CN1463325A - 往复内燃机的操作方法及其系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种往复内燃机的反馈－复合系统，其中，为了通过在不增加比传统水平更大的最大燃烧温度并同时减少如NOx的排放而提高输出和热效率，在与排气总管连接的排气涡轮机的下游安装了热交换器，压力在18MPa和22.1MPa之间(临界压力)与温度在250℃和580℃之间的亚－临界水或超－临界水，由供给带有废气的热交换器的水的热交换生成，所述亚－或超－临界水被喷入范围在90°前上死点和30°后上死点内的气缸中，喷油被喷入，以便最大输出时的空气过量比率为1～2.5，最大燃烧温度为1600～2000℃。

Description

往复内燃机的操作方法及其系统
技术领域
本发明涉及操作内燃机的方法及其系统，以便在燃油喷射量增加和最大燃烧温度抑制在传统水平的情况下通过将亚-或超-临界水喷入内燃机的气缸来提高输出，改善效率，并减少废气排放。
背景技术
中/大型往复内燃机，由于其高成本效率，被广泛地引入市场，用于推动船只、一般工业、商业用途等。然而，用户对于成本效率和生态友好的需求变得日益加剧，单位输出功率的成本、燃油消耗和有害排放的进一步减少变得迫切。通过增加内燃机功率的成本下降(紧凑和高功率)，从LCA(生命周期评价)的角度看已经变成社会需求。
已经有了一种提高内燃机效率和输出的方法，即将内燃机与蒸气涡轮机结合在一起，使蒸气涡轮机能够在底部循环下操作，即所谓的串联组合系统。主要使用燃气轮机作为内燃机的系统已经投入实际应用。在象这样的系统中，内燃机废气的部分热得到应用，热效率因而得到改善，然而，除了内燃机还需要一个燃气轮机导致不紧凑，这并不总是能够实现重量、空间和单位输出功率成本的下降。
图11表明了使用往复内燃机的所述串联组合系统的一个示例，其中，来自涡轮增压的往复内燃机101的废气涡轮增加器103的废气涡轮机104的废气被引进热交换器106。由所述废气涡轮增加器103的压缩机105压缩的气体，通过空气冷却器107被供应到发动机101的气缸。所述热交换器通过一个水泵P供给水，水在热交换器中被来自所述涡轮机的废气加热，变成超加热蒸气，该蒸气被送到蒸气涡轮机115。超加热蒸气在驱动发电机115的蒸气涡轮机115中膨胀。温度降低了的湿蒸气在冷凝器117中被冷却，凝结成液体水，通过泵P再被送到热交换器。
所谓的Cheng循环在美国专利3978661或日本专利54-34865中作为平行-复合二元-流体热机公开，其中，在废气锅炉中生成的蒸气被喷入燃气轮机的燃烧器中，用于增加输出和改善热效率。这一循环旨在通过将经与燃气轮机的废气热交换生成的蒸气喷入燃气轮机的燃烧器来提高输出和热效率，被喷射的蒸气与燃烧气体混合，并形成为燃烧室中的超热蒸气，燃烧气体与蒸气的混合流体被作为工作流体供给燃气轮机或膨胀器。工作流体的热能主要由超加热蒸气携带，而由燃烧气体携带的部分热能比超加热蒸气的要小。即，燃料的能量主要用来生成超加热蒸气，因此所述燃烧器是一种通过燃烧气体与蒸气的直接接触生成超加热蒸气的锅炉。
一种狭塞尔-兰金循环住复发动机在WO 99/37904中公开，其中，通过经由与废气热交换加热发动机冷却水和的燃烧气体生成的温度最好为580℃或更低以及压力为18MPa或更低的蒸气，在被喷入气缸的燃油点火前被喷入气缸，以便蒸气不干涉被喷的燃油。
在日本专利申请公开文本No.6-137218中公布了一项技术，其中，氢氧化钾的水溶液被加到并与柴油发动机燃油混合，受压并加热到超过水的临界压力的高压和高温以便与带有氢氧化钾的燃油中与硫结合，该混合物被喷入气缸中被燃烧。然而，虽然临界水的特性在上述技术中被使用，临界水被用来通过使硫和氢氧化钾结合将重油中的硫分离，而不是用来减少NOx和CO。水溶解之于燃料的混合可能导致不成功的自燃并减少输出。
特别是，对于中/大型柴油发动机来说，强烈需要将NOx减少到最低限度，以便减少脱硝成本，大大改善减少CO2的热效率。
发明内容
本发明试图通过将亚-或超-临界水喷入往复内燃机的气缸提高输出，同时改善热效率，并减少排放。本发明的目的就是提高输出，而无需对往复内燃机的主要部件进行修改且无需如所述串联组合系统那样提供蒸气涡轮机等。
为了达成上述目的，根据本发明，一种诸如石油类燃油、氢、天然气、酒精之类的液体或气体燃油在其中燃烧并且燃烧气体用作工作流体的内燃机，按如下方法操作，即加量的燃料被喷入，压力在18MPa和22.1MPa之间(临界压力)、温度在250℃和580℃之间的亚临界水或超临界水(以下称为亚-或超-临界水)，在上死点前90°和上死点后30°之间的范围内被喷入气缸中，以便最大输出点的过量空气系数为1～2.5。
