CN1910361A - 用于控制进行压缩的设备的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

一种用于压缩内燃机的燃烧室中的介质的方法，通过该方法，在喷射状态中的液体在压缩冲程中导入压缩室中，并且该液体在导入压缩室中之前加压和加热至它一旦进入压缩室至少一部分喷射液滴就自发地爆裂的程度，该液体被加压至在导入时它具有的蒸汽压力高于导入时压缩室中所存在压力的这种程度，并且该液体被加热至在导入时它具有的温度超过在导入时压缩室中存在的温度和压力下液体沸点的这种程度，并且液体为水。该液体被加热至如下程度，即在导入时，它具有的温度低于介质在液体导入时的温度。

Description

用于控制进行压缩的设备的方法和系统
技术领域
本发明涉及一种用于压缩内燃机的燃烧室中介质的方法，通过该方法，在喷射状态中的液体在压缩冲程中导入压缩室中，并且该液体在导入压缩室中之前加压和加热至它一旦进入压缩室至少一部分喷射液滴就自发地爆裂的程度，该液体被加压至在导入时它具有的蒸汽压力高于导入时压缩室中所存在压力的这种程度，并且该液体被加热至如下程度，即在导入时，它具有的温度超过在导入时压缩室中存在的温度和压力下液体的沸点，并且该液体为水。
本发明还涉及一种用于压缩内燃机的燃烧室中的介质的方法，通过该方法，在喷射状态下的液体在压缩冲程中导入压缩室中。
本发明还涉及一种用于控制内燃机或压缩机的压缩室中进行介质压缩的设备的系统，通过该系统，喷射状态中的液体在压缩冲程中导入压缩室中，并且包括用于加压或加热所述液体的装置、用于将液体导入压缩室中的装置和用于确定压缩室中的压力和/或温度的装置。
本发明尤其适用于实现到压缩机和内燃机上，因此，通过实例，主要描述为实现在内燃机上。
背景技术
压缩空气是不同类型内燃机的必需品并且还大范围地用在工业中。与所使用的内燃机或压缩机的类型无关，并且一旦压缩介质、空气或气体，就会生热，并且如果所述热可以在生成时传导出去，就可以减小执行所述压缩所需的能量。这是众所周知的事实，并且它被称作等温压缩。在内燃机中，通过降低燃烧温度可以减少氧化氮的生成，并且通过提高效率可以减少二氧化碳的生成。因此，对于压缩空气的使用者而言，可以降低操作成本。从环境的观点来看，等温压缩或同时冷却的压缩是有价值的。
已经有很多努力来在压缩过程中或压缩之前喷水。提高螺旋压缩机的一种尝试公开在Jan-Gunnar Persson的1986年1月30日名为“HEATEXCHANGE IN LIQUID INJECTED COMPRSSORS”的硕士论文中。其中水滴与空气导入同时喷射，并且目的是使水滴从空气中吸收压缩热以减少通常所需的压缩功。优选地，水滴将蒸发。其次，空气中的多个小液滴将整个地构成大的冷却表面积。压缩功的确会减小到一定程度，但是减小的压缩功总体上相当于实现喷射所需的额外功。作为一个突破口，尝试的结果是不能证实功的任何减小。压缩比率是快速地使热从空气传递给水滴，导致不会出现任何蒸发。这导致对大体上更多水的需求，然而，液滴不能形成得充分的小；换句话说，总冷却表面积即所有液滴的表面之和很小。液滴越多并且越小，冷却效果就越好。因此，等温压缩的有利的因素包括大冷却表面积和压缩冲程更多的时间。这些因素是可以单独交换的。例如，对于较短的时间，可以提供非常大的冷却表面积。
还有一些尝试来将水喷射到内燃机中以降低燃烧温度并且因此而降低氧化氮NOx的生成。其它实验已经着重于通过在活塞尖端和围绕燃烧室的其它热表面上蒸发水来达到提高的效率。这些实验和试验已经证明，氧化氮的生成会随着燃烧温度的降低而降低，并且至少在一些情形下，已经对效率施加了有利的影响。然而，结果并没有好到足以激发将任何商业系统应用于输送和/或再循环来自发动机废气中的水。
