CN102165159A - 具有底循环的提高效率的涡轮增压式发动机系统及工作方法 - Google Patents

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Abstract

一种涡轮增压式发动机系统(500)，被配置成通过使用来自废气的热量在热交换器(350)中使甲醇汽化，并且使用被汽化的甲醇来驱动发动机的涡轮增压器(316，519，124，126)的涡轮(361)。甲醇还可以分解成氢和一氧化碳。在蒸汽穿过涡轮(316)以后，蒸汽通过口式喷嘴被喷射进发动机(102)内。通过排气阀(472，474)的选择性定时，废气被分成两个流(409，410)，第一流包括在废气排放过程中喷射的气体，而第二流在发动机的排气冲程的余下部分中被喷出。排放气体用于驱动涡轮增压器(316，519，124，126)的单独的涡轮(519)。

Description

具有底循环的提高效率的涡轮增压式发动机系统及工作方法
相关申请的交叉引用
本申请基于35U.S.C.119(e)要求2008年9月30日提交的序号12/286,645的且标题为“Improved Efficiency Turbocharged Engine System with Bottoming Cycle，and Method of Operation(具有底循环的改进效率的涡轮增压式发动机及操作方法)”的美国专利申请的优先权，该申请的全部内容通过引用并入本文。
技术领域
所公开的本发明原理概括地涉及具有涡轮增压器的内燃机，具体涉及使用由内燃机产生的废热和排放气来驱动涡轮增压器，并且还涉及使用燃料作为工作流体来在进入发动机之前驱动涡轮增压器或者其它功率产生装置。
相关技术描述
越来越多地用提升系统(如涡轮增压系统或超级增压系统)制造汽车，以提高发动机效率。各种增压系统涉及效率、可靠性和成本之间的平衡。图1的图示出了根据已知技术的涡轮增压式发动机系统100的选择组件。该系统包括内燃机102，内燃机102包括多个汽缸104、在进气歧管106和各个汽缸104之间延伸的进气口108、以及在各个汽缸104和排气歧管112之间延伸的排气口110。排气线114从内燃机102的排气歧管112延伸至第一涡轮116的入口。第一涡轮116的出口通过排气线114连接到第二涡轮118的入口，第二涡轮118的出口连接到下游的排气系统120，下游的排气系统120通常包括催化转换器、消声器和排气管，它们全部是现有技术中熟知的，因此不对它们进行详细展示了。所示的系统还包括在排气线114之间延伸的旁路通道121，并且旁路通道121包含旁通阀122，旁通阀122有时被称为废气门。第一涡轮116和第二涡轮118通过传动轴124与压缩机126。压缩机126的入口连接到新鲜空气入口128，并且压缩机126的出口通过增压空气线134连接到冷却器130。增压空气线134在冷却器130和进气歧管106之间延伸。冷却剂从冷却剂入口132进入。在很多系统中，废气被再引入汽缸内，以改变发动机的燃烧特性。在这种情况下，废气与新鲜空气一起将从涡轮116和118的下游被引入至压缩机126的上游，或者从涡轮116和118的上游被引入至压缩机126的下游。
内燃机的工作是现有技术中熟知的，因此将只对相关部分进行描述。由于在进气冲程过程中每个汽缸内的活塞下降，所以增压空气通过进气口108被吸入汽缸104内，并且依赖于发动机的类型和设计，燃料通过多个路径之一进入，如通过直接喷射、进气口喷射、汽化等。每个汽缸104中燃料和空气的混合物在压缩冲程中由各个活塞压缩并被导致燃烧(就传统的压燃式发动机而言，在压缩冲程顶部处或顶部附近喷射燃料)。燃料同来自汽缸内的增压空气中的氧气一起产生加热的燃烧气体，加热的燃烧气体在汽缸内造成升高的压力，驱动连接到发动机曲轴的活塞向下，向曲轴传递转动能量。
在活塞冲程底部处或底部附近，排气阀开启，打开了从汽缸到排气口的路径并且释放了汽缸内的残留气压。当曲轴继续旋转时，活塞在汽缸104内作往复运动，使剩余的废气在排气冲程过程中通过各个排气口110排出到排气歧管112。发动机循环的在燃烧之后、在排气阀开启之后以及在活塞位于活塞冲程底部附近期间的部分，在本文中被称为废气排放。响应于一旦活塞已降到最低点在汽缸中残留的巨大压力，在循环的该部分期间离开汽缸的气体这么执行。在废气排放之后，当活塞在排气冲程过程中上升时，排出了剩余气体。
在与自然吸气式发动机一起使用的一些高效排气系统设计中，废气排放引起了高速废气流，高速废气流在排气系统中建立相对真空，该相对真空帮助从汽缸中吸取剩余的废气。当活塞在排气冲程顶部附近并且进气阀开始开启时，来自于仍离开的废气的真空将增压空气和燃料通过进气阀吸入活塞内，同时将排气阀关闭的定时选择成防止未燃烧的燃料通过排气口漏出。这个过程有时被称为废气清除(exhaust scavenging)，并且允许发动机排出几乎所有废气，包括占用汽缸的未打扫部分的气体，从而允许更大量的可燃物进入汽缸。废气清除通常需要能够创造和支持高速气流的专门的和单独定制的排气系统组件，并且通常还受限于发动机每分钟转速的狭小范围。
