CN1461377A - 用喷射临界状态的水来运行内燃机的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的是要提供一种用喷入临界水来运行内燃机的方法，在这个方法中临界水的优良特性得到积极有效的利用，它除了降低氮氧化合物和一氧化碳的排放以外还能提高发动机的效率和功率输出，其特征在于，将温度高于250℃、压力高于10MPa的亚临界水或超临界水在内燃机的压缩或燃烧冲程期间喷入燃烧室，喷射开始于压缩冲程期间的燃油被点燃之前，其特别之处在于该喷射是这样进行的，使得所述的水与喷入燃烧室的燃油喷雾互相混合渗透，喷射的延续期是从曲轴转角位置的上止点前90到上止点后30。

Description

用喷射临界状态的水来运行内燃机的方法
技术领域
本发明涉及一种用喷射临界状态的水来运行内燃机的方法，具体地说，是涉及使用亚临界状态或超临界状态的水(以后都简称为临界水)以实现低排放燃烧的方法。这里所指的内燃机有往复活塞式发动机，包括火花点火发动机和压缩点火发动机(即柴油机)，喷气式发动机，燃气轮机等。液体或气体燃料如像石油族燃料，氢气，天然气，酒精等在这些内燃机中燃烧，燃烧的气体就作为工作介质推动内燃机运转。
背景技术
与排气一道排放到空气中的氮氧化合物(NOx)和一氧化碳通常都产生在燃烧的高温区域。这些排放物会污染环境，因此，应该将这些排放物减少到最低限度。
众所周知，在内燃机的燃烧过程中加进水可以减少氮氧化合物的产生。这是由于加水后的冷却效应。在实践中，曾经采用两种不同的方法向往复式发动机中喷水，即直接将水喷入燃烧室，或者通过进气道将水引入燃烧室。
在直接将水喷入燃烧室的情况中，通常是在实际燃烧过程之前的压缩冲程期间和(或)正处在燃烧期间将水喷入。这种喷水定时有利于减少氮氧化合物的产生，在喷入大量的水之后，氮氧化合物通常能够减少大约50～60％。
在通过进气道将水随同进气一起引入到燃烧室的情况中，进气流穿过涡轮增压器，增压压缩机，或中冷器时，在它们的上游或下游被连续地加湿；或者在进气室和(或)进气通道中被加湿；或者将水或蒸汽喷入进气中使其加湿。
在后一种情况中，能够随空气引入到燃烧室内的水量大小取决于进气的压力和温度。水量将受到进气中水蒸气饱和程度的限制。目前，涡轮增压中冷发动机的水平是：进气压力通常约为0.15～0.4MPa，温度约为40～50C。在这种条件下，水的引入量实际上被限制在能使氮氧化合物减少10～40％的水平上。降低进气压力或提高进气温度都是不可取的，因为这样会使进入气缸的空气充气量变坏，从而导致发动机输出功率降低。
在进气被引入的水连续加湿的情况下，有一部分引入水并未被利用，这是因为当进气门和排气门同时开启时，一部分水随同进气一起穿过气缸被排出。
另一方面，在日本实用专利申请公开No.6-137218公布的一项技术中，将氢氧化钾的水溶液注入到柴油机燃料中并与其混合后再加压加热，使其压力和温度高于水的临界状态，并使柴油中的硫与氢氧化钾化合，再将混合物喷入气缸进行燃烧。
虽然在该项技术中也使用了临界水，但它使用临界水的目的是为了使氢氧化钾与重油中的硫化合从而除硫，并不像本发明是为了降低NOx和CO。将混合物的水溶液注入到柴油中可能会损害柴油的自燃特性，从而会使发动机功率降低。
进一步说，一种运行至少有一个燃烧室、进气门、排气门和将燃油蒸汽与水蒸汽的混合物经加压加热后喷入燃烧室的喷油嘴，所述的混合物可由内燃机的排气进行加热的内燃机的方法特征在于，所述混合物的压力至少保持在高于350个大气压，温度至少要高于448.8C，这时燃油蒸汽将转化为多种有机气体的混合物，其化学成分与在大气温度和压力条件下燃油最初的化学成分已不相同，其分子结构已不同于原来的组成，而且，在大气条件下至少有一部已经挥发掉。
