CN1307665A - 使用非对称循环的发动机系统 - Google Patents

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Abstract

一种高效发动机系统,包括一内燃机,其汽缸中有至少一个活塞,该汽缸包括一汽缸头。该发动机的膨胀和压缩工作循环不对称,该循环的膨胀部比压缩部大。活塞和汽缸头上衬有导热性选定的绝热材料。有把燃料和水的超临界混合物喷入发动机汽缸中的装置。这些方面的组合生成一高效发动机。

Description

使用非对称循环的发动机系统
发明背景
本发明涉及使用非对称膨胀和压缩循环以及使用燃料和水的超临界混合物的高效发动机。
内燃机的运行一般是在发动机的效率与废气的清洁度之间进行折衷。例如，柴油发动机的效率高，但其废气中通常含有碳烟和氧化氮(NOX)之类颗粒物(PM)。一般来说，内燃机、不管是火花点火内燃机还是柴油内燃机，其工作循环都对称。即，压缩容积等于膨胀容积。Ralph Miller在美国专利No.2,670,595中首次描述一种工作循环非对称的发动机。他认识到，在下止点(BDC)之前或之后关闭进气阀可改变发动机中的“有效”压缩比。
例如，如发动机冲程长度增加一倍，并在活塞向下朝下止点(BDC)运动的半途中提前关闭进气阀，则压缩空气量减少一半，其有效压缩比与原发动机相同。在向下止点膨胀、然后压缩回大气压的过程中汽缸中的空气不做功。如果燃料-空气比不变，作用在发动机各部件上的压力峰值也不变。如果膨胀比不变，则燃烧气体的膨胀容积增加一倍。膨胀容积的增加造成废气的热损耗减小，燃烧产物由于打开排气阀前温度下降而做功增加。因此发动机提取更多有用机械能。
以往，这一非对称革新由于在生成同样动力的条件下要求发动机的体积和重量增加而未引起广泛重视。这一体积和重量方面的不利因素在1950-1960前后时期的发动机工业中是无法接受的，在此时期中，人们只考虑发动机的马力/立方英寸。此外，Miller提出的阀定时变动机构很费事，阀定时角的变动程度也不够。
1992年Ozawa(见美国专利No.5,682,854)讨论了通过变动压缩/膨胀比克服这一动力输出不足缺点的各种方法。他的系统使用行星齿轮传动机构变动进气阀凸轮轴的位置。行星齿轮架上的机械驱动器以发动机循环效率为代价按照发动机对动力的需要向前或向后转动该凸轮轴。Ozawa的发明在由马自达公司(Mazda Corporation)制造的车辆上获得了商业性应用。特别是，1994年上市的Mazda Millennia使用连续可变凸轮件把高效率与高动力性结合在一起。
发动机一般使用固体金属活塞和汽缸头，固体金属的使用造成导热性高。导热性选择成：活塞和汽缸头的表面温度保持足够低，防止在由发动机燃烧引起的反复循环性加热下该表面发生热应力裂缝。为防止热应力裂缝，要求铝制活塞和汽缸头的工作温度较低(300°F-500°F)。用发动机冷却系统除去燃烧过程传来的热量，以保持这一温度。当然，这一热量无法在发动机膨胀循环中转换成功。因此，固体金属活塞和汽缸头的传热造成效率下降。因此，如果能减小活塞和汽缸头的传热，就能提高发动机的总热效率。
正在审查中的申请日为1997年12月18日的序列号为No.08/992,983的美国专利申请公开了一种超临界水/燃料混合物燃烧系统，在该系统中，水和碳氢燃料的混合物接近或超过热力临界点，从而该混合物保持均质单相。如该申请所述，由于水/碳氢燃料混合物保持均质各向同性单相，因此它在进入燃烧室中时燃烧得更充分。
