CN115298425A - 用湿醇作为燃料且包括热辅助点火的均匀充气压燃hcci型发动机燃烧系统和动力传动系 - Google Patents

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Abstract

一种内燃式发动机或动力传动系统，其能够燃烧湿醇燃料混合物并包括在气缸内往复运动的活塞，该活塞连接到气缸盖并通过连杆连接到曲柄轴。进气凸轮和气门被安装在形成于所述气缸盖中的进气口内，以及排气凸轮和气门被安装在同样形成于所述气缸盖中的排气口内。通过燃料喷射器将加压燃料源引入气缸，并且醇/水混合物中的水百分比起作用以延长气缸压力以增加平均有效压力(IMEP)，从而通过在发动机曲柄臂的优选机械优势期间获得的更长压力脉冲导致发动机的更高扭矩(改进的制动平均有效压力‑BMEP)。

Description

用湿醇作为燃料且包括热辅助点火的均匀充气压燃HCCI型发 动机燃烧系统和动力传动系
相关申请的交叉引用
本申请要求2020年3月16日提交的USSN 62/990,104和2021年3月12日提交的美国专利申请17/199,800的优先权。
技术领域
本发明总体上涉及能够以非常高的水与醇比例燃烧湿醇燃料的内燃型发动机或动力传动系。更具体地，本发明公开了一种用于具有热辅助(例如电热塞或火花塞)点火的HCCI发动机和动力传动系的系统和方法，其结合添加有大量水的氧化碳氢化合物(醇燃料)提供改进的燃料喷射和气门正时方面和不同范围的压缩比。本发明还寻求在更长的持续时间(即跨越更大的曲轴转角)优化汽缸压力以实现改进的扭矩特性，这也称为制动平均有效压力(或BMEP)。
背景技术
现有技术公开了与均匀充气压燃(HCCI)发动机技术相关的多种现有技术参考。Shibata8,038,742中提出了其第一个例子，教导了用于HCCI压缩的燃料。
Simmons，US 2011/0209683教导了一种操作火花点火发动机的方法，其中至少30体积％的水的水溶性有机化合物混合在压缩比至少为16:1的均匀充气空气-燃料混合物中，然后进行火花点火。
Bromberg，US 8,677,949教导了一种用于更高效率涡轮增压或增压火花点火发动机的燃料管理系统，该系统使用甲醇中的特殊性质，其通过添加富氢气体促进超稀释操作成为可能。燃料管理控制单元在驱动循环的一部分期间以基本化学计量的燃料/空气比操作发动机，并且在驱动循环的其他部分期间以稀燃料/空气比操作发动机。
Shmueli等人US 8,869,755、US 9,074,555和US 10,436,108每一个都公开了一种使用水基燃料混合物的内燃机。Blank，US 9,010,293教导了相对于车辆燃烧循环的氧气浓度控制热量和所需燃料浓度的降低。
最后，Mulye 2015/0300296教导了一种EGR(废气再循环系统)，其压缩比大于12:1(并且根据该公开内容高达30:1)，并且水与EGR气体在10重量％-125重量％的范围内。
发明内容
本发明公开了与水组分组合的脂肪族醇成分(甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇或丁醇)。醇和水组分的相对百分比按燃料混合物的体积计在20％到80％之间的相反范围内提供，并且用于动力传动系操作的任何类型的更高压缩循环(HCCI)，其通常使用火花或电热塞辅助，以与添加大量水以实现不同范围的压缩比的氧化碳氢化合物(醇燃料)相结合提供改进的燃料喷射和气门正时方面。以这种方式，本发明还寻求在更长的持续时间(即跨越更大的曲轴转角)优化汽缸压力以实现改进的扭矩特性，这也称为制动平均有效压力(或BMEP)。
本文所述的发动机或动力传动系应用可包括但不限于典型的4循环燃烧过程，并且另外设想具有类似燃烧过程的具有循环变化的其他循环过程(2循环或多循环)。