按照传统技术，将燃油蒸汽与水蒸汽组成的混合物经加压加热后将转化为具有挥发性的物质与有机气体的混合物，在高于350个大气压和高于448.8C的温度下其分子结构已与原来的结构不同，这时可将该气体混合物从喷嘴喷入燃烧室。而不是如同本发明那样将水加压加热使其压力高于350个大气压，温度高于448.8C成为临界水，将这种亚临界水或超临界水与燃油分开喷入燃烧室，当燃油喷入大气时其中存在有水粒子。因此，按照该项公布的方法与按照本发明的方法是根本不同的。
此外，还有一种按照专利WO99/37904所揭示的用来运行压缩点火发动机(柴油机)-朗肯循环往复式发动机的方法，该发动机至少包括一个供燃油在其中燃烧的气缸，一套冷却进气和气缸的冷却系统，以及将废气从所述的气缸中导出的排气系统。所述的气缸所起到的作用是：从冷却系统和排气中吸取热量以生成蒸汽；将所述的蒸汽导入所述的气缸中，其特征在于，所述的蒸汽和所述的燃油是分开导入所述的气缸中的，并在点火后发生反应。用于该发明的蒸汽温度低于580C，压力低于180巴，这时临界水不能存在。蒸汽在接近上止点时喷入气缸，因此，在燃油点燃后，蒸汽和燃油就会有效地发生反应。还应当指出，燃油是被喷入一个分开的燃烧室中，以避免在点火前与蒸汽混合。从这些说明中可以看出，该项发明的目的就是为了避免气缸内的燃油在点火之前与蒸汽发生反应，并且也避免蒸汽与空气于点火之前在气缸内互相混合。
发明内容
本发明的目的是提供一种喷射临界状态的水来运行内燃机的方法，它充分利用了喷入临界水可以有效地减少内燃机排放氮氧化合物(NOx)和一氧化碳(CO)等有害气体的优点。更具体地说，除了降低排放以外，通常喷水后会伴随出现发动机的效率降低，从而导致功率降低，本方法还要提高发动机的效率和功率，而不会为了降低排放指标牺牲效率和功率。这里所指的内燃机有往复式发动机，包括火花点火发动机和压缩点火发动机(即柴油机)，喷气式发动机和燃气轮机。
本发明是一个用喷入临界水来运行发动机的方法，液体或气体燃料如像石油族燃料，氢气，天然气，酒精等在燃烧室中燃烧后，燃烧的气体就作为工作介质，其特征在于，温度高于250C、压力高于10MPa的亚临界水或超临界水(以后统称为临界水)是在喷入燃烧室的燃油被点燃之前就开始向燃烧室内喷射的。
特别地，在往复活塞式内燃机的情况下，吸气，压缩，燃烧和排气冲程是按照曲轴转角来划分的。所述的临界水从喷射开始到喷射结束的范围按曲轴转角来计算是从上止点前(BTDC)90到上止点后(ATDC)30  ，一个可取的方案是喷射的范围从上止点前80到上止点0，另一个更可取的方案是该范围从上止点前80到燃烧室内的燃油被点燃之前，即在上止点前5结束，或者正好在上止点前结束。
本发明有利地利用了亚临界水和超临界水独特的物理和化学特性。由于亚临界水和超临界水的介电常数与有机溶剂的介电常数一样低，它与碳氢族燃料的可溶性已得到改善，由于临界水的扩散性能活泼，因此水与燃油混合物的均匀相容易达到，从而可大大减少燃烧室内的局部燃烧现象，于是，热态氮氧化合物(NOx)的生成就能减少。
亚临界水或超临界水能与氧气和空气形成均匀相。由此它很容易与氧形成均匀相，因此燃油的氧化过程就能高效地进行，从而可以有效地减少一氧化碳(CO)和烟度(PM)。由于离子产物的增加而引起的催化反应也有相似的作用。
亚临界水或超临界水的扩散性能活泼而且粘度低，很容易扩散，因此能有效地改进燃烧效率和增加功率。特别是在柴油机中，由于混合气均匀而使燃烧效率提高，在不牺牲其他任何一个指标的情况下，发动机的功率(效率)和氮氧化合物(NOx)的排放都能得到极大的改善。亚临界水或超临界水的存在能增加离子产物和激发酸碱的催化作用，从而进一步促进了热态氮氧化合物(NOx)和一氧化碳(CO)的减少。