如所公知，在发动机系统中，液态燃料燃烧决定于喷雾雾化、然后是燃料液滴的汽化、最后是燃烧反应过程。液滴越小，燃烧越充分、干净。现有方法使用极高的喷射压力，以尽可能减小液滴直径。燃料的预热和使用化学表面活化剂可减小液滴，但燃料的预热和使用化学表面活化剂所得的液滴减小有限，只有加热到150℃-200℃才有效。超过这些温度会形成过量的焦炭、木焦油和焦油，从而堵塞燃料供应系统中的流道。
因此要求通过组合使用非对称循环、超临界水/燃料混合物和活塞和汽缸头的受控导热生成一高效发动机系统。
本发明概述
在一个方面，本发明发动机系统包括一内燃机，其汽缸中有至少一个活塞，该汽缸包括一汽缸头。与该活塞配合的装置生成非对称膨胀和压缩循环，其中，该循环的膨胀部比该循环的压缩部大。其导热性选定的绝热材料贴在活塞和汽缸头的一表面上，以此减小其导热。在一实施例中，使用把燃料和水的超临界混合物喷入汽缸中进行燃烧的装置。在另一实施例中，该循环的膨胀部大于该循环的压缩部，其系数比例在1.3∶1-2.5∶1的范围内。可通过增加冲程长度实现该非对称循环。也可通过减小压缩冲程顶部封闭容积并提前关闭发动机进气阀实现该非对称循环。尽管延迟进气阀的关闭也能实现非对称压缩，但这需要用泵先抽满燃料，然后泵出其一半。因此，根据热力循环原理，最好提前关闭进气阀。
在本发明其他实施例中，喷射装置在压缩冲程的顶部、例如靠近上止点处喷射超临界水/燃料混合物。本发明还包括一热交换器，使用发动机废热加热燃料和水的超临界混合物。用一泵把水/燃料混合物在输入该热交换器前加压到4000psi。该热交换器可与发动机的废气进行热耦联。
在另一实施例中，用电预热水/燃料混合物。当汽车起动或当废气温度比所需预热温度低时可使用该电预热。该电预热也可包括用来控制预热的反馈控制装置。最好是，该超临界混合物的压力为约4000psi，温度为约400℃。
本发明发动机的效率高。Miller式非对称循环使得废气热量得到利用。衬在活塞和汽缸头表面上的绝热材料减少了发动机冷却剂的热量损耗。此外，水和燃料通过与发动机冷却系统和/或废气的热交换而得到预热，从而生成水和燃料的超临界混合物。由于水的加入，超临界水/燃料混合物可加热到400℃以上而不生成炭或焦炭。超临界水/燃料的使用形成均质单相，在使用纯净冷燃料时防止用作核化中心的液滴生成颗粒物质和形成NOX的热点。
超临界水/燃料混合物是一种稠密流体，加热、喷入后焓增加4％，燃烧循环效率提高。其膨胀比高达压缩比两倍的Miller非对称循环使得焓增顶部上的绝对效率提高15％，在活塞和汽缸头上使用绝热表面使效率进一步提高。通过组合使用非对称Miller循环、绝热活塞和汽缸头以及喷入超临界水燃料，效率提高，而废气排放大大下降。当然，组合使用这三个条件中的任意两个也能提高效率。
附图的简要说明
图1为本发明内燃机的剖面图。
图2为装配绝热衬的燕尾槽结构的剖面图。
图3为本发明系统的方框图。
对优选实施例的说明
Miller式非对称循环的热力学优点是可减小发动机废气的热损耗。由气流下降造成的每立方英寸动力的减小，可由减小向汽缸头和活塞的传热和增加喷入水/燃料混合物的焓而部分地得到补偿。本发明从化学和机械两方面提高内燃机的效率。下面结合柴油机说明优选实施例，但本发明并不限于柴油机。它同样可用于火花点火发动机。
气体在汽缸中膨胀做功受在上止点喷入的反应物的三个重要特性的影响。反应物的质量、它们的可燃性和它们的初始温度一般影响到膨胀早期前由燃烧造成的压力升。可加速这一压力升而又不会增加废气中的污染物的任何过程都是符合要求的。本发明在这三个方面都有所改进。