本发明的发动机还包括一种方法，由此它启动和控制燃烧开始(SOC)并且可以再次结合热启动源，包括但不限于任何构造的火花塞或电热塞。
发动机可以包含增压配置(不限于发动机驱动的增压器或废气驱动的涡轮增压器)，或者可以以正常吸气(NA)配置提供。
燃烧过程通过启动装置控制SOC，并且结果是与HCCI型燃烧中发现的类似的非常低的总NOx排放。醇/水混合物中的高比例水往往会延长气缸压力，这导致指示的平均有效压力(IMEP)增加，从而通过在发动机曲柄臂的优选机械优势期间获得的更长压力脉冲导致发动机的更高扭矩(改进的制动平均有效压力-BMEP)。
上述益处和优点在不增加摩擦平均有效压力(FMEP)或泵送平均有效压力(PMEP)的情况下出现。以这种方式，发动机的特定效率很高，部分原因是获得的高压缩比，以及包括正确选择的气门正时事件和基于温度、速度和负载的SOC事件的适当变化。对于尾气排放，其他尾气成分，如未燃烧燃料与HCCI型燃烧一致，并且可以通过传统的后处理手段进行控制。
附图说明
现在将参考附图，当结合以下详细描述阅读时，其中相同的附图标记在多个视图中指代相同的部分，并且其中：
图1是根据本发明的非限制性实施例的HCCI型内燃机的示意图；
图2和3示出了根据已知技术的火花点火式压缩发动机的压力对曲轴转角的传统燃烧压力曲线对曲轴转角的一对图形描绘，其中图3描绘了曲柄臂处于最大机械优势的点；
图4和5示出了与图2和3相关的一对图形描绘，它们描绘了本发明的独特的HCCI燃烧组件，其描绘了在循环的较长时间段(也定义为曲轴转角持续时间)内并且为了提供曲柄臂的最大机械优势而保持的缸内压力；
图6是跨越燃烧、排气、进气和压缩子循环中的每一个的内燃过程中的气门开度和升程对曲轴转角的进一步图形描绘；和
图7和8提供了不同发动机RPM的进气歧管压力的一对表格描绘，并显示了基于完整4冲程循环的720度的上止点(也定义为压缩结束)之前的喷射正时/角度，其中图7进一步描绘了60摄氏度的较冷发动机配置和图8进一步描绘了80摄氏度的较暖发动机配置，这对应于较早的喷射条件。
具体实施方式
参考附图，本发明公开了一种内燃式发动机或动力传动系，其能够以非常高的水与醇比例燃烧湿醇燃料，更具体地，本发明公开了一种用于具有热辅助(例如电热塞或火花塞)点火的HCCI发动机和动力传动系的系统和方法，其结合添加有大量水的氧化碳氢化合物(醇燃料)提供改进的燃料喷射和气门正时方面和不同范围的压缩比。同样如前所述，本发明还寻求在更长的持续时间(即跨越更大的曲轴转角)优化汽缸压力以实现改进的扭矩特性，这也称为制动平均有效压力(或BMEP)。
首先参考图1，示出了根据本发明的非限制性实施例的HCCI型内燃机的示意图。相关的发动机部件由连接到气缸盖12的气缸15表示，在气缸盖内设置有活塞14，活塞由连杆6(也是曲柄臂)通过曲轴18往复驱动。进气门15和排气门16的每一个分别由进气凸轮9和排气凸轮10操作，并且还分别位于相应的进气口7和排气口8内，由火花塞11触发点火。
燃料喷射器13安装在气缸盖12内靠近气缸内的燃烧室。电子控制单元(ECU)通常以5表示并且与燃料喷射器13连通并且通常被定义为构成汽车电子设备中的任何嵌入式系统，其控制车辆中的一个或多个电气系统或子系统。ECU 5通过点火线圈4单独地与火花塞11连通。
高压燃料泵3通过高压燃料管线24向喷射器13提供燃料。其他元件包括用1描绘的燃料箱，其通过冷侧燃料供给19与热交换器部件2连接。热交换器2由20表示的热侧流入的冷却剂流体和21进一步表示的冷侧流出的冷却剂流体供应，并且进一步经由燃料管线22从发动机经由插入的高压燃料泵3与喷射器13连通。
