使用碳氫燃料的內燃機及操作內燃機的方法技術

提供一種使用碳氫燃料的內燃機，所述內燃機包括：至少一個汽缸及在所述汽缸中往復運動的活塞、具有至少一個進氣閥的進口歧管、與排放歧管流體連通的至少一個排放閥、以及具有至少一個燃料注射器的燃料處理系統，所述內燃機包括：水注射器，與水源接合，用于在壓縮沖程期間在所述活塞的TDC之前從大約300°到大約180°在任何時候將預定量的液態水注射到所述進口歧管的端口中，其中，所注射的水的量大于所述汽缸中的環境空氣中的水蒸汽飽和點時所存在的水的量；其中，提供給所述至少一個汽缸的空燃比大于化學計量，并且，所述內燃機具有大于約13:1的有效壓縮比。液態水注射提供內冷卻、減少或消除了排出到散熱器的熱，減少發動機爆震，并減少NOx的排放。

Internal combustion engine using hydrocarbon fuel and method for operating an internal combustion engine

An internal combustion engine using hydrocarbon fuel, the internal combustion engine includes at least one cylinder, piston and cylinder in the reciprocating movement with at least one intake valve inlet manifold, and at least the exhaust manifold in fluid communication with a discharge valve, and has at least one fuel injector fuel handling system, the the internal combustion engine comprises a water injector, and water used for bonding, which during the compression stroke before the piston TDC from about 300 degrees to about 180 degrees of liquid water injection to a predetermined amount at any time to the inlet manifold port, the injected water, there are larger than the air environment the cylinder in the water vapor saturation point when the amount of water; which is provided to the at least one cylinder air-fuel ratio greater than stoichiometric, and the internal combustion engine is greater than about 13:1 Effective compression ratio. Liquid water injection provides internal cooling, reduces or eliminates heat discharged into the radiator, reduces engine knock, and reduces NOx emissions.

【技術實現步驟摘要】
使用碳氫燃料的內燃機及操作內燃機的方法本申請是于2013年12月11日進入中國國家階段、PCT國際申請號為PCT/US2012/033088、申請日為2012年04月11日、中國申請號為201280028808.X、專利技術名稱為“內部冷卻高壓縮貧燃燒內燃機”的專利申請的分案申請，其全部內容結合于此作為參考。相關申請的交叉引用根據美國專利法第35條119(e)款，本申請要求2011年4月11日提交的美國臨時專利申請第61/474,240號的優先權，其公開內容全部結合于此以供參考。