如上所述，如所公知，液态燃料燃烧决定于喷雾雾化、然后是燃料液滴的汽化、最后是燃烧反应过程。本发明用水裂化作用生成更多可燃物。在200℃以上水与柴油混合可减少焦炭和木焦油的生成，因为碳氢燃料因一部分转变成氢气和一氧化碳和链长的减小而分子量被减小。因此，水与燃料混合在一起后加热到接近或超过热力临界状态是一种减小液滴直径的经济方法。此外，由蒸汽转化生成的氢气使十六烷提高，它的可燃性范围更广，从而在氧气浓度较低处就可点火。从而氢气分子用作均匀分布在反应区中的燃烧点火物。由于氢气的可燃范围广，因此可使用贫油。贫油的使用转而减小氮氧化物的生成。因此，超临界混合提高了燃料混合物的“有效十六烷值”。超临界化学方法的详情见下文。还可参见作为参考材料包括在此的申请日为1997年12月18的正在审查中的序列号为No.08/992,983的申请。如该申请所述，燃料和水的超临界混合物造成均质单相。使用这一近临界均质混合物可用空气进行气态混合。因此液滴汽化不再成为工作过程而不限制混合。从而氧气向反应物的扩散得以加速。反应物的高平均温度超过自动点火温度，氧化反应立即发生。燃烧过程受气相扩散的控制，而气相扩散比液滴中的液相扩散快得多。因此，点火延迟现象几乎消除，汽缸中的燃烧更均匀。
燃烧的这一迅速启动受超临界反应物的渗透率的限制。动量和质量转移因素限制着上止点处超临界反应物渗入被加热空气中的速率。该扩散率随温度而变；因此400℃喷射温度进一步促进反应物混合。此外，保持在3600psi以上的喷射压力使燃料以超声波速度从喷嘴喷出。因此，反应物的渗透和混合比液滴快得多。
水/燃料混合物在喷射时的高温使焓增加约4％。如果从发动机废热中抽取这一数量的热能，所有这一回收能量可在发动机的膨胀循环中转换成机械能。
如图1所示，内燃机10包括一汽缸12，汽缸中有一活塞14。该汽缸12包括汽缸头16。按照本发明的一个方面，如图所示，活塞14和汽缸头16的一表面上分别有绝热衬18和20。衬18和20较厚(0.06-0.1英寸)，用导热率低的耐高温材料制成。活塞14顶面上和汽缸头16内表面上的衬18和20形成凹状燃烧皿的贴面，使得与活塞14和汽缸头16的其余部分的热接触很差，但机械连接很牢固。例如，可用螺纹把镍、钛或铬镍铁合金活塞衬18连接在活塞14的顶面上。也可如图2所示，衬18和20上可有燕尾槽19，活塞14和汽缸头16锻造或铸造在槽19上。某些槽19应互成直角，以实现永久性锁定。也可使用其他永久性锁定方法。
衬18可工作在2000°F温度下，由于螺纹的松配合，只有少量热量传给活塞，同时可容许热膨胀大小变动。在高温下，燃烧时传热减小，某些热量传回压缩冲程顶部处的受压缩燃料。由于热传导在很大程度上决定于汽缸12中空气的速度和密度，因此该热量主要增加到该冲程的在热力上有利的顶部。在压力和速度很低的进气冲程中热量损耗不大。汽缸头16在活塞腔上方中心区域使用同样的衬20。注意，衬18和20经仔细挑选而具有正确热质量和导热率。这些衬无法完全绝热，因为表面温度高达F4000-5000°，从而造成衬18和20表面熔化或热疲劳。但衬18和20可大大减少燃烧气体的热量损耗。
如上所述，本发明的一个重要方面是发动机10的非对称膨胀和压缩循环。发动机10包括一进气阀22和一排气阀24。汽缸中也可有多个进气阀和排气阀。一喷射系统26把超临界燃料/水喷入汽缸12中。使膨胀部大于压缩部的一种方法是在活塞14向下行进时提早关闭进气阀22。例如，如当活塞14向下止点向下行进到半途时关闭进气阀，压缩比就减小一半，而该循环的膨胀部为活塞14的全冲程。当活塞位于上止点处时，喷射系统26把超临界水/燃料喷入汽缸12中，开始动力冲程。