众所周知，通过将水或蒸气喷入进气管或往复内燃机的气缸来降低燃烧温度，就可以减少NOx。水(H2O)的临界点在温度上为374.1℃，在压力上为22.1MPa。在临界状态，液相和汽相之间没有区别，临界状态中的分子的行为如同汽相中的，虽然其密度与液态的相同。物理和化学特性在临界点附近广泛变化。
本发明积极应用亚-或超-临界水的特性。即，当亚一超临界水的介电常数变得如同有机溶剂的一样低时，亚-或超-临界水与碳-氢化物类燃料的互溶性提高了，且由于亚-或超-临界水的增加了的扩散常数，容易形成混有燃料的水的均质相。因此，局部高燃烧温度的点或区域的数量下降，导致NOx生成的减少。此外，亚-或超-临界水还与氧之类的气体形成均质相，所以，燃料被有效地氧化了，这在减少CO和烟浓度(黑烟)方面是有效的。亚-或超-临界水的存在还增加了离子产物，实现了酸/碱的催化作用，导致NOx和CO的减少。
超-临界水是温度和压力在临界点之上的H2O，然而，亚-临界水并没有明确地定义。亚-临界水在本发明中定义为压力在18Kpa和22.1Mpa(临界压力)之间、温度在250℃和580℃之间的H2O。
对于抽吸、压缩、燃烧和排气冲程根据曲轴转角确定的往复活塞式内燃机来说，所述亚-或超-临界水的喷射从开始到结束的期间是在从90°BTC(上死点前)到30°ATC(上死点后)的范围内，从80°BTC到0°(上死点)的范围内更好，最好是在从80°BTC直到燃油在燃烧室内点燃的范围内且喷射在5°BTC或刚好在此之前结束。
然而，如果临界水喷射的开始是在距上死点的-90°～-10°，特别是-80°～-20°，最好是-60°～-20°至-30°的范围内，由于活塞处于压缩冲程的靠后阶段，因其即时扩散造成的喷射的临界水的压力降小，所以，被喷射临界水的超-或亚临界状态得以维持，并有效地得到了根据本发明的所述效果。
气缸中的压力和温度随活塞的位置，即是说随着曲轴角度而变动，另一方面，将亚-或超-临界水喷入气缸需要一些时间。因此亚-或超-临界水必须以大于气缸中压力的压力喷入气缸。
如果在燃油被喷射前气缸中的压力比较低时，所述亚-或超-临界水被喷射，亚-或超-临界水被转换为压力与温度与气缸中的压力与温度接近的蒸气，作为亚-或超-临界水的作用丧失了，且蒸气只是用于增加工作流体的量和比热。如果在接近燃油喷射开始的时间或于燃烧期间气缸中的压力较高的时候被喷射，亚-或超-临界水穿过气缸中的空气，与燃油喷雾碰撞，因此，它与燃油喷雾混合，并促进燃烧，尽管它降低了燃烧火焰的温度。
因此，亚-或超-临界水的喷射最好与燃油的喷射同时，或在压缩冲程中在燃油喷射前开始。
当湿水蒸气被喷射时，由于湿气中的液体水的潜热较大它冷却并熄灭火焰，且燃烧被阻止了。但是，由于接近临界点的亚-临界水只含有很少量的液体水，其潜热不大，燃烧较小地受到影响。因此，如果亚-临界水在接近燃油喷射开始时被喷射，其温度最好不要太低于临界温度。被喷射的亚-或超-临界水的温度在燃烧继续进行并均匀地与燃油和空气混合，以如前所述促进燃烧时上升了，NOx，CO等的生成受到抑制。
通常，进气压力约为0.4MPa，其温度约为50℃，当前的中/大型超增压式、内冷却发动机中的最大燃烧温度达到1600℃～2000℃。过量空气系数约为2.5那么大，以便将最大燃烧温度保持在2000℃内。通过根据本发明将亚-或超-临界水喷入气缸中，气缸中的燃烧被促进了，工作流体的量及其比热增加了，热吸收能力因而提高了。因此，即使增加了燃油喷射量使得过量空气系数小于2.5，最大燃烧温度也能够保持低于2000℃。输出可以通过增加燃油输入而增加。
这里，在权利要求6中提出了一个往复内燃机系统，其中，诸如石油类燃油、氢、天然气、酒精之类的液体或气体燃料在其中燃烧，并且燃烧气体用作工作流体，其中，系统包括：
用于生成压力在18MPa和22.1MPa之间(临界压力)与温度在250℃和580℃之间的亚-临界水或超-临界水(以下称为亚-或超-临界水)的装置。
用于在上死点前90°和上死点后30°之间的范围内将亚-或超-临界水喷入气缸中的装置，以及
用于控制燃料喷射量的装置，使得由于空气与亚-或超-临界水混合的环境中亚-或超-临界水的存在造成的燃烧气体温度下降通过燃油喷射量的增加被阻止，且在最大燃烧温度为1600～2000℃的情况下最大输出时的过量空气系数为1～2.5。
这里，用于生成亚-或超-临界水的所述装置最好是设置在增压力往复内燃机的涡轮增加器的废气涡轮机下游侧的废气/H2O热交换器。
此外，最好是装配一个控制装置，用来调节供向热交换器的废气流速和H2O的压力，用来生成所述温度和压力范围的亚-或超-临界水。
最好安装一个使废气涡轮增压器的涡轮机中的膨胀率可变的装置，作为用于通过控制向所述热交换器供给的废气量控制所述亚-或超-临界水温度的装置。
同样优选的是，设置装有分流调节装置的分流通道，用来在废气进入废气涡轮增压器的废气涡轮机前向热交换器供给部分废气，以便控制所述亚-或超-临界水的温度。