被视为最接近的现有技术的文献US，A1，20040003781显示了将亚临界或超临界水喷射在压缩过程中注入到压缩室中的方式。所喷射水的温度和压力相对较高。亚临界水是指具有低于水的临界温度即373℃的温度的水，并且超临界温度是指当水超过所述温度时，在此温度下不再可能区分液相和气相。
本发明的基本概念是喷射到压缩室中的水用于降低在所述室中升高的温度并且因此有助于降低压缩功，其中的压缩室可以是压缩机以及内燃机的压缩室。在内燃机的情形下，本发明还假定有助于此外减少氧化氮的生成。
依照上述文献的方法并不会减少压缩功，而是可以视为通过加热将被压缩的介质而至少会在最初提高后者。具有大于100bar(10兆帕)的压力和具有大于523K(250°+273°)的温度的水被喷射。结果是快速的蒸发，通过快速蒸发，蒸发热最初由水中带走而不是从将被压缩的介质中带走。US，A1，20040003781中所述的技术主要着重在NOx排放的降低上，非不是压缩功的降低。
发明内容
本发明的目的是通过界定一种新方法来解决上述问题，该方法界定了一种原理(principal)，它适于将水在压缩过程中喷射到内燃机和压缩机的压缩室中，从而降低这种压缩机或内燃机中的压缩功。
因此，本发明应该导致用作喷射介质的水以如下方式使用，即它可以增大内燃机和压缩机的效率并且减少内燃机中氧化氮的生成。
对于内燃机，本发明的目的是利用依照专利权利要求1的前序部分的方法实现的，所述方法的特征在于，液体被加热至如下程度，即在其导入时，它具有的温度低于在液体导入时介质的温度。
对于压缩机，本发明的目的是利用依照专利权利要求2的前序部分的方法实现的，所述方法的特征在于，液体在导入压缩室之前被加压和加热至如下程度，即一旦进入压缩室，至少一部分喷射液滴就自发地爆裂。依照现有技术的所有已知方法均着重在内燃机的应用上。看上去好像现有技术完全着重于通过专利权利要求2中所要求类型的冷却可以在燃烧过程而非纯压缩过程中获得什么种类的优点。如专利权利要求2中界定的本发明因此比专利权利要求1中界定的内燃机应用得到更广泛的界定。
本发明的目的还可以利用最初界定的控制系统实现，其特征在于它包括控制单元，控制单元在操作上与用于确定压力和/或温度的装置和用于对液体增压和加热的装置相连，并且包括计算机程序，该计算机程序适于控制装置，以依照本发明的方法基于与压缩室中的压力和温度相关的信息将液体导入压缩室中。
依照如专利权利要求2的方法的优选实施例，液体优选地被加压至如下这种程度，即在其导入时，它具有的蒸汽压力高于导入时压缩室中所存在的压力。另外，优选地液体被加热至如下程度，即在其导入时，它具有的温度高于在其导入时在压缩室中所存在的温度和压力下液体的沸点。还优选地液体被加热至如下程度，即在其导入时，它具有的温度低于所述导入时介质的温度。
本发明使非常小和许多液滴的生成成为可能，从而导致通过非常大的冷却表面的对压缩热的吸收以及蒸发，这些又会导致降低的压缩功、降低的生产成本和对环境的降低的影响。当本发明在活塞压缩机上实现时，必须认识到，大量的导入的水会导致所谓的水冲程(water stroke)。应当认识到，一旦液体进入室中，就会立即自发地发生爆裂的喷射液滴的至少部分的蒸发。在剩余的压缩冲程中，当室中的压力和温度提高时，尚未蒸发的液体中会出现继续蒸发。优选地，在压缩冲程中所有已导入压缩室中的液体会蒸发。在这种情形下，液体并不是燃料(内燃机)，而主要地是水。优选地，喷射液滴的压力和温度使得相当部分的且优选大于10％并且更优选地大于50％并且最优选地所有喷射液滴一旦进入压缩室就会爆裂。
本发明的应用将激发所述系统在内燃机上的商业上的使用。优选地，该方法可以用于其中空气被压缩的所有类型的内燃机。在压缩过程中加热和/或蒸发并且应用本发明的水会吸收和排出压缩热并且因此降低压缩功，从而提高了发动机的功率。压缩冲程后接的燃烧就会在较低的温度下启动，从而导致较低的最高温度和降低的NOx的生成。然而，还有另一个温度降低的因素，即更大量的操作介质和水蒸汽而不是仅仅操作介质应该被在燃烧过程中释放的能量加热。因此，水蒸汽与所谓的EGR(废气再循环)具有相同的效果，废气再循环是用于通过燃烧时较低的温度减少NOx生成的常用方法。就会降低气缸冷却的需要，从而导致效率的提高。在氢气或天然气用作燃料时，本发明是尤其适宜的，因为当废气主要地由水构成时会易于水的再循环。在例如将在内燃机和燃料电池中用作燃料的氢气或天然气的压缩时，该方法也是适当的。