本公開涉及內燃機的領域，包括用于機動車輛、鐵路、船舶、飛機或發電的發動機。本公開涉及比傳統發動機更有效地運行的內燃機。在典型地依靠汽油(汽油)、乙醇或天然氣運行的火花點火(SI)發動機中，或壓縮點火發動機(典型地，是柴油機)上，可使用這里闡述的原理。
技術介紹
發動機文獻描述了許多影響發動機效率的因素。可將這些因素分成基于熱力學第二定律的理論限制，即，決定卡諾循環(Carnotcycle)中的效率的溫度差(梯度)，以及作為奧托循環(Ottocycle)效率中最相關變量的壓縮比。其他因素也很重要，包括機械因素(例如摩擦)以及化學因素(例如燃料特性)。燃料特性取決于燃料的化學組成、化學計量、液體燃料的蒸發，以及其他因素(包括燃燒溫度、點火能量和點火延遲、火焰傳播速度，以及燃燒的完全性)。內燃機是熱機，可用熱力學定律在理想范圍內描述其行為。可用熱力學第一定律將任何熱驅動過程的功和熱能描述為：Qin＝Wout+Qout其中，Qin是進入發動機的熱能，并且機械能或者功是Wout。循環熱機，甚至在理想范圍內，都無法將凈熱量輸入完全轉換為功輸出，因此，必須將一些輸入熱能不得不作為廢熱Qout分散到環境中。將循環熱機的熱效率定義為：ηth＝Wout/Qtn＝1-Qout/Qin其中，ηth是無量綱的效率因素。這是使用熱能的裝置(例如內燃機)的性能指標。用卡諾定理給出任何熱機的理論最大效率，其假設任何熱機的理論最大效率取決于理想熱力可逆發動機中的熱溫儲存器和冷溫儲存器之間的差異。將卡諾發動機中的此最大效率定義為：ηth≤1-TC/TH其中，TC是冷儲存器的絕對溫度，TH是熱儲存器的絕對溫度。因此，卡諾發動機中的效率是熱儲存器和冷儲存器之間的溫度梯度的因素。奧托循環是將火花點火內燃機的發動機效率與壓縮比相關聯的另一理想熱力學循環。奧托循環的幾何學使用兩個絕熱和兩個恒容過程。可將采用理想氣體定律行為的奧托循環效率表達為：ηth＝1-1/rγ-1其中，r是體積壓縮比，γ＝CP/CV，是恒壓下的熱容量(CP)與恒容下的熱容量(CV)的比熱比。柴油機的類似公式將壓縮比(及燃燒膨脹比)與(壓縮點火)柴油機中的效率相關聯。該比熱比還叫做“等熵膨脹因素”。空氣-燃料混合物的比熱比γ隨著溫度和燃料蒸汽的熱容量而變化，但是，通常接近于1.4的空氣值。當使用此標準值時，該循環叫做“空氣標準循環”。因為γ總是大于1，所以，奧托循環中的發動機效率與壓縮比直接相關。因此，在所有其他因素相等的情況下，高壓縮比發動機將比更低壓縮比發動機更有效地運行。發動機中的溫度控制也是影響發動機效率的重要因素。卡諾循環表明，在點火之后汽缸中的活塞的上死點(TDC)處的溫度(即，發動機中的最高溫度)越高，溫差將越大，這導致更大的效率。然而，實際上的低效包括，缺少燃料與空氣的完全混合、燃燒速度、以及有效點火所需的空氣/燃料比。大多數發動機以接近化學計量的空氣/燃料比運行。這些條件下的燃燒會產生無法轉換成機械功的多余熱量。必須用散熱器或通過排氣裝置排出此多余熱量。所產生的高燃燒溫度還會產生不希望有的NOx排放物。現代發動機中的溫度控制通常通過冷卻套管來實現，所述冷卻套管環繞發動機，將熱量傳遞至熱交換器(散熱器)，所述熱交換器將多余熱量排出至環境中并將發動機保持在工作溫度范圍內。以這種方式使用傳統的散熱器在這里叫做外部冷卻。大多數現代內燃機是使用水或一些其他冷卻液的液體(或水)冷卻的(外部冷卻)，冷卻液在發動機中循環，并通過熱交換器。或者，一些發動機的特征是“空氣冷卻的”，典型地，因為其沒有散熱器。替代地，大多數空氣冷卻發動機具有與發動機本體或汽缸制成一體的輔助散熱片，以對流并輻射熱量，使其離開發動機。即使在最有效的液體或空氣冷卻的傳統發動機中，使熱量流過冷卻系統的需求需要會明顯地減小發動機效率。