流体在临界点附近物理性能的变化在很大程度上取决于温度和压力。因此，可以通过控制温度和压力的方法来控制亚临界水或超临界水的物理性能。于是，就有可能通过这种控制使喷射的亚临界水或超临界水的物理性能适合于各种不同的碳氢族燃油及不同的喷射形式，这取决于发动机的转速和负荷。
由于超临界水有较大的扩散系数，因此在燃烧室中燃油与水或蒸汽能很好的混合。此外，超临界水溶于燃油中并不是以水粒子的形式溶入，因为超临界水的性能有些像有机溶剂，所以它能够形成更为均匀的燃烧场。
在柴油机中燃油与空气之比大约为1∶30。当临界水按燃油质量1～4倍的比例(燃油∶空气∶临界水＝1∶30∶1～4)喷入后，所述的均匀燃烧场就能得到。
当临界水是在按曲轴转角计算的上止点前90至上止点前10(-90～-10)的范围内、特别是在-80～-20的范围内、或者更可取的是在-60～-20至-30的范围内开始喷射时，燃烧室中临界水由于瞬间膨胀引起的压力下降是很小的，这是因为此时活塞仍旧处在压缩冲程的后一阶段，被喷入的临界水仍保持超临界或亚临界状态，因此，按本发明所述的效能仍可达到。
此外，当临界水是在按曲轴转角计算的上止点前后30(-30～+30)的范围内、特别是在-10～+30的燃烧范围内开始喷射时，这时燃烧室的温度最高可达2000C，水的超临界或亚临界状态的特性在瞬间膨胀后基本上保持不变，因此，按本发明所述的效能仍可达到。
一个可取的方案是所述的临界水是温度高于374C、压力高于22MPa的超临界水，而温度高于250C～300C、压力高于10MPa的亚临界水也具有大体上相似的效能。
所述的临界水可以通过与排气进行热交换后生成的亚临界水或超临界水来获得，而柴油机和燃气轮机的排气温度大约是550C或者更高。
在本发明优选的实施例中，一个可取的方案是这样来进行对所述临界水的喷射：即在喷射燃油被点燃之前，水粒子已存在于燃烧室中并已与燃油混合渗透。换句话说，由燃油燃烧生成的水粒子和以临界状态存在的水粒子在燃烧过程中并未单独分层。
已经查明，当温度高于250C、压力高于10MPa的亚临界水或超临界水在燃烧室中的燃油被点燃之前喷入时，喷入燃烧室中的临界水粒子就已经与燃油混合渗透。更具体地说，只要当所述的临界水喷入燃烧室中时就与喷入燃烧室中的燃油喷雾混合渗透，使得NOx的排放量显著地减少，发动机功率显著地增加，本发明提到的对临界水喷射定时范围的限制并不是必须的，如图11至图16所示。
附图说明
图1是一个基本配置(1)，显示了按照本发明实施例喷射临界水的柴油机中的燃油喷嘴和临界水喷嘴的位置。
图2是一个基本配置(2)，显示了按照本发明实施例喷射临界水的柴油机中的燃油喷嘴和临界水喷嘴的位置。
图3是一个基本配置(3)，显示了按照本发明实施例喷射临界水的柴油机的一体的燃油喷嘴和临界水喷嘴的位置。
图4是带有喷射临界水的柴油机系统示意图，包括图1至图3所示的配置。
图5显示了四冲程柴油机的气门定时。
图6是一曲线图，显示了由于喷射超临界水发动机输出功率的改进。
图7是一曲线图，显示了由于喷射超临界水排气中NOx排放量的减少。
图8(A)是一曲线图，显示了喷射超临界水与排气的色密度(烟度)减轻之间的关系。图8(B)则显示了喷射超临界水与排气中CO排放量减少之间的关系。
图9是一曲线图，显示了超临界水喷射定时与发动机输出功率改进之间的关系。
图10是一曲线图，显示了超临界水喷射定时与排气中NOx排放量减少之间的关系。
图11是三种不同的临界水喷射定时与NOx排放量减少及发动机输出功率改进之间的比较：第一种情况的临界水喷射区间是从上止点前-45至-15(喷水在点火之前)；第二种情况的临界水喷射区间是从上止点0至+30(喷水在点火之后)；还有一种情况是不喷水。
图12是三种不同的临界水和燃油喷雾混合渗透程度与NOx排放量减少及发动机输出功率改进之间的比较：第一种情况是混合渗透程度增加；第二种情况是混合渗透程度减小。