然而，优选地液体被加热至如下程度，即在其导入时，它具有的温度低于导入时介质的温度。
在内燃机的情形中，液体会通过由内燃机的用来导入燃料的阀导入，并且优选地与燃料的导入同时地导入。
优选地，依照本发明导入压缩室中的液体是水，并且在压缩室中压缩的介质是空气。
从而，依照本发明，水应该在气缸空间中的压力等于或大于4.5bar时导入后者中。在本发明的详细说明中更具体地公开了这种做的原因。
在下文的说明和剩余的专利权利要求中将公开本发明的更多特征和优点。
附图说明
接下来，将参见附图通过实例描述本发明，其中：
图1a和1b显示了内燃机气缸，该内燃机气缸依照本发明配设有用于喷水或者与水一起喷射燃料的装置，且活塞分别位于第一和第二位置。
图2是用于将水喷射到压缩机中并且喷射到连接到后者上的罐中的设备的图示。
图3显示了具有用于依照本发明的控制系统的主要系统解决方案的设备。
具体实施方式
本发明的主要基础可见表1。在A列中显示了通过空气的绝热压缩的一些不同的压力(bar)，其中气压在压缩之前是1bar并且温度是273K。卡帕κ(Kappa)是1.4。在B列中，显示了具有依照A列的不同压力的压缩空气的温度(K)。在C列中，显示了针对依照A列的不同压力的水的沸点温度(K)。针对不同压力的水的沸点温度可以由蒸汽压力曲线目测得到。D列显示了防止水在依照B列的温度下沸腾所需的增压。
  A(bar)   B(°K)   C(°K)   D(bar)
  20106   642.5527.2455.6   485453432   2104010
  54.543   432.5419.8405.7373.8   423420417406   64.531
表1：在空气的绝热压缩过程中的不同压力和温度，以及水在这些压力下的沸点温度。对于计算绝热压缩下值的参考以及关于水的沸点和必需的增压的信息源于Studentlitteratur i Lund于1990年出版的Henrik Alvarez的书Energiteknik。
表1显示了在大约4.5bar处具有以粗体标记的交点。在较低压力下，水的沸点温度高于压缩空气的温度，而同时，为了防止水沸腾所需的增压低于压缩空气的压力。在高于4.5bar的压力处，水的沸点温度低于压缩空气的温度，而同时，为了防止水沸腾所需的增压高于压缩空气的压力。这是本发明构思的基础。在喷射过程中，喷射到介质(空气或气体)中的水将被压缩，该水应被加压并且加热至将导致水激烈沸腾或爆裂的温度，从而导致其非常细小的部分足够小以获得充分大的冷却表面积，这样热就可以通过水滴的加热和/或通过蒸发排出。由于蒸汽压力高于压缩压力，所以当水在进入压缩的介质中时减压时，就会在水中实现爆裂作用。因为水在导入将被压缩的介质之前已经供热，所以就会允许雾化。本发明的特征是通过例如废气和/或气缸冷却或在其它环境中的其它方式损失的热(也称为废热)在水被供给将被压缩的介质之前用于水的加热。这可以通过燃烧废气和水之间、气缸冷却介质和水之间或直接在气缸材料和水之间的换热器实现。