由于在低废气温度期间不能得到亚-或超-临界水，除所述废气/H2O热交换器外，最好设置一生成所述亚-或超-临界水的第二装置，将所述第二装置生成的亚-或超-临界水在发动机操作开始时喷入内燃机气缸。
最好是，当过量的亚-或超-临界水由所述用于生成亚-或超-临界水的装置生成时，由用于生成亚-或超-临界水的所述装置生成的部分亚-或超-临界水返回到发动机的排气侧，且适量的亚-或超-临界水被喷入气缸。
此外，最好将燃油供给到位于用于生成亚-或超-临界水的所述装置上游侧的发动机排气管以在排气管中燃烧，更可取的是，燃料和在废气涡轮增加器压缩机中被压缩的部分气体供给位于生成亚-或超-临界水的所述装置上游侧的发动机排气管以在排气管中燃烧燃料。
图12是将本发明反馈-复合系统中和其中通过与废气热交换回收的热能用作蒸气或热水的传统系统中的热量转移进行比较的示意图。
在图12(A)的传统系统中，假设由燃料供给发动的热量为1，轴输出为α，由冷却水带走的冷却损失和由发动机表面辐射的热量为δ，废气热量为β。部分废气热γβ是通过供给热交换器的水(H2O)与废气的热交换并由在热交换器中生成的蒸气或热水携带的回收的回收热能，β(1-γ)作为最终废气被释放到大气中。
在图12(B)的本发明的系统中，供给热交换器的水(H2O)通过与废气热β∞热交换形成具有热能γβ∞的亚-或超-临界水，并被喷入气缸。在这种情况下，与传统情况相比，由燃料供给发动机的热增加了κγβ∞以提供1+κγβ∞的热。燃油供给的这种增加是为了使最大燃烧温度大致相同于传统系统中的情况。
就是说，气缸中的工作流体量由于将亚-或临界水喷入气缸而增加了，且由于亚-或临界水的比热大于气缸中的空气或燃烧气体的比热，工作流体的比热增加了。所以，如果燃油供给量与传统系统的供给量相同，最大燃烧温度下降。增加所述燃油供应，是为了将最大燃烧温度保持在与传统系统情况下大致相同的水平，如在1600-2000℃。
结果，轴输出增加到α∞，冷却/辐射损失也增加到δ∞，释放到大气中的热为δ∞(1-γ)。因此，轴输出增加到α∞/α倍，发动机的热效率增加到传统情况下的α∞/α(1+κγβ∞)倍。
在同样最大燃烧温度条件下，输出和热效率增加的比例相对于亚-或超-临界水GW的喷射量对燃油的喷射量GF的比的计算结果，如图13所示。
在根据本发明的系统中，当亚-或超-临界水的喷射量增加时，燃油供给增加，以便最大燃烧温度与传统系统的相同。如图13所示，输出和热效率在与传统发动机同样的最大燃烧温度条件下随GW对GF的比的增加而增加。Gw/Gf的值根据可允许的最大燃烧压力限定，因为气缸中工作流体的量随亚-或超-临界水的喷射的增加而增加，且相应地最大燃烧压力增加。因此，亚-或超-临界水的喷射量受限于最大燃烧压力被允许的程度。在本发明中，亚-或超-临界水在90°BTC到ATC30°之间的范围喷射，使得在增加的燃料供给的情况下最大输出时的过量空气系数为1～2.5。
在本发明的系统中，κγβ∞的热量，即κ乘以从β∞的废热回收的γβ∞的热量，以参与复合气体-蒸气循环的亚-或超-临界水以及附加燃油的形式被反馈回发动机。
由于被喷射的亚-或超-临界水的比热是燃烧气体(空气与气缸中被燃燃油的混合物)的大约2倍，燃烧热由被喷射的亚-或超-临界水有效地吸收。就是说，当其每单位质量吸收相同的热时，温度的升高大约是空气或燃烧气体的一半或更小，所以燃油供给可以增加，同时将燃烧温度保持到与传统系统燃烧温度同样的水平。
被喷射的亚-或超-临界水在气缸中与燃烧气体共同膨胀，将活塞向下推动，增加发动机的输出。
被喷射的亚-或超-临界水在高最大温度和高最大压力的往复循环中操作，所以，循环效率高于传统系统的蒸气涡轮的效率。
与其中蒸气温度一般为600℃或更低、压力为若干MPa到最多为十几MPa的蒸气涡轮中实现的兰金循环相比，被喷入往复内燃机的气缸中的亚-或超-临界水，在其中在所述最新型高输出发动机情况下最大温度为1600℃或更高和最大压力为20～25MPa的循环中工作，因此工作流体的亚-或超-临界水部分的循环效率类似于往复内燃机的固有循环效率那样高。因此，输出在燃油供给增加和热效率增加的情况下得以增加。
内燃机的热效率随着燃烧温度的增加而增加，但从发动机组成部件热载荷和NOx生成的角度上看，受到限制，所以就要求将燃烧温度保持尽可能地低。
从燃料生成的水以高温和高压状态包含在燃烧气体中，当燃油按理论空气/燃油比燃烧时，其数量大约为燃烧气体的8％。通常，最新型高输出发动机的过量空气系数在最大输出时约为2.5，所以过量空气系数在最大输出时大约为3.2％。通过将亚-或超-临界水喷入气缸中来增加工作流体的量和比热，更多的燃油可以被燃烧，并可以从大小与重量与传统发动机相同的的发动机中得到更多的输出。
压缩点火内燃机的输出逐年增加。例如，缸径为300～450mm、旋转速度为400～500rpm的中型柴油发动机的最大气缸压力达到了20MPa，此外，25MPa最大气缸压力的发动机已经摆在桌面上供考虑。