發動機熱量的大約40％消散在散熱器或散熱片中，這是損失的能量，其一部分理論上仍可用作機械能。因此，減小此熱損耗，并將多余熱量轉換成有用的機械能，是發動機設計中一個重要的未能解決的需求。傳統的汽車在將汽油中的能量轉換成機械能時的效率僅是大約20％。燃料中的能量的其余大約80％通過冷卻系統和熱交換器(散熱器)作為廢熱損失至環境。因此，如果能大幅度減小通過散熱器(或以其他方式消散至環境)的熱損耗，那么，可大幅度提高發動機效率。控制發動機爆震的需求會限制使用燃料(例如汽油或天然氣)的發動機中的壓縮比，該發動機爆震是由于來自火花塞點火的理想點火之前的燃料的預先(自動)點火所導致。在預點火過程中，由于壓縮過程中在汽缸中產生的高溫，燃料以不可控的方式在壓縮沖程的過程中點火。這種預點火會浪費能量，并且，如果不可控，會導致發動機損壞。為了避免發動機爆震，傳統的火花點火發動機通常限制于大約10:1的有效壓縮比，對于更昂貴的高辛烷燃料，可能高達12:1。影響發動機性能的另一因素是空氣(氧氣)與燃料比。在燃料中，化學計量空氣(stoichiometricair)給燃料中的每摩爾的碳提供1摩爾的分子氧(molecularoxygen)，并給每摩爾的氫提供0.5摩爾的分子氧。對于真正的化學計量氧來說，空氣的量取決于燃料的精確的化學組成，但是對于汽油和柴油發動機來說，大約是14.7:1重量/重量(w/w)(即，1g燃料比14.7g空氣)。典型地，發動機在冷啟動和高負載操作過程中運行良好，但是，當運行良好時，將存在未燃燒的燃料，從而存在廢能量和額外的空氣污染。通常，發動機在大約化學計量混合物時運行最有效，但是，對于大于化學計量氧的貧(稀薄)條件下的有效的發動機操作來說，存在理論基礎。
技術實現思路
在一個方面中，提供了一種與傳統的發動機相比，以升高的壓縮比操作火花或壓縮點火發動機的系統和方法，在壓縮和做功沖程的過程中，使用稀空燃比(leanairfuelratio，貧空燃比)和液態水注射來控制汽缸內的溫度。根據奧托或壓縮點火(柴油機)理想內燃機循環，越高的壓縮比允許越高的熱效率，并且還允許越稀薄的燃料混合物的可靠點火。液態水注射通過減小壓力來減小壓縮過程中的功，控制爆震并提供溫度控制。液態水注射還減小了對外部冷卻的需求，導致對散熱器的更小的熱損耗，從而得到更高的效率。與傳統的發動機相比，液態水注射和其他熱管理特征(包括使用非常稀的空氣/燃料混合物)的組合可全部消除或大幅度減小對散熱器的需求(即，可使用更小的散熱器)，并且，對環境具有基本上更小的熱損耗。因此，與傳統的發動機相比，這里描述的發動機產生高得多的熱效率，以及更低的排放。根據一個實施方式，提供了一種使用碳氫燃料的內燃機，所述內燃機具有至少一個汽缸和在汽缸中往復運動的活塞，本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種使用碳氫燃料的內燃機，所述內燃機包括：至少一個汽缸及在所述汽缸中往復運動的活塞、具有至少一個進氣閥的進口歧管、與排放歧管流體連通的至少一個排放閥、以及具有至少一個燃料注射器的燃料處理系統，所述內燃機包括：水注射器，與水源接合，用于在壓縮沖程期間在所述活塞的TDC之前從大約300°到大約180°在任何時候將預定量的液態水注射到所述進口歧管的端口中，其中，所注射的水的量大于所述汽缸中的環境空氣中的水蒸汽飽和點時所存在的水的量；其中，提供給所述至少一個汽缸的空燃比大于化學計量，并且，所述內燃機具有大于約13:1的有效壓縮比。

【技術特征摘要】