压缩状态会随着不同的发动机和压缩机以及介质在压缩之前的压力和温度而变化。一旦应用本发明，状态优选地具有类似于上文所述的交点。使用内燃机中常见的预压缩和预冷却空气，交点可以位于大体上高于所述4.5bar的压缩压力上。但是如果状态依照表1，那么4.5bar处交点上方的区域就十分有趣。因此，水应该在压缩压力已经经过4.5bar之后导入。另外，水应该加压并且应该具有导致它减压并且在导入处立即开始沸腾的温度。导入是通过将水通过适用于目的的进给阀喷射到压缩室中预形成的。喷射的小液滴会在减压和沸腾过程中爆裂，并且变成小水滴，这些小水滴一方面立即蒸发，并且另一方面，在后面的压缩过程中蒸发。因此，压缩热的继续生成将导致非蒸发水滴的继续加热并且导致随后的沸腾和蒸发，并且用于蒸发的热抵消了介质温度的进一步提高。因此，热就从压缩下的空气中排出以在压缩过程中生成水蒸汽。优选地，依照本发明的控制系统包括用于检测压缩室中的压力和温度的传感器，以及在操作上与这些传感器连接并且具有进给阀的控制单元，并且配设有软件，软件由计算机程序构成，计算机程序基于它由压力和温度传感器获得的信息控制液体即水被喷射的时间。
通过内燃机，由空气在压缩过程中获得的降低的温度将导致接下来的压缩在较低温度下开始。然后整个燃烧过程将受到影响并且将具有较低的最大温度。在燃烧过程中将被加热的质量已被提供了增补的水，并且，因此，被加热的质量比其它的更大一些，从而导致最高温度的进一步降低。因此，本发明减少了在最高燃烧温度生成的氧化氮的产生。同时，发动机的效率得到提高，导致减小了使用基于碳氢化合物的燃料时二氧化碳的生成。由于降低了热损失，发动机的效率也会受到正面的影响，因为由于低的燃烧温度，降低了冷却发动机气缸的需要。有时候会接触活塞顶部或其它热表面的水滴将在蒸发时冷却后者，这就意味着来自先前燃烧的热会返回被压缩的介质即空气和蒸汽中，这还有利于提高效率。蒸汽的存在提高了介质和尚未蒸发的水滴之间的热交换。压缩热的排出可以用于提高奥托发动机中的压缩和膨胀比，这样，例如，在与那些现代柴油机类似的压缩和膨胀状态下就可以使用汽油，从而提高效率。在柴油机中，压缩和膨胀比可以提高而在压缩冲程后不增加温度，从而提高效率并且减少NOx的生成。
表2显示了同等温压缩相比，带有中间冷却的多阶绝热压缩的功率在理论上的节约。中间冷却的使用是用于减少压缩功的现代技术。多阶处理对空间的要求较高。
  压力状态   2阶   3阶   等温
  20bar25bar   21.1％22.6％   26.8％28.7％   36.8％39.0％
表2：冷却压缩对功率在理论上的节约。具有中间冷却和等温压缩的多阶绝热压缩。参考：1阶绝热压缩。卡帕κ(Kappa)是1.4。参考源是由Jan-Gunnar Persson在2000年1月16日做出的名为ISOTERMKOMPRESSION的初步研究。基于本发明的发明者要求，该初步研究已经在保密协议下完成。报告并未公布。
表3显示了同从1到25bar的等温压缩的冷却的需要相比，利用在依照表1的相交线处蒸发的最大可能的热吸收。另外，可以看出，可能的理论上的节约为等温压缩的功率的节约的289/389倍，依照表2，等温压缩在功率上的节约在压缩至25bar时为39％。因此，通过应用本发明在理论上可以得到的节约为289/389×39＝28.97％；这可以与依照表2的3阶压缩时功率的节约相比。然而，本发明使之可以在同一个气缸中执行一阶压缩，这是一个显著的优点。
  温度(°K)   蒸汽压力饱和度   蒸发的热   最大热吸收   所需的等温压缩冷却
421   (bar)4.51   (Kj/kg)2119   (Kj/kg)289   (Kj/kg)389
表3是显示同每千克空气从1到25bar的等温压缩所需的冷却相比，每千克空气在依照表1的相交线处的最大热吸收的表。表3还显示了在给定压力和温度下空气中蒸汽的最大容积，换句话说，依照表1中的相交线的凝结极限值。卡帕κ(Kappa)是1.4。参考源是由Jan-Gunnar Persson在2000年1月16日做出的名为ISOTERM KOMPRESSION的初步研究。