通常，最大燃烧温度随着气缸中最大压力的增加而增加，且NOx也增加了。机械强度通过将诸如机构分析之类的技术投入充分应用而增加以应付不断增加的最大气缸压力。解决由于最大燃烧温度的增加而增加的热载荷包括更困难的问题。根据本发明，最大燃烧温度与传统发动机一样，保持在1600～2000℃，且输出增加了。结果，可以得到重量、尺寸和单位输出成本都小的发动机。
当所述亚-或超-临界水在压缩冲程中心中途或上死点后被喷入气缸时，与当水或蒸气被喷入进气管时相比，压缩亚-或超-临界水消耗较小的功(当所述亚-或超-临界水被在压缩冲程中喷入时，气缸中的压力增加，以增加压缩功，但压缩功的这一增加比水或蒸气被喷入进气管时要小)。
过热蒸气的比热大于空气和压缩气体的比热，因此，比热比，即过热蒸气的绝热系数比空气和压缩气体的小。工作流体的比热比越小，每单位量工作流体作用在活塞上的膨胀功越大，所以，热效率就越高。这里，过热蒸气指温度比饱和蒸气高的蒸气。因此，亚-或超-临界水的喷射通过增加工作流体的比热比也具有增加热效率的效果。
可由传统内燃机的废气热生成的蒸气在能量上低(实用的蒸气能量水平)，其量大约是被喷射的燃油量的2.5到3倍。本发明的反馈-复合系统使得可以通过废气热生成亚-或超-临界水，因为废气的量和比热由于亚-或超-临界水的喷射而增加，在热交换器中释放的热对相同的温度降较大。该系统对涡轮增压的往复内燃机特别有效，因为其工作流体通过涡轮增压而增加了。
另外提供独立的涡轮机是适当的，该涡轮机供以从发动机的气缸释放出的废气，以便驱动与之连接的发动机等，来自涡轮机的废气被引入所述热交换器。对于该系统来说，废气能量大，所以它适合于在废气能量大于驱动涡轮增加器以向发动机供应空气所需的废气能量时，通过所述独立涡轮机吸收过量废气能量。
附图说明
图1(A)是表明根据本发明实施例的喷以亚-或超-临界水的柴油发动机的燃油喷嘴和亚-或超-临界水喷嘴的位置的基本结构(1)的示意图。
图1(B)是表明根据本发明实施例的喷以亚-或超-临界水的柴油发动机的燃油喷嘴和亚-或超-临界水喷嘴的位置的基本结构(2)的示意图。
图2是喷以亚-或超-临界水的柴油发动机的系统的示意图。
图3是表明4-冲程循环柴油机的气门定时的示意图。
图4是根据本发明的反馈-复合系统的第一实施例的示意图。
图5是根据本发明的反馈-复合系统的第二实施例的示意图。
图6是根据本发明的反馈-复合系统的第三实施例的示意图。
图7是根据本发明的反馈-复合系统的第四实施例的示意图。
图8是根据本发明的反馈-复合系统的第五实施例的示意图。
图9是根据本发明的反馈-复合系统的第六实施例的示意图。
图10是根据本发明的反馈-复合系统的第七实施例的示意图。
图11是传统串联组合系统的实例的示意图。
图12是解释传统系统和本发明的反馈-复合系统中的热量转移的示意图。
图13是表明相对于亚-或超-临界水Gw的喷射量对燃油的喷射量Gf的比的输出和热效的增加比例的曲线图。
图14是狄塞尔循环的P-V示意图。
图15是解释狄塞尔循环和喷入气缸中的亚-或超-临界水在气缸中操作循环的T-s示意图。
图16是表明由于亚-或超-临界水喷射造成的输出改善(热效率改善)相对于其喷射温度的图解。
图17是表明由于亚-或超-临界水喷射造成的废气中NOx的减少相对于其喷射温度的图解。
图18是表明由于亚-或超-临界水喷射造成的废气中色彩浓度的减少相对于其喷射温度的图解。
图19是表明由于亚-或超-临界水喷射造成的废气中CO的减少相对于其喷射温度的图解。
图20是表明由于亚-或超-临界水喷射造成的输出改善(热率改善)相对于其喷射定时的图解。
图21是表明由于亚-或超-临界水喷射造成的废气中NOx的减少相对于其喷射定时的图解。
具体实施方式
以下将参考附图对本发明的优选实施例作详细说明。然而，要指出的是，除非有特别说明，实施例中各组成部分的尺寸、材料和相对位置等都被解释为仅是说明性质的，而不限定本发明的范围。
图1(A)、(B)表明了根据本发明实施例的围绕往复内燃机、特别是4-冲程循环柴油发动机燃烧室的结构的示例。发动机1包括一个带有气缸衬套11和气缸盖12的气缸10、配装有活塞环13的活塞14和通过附图中未表明的曲轴将活塞14的往复力传送到荷载的连杆15。喷油觜16配装在气缸盖12的中央部分中，在该嘴的两侧配有一个用来将吸入空气引入气缸10的进气门17和一个用于排出废气的排气门18。抽吸、压缩、燃烧和膨胀以及排气的基本过程，以曲轴的每2转完成，如气门定时图的图3所示。
如图3所示，进气阀门从上死点-5°--40°的范围内打开，从下死点+20°-+80°的范围内关闭，气缸12中的进入空气在活塞向上移动时被压缩。
受压空气的温度上升到所喷燃油的自燃温度以上。当燃油在接近压缩冲程终了(在从上死点大约-5°--20°处)从喷油觜16喷出时，燃油被受压空气的高温加热并点燃燃烧，温度和压力迅速上升，活塞14在通过上死点后被向下推向下死点。