即使在不从废气清除中受益的自然吸气式发动机中，在排气系统中也只有对气流最小的阻力，因此当活塞将气体推出时对活塞只有很小的阻力。一旦废气逸出通过阀门，活塞外的废气压力就降至接近环境压力。但是，在如图1中所示的那种涡轮增压式发动机系统中，涡轮116，118阻止废气流，在涡轮116和排气口110之间产生背压。这对发动机设置了负荷，因为由发动机102产生的部分能量被在排气系统抵抗背压将气体驱出的活塞消耗。当仍被加压的废气进入高压涡轮116时，气体被允许膨胀，并且所释放的能量被涡轮转化成转动能，转动能使传动轴124转动。当气体离开高压涡轮116时，依赖于发动机102产生的气体体积，气体仍可能仅部分膨胀。气体从高压涡轮116转移到低压涡轮118，在低压涡轮118处进一步膨胀，对传动轴124施加额外的转动能。废气从低压涡轮118转移到下游的排气系统120，并被排放到大气中。
当发动机速度增加时，产生更多废气并且背压升高。虽然这使涡轮转动得更快，但这也对发动机增加了负荷，并且在某一点处，高压涡轮的能量转换效率开始下降。当背压升高时，控制旁通阀122开启，直接将部分废气排放至低压涡轮118，该低压涡轮具有比高压涡轮116更高的容量，并且能够从增加的废气体积中更高效地抽取能量。
废气膨胀产生的能量由传动轴124传递给增压空气压缩机126，增压空气压缩机126从增压空气入口128抽取并且压缩增压空气，并且将所压缩的增压空气通过空气线134输送到冷却器130。冷却器130将热量从压缩空气传递给冷却剂，如经过散热器的空气，或者通过闭路冷却系统传递给远处的散热器。压缩空气被冷却，以增加其密度进而增加其热容，然后被移入进气歧管106，在那里通过进气口108被移入单独的汽缸104。通过将压缩的增压空气移入汽缸，增加了每个汽缸中的氧气量，这意味着还可以加入更多的燃料，这增加了发动机的功率容量。更大的空气质量的更高热容有助于控制燃烧温度，转而有助于控制烟雾和引起混合物的污染物的产生。另外，在进气冲程过程中，进入汽缸104的被压缩的增压空气将一些能量传递给活塞，这部分地补偿了废气系统中由背压施加的负荷。这是与自然吸气式发动机相比而言，自然吸气式发动机通过真空吸入增压空气并且在进气冲程过程中对发动机安置了负荷，却花费很少能量排出废气。虽然由被压缩的增压空气对活塞传递的能量不完全补偿驱动排气涡轮的开销，但由较高燃烧水平获得的附加功率和效率导致了显著的净增益。
尽管关于图1描述的发动机系统100包括高压涡轮、低压涡轮和旁通阀，但是存在具有或没有旁通装置的具有一个、两个或多个涡轮的许多其它已知的废气涡轮构造。例如，以下专利和专利申请公开针对涡轮增压器的有效工作的多个方面，这些专利和专利申请公开全部的内容并入本文：4,930,315、6,751,956、2006/0042246。
发明内容
根据本发明的实施方式，提供了涡轮增压式发动机系统，该系统包括内燃机、排气系统以及增压空气和燃料吸入系统。该发动机系统被配置成通过使用来自离开发动机的废气的热量使工作流体汽化，并且被汽化的流体用于驱动涡轮，从工作流体中吸取能量。涡轮驱动压缩机，以为了发动机对增压空气进行加压。
根据实施方式，工作流体还用作发动机的燃料，其在通过涡轮增压器的涡轮之后被喷射到发动机内。
根据实施方式，燃料包括甲醇，其可以分解以增加其工作体积。
根据实施方式，发动机被配置成将废气分离成两条流，第一流包括在废气排放过程中喷射的气体，而第二流包括在发动机的排气冲程的大部分过程中喷射的气体。排放气体用于驱动涡轮增压器单独的涡轮。
附图说明
图1是根据已知技术的涡轮增压式发动机系统的简图；
图2-3和图5-9是示出了根据本发明的各实施方式的发动机系统的图；
图4A-4C根据图5的实施方式的系统示出了在曲轴的单次旋转的各点处的发动机汽缸。
具体实施方式
在随后的描述中，与前面描述的组件功能上相同的组件由相同的标号指示，并且将不再详细描述。此外，标号的第一字符表示所引用的组件首次被介绍和描述的图。用于传输废气、空气、水和燃料的线路将通常分别由标号114、134、248和346引用，与特定流体的相无关。这样的线路描述是为了在显示和叙述本发明的原理时的清晰，并且可能体现为软管，管，通路，通道等。此外，在工作中还可以采用用于传输各种流体的各种可选装置。例如，一个部件的出口可能直接地连接到另一部件的入口，这消除了那个位置处对传输线的需要。可选地，部件中的两个或更多可以被容纳在共同的壳罩内，或结合成单个组件。在其它情况下，这里作为单个单元描述的组件可以被分成具有合适连接的两个或更多部件，并且两个或更多部件合起来实现相同功能。
