CN102459842A - 内燃机 - Google Patents

Abstract

一种内燃机，其中，通过调节压缩比、膨胀比、膨胀压缩比、空燃比和蒸汽空气比中的至少一种，来控制动力输出。采用连续的恒压催化燃烧，随后是等温膨胀，并且使用分别独立的压缩机和膨胀机。动态控制使用于一定动力需求条件的燃料效率达到最大化。通过调节火焰温度和/或压强，而不是通过节流稀燃、高压缩比、排气热量恢复和高比功率，来控制动力输出，并且使燃料使用更经济。将外部冷却减至最少或完全消除。发动机绝热能够有效地减少摩擦造成的能量损失。使得在燃料使用过渡期内，可在高燃料效率下交替使用汽油、氢和氨。本发明提供了一种适于等温膨胀的喷射器。

Description

内燃机

技术领域

本发明涉及内燃机，以及从这些内燃机产生动力的过程。

定义

此处，“空气”定义为一个广义的术语，意指工作流体，不管是单独还是与通入的蒸汽相混合，其含有氧原子作为氧化剂或者与内燃机相关的燃烧产物。“排气”意指从内燃机排出的气体。

此处，“空燃比”，或者“A/F比”，定义为氧化剂和燃料的质量比，这两者被混合用于在内燃机中燃烧。

“室”，定义为位于压缩机和膨胀机之间的压缩气体的复合容积或容量，其包括管道、优选的热交换器、以及燃烧室。

“压缩机”，是任何用于提高空气压强的装置，包括但不限于单动和双动气缸式、旋转螺杆式、叶片式、或类摆线式压缩机、离心式压缩机等等。

“压缩比”，或“CR”，定义为在一个循环内，压缩机与室连通期间，与室连通的压缩机的容积变化除以循环时间。

“CVT”，指连续可变式变速器，如现有技术所知，通过该连续可变式变速器，动态地改变两传动轴每分钟转数，或rpm的比例。

“循环时间”，定义为介于压缩机、膨胀机或发动机各连续式过程的启动之间的时间，其具体含义取决于上下文。

“E/C比”是膨胀比除以压缩比。

“膨胀机”，是任何用于降低容器内空气压强的装置，包括但不限于，单动或双动活塞式、叶片式、类摆线式、或旋转螺杆式、涡轮式等等。

“膨胀比”，或“ER”，定义为在一个循环内，膨胀机与室连通期间，与室连通的膨胀机的容积变化除以循环时间。

此处，“水分子”，定义为氢和氧的液态或气态化合物。如本发明所揭示的，水分子、水、水蒸气被用作举例说明可以在压缩机、热交换器、燃烧室或膨胀机内由液态实质上转化为气态的液体。

“ICE”意指内燃机。

“通入”意指将液体，例如燃油或水，添加到空气或其他液体中，不考虑添加方法，“通入”包括吸气、喷雾方法等等。

此处，“峰值温度”和“火焰温度”都定义为在一个内燃机周期内，空气的最高温度。通常在燃烧中达到该温度，并且该温度可以在等温膨胀情况下继续膨胀。

此处，“蒸汽空气比”，或者“S/A比”，定义为在类似的时间周期或整数个循环内，向内燃机中的空气或燃料通入水的质量除以内燃机的压缩机内压缩的空气的质量。

此处，“蒸汽”定义为气态下的水分子。

此处，“水”定义为液态下的水分子。

背景技术

通过在压缩过程中与水或环境空气对流进行间接的热交换，使压缩的燃烧气体冷却，以降低内燃机内一定压缩量所需的动力输入，这是已知的。类似地，在压缩期间通过直接水通入及汽化，使内燃机内的空气冷却，这也是已知的。压缩机内的水汽化，使待膨胀气体的摩尔数增加。在具有固定E/C比的发动机中，增加的气体摩尔数的膨胀不能够被完全地利用。例如，在未注水的一定条件下能使空气完全膨胀的E/C比，在水通入及汽化之后，不能使空气完全膨胀，这导致能效的损失。带有水通入的排气随后会对环境产生影响，而不是在内燃机内做有用功。

在内燃机的燃烧室或膨胀机内水通入及汽化，以增加待膨胀气体的容积和/或降低其温度，这是已知的。由于该方法已经应用在固定E/C比的内燃机中，而向燃烧室或膨胀机中变量注水对燃料效能带来实质益处的方法并未实现。

美国专利申请2007/00229977公开了在火花点燃式发动机气缸中喷水汽化的方案。其六冲程配置包括进气冲程、空气压缩冲程、点燃及做功冲程、排气冲程、增加的通过水通入及汽化做功的冲程和第二排气冲程。不论是A/F比的动态调整，还是E/C比的动态调整，都没有被揭示。该技术代表另一种通过水通入以增加所做膨胀功与所吸收压缩功之比的方式。然而，当E/C比固定时，并不能够实现不注水以及变量注水的所有可能的优点。