参考图2和3，示出了根据已知技术的通常在26和28处的一对图形描绘，并描绘了火花点火压缩发动机的压力(以Y轴表示的条形示出并且增量为0、20、40、60和80)对曲柄转角(在X轴上以-360°、180°、0、180°和360°的增量表示)，并且在点火阶段期间的最大机械优势在图2中以27显示。曲柄臂处于最大机械优势的点在图3中以图形方式表示为30，并且对应于缸内压力的显著降低。
现在转到图4和5，示出了另一对相应的图形描绘，一般地和分别地在32和34处示出并且与图2和3的现有技术视图相关，它们描绘了使用本发明的醇-水燃料混合物的独特的高压缩循环(HCCI)燃烧组件。图4表示与点火阶段相关的在33处的最大机械优势，图5进一步参考了36处的对应最大优势以及对应于气门打开位置的进一步标记37。如前所述，本发明考虑任何脂肪族类型的醇组分(甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇或丁醇)与水组分。
醇和水组分的相对百分比按整个燃料混合物的体积计在20％到80％之间的相反范围内提供(例如，在该范围的一端，在20％水/80％醇之间，在另一端最多80％水/20％醇)，并且再次用于任何类型的更高压缩循环(HCCI)以进行动力传动系操作。在许多非限制性应用中，提供了20％至60％的相对醇含量范围(特别是在与乙醇一起使用时)。
如图所示，并且缸内压力(Y轴表示)被维持更长的循环周期(也定义为曲柄转角持续时间，并且如沿X角的类似描绘所示)，这样显示是为了提供曲柄臂的最大机械优势(参见图4中的进一步描绘，其中最大压力对应于0°曲轴转角(上止点位置)。
如进一步所示，在曲柄臂的最大机械优势期间，缸内压力显著升高。这在图5中的36处进一步表示，并且与图3的相应的现有技术视图相比，说明了发动机扭矩的改进以及随之而来的效率益处。
图6是在跨越燃烧(360°至540°)、排气(540°至0°)、进气(0°到180°)和压缩(180°到360°)子集循环的每一个的内燃过程中气门开度和升程(Y轴表示)对曲轴转角(X轴表示)的进一步图形描绘。还表示了在所示范围内的空载(实线显示)和满载(虚线)曲线之间存在的位移，这些对应于循环的每个吸气和排气阶段。
最后，图7和8提供了不同发动机RPM的进气歧管压力的一对表格描绘，并显示了基于完整4冲程循环的720度的上止点(也定义为压缩结束)之前的喷射正时/角度。这包括进一步描绘了60摄氏度的较冷发动机配置的图7和进一步描绘了80摄氏度的较暖发动机配置的图8，这对应于较早的喷射条件。
如进一步所示，较高的发动机RPM对应于较早的喷射，并且当歧管压力高(即，高负载-较少真空)时，延迟喷射。以这种方式，喷射正时对于在所有速度负载组合中保持高扭矩和效率以及基于速度、负载和温度变量中的每一个实现稳定和高效的燃烧至关重要。
与本发明相关的其他和附加特征包括以下各项：
早期火花-点火开始：
早期点火对于“理想的”压力vs.曲轴转角正时同步很重要，因此通常点火开始应在上止点前40-45度开始，并且这应始终由ECU控制，因为低RPM和高RPM需要不同的时间。
热进气：
在系统中使用涡轮增压器时，发现不需要中冷器，实际上在没有它的情况下效率提高了，因为进气被涡轮增压器加热，这有助于更均匀的燃烧。
长冲程：
由于燃烧持续时间较长的性质，已发现实现较长的冲程可以更好地利用压力特性，并产生更多的动力，它还允许排气门相对于从TDC位置下降途中的活塞位置非常晚地打开。
使用热量：
进一步确定了热量与效率和性能之间的直接相关性。虽然这也发生在其他燃烧方法中，但本发明延迟/提高燃料爆震的能力导致提高发动机工作温度而不发生发动机爆震或继续运转的能力，结果是所有有助于将热量保留在发动机内的热障将有助于将废热转化以提高性能和效率。
热塞：
实验发现，热额定火花塞将提供更好的输出，因为它充当火花/电热塞组合。
低RPM.