现参见图2，根据本发明的第一实施方式示出了涡轮增压式发动机系统200。系统200包括发动机102和热交换器250，发动机102具有多个汽缸104，热交换器250具有连接到排气歧管112的出口的排气入口和连接到下游排气系统220的排气出口，下游排气系统220包括催化转换器、消声器和排气管，如现有技术熟知的。
工作流体源240通过流体线248连接到泵242，并且泵242的出口连接到热交换器250的流体入口，热交换器250的流体出口连接到涡轮216的出口。涡轮的出口连接到冷却器236(如，例如散热器)的流体入口，并且冷却器236的出口连接到工作流体源240的回路。涡轮216通过传动轴124连接到增压空气压缩机126。
在工作中，由发动机102产生的热气被从排气歧管112传送到热交换器250，然后从热交换器250传送到下游排气系统220。泵242从工作流体供给240抽取工作流体(例如水)并且在压力下将流体流传送到热交换器250。来自热交换器250的热量被传递给流体，流体被汽化。在热交换器250中，蒸汽进一步被加热，这使蒸汽过热。然后蒸汽被传送至涡轮216，在这里蒸汽膨胀，产生的能量被涡轮216传送至增压空气压缩机126，在这里，使用产生的能量压缩进入的增压空气。然后蒸汽在冷却器236内冷凝并返回至流体源240。
图2的实施方式提供了优于已知内燃机系统的许多优点。在大多数现有技术系统中，来自于废气的热量大部分消散到大气中，这表示能量损失。相比较而言，图2的系统200回收了来自于废气的热量中的许多，这些许多热量用于对增压空气加压。当加压过的增压空气进入汽缸后，在对活塞施加向下的力，向下的力被传送至曲轴。实际上，废气/流体/空气循环充当热机，这给系统的总出口传递了额外的能量。此外，由于废气不直接驱动涡轮216，而是直接流经热交换器，所以几乎没有引入的背压，这消除了发动机上的那种负荷并且与现有技术系统相比进一步提高了效率。
将图2的实施方式示出为具有单个涡轮216，过热蒸汽穿过该涡轮，以驱动增压空气压缩机。根据可选实施方式，采用了第一高压涡轮和第二低压涡轮。还可包括旁通装置，以选择性地分流通过第一涡轮产生的蒸汽的一部分。
根据实施方式，工作流体还可以用作发动机冷却剂和增压空气冷却剂。在工作流体进入热交换器250之前，其被发动机和冷却器130预加热。通过采用遍及发动机系统的共用流体，简化了系统，存在更少的储液器、散热器等，并且来自发动机和增压空气的热能可以有助于驱动涡轮。
根据另一实施方式，在正常的环境温度和压力下，工作流体是气态的，从而不在循环中的任何地方冷凝。许多流体冷凝物是强腐蚀性的，这会在加热/冷却循环中引起损坏(如所公开的那种)，尤其如果冷凝物出现在没有预料的地方，如涡轮叶片的背面等。通过使用通常气态的工作流体，可以减少或者消除这样的问题。
现转向图3，根据本发明的第二实施方式示出了涡轮增压式发动机系统300。系统300包括发动机302、排气歧管112、第一热交换器350和第二热交换器344。
燃料源340通过燃料线346连接到泵342，并且泵342的出口连接到第二热交换器344的燃料入口。第二热交换器的燃料出口连接到第一热交换器350的燃料入口，第一热交换器350的燃料出口连接到第一涡轮316的入口。第一涡轮316的出口连接到第二涡轮318的入口，第二涡轮318的出口连接到冷却器330的燃料入口，并且冷却器330的燃料出口连接到燃料进气歧管358。口式喷嘴360连接到燃料进气歧管358并且被配置为在各个汽缸104的活塞的进气冲程过程中将燃料喷射到发动机302的进气口308内。
增压空气压缩机126的出口连接到冷却器330的空气入口，并且冷却器的空气出口连接到发动机进气歧管106。将冷却器330示出为被配置成既对增压空气又对燃料进行冷却的单个单元。在其它实施方式中，这些功能可以在独立的单元中被独立地执行。此外，用于冷却增压空气和燃料的冷却介质可以是任何适当的介质，如空气(通过散热器)或者水或其它液体冷却剂(通过冷却回路)。
将液压泵327示出为通过传动轴324的延伸部分324a(以虚线示出)连接到第一涡轮及第二涡轮。流体供应线329设置高压流体源331和低压流体源333分别与液压泵327的高压流体口和低压流体口流体连通。
在工作中，由发动机302产生的热气被从排气歧管112传送至第一热交换器350，然后从那里传送至第二热交换器344和下游排气系统220。泵342从燃料源340抽取燃料，并且将已加压的燃料流传送至第二热交换器344。来自于第二热交换器344的热量被传递给燃料，使燃料汽化。燃料蒸汽被传送至第一热交换器350，在这里将来自废气的热量传递给燃料蒸汽，使被汽化的燃料过热。然后将过热的燃料蒸汽传送至第一涡轮316和第二涡轮318，在这里燃料部分膨胀，产生的能量通过传动轴124被传送至增压空气压缩机126，在这里产生的能量被用来压缩进入的增压空气。