内燃机分别在专用的或单独的压缩机以及膨胀机内实现压缩和膨胀，这也是已知的。通过离合器将压缩机和膨胀机分离开来，以及通过阀门将介于压缩机和膨胀机之间的空气储存装置从压缩机或膨胀机分离开来，这是已知的。

已知的是，使用CVT将发动机的转动动力传递到动力荷载上，例如汽车的车轮。美国专利6,092,365没有揭示，使用CVT连接压缩机和膨胀机装置。该专利也揭示了将排气的显热回收用于进气燃烧。

活动气缸的完全失效是已知的，由此使气缸中所有阀在整个循环中保持关闭，并且使气缸中的空气被交替地绝热压缩和绝热膨胀，不考虑摩擦损耗，气缸动力的净输入或输出几乎为零。

催化燃烧降低了燃料和氧化剂反应的温度，或减少了该反应的时间，这是已知的。催化燃烧可用于燃烧较小的A/F比，换句话说，该A/F比不能在一定的工作温度下于一段规定的时间内燃烧，但由于这些组件所含有用于催化表面区域的空间不充足，其也不能在用作容积式压缩机或膨胀机的发动机隔室内起作用。专利文献以及美国康涅狄格PrecisionCombustion公司的公开文献中均公开了催化燃烧。

在内燃机内的空气膨胀之前，可利用排气的显热间接地并对流地将来自压缩机的压缩空气加热，实现回收，这是已知的。

美国专利4,653,269和6,092,365公开，使用分离的气缸，以在容积式发动机中压缩和膨胀空气。这些专利公开，以压缩空气形式储存能量，并随后对该储存能量进行消耗。美国专利4,653,269公开，当膨胀机使储存的压缩空气膨胀并将其作功传递至荷载时，使用离合器使压缩机分离，或者可选择地，当膨胀机的做功被用于压缩和储存压缩空气以便将来使用时，使用离合器使外部荷载分离。在操作的第三档中，压缩机、膨胀机以及外部荷载可能全部被连接，，以平衡外部荷载的动力产生及使用。

美国专利6,092,365公开，当膨胀机使储存的压缩空气膨胀时，使用配气相位令压缩机停止运行。在其他时候，压缩机可以被选择性地启动。

通过配气相位改变，使活动气缸部分停止运行，这是已知的。这经常通过使凸轮轴纵向滑动，或换句话说，改变凸轮轴和阀杆间的关系或位移来实现。通过无凸轮或电子驱动阀，以使往复式压缩机部分或完全停止运行，这也是已知的。

发明目的

本发明总的目的是，在不增加外围动力装置或其他外部设备，例如外部燃烧发动机或压缩机的情况下，提高内燃机的热效率。

还有一个目的是，使内燃机能够利用相对高的压缩比和/或使用低辛烷燃料，而不发生碰撞。

另一个目的是，使内燃机能够在高比功率水平，利用缓慢燃烧的燃料或燃料/空气混合物。

另一个目的是，减少或淘汰内燃机中的耗能设备和方法，例如空气冷却和水冷却。

另一个目的是，增加内燃机所做膨胀功的量，而不需要如在绝热膨胀过程中那样，相应提高空气的峰值温度。

还有一个目的是，储存能量，以提高内燃机的比功率和热效率。

另一个目的是，与节流方法相比，将内燃机的动力输出调至相对其效率更低的成本。

另一个目的是，提供一种内燃机，其能够在改变燃料配送设施的过渡期内，在高热效率下互换使用碳氢化合物、氢、和氨燃料。

另一个目的是，提供一种内燃机，其动态地响应燃料类型或燃料混合物的变化，以在最优的燃料效率下提供适当的动力量。本领域普通技术人员在阅读下面描述的基础上，对本发明的其他目的将更加清楚。

发明内容

此处，所有描述公开了本发明的各种示例性实施例，以及技术特征。这些示例性实施例和技术特征并不用于限制本发明。

准等温压缩

对动力需求量变化范围大或快速的动力产生过程而言，优选在容积式压缩机中进行压缩，例如单动或双动往复式压缩机、叶片式压缩机、类摆线式压缩机或旋转螺杆式压缩机其中之一，并且最优选使用叶片式压缩机、类摆线压缩机或旋转螺杆式压缩机。对于状态大体稳定的动力产生过程，优选离心式压缩机。压缩可以通过一个压缩机进行，或通过多个压缩机以串联或并联方式进行。

在将空气引进压缩机或压缩机内部之前，将进气与雾化水混合，例如通过合适的水雾化喷嘴将水通入空气中。在将具有大表面积液滴的空气和液态水混合物压缩时，优选绝热地，将空气加热，这使至少部分水汽化，并从而减缓了空气-水混合物的升温。加入到空气中的雾化水的量优选用仪表计量，以便其至少与在压缩过程中汽化进入空气中的水量相等。