图1a和1b显示了处于两个位置中的具有活塞B的发动机气缸A：对应于活塞下死点的下部位置，以及在上死点之前曲柄转角角度大约为65的上部位置。气缸A配设有用于喷射加压和加热的水D的喷射阀C。喷射阀可以与有时用于燃料喷射的阀是同一个阀。水和燃料可以混合并且同时喷射，导致燃料被加压和加热至与水相同的水平。发动机是压缩比为20∶1的2冲程或4冲程内燃机。该图并未显示不证自明的部件，例如进气口和排气口或进给阀或排放阀、任意可能的单独的燃油喷射阀或任意可能的火花塞。在压缩冲程之前，当活塞B处于其下死点位置中时，假定气缸A填充有温度为300K的大约1个大气压的空气。卡帕κ(Kappa)假定是1.4。当活塞B处于其上死点位置之前的曲柄转角角度为65的位置中时，压缩压力大约为4.7bar并且温度大约为465K。如果不实施本发明的话，在活塞上死点的压力和温度将分别为大约66bar和995K，并且大约75％的压缩功就会保留。依照该实例，可以从在上死点之前曲柄转角角度大约为65并且进一步到上死点的位置上实施本发明。例如，当压缩压力为6bar并且温度大约为456K时，依照表1，控制系统可以用于喷射具有453K的温度和40bar的压力的水，但是并未声称该设置为最佳的。大的减压(40bar与6bar的比较)和水在导入气缸时的热能会导致激烈的沸腾，因此导致细小的雾化，并且生成具有很大冷却表面积的水幕。特定数量的导入的水会在几微秒中立即蒸发，从而导致温度降低。在连续的压缩过程中会发生进一步的蒸发。
图2显示了压缩机，该压缩机具有罐1和空气进给阀2和排放阀3，压缩空气通过排放阀3导入罐中。加压和适当冷却的空气通过接头6从罐中导入内燃机。具有两个用于加热的水的进给阀；一方面是压缩机中的阀4并且另一方面是罐中的阀5。在压缩机中发生压缩，水被喷射，且防止任何的水冲程(water stroke)。在罐中发生蒸发，换句话说空气的冷却。在此，显示了连接至压缩机的罐。罐也可以构成用于将加压空气供应给内燃机中的内燃机的供应源。
图3是通过实例显示带有活塞16的气缸1的图示。进给阀2和排放阀3是例如独立于曲柄轴位置并且没有任何凸轮轴操作的阀，它们在压缩冲程中均闭合。活塞16已经到达如下位置：其中水或者水与燃料一起通过喷射阀10喷射到压缩室/燃烧室15中。水假定用来冷却室15中压缩的空气，并且或者还冷却围绕室15的表面，并且在燃烧冲程之前发生沸腾/蒸发。回路4例如受压液体回路比如加压空气回路，用于阀2和3的启动和操作。控制单元5在操作上与回路4相连以用于回路和与回路相连的阀2和3的信号控制。构件6例如由发动机驱动的车辆的气动踏板在操作上与控制单元5相连以命令所需的扭矩。位于曲柄轴上安装的分度盘(ark)9上的量计7在操作上与控制单元5相连并且向控制单元5供给发动机转数和活塞16在气缸1中位置的连续信息。控制单元5决定可操作阀2和3打开或闭合的时间。回路11例如加压流体回路，比如加压空气回路，在操作上与控制单元5相连并且目的是用于启动喷射阀10以导入水。返回构件14用于返回水以通过喷射阀10喷射。在连接到废气系统上并且配设有用于检测水的压力和/或温度并且在操作上连接至控制单元5的传感器13的换热器中，会发生水的加热和增压。通过返回构件14，基于从控制单元5到回路11的用于启动喷射阀10的控制信号，水被供给到室15中。在操作上连接至控制单元5的传感器12向控制单元5提供与在室15中压缩的空气的温度和/或压力相关的信息。控制单元5使用来自传感器12的信息以决定应该命令回路11来启动喷射阀10将水喷射到室15中的时间。由压缩生成的水蒸汽在随后的燃烧和膨胀过程中与废气混合并且运输到连接至发动机的废气系统中。在操作上连接至在废气系统中处于换热器7下游的控制单元5的换热器17中，所需数量的水通过利用凝结、废气的空气冷却而进行循环。该水即冷凝水，在回收之前在颗粒过滤器18中净化，在这种情形下，颗粒过滤器18位于换热器17中。水从换热器17运输到配设有传感器13的换热器中。喷射阀10可以分成两个单独的阀，一个阀用于水并且一个阀用于燃料。在奥托发动机中，它也可以与火花塞半分离地在一起。它可以与柴油机中的燃油喷射阀半分离。应当强调，本发明有利地还可以在具有传统凸轮轴的发动机上实现。