造成本发明系统高效的另一个方面是使用废热预热喷入汽缸中的超临界水/燃料混合物。图3示出本发明系统的这一方面。用泵34把燃料30和水32的压力提高到4000psi左右。水/燃料混合物然后经一加热部36后喷入输出动力的发动机10中。发动机废气中或由一冷却系统吸收的废热通过一热交换器38，该回收热量传给加热器36。加热器36也可用电能把超临界水/燃料混合物加热到400℃。也可用一温度和压力反馈环路有效控制电能数量，以最佳调节水/燃料混合物在输入发动机10之前的状态。
从化学反应的观点看，最好同时提高超临界水的溶解力和提高稠密气体的转移性。温度的提高可促进化学转化，但反应率常常受到来回于非均质催化表面的各种反应物的扩散性的限制。稠密、超临界气体的扩散性比普通液体大3-4个数量级。相应地，超临界压力下的气体的密度为液态的约60％，从而燃料流量不过度。这一迅速的化学反应使得发动机可加装热交换器，从而混合水/燃料并使水/燃料混合物驻留约一分钟。
本发明可提高许多碳氢燃料的燃烧，包括汽油、柴油、重馏分物、燃油C、石油、天然气、原油、沥青或其他含碳材料。使用工作在约4000psi和400℃临界或近临界状态下的燃料/水喷射系统的本发明具有巨大优点。温度的提高减小点火延迟、使燃烧过程的焓增加。由于用回收废热来提高温度，因此发动机循环效率提高若干百分比，而且由于燃烧更快更充分，因此废气更干净。由于汽缸12中超临界燃料混合物在高热空气中的膨胀，因此混合得更充分，使得整个超临界水/燃料混合物中的燃烧更均匀，从而消除了液滴汽化中固有的时间延迟。高温溶解使得#4、#6和燃油C之类低质量燃料比以往燃烧得更有效、更干净。
绝热衬和Miller式非对称循环的应用提高了超临界水/燃料的喷射效果。绝热衬阻止热量损耗流向发送机冷却系统而使热量损耗流向废气。非对称Miller循环膨胀到比正常温度低得多的温度，从而从活塞衬抽取的热量增加。在绝热活塞衬和Miller式非对称循环的共同作用下，发动机的总效率大大提高。例子
从下表1对假定无热量损耗和绝热压缩和膨胀的两个柴油循环的比较中可看出非对称循环的优点。
表1
比较：柴油-11b.空气-1/301b.燃料600BTU步骤            对称20∶1                              20∶1-40∶1
 i.i  13.6ft3空气进入1/2汽缸，0功
i. 在14.7psi或540deg.Rw＝0功下进气  膨胀到2vol.后回到13.6ft314.7psi 540deg.R-0功
1 从p1＝14.7psi、T1＝540Rv1＝13.6ft3绝热压缩到p2＝974psi、T2＝1789deg.R功＝213.9BTU 绝热压缩到974psi 1789deg.Rv＝0.68ft3 W＝213.9BTU
2 常容积下加热到p3＝2000psi T3＝3674RQ＝320BTU功＝0  常容积下加热到2000psi3674deg.R W＝0 Q＝320BTU
3 常压力Q＝280BTU下加热到T4＝4841deg.Rv4＝0.895ft3 Vol比＝1.317功＝79.9BTU 常压下加热到2000psi4841deg.R v＝.896 W＝79.9BTUQ＝280BTU
4 绝热膨胀到下止点，膨胀比＝15.18(保持20∶1的比例)到T5＝1630deg.Rp5＝44.3psi这生成550.4BTU的功 绝热膨胀到下止点比率30.37∶1 v＝0.896-27.2ft3p＝16.8psi T＝1235deg.RW＝617.8BTU
5 废气克服44.3psi13.6×(44.3-14.7)＝74.5BTUW＝550.4+79.9-213.9-74.5＝341.9BTU  废气克服16.8psi 27.2×(16.8-14.7)×144＝10.6BTU净功＝617.8+79.9-213.9-10.6＝473.2
