專利名稱：用噴射臨界狀態(tài)的水來運(yùn)行內(nèi)燃機(jī)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用噴射臨界狀態(tài)的水來運(yùn)行內(nèi)燃機(jī)的方法，具體地說，是涉及使用亞臨界狀態(tài)或超臨界狀態(tài)的水(以后都簡稱為臨界水)以實(shí)現(xiàn)低排放燃燒的方法。這里所指的內(nèi)燃機(jī)有往復(fù)活塞式發(fā)動機(jī)，包括火花點(diǎn)火發(fā)動機(jī)和壓縮點(diǎn)火發(fā)動機(jī)(即柴油機(jī))，噴氣式發(fā)動機(jī)，燃?xì)廨啓C(jī)等。液體或氣體燃料如像石油族燃料，氫氣，天然氣，酒精等在這些內(nèi)燃機(jī)中燃燒，燃燒的氣體就作為工作介質(zhì)推動內(nèi)燃機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。
背景技術(shù)：
與排氣一道排放到空氣中的氮氧化合物(NOx)和一氧化碳通常都產(chǎn)生在燃燒的高溫區(qū)域。這些排放物會污染環(huán)境，因此，應(yīng)該將這些排放物減少到最低限度。
眾所周知，在內(nèi)燃機(jī)的燃燒過程中加進(jìn)水可以減少氮氧化合物的產(chǎn)生。這是由于加水后的冷卻效應(yīng)。在實(shí)踐中，曾經(jīng)采用兩種不同的方法向往復(fù)式發(fā)動機(jī)中噴水，即直接將水噴入燃燒室，或者通過進(jìn)氣道將水引入燃燒室。
在直接將水噴入燃燒室的情況中，通常是在實(shí)際燃燒過程之前的壓縮沖程期間和(或)正處在燃燒期間將水噴入。這種噴水定時(shí)有利于減少氮氧化合物的產(chǎn)生，在噴入大量的水之后，氮氧化合物通常能夠減少大約50～60％。
在通過進(jìn)氣道將水隨同進(jìn)氣一起引入到燃燒室的情況中，進(jìn)氣流穿過渦輪增壓器，增壓壓縮機(jī)，或中冷器時(shí)，在它們的上游或下游被連續(xù)地加濕；或者在進(jìn)氣室和(或)進(jìn)氣通道中被加濕；或者將水或蒸汽噴入進(jìn)氣中使其加濕。
在后一種情況中，能夠隨空氣引入到燃燒室內(nèi)的水量大小取決于進(jìn)氣的壓力和溫度。水量將受到進(jìn)氣中水蒸氣飽和程度的限制。目前，渦輪增壓中冷發(fā)動機(jī)的水平是進(jìn)氣壓力通常約為0.15～0.4MPa，溫度約為40～50C。在這種條件下，水的引入量實(shí)際上被限制在能使氮氧化合物減少10～40％的水平上。降低進(jìn)氣壓力或提高進(jìn)氣溫度都是不可取的，因?yàn)檫@樣會使進(jìn)入氣缸的空氣充氣量變壞，從而導(dǎo)致發(fā)動機(jī)輸出功率降低。
在進(jìn)氣被引入的水連續(xù)加濕的情況下，有一部分引入水并未被利用，這是因?yàn)楫?dāng)進(jìn)氣門和排氣門同時(shí)開啟時(shí)，一部分水隨同進(jìn)氣一起穿過氣缸被排出。
另一方面，在日本實(shí)用專利申請公開No.6-137218公布的一項(xiàng)技術(shù)中，將氫氧化鉀的水溶液注入到柴油機(jī)燃料中并與其混合后再加壓加熱，使其壓力和溫度高于水的臨界狀態(tài)，并使柴油中的硫與氫氧化鉀化合，再將混合物噴入氣缸進(jìn)行燃燒。
雖然在該項(xiàng)技術(shù)中也使用了臨界水，但它使用臨界水的目的是為了使氫氧化鉀與重油中的硫化合從而除硫，并不像本發(fā)明是為了降低NOx和CO。將混合物的水溶液注入到柴油中可能會損害柴油的自燃特性，從而會使發(fā)動機(jī)功率降低。
進(jìn)一步說，一種運(yùn)行至少有一個(gè)燃燒室、進(jìn)氣門、排氣門和將燃油蒸汽與水蒸汽的混合物經(jīng)加壓加熱后噴入燃燒室的噴油嘴，所述的混合物可由內(nèi)燃機(jī)的排氣進(jìn)行加熱的內(nèi)燃機(jī)的方法特征在于，所述混合物的壓力至少保持在高于350個(gè)大氣壓，溫度至少要高于448.8C，這時(shí)燃油蒸汽將轉(zhuǎn)化為多種有機(jī)氣體的混合物，其化學(xué)成分與在大氣溫度和壓力條件下燃油最初的化學(xué)成分已不相同，其分子結(jié)構(gòu)已不同于原來的組成，而且，在大氣條件下至少有一部已經(jīng)揮發(fā)掉。