尽管优选地不允许燃料冷凝并且至少维持足够的压力以使得能够在口喷射器360处喷射，但是燃料蒸汽在涡轮316，318内的膨胀还降低其温度(根据波义耳定律)，并且蒸汽会被冷却器330进一步冷却。当活塞在其各自的进气冲程中向下移动时，已加压的燃料和增压空气进入汽缸104，将能量传递给活塞。
图3的实施方式提供了超出关于图2的实施方式描述的那些优势之外的进一步优点。例如，在将燃料引入汽缸内之前，可以使燃料预汽化，这降低了起燃的能量消耗，因而增加了净能量输出。此外，作为蒸汽而不是作为雾化液滴进入汽缸的燃料通常燃烧得更完全，释放更多能量并产生更干净的废气。根据一些实施方式，使用的燃料是甲醇(CH3OH)或者甲醇和水。根据多个实施方式，泵342将燃料加压至所选择的压力，压力在约15巴(bar)到约200巴或更高的压力范围内。第二热交换器344被配置为催化转换器。燃料通过第二热交换器344汽化和分解并通过第一热交换器350过度加热。本领域内众所周知的，甲醇的分解产生氢气和一氧化碳(CH3OH→2H2+CO)。
一摩尔汽化的甲烷分解产生总计三摩尔：两摩尔的氢和一摩尔的一氧化碳，和甲醇相比有效地使体积流速增至三倍。由膨胀器(如本公开的涡轮)抽取的功直接与体积流速成正比，乘以压力变化。因此，通过分解甲醇，能从流体中抽取更多功。此外，当分解后的甲醇燃烧时，其具有比反应物甲醇多大约20％的化学能，从而进一步提高了发动机效率。被分解的甲醇燃烧产生与甲醇燃烧
Figure BPA00001331978600081
Figure BPA00001331978600082
相同的副产物。如果在分解后，被分解的甲醇与蒸汽一起重整，所重整的产物提供额外的一摩尔的工作流体(2H2+CO+H2O→3H2+CO2)，但具有比被分解的甲醇更少的能量。
根据上述系统和方法，可用于提取的高层功可能超过发动机在最佳效率下工作时所需要的增压级数(boost level)。相应地，可以提供其它的能量抽取装置来抽取多余能量以作它用。例如，当涡轮抽取的功超过驱动压缩机126所需的功时，图3中示出的液压泵327可以选择性地接合到第一涡轮316和第二涡轮318。多余的功用来从低压流体源331吸取低压流体，并且以高压将流体泵送至高压流体源。被加压的流体可用于为其它子系统提供功率，其它子系统(例如动力转向装置、制动助力器和空调压缩机等)将为了目的以不同方式从发动机吸取能量。附加地或可选地，被加压的流体可以用于驱动连接到发动机的传动轴的液压马达，以补充发动机的出口。最后，当工作条件使得需求超过可得到的能量时，可以通过前面存储的高压流体将泵327驱动为马达，以驱动压缩机126。可以看出，这些申请中的每一个直接或间接地提高了发动机出口效率。
在共同的传动轴上与压缩机126连接在一起的泵327仅仅作为用于从被汽化和分解的甲醇中抽取多余功的装置的一个示例被示出的。可以使用如所示连接的或者在单独系统中的其它适合装置，包括附加的涡轮、泵和发电机等。
在以下专利中详细讨论了甲醇的分解和重组：4,632,774、4,316,880和4,780,300，它们全部的内容通过引用并入本文。
除了在燃料汽化之前对燃料加压的泵342以外，在燃料源340和泵342之间还可以提供附加的低压燃料泵，以向泵342提供持续不断的燃料流。
开始参考图5，根据本发明的实施方式示出了涡轮增压式发动机系统500。发动机系统500包括发动机502，关于图4A-4C描述了发动机502的构件和工作。
现转至图4A-4C，示出的是发动机502的多个汽缸404中的一个。汽缸404包括：通过连杆468连接到曲轴466的活塞464，控制进气口108和汽缸404之间连通的进气阀470，以及控制汽缸404和各排气口409、410之间连通的第一排气阀472和第二排气阀474。图4A-4C示出了在活塞464的燃烧/膨胀和排气冲程中在曲轴466的单次旋转的各个位置处的汽缸404。未示出的是根据已知原理发生的进气冲程和压缩冲程。图4A示出了在所有阀关闭的条件下、在活塞464的燃烧/膨胀冲程中、曲轴位于下死点(BDC)前大约45°处情况下的活塞464的位置。汽缸404内的燃烧极大地扩大了汽缸容量，对活塞464施加向下的力，这个力通过连杆468被传递至曲轴466，以驱动曲轴466朝顺时针方向R旋转。
图4B示出了BDC之前位于大约10°处的曲轴，活塞464接近燃烧/膨胀冲程的尽头并且在其扫动的顶部附近。第一排气阀472处于开启位置，使汽缸404处于与第一排气口409流体连通状态。图4C示出了在活塞464的排气冲程中处于BDC之后大约45°处的曲轴，此时第一排气阀472关闭且第二排气阀474开启，使汽缸404与第二排气口410处于流体连通状态。
在发动机502的正常工作过程中，当活塞464在燃烧/膨胀冲程中下降时，汽缸404内的燃烧产物仅部分地膨胀，因而当第一排气阀472开启(通常在曲轴466的BDC之前的25°到10°之间)时，相当大的压力仍留在汽缸404中。因此，在废气排放(如本文定义的)过程中，当活塞464在其冲程的底部附近时，汽缸404中的大部分废气通过第一排气口409逸出汽缸。通常在BDC之后的大约10°到25°之间，第一排气阀472关闭并且第二排气阀474开启，然后在活塞464的排气冲程的余下部分过程中，活塞通过第二排气口410将残留的废气从汽缸404中驱出，从扫动或曲轴转角方面来说，所述余下部分构成排气冲程的大多数。
