專利名稱：往復(fù)內(nèi)燃機(jī)的操作方法及其系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及操作內(nèi)燃機(jī)的方法及其系統(tǒng)，以便在燃油噴射量增加和最大燃燒溫度抑制在傳統(tǒng)水平的情況下通過將亞-或超-臨界水噴入內(nèi)燃機(jī)的氣缸來提高輸出，改善效率，并減少廢氣排放。
背景技術(shù)：
中/大型往復(fù)內(nèi)燃機(jī)，由于其高成本效率，被廣泛地引入市場，用于推動(dòng)船只、一般工業(yè)、商業(yè)用途等。然而，用戶對(duì)于成本效率和生態(tài)友好的需求變得日益加劇，單位輸出功率的成本、燃油消耗和有害排放的進(jìn)一步減少變得迫切。通過增加內(nèi)燃機(jī)功率的成本下降(緊湊和高功率)，從LCA(生命周期評(píng)價(jià))的角度看已經(jīng)變成社會(huì)需求。
已經(jīng)有了一種提高內(nèi)燃機(jī)效率和輸出的方法，即將內(nèi)燃機(jī)與蒸氣渦輪機(jī)結(jié)合在一起，使蒸氣渦輪機(jī)能夠在底部循環(huán)下操作，即所謂的串聯(lián)組合系統(tǒng)。主要使用燃?xì)廨啓C(jī)作為內(nèi)燃機(jī)的系統(tǒng)已經(jīng)投入實(shí)際應(yīng)用。在象這樣的系統(tǒng)中，內(nèi)燃機(jī)廢氣的部分熱得到應(yīng)用，熱效率因而得到改善，然而，除了內(nèi)燃機(jī)還需要一個(gè)燃?xì)廨啓C(jī)導(dǎo)致不緊湊，這并不總是能夠?qū)崿F(xiàn)重量、空間和單位輸出功率成本的下降。
圖11表明了使用往復(fù)內(nèi)燃機(jī)的所述串聯(lián)組合系統(tǒng)的一個(gè)示例，其中，來自渦輪增壓的往復(fù)內(nèi)燃機(jī)101的廢氣渦輪增加器103的廢氣渦輪機(jī)104的廢氣被引進(jìn)熱交換器106。由所述廢氣渦輪增加器103的壓縮機(jī)105壓縮的氣體，通過空氣冷卻器107被供應(yīng)到發(fā)動(dòng)機(jī)101的氣缸。所述熱交換器通過一個(gè)水泵P供給水，水在熱交換器中被來自所述渦輪機(jī)的廢氣加熱，變成超加熱蒸氣，該蒸氣被送到蒸氣渦輪機(jī)115。超加熱蒸氣在驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)115的蒸氣渦輪機(jī)115中膨脹。溫度降低了的濕蒸氣在冷凝器117中被冷卻，凝結(jié)成液體水，通過泵P再被送到熱交換器。
所謂的Cheng循環(huán)在美國專利3978661或日本專利54-34865中作為平行-復(fù)合二元-流體熱機(jī)公開，其中，在廢氣鍋爐中生成的蒸氣被噴入燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒器中，用于增加輸出和改善熱效率。這一循環(huán)旨在通過將經(jīng)與燃?xì)廨啓C(jī)的廢氣熱交換生成的蒸氣噴入燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒器來提高輸出和熱效率，被噴射的蒸氣與燃燒氣體混合，并形成為燃燒室中的超熱蒸氣，燃燒氣體與蒸氣的混合流體被作為工作流體供給燃?xì)廨啓C(jī)或膨脹器。工作流體的熱能主要由超加熱蒸氣攜帶，而由燃燒氣體攜帶的部分熱能比超加熱蒸氣的要小。即，燃料的能量主要用來生成超加熱蒸氣，因此所述燃燒器是一種通過燃燒氣體與蒸氣的直接接觸生成超加熱蒸氣的鍋爐。