本发明的其他观察已经发现在低到中RPM下建立高扭矩的能力，这对于相当尺寸的传统发动机是非典型的。在这种情况下，即使在1000RPM的额定转速下，发动机仍在工作并产生大约85％的最大扭矩。
鉴于以上描述，本发明所达到的目标包括与醇/水混合物中高百分比的水相关的蒸汽引起的循环后期压力增加，该操作延长气缸压力，这导致指示的平均有效压力(IMEP)增加，从而这导致发动机的扭矩更高。循环后期压力增加是由延迟的燃烧开始(SOC)以及高含水量燃料在缸内转化为蒸汽的影响引起的，这导致指示的平均有效压力(IMEP)提高。该效应同样是由于在附图中提到的曲柄臂的优选机械优势期间较长的压力脉冲产生的，并且在不增加摩擦平均有效压力(FMEP)或泵送平均有效压力(PMEP)的情况下发生，这共同导致了净BMEP益处。
所描述的使用湿醇燃料的内燃过程被设想为在10:1和25:1之间的相对高压缩比内运行，这取决于所配置的发动机类型，其中配置是自然吸气(NA)或增压的。本发明进一步考虑用于增压配置的较低压缩比和用于NA发动机的较高压缩比。
所描述的使用湿醇燃料的内燃过程包括在发动机输出扭矩的a)速度和b)负载二者的瞬态条件下运行的能力。这是由于包含本专利所体现的各个权利要求的燃烧过程，其中动力传动系至少包括多档变速器和任何配置的最终传动装置。控制发动机进行瞬时操作的能力包含在正确使用本专利的所有权利要求中。
如所描述的，预热技术考虑将燃料加热到例如大约60-80摄氏度(C)的温度，并且再次参考图1，可以包括但不限于在进行预热和达到工作温度后利用发动机废热期间使燃料最初通过电加热器。
其他特征包括通过包含质量空气流量(MAF)传感器、一个或多个λ传感器和数字电子控制单元(ECU)的控制系统控制空气/燃料比(也称为AFR)。在一种非限制性变型中，AFR值被控制在13:1和16:1之间。此外，在瞬态操作条件下，富集可达到λ0.95。
燃料喷射正时方面包括将湿醇燃料编程到数字ECU中的内燃过程。在暖机条件下(通常在60摄氏度到100摄氏度的范围内)，燃料喷射较晚，或在接近进气循环结束时(上止点前约180度(BTDC))。在工作温度下，燃料在进气循环开始时(约360度BTDC)早期喷射。在任何发动机转速下的重负载下，燃料喷射事件在320度和250度BTDC之间。在轻负载和高速下，喷射事件在420度到360度BTDC时非常早。水与醇的大部分百分比可以进一步包括高达80％的水的任何相对百分比范围，对应于下降到20％的醇的范围。
本发明提供了气门正时特征，其中燃烧技术可以应用于具有任何气门机构驱动类型的发动机，从整体式单机械凸轮轴到单个或多个顶置机械凸轮轴，以及先进的气门机构驱动系统，例如液压、气动或电磁全可变气门驱动系统。机械凸轮轴驱动系统还包括用于独立进气和排气凸轮相位(如果可用)或用于单机械凸轮轴发动机的技术，这包括对气门正时和重叠的合理折衷。
具体的气门机构致动事件还可以包括基于速度和负载变量的气门致动。在高速和低负载下，进气门关闭(IVC)事件包括延迟IVC，并且对于高速和高负载条件，IVC事件在更早或在更传统的正时执行。气门重叠正时还考虑在高负载下增加重叠，而在较低负载下不存在重叠。取决于所采用的气门驱动技术，这些参数的控制包括由数字ECU控制的凸轮相位装置，或者在可完全由数字ECU执行的更复杂和未来的驱动装置中具有潜力。再次参考图6，它显示了气门事件和速度/负载之间的典型关系。
本设计的其他方面还包括具有特殊几何设计特点的发动机概念。这将包括具有比等排量级的典型尺寸的内燃机更小的进气门的进气系统，以提供对空气流量的控制。
已经描述了我的发明，其他和附加的优选实施例对于本领域技术人员将变得显而易见，并且不偏离所附权利要求的范围。详细描述和附图被进一步理解为支持本公开，其范围由权利要求限定。尽管已经详细描述了用于执行要求保护的教导的一些最佳模式和其他实施例，但是存在各种替代设计和实施例来实践所附权利要求中定义的公开内容。
前述公开进一步被理解为不旨在将本公开限制于所公开的精确形式或特定使用领域。因此，考虑本公开的各种替代实施例和/或修改，无论是在本文中明确描述还是暗示的，根据本公开都是可能的。已经如此描述了本公开的实施例，本领域普通技术人员将认识到可以在不脱离本公开的范围的情况下在形式和细节上进行改变。因此，本公开仅由权利要求限制。