按照傳統(tǒng)技術(shù)，將燃油蒸汽與水蒸汽組成的混合物經(jīng)加壓加熱后將轉(zhuǎn)化為具有揮發(fā)性的物質(zhì)與有機(jī)氣體的混合物，在高于350個(gè)大氣壓和高于448.8C的溫度下其分子結(jié)構(gòu)已與原來的結(jié)構(gòu)不同，這時(shí)可將該氣體混合物從噴嘴噴入燃燒室。而不是如同本發(fā)明那樣將水加壓加熱使其壓力高于350個(gè)大氣壓，溫度高于448.8C成為臨界水，將這種亞臨界水或超臨界水與燃油分開噴入燃燒室，當(dāng)燃油噴入大氣時(shí)其中存在有水粒子。因此，按照該項(xiàng)公布的方法與按照本發(fā)明的方法是根本不同的。
此外，還有一種按照專利WO99/37904所揭示的用來運(yùn)行壓縮點(diǎn)火發(fā)動機(jī)(柴油機(jī))-朗肯循環(huán)往復(fù)式發(fā)動機(jī)的方法，該發(fā)動機(jī)至少包括一個(gè)供燃油在其中燃燒的氣缸，一套冷卻進(jìn)氣和氣缸的冷卻系統(tǒng)，以及將廢氣從所述的氣缸中導(dǎo)出的排氣系統(tǒng)。所述的氣缸所起到的作用是從冷卻系統(tǒng)和排氣中吸取熱量以生成蒸汽；將所述的蒸汽導(dǎo)入所述的氣缸中，其特征在于，所述的蒸汽和所述的燃油是分開導(dǎo)入所述的氣缸中的，并在點(diǎn)火后發(fā)生反應(yīng)。用于該發(fā)明的蒸汽溫度低于580C，壓力低于180巴，這時(shí)臨界水不能存在。蒸汽在接近上止點(diǎn)時(shí)噴入氣缸，因此，在燃油點(diǎn)燃后，蒸汽和燃油就會有效地發(fā)生反應(yīng)。還應(yīng)當(dāng)指出，燃油是被噴入一個(gè)分開的燃燒室中，以避免在點(diǎn)火前與蒸汽混合。從這些說明中可以看出，該項(xiàng)發(fā)明的目的就是為了避免氣缸內(nèi)的燃油在點(diǎn)火之前與蒸汽發(fā)生反應(yīng)，并且也避免蒸汽與空氣于點(diǎn)火之前在氣缸內(nèi)互相混合。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種噴射臨界狀態(tài)的水來運(yùn)行內(nèi)燃機(jī)的方法，它充分利用了噴入臨界水可以有效地減少內(nèi)燃機(jī)排放氮氧化合物(NOx)和一氧化碳(CO)等有害氣體的優(yōu)點(diǎn)。更具體地說，除了降低排放以外，通常噴水后會伴隨出現(xiàn)發(fā)動機(jī)的效率降低，從而導(dǎo)致功率降低，本方法還要提高發(fā)動機(jī)的效率和功率，而不會為了降低排放指標(biāo)犧牲效率和功率。這里所指的內(nèi)燃機(jī)有往復(fù)式發(fā)動機(jī)，包括火花點(diǎn)火發(fā)動機(jī)和壓縮點(diǎn)火發(fā)動機(jī)(即柴油機(jī))，噴氣式發(fā)動機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)。
本發(fā)明是一個(gè)用噴入臨界水來運(yùn)行發(fā)動機(jī)的方法，液體或氣體燃料如像石油族燃料，氫氣，天然氣，酒精等在燃燒室中燃燒后，燃燒的氣體就作為工作介質(zhì)，其特征在于，溫度高于250C、壓力高于10MPa的亞臨界水或超臨界水(以后統(tǒng)稱為臨界水)是在噴入燃燒室的燃油被點(diǎn)燃之前就開始向燃燒室內(nèi)噴射的。
特別地，在往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)的情況下，吸氣，壓縮，燃燒和排氣沖程是按照曲軸轉(zhuǎn)角來劃分的。所述的臨界水從噴射開始到噴射結(jié)束的范圍按曲軸轉(zhuǎn)角來計(jì)算是從上止點(diǎn)前(BTDC)90到上止點(diǎn)后(ATDC)30 ，一個(gè)可取的方案是噴射的范圍從上止點(diǎn)前80到上止點(diǎn)0，另一個(gè)更可取的方案是該范圍從上止點(diǎn)前80到燃燒室內(nèi)的燃油被點(diǎn)燃之前，即在上止點(diǎn)前5結(jié)束，或者正好在上止點(diǎn)前結(jié)束。
本發(fā)明有利地利用了亞臨界水和超臨界水獨(dú)特的物理和化學(xué)特性。由于亞臨界水和超臨界水的介電常數(shù)與有機(jī)溶劑的介電常數(shù)一樣低，它與碳?xì)渥迦剂系目扇苄砸训玫礁纳?，由于臨界水的擴(kuò)散性能活潑，因此水與燃油混合物的均勻相容易達(dá)到，從而可大大減少燃燒室內(nèi)的局部燃燒現(xiàn)象，于是，熱態(tài)氮氧化合物(NOx)的生成就能減少。