一種狹塞爾-蘭金循環(huán)住復(fù)發(fā)動(dòng)機(jī)在WO 99/37904中公開，其中，通過經(jīng)由與廢氣熱交換加熱發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水和的燃燒氣體生成的溫度最好為580℃或更低以及壓力為18MPa或更低的蒸氣，在被噴入氣缸的燃油點(diǎn)火前被噴入氣缸，以便蒸氣不干涉被噴的燃油。
在日本專利申請(qǐng)公開文本No.6-137218中公布了一項(xiàng)技術(shù)，其中，氫氧化鉀的水溶液被加到并與柴油發(fā)動(dòng)機(jī)燃油混合，受壓并加熱到超過水的臨界壓力的高壓和高溫以便與帶有氫氧化鉀的燃油中與硫結(jié)合，該混合物被噴入氣缸中被燃燒。然而，雖然臨界水的特性在上述技術(shù)中被使用，臨界水被用來通過使硫和氫氧化鉀結(jié)合將重油中的硫分離，而不是用來減少NOx和CO。水溶解之于燃料的混合可能導(dǎo)致不成功的自燃并減少輸出。
特別是，對(duì)于中/大型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)來說，強(qiáng)烈需要將NOx減少到最低限度，以便減少脫硝成本，大大改善減少CO2的熱效率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明試圖通過將亞-或超-臨界水噴入往復(fù)內(nèi)燃機(jī)的氣缸提高輸出，同時(shí)改善熱效率，并減少排放。本發(fā)明的目的就是提高輸出，而無需對(duì)往復(fù)內(nèi)燃機(jī)的主要部件進(jìn)行修改且無需如所述串聯(lián)組合系統(tǒng)那樣提供蒸氣渦輪機(jī)等。
為了達(dá)成上述目的，根據(jù)本發(fā)明，一種諸如石油類燃油、氫、天然氣、酒精之類的液體或氣體燃油在其中燃燒并且燃燒氣體用作工作流體的內(nèi)燃機(jī)，按如下方法操作，即加量的燃料被噴入，壓力在18MPa和22.1MPa之間(臨界壓力)、溫度在250℃和580℃之間的亞臨界水或超臨界水(以下稱為亞-或超-臨界水)，在上死點(diǎn)前90°和上死點(diǎn)后30°之間的范圍內(nèi)被噴入氣缸中，以便最大輸出點(diǎn)的過量空氣系數(shù)為1～2.5。
眾所周知，通過將水或蒸氣噴入進(jìn)氣管或往復(fù)內(nèi)燃機(jī)的氣缸來降低燃燒溫度，就可以減少NOx。水(H2O)的臨界點(diǎn)在溫度上為374.1℃，在壓力上為22.1MPa。在臨界狀態(tài)，液相和汽相之間沒有區(qū)別，臨界狀態(tài)中的分子的行為如同汽相中的，雖然其密度與液態(tài)的相同。物理和化學(xué)特性在臨界點(diǎn)附近廣泛變化。
本發(fā)明積極應(yīng)用亞-或超-臨界水的特性。即，當(dāng)亞一超臨界水的介電常數(shù)變得如同有機(jī)溶劑的一樣低時(shí)，亞-或超-臨界水與碳-氫化物類燃料的互溶性提高了，且由于亞-或超-臨界水的增加了的擴(kuò)散常數(shù)，容易形成混有燃料的水的均質(zhì)相。因此，局部高燃燒溫度的點(diǎn)或區(qū)域的數(shù)量下降，導(dǎo)致NOx生成的減少。此外，亞-或超-臨界水還與氧之類的氣體形成均質(zhì)相，所以，燃料被有效地氧化了，這在減少CO和煙濃度(黑煙)方面是有效的。亞-或超-臨界水的存在還增加了離子產(chǎn)物，實(shí)現(xiàn)了酸/堿的催化作用，導(dǎo)致NOx和CO的減少。
超-臨界水是溫度和壓力在臨界點(diǎn)之上的H2O，然而，亞-臨界水并沒有明確地定義。亞-臨界水在本發(fā)明中定義為壓力在18Kpa和22.1Mpa(臨界壓力)之間、溫度在250℃和580℃之間的H2O。