在上述说明书中，已经参考具体实施例描述了本发明。然而，如本领域技术人员将理解的，在不背离本公开的精神和范围的情况下，可以以各种其他方式修改或以其他方式实施本文公开的各种实施例。因此，该描述被认为是说明性的并且是为了向本领域技术人员传授制造和使用本公开的各种实施例的方式的目的。应当理解，本文所示和描述的公开形式将被视为代表性实施例。等同的元件、材料、工艺或步骤可以代替这里代表性地说明和描述的那些。此外，本公开的某些特征可以独立于其他特征的使用而被使用，这对于本领域技术人员在受益于本公开的该描述之后将是显而易见的。诸如“包括”、“包含”、“合并”、“由……组成”、“具有”、“是”之类的表达用于描述和要求保护本公开旨在以非排他的方式解释，即允许未明确描述的项目、组件或元素也应存在。对单数的提及也应被解释为与复数有关。
此外，本文公开的各种实施例应被理解为说明性和解释性的意义，并且决不应解释为对本公开内容的限制。所有的联合提及(例如，附加的、附连的、耦合的、连接的等)仅用于帮助读者理解本公开，并且可能不会产生限制，特别是关于系统的位置、方向或使用和/或本文公开的方法。因此，如果有的话，联合提及将被广义地解释。此外，这样的联合提及不一定意味着两个元素直接相互连接。
此外，所有数字术语，例如但不限于“第一”、“第二”、“第三”、“首要”、“次要”、“主要”或任何其他普通和/或数字术语，也应该是仅作为标识符，以帮助读者理解本公开的各种元件、实施例、变化和/或修改，并且可能不产生任何限制，特别是关于相对于或相比于另一元件、实施例、变化和/或修改的任何元件、实施例、变化和/或修改的顺序或偏好。
还将理解，附图/图中描绘的一个或多个元件也可以以更加分离或集成的方式实现，或者甚至在某些情况下被移除或呈现为不可操作，这根据具体的应用是有用的。此外，除非另有具体说明，否则附图/图中的任何信号影线仅应被视为示例性而非限制性的。

Claims (20)

1.一种能够燃烧具有水组分和醇组分的湿醇燃料的内燃型发动机，包括：
活塞，其在气缸内往复运动，所述气缸附接至气缸盖并通过曲柄臂连接曲柄轴；
进气凸轮和气门，其被安装在形成于所述气缸盖中的进气口内，以及排气凸轮和气门，其被安装在同样形成于所述气缸盖中的排气口内；
加压燃料源，其通过燃料喷射器引入所述气缸中；和
所述燃料中所述水组分的百分比在所述燃料点火之前用于延长气缸压力，以增加平均有效压力，这通过在所述曲柄臂的优选机械优势期间获得的更长压力脉冲导致所述发动机的更高扭矩。
2.根据权利要求1所述的发明，还包括用于提供改进的燃料喷射和气门正时方面的火花塞或电热塞。
3.根据权利要求2所述的发明，还包括通过点火线圈与所述火花塞连通的发动机控制单元(ECU)。
4.根据权利要求1所述的发明，还包括所述水和醇组分以总燃料混合物的20体积％至80体积％的相反范围提供。
5.根据权利要求1所述的发明，还包括在全冲程期间内燃机的活塞所包围的空间的最大容积与最小容积的比，压缩比在10:1至25:1之间。
6.根据权利要求3所述的发明，还包括分别与所述燃料喷射器和火花塞中的每一个连通的所述电子控制单元(ECU)。
7.根据权利要求6所述的发明，还包括高压燃料泵，其用于通过高压燃料管线将加压燃料输送到所述喷射器。
8.根据权利要求1所述的发明，还包括燃料箱，其通过冷侧燃料供给装置与热交换器部件连接，所述热交换器由在热侧流入的冷却剂流体和在冷侧流出的冷却剂流体供应，并进一步通过所述燃料管线从热侧通过所述高压燃料泵与发动机连通。
9.根据权利要求5所述的发明，还包括由包含与ECU连通的质量空气流量传感器(MAF)、λ传感器中的任一个的控制系统控制的空燃比，其中所述空燃比被控制在13:1到16:1的压缩比之间。
10.根据权利要求9所述的发明，还包括其中λ传感器具有0.95读数的瞬态操作条件。
11.根据权利要求8所述的发明，还包括预热所述热交换器部件以将燃料加热到60-80摄氏度(C)之间的温度范围。
12.一种运行燃烧湿醇燃料的内燃型发动机的方法，包括以下步骤：
将燃料加压并将其引入具有气缸盖的气缸中；