雾化水优选足够细小的液滴大小，以在压缩过程中保持悬浮，并尽可能的接近可逆条件汽化。在湿法低氮氧化物技术中有时使用10微米的液滴，在该技术中，将水雾通入燃气涡轮机的压缩机中，以减少氮氧化物的排放。当空气通过汽化冷却时，后续压缩所需的功减少，保持系统中的能量，并产生另外的压缩的工作流体容积。

叶片式、类摆线式或旋转螺杆式压缩机可选择用水充满，以密封各自的压缩表面之间的空隙。用于喷洒或注满压缩机的水优选为将随压缩空气从压缩机流出的注水再循环所得，并优选不通过与外界环境进行有意的热交换来冷却。当要求压缩速率较高时，叶片式、类摆线式或旋转螺杆式压缩机可以使用箔轴承或磁性轴承。

水可以在压缩过程期间，选择性地或附加在饱和器中汽化。压缩受热空气可以在水中鼓泡，以使空气中充满水蒸气。

压缩比或膨胀比的调整

在本发明的一个实施例中，容积式压缩机的压缩比通过向进气中加水而增加，其中水也以液态形式随压缩空气排出压缩机，从而分别减少了相对于压缩机进口容积的进气体积，以及相对于压缩机出口容积的排气体积，并因此增加了用于空气压缩的压缩机的容积压缩比。过量的加水因此增加了排出压缩机的空气压强。用于增加压缩机压缩比的水优选为再循环的，并且不是有意被冷却的水。

举例来说，压缩比为10∶1的压缩机将含95％体积空气和5％体积水的混合物引入，从而将空气的容积压缩比升高至约9.5∶0.5或19∶1。

另一种调整压缩比或膨胀比的方法是，分别动态地连接或断开串联的多个压缩机或膨胀机的连接。用这种方法，可以通过可变数量的压缩机来压缩气体，或者通过可变数量的膨胀机来使气体膨胀。例如，与第一压缩机串联的第二压缩机可用于增大被压缩气体的压强，并因此当要求更高的动力荷载时，可以增加发动机的比功率，并且在其他时候通过使用截止阀或三通阀绕过第二压缩机。

在另一个例子中，可将涡轮串联连接至第一膨胀机的下游，以适应燃烧室内更高压强的气体，并且当不需要涡轮来使气体完全膨胀时，有时可通过使用截止阀或三通阀绕开涡轮。

如现有技术中已知，另外一种调整压缩比或膨胀比的方法是，使用在其进口或出口处具有可变气门开口的叶片式、类摆线式或旋转螺杆式压缩机或膨胀机。

膨胀速率与压缩速率之比的调整

在本发明中，理想的是根据各种条件使空气膨胀至预定的压强，在这些条件下，必须调整E/C比。例如，如果室或膨胀机排气的绝对温度除以压缩机排气的绝对温度之商改变，就需要也改变E/C比，以使空气膨胀至预定的出口压强。又例如，如果室或膨胀机排气的摩尔数除以室进气的摩尔数之商改变，也需要改变E/C比，以使空气膨胀至预定的出口压强。摩尔变化的例子包括A/F比改变、燃料种类或含量改变、以及S/A比改变。因此，改变E/C比始终都是控制发动机热效率的重要方式，并且使发动机适于使用各种燃料。

应用的压缩机和膨胀机都优选为容积式设备，在应用过程中，所需动力实质上且经常变化，通常例如在汽车应用中。压缩机以预定的压缩速率，或CR，将一定体积的空气引入至室中。膨胀机以预定的膨胀速率，或ER，从室中提取出一定体积的空气。CR和ER是相互独立彼此调整的，以改变E/C比。

在本发明的保护范围内，可以通过多种途径实现对E/C比的调整。在使用往复式压缩机或往复式膨胀机的实施例中，可改变往复式设备的配气相位，以产生用于任一设备一定rpm的不同ER或CR。

然而，另一个实施例是用CVT、一个或多个离合器、液压系统、或齿轮箱型传动系统将压缩机和膨胀机连接起来。优选的改变E/C比的方法是CVT。

在一实施例中，进入室的气体温度和摩尔数与排出室的气体温度以及摩尔数实质相同，优选尽可能使发动机以E/C比运行，该E/C比与用于发动机运转时间的最高百分比大体上接近一致。在一个实施例中，燃烧过程在室内进行，这使室内气体的温度高于排出压缩机的气体的温度，将E/C比调整至排出室的气体的绝对温度除以排出压缩机的气体的绝对温度。可将E/C比调整至使气体完全膨胀，该气体被加热至不同的温度，或者在该温度下，压缩空气的摩尔数相对于膨胀空气的摩尔数改变，这使由于通入室中的燃料或水、A/F比、燃料种类或燃料混合物发生改变。对于以上每一种调整方法，E/C比优选使空气在排出压缩机和进入室时既不压缩也不膨胀。E/C比的调整可用在替代或补充上述调整压缩比或膨胀比的方法，以达到排气完全的，或换句话说，最佳的膨胀，以便根据动力需求量和其他即时的发动机运转情况，多样化或动态地改变燃料效率和比功率的标准。