對(duì)于抽吸、壓縮、燃燒和排氣沖程根據(jù)曲軸轉(zhuǎn)角確定的往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)來說，所述亞-或超-臨界水的噴射從開始到結(jié)束的期間是在從90°BTC(上死點(diǎn)前)到30°ATC(上死點(diǎn)后)的范圍內(nèi)，從80°BTC到0°(上死點(diǎn))的范圍內(nèi)更好，最好是在從80°BTC直到燃油在燃燒室內(nèi)點(diǎn)燃的范圍內(nèi)且噴射在5°BTC或剛好在此之前結(jié)束。
然而，如果臨界水噴射的開始是在距上死點(diǎn)的-90°～-10°，特別是-80°～-20°，最好是-60°～-20°至-30°的范圍內(nèi)，由于活塞處于壓縮沖程的靠后階段，因其即時(shí)擴(kuò)散造成的噴射的臨界水的壓力降小，所以，被噴射臨界水的超-或亞臨界狀態(tài)得以維持，并有效地得到了根據(jù)本發(fā)明的所述效果。
氣缸中的壓力和溫度隨活塞的位置，即是說隨著曲軸角度而變動(dòng)，另一方面，將亞-或超-臨界水噴入氣缸需要一些時(shí)間。因此亞-或超-臨界水必須以大于氣缸中壓力的壓力噴入氣缸。
如果在燃油被噴射前氣缸中的壓力比較低時(shí)，所述亞-或超-臨界水被噴射，亞-或超-臨界水被轉(zhuǎn)換為壓力與溫度與氣缸中的壓力與溫度接近的蒸氣，作為亞-或超-臨界水的作用喪失了，且蒸氣只是用于增加工作流體的量和比熱。如果在接近燃油噴射開始的時(shí)間或于燃燒期間氣缸中的壓力較高的時(shí)候被噴射，亞-或超-臨界水穿過氣缸中的空氣，與燃油噴霧碰撞，因此，它與燃油噴霧混合，并促進(jìn)燃燒，盡管它降低了燃燒火焰的溫度。
因此，亞-或超-臨界水的噴射最好與燃油的噴射同時(shí)，或在壓縮沖程中在燃油噴射前開始。
當(dāng)濕水蒸氣被噴射時(shí)，由于濕氣中的液體水的潛熱較大它冷卻并熄滅火焰，且燃燒被阻止了。但是，由于接近臨界點(diǎn)的亞-臨界水只含有很少量的液體水，其潛熱不大，燃燒較小地受到影響。因此，如果亞-臨界水在接近燃油噴射開始時(shí)被噴射，其溫度最好不要太低于臨界溫度。被噴射的亞-或超-臨界水的溫度在燃燒繼續(xù)進(jìn)行并均勻地與燃油和空氣混合，以如前所述促進(jìn)燃燒時(shí)上升了，NOx，CO等的生成受到抑制。
通常，進(jìn)氣壓力約為0.4MPa，其溫度約為50℃，當(dāng)前的中/大型超增壓式、內(nèi)冷卻發(fā)動(dòng)機(jī)中的最大燃燒溫度達(dá)到1600℃～2000℃。過量空氣系數(shù)約為2.5那么大，以便將最大燃燒溫度保持在2000℃內(nèi)。通過根據(jù)本發(fā)明將亞-或超-臨界水噴入氣缸中，氣缸中的燃燒被促進(jìn)了，工作流體的量及其比熱增加了，熱吸收能力因而提高了。因此，即使增加了燃油噴射量使得過量空氣系數(shù)小于2.5，最大燃燒溫度也能夠保持低于2000℃。輸出可以通過增加燃油輸入而增加。
這里，在權(quán)利要求6中提出了一個(gè)往復(fù)內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)，其中，諸如石油類燃油、氫、天然氣、酒精之類的液體或氣體燃料在其中燃燒，并且燃燒氣體用作工作流體，其中，系統(tǒng)包括用于生成壓力在18MPa和22.1MPa之間(臨界壓力)與溫度在250℃和580℃之間的亞-臨界水或超-臨界水(以下稱為亞-或超-臨界水)的裝置。
用于在上死點(diǎn)前90°和上死點(diǎn)后30°之間的范圍內(nèi)將亞-或超-臨界水噴入氣缸中的裝置，以及用于控制燃料噴射量的裝置，使得由于空氣與亞-或超-臨界水混合的環(huán)境中亞-或超-臨界水的存在造成的燃燒氣體溫度下降通過燃油噴射量的增加被阻止，且在最大燃燒溫度為1600～2000℃的情況下最大輸出時(shí)的過量空氣系數(shù)為1～2.5。
這里，用于生成亞-或超-臨界水的所述裝置最好是設(shè)置在增壓力往復(fù)內(nèi)燃機(jī)的渦輪增加器的廢氣渦輪機(jī)下游側(cè)的廢氣/H2O熱交換器。