另外，应该意识到，本发明仅仅通过实例进行了描述，并且很多可选实施例对于本领域技术人员应该是显而易见的而不会脱离在所附专利的权利要求中界定的保护范围，且专利的权利要求应该在说明书和附图的支持下进行解释。
例如，在特定情形下，用于测量压力和温度的传感器可以消除和/或替代为收集关于曲柄轴位置和/或其它可能的参数的信息的装置，这些参数取决于或者确定燃烧室中的温度/压力。这种另一个参数的一个实例是在压缩之前添加的空气量(与2冲程和4冲程操作均相关)。

Claims (12)

1.一种用于压缩内燃机的燃烧室(15)中的介质的方法，通过该方法，在喷射状态中的液体在压缩冲程中导入压缩室(15)中，并且该液体在导入压缩室(15)中之前加压和加热至它一旦进入压缩室(15)至少一部分喷射液滴就自发地爆裂的程度，该液体被加压至在导入时它具有的蒸汽压力高于导入时压缩室(15)中所存在压力的这种程度，该液体被加热至在导入时它具有的温度超过在导入时在压缩室(15)中存在的温度和压力下的液体沸点的程度，并且该液体为水，其特征在于，该液体被加热至如下程度，即在导入时，它具有的温度低于介质在液体导入时的温度。
2.一种用于压缩压缩机的压缩室中的介质的方法，通过该方法，在喷射状态中的液体在压缩冲程中导入压缩室中，其特征在于，该液体在导入压缩室中之前被加压和加热至一旦进入压缩室至少一部分喷射液滴就自发地爆裂的程度。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述液体被加压至在导入时它具有的蒸汽压力高于导入时压缩室中所存在压力的程度。
4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述液体被加热至在导入时它具有的温度超过在导入时在压缩室中存在的温度和压力下的液体沸点的程度。
5.如权利要求2-4中任一项所述的方法，其特征在于，所述液体被加热至在导入时它具有的温度低于导入时介质温度的程度。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在内燃机中，所述液体通过阀(10)导入，且所述阀(10)由内燃机用来导入燃料。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述液体和燃料同时导入。
8.如上述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，在压缩之后，此前压缩的介质和汽化液体的混合物被排空，并且在所述排空之后，所述液体通过凝结而被分开。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述液体由固体污染物中提取并且重新输送至适当的存储室。
10.如上述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，被导入的所述液体是水，并且在压缩室中被压缩的介质是空气。
11.如权利要求1和10所述的方法，其特征在于，当气缸中的压力等于或大于4.5bar时，水被导入气缸空间中。
12.一种用于控制在内燃机或压缩机的压缩室(15)中进行介质压缩的设备的系统，通过所述装置，在喷射状态中的液体在压缩冲程中导入压缩室(15)中，包括用于加压或加热所述液体的装置、用于将液体导入压缩室(15)中的装置(10)以及用于确定压缩室(15)中的压力和/或温度的装置(12)，其特征在于，它包括控制单元(5)，所述控制单元(5)在操作上与用于确定压力和/或温度的装置(12)相连并且与用于对液体加压和加热的装置相连，并且包括计算机程序，所述计算机程序适于基于与压缩室中的压力和温度相关的信息并且依照如权利要求1-11中的任一项所述的方法，控制用于将液体导入压缩室(15)中的装置(10)。
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