当曲轴466处于BDC的几度内时，活塞464在汽缸中的移动最小。例如，在BDC前20°和BDC之间，这代表曲轴466在上死点和下死点之间旋转的180°的11％，活塞仅移动了其全部扫动的大约41/2％，并且在BDC前10°和BDC之间，这代表曲轴旋转的180°的5％多一点，活塞仅移动了全部扫动的1％的大约四分之三。因此，不仅离开第一排气阀409的废气在明显压力下如此做，而且当气体离开时，发动机对汽缸中压力方面的变化基本上不敏感，并且还对第一排气口409中的任何背压基本上不敏感，
根据具体的发动机设计，选择第一排气阀和第二排气阀的定时，以通过第一排气口409传送尽可能多体积和压力的废气，而不在排气冲程中由于不期望的背压的原因负面地影响发动机的工作，也不在膨胀冲程中通过口409过早地开始排气过程。在一些实施方式中，由于每次循环产生的气体体积将基本不变，而随着发动机速度上的提高，旋转中任意两点间的时间将缩短，这导致了对相同体积气体排出来说更短的时间，所以随着发动机速度的提高，调整定时。因此，例如，在低转数下，可以将第一排气阀配置成在BDC前10°和BDC前5°之间开启，或者甚至一直到BDC，而在BDC和BDC后10°之间的某个位置关闭。当发动机速度提高时，第一排气阀保持开启的弧可能增加至BDC前和/或BDC后25°或更大。使第一排气阀472的关闭和第二排气阀474的开启在某一重叠的情况下同步发生，使得尽可能地没有两个阀都关闭的时候，而且没有高压废气通过各个阀472、474以及汽缸404从第一排气口409反向排回到第二排气口410的时候。将第一排气阀472控制成在另一汽缸的第一排气阀开启之前关闭，使得汽缸404不被下一汽缸的排放气体部分地加压，这会降低系统的效率。
又转至图5，可以看出第一排气口409与第一排气歧管511相连，而第二排气口410与第二排气歧管512相连。大体上如关于图3的实施方式的对应组件所述那样，第一热交换器350和第二热交换器344串联连接，以接收来自第二排气歧管512的废气。第一排气歧管511通过废气排放线515与冲击式涡轮(blowdown turbine)519的入口相连，并且冲击式涡轮的出口与排气线114相连，废气从排气线的上游进入第一热交换器350。
大体上如关于图3的实施方式的对应组件所述那样，燃料供应340与燃料泵342相连并从那里连接到预热器553的第一燃料入口，预热器553的第一出口将燃料传送至热交换器344、350，以及第一涡轮316。但是，在图5的实施方式中，第一涡轮的出口与预热器553的第二燃料入口相连，预热器553的第二燃料出口与燃料进入歧管358相连。
在工作中，将高度加压的废气排放气体从第一排气歧管511传送至冲击式涡轮519，在这里膨胀气体将能量传递给传动轴124。然后使膨胀的排出气体与来自第二排气歧管512的气体合并，以穿过热交换器350、344，如前文所述。
将来自燃料供应340的燃料泵送通过预热器553，在这里在燃料进入第二热交换器344之前对其进行预热，同时对离开涡轮316的被汽化和部分膨胀的燃料在其进入燃料进气歧管358之前进行冷却。
通过从剩余废气中单独地抽出排放气体，在活塞464的燃烧/膨胀冲程之后在汽缸404中的压力可以在不对发动机502设置任何附加载荷的情况下驱动冲击式涡轮519。尽管这导致了第一排气歧管511中的背压，但是仅当活塞在BDC处或者BDC附近时，才感觉到背压对抗活塞，这意味着几乎没有背压作为制动力被传递给曲轴466。与此同时，第二排气歧管512和下游排气线114等未经受到任何明显的背压。尽管示出了单个冲击式涡轮519，但是必要时可以将排放气体选路通过两个或更多这样的涡轮，以从涡轮中吸取可用能量。还应理解，冲击式涡轮概念可以被配置为单个涡轮增压器装置或者和其它提升系统构造一起配置。
如关于图4A-4C所述的，汽缸404利用第一排气阀和第二排气阀来使排放气体与剩余废气分离。根据可选实施方式，汽缸包括分叉的单个排气口，阀门被置于该排气口内并被配置成选择性地将废气引导至两个排气歧管中的一个。对阀进行控制，以将排放气体引导至两个歧管中的一个，并且在BDC之后0°到25°之间处将废气流切换至另一个歧管。
现参考图6，根据本发明的另一实施方式示出了涡轮增压式发动机系统600。系统600几乎包括关于图3中的实施方式描述的所有组件，并且还包括布置在第一热交换器350上游的第三热交换器652。此外，不是在第一涡轮316的出口和第二涡轮318之间进行流体连接，而是第一涡轮的出口与第三热交换器652的入口相连，第三热交换器652的出口与第二涡轮318的入口相连。因而，在燃料蒸汽离开第一涡轮316之后，其穿过第三热交换器652，被预热，然后穿过第二涡轮318。以此方式，在燃料蒸汽的体积不足以传送对增压空气充分地加压所需的能量的实施方式中，在将燃料蒸汽送至发动机302进行燃烧之前，使其发送通过第二热和膨胀循环，以弥补差异。