η＝341.9/600＝56.9％ η＝473.2/600＝78.8％
超临界流体中各类分子的极高密度提供反应促进特性。这些反应促进特性直接与反应物转移的提高有关，因为稠密气体的扩散率较之液体大若干数量级。在临界温度Tcrit上转移性变动达3-4个数量级，见M.McHugh and V.Krukonis的“超临界流体的提取(Super CriticalFluid Extraction)”，Butterworth Heinemann，Ed.，Newton，MA1994。压力的提高有利于某些水反应产物的上述临界温度。本质上不同的反应配价开始对抗而移动产物浓度分布。
关于燃料在超临界水中的溶解，已观察到正面结果。在麻省理工学院的能量实验室已进行初步实验。
用625铬镍铁合金制成一密封室。该室的内部容积为10立方厘米，两端有用来进行观察的蓝宝石窗。把各种不同浓度的水和燃料输入该室中进行等压试验。每次实验压力保持不变，温度每分钟提高或下降2℃。
在第一个实验中，常压为2000psi，把80％燃料与20％水的混合物加热到水的临界温度400℃以上。在2000psi和400℃下，压力太低，温度太高，水无法保持液态。液化柴油燃料的顶面上形成稠密气体，混合不充分。
作为对照，水在低于其临界温度374℃、临界压力约3250psi下的密度约为0.32gm/cm3。柴油中各种化合物的分子量不同，因此没有严格的临界温度。柴油在400℃下保持液态这一事实表明它未达到其临界温度。对不含水柴油增加热能会打断、重新形成许多键，把该材料转变成稠密气体与重残渣。
在第二个实验中，压力保持3000psi，同样的混合物以每分钟2℃加热。令人惊奇的是，在360℃时两种流体充分混合成一超临界流体。该流体的行为与稠密气体相同，没有表面张力或其他液体样特性。有趣的是，发生这一相变的临界状态比单独的水和柴油的临界状态低。这第二个实验表明，压力对相变起主要作用。在一定压力和温度范围内水的溶解力提高若干数量级。
第三个实验用来考察压力参数对相变的影响。压力提高到4000psi，反应容器的温度仍以每分钟2℃的速率提高。此时，两种液体发生超临界混合的温度提高到378℃。压力增加1000psi时超临界温度从363℃提高到378℃。这一与人们的直觉不符的趋势表明，对给定水/燃料混合物来说有一最佳压力和温度点，这一相稳定关系有待进一步研究。
上述超临界水的溶解性促使人们对这一新物质状态的燃烧特性进行深入研究。为此制作一可在高压(每分钟20ml下5000psi)下混合水和燃料的装置。该高压混合物输入外径为0.063英寸、内径为0.023英寸的小直径不锈钢管的线圈中。
10英尺长的这一不锈钢管绕在一1.5英寸直径的心轴上后放入一系列可把流动流体受控加热到所需温度的带状加热器中。用一与一比例、积分、差分(PID)加热器控制器连接的热电偶反馈环路保持该温度。手动调节一双缸正位移泵中的流率而保持该压力。
流出喷嘴的流体主要用出口孔和输入压力控制。我们的系统可把4000psi、400℃下的超临界混合物的流率保持在约每分钟10ml上。这要求喷嘴上的出口孔为0.003英寸。空气流用一与高压空气源连接的增压室控制。进气流率用一由一缸和该缸中一球构成的流率计测量，用一针阀控制。通过调节进气与超临界水/燃料的相对比例来控制火焰动态特性。此外，带状加热器上装有进气歧管，从而可把空气加热到350℃。