2011.04.11 US 61/474,2401.一種使用碳氫燃料的內燃機，所述內燃機包括：至少一個汽缸及在所述汽缸中往復運動的活塞、具有至少一個進氣閥的進口歧管、與排放歧管流體連通的至少一個排放閥、以及具有至少一個燃料注射器的燃料處理系統，所述內燃機包括：水注射器，與水源接合，用于在壓縮沖程期間在所述活塞的TDC之前從大約300°到大約180°在任何時候將預定量的液態水注射到所述進口歧管的端口中，其中，所注射的水的量大于所述汽缸中的環境空氣中的水蒸汽飽和點時所存在的水的量；其中，提供給所述至少一個汽缸的空燃比大于化學計量，并且，所述內燃機具有大于約13:1的有效壓縮比。2.一種操作使用碳氫燃料的內燃機的方法，所述內燃機包括：至少一個汽缸和在所述汽缸中往復運動的活塞、至少一個進氣閥、至少一個排放閥、以及具有至少一個燃料注射器的燃料處理系統，所述方法包括，在每個內燃機循環中：在壓縮沖程期間，在所述活塞的TDC之前從大約180°到大約30°在任何時候從與水源接合的水注射器將液態水注射到所述汽缸中，其中，所注射的水的量大于所述汽缸中的環境空氣中的水蒸汽飽和點時所存在的水的量；其中，提供給所述至少一個汽缸的空燃比大于化學計量，并且，所述內燃機具有大于約13:1的有效壓縮比。3.一種操作使用碳氫燃料的內燃機的方法，所述內燃機包括：至少一個汽缸和在所述汽缸中往復運動的活塞、具有至少一個進氣閥的進口歧管、與排放歧管流體連通的至少一個排放閥、以及具有至少一個燃料注射器的燃料處理系統，所述方法包括，在每個內燃機循環中：在壓縮沖程期間，在所述活塞的TDC之前的從大約300°到大約180°在任何時候從與水源接合的水注射器將預定量的液態水注射到所述進口歧管的端口中，其中，所注射的水的量大于所述汽缸中的環境空氣中的水蒸汽飽和點時所存在的水的量；其中，提供給所述至少一個汽缸的空燃比大于化學計量，并且所述內燃機具有大于約13:1的有效壓縮比。4.一種使用碳氫燃料的內燃機，所述內燃機包括：至少一個汽缸和在所述汽缸中往復運動的活塞、具有至少一個進氣閥的進口歧管、與排放歧管流體連通的至少一個排放閥、以及具有至少一個燃料注射器的燃料處理系統，所述內燃機包括：水注射器，與水源接合，用于在壓縮沖程期間在所述活塞的TDC之前從大約300°到大約30°在任何時候將預定量的液態水注射到所述汽缸中，其中，所注射的水的量大于所述汽缸中的環境空氣中的水蒸汽飽和點時所存在的水的量；熱交換器，用于傳遞來自排放歧管或汽缸或兩者的熱量以對水、燃料和入口的空氣進行預加熱；其中，提供給所述至少一個汽缸的空燃比大于化學計量，并且，所述內燃機具有大于約13:1的有效壓縮比。5.一種使用碳氫燃料的內燃機，所述內燃機包括：至少一個汽缸和在所述汽缸中往復運動的活塞、具有至少一個進氣閥的進口歧管、與排放歧管流體連通的至少一個排放閥、以及具有至少一個燃料注射器的燃料處理系統，所述內燃機包括：水注射器，與水源接合，用于在壓縮沖程期間在所述活塞的TDC之前從大約300°到大約30°在任何時候將預定量的液態水注射到所述汽缸中，其中，所注射的水的量大于所述汽缸中的環境空氣中的水蒸汽飽和點時所存在的水的量；渦輪增壓器或超級增壓器，能調整地調節推入所述進口歧管或汽缸中的空氣的量；其中，提供給所述至少一個汽缸的空燃比大于化學計量，并且，所述內燃機具有大于約13:1的有效壓縮比。6.一種使用碳氫燃料的內燃機，所述內燃機包括：至少一個汽缸和在所述汽缸中往復運動的活塞、具有至少一個進氣閥的進口歧管、與排放歧管流體連通的至少一個排放閥、以及具有至少一個燃料注射器的燃料處理系統，所述內燃機包括：水注射器，與水源接合，用于在壓縮沖程期間在所述活塞的TDC之前從大約300°到大約30°在任何時候將預定量的液態水注射到所述汽缸，其中，所注射的水的量大于所述汽缸中的環境空氣中的水蒸汽飽和點時所存在的水的量；渦輪增壓器或超級增壓器，能調整地調節推入所述進口歧管或汽缸中的空氣的量；其中，提供給所述至少一個汽缸的空燃比大于化學計量，并且，所述內燃機具有大于約13:1的有效壓縮比。7.一種使用碳氫燃料的內燃機，所述內燃機包括：至少一個汽缸和在所述汽缸中往復運動的活塞、具有至少一個進氣閥的進口歧管、與排放歧管流體連通的至少一個排放閥、以及具有至少一個燃料注射器的燃料處理系統，所述內燃機包括...

【專利技術屬性】
技術研發人員：尼馬爾·穆利，
申請(專利權)人：秘方能源私人有限公司，
類型：發明
國別省市：新加坡,SG