图7中示出的实施方式包括关于图6的实施方式描述的所有组件，但是为燃料和燃料蒸汽提供了可选路径。在图7的涡轮增压式发动机系统700中，泵342的出口与第一热交换器350的燃料入口相连，第一热交换器的出口与第一涡轮316相连，并且第一涡轮的出口与第二热交换器344的燃料入口相连(其还可以包括催化转换器)，第二热交换器的出口与第三热交换器652的燃料入口相连。第三热交换器的出口与第二涡轮318的入口相连，第二涡轮318的出口与冷却器330相连。
根据在发明人的指导下模拟图7的实施方式的描述，泵342在环境温度下将甲醇燃料加压至90巴。燃料在第一热交换器350中汽化，在440℃下以稍小于90巴的压力离开。燃料蒸汽在350℃下以18巴离开第一涡轮，然后在第二热交换器344(其包括催化转换器)中分解，在稍低于18巴以及350℃下以氢和一氧化碳的形式离开转换器。在被分解的燃料穿过第三热交换器652之后，在被引入第二涡轮318之前，其在稍低于18巴以及700℃下离开交换器。
一般来说，将意识到，因为当废气穿过系统时其冷却，所以与排气歧管最近的热交换器将是该串接中最热的。然而，还已知的是，依赖于废气中存在的混合物，在最新式汽车的排气系统中使用的那种废气催化转换器能够放热地工作，产生额外热量作为这些混合物转化的副产品。因此，依赖于发动机的类型和设计，将燃料流的设置选择成最佳利用热的分布，并且可以被配置成从废气催化转换器中吸热，如果能在不影响其工作的条件性这么做的话。
图8示出了涡轮增压式发动机系统800，其包括发动机502和冲击式涡轮519，将发动机502和冲击式涡轮519配置成大体上如关于图4A-5描述那样工作。系统800还包括第一热交换器350、第二热交换器344、第一涡轮316和第二涡轮318、以及与关于图3描述的那些类似的其它部件。但是，在系统800中，燃料最初被泵送到第一热交换器350，在这里燃料被加热并被传送至第一涡轮316。从第一涡轮316，燃料被传送至第二热交换器344，然后从这里被传送至第二涡轮318。
根据在发明人的指导下模式图8的实施方式的描述，在高达200巴和环境温度下将燃料泵送至第一热交换器，在这里燃料被过热至700℃。在燃料穿过第一涡轮316之后，燃料被传送至第二热交换器344，在这里燃料分解并被传送至第二涡轮318.
根据对所公开原理的可行性进行测试的多个实施方式的模型，发动机效率能对于具有可比较的功率和性能的现有技术系统提高多达40％。
图9示出了这样的实施方式，在该实施方式中大体上如关于图2所述那样，从这里来自排气歧管的废气被传送至由废气压力提供动力的传统涡轮116，并且废气被从传统涡轮116传送至热交换器250，以对热驱动系统提供动力。传统涡轮还可以与根据其它实施方式配置的热驱动涡轮组合在一起。
所公开的实施方式中的许多包括未关于其它实施方式详细示出或描述的组件，例如排放废气系统(blowdown exhaust system)，燃料预热器，补充能量提取系统等。这仅是要避免不必要的复杂性并简化本公开。可以组合以上描述的多个实施方式的组件，而且进一步可以进行修改，以在不偏离本发明的精神和范围条件下提供大量实施方式。例如，可以改变涡轮，传动轴和压缩机的数量和配置并且使用旁路通道，在这里这样改进被认为提高效率或经济性。
在所公开的实施方式中，已将甲醇描述为燃料，但是还可以使用其它燃料。在一些情况中，如本文所述，燃料可以分解，而与其它燃料一起，分解将是不切实际的。当燃料分解时，依赖于使用的具体过程，可能需要多种不同催化剂中的任一种。在这样的实施方式中，根据已知原理，可以适当地配置热交换器中的一个或多个，以产生催化作用。
根据本发明的实施方式，水被引入，以与燃料一起汽化，以便提供增加的蒸汽体积来驱动涡轮。将水蒸汽与燃料和空气一起引入汽缸内通常是无害的，而且在一些情况下可能是有益的。
根据本发明的实施方式，燃料被维持在其临界压力以上的压力下，从而防止了在燃料被加热时蒸汽的形成。在燃料的临界压力以上，燃料变得可压缩，并且可以在涡轮中膨胀，以驱动增压空气压缩机。
如关于图3所述，在汽化或分解的燃料中可利用的超出驱动增压空气压缩机所需能量以外的多余能量，能用于驱动与涡轮相连的液压泵或发电机，以将能量转换成能在相关车辆的其它系统中储存或使用的形式。在采用自然吸气式发动机(其中未采用增压空气压缩机)的实施方式中，释放给涡轮的所有能量都能用于驱动液压泵、发电机或其它装置。
来自对测试进行建模的压力和温度是与所公开的实施方式中的一些一起提供的，但是这些仅是示例性的，因为这样的参数至少部分上是由如系统设计，燃料选择以及工作环境决定的。