此外，最好是裝配一個(gè)控制裝置，用來調(diào)節(jié)供向熱交換器的廢氣流速和H2O的壓力，用來生成所述溫度和壓力范圍的亞-或超-臨界水。
最好安裝一個(gè)使廢氣渦輪增壓器的渦輪機(jī)中的膨脹率可變的裝置，作為用于通過控制向所述熱交換器供給的廢氣量控制所述亞-或超-臨界水溫度的裝置。
同樣優(yōu)選的是，設(shè)置裝有分流調(diào)節(jié)裝置的分流通道，用來在廢氣進(jìn)入廢氣渦輪增壓器的廢氣渦輪機(jī)前向熱交換器供給部分廢氣，以便控制所述亞-或超-臨界水的溫度。
由于在低廢氣溫度期間不能得到亞-或超-臨界水，除所述廢氣/H2O熱交換器外，最好設(shè)置一生成所述亞-或超-臨界水的第二裝置，將所述第二裝置生成的亞-或超-臨界水在發(fā)動(dòng)機(jī)操作開始時(shí)噴入內(nèi)燃機(jī)氣缸。
最好是，當(dāng)過量的亞-或超-臨界水由所述用于生成亞-或超-臨界水的裝置生成時(shí)，由用于生成亞-或超-臨界水的所述裝置生成的部分亞-或超-臨界水返回到發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣側(cè)，且適量的亞-或超-臨界水被噴入氣缸。
此外，最好將燃油供給到位于用于生成亞-或超-臨界水的所述裝置上游側(cè)的發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管以在排氣管中燃燒，更可取的是，燃料和在廢氣渦輪增加器壓縮機(jī)中被壓縮的部分氣體供給位于生成亞-或超-臨界水的所述裝置上游側(cè)的發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管以在排氣管中燃燒燃料。
圖12是將本發(fā)明反饋-復(fù)合系統(tǒng)中和其中通過與廢氣熱交換回收的熱能用作蒸氣或熱水的傳統(tǒng)系統(tǒng)中的熱量轉(zhuǎn)移進(jìn)行比較的示意圖。
在圖12(A)的傳統(tǒng)系統(tǒng)中，假設(shè)由燃料供給發(fā)動(dòng)的熱量為1，軸輸出為α，由冷卻水帶走的冷卻損失和由發(fā)動(dòng)機(jī)表面輻射的熱量為δ，廢氣熱量為β。部分廢氣熱γβ是通過供給熱交換器的水(H2O)與廢氣的熱交換并由在熱交換器中生成的蒸氣或熱水?dāng)y帶的回收的回收熱能，β(1-γ)作為最終廢氣被釋放到大氣中。
在圖12(B)的本發(fā)明的系統(tǒng)中，供給熱交換器的水(H2O)通過與廢氣熱β∞熱交換形成具有熱能γβ∞的亞-或超-臨界水，并被噴入氣缸。在這種情況下，與傳統(tǒng)情況相比，由燃料供給發(fā)動(dòng)機(jī)的熱增加了κγβ∞以提供1+κγβ∞的熱。燃油供給的這種增加是為了使最大燃燒溫度大致相同于傳統(tǒng)系統(tǒng)中的情況。
就是說，氣缸中的工作流體量由于將亞-或臨界水噴入氣缸而增加了，且由于亞-或臨界水的比熱大于氣缸中的空氣或燃燒氣體的比熱，工作流體的比熱增加了。所以，如果燃油供給量與傳統(tǒng)系統(tǒng)的供給量相同，最大燃燒溫度下降。增加所述燃油供應(yīng)，是為了將最大燃燒溫度保持在與傳統(tǒng)系統(tǒng)情況下大致相同的水平，如在1600-2000℃。
結(jié)果，軸輸出增加到α∞，冷卻/輻射損失也增加到δ∞，釋放到大氣中的熱為δ∞(1-γ)。因此，軸輸出增加到α∞/α倍，發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率增加到傳統(tǒng)情況下的α∞/α(1+κγβ∞)倍。
在同樣最大燃燒溫度條件下，輸出和熱效率增加的比例相對(duì)于亞-或超-臨界水GW的噴射量對(duì)燃油的噴射量GF的比的計(jì)算結(jié)果，如圖13所示。