通过热交换的等压膨胀

压缩空气，优选加湿的空气，可任选地流经一气相/液相分离器，以在空气进入优选的热交换器之前，将水从加湿的空气中除去。如果压缩机注满水或者如果用水来调整压缩比，则分离器尤其有用。

热交换器优选为使至少部分，优选全部，压缩气体与至少部分，优选全部，从膨胀机，优选最后的膨胀机，所排出气体逆向交换热量。热交换器可以是任何类型的，包括平板式或壳式和管式结构。对本领域普通技术人员来说，像这样用于一定应用的热交换器结构的设计和选择都是已知的。

将燃料添加至燃烧室和/或膨胀机的空气中，使排出膨胀机的气体热量大于进入室内的压缩气体的热量。可加水至压缩空气，使水表面汽化，以从膨胀气体吸收更多的热，并从而提供更多的热量回收。为了最好地节约燃料，加入到压缩空气中的水量优选能够使从热交换器排出的膨胀气体温度尽可能大地降低，而不降低从热交换器排出的压缩气体的温度。可以在进入热交换器之前或位于热交换器内时，向压缩空气中添加比该优选水量更多的水，以损害燃料效率为代价，增加发动机的膨胀和比功率。在这种与最优燃料效率相比的情况下，添加更大量的水，将水量与热交换器或膨胀机内附加的燃料通入进行平衡，以达到一定的进气量，来维持所要求的膨胀温度。对这些为了合理的燃料效率而增加的水和燃料添加量，有实际的限制，该实际的限制是燃料消耗掉所有存在于压缩气体和膨胀气体中的氧时所达到的水平。如果水添加量超过该限度，火焰温度会进一步降低，并且燃料效率损失更加急剧。

通过燃烧加热的等压膨胀

压缩空气从压缩机排出，或者优选从位于压缩机下游的可选的热交换器排出，该压缩空气通过在膨胀的同时与燃料反应，被等压地加热。合适的燃料包括，但不限于，碳氢化合物、一氧化碳、氢及其衍生物包括氨气，以及其他在外界温度下为液态或气态的燃料。

将燃料通入至氧化剂中，该氧化剂位于统称为室的特定燃烧室部分内。该燃烧室可含有适于提高燃料和氧化剂反应速率的催化剂。燃烧室内的火焰温度优选通过调整通入燃料的量来调节，该通入燃料的量与压缩的氧化剂的量相关，以提供变化的亚化学计量的燃料与氧化剂之比。火焰温度优选限制在与发动机建造材料一致的较低的燃料燃烧温度，并优选不有意通过发动机或其内容物与环境之间的热交换，来使气体或发动机冷却，达到该所述温度。室内最高火焰温度低于900℃。

在一个实施例中，当需要高功率时，短时间内增加燃料通入，以有效降低A/F比，并提供高于那些通常为延长发动机使用寿命所需要的温度。该较高温度偏移的时间-温度曲线被限制在一累积的水平，以达到可接受的发动机使用寿命。可接受的发动机寿命可由操作者预设，这使得以更短的发动机寿命为代价，操作者可能选择更高的峰值功率和效率。当随着高于正常预设火焰温度的高温偏移，动力需求量降低，发动机控制系统可以选择低于正常预设火焰温度的低温偏移，使发动机更快回到其更低、更合乎常规的运行温度，以延长发动机寿命。

在另一个实施例中，伴随着水的通入，燃料通入的增加。在该实施例中，当A/F比减少至使氧化剂中的大部分氧氧化时，增加水通入和汽化将有效地抑制燃烧温度，以提供渐增的蒸汽和燃烧产物，以在与发动机润滑剂和制造材料相对长的使用寿命相符的温度下膨胀。

可以通过闭环控制器控制在燃烧室中添加燃料和水，该闭环控制器基于燃烧室温度和/或预设A/F比以及蒸汽与空气之比，以满足一定条件的动力需求量、转数、燃料选择、外界温度和湿度、排气再循环、室压、E/C比等等。

膨胀机内的等温膨胀

将空气引入至膨胀机内，该空气优选在燃烧室内燃烧加热至一预设膨胀温度，通过同时将与氧化剂反应的燃料通入至膨胀机中，空气在膨胀机中实质上等温膨胀。可将燃料通入至膨胀机内的一个或多个位置。例如，可经过膨胀机外壳的一个或多个端口，将燃料通入旋转螺杆膨胀机中。

通入至膨胀机的燃料的量、位置和方式，优选使整个膨胀机膨胀过程温度恒定，且膨胀机排气温度与膨胀机进气温度大体相等。可通过对膨胀机排气温度的闭环控制，来控制膨胀机中的燃料通入，和/或控制燃料通入至预设量，该预设量基于发动机运行条件以及在一定时间的动力需求量。