排气门18在活塞14到达燃烧和膨胀冲程的下死点之前(在从下死点大约-20°--80°处)打开，燃烧气体通过其自身的压力冲出气缸10，然后，气体在活塞14向上移动时被它推出。
象这种结构的4-冲程循环发动机是众所周知的。
燃油喷觜16的驱动和进气门17与排气门18的打开/关闭是通过被在附图中未示的曲轴的旋转驱动的定时齿轮和凸轮完成的。
亚-或超临界水喷嘴(sub-or super-critical water injection nozzle)或各喷觜21配置在燃烧室20的上部。喷嘴或各喷嘴21的打开/关闭可以象进/排气门那样通过曲轴的旋转驱动的定时齿轮和凸轮来完成，或者可以借助于通过监测气缸中的压力和温度和曲轴旋转角度来控制喷射定时的控制器22(见图2)来完成。
选择亚-或超临界水喷射的定时、临介水喷嘴21的位置及其喷射孔的直径和方向是适当的，以便喷射燃油与在燃烧室中膨胀的临界水的颗粒接触，换言之，以便临界水与燃油喷雾相干扰。
例如，在图1(A)中，燃油喷射嘴16被装在在气缸的上部形成的燃烧室20的中央部位，并配置了亚-或超临界水喷射嘴21，以便其喷射孔或各喷射孔倾斜并指向气缸的中央侧。
在这种情况下，喷射嘴21设置得彼此远离，因为它们设置得将进气门和排气门17、18夹设在其间，所以就需要如此确定亚-或超-临界水的喷射速度，使得从喷射嘴21喷射出的亚-或超-临界水与燃烧室中的燃油喷雾束相干扰。具体而言，通过小直径的喷射孔或各孔提高喷射速度是合适的，即提高临界水的喷射压力。
在图1(B)中，临界水喷射嘴21和燃油喷嘴16彼此相邻地位于燃烧室20的中央部分，它们间的距离很小，所以，从喷射嘴21喷射出的亚-或超-临界水与喷入燃烧室20中的燃油喷雾束充分干扰。
图2是其中发动机1配有喷射临界水的装置的系统的实施例。
在该实施例中，有待供送的水2被加压到18MPa或更高，最好是22MPa或更高，然后通过其中另外配有加热器30的热交换器9加热到250℃或更高，最好是374℃或更高。
最好将水加压到35MPa或更低，因为压缩到不必要的高压会导致给水加压的功率增大。
在此实施例中，高温蒸气在其中流动的加热器30设置在热交换器9中，以便与发动机1的废气4一起共同对水加热。然而，当亚-或超-临界水的喷射量增加时，废气的热能量增加，因此，亚-或超-临界水可以通过仅由废气加热来生成。
所述控制器22控制燃油、亚-或超-临界水的喷射量以及亚-或超-临界水的喷射定时，使得最大输出时的过量空气系数为1-2.5。
图4表明了根据本发明的系统(反馈-复合系统(feedback-compoundsystem))的第一实施例的示意结构。在图4中，从往复内燃机101的排气总管102流出的废气被引入透平增加器103的透平机104。从透平机104流出的废气然后被引入热交换器106，由水泵P加压到18MPa或更高的水送入热交换器106，加压的水通过与来自透平机104的废气热交换被加热，而形成有待喷入发动机101的气缸的亚-或超-临界水。
由与透平机104连接的压缩机105压缩的空气通过穿过空气冷却器107被冷却，并被引入到发动机101的气缸中。参考号数110表示一台诸如发电机、推动器等由发动机101驱动的机器。在热交换器106中与水热交换后，最终废气被释放到大气中。在最终废气中，含有处于与最终废气同样温度和压力状态的由水泵P供应的水。
除了结合图2所述的功能之外，控制器22调节透平机104的透平喷嘴(附图中未示)的出口面积以便调节涡轮机中的膨胀率和供向热交换器的水的压力，以便将所述亚-或超-临界水的压力和温度控制在以前提及的范围。
在此，将对根据本发明的反馈-复合系统循环的运转进行说明。图14表明了柴油发动机的p-v图表，图15表明了用于解释反馈-复合循环的T-s图表。为了便于解释，两个图表表明了理想的循环图表。
在图14中，气缸中的空气压力通过绝热压缩从A升到B，在恒定压力下膨胀到C，同时吸收喷射的燃油的燃烧热Q1，压力通过绝热膨胀从C降到D，燃烧气体被排出气缸，释放废气热Q2，新鲜空气在D至A期间被引入，附图中省略了排气和抽吸冲程。
区域B1BCDAA1B1是工作流体作用在活塞上的膨胀功，区域B1BAA1B1是活塞作用于工作流体的压缩功，区域ABCDA，两个区域之间的差，是指示功率。
在图15中，图14的循环表示为T-s图表，两个图表中的符号A、B、C、D分别与图14中的相对应。在图15中，区域EABCDEF为吸收的热量Q1，区域EADFE是被释放的热量Q2，区域ABCD是以热量单位表示的指示功率。为方便起见，由被喷入气缸并包含在工作流体中的亚-或超-临界水实现的循环在图15中单独表示在右侧，A-B-C-D表明了由不包括亚-或超-临界水的工作流体实现的循环。当然，在其被喷入气缸后，亚-或超-临界水与作为复合工作流体的空气和燃油共同实现所述循环。仅仅为了方便解释亚-或超-临界水在复合循环中的效果，才将由亚-或超-临界水实现的循环单独给出。