亞臨界水或超臨界水能與氧氣和空氣形成均勻相。由此它很容易與氧形成均勻相，因此燃油的氧化過程就能高效地進(jìn)行，從而可以有效地減少一氧化碳(CO)和煙度(PM)。由于離子產(chǎn)物的增加而引起的催化反應(yīng)也有相似的作用。
亞臨界水或超臨界水的擴(kuò)散性能活潑而且粘度低，很容易擴(kuò)散，因此能有效地改進(jìn)燃燒效率和增加功率。特別是在柴油機(jī)中，由于混合氣均勻而使燃燒效率提高，在不犧牲其他任何一個(gè)指標(biāo)的情況下，發(fā)動機(jī)的功率(效率)和氮氧化合物(NOx)的排放都能得到極大的改善。亞臨界水或超臨界水的存在能增加離子產(chǎn)物和激發(fā)酸堿的催化作用，從而進(jìn)一步促進(jìn)了熱態(tài)氮氧化合物(NOx)和一氧化碳(CO)的減少。
流體在臨界點(diǎn)附近物理性能的變化在很大程度上取決于溫度和壓力。因此，可以通過控制溫度和壓力的方法來控制亞臨界水或超臨界水的物理性能。于是，就有可能通過這種控制使噴射的亞臨界水或超臨界水的物理性能適合于各種不同的碳?xì)渥迦加图安煌膰娚湫问?，這取決于發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速和負(fù)荷。
由于超臨界水有較大的擴(kuò)散系數(shù)，因此在燃燒室中燃油與水或蒸汽能很好的混合。此外，超臨界水溶于燃油中并不是以水粒子的形式溶入，因?yàn)槌R界水的性能有些像有機(jī)溶劑，所以它能夠形成更為均勻的燃燒場。
在柴油機(jī)中燃油與空氣之比大約為1∶30。當(dāng)臨界水按燃油質(zhì)量1～4倍的比例(燃油∶空氣∶臨界水＝1∶30∶1～4)噴入后，所述的均勻燃燒場就能得到。
當(dāng)臨界水是在按曲軸轉(zhuǎn)角計(jì)算的上止點(diǎn)前90至上止點(diǎn)前10(-90～-10)的范圍內(nèi)、特別是在-80～-20的范圍內(nèi)、或者更可取的是在-60～-20至-30的范圍內(nèi)開始噴射時(shí)，燃燒室中臨界水由于瞬間膨脹引起的壓力下降是很小的，這是因?yàn)榇藭r(shí)活塞仍舊處在壓縮沖程的后一階段，被噴入的臨界水仍保持超臨界或亞臨界狀態(tài)，因此，按本發(fā)明所述的效能仍可達(dá)到。
此外，當(dāng)臨界水是在按曲軸轉(zhuǎn)角計(jì)算的上止點(diǎn)前后30(-30～+30)的范圍內(nèi)、特別是在-10～+30的燃燒范圍內(nèi)開始噴射時(shí)，這時(shí)燃燒室的溫度最高可達(dá)2000C，水的超臨界或亞臨界狀態(tài)的特性在瞬間膨脹后基本上保持不變，因此，按本發(fā)明所述的效能仍可達(dá)到。
一個(gè)可取的方案是所述的臨界水是溫度高于374C、壓力高于22MPa的超臨界水，而溫度高于250C～300C、壓力高于10MPa的亞臨界水也具有大體上相似的效能。
所述的臨界水可以通過與排氣進(jìn)行熱交換后生成的亞臨界水或超臨界水來獲得，而柴油機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)的排氣溫度大約是550C或者更高。
在本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施例中，一個(gè)可取的方案是這樣來進(jìn)行對所述臨界水的噴射即在噴射燃油被點(diǎn)燃之前，水粒子已存在于燃燒室中并已與燃油混合滲透。換句話說，由燃油燃燒生成的水粒子和以臨界狀態(tài)存在的水粒子在燃燒過程中并未單獨(dú)分層。
已經(jīng)查明，當(dāng)溫度高于250C、壓力高于10MPa的亞臨界水或超臨界水在燃燒室中的燃油被點(diǎn)燃之前噴入時(shí)，噴入燃燒室中的臨界水粒子就已經(jīng)與燃油混合滲透。更具體地說，只要當(dāng)所述的臨界水噴入燃燒室中時(shí)就與噴入燃燒室中的燃油噴霧混合滲透，使得NOx的排放量顯著地減少，發(fā)動機(jī)功率顯著地增加，本發(fā)明提到的對臨界水噴射定時(shí)范圍的限制并不是必須的，如圖11至圖16所示。


圖1是一個(gè)基本配置(1)，顯示了按照本發(fā)明實(shí)施例噴射臨界水的柴油機(jī)中的燃油噴嘴和臨界水噴嘴的位置。
圖2是一個(gè)基本配置(2)，顯示了按照本發(fā)明實(shí)施例噴射臨界水的柴油機(jī)中的燃油噴嘴和臨界水噴嘴的位置。
圖3是一個(gè)基本配置(3)，顯示了按照本發(fā)明實(shí)施例噴射臨界水的柴油機(jī)的一體的燃油噴嘴和臨界水噴嘴的位置。