在根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)中，當(dāng)亞-或超-臨界水的噴射量增加時(shí)，燃油供給增加，以便最大燃燒溫度與傳統(tǒng)系統(tǒng)的相同。如圖13所示，輸出和熱效率在與傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)同樣的最大燃燒溫度條件下隨GW對(duì)GF的比的增加而增加。Gw/Gf的值根據(jù)可允許的最大燃燒壓力限定，因?yàn)闅飧字泄ぷ髁黧w的量隨亞-或超-臨界水的噴射的增加而增加，且相應(yīng)地最大燃燒壓力增加。因此，亞-或超-臨界水的噴射量受限于最大燃燒壓力被允許的程度。在本發(fā)明中，亞-或超-臨界水在90°BTC到ATC30°之間的范圍噴射，使得在增加的燃料供給的情況下最大輸出時(shí)的過量空氣系數(shù)為1～2.5。
在本發(fā)明的系統(tǒng)中，κγβ∞的熱量，即κ乘以從β∞的廢熱回收的γβ∞的熱量，以參與復(fù)合氣體-蒸氣循環(huán)的亞-或超-臨界水以及附加燃油的形式被反饋回發(fā)動(dòng)機(jī)。
由于被噴射的亞-或超-臨界水的比熱是燃燒氣體(空氣與氣缸中被燃燃油的混合物)的大約2倍，燃燒熱由被噴射的亞-或超-臨界水有效地吸收。就是說，當(dāng)其每單位質(zhì)量吸收相同的熱時(shí)，溫度的升高大約是空氣或燃燒氣體的一半或更小，所以燃油供給可以增加，同時(shí)將燃燒溫度保持到與傳統(tǒng)系統(tǒng)燃燒溫度同樣的水平。
被噴射的亞-或超-臨界水在氣缸中與燃燒氣體共同膨脹，將活塞向下推動(dòng)，增加發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出。
被噴射的亞-或超-臨界水在高最大溫度和高最大壓力的往復(fù)循環(huán)中操作，所以，循環(huán)效率高于傳統(tǒng)系統(tǒng)的蒸氣渦輪的效率。
與其中蒸氣溫度一般為600℃或更低、壓力為若干MPa到最多為十幾MPa的蒸氣渦輪中實(shí)現(xiàn)的蘭金循環(huán)相比，被噴入往復(fù)內(nèi)燃機(jī)的氣缸中的亞-或超-臨界水，在其中在所述最新型高輸出發(fā)動(dòng)機(jī)情況下最大溫度為1600℃或更高和最大壓力為20～25MPa的循環(huán)中工作，因此工作流體的亞-或超-臨界水部分的循環(huán)效率類似于往復(fù)內(nèi)燃機(jī)的固有循環(huán)效率那樣高。因此，輸出在燃油供給增加和熱效率增加的情況下得以增加。
內(nèi)燃機(jī)的熱效率隨著燃燒溫度的增加而增加，但從發(fā)動(dòng)機(jī)組成部件熱載荷和NOx生成的角度上看，受到限制，所以就要求將燃燒溫度保持盡可能地低。
從燃料生成的水以高溫和高壓狀態(tài)包含在燃燒氣體中，當(dāng)燃油按理論空氣/燃油比燃燒時(shí)，其數(shù)量大約為燃燒氣體的8％。通常，最新型高輸出發(fā)動(dòng)機(jī)的過量空氣系數(shù)在最大輸出時(shí)約為2.5，所以過量空氣系數(shù)在最大輸出時(shí)大約為3.2％。通過將亞-或超-臨界水噴入氣缸中來增加工作流體的量和比熱，更多的燃油可以被燃燒，并可以從大小與重量與傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)相同的的發(fā)動(dòng)機(jī)中得到更多的輸出。
壓縮點(diǎn)火內(nèi)燃機(jī)的輸出逐年增加。例如，缸徑為300～450mm、旋轉(zhuǎn)速度為400～500rpm的中型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的最大氣缸壓力達(dá)到了20MPa，此外，25MPa最大氣缸壓力的發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)擺在桌面上供考慮。