在图15的右下方，绘出了水的饱和液体线和饱和蒸气线，表明水的比熵的横座标的刻度是任意确定的，且与循环ABCD的无关。标志K表明临界点，即373.1℃和22.1MPa。
在图11的往复内燃机的串联组合系统的情况下，从气缸释放出的热量Q2的一部分在涡轮增加器103的涡轮机104中利用，来自涡轮机104的废气的剩余热能用来从饱和水R1经过R2和R3产生超热蒸气R4。超热蒸气R4在涡轮机中膨胀，温度降到R5，然后在冷凝器117中冷凝以返回到R1。循环R1-R2-R3-R4-R5-R1是兰金循环。由涡轮机获得的功为区域R1R2R3R4R5R1。R4处的温度低于作为气缸废气的温度的D处的温度，因为R4处的温度是通过与来自涡轮机的废气热交换的所达到的蒸气的温度且比出自涡轮机的废气的温度低，因此低于气缸废气的温度。因此，可以供应并燃烧附加燃油，以提高在热交换器中生成的蒸气的温度，但蒸气涡轮机的进入蒸气温度一般最高限定在大约620℃。
在根据本发明的反馈-复合系统的情况下，亚-或超-临界水由气缸废气或涡轮机废气的热生成，并被喷入气缸。亚-或超-临界水与气缸中工作流体混合并参与狄塞尔循环(diesel cycle)。例如，如果临界水被喷入气缸，其状态发生变化，从K点经过其温度与C点相同的H点以及其温度与D点相同的J点。从J点，它被排出气缸，并穿过排放校正器(exhaust corrector)、涡轮增压发动机情况下的涡轮增压器以及热交换器，被释放到大气中。在该循环中，供给热交换器的水接受由区域N1R1MKHJNN1表明的热量，并释放由区域N1R1MLJNN1表明的热量。因此，用来对发动机作功的喷入气缸中的临界水的热量为区域MKHJLM。
这些区域表明了每单位质量的热量，实际热量通过乘以工作液体的质量获得。(由于熵的刻度在图15中的气体/燃油循环和临界水循环的两种情况下是不同的，这些区域不能作为每单位质量的热量简单地进行比较。)气缸废气具有的热能是区域EADFE和N1R1MLJNN1的总和。具有该热量或在该热量的一部分在废气涡轮机中被消耗后的剩余热量的废气被供应给热交换器。该增加的气缸废热对废气涡轮机和热交换器的分配，是根据系统的使用通过设计条件确定的，或者可以通过用来调节涡轮增加器废气出口处的温度的装置进行调节。
在串联组合系统的情况下，点R4处的压力远低于气缸中最大压力C或H的压力，且温度低于涡轮机废气的温度，如前面所述的那样；即使涡轮机废气通过燃烧附加燃油进行再加热，从涡轮机叶片材料热阻的观点看，蒸气涡轮机的入口蒸气温度也不能上升到柴油发动机气缸中的温度那样高；所以从蒸气涡轮机的兰金循环得到的功小于从与气体和燃油以狄塞尔循环共同操作的被喷入的亚-或超-临界水得到的功，如在图15中可看到的那样。由于蒸气的比热比小于燃烧气体的比热比，工作流体中的蒸气具有提高循环的热效率的效果。
图5表明了根据本发明的反馈-复合系统的第二实施例的图示结构。与图4的不同点是，从排气总管102流出的有待引进废气涡轮机104的气缸废气的一部分通过装配有旁通控制阀120a的旁通管120分流到热交换器106。由热交换器106生成的亚-或超-临界水的温度可以通过借助于控制器22调节经过旁通管120的分流量进行控制。虽然废气涡轮机的驱动力受分流量的影响，但通过改变涡轮机喷嘴面积来调节废气涡轮机中的膨胀比可以进行控制。
除了以前参考图2解释的功能以外，图5中的控制器22利用与旁通管120连接的旁通控制阀120a调节气缸废气的分流量，以便将所述亚-或超-临界水的温度和压力控制到前面提及的范围。
图6表明了根据本发明的系统(反馈-复合系统)的第三实施例的图示结构。与图4的不同点是，从排气总管102流出的有待引进废气涡轮104的气缸废气的一部分被引进一发电机111与之连接的独立涡轮机104a，通过控制独立涡轮机104a的旋转速度对分流量进行控制。
在该系统中，得到了带有高能量的气缸废气，能量的量可能大于驱动涡轮增压器的压缩机所需要的能量。在那种情况下，气缸废气的一部分被引进发电机111与之连接的独立涡轮机104a，以吸收过量能量。来自独立涡轮机的废气被引入热交换器106，用于与来自涡轮增加器的废气涡轮机的废气一起生成亚-或超-临界水。
图7表明了根据本发明第四实施例系统(反馈-复合系统)的图示结构。与图4的不同点是，在热交换器106中生成的亚-或超-临界水的一部分被分流到废气涡轮机104。在该系统中，保持与传统发动机相同的最大燃烧温度是一个基本原则，同样，最大燃烧压力也必须根据发动机的类型或用途限制在一定的值。因此，有适当量的亚-或超-临界水根据发动机来喷射。亚-或超-临界水的喷射量越大，燃烧温度的下降就越大。所以，将燃烧温度保持与传统发动机相同的附加燃油增加，其增加了最大压力。最大压力根据发动机被限定到特定的值，所以根据发动机对亚-或超-临界水的喷射量有一个限制。