图13显示了在不喷水的情况下，在-30～+90之间的某个曲轴转角处，燃烧室中的水和温度的分布情况的模拟结果。上面两行显示了燃烧室中水的分布，下面两行显示了燃烧室中温度的分布。
图14显示了在燃烧室中水和温度的分布情况的模拟结果。在第一种情况下，临界水从燃烧室的中心喷入，按曲轴转角计算的喷射范围是从上止点前-45到-15。
图15显示了在燃烧室中水和温度的分布情况的模拟结果。在第二种情况下，临界水从燃烧室的中心喷入，按曲轴转角计算的喷射范围是，从上止点0至+30。
图16显示了在燃烧室中水和温度的分布情况的模拟结果。在第一种情况下，临界水从燃烧室的侧部喷入，按曲轴转角计算的喷射范围是，从上止点前-45到-15。
具体实施方式
现参照附图对本发明的优选实施例作详细的说明。除非有特别注明，实施例各组成部分中涉及到的尺寸，材料，相对位置等仅仅是为了举例说明，而不应该把它们看成是对本发明范围的限制。
图1至图3是按照本发明所举实施例的往复式内燃机，具体地是四冲程柴油机，燃烧室的配置示意图。涉及的发动机1包括气缸10，气缸套11和气缸盖12，安装了活塞环13的活塞14，以及将活塞14的往复运动通过图中未表示出的曲轴传递给负载的连杆15。燃油喷嘴16安装在气缸盖12的气缸中心位置上，并朝向燃烧室20，在喷油嘴的两侧有将空气引导进入气缸10的进气门17和将废气排出气缸的排气门18。吸气，压缩，燃烧和膨胀，以及排气这四个基本循环过程在曲轴每旋转两周内各完成一次，如图5的气门定时相位图所示。
如图5所示，进气门在按曲轴转角计算的上止点前-45至-15的范围内开启，在下止点后+20至+80的范围内关闭，当活塞向上运动时进入气缸12内的空气被压缩。
被压缩空气的温度将升高到喷入燃油的自燃温度以上。当燃油在压缩冲程的终点附近(曲轴转角大约在上止点前-20至-5)从燃油喷嘴16喷出时就被压缩空气的高温加热而点燃，这时气缸内的温度和压力迅速上升，活塞14在通过上止点后就被推向下止点。
在活塞14抵达燃烧和膨胀冲程的下止点之前(大约在下止点前-20至-80)排气门18打开，燃烧的气体由于自身的压力而排出气缸10，随后活塞14向上运动进一步将气体推出。
像这样配置的四冲程发动机已为人们熟知。
燃油喷嘴16的驱动，已及进气门17和排气门18的开闭由图中未表示出的曲轴通过定时齿轮驱动机构完成。
临界水喷嘴21安装在燃烧室20的上方进气门17和排气门18的外侧。
应该对临界水的喷射定时、临界水喷嘴21的安装位置以及喷孔的直径及方向进行合理的选择，以便使燃油喷雾与在燃烧室内膨胀的临界水的粒子能很好地接触，换句话说，应使燃油喷雾与临界水能很好地混合渗透。
例如，在图1中，燃油喷嘴16处在气缸的上方燃烧室20的中心，临界水喷嘴21的安装则是将其喷孔(一孔或多孔)倾斜正好对着气缸的中心一侧。
在这种情况下临界水喷嘴21相互远离，因为它们被夹在进排气门17和18的中间，因此，需要确定临界水的喷射速度，使得从临界水喷嘴喷出的临界水与燃油喷雾在燃烧室内能很好地混合渗透。具体地说，采用较小的喷孔(一孔或多孔)直径来增加喷射速度是适宜的，这就是说需要增加临界水的喷射压力。
在图2中，临界水喷嘴21与燃油喷嘴16均处在燃烧室20的中心部位切彼此相邻，它们之间的距离很小，因此，从临界水喷嘴21喷出的临界水与喷入燃烧室20的燃油喷雾能够充分地混合渗透。
在图3中，使用了一种双液体喷嘴22，它将燃油喷嘴与临界水喷嘴合为一体。在本实施例中，燃油喷孔150与临界水喷孔210的位置在垂直方向上是不相同的，燃油从下方的孔150喷出，临界水从上方的孔210喷出。由于上方孔和下方孔之间的距离很小，因此从上方孔210喷出的临界水与从下方孔150喷进燃烧室的燃油能充分地混合渗透。
临界水喷嘴孔210的开启和关闭定时可以与进排气门定时一起由正时齿轮机构来确定并由曲轴驱动，或者由控制器022(见图4)发出的信号来控制。当控制器探测到气缸内的压力和温度等运行条件及曲轴转角后就会发出相应的信号。