圖4是帶有噴射臨界水的柴油機(jī)系統(tǒng)示意圖，包括圖1至圖3所示的配置。
圖5顯示了四沖程柴油機(jī)的氣門定時(shí)。
圖6是一曲線圖，顯示了由于噴射超臨界水發(fā)動機(jī)輸出功率的改進(jìn)。
圖7是一曲線圖，顯示了由于噴射超臨界水排氣中NOx排放量的減少。
圖8(A)是一曲線圖，顯示了噴射超臨界水與排氣的色密度(煙度)減輕之間的關(guān)系。圖8(B)則顯示了噴射超臨界水與排氣中CO排放量減少之間的關(guān)系。
圖9是一曲線圖，顯示了超臨界水噴射定時(shí)與發(fā)動機(jī)輸出功率改進(jìn)之間的關(guān)系。
圖10是一曲線圖，顯示了超臨界水噴射定時(shí)與排氣中NOx排放量減少之間的關(guān)系。
圖11是三種不同的臨界水噴射定時(shí)與NOx排放量減少及發(fā)動機(jī)輸出功率改進(jìn)之間的比較第一種情況的臨界水噴射區(qū)間是從上止點(diǎn)前-45至-15(噴水在點(diǎn)火之前)；第二種情況的臨界水噴射區(qū)間是從上止點(diǎn)0至+30(噴水在點(diǎn)火之后)；還有一種情況是不噴水。
圖12是三種不同的臨界水和燃油噴霧混合滲透程度與NOx排放量減少及發(fā)動機(jī)輸出功率改進(jìn)之間的比較第一種情況是混合滲透程度增加；第二種情況是混合滲透程度減小。
圖13顯示了在不噴水的情況下，在-30～+90之間的某個(gè)曲軸轉(zhuǎn)角處，燃燒室中的水和溫度的分布情況的模擬結(jié)果。上面兩行顯示了燃燒室中水的分布，下面兩行顯示了燃燒室中溫度的分布。
圖14顯示了在燃燒室中水和溫度的分布情況的模擬結(jié)果。在第一種情況下，臨界水從燃燒室的中心噴入，按曲軸轉(zhuǎn)角計(jì)算的噴射范圍是從上止點(diǎn)前-45到-15。
圖15顯示了在燃燒室中水和溫度的分布情況的模擬結(jié)果。在第二種情況下，臨界水從燃燒室的中心噴入，按曲軸轉(zhuǎn)角計(jì)算的噴射范圍是，從上止點(diǎn)0至+30。
圖16顯示了在燃燒室中水和溫度的分布情況的模擬結(jié)果。在第一種情況下，臨界水從燃燒室的側(cè)部噴入，按曲軸轉(zhuǎn)角計(jì)算的噴射范圍是，從上止點(diǎn)前-45到-15。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)參照附圖對本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例作詳細(xì)的說明。除非有特別注明，實(shí)施例各組成部分中涉及到的尺寸，材料，相對位置等僅僅是為了舉例說明，而不應(yīng)該把它們看成是對本發(fā)明范圍的限制。
圖1至圖3是按照本發(fā)明所舉實(shí)施例的往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)，具體地是四沖程柴油機(jī)，燃燒室的配置示意圖。涉及的發(fā)動機(jī)1包括氣缸10，氣缸套11和氣缸蓋12，安裝了活塞環(huán)13的活塞14，以及將活塞14的往復(fù)運(yùn)動通過圖中未表示出的曲軸傳遞給負(fù)載的連桿15。燃油噴嘴16安裝在氣缸蓋12的氣缸中心位置上，并朝向燃燒室20，在噴油嘴的兩側(cè)有將空氣引導(dǎo)進(jìn)入氣缸10的進(jìn)氣門17和將廢氣排出氣缸的排氣門18。吸氣，壓縮，燃燒和膨脹，以及排氣這四個(gè)基本循環(huán)過程在曲軸每旋轉(zhuǎn)兩周內(nèi)各完成一次，如圖5的氣門定時(shí)相位圖所示。
如圖5所示，進(jìn)氣門在按曲軸轉(zhuǎn)角計(jì)算的上止點(diǎn)前-45至-15的范圍內(nèi)開啟，在下止點(diǎn)后+20至+80的范圍內(nèi)關(guān)閉，當(dāng)活塞向上運(yùn)動時(shí)進(jìn)入氣缸12內(nèi)的空氣被壓縮。
被壓縮空氣的溫度將升高到噴入燃油的自燃溫度以上。當(dāng)燃油在壓縮沖程的終點(diǎn)附近(曲軸轉(zhuǎn)角大約在上止點(diǎn)前-20至-5)從燃油噴嘴16噴出時(shí)就被壓縮空氣的高溫加熱而點(diǎn)燃，這時(shí)氣缸內(nèi)的溫度和壓力迅速上升，活塞14在通過上止點(diǎn)后就被推向下止點(diǎn)。
在活塞14抵達(dá)燃燒和膨脹沖程的下止點(diǎn)之前(大約在下止點(diǎn)前-20至-80)排氣門18打開，燃燒的氣體由于自身的壓力而排出氣缸10，隨后活塞14向上運(yùn)動進(jìn)一步將氣體推出。