在该系统中，获得了具有高能量的气缸废气，在热交换器106中可能生成比需要喷入气缸中多的亚-或超-临界水。在这种情况下，亚-或超-临界水的一部分通过装配有旁通控制阀121a的旁通管121，被分流到废气涡轮机104，所需量被喷入气缸。在这种情况下，如果由于被分流的亚-或超-临界水的引入有必要调节废气涡轮机输出的增加，通过改变涡轮机喷嘴面积来调节膨胀率可以进行调节。
除了参考图4解释的功能外，图7中的控制器22控制与旁通管121连接的旁通控制阀121a的打开，以控制废气涡轮机104的旋转速度，从而将所述亚-或超-临界水的温度和压力控制在先前提及的范围。
图8表明了根据本发明第五实施例系统(反馈-复合系统)的图示结构。该实施例从下述角度看与图6的不同，即部分在热交换器106中生成的亚-或超-临界水通过配有控制阀123的旁通管123被分流到排气总管102，然后被引入废气涡轮机104。将部分亚-或超-临界水引入废气涡轮机的原因与图7中的相同，解释被省略掉了。除了参照图6说明的功能，图8中的控制器22控制与旁通管123连接的旁通控制阀123a的打开，以便控制废气涡轮104的旋转速度，从而将所述亚-或超-临界水的温度和压力控制在先前提及的范围。
图9表明了根据本发明第六实施例系统(反馈-复合系统)的图示结构。在该实施例中，发电机111a与图7中的废气涡轮103连接，经由装配有旁通控制阀126a的旁通管126和燃料向排气总管102供应一部分有待供给发动机的在压缩机105中被压缩的压缩空气和燃料。由于排气总管102中的废气含有大部分没在气缸中燃烧消耗的空气，喷入排气总管102中的附加燃料可以在其中燃烧。结果，流入涡轮机104中的废气的温度提高了，因此，涡轮机104的输出被提高以与压缩器105共同驱动发电机111a。部分压缩空气的供应按需要进行，其流速由旁通控制阀126a来控制。在该实施例的情况下，来自涡轮机104的废气的能量由于所述附加燃烧而提高了，增量亚-或超-临界水可在热交换器106中生成，所以，其一部分被引进排气总管，以便允许正确量的亚-或超-临界水被喷入气缸。除了参考图6解释的功能外，图9中的控制器22控制与旁通管123连接的旁通控制阀123a和旁通控制阀126a的打开，以便控制废气涡轮机104的旋转速度，从而将所述亚-或超-临界水的温度和压力控制到先前提及的范围。
图10表明了根据本发明第七实施例系统(反馈-复合系统)的图示结构。在该实施例的情况下，设置了与发电机111连接的独立涡轮机104a，图9中与废气涡轮机104连接的发电机111被省略了。其余情形与图9中的情况一样。独立涡轮机通过旁通管122被供以从排气总管102分流的气缸废气。在独立涡轮机的情况下，设计的自由度增加了，成本下降了。
不仅柴油发动机，而且可燃气体发动机、汽油发动机也适用于本发明，然而最优选和最有效应用的，是中/大型柴油发动机和可燃气体发动机。
接下来，在图16～图21中表明了亚-或超-临界水的喷射定时和温度的影响。这些是缸径170mm、180mm冲程、1500rpm旋转速度且构造如图2所示的柴油机的测试结果。影响表示为进行亚-或超-临界水喷射时对未进行喷射时的比。
图16表示输出，图17表示废气中的NOx浓度，图18表示废气中的烟浓度，图19表示废气中的CO浓度分别相应于喷入气缸中的亚-或超-临界水的温度的变化情况。
图20表示输出，图21表示废气中的NOx浓度相应于亚-或超-临界水进入气缸中的喷射定时的变化情况。这些图中的虚线表明没有喷射亚-或超-临界水的情形。
图16表明了输出与亚-或超-临界水的喷射温度之间的关系，输出的改善在250℃以上的温度范围内得到确认。在超-临界温度范围，输出的增加达到5％或更高。在图7中，NOx的浓度在整个试验温度范围内下降了。据认为，超-临界水在接近400℃范围内的情况下，NOx的下降是由于形成均质相(homogeneous phase)实现的，而当喷射温度低到大约250℃时的减少是由于局部高温点或区域的冷却效果造成。然而，同时考虑到图16的结果，亚-或超-临界水的喷射温度最好是250℃或更高。
在图18中，烟浓度的改善也在高于大约250-300℃的温度范围内看到。在图19中，改善也是在250℃以上的温度范围内实现的。特别是，CO浓度下降到低于亚-或超-临界水未被喷射时的20％以下，所以，得到认可的是，燃烧效率大大改善了。
到此为止，表明了输出和排放物与亚-或超-临界水的喷射温度的关系，只有NOx在整个100～400℃的试验温度范围内得到改善。需要喷射250℃以上的亚-或超-临界水以便得到输出、CO和烟雾的改善。
在图20中，表明了输出与亚-或超-临界水的喷射定时的关系，当亚-或超-临界水的喷射开始在上死点前60°～30°时输出的增加最大。在图21中，亚-或超-临界水喷射的开始越早，NOx的改善就越大。