优选燃料是以压强大于膨胀机气压的气相形式通入。通入的燃料可与蒸汽或水混合。

燃料通入

为了将燃料通入至内燃机，尤其是非冷却或绝热内燃机内的氧化剂中，而不产生喷射器自身的熔融或氧化，使用的喷射器由两同轴管组成。经由内管通入燃料，并经由两管之间的环形区域通入保护气。该保护气含有极少或没有氧化剂、燃料或容易与燃料或氧化剂反应的物质。该保护气可以是蒸汽或再循环的废气，其实质上消除了氧、燃料或部分氧化燃料物质，例如氢或一氧化碳。保护气的流动速率通过环形区域的宽度和将保护气供应至环形区域的气压所确定。保护气的流动速率优选为适于提供与可接受的喷射器寿命相符的条件的最低值。对于各种运行情况，那些条件可以凭经验来确定。

喷射器可以选择性地由具有足够耐热性和耐氧化性的单管构建，以便具有可接受的喷射器寿命。合适的材料包括耐火材料或陶瓷以及高温金属合金，例如铬镍铁合金或排气阀钢。

在热交换器中冷却

将从最后的膨胀机排出的空气冷却，优选通过与压缩空气反方向进行对流热交换。然后将膨胀并冷却的空气从发动机中排放出来。优选将膨胀的空气冷却至尽可能低的温度。在如上所述的氧化剂热交换器中，或在与该氧化剂热交换器串联或并联的附加燃料热交换器中，利用燃料或燃料和水的混合物使膨胀的空气冷却，优选对流的方式。

液体燃料实施例

一个实施例是，将燃料的使用和在1巴压强下低于700℃的沸腾温度结合起来。用于举例说明的燃料包括，但不限于，汽油、柴油、煤油和氨。在本实施例中，通过在燃料热交换器中，使燃料与从膨胀机或氧化剂热交换器排出的空气对流，提供使燃料汽化的热。燃料热交换器可以是在氧化剂热交换器内，或者可以是与氧化剂热交换器串联或并联的单独的热交换器。燃料优选在一与氧化剂分离开的气流中加热，并且在到达燃烧室之前都不与氧化剂结合。

本实施例以氨燃料为例，对燃料汽化和加热进行说明。氨燃料优选在压强下以液态储存，例如储存于适合在20巴下保存氨的储存容器中。当外界温度为25℃时，氨开始沸腾，直到储存容器内的气压达到约10巴。通过泵的方式，将液氨燃料从储存容器泵出至一升高的压强，然后将其传送至热交换器，在该热交换器中，液氨被加热并汽化，其与至少部分优选从最后的膨胀机或氧化剂热交换器排出的气体反方向。为了达到举例说明的113巴，即氨的临界压强，在燃料热交换器中将氨至少加热到其临界温度132℃。

在使用碳氢燃料的实施例中，将燃料预热至低于其裂解或沉淀积炭的温度。通过发动机内的蒸汽重组过程，也被称为蒸汽甲烷重整过程，燃料可以重新形成至少含有氢和一种或多种碳氧化物的混合物。蒸汽甲烷重整过程已在文献中得到很好的揭示，并使反应气体分子另外膨胀为数量更多的产物气体分子。

在一个实施例中，在燃料膨胀机，如涡轮式膨胀机或容积式膨胀机中，燃料膨胀至低于2巴并高于室压的压强，然后被通入至少其中一个室或氧化剂膨胀机中，与压缩氧化剂一同燃烧。

在另一个实施例中，燃料被通入至少其中一个燃烧室或空气膨胀机，通入时的气压与燃料热交换器内气压实质相同，并且实质上高于混有燃料和氧化剂的管道中的气压。

在另一实施例中，在将氨和氧化剂混合之前，在加压条件下，在热交换器中将水添加至汽化的氨燃料中，这使加热氨所在热交换器含有与膨胀空气对流加热的氨和水的混合物。在一个实施例中，其中将水和氨的混合物在热交换器中加热至200℃，氨汽化，直至其气相含有113巴的氨的临界分压，并且水汽化直至其气相含有分压为16巴的蒸汽，导致含有约88％体积的氨和12％体积的蒸汽的混合物，总压强为约129巴。将氨和水两者在混合之前泵入至该129巴的压强中。将加热的氨和蒸汽的气态混合物从热交换器中输送出，并通入压强为约129巴的至少一个室或膨胀机中。在一个实施例中，其内通入有氨和蒸汽的室或膨胀机的压强实质上小于129巴，并且压强较高的通入氨和蒸汽的混合物对室内、膨胀机内或这两者内的气体做功。

在另一个实施例中，将氧化剂和蒸汽的混合物压缩至压强小于2巴，低于来自燃料热交换器的氨和蒸汽的混合物的压强，并且，氨和蒸汽的混合物几乎不对室内或膨胀机内的气体做功。优选在这样的气压下将燃料和蒸汽通入氧化剂中，这使得蒸汽的饱和度和温度结合，该结合从内燃机每单位做功的排气中提取出最多热量。