像這樣配置的四沖程發(fā)動機(jī)已為人們熟知。
燃油噴嘴16的驅(qū)動，已及進(jìn)氣門17和排氣門18的開閉由圖中未表示出的曲軸通過定時(shí)齒輪驅(qū)動機(jī)構(gòu)完成。
臨界水噴嘴21安裝在燃燒室20的上方進(jìn)氣門17和排氣門18的外側(cè)。
應(yīng)該對臨界水的噴射定時(shí)、臨界水噴嘴21的安裝位置以及噴孔的直徑及方向進(jìn)行合理的選擇，以便使燃油噴霧與在燃燒室內(nèi)膨脹的臨界水的粒子能很好地接觸，換句話說，應(yīng)使燃油噴霧與臨界水能很好地混合滲透。
例如，在圖1中，燃油噴嘴16處在氣缸的上方燃燒室20的中心，臨界水噴嘴21的安裝則是將其噴孔(一孔或多孔)傾斜正好對著氣缸的中心一側(cè)。
在這種情況下臨界水噴嘴21相互遠(yuǎn)離，因?yàn)樗鼈儽粖A在進(jìn)排氣門17和18的中間，因此，需要確定臨界水的噴射速度，使得從臨界水噴嘴噴出的臨界水與燃油噴霧在燃燒室內(nèi)能很好地混合滲透。具體地說，采用較小的噴孔(一孔或多孔)直徑來增加噴射速度是適宜的，這就是說需要增加臨界水的噴射壓力。
在圖2中，臨界水噴嘴21與燃油噴嘴16均處在燃燒室20的中心部位切彼此相鄰，它們之間的距離很小，因此，從臨界水噴嘴21噴出的臨界水與噴入燃燒室20的燃油噴霧能夠充分地混合滲透。
在圖3中，使用了一種雙液體噴嘴22，它將燃油噴嘴與臨界水噴嘴合為一體。在本實(shí)施例中，燃油噴孔150與臨界水噴孔210的位置在垂直方向上是不相同的，燃油從下方的孔150噴出，臨界水從上方的孔210噴出。由于上方孔和下方孔之間的距離很小，因此從上方孔210噴出的臨界水與從下方孔150噴進(jìn)燃燒室的燃油能充分地混合滲透。
臨界水噴嘴孔210的開啟和關(guān)閉定時(shí)可以與進(jìn)排氣門定時(shí)一起由正時(shí)齒輪機(jī)構(gòu)來確定并由曲軸驅(qū)動，或者由控制器022(見圖4)發(fā)出的信號來控制。當(dāng)控制器探測到氣缸內(nèi)的壓力和溫度等運(yùn)行條件及曲軸轉(zhuǎn)角后就會發(fā)出相應(yīng)的信號。
在由控制器022發(fā)出信號來控制臨界水噴射定時(shí)的情況下，臨界水噴射的開始時(shí)間最好是在氣缸內(nèi)的溫度上升到高于臨界水的溫度之后，并且是在燃燒室內(nèi)的燃油被點(diǎn)燃之前，它可能是在按曲軸轉(zhuǎn)角計(jì)算的上止點(diǎn)之前-90至-10的范圍內(nèi)，特別是有可能在-80至-20的范圍內(nèi)，而更為可取的是在-60～-20至-30的范圍內(nèi)。臨界水噴射的結(jié)束時(shí)間應(yīng)早于+30(上止點(diǎn)后30)，優(yōu)選地是0(正好在上止點(diǎn))，特別是可以選在上止點(diǎn)之前-5或正好是在燃燒室中的燃油被點(diǎn)燃之前。
當(dāng)臨界水的噴射定時(shí)由曲軸轉(zhuǎn)角決定時(shí)，臨界水噴射的開始時(shí)間由正時(shí)齒輪機(jī)構(gòu)確定，這時(shí)將不探測氣缸內(nèi)的溫度等參數(shù)。
圖4是使用控制器的系統(tǒng)實(shí)施例，其中發(fā)動機(jī)1配備了臨界水噴射裝置。
在該實(shí)施例中，供給的水2通過泵3被加壓到10MPa或者更高，最好是22MPa或者更高，然后用一個(gè)熱交換器9或者用一個(gè)熱交換器9和加熱器30一起將其加熱到250C或更高，但最好是374C或更高。
在熱交換器9中產(chǎn)生的高于250C和高于10MPa的亞臨界水，最好是高于374C和高于22MPa的超臨界水，按控制器022確定的噴射定時(shí)從臨界水噴嘴21噴出。噴射的延續(xù)期最好是這樣來確定即使得臨界水的噴射數(shù)量按質(zhì)量計(jì)算能滿足下列比例燃油/空氣/臨界水＝1/30/1～4。
下面將對采用圖4所示系統(tǒng)所得到的試驗(yàn)結(jié)果作一說明。試驗(yàn)的條件如下燃油噴射延續(xù)期上止點(diǎn)前-6至上止點(diǎn)后+24；臨界水噴射開始時(shí)間上止點(diǎn)前-50至上止點(diǎn)0；臨界水噴射壓力35MPa；臨界水噴射量是燃油噴射質(zhì)量的1～5倍。