因此，关于亚-或超-临界水喷射的开始，人输出的角度讲，最好是喷射的开始在上死点前90°～5°，特别是在上死点前60°～30°，即在于压缩冲程中燃油被喷入之前。当重视NOx的时候，最好是，喷射于上死点前在上述范围内尽早开始。
本发明的效果
本发明的实施如上所述，其效果如下所述：
通过将压力在18MPa和22.1MPa(临界压力)之间与温度在250℃和580℃之间的亚临界水或超临界水在上死点前90°和上死点后30°范围内喷入气缸，使得最大输出时的过量空气系数在燃油喷射增加的情况下为1～2.5，燃料供应的增加被允许，同时将最大燃烧温度保持在传统水平(1600～2000℃)上，导致输出和热效率的增加；
NOx、烟雾等排放物可以由于喷入气缸中的亚-或超-临界水的积极反应而减少；并且
通过构成这样一种反馈-复合系统，即亚-或超-临界水通过水与量和比热由于亚-或超-临界水的喷入而增加的废气进行热交换而生成，重量轻、紧凑且高输出的复合系统，可以在不必象传统串联组合系统那样提供一蒸气涡轮机的情况下构成。

Claims (15)

1、一种诸如石油类燃料、氢、天然气、酒精等液体或气体燃料在其中燃烧并且燃烧气体用作工作流体的往复内燃机的操作方法，其中，增加量的燃料被喷射，压力在18MPa和22.1MPa(临界压力)之间与温度在250℃和580℃之间的亚临界水或超-临界水(以下称为亚-或超-临界水)在上死点前90°和上死点后30°之间的范围内被喷入气缸，使得最大输出时的过量空气系数为1～2.5。
2、如权利要求1所述的操作往复内燃机的方法，其中，所述亚-或超-临界水在压缩冲程中与燃油的喷射同时或提前开始进行。
3、如权利要求1所述的操作往复内燃机的方法，其中，所述亚-或超-临界水通过与发动机的废气进行热交换而对水加热生成。
4、如权利要求3所述的操作往复内燃机的方法，其中，所述亚-或超-临界水的温度和压力通过控制废气涡轮增加器的涡轮机出口处的废气温度和供给到用于生成亚-或超-临界水的装置的水的压力来调节。
5、如权利要求3所述的操作往复内燃机的方法，其中，所述亚-或超-临界水的温度和压力通过控制有待供给到用来生成亚-或超-临界水的装置的、在其进入废气涡轮机之前从涡轮机上游侧分流出来的废气的流速以及供给到所述装置的水的压力进行调节。
6、一种诸如石油类燃料、氢、天然气、酒精等液体或气体燃料在其中燃烧并且燃烧气体用作工作流体的往复内燃机系统，其中，系统包括：
用于产生压力在18MPa和22.1MPa(临界压力)之间和温度在250℃和580℃之间的亚-临界水或超-临界水(此后指亚-或超-临界水)的装置，
用于将亚-或超-临界水在上死点前90°和上死点后30°之间的范围内喷入气缸的装置，以及
用于控制燃料喷射量的装置，使得燃烧气体的温度由于空气与亚-或超-临界水混合的环境中亚-或超-临界水的存在造成的下降通过增加的燃料喷射量得到防止且在最大燃烧温度为1600～2000℃的情况下最大输出时的过量气体系数为1～2.5。
7、如权利要求6所述的往复内燃机系统，其中，所述亚-或超-临界水的喷射在压缩冲程中与燃油喷射同时或提前开始。
8、如权利要求6所述的往复内燃机系统，其中，所述生成亚-或超-临界水的装置是一个设置在往复内燃机的废气涡轮增压器的废气涡轮机下游侧的废气/H2O热交换器。
9、如权利要求6所述的往复内燃机系统，其中，提供了控制装置以便调节供向热交换器的废气流速和H2O的压力，以便生成所述温度和压力范围内的亚-或超-临界水。
10、如权利要求6所述的往复内燃机系统，其中，安装了用于改变废气涡轮增加器的涡轮机的出口处的废气温度的装置，用以取代权利要求9限定的调节废气流率的装置。
11、如权利要求8所述的往复内燃机系统，其中，设置了装有旁通调节装置的旁通通道，用于在废气进入废气涡轮增压器的废气涡轮机之前向热交换器供给一部分废气。
12、如权利要求8所述的往复内燃机系统，其中，除了所述废气/H2O热交换器，还设置有一用于生成亚-或超-临界水的第二装置，用于将由所述第二装置生成的亚-或超-临界水在发动机起动时喷入内燃机气缸。
13、如权利要求6所述的往复内燃机系统，其中，由用于生成亚-或超-临界水的所述装置生成的一部分亚-或超-临界水返回到发动机的排气侧。
14、如权利要求6～12中任何一项所述的往复内燃机系统，其中，燃料被供给到位于生成亚-或超-临界水的所述装置的上游侧的发动机的排气管以在排气管中燃烧。
15、如权利要求14所述的往复内燃机系统，其中，在废气涡轮增压器的压缩机中压缩的部分空气和燃油被供给到位于生成亚-或超-临界水的所述装置的上游侧的发动机排气管以在排气管中燃烧所述燃料。
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