通常，最大燃燒溫度隨著氣缸中最大壓力的增加而增加，且NOx也增加了。機(jī)械強(qiáng)度通過將諸如機(jī)構(gòu)分析之類的技術(shù)投入充分應(yīng)用而增加以應(yīng)付不斷增加的最大氣缸壓力。解決由于最大燃燒溫度的增加而增加的熱載荷包括更困難的問題。根據(jù)本發(fā)明，最大燃燒溫度與傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)一樣，保持在1600～2000℃，且輸出增加了。結(jié)果，可以得到重量、尺寸和單位輸出成本都小的發(fā)動(dòng)機(jī)。
當(dāng)所述亞-或超-臨界水在壓縮沖程中心中途或上死點(diǎn)后被噴入氣缸時(shí)，與當(dāng)水或蒸氣被噴入進(jìn)氣管時(shí)相比，壓縮亞-或超-臨界水消耗較小的功(當(dāng)所述亞-或超-臨界水被在壓縮沖程中噴入時(shí)，氣缸中的壓力增加，以增加壓縮功，但壓縮功的這一增加比水或蒸氣被噴入進(jìn)氣管時(shí)要小)。
過熱蒸氣的比熱大于空氣和壓縮氣體的比熱，因此，比熱比，即過熱蒸氣的絕熱系數(shù)比空氣和壓縮氣體的小。工作流體的比熱比越小，每單位量工作流體作用在活塞上的膨脹功越大，所以，熱效率就越高。這里，過熱蒸氣指溫度比飽和蒸氣高的蒸氣。因此，亞-或超-臨界水的噴射通過增加工作流體的比熱比也具有增加熱效率的效果。
可由傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)的廢氣熱生成的蒸氣在能量上低(實(shí)用的蒸氣能量水平)，其量大約是被噴射的燃油量的2.5到3倍。本發(fā)明的反饋-復(fù)合系統(tǒng)使得可以通過廢氣熱生成亞-或超-臨界水，因?yàn)閺U氣的量和比熱由于亞-或超-臨界水的噴射而增加，在熱交換器中釋放的熱對(duì)相同的溫度降較大。該系統(tǒng)對(duì)渦輪增壓的往復(fù)內(nèi)燃機(jī)特別有效，因?yàn)槠涔ぷ髁黧w通過渦輪增壓而增加了。
另外提供獨(dú)立的渦輪機(jī)是適當(dāng)?shù)?，該渦輪機(jī)供以從發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸釋放出的廢氣，以便驅(qū)動(dòng)與之連接的發(fā)動(dòng)機(jī)等，來自渦輪機(jī)的廢氣被引入所述熱交換器。對(duì)于該系統(tǒng)來說，廢氣能量大，所以它適合于在廢氣能量大于驅(qū)動(dòng)渦輪增加器以向發(fā)動(dòng)機(jī)供應(yīng)空氣所需的廢氣能量時(shí)，通過所述獨(dú)立渦輪機(jī)吸收過量廢氣能量。


圖1(A)是表明根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的噴以亞-或超-臨界水的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油噴嘴和亞-或超-臨界水噴嘴的位置的基本結(jié)構(gòu)(1)的示意圖。
圖1(B)是表明根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的噴以亞-或超-臨界水的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油噴嘴和亞-或超-臨界水噴嘴的位置的基本結(jié)構(gòu)(2)的示意圖。
圖2是噴以亞-或超-臨界水的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的系統(tǒng)的示意圖。