通过往复支撑在所述气缸内的活塞压缩所述燃料，所述活塞通过曲柄臂连接曲柄轴；
提供进气凸轮和气门，其被安装在形成于所述气缸盖中的进气口内，以及排气凸轮和气门，其被安装在同样形成于所述气缸盖中的排气口内；以及
在点燃所述燃料之前延长所述气缸内达到的最大压力以增加平均有效压力，这通过在所述曲柄臂的优选机械优势期间获得的更长压力脉冲导致所述发动机的更高扭矩。
13.根据权利要求12所述的方法，还包括在总燃料混合物的20体积％至80体积％之间的相反范围内改变所述燃料的水组分和醇组分的百分比的步骤。
14.根据权利要求12所述的方法，还包括在10:1至25:1之间改变所述气缸内由所述活塞包围的空间的最大容积与最小容积的全冲程压缩比的步骤。
15.根据权利要求14所述的方法，还包括提供由控制系统控制的空燃比的步骤，所述控制系统包含与ECU连通的质量空气流量传感器(MAF)、λ传感器中的任一个，其中所述空燃比被控制在13:1到16:1的压缩比之间。
16.根据权利要求15所述的方法，还包括建立瞬时操作条件的步骤，其中λ传感器具有0.95的读数。
17.根据权利要求12所述的方法，还包括将所述燃料预热至60-80摄氏度(C)的温度范围的步骤。
18.内燃型发动机和湿醇燃料混合物的组合，包括：
所述燃料具有第一百分比的水组分和第二百分比的醇组分，所述组分的相对百分比在总燃料混合物的20体积％至80体积％之间的相反范围内提供；
活塞，其在气缸内往复运动，所述气缸附接至气缸盖并通过曲柄臂连接曲柄轴；
进气凸轮和气门，其被安装在形成于所述气缸盖中的进气口内，以及排气凸轮和气门，其被安装在同样形成于所述气缸盖中的排气口内；
加压燃料源，其通过燃料喷射器引入所述气缸中；和
所述燃料中所述水组分的百分比在所述燃料点火之前用于延长气缸压力，以增加平均有效压力，这通过在所述曲柄臂的优选机械优势期间获得的更长压力脉冲导致所述发动机的更高扭矩。
19.根据权利要求18所述的组合，还包括内燃机的活塞在全冲程期间所包围的空间的最大容积与最小容积的比，压缩比在10:1至25:1之间。
20.根据权利要求19所述的组合，还包括由包含与ECU连通的质量空气流量传感器(MAF)、λ传感器中的任一个的控制系统控制的空燃比，其中所述空燃比被控制在13:1到16:1的压缩比之间。
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Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102020201189A1 (de) * 2020-01-31 2021-08-05 Hitachi Automotive Systems, Ltd. Steuereinheit zum steuern einer brennkraftmaschine
US11698034B2 (en) * 2021-04-13 2023-07-11 GM Global Technology Operations LLC Method of transient control for robust enrichment operation in low temperature combustion engine

Family Cites Families (27)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4258677A (en) 1979-03-29 1981-03-31 Sanders Nicholas A Engine heating device
US4333739A (en) 1979-10-23 1982-06-08 Neves Alan M Blended ethanol fuel
NL8601384A (nl) 1986-05-29 1987-12-16 Texas Instruments Holland Verbrandingsmotor met brandstofinjectiesysteem en een voor een dergelijke motor bestemde verstuiverklep.