圖6顯示了發(fā)動機(jī)的輸出功率與水的噴射溫度之間的關(guān)系。縱坐標(biāo)表示噴射臨界水后的功率與未噴射臨界水的功率(假定是100)之比。當(dāng)溫度升高時(shí)，水的相位將達(dá)到亞臨界或超臨界區(qū)域，當(dāng)噴射溫度進(jìn)入到250 C～300C或更高的區(qū)域、特別是進(jìn)入到374C或更高的區(qū)域后，功率就能得到改善。
圖7表示排氣中NOx的密度與噴水溫度的關(guān)系。可以看出，即使溫度低于250C，NOx的排放也能得到改善。然而，與圖6的結(jié)果一起進(jìn)行評價(jià)可以看出，經(jīng)過噴射溫度高于250C的亞臨界水或溫度高于374C的超臨界水后，功率和NOx的排放都能得到改善。
圖8(A)表示排氣的煙度與噴水溫度的關(guān)系。可以看出，在高于250C的亞臨界溫度區(qū)域和高于374C的超臨界溫度區(qū)域內(nèi)排氣煙度都能得到改善。
圖8(B)表示排氣中CO的密度與噴水溫度的關(guān)系?？梢钥闯?，在高于250C的亞臨界溫度區(qū)域和高于374C的超臨界溫度區(qū)域內(nèi)，CO的密度都能得到改善。特別是在高于374C的超臨界溫度區(qū)域內(nèi)改善尤為明顯，這表明著時(shí)發(fā)動機(jī)的燃燒效率已大大改善。
下面將對發(fā)動機(jī)的功率和排氣中NOx的密度與噴水開始時(shí)間的關(guān)系作一說明。圖9表示了發(fā)動機(jī)的功率與噴水開始時(shí)間的關(guān)系。試驗(yàn)是用350C的亞臨界水和450C的超臨界水來進(jìn)行的。在這兩種情況下，當(dāng)噴射是在曲軸轉(zhuǎn)角為-80至-20的范圍內(nèi)開始時(shí)，發(fā)動機(jī)的功率能得到改善。
圖10表示排氣中NOx的密度與噴水開始時(shí)間的關(guān)系。試驗(yàn)是用350C的亞臨界水和450C的超臨界水來進(jìn)行的。在這兩種情況下，噴水的開始時(shí)間比燃油在燃燒室中的點(diǎn)燃時(shí)間越是提前，NOx的密度就越減小。
因此，在設(shè)置臨界水的噴射開始定時(shí)之時(shí)，如果著眼點(diǎn)放在功率上，最好是將曲軸轉(zhuǎn)角定時(shí)設(shè)置在-90至-10的范圍內(nèi)，特別是可以設(shè)置在-80至-20的范圍內(nèi)，這一范圍是處在燃油被噴射之前的壓縮沖程的后一階段。如果著眼點(diǎn)放在NOx上，則噴射定時(shí)越是提前改善就越明顯。
下面將參照圖11至圖16對本發(fā)明的模擬試驗(yàn)作一說明。
圖11表示了圖2所示發(fā)動機(jī)模擬試驗(yàn)的結(jié)果。在第一種情況中，燃油噴射的延續(xù)期從-6至+24，臨界水噴射的延續(xù)期從-45至-15(噴射在燃油被點(diǎn)燃之前)；在第二種情況中，燃油的噴射延續(xù)期從-6至+24，臨界水的噴射延續(xù)期從0至+30(噴射在燃油被點(diǎn)燃之后)。最下面的-種情況是燃油的噴射延續(xù)期從-6到+24，但不噴臨界水，它可以用來與前兩種情況進(jìn)行比較。
臨界水的噴射壓力為30MPa，溫度為423C，被噴射的臨界水與被噴射的燃油之間的質(zhì)量比是1∶1。
在每種情況下燃燒室中水的分布情況和溫度的分布情況如圖13至圖15所示。在各圖中，上面的兩行顯示了在-30～+90之間的某個(gè)曲軸轉(zhuǎn)角下燃燒室內(nèi)的水分布情況，下面的兩行顯示了在-30～+90之間的某個(gè)曲軸轉(zhuǎn)角下燃燒室內(nèi)的溫度分布情況，其中0代表上止點(diǎn)。在全部三種情況中，點(diǎn)火均在-5左右開始。
在不噴臨界水的情況中，點(diǎn)火在-5左右開始，燃燒產(chǎn)生的水粒子(水蒸汽)在燃燒室中逐漸擴(kuò)散直到30。關(guān)于溫度分布，在曲軸轉(zhuǎn)角為0～30期間有一個(gè)區(qū)域的溫度上升到2000C～3000C。在這種情況中NOx的密度較高如圖11所示。
在第二種情況中，臨界水的噴射延續(xù)期是從0到30(噴射在燃油被點(diǎn)燃之后)，點(diǎn)火在-5左右開始。由于臨界水是在燃油被點(diǎn)燃之后的0到30區(qū)間內(nèi)噴射，因此水粒子(水蒸汽)會迅速擴(kuò)散一直到30，如圖15所示。在燃油被點(diǎn)燃之后再進(jìn)行噴水的情況下，燃燒室內(nèi)的溫度比不噴水時(shí)要低，但是，在曲軸轉(zhuǎn)角為0～30期間，仍然有一個(gè)區(qū)域的溫度上升到2000C～2500C。因此，與不噴水的情況相比較，NOx的含量可減少大約25％，發(fā)動機(jī)的效率可提高大約1％，如圖11所示。然而，與第一種情況相比較，噴射臨界水的作用是非常小的。