排气再循环

在另一实施例中，将膨胀机和热交换器下游的排气再循环至空气压缩进口，以构成部分氧化剂进气流，从而降低氧的含量并增加氧化剂进气流的蒸汽含量。在这一实施例中，在没有排气再循环(缩写为EGR)时，蒸汽凝结的露点温度相对于发动机的运行升高。较高的露点用于使来自排气流的蒸汽凝结，该排气流被用作发动机加水剂。

在另一实施例中，使用无碳燃料，并应用排气再循环，以使A/F比实质上可化学计量或亚化学计量用于燃烧的氧的含量。排气未被再循环的部分基本上含有水和氮。通过蒸馏，将氮从水中分离出来。分离出的氮可售出、用于某种目的、或被进一步净化后使用或出售。如果在发动机中燃烧亚化学计量的氧，可通过添加氧化剂，例如氧或空气，并使其与残留的燃料反应，来除去残留的燃料。

点火

在启动时，通过电气设备，例如电阻加热元件、火花塞等等，提供适于将燃料和空气混合物点燃的高温热源，将燃烧室中的燃料和空气混合物点燃。通过将燃烧催化剂点燃或活化，可以停止对空气和燃料的电加热。对本领域普通技术人员来说，燃烧催化剂是已知的，并且可以使用铂族金属，例如Pt、Pd、Rh及其组合作为活化金属。该金属支撑于一合适的载体材料之上，例如涂覆基底之上的氧化铝，该基底具有合适的几何表面积。该电阻加热元件可以整合至催化反应物中，例如整合在一金属箔基底中，通过该基底可产生电流，正如本领域普通技术人员所知，以及如德国Emitec公司所提供的资料。

附图说明

图1是本发明的示意图。

图2a是同轴燃料喷射器的横截面图。

图2b是同轴燃料喷射器的纵截面图。

附图详细说明

参见图1所描述的内燃机50，空气通过线路1供应，水通过线路3从储液罐2供应至压缩机4，在压缩机4中，空气和水的混合物被压缩，并且至少部分水汽化。压缩的和加湿的空气通过线路5排出压缩机4，该压缩机4将空气传送至间接热交换器6，空气在该热交换器6中被排出膨胀机12的空气加热，优选对流地。通过一条线路(未编号)，将来自储液罐2的水传送至压缩空气中，并进入热交换器6。

通过线路7将压缩的和预热的空气从热交换器传送至燃烧室8，其中空气与通过线路9导入至燃烧室的燃料混合并燃烧。该燃烧室含有电加热元件，图中未示出，以点燃燃料和空气和燃烧催化反应物的混合物，图中未示出，以维持稳定的火焰状况。通过线路10将来自储液罐2的水导入燃烧室中。线路11将压缩的和燃烧加热的空气从燃烧室传送至膨胀机12，空气在该膨胀机12中膨胀。通过线路13将燃料添加至膨胀机中，并且燃料在膨胀机中与空气一起燃烧，使空气变热并产生实质上的等温膨胀，以使膨胀机中的排气和进气温度实质相同。通过线路14将来自储液罐2的水传送至膨胀机，并在那里使其汽化，以在空气膨胀期间或开始，或在与空气膨胀冲程相独立的蒸汽膨胀冲程开始或期间，形成蒸汽。如果使用分别独立的空气膨胀冲程和蒸汽膨胀冲程，优选将二者穿插进行，最优选将二者相互交替进行。混合的空气膨胀和蒸汽膨胀优选为分别独立的空气膨胀冲程和蒸气膨胀冲程。

通过线路15，将排出膨胀机的膨胀气体传送至热交换器6，在该热交换器6中，膨胀气体与压缩空气对流冷却。通过线路16，将膨胀并冷却的空气从热交换器传送至可选的冷凝器17，在该冷凝器17中，气体被进一步与大体上为环境温度水平的空气或水对流冷却，以使部分水冷凝。通过线路18，将来自冷凝器的冷却的气体和液体传送至可选的水分离器19，在该分离器中，将水从气体中分离出来。线路20将来自分离器的分离出的水传送至水储液罐2，从该储液罐2开始，水可以再循环至发动机。空气通过线路21排出水分离器。线路21中的空气可以是任选地通过线路22分离为从发动机排出的排气，以及通过线路23的排气再循环气体(EGR)，线路23将排气再循环气体传送至线路1。线路23可以任选地含有泵装置24，其用于将排气再循环气体从线路21泵送至线路1。

线路31将来自线路5的压缩空气传送至压缩机32，空气在该压缩机内被压缩至与线路5相比较高的气压。线路33将来自压缩机32的压缩程度更高的空气传送至空气储罐35。线路33含有将空气储罐从线路5隔离开来的阀34。通过线路36将压缩程度更高的空气从空气储罐输送到线路5，线路36含有隔离阀37。阀34和37均优选常闭阀，这样，当关闭发动机后，储罐35中的压缩空气与线路5隔离开来，并保持高压。任何在空气储罐中凝结的水可以通过回流线路和液位控制阀等回到储液罐中，图中未示出。

