[发明专利]使用水注射的分开式循环发动机

说明书

技术领域

本发明涉及分开式循环发动机，尤其涉及结合用于改善功率和/或运行的水注射的发动机。

背景技术

为了清楚起见，应用到现有技术中所公开的发动机的术语“分开式循环发动机”和本申请中所称的术语“分开式循环发动机”定义如下：

本文所称的分开式循环发动机包括：

曲轴，可以围绕曲轴轴线转动；

动力活塞，所述动力活塞可滑动地容纳在动力气缸内并且操作性地连接到曲轴，使得所述动力活塞通过在所述曲轴的单个转动期间的动力(或膨胀)冲程和排气冲程而往复运动；

压缩活塞，所述压缩活塞可滑动地容纳在压缩气缸内并且操作性地连接到曲轴，使得所述压缩活塞通过在所述曲轴的单个转动期间的进气冲程和压缩冲程而往复运动；和

使动力气缸和压缩气缸相互连接的气体通道，所述气体通道包括在其间限定压力室的进气阀与排气(交换)阀。

全都受让于本发明的受让人的美国专利US No.6,543,225B2、USNo.6,609,371 B2和US No.6,952,923(史古德利集团的专利)公开了本文所定义的分开式循环内燃机的示例。这些专利包含在这些专利授权时引用为背景技术的很多美国和外国专利和公开出版物。因为这些发动机真正将传统的压力/体积奥托(Otto)循环的四个冲程(即，进气、压缩、动力和排气)分配到两个专用缸(一个气缸专用于高压压缩冲程，而另一个气缸专用于高压动力冲程)，所以用于这些发动机的术语为“分开式循环(split-cycle)”。

目前，相当多的研究已经致力于空气混合型发动机。空气混合型发动机只需要添加空气压力容器，所述空气压力容器被添加至包括压缩机和空气马达的功能以及传统的发动机的功能的发动机，用于提供混合系统的优点。这些功能包括在制动期间储存加压的空气并且在随后的启动和加速期间将加压的空气用于驱动发动机。

在过去，注射水到传统的四冲程内燃机的气缸中已经被应用，用于增压式发动机的碰撞控制，但并不知道将其用于提高制动热效率或制动功率。

发明内容

本发明由应用水或蒸汽注射到分开式循环发动机以提高制动功率输出和/或效率的计算机模型化研究产生。爆炸(碰撞)控制和NO_x排放物的减小的可能的结果也被考虑。研究的总结的结论如下：

注射水到压缩气缸中被预测提高制动功率和效率。注射水到交换通道中可能没有功率或效率益处，但可以显著地降低NO_x和爆炸作用。假定任何添加的水通过使用一种形式的废热被外部地加热。

蒸汽注射到压缩气缸中被预测具有中性的作用，但蒸汽注射到交换通道中能够增加发动机功率和效率。假定任何添加的蒸汽通过使用废热被从外部产生。

如果能够使注射的水碰撞活塞或气缸盖以产生蒸汽，同时冷却发动机的这些部件，那么注射水到膨胀汽缸中被预测显著地提高制动功率和效率。

预测方法未模拟与提高的抗爆炸性和减小的NO_x排放物相关的附加的益处，这对于具有水和蒸汽注射的SI发动机是公知的并且是非常有意义的。假定水/蒸汽注射量在燃料注射量的约1-2倍范围内。

所有预测的另一重要的假定是任何注射的水能够在进入气缸或交换通道时立即蒸发。这实际上是不可能的，并且水注射的优点将显著地依赖于水可被蒸发的速度。内燃机的时间常数使得在压缩气缸中很难实现蒸发，除非水以非常细小的液滴形式出现，从而提供很大的表面积，并且希望接近其沸点。

虽然水或蒸汽注射的优点看上去很有吸引力，但是存在严重的实际问题、显著地增加的硬件复杂性、水消耗、冻结保护、油污染以及可能的腐蚀。外部蒸汽产生将会是主要的硬件成本。另一方面，分开式循环发动机比4冲程发动机从注射水到压缩机中获利多，因为压缩机功和再膨胀损失大于4冲程发动机。虽然在膨胀气缸中注射蒸汽可能是困难的，但是在交换通道中将会更容易，并且可能帮助控制交换壁温度。

报告的总结结论导致使用水注射的分开式循环发动机的几个实施例的构思，这些包括：

直接注射水到压缩气缸中的分开式循环发动机；

在压缩空气排放到膨胀气缸中之前，直接注射水到交换通道中的分开式循环发动机；

在压缩空气排放到膨胀气缸之前，直接注射蒸汽到交换通道中的分开式循环发动机；

直接注射水到膨胀气缸中的分开式循环发动机；

直接蒸汽注射到膨胀气缸中的分开式循环发动机；