在第一種情況中，臨界水噴射的延續(xù)期是從-45到15(噴射在燃油被點(diǎn)燃之前)，正是由于臨界水在燃油被點(diǎn)燃之前的-45就開始噴射，水粒子在曲軸轉(zhuǎn)角為30時(shí)在燃燒室中已得到充分地?cái)U(kuò)散，即使在60仍有足夠多的水粒子存在，如圖14所示。在這第一種情況中，水噴射在點(diǎn)火之前，當(dāng)曲軸轉(zhuǎn)角在15～30期間，燃燒室中的溫度比第二種情況要進(jìn)一步下降到低于2000C。這時(shí)，NOx的含量只有不噴水時(shí)的20％，即降低了80％，發(fā)動機(jī)的效率也提高了大約5％。與第二種情況相比，噴射臨界水的作用是十分明顯的。
可以看出，在采用相同噴射量/溫度/壓力的條件下，在噴射臨界水對減少NOx含量和提高發(fā)動機(jī)效率的作用方面，將第一種情況下的噴射臨界水在燃油點(diǎn)火之前(燃油噴射之前)與第二種情況下的噴射臨界水在燃油點(diǎn)火之后進(jìn)行比較，前者的作用較大。
下面將參照圖12對臨界水與燃油噴霧混合滲透程度的作用作一說明。
第一種情況顯示的結(jié)果是，在如圖2或圖3所示的發(fā)動機(jī)中，臨界水和燃油是從燃燒室的中心部位噴出的，水與燃油噴霧的混合滲透程度得到增強(qiáng)。
第三種情況顯示的結(jié)果是，在如圖1所示的發(fā)動機(jī)中，臨界水和燃油是從燃燒室的側(cè)面噴出的，水與燃油噴霧的混合滲透程度被減弱。這里，燃油和臨界水的噴射定時(shí)與第一種情況相同。
臨界水以30MPa的壓力和423C的溫度噴射，臨界水與燃油的噴射質(zhì)量比是1∶1，這與第一種情況相同。
在第三種情況中，雖然臨界水的噴射是開始于時(shí)間較早的-45曲軸轉(zhuǎn)角，但是水粒子并未充分地?cái)U(kuò)散，從圖16中可以看出，即使在開始點(diǎn)火的-5也是如此，因此可以說它的混合滲透程度是低的。還可以看到，當(dāng)曲軸轉(zhuǎn)角是15～30時(shí)，在水粒子尚未充分?jǐn)U散到的部位，還存在2000C或溫度更高的區(qū)域。
從圖14可以看出，在第一種情況中，在0～-60區(qū)間內(nèi)，由燃油燃燒產(chǎn)生的水粒子與噴射臨界水產(chǎn)生的水粒子已充分地?cái)U(kuò)散開來。這就意味著，有充足的水存在于燃油噴射區(qū)域內(nèi)，并且在圖14的第一種情況中，燃油與水的充分混合滲透已在燃油被點(diǎn)燃之前發(fā)生。
與此相反，在圖16的第三種情況中，只有少量的水存在于燃油噴射區(qū)域內(nèi)，在燃油被點(diǎn)燃之前，燃油與水的混合滲透程度較低。
從圖12看到的結(jié)果是，NOx的含量變成在不噴水的情況下的40％，效率提高了2％，其改善程度沒有達(dá)到第一種情況的水平。
因此，可以這樣說，在采用相同噴射量/溫度/壓力的條件下，在噴射臨界水對減少NOx含量和提高發(fā)動機(jī)效率的作用方面，將圖14所示的具有強(qiáng)混合滲透的第一種情況與圖16所示的具有弱混合滲透的第三種情況進(jìn)行比較，前者的作用較大。
因此，也可以這樣說，在臨界水采用相同噴射量/溫度/壓力的條件下，將第一種情況與第三種情況進(jìn)行比較，在噴射臨界水對減少NOx含量和提高發(fā)動機(jī)效率的作用方面，水與燃油噴霧混合滲透程度高的作用較大。因此，為了盡可能地減少排氣中的NOx含量和提高發(fā)動機(jī)效率，在燃油被點(diǎn)燃之前噴射臨界水，使燃油噴霧與水的噴霧混合滲透是必要的。
模擬試驗(yàn)的結(jié)果并不否定如圖1所示的從燃燒室的側(cè)面噴射臨界水的方法。從燃燒室的側(cè)面噴射臨界水的方法是可以接受的，一旦水噴入后，只要能保證在燃油被點(diǎn)燃之前水的噴霧與燃油的噴霧能得到充分地混合滲透，這個(gè)方法就是可取的。
工業(yè)中的適用性如以上所述，按照本發(fā)明，用泵將水增壓到亞臨界或超臨界的壓力水平，并加熱到亞臨界或超臨界的溫度水平，將這樣生成的水在燃油被點(diǎn)燃之前噴入燃燒室，使得水與噴入燃燒室的燃油噴霧互相混合滲透。由于亞臨界水或超臨界水獨(dú)特的物理和化學(xué)性能使得燃燒室中的燃燒得到改善，低排放燃燒也能達(dá)到。更具體的說，除了能夠減少氮氧化合物和一氧化碳以外，發(fā)動機(jī)的效率和輸出功率都能提高。
