOI時 較高)和來自燃燒氣體的熱量轉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，但這必定會抵消掉蒸發(fā)壓 力元件的蒸汽焓的增加。活塞冷卻
表Al顯示估計的在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 分的活塞質量中抽取，那么活塞溫度的減小將會成比例地減小。這些溫度的 減小的估計被大大簡單化，并且只提供可能的，減小的粗略的指導。
水注射/蒸汽蒸發(fā)可被同樣地應用至氣缸蓋，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施例對本發(fā)明進行了描述，但是應當理解，在公 開的本發(fā)明的思想的實質和范圍內(nèi)可對本發(fā)明進行諸多變化。因此，應當認 識到本發(fā)明并不限于公開的實施例，而是本發(fā)明具有隨后的權利要求的語言 限定的整個范圍。
權利要求
1.一種分開式循環(huán)水注射發(fā)動機，包括圍繞曲軸軸線旋轉的曲軸；動力活塞，所述動力活塞可滑動地容納在動力/膨脹氣缸中，并且操作性地連接至所述曲軸，使得所述動力活塞通過在所述曲軸的一個轉動期間的膨脹沖程和排氣沖程而往復運動；壓縮活塞，所述壓縮活塞可滑動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轉動期間的進氣沖程和壓縮沖程而往復運動；交換通道，所述交換通道在所述壓縮氣缸和所述動力/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力/膨脹氣缸，用于在發(fā)動機操作期間傳送動力至所述曲軸；閥，所述閥選擇性地控制進入和流出所述壓縮氣缸和動力氣缸的氣體流；和水注射裝置，所述水注射裝置在發(fā)動機操作期間與所述壓縮氣缸、所述交換通道以及所述動力氣缸中的至少一個相關聯(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力氣缸中的至少一個中。
2. 根據(jù)權利要求1中的發(fā)動機，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)權利要求2所述的發(fā)動機，其中，所3t/X注射裝置與所述壓縮氣 缸相關聯(lián)。
4. 根據(jù)權利要求2所述的發(fā)動機，其中，所^7jC注射裝置與所述交換通 道相關聯(lián)。
5. 根據(jù)權利要求2戶皿的發(fā)動機，其中，所^/X注射裝置與所述動力/膨 脹氣缸相關聯(lián)。
6. 根據(jù)權利要求5所述的發(fā)動機，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力/膨脹氣缸中。
7. 根據(jù)權利要求6所述的發(fā)動機，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)權利要求7所述的發(fā)動機，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)權利要求8所述的發(fā)動機，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)權利要求5所述的發(fā)動機，其中，在所述動力活塞到達所3zy^脹沖程的至少30度ATOC時，所3t;Ki4M開始。
11. 根據(jù)權利要求5所述的發(fā)動機，其中，在所述動力活塞到達所述膨 脹沖程的至少50度ATDC時，所^/JC注射開始。
12. 根據(jù)權利要求5所述的發(fā)動機，其中，在所述動力活塞到達所述膨 脹沖程的至少90度ATOC時，所^/K注射幵始。
13. 根據(jù)權利要求1所述的發(fā)動機，其中，所述發(fā)動機是分開式循環(huán)空氣混合型發(fā)動機，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力/膨脹氣缸，用于在發(fā)動機操作期間傳 送動力至所述曲軸，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)動機包括圍繞曲軸軸線旋轉的曲軸。動力活塞可滑動地容納在動力/膨脹氣缸中，并且操作性地連接至曲軸。壓縮活塞可滑動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力/膨脹氣缸，用于在發(fā)動機操作期間傳送動力至曲軸。閥選擇性地控制進入和流出壓縮和動力氣缸的氣體流。水注射裝置在發(fā)動機操作期間與壓縮氣缸、交換通道以及動力氣缸中的至少一個相關聯(lián)并且適合注射水到壓縮氣缸、交換通道以及動力氣缸中的至少一個中。
文檔編號F02B47/00GK101622431SQ200880006385
公開日2010年1月6日 申請日期2008年2月11日 優(yōu)先權日2007年2月27日
發(fā)明者讓-皮埃爾·皮羅 申請人:史古德利集團有限責任公司