超临界混合物生成、测量后喷入大气中。以超音速喷出喷孔、拖曳次声波空气流的混合物需要在一发散喷嘴中减速到混合物的“火焰速度”以下。这些发散喷嘴连接在该喷嘴顶端上。该喷嘴上还装有一受控空气增压室，以混合正确比例的空气用于燃烧。
通过调节空气流和水/燃料流率生成稳定火焰。尽管这些条件与柴油机在上止点处的条件不同，但火焰特性大大优于直接喷射柴油。火焰直接排入特征长度为火焰长度三倍的一硅石管。在硅石管端部测量NOX、CO、O2和PM的排放量。之所以使用硅石，是因为硅石可承受火焰高温，又可看清管内情况。
从表2中可看出，使用超临界水/柴油的结果大大优于使用#2和#6燃料的结果
表2
所喷射燃料 柴油 柴油-30％水   S.C.35％柴油-35％#6-30％水
  一氧化碳(％)   100     150     0.00％
未燃烧碳氢(ppm)     60     100     ＜12
    颗粒物质(AVL烟数) 2.0 1.4 ＜0.1
    NOX(ppm)     120     90     18
应该知道，本领域普通技术人员可在权利要求的范围内对本发明作出种种修正和改动。

Claims (16)

1、发动机系统，包括：
一内燃机，其汽缸中有至少一个活塞，该汽缸包括一汽缸头；
与该活塞配合、生成非对称膨胀和压缩循环的装置，其中，该循环的膨胀部比该循环的压缩部大；以及
在活塞和汽缸头的一表面上具有其导热性选定的绝热材料。
2、按权利要求1所述的系统，其特征在于，进一步包括把燃料和水的超临界混合物喷入该汽缸中的装置。
3、按权利要求1所述的系统，其特征在于，该循环的膨胀部比该循环的压缩部大，其系数比在1.3∶1-2.5∶1的范围内。
4、按权利要求1所述的系统，其特征在于，生成非对称循环的该装置包括一个加长的冲程长度。
5、按权利要求1所述的系统，其特征在于，生成非对称循环的该装置包括在压缩冲程顶部的一个减小的封闭容积。
6、按权利要求2所述的系统，其特征在于，该喷射装置在压缩冲程的顶部处喷射燃料和水的超临界混合物。
7、按权利要求6所述的系统，其特征在于，该喷射装置在靠近上止点处喷射该混合物。
8、按权利要求2所述的系统，其特征在于，进一步包括用发动机废热加热燃料和水的超临界混合物的热交换器装置。
9、按权利要求8所述的系统，其特征在于，进一步包括把水和燃料混合物在输入热交换器之前加压到约4000psi的泵装置。
10、按权利要求8所述的系统，其特征在于，该热交换器与发动机废气热耦联。
11、按权利要求8所述的系统，其特征在于，进一步包括用电预热水/燃料混合物。
12、按权利要求11所述的系统，其特征在于，进一步包括用来控制电预热的反馈控制装置。
13、按权利要求2所述的系统，其特征在于，该超临界混合物处于约4000psi和400℃下。
14、发动机系统，包括：
一内燃机，其汽缸中有至少一个活塞，该汽缸包括一汽缸头；
与该活塞配合、生成非对称膨胀和压缩循环的装置，其中，该循环的膨胀部比该循环的压缩部大；以及
把燃料和水的超临界混合物喷入该汽缸的装置。
15、发动机系统，包括：
一内燃机，其汽缸中有至少一个活塞，该汽缸包括一汽缸头；
自活塞和汽缸头的一表面上具有其导热性选定的绝热材料；以及
把燃料和水的超临界混合物喷入该汽缸的装置。
16、发动机系统，包括：
一内燃机，其汽缸中有至少一个活塞，该汽缸包括一汽缸头；
与该活塞配合、生成非对称膨胀和压缩循环的装置，其中，该循环的膨胀部比该循环的压缩部大；
在活塞和汽缸头的一表面上具有其导热性选定的绝热材料；以及
把燃料和水的超临界混合物喷入该汽缸的装置。
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