權(quán)利要求
1.一種用噴射臨界水來運(yùn)行內(nèi)燃機(jī)的方法，在該方法中液體和氣體燃料如像石油族燃料，氫氣，天然氣，酒精等在燃燒室中燃燒，燃燒的氣體就作為工作介質(zhì)，其特征在于，溫度高于250C、壓力高于10MPa的亞臨界水或超臨界水(以后均簡稱為臨界水)在壓縮沖程期間、在噴入的燃油被點(diǎn)燃之前噴射到燃燒室中。
2.按照權(quán)利要求1所述的一種用噴射臨界水來運(yùn)行內(nèi)燃機(jī)的方法，其特征在于，所述的發(fā)動機(jī)是一種往復(fù)式活塞內(nèi)燃機(jī)，它的吸氣、壓縮、燃燒和膨脹、以及排氣沖程由曲軸轉(zhuǎn)角來限定，所述臨界水的噴射延續(xù)期為從上止點(diǎn)前90開始到上止點(diǎn)后30結(jié)束。
3.按照權(quán)利要求1所述的一種用噴射臨界水來運(yùn)行內(nèi)燃機(jī)的方法，其特征在于，所述臨界水的噴射延續(xù)期為從上止點(diǎn)前80開始到上止點(diǎn)0結(jié)束，整個(gè)過程處在如權(quán)利要求2所述的往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)的壓縮沖程期間。
4.按照權(quán)利要求1所述的一種用噴射臨界水來運(yùn)行內(nèi)燃機(jī)的方法，其特征在于，在權(quán)利要求3所述的往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)中，所述臨界水的噴射延續(xù)期為從上止點(diǎn)前80開始到燃燒室中的燃油被點(diǎn)燃之前結(jié)束，噴射結(jié)束在上止點(diǎn)前5或正好在上止點(diǎn)之前。
5.按照權(quán)利要求1所述的一種用噴射臨界水來運(yùn)行內(nèi)燃機(jī)的方法，其特征在于，所述的臨界水是溫度高于374C、壓力高于22MPa的超臨界水。
6.按照權(quán)利要求1所述的一種用噴射臨界水來運(yùn)行內(nèi)燃機(jī)的方法，其特征在于，所述的臨界水是經(jīng)過與發(fā)動機(jī)的排氣進(jìn)行熱交換后生成的亞臨界或超臨界水。
7.按照權(quán)利要求1所述的一種用噴射臨界水來運(yùn)行內(nèi)燃機(jī)的方法，其特征在于，噴入所述臨界水使得所述的臨界水的粒子在燃油被點(diǎn)燃之前存在于燃燒室中并與噴入燃燒室中的燃油噴霧混合滲透。
8.按照權(quán)利要求1所述的一種用噴射臨界水來運(yùn)行內(nèi)燃機(jī)的方法，其特征在于，所述的臨界水被噴入后，由燃油燃燒生成的水粒子與臨界水的粒子在燃燒過程中以不單獨(dú)分層狀態(tài)存在。
9.一種用噴射臨界水來運(yùn)行內(nèi)燃機(jī)的方法，在該方法中液體和氣體燃料如像石油族燃料，氫氣，天然氣，酒精等在燃燒室中燃燒，燃燒的氣體作為工作介質(zhì)推動內(nèi)燃機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，其特征在于，溫度高于250C、壓力高于10MPa的亞臨界水或超臨界水在燃油被點(diǎn)燃之前噴入燃燒室中，臨界水噴霧的粒子與燃油噴霧的粒子互相混合滲透。
10.按照權(quán)利要求9所述的一種用噴射臨界水來運(yùn)行內(nèi)燃機(jī)的方法，其特征在于，所述的臨界水被噴入到燃燒室中與被噴入燃燒室中的燃油混合滲透。
全文摘要
本發(fā)明的目的是要提供一種用噴入臨界水來運(yùn)行內(nèi)燃機(jī)的方法，在這個(gè)方法中臨界水的優(yōu)良特性得到積極有效的利用，它除了降低氮氧化合物和一氧化碳的排放以外還能提高發(fā)動機(jī)的效率和功率輸出，其特征在于，將溫度高于250℃、壓力高于10MPa的亞臨界水或超臨界水在內(nèi)燃機(jī)的壓縮或燃燒沖程期間噴入燃燒室，噴射開始于壓縮沖程期間的燃油被點(diǎn)燃之前，其特別之處在于該噴射是這樣進(jìn)行的，使得所述的水與噴入燃燒室的燃油噴霧互相混合滲透，噴射的延續(xù)期是從曲軸轉(zhuǎn)角位置的上止點(diǎn)前90到上止點(diǎn)后30。
文檔編號F02M25/022GK1461377SQ02801115
公開日2003年12月10日 申請日期2002年4月8日 優(yōu)先權(quán)日2001年4月6日
發(fā)明者柚木晃廣, 嶋田隆文, 伊藤邦憲, 石田裕幸 申請人:三菱重工業(yè)株式會社