在启动时，优选打开阀37，以利用空气储罐中储存的能量来启动或帮助启动发动机。

通过线路26将燃料从燃料罐25供应至热交换器6，在该热交换器中，燃料与膨胀机的排气对流，而被加热和/或汽化。线路27将来自热交换器的燃料传送至线路9和线路13。线路28另一方面可以将来自水储液罐2的水传送至热交换器6，在该热交换器中，水被通入来自线路26的燃料中，并且至少部分地汽化。

膨胀机12使轴38旋转，而轴39使压缩机4旋转。通过CVT 40，将动力从轴38传送至轴39，其中CVT包括两个可调整的V形滑轮，以及用于动态调整E/C比的皮带或链条。

参见图2a，示出了喷射器41的横截面视图。该喷射器由发动机壁43内的外管42、同轴安装于外管内的内管44、用于穿过发动机壁43通入燃料的内部通道45、以及用于穿过发动机壁43将保护气通入发动机腔的环形区域46组成，该发动机腔在图中未示出。

参见图2b，示出了喷射器41的纵截面视图。该喷射器由发动机壁43内的外管42、同轴安装于外管内的内管44、内部通道45、以及用于将燃料和保护气通入发动机腔47的环形区域46组成。该腔可以是图1燃烧室8内的容积，或者是图1膨胀机12内的容积。燃料通入通过内部通道45，并且通过环形区域46，将实质上不含有燃烧反应物，例如燃料或氧化剂的保护气通入腔内。环形区域内的气体环绕燃料，或使燃料从腔内的氧化剂分离开来，以防止在紧邻喷射器或发动机壁处发生燃烧反应。外管42或者可如图所示插入穿透发动机壁，或者可由简单的穿透发动机壁的钻孔组成，其中，发动机壁本身限定了环形区域的外围，并容纳保护气。使内管凹陷，在内管和外管之间产生间隔，以维持实质上统一的内外管之间的环形间隙。喷射器，有时被称作风口，在包括美国专利4,898,368和4,657,586在内的许多专利中都已揭示，其用于将氧通入熔融金属中。

本发明的运行

可以通过改变容积压缩比、E/C比、或通入压缩气体中的燃料或燃料和蒸汽的混合物的压强，来调整发动机内的峰值气压。这些方法包括使用CVT以及，在使用气缸之处，使压缩或膨胀气缸部分或全部停止运行。在使用CVT的情况下，相对于膨胀机旋转速率的压缩机旋转速率动态地变化。该CVT方法优选用于同轴压缩以及涡轮膨胀。在压缩或膨胀机气缸完全停止运行时，在整个循环中，主气缸的阀全部保持关闭。在压缩气缸部分停止运行时，其进气阀在压缩冲程初始大部分时间内保持开启，或者其排气阀在压缩冲程终末很长一段时间内保持开启，以降低压缩比。在膨胀气缸部分停止运行时，其进气阀在动力冲程初始大部分时间内保持开启，或者其排气阀在动力冲程终末很长一段时间内保持开启，以降低膨胀比。也可以通过和空气一起向容积式压缩机中加入例如水这样的液体，来提高压缩比，其中，液体也以液态形式随空气排出压缩机。

由膨胀机内的热源，或者更优选由燃烧室内的热源，进行点火。热源可以是电阻型或火花型加热器。当燃烧室达到适合的温度和速率时，该温度使现有的燃料-氧混合物进行稳定的催化或自点燃，热源失效。可以配合燃烧室使用阻焰器，以防止火舌回闪。

在一个实施例中，氧化剂在压缩机和膨胀机之间被分隔成两股或更多的平行气流，这使燃料只同一部分氧化剂混合，以与燃料结合全部氧化剂的情况相比，在更多的计量情形下促进燃烧。多股平行气流在离开燃烧室之后合并成一股气流。当发动机冷却，或当使用空燃比自燃极限范围较窄的燃料时，燃料喷射器可将燃料仅通入其中一股平行氧化剂气流；并且当发动机变热，或者在其他用一定的燃料和空燃比实现稳定燃烧的情形下，燃料喷射器可以将燃料通入多股氧化剂气流中。

只有在产生稳定火焰之后，或者在燃烧室或膨胀机排气达到预设温度时，才开始通入水。只在且当实施方式对建立稳定燃烧有利时，可能增加氮氧化物排放量的实施方式才是优选的。

设计燃烧室的截面积和容积，以使燃烧室气体的速率和滞留时间最适于达到稳定的火焰状况。

通入的水量、或者在压缩之前用蒸汽使压缩空气完全饱和的水量，在所有容积式压缩机、和/或在任何类型的压缩机各步骤之间的任何饱和器内总是优选的。

优选在压缩空气燃烧之前，使用热交换器，间接地将膨胀机排气的热量传递给压缩机排气。只有当使用所述热交换器时，等温膨胀才是优选的。在冷却开始时，通过压缩空气和排气可以绕开氧化剂热交换器，以减少压降。