在由控制器022发出信号来控制临界水喷射定时的情况下，临界水喷射的开始时间最好是在气缸内的温度上升到高于临界水的温度之后，并且是在燃烧室内的燃油被点燃之前，它可能是在按曲轴转角计算的上止点之前-90至-10的范围内，特别是有可能在-80至-20的范围内，而更为可取的是在-60～-20至-30的范围内。临界水喷射的结束时间应早于+30(上止点后30)，优选地是0(正好在上止点)，特别是可以选在上止点之前-5或正好是在燃烧室中的燃油被点燃之前。
当临界水的喷射定时由曲轴转角决定时，临界水喷射的开始时间由正时齿轮机构确定，这时将不探测气缸内的温度等参数。
图4是使用控制器的系统实施例，其中发动机1配备了临界水喷射装置。
在该实施例中，供给的水2通过泵3被加压到10MPa或者更高，最好是22MPa或者更高，然后用一个热交换器9或者用一个热交换器9和加热器30一起将其加热到250C或更高，但最好是374C或更高。
在热交换器9中产生的高于250C和高于10MPa的亚临界水，最好是高于374C和高于22MPa的超临界水，按控制器022确定的喷射定时从临界水喷嘴21喷出。喷射的延续期最好是这样来确定：即使得临界水的喷射数量按质量计算能满足下列比例：燃油/空气/临界水＝1/30/1～4。
下面将对采用图4所示系统所得到的试验结果作一说明。试验的条件如下：
燃油喷射延续期：上止点前-6至上止点后+24；
临界水喷射开始时间：上止点前-50至上止点0；
临界水喷射压力：35MPa；
临界水喷射量：是燃油喷射质量的1～5倍。
图6显示了发动机的输出功率与水的喷射温度之间的关系。纵坐标表示喷射临界水后的功率与未喷射临界水的功率(假定是100)之比。当温度升高时，水的相位将达到亚临界或超临界区域，当喷射温度进入到250 C～300C或更高的区域、特别是进入到374C或更高的区域后，功率就能得到改善。
图7表示排气中NOx的密度与喷水温度的关系。可以看出，即使温度低于250C，NOx的排放也能得到改善。然而，与图6的结果一起进行评价可以看出，经过喷射温度高于250C的亚临界水或温度高于374C的超临界水后，功率和NOx的排放都能得到改善。
图8(A)表示排气的烟度与喷水温度的关系。可以看出，在高于250C的亚临界温度区域和高于374C的超临界温度区域内排气烟度都能得到改善。
图8(B)表示排气中CO的密度与喷水温度的关系。可以看出，在高于250C的亚临界温度区域和高于374C的超临界温度区域内，CO的密度都能得到改善。特别是在高于374C的超临界温度区域内改善尤为明显，这表明着时发动机的燃烧效率已大大改善。
下面将对发动机的功率和排气中NOx的密度与喷水开始时间的关系作一说明。图9表示了发动机的功率与喷水开始时间的关系。试验是用350C的亚临界水和450C的超临界水来进行的。在这两种情况下，当喷射是在曲轴转角为-80至-20的范围内开始时，发动机的功率能得到改善。
图10表示排气中NOx的密度与喷水开始时间的关系。试验是用350C的亚临界水和450C的超临界水来进行的。在这两种情况下，喷水的开始时间比燃油在燃烧室中的点燃时间越是提前，NOx的密度就越减小。
因此，在设置临界水的喷射开始定时之时，如果着眼点放在功率上，最好是将曲轴转角定时设置在-90至-10的范围内，特别是可以设置在-80至-20的范围内，这一范围是处在燃油被喷射之前的压缩冲程的后一阶段。如果着眼点放在NOx上，则喷射定时越是提前改善就越明显。
下面将参照图11至图16对本发明的模拟试验作一说明。