圖3是表明4-沖程循環(huán)柴油機(jī)的氣門定時(shí)的示意圖。
圖4是根據(jù)本發(fā)明的反饋-復(fù)合系統(tǒng)的第一實(shí)施例的示意圖。
圖5是根據(jù)本發(fā)明的反饋-復(fù)合系統(tǒng)的第二實(shí)施例的示意圖。
圖6是根據(jù)本發(fā)明的反饋-復(fù)合系統(tǒng)的第三實(shí)施例的示意圖。
圖7是根據(jù)本發(fā)明的反饋-復(fù)合系統(tǒng)的第四實(shí)施例的示意圖。
圖8是根據(jù)本發(fā)明的反饋-復(fù)合系統(tǒng)的第五實(shí)施例的示意圖。
圖9是根據(jù)本發(fā)明的反饋-復(fù)合系統(tǒng)的第六實(shí)施例的示意圖。
圖10是根據(jù)本發(fā)明的反饋-復(fù)合系統(tǒng)的第七實(shí)施例的示意圖。
圖11是傳統(tǒng)串聯(lián)組合系統(tǒng)的實(shí)例的示意圖。
圖12是解釋傳統(tǒng)系統(tǒng)和本發(fā)明的反饋-復(fù)合系統(tǒng)中的熱量轉(zhuǎn)移的示意圖。
圖13是表明相對(duì)于亞-或超-臨界水Gw的噴射量對(duì)燃油的噴射量Gf的比的輸出和熱效的增加比例的曲線圖。
圖14是狄塞爾循環(huán)的P-V示意圖。
圖15是解釋狄塞爾循環(huán)和噴入氣缸中的亞-或超-臨界水在氣缸中操作循環(huán)的T-s示意圖。
圖16是表明由于亞-或超-臨界水噴射造成的輸出改善(熱效率改善)相對(duì)于其噴射溫度的圖解。
圖17是表明由于亞-或超-臨界水噴射造成的廢氣中NOx的減少相對(duì)于其噴射溫度的圖解。
圖18是表明由于亞-或超-臨界水噴射造成的廢氣中色彩濃度的減少相對(duì)于其噴射溫度的圖解。
圖19是表明由于亞-或超-臨界水噴射造成的廢氣中CO的減少相對(duì)于其噴射溫度的圖解。
圖20是表明由于亞-或超-臨界水噴射造成的輸出改善(熱率改善)相對(duì)于其噴射定時(shí)的圖解。
圖21是表明由于亞-或超-臨界水噴射造成的廢氣中NOx的減少相對(duì)于其噴射定時(shí)的圖解。
具體實(shí)施例方式
以下將參考附圖對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例作詳細(xì)說明。然而，要指出的是，除非有特別說明，實(shí)施例中各組成部分的尺寸、材料和相對(duì)位置等都被解釋為僅是說明性質(zhì)的，而不限定本發(fā)明的范圍。
圖1(A)、(B)表明了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的圍繞往復(fù)內(nèi)燃機(jī)、特別是4-沖程循環(huán)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的結(jié)構(gòu)的示例。發(fā)動(dòng)機(jī)1包括一個(gè)帶有氣缸襯套11和氣缸蓋12的氣缸10、配裝有活塞環(huán)13的活塞14和通過附圖中未表明的曲軸將活塞14的往復(fù)力傳送到荷載的連桿15。噴油觜16配裝在氣缸蓋12的中央部分中，在該嘴的兩側(cè)配有一個(gè)用來將吸入空氣引入氣缸10的進(jìn)氣門17和一個(gè)用于排出廢氣的排氣門18。抽吸、壓縮、燃燒和膨脹以及排氣的基本過程，以曲軸的每2轉(zhuǎn)完成，如氣門定時(shí)圖的圖3所示。
如圖3所示，進(jìn)氣閥門從上死點(diǎn)-5°--40°的范圍內(nèi)打開，從下死點(diǎn)+20°-+80°的范圍內(nèi)關(guān)閉，氣缸12中的進(jìn)入空氣在活塞向上移動(dòng)時(shí)被壓縮。
受壓空氣的溫度上升到所噴燃油的自燃溫度以上。