以令膨胀机达到预设进气温度的速率，将燃料通入燃烧室中。为了在冷却开始时加热发动机并活化燃烧催化剂，空燃比介于理论值的80％和150％之间，而且不使用水通入。当发动机变热，且通过热交换器将压缩空气预热后，用过量空气和/或水将火焰温度降至预设的温度。

通过结合至少以下其中之一，来提高发动机的功率：增加膨胀机中的蒸汽通入、增加室内的蒸汽通入、提高容积压缩比、朝更大化学计量比率降低空燃比；或者当降低相对于膨胀速率的压缩机的压缩速率时，通过消耗来自空气储罐的压缩气体，来提高发动机的功率。

通过结合至少以下其中之一，来降低发动机的功率：减少膨胀机中的蒸汽通入，减少室内的蒸汽通入、用过化学计量的氧化剂提高空燃比、降低容积压缩比、降低膨胀压缩比、或者将压缩机和膨胀机之间线路中的阀打开以排出空气并降低室压。

当火焰温度升高时，S/A比提高，燃烧产物和反应物的摩尔比提高，和/或压缩比提高、膨胀压缩比提高，以维持预设的膨胀机排气压强。当火焰温度降低时，S/A比降低，燃烧产物和反应物的摩尔比降低，和/或压缩比降低、膨胀压缩比降低，以维持预设的膨胀机排气压强。

如果使用多个压缩机，优选将其相互串联结合，以提供分阶段的压缩。在膨胀过程中可以将多个膨胀机与燃烧室串联使用，以当膨胀机内的等温膨胀不像有涡轮机的情形下那样进行时，重新加热空气。

优选通过计算机等控制空气压缩、燃料添加和加水的速率及相位，优选使用具有输入信号的闭环控制，该输入信号来自以下参数中的至少几种：压缩排气压强、压缩排气温度、膨胀排气压强、膨胀排气温度、空燃比、燃烧室温度、室压、动力需求量、发动机转数、水喷射器压力、燃油喷射器压力、环境空气温度、环境空气湿度、储气压强、以及燃料类型或混合物。

尽管已经根据一些优选实施例对本发明进行描述，可将各个单独实施例的不同技术特征再进行组合，以形成其他未被清楚描述的实施例。此外，在本领域普通技术人员阅读本说明书之后，对其显而易见的其他实施例，也在本发明的保护范围之内。此外，对本发明的实施而言，并非所有的技术特征、方面或优点都是必要的。因此，当以上详细说明已经表明、描述、并指出与各个实施例有关的本发明的新的技术特征，可以理解的是，各种对形式以及设备或方法细节的省略、替代或改变，可由本领域普通技术人员在不脱离本发明精神的前提下完成。本发明也可以以此处未明确描述的其他形式实现。上述实施例在所有方面都被视为仅作为示例性的，并且不以任何形式限制本发明。因此，本发明的保护范围由权利要求所确定，而不是由前述的描述所确定。

Claims (7)

1.一种内燃机，其包括：

a.用于压缩进气的压缩机；

b.用于加热从压缩机排出的压缩空气的热交换器，所述压缩空气与从膨胀机排出的膨胀空气的方向相反；

c.用于加热所述压缩空气的燃烧室；

d.用于将燃料通入燃烧室以燃烧空气和燃料的装置；

e.膨胀机，用于使所述压缩并加热的空气膨胀，所述膨胀机与所述压缩机分离开来；

f.用于将燃料通入所述膨胀机，以在所述膨胀机中燃烧空气和燃料的装置；以及

g.用于动态调节压缩比、膨胀比、膨胀压缩比和空燃比中的至少一种的装置。

2.根据权利要求1所述的发动机，其进一步包括将水通入发动机内的空气中、并使其汽化的装置。

3.根据权利要求2所述的发动机，其进一步包括动态调节蒸汽空气比的装置。

4.根据权利要求1的发动机，其进一步包括用于储存来自压缩机的压缩空气的装置，以及用于选择性地将空气储存装置内的空气从压缩机和膨胀机分离开来。

5.根据权利要求4的发动机，其进一步包括第二压缩机，其用于将所述空气储存装置中的空气压缩至压强高于权利要求1所述压缩机的排气压强。

6.根据权利要求1所述的发动机，其进一步包括将液体燃料汽化、并通过热交换用水蒸汽将产生的气相燃料加湿的装置，以及随后使加湿的燃料在发动机中燃烧的装置。

7.根据权利要求1所述的发动机，其中，用于通入燃料的装置包括两根同轴管，将燃料经由内管通入膨胀机内中，并且经由介于两管之间的环形区域，将实质上不含有燃料和氧的第二流体通入所述膨胀机中。

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