本公开的摘要被提供作为根据一个实施方式的本发明原理中的一些的简短概述，并且不期望作为本发明的任何实施方式的完整或确定描述，也不应依赖其来定义在说明书或权利要求书中使用的术语。摘要不限定权利要求的范围。
在权利要求书中用到的序数词，例如第一、第二、第三等，仅是为了清楚地区分权利要求书中要求保护的要素或特征。这种编号的使用不表明任何其它关系，例如这样要素的操作顺序或相对位置，其也不排除将所列出要素可能地结合成单个多功能的结构或外壳。此外，在权利要求书中使用的序数词与说明书中用于提及所公开的实施方式的要素没有明确的联系，基于所公开的实施方式阅读那些权利要求。
权利要求中使用的术语“相连”在其范围内包括间接相连，如当两个组件与一个或多个中间组件相连时，甚至在没有详述中间组件的情况下。例如，在权利要求陈述了第一热交换器的流体出口与第二热交换器的流体入口相连的情况中，该语言还写在实施方式中，在实施方式中，流体从第一热交换器传送通过涡轮，之后进入第二热交换器。
在权利要求书陈述了热交换器的“高能路径”，这指的是路径或通路，较高能量流体通过该路径或通路并释放其部分能量，”低能路径”指的是路径或通路，较低能量流体通过该路径或通路并接收从较高能量流体释放的部分能量
术语“离开”被关于流体用于权利要求中，以表明该术语用于的特定组件之间的顺序关系。例如，如果权利要求叙述了“将离开发动机的废气引入热交换器内”，这表明气流是从发动机流向热交换器，而不应被解释为表明气体在离开发动机之后和进入热交换器之前，不存在气体流过的其它组件。
所有在本说明书中提到的和/或在应用数据表中列出的美国专利、美国专利申请公开、美国专利申请、外国专利、外国专利申请和非专利公开的全部内容通过引用并入本文。如有必要使用各专利、申请和公开的概念来提供进一步的实施方式，那么可以对实施方式的方面进行修改。
根据上面的详细描述，可以对实施方式作这些和其它改变。通常，在权利要求中，不应将使用的术语解释为将权利要求限制于在说明书中公开的特定实施方式中，而是应被解释为包括所有可能的实施方式连同使这样的权利要求享有权利的相当物的全部范围。因此，权利要求书不是由本公开限制的。

Claims (34)

1.一种涡轮增压式发动机系统，包括：
发动机，其被配置成通过内部燃烧来工作并具有多个汽缸和排气歧管；
第一热交换器，其具有与所述发动机的排气歧管相连的排气入口并被配置成将来自所述发动机的废气的热量传递给工作流体；
第一涡轮，其具有与所述第一热交换器的流体出口处于流体连通的入口并被配置成使所述工作流体膨胀并将由此释放的能量转化成转动能；以及
压缩机，其被配置成使用所述转动能来升高待移入所述发动机内的增压空气的压力。
2.如权利要求1所述的发动机系统，包括：
泵，其具有与工作流体源相连的入口以及与所述第一热交换器的流体入口相连的出口。
3.如权利要求1所述的发动机系统，其中，
所述第一热交换器是催化转换器，所述催化转换器被配置成将存在于所述发动机的所述废气中的有害混合物转变成低害的混合物。
4.如权利要求1所述的发动机系统，包括：
第二热交换器，其具有与所述第一热交换器的排气出口相连的排气入口并被配置成将来自所述发动机的所述废气的热量传递给所述工作流体。
5.如权利要求1所述的发动机系统，其中，
所述第一涡轮的出口与工作流体的储存器的入口相连。
6.如权利要求1所述的发动机系统，包括：
多个口式喷嘴，其被配置成将燃料喷射到所述发动机的各个进气口内，并且其中，所述第一涡轮的出口与所述发动机的口式喷嘴的入口相连。
7.如权利要求6所述的发动机系统，包括：
所述发动机的燃料进气歧管，其连接在所述第一涡轮和所述多个口式喷嘴之间，所述第一涡轮的出口与所述燃料进气歧管的入口相连，并且所述多个口式喷嘴中每个的入口与所述燃料进气歧管的各个出口相连。
8.如权利要求6所述的发动机系统，包括：
第二热交换器，其具有连接在所述第一涡轮和所述多个口式喷嘴之间的高能路径，并且具有与燃料源的出口相连的低能路径的第一端部以及与所述第一热交换器的流体入口相连的所述低能路径的第二端部，所述高能路径的第一端部与所述第一涡轮的出口相连，所述高能路径的第二端部与所述口式喷嘴的入口相连。
9.如权利要求6所述的发动机系统，其中，所述工作流体是甲醇。
10.如权利要求9所述的发动机系统，其中，所述第一热交换器被配置成对甲醇进行分解。
11.如权利要求1所述的发动机系统，包括：
第二涡轮，其具有与所述第一涡轮的出口相连的入口并被配置成使工作流体膨胀并且将由此释放的能量转换成转动能。
12.如权利要求1所述的发动机系统，其中，所述发动机被配置成将其废气分成第一废气流和第二废气流，所述第一废气流包括在汽缸的各自排气冲程中从所述汽缸中喷射的废气，所述第二废气流包括在各个汽缸的废气排放过程中从所述汽缸中喷射的废气。
13.如权利要求12所述的发动机系统，包括：