US6289666B1 (en) 1992-10-27 2001-09-18 Ginter Vast Corporation High efficiency low pollution hybrid Brayton cycle combustor
US7040094B2 (en) 2002-09-20 2006-05-09 The Regents Of The University Of California Staged combustion with piston engine and turbine engine supercharger
US8434431B2 (en) * 2005-11-30 2013-05-07 Ford Global Technologies, Llc Control for alcohol/water/gasoline injection
US9010293B2 (en) 2006-04-07 2015-04-21 David A. Blank Combustion control via homogeneous combustion radical ignition (HCRI) or partial HCRI in cyclic IC engines
WO2008115523A2 (en) 2007-03-21 2008-09-25 U.S. Environmental Protection Agency High efficiency alcohol fuel engine
US20080246955A1 (en) * 2007-04-09 2008-10-09 Nippon Soken, Inc. Method of detecting alcohol concentration and alcohol concentration detecting apparatus
US20100206249A1 (en) 2007-11-12 2010-08-19 Massachusetts Institute Of Technology Fuel management system for very high efficiency flex fuel engines
JP5178253B2 (ja) 2008-03-13 2013-04-10 Ｊｘ日鉱日石エネルギー株式会社 予混合圧縮自己着火式エンジン用燃料
US9418005B2 (en) 2008-07-15 2016-08-16 International Business Machines Corporation Managing garbage collection in a data processing system
US20110209683A1 (en) * 2008-11-20 2011-09-01 Simmons Brandon M Method of operating a spark ignition internal combustion engine
US8353270B2 (en) 2010-01-21 2013-01-15 Ford Global Technologies, Llc Fluid injection pressurization system
US8903627B2 (en) * 2010-11-17 2014-12-02 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Control device of internal combustion engine
JP2014517185A (ja) * 2011-04-11 2014-07-17 ノストラム エナジー ピーティーイー．リミテッド 内部冷却式高圧縮リーン・バーン内燃エンジン
RU2014142265A (ru) * 2012-03-21 2016-05-10 МЭЙМАН РИСЕРЧ, ЭлЭлСи Двигатель внутреннего сгорания, использующий в качестве топлива смесь на основе воды и способ его работы
US8869755B2 (en) * 2012-03-21 2014-10-28 MayMaan Research, LLC Internal combustion engine using a water-based mixture as fuel and method for operating the same
US9234482B2 (en) 2012-08-02 2016-01-12 Massachusetts Institute Of Technology Ultra-high efficiency alcohol engines using optimized exhaust heat recovery
WO2014080266A1 (en) 2012-11-20 2014-05-30 Nostrum Energy Pte. Ltd. Internally cooled exhaust gas recirculation system for internal combustion engine and method thereof
WO2015048187A1 (en) 2013-09-25 2015-04-02 Yehuda Shmueli Internal combustion engine using a water-based mixture as fuel and method for operating the same
US9328677B2 (en) * 2013-10-10 2016-05-03 Ford Global Technologies, Llc Usage strategy for mixed gasoline and CNG fueled vehicles
JP6003936B2 (ja) * 2014-03-25 2016-10-05 トヨタ自動車株式会社 内燃機関の制御装置
JP6172198B2 (ja) * 2015-04-07 2017-08-02 トヨタ自動車株式会社 エンジンの制御装置
JP6481659B2 (ja) 2016-06-09 2019-03-13 トヨタ自動車株式会社 内燃機関の制御装置
US10047864B2 (en) 2016-09-16 2018-08-14 MayMaan Research, LLC Compression ring for pistons
FR3112169B1 (fr) * 2020-07-01 2022-07-15 Psa Automobiles Sa Moteur a combustion interne a essence a allumage par compression assiste

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