图11表示了图2所示发动机模拟试验的结果。在第一种情况中，燃油喷射的延续期从-6至+24，临界水喷射的延续期从-45至-15(喷射在燃油被点燃之前)；在第二种情况中，燃油的喷射延续期从-6至+24，临界水的喷射延续期从0至+30(喷射在燃油被点燃之后)。最下面的-种情况是燃油的喷射延续期从-6到+24，但不喷临界水，它可以用来与前两种情况进行比较。
临界水的喷射压力为30MPa，温度为423C，被喷射的临界水与被喷射的燃油之间的质量比是1∶1。
在每种情况下燃烧室中水的分布情况和温度的分布情况如图13至图15所示。在各图中，上面的两行显示了在-30～+90之间的某个曲轴转角下燃烧室内的水分布情况，下面的两行显示了在-30～+90之间的某个曲轴转角下燃烧室内的温度分布情况，其中0代表上止点。在全部三种情况中，点火均在-5左右开始。
在不喷临界水的情况中，点火在-5左右开始，燃烧产生的水粒子(水蒸汽)在燃烧室中逐渐扩散直到30。关于温度分布，在曲轴转角为0～30期间有一个区域的温度上升到2000C～3000C。在这种情况中NOx的密度较高如图11所示。
在第二种情况中，临界水的喷射延续期是从0到30(喷射在燃油被点燃之后)，点火在-5左右开始。由于临界水是在燃油被点燃之后的0到30区间内喷射，因此水粒子(水蒸汽)会迅速扩散一直到30，如图15所示。在燃油被点燃之后再进行喷水的情况下，燃烧室内的温度比不喷水时要低，但是，在曲轴转角为0～30期间，仍然有一个区域的温度上升到2000C～2500C。因此，与不喷水的情况相比较，NOx的含量可减少大约25％，发动机的效率可提高大约1％，如图11所示。然而，与第一种情况相比较，喷射临界水的作用是非常小的。
在第一种情况中，临界水喷射的延续期是从-45到15(喷射在燃油被点燃之前)，正是由于临界水在燃油被点燃之前的-45就开始喷射，水粒子在曲轴转角为30时在燃烧室中已得到充分地扩散，即使在60仍有足够多的水粒子存在，如图14所示。在这第一种情况中，水喷射在点火之前，当曲轴转角在15～30期间，燃烧室中的温度比第二种情况要进一步下降到低于2000C。这时，NOx的含量只有不喷水时的20％，即降低了80％，发动机的效率也提高了大约5％。与第二种情况相比，喷射临界水的作用是十分明显的。
可以看出，在采用相同喷射量/温度/压力的条件下，在喷射临界水对减少NOx含量和提高发动机效率的作用方面，将第一种情况下的喷射临界水在燃油点火之前(燃油喷射之前)与第二种情况下的喷射临界水在燃油点火之后进行比较，前者的作用较大。
下面将参照图12对临界水与燃油喷雾混合渗透程度的作用作一说明。
第一种情况显示的结果是，在如图2或图3所示的发动机中，临界水和燃油是从燃烧室的中心部位喷出的，水与燃油喷雾的混合渗透程度得到增强。
第三种情况显示的结果是，在如图1所示的发动机中，临界水和燃油是从燃烧室的侧面喷出的，水与燃油喷雾的混合渗透程度被减弱。这里，燃油和临界水的喷射定时与第一种情况相同。
临界水以30MPa的压力和423C的温度喷射，临界水与燃油的喷射质量比是1∶1，这与第一种情况相同。
在第三种情况中，虽然临界水的喷射是开始于时间较早的-45曲轴转角，但是水粒子并未充分地扩散，从图16中可以看出，即使在开始点火的-5也是如此，因此可以说它的混合渗透程度是低的。还可以看到，当曲轴转角是15～30时，在水粒子尚未充分扩散到的部位，还存在2000C或温度更高的区域。
从图14可以看出，在第一种情况中，在0～-60区间内，由燃油燃烧产生的水粒子与喷射临界水产生的水粒子已充分地扩散开来。这就意味着，有充足的水存在于燃油喷射区域内，并且在图14的第一种情况中，燃油与水的充分混合渗透已在燃油被点燃之前发生。
与此相反，在图16的第三种情况中，只有少量的水存在于燃油喷射区域内，在燃油被点燃之前，燃油与水的混合渗透程度较低。
从图12看到的结果是，NOx的含量变成在不喷水的情况下的40％，效率提高了2％，其改善程度没有达到第一种情况的水平。