第二排气歧管，其与所述发动机相连，以接收所述第二废气流，第一歧管与所述发动机相连，以接收所述第一废气流；和
冲击式涡轮，其具有与所述第二排气歧管相连的入口并被配置成使所述第二废气流膨胀并将由此释放的能量转换成转动能。
14.一种涡轮增压式发动机系统，包括：
四冲程发动机，其具有汽缸、置于所述汽缸中的活塞和通过连杆与所述活塞相连的曲轴，所述发动机被配置成使排放废气与在所述活塞的排气冲程的大部分过程中离开所述汽缸的气体分离；
第一排气歧管，其与所述发动机相连并被配置成接收排放气体；以及
第二排气歧管，其与所述发动机相连并被配置成接收在所述活塞的排气冲程的大部分过程中离开所述汽缸的气体。
15.如权利要求14所述的发动机系统，包括：
第一排气阀，其被配置成控制所述发动机的汽缸和所述第一排气歧管之间的流体连通；和
第二排气阀，其被配置成控制所述发动机的汽缸和所述第二排气歧管之间的流体连通。
16.如权利要求14所述的发动机系统，包括：
排气阀，其置于所述发动机的排气口内并被配置成选择性地将废气引导至所述第一排气歧管或所述第二排气歧管。
17.如权利要求16所述的发动机系统，其中，所述排气阀被控制成在BDC后0°到25°之间处将废气流从所述第一排气歧管切换至所述第二排气歧管。
18.如权利要求14所述的发动机系统，包括：
第一涡轮，其具有与所述第一排气歧管相连的入口。
19.如权利要求18所述的发动机系统，包括：
增压空气压缩机，其由所述涡轮提供动力并被配置成为所述发动机压缩增压空气。
20.如权利要求18所述的发动机系统，包括：
排气系统，其在第一端部处与所述第二排气歧管相连，并且其中，所述涡轮的出口与所述排气系统相连，使得离开所述涡轮的气体在所述排气系统内与气体混合。
21.如权利要求18所述的发动机系统，包括：
排气系统，其在第一端部处与所述第二排气歧管相连，所述排气系统包括第一热交换器，所述第一热交换器被配置成将来自离开所述发动机的废气的热量传递给工作流体。
22.如权利要求21所述的发动机系统，包括：
第二涡轮，其被配置成使通过所述第一热交换器加热的工作流体膨胀。
23.如权利要求22所述的发动机系统，其中，所述第二涡轮的出口与燃料进气歧管的入口相连。
24.一种对内燃发动机提供推动的方法，包括：
在所述发动机的汽缸中使燃料和氧气的混合物燃烧，从而驱动所述汽缸中的活塞并将转动能传递给所述发动机的曲轴，并且产生加热的废气；
使工作流体汽化和膨胀，包括使用来自离开所述发动机的废气的热量使所述工作流体汽化，以及使汽化的工作流体膨胀；
使用通过所述工作流体的膨胀释放的能量压缩增压空气；以及
将被压缩的增压空气引入所述发动机的汽缸内。
25.如权利要求24所述的方法，包括：
将膨胀的汽化工作流体引入所述发动机的汽缸内。
26.如权利要求24所述的方法，包括：
使用来自离开所述发动机的废气的热量来分解所述工作流体。
27.如权利要求24所述的方法，其中，汽化和膨胀步骤包括：
将离开所述发动机的废气引入第一热交换器的高能路径内；
将所述工作流体引入所述第一热交换器的低能路径内；
将离开所述第一热交换器的废气引入第二热交换器的高能路径内；以及
将所述工作流体引入所述第二热交换器的低能路径内。
28.如权利要求27所述的方法，包括：
催化所述第二热交换器中废气的有害混合物，以形成低害的混合物。
29.如权利要求27所述的方法，其中，汽化和膨胀步骤包括：
将离开所述第二热交换器的工作流体引入所述第一热交换器的低能路径内。
30.如权利要求29所述的方法，其中，汽化和膨胀步骤包括：
将离开所述第二热交换器的工作流体引入第一涡轮内。
31.如权利要求30所述的方法，其中，汽化和膨胀步骤包括：
将离开所述第一涡轮的工作流体引入第二涡轮内。
32.如权利要求30所述的方法，包括：
将离开所述第一涡轮的工作流体引入所述发动机的汽缸内。
33.如权利要求31所述的方法，其中，汽化和膨胀步骤包括：
将离开所述第一涡轮的工作流体引入所述第一热交换器的所述低能路径内，并且将离开所述第一热交换器的工作流体引入所述第二涡轮内。
34.如权利要求24的方法，包括：
将废气分离为第一流和第二流，所述第一流包括在废气排放过程中从所述汽缸中释放的气体，所述第二流包括在活塞的排气冲程中从所述汽缸中释放的气体；以及
将废气的所述第一流引入涡轮内。
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PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
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WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

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