因此，可以这样说，在采用相同喷射量/温度/压力的条件下，在喷射临界水对减少NOx含量和提高发动机效率的作用方面，将图14所示的具有强混合渗透的第一种情况与图16所示的具有弱混合渗透的第三种情况进行比较，前者的作用较大。
因此，也可以这样说，在临界水采用相同喷射量/温度/压力的条件下，将第一种情况与第三种情况进行比较，在喷射临界水对减少NOx含量和提高发动机效率的作用方面，水与燃油喷雾混合渗透程度高的作用较大。因此，为了尽可能地减少排气中的NOx含量和提高发动机效率，在燃油被点燃之前喷射临界水，使燃油喷雾与水的喷雾混合渗透是必要的。
模拟试验的结果并不否定如图1所示的从燃烧室的侧面喷射临界水的方法。从燃烧室的侧面喷射临界水的方法是可以接受的，一旦水喷入后，只要能保证在燃油被点燃之前水的喷雾与燃油的喷雾能得到充分地混合渗透，这个方法就是可取的。
工业中的适用性
如以上所述，按照本发明，用泵将水增压到亚临界或超临界的压力水平，并加热到亚临界或超临界的温度水平，将这样生成的水在燃油被点燃之前喷入燃烧室，使得水与喷入燃烧室的燃油喷雾互相混合渗透。由于亚临界水或超临界水独特的物理和化学性能使得燃烧室中的燃烧得到改善，低排放燃烧也能达到。更具体的说，除了能够减少氮氧化合物和一氧化碳以外，发动机的效率和输出功率都能提高。

Claims (10)

1.一种用喷射临界水来运行内燃机的方法，在该方法中液体和气体燃料如像石油族燃料，氢气，天然气，酒精等在燃烧室中燃烧，燃烧的气体就作为工作介质，其特征在于，温度高于250C、压力高于10MPa的亚临界水或超临界水(以后均简称为临界水)在压缩冲程期间、在喷入的燃油被点燃之前喷射到燃烧室中。
2.按照权利要求1所述的一种用喷射临界水来运行内燃机的方法，其特征在于，所述的发动机是一种往复式活塞内燃机，它的吸气、压缩、燃烧和膨胀、以及排气冲程由曲轴转角来限定，所述临界水的喷射延续期为从上止点前90开始到上止点后30结束。
3.按照权利要求1所述的一种用喷射临界水来运行内燃机的方法，其特征在于，所述临界水的喷射延续期为从上止点前80开始到上止点0结束，整个过程处在如权利要求2所述的往复式内燃机的压缩冲程期间。
4.按照权利要求1所述的一种用喷射临界水来运行内燃机的方法，其特征在于，在权利要求3所述的往复式内燃机中，所述临界水的喷射延续期为从上止点前80开始到燃烧室中的燃油被点燃之前结束，喷射结束在上止点前5或正好在上止点之前。
5.按照权利要求1所述的一种用喷射临界水来运行内燃机的方法，其特征在于，所述的临界水是温度高于374C、压力高于22MPa的超临界水。
6.按照权利要求1所述的一种用喷射临界水来运行内燃机的方法，其特征在于，所述的临界水是经过与发动机的排气进行热交换后生成的亚临界或超临界水。
7.按照权利要求1所述的一种用喷射临界水来运行内燃机的方法，其特征在于，喷入所述临界水使得所述的临界水的粒子在燃油被点燃之前存在于燃烧室中并与喷入燃烧室中的燃油喷雾混合渗透。
8.按照权利要求1所述的一种用喷射临界水来运行内燃机的方法，其特征在于，所述的临界水被喷入后，由燃油燃烧生成的水粒子与临界水的粒子在燃烧过程中以不单独分层状态存在。
9.一种用喷射临界水来运行内燃机的方法，在该方法中液体和气体燃料如像石油族燃料，氢气，天然气，酒精等在燃烧室中燃烧，燃烧的气体作为工作介质推动内燃机运转，其特征在于，温度高于250C、压力高于10MPa的亚临界水或超临界水在燃油被点燃之前喷入燃烧室中，临界水喷雾的粒子与燃油喷雾的粒子互相混合渗透。
10.按照权利要求9所述的一种用喷射临界水来运行内燃机的方法，其特征在于，所述的临界水被喷入到燃烧室中与被喷入燃烧室中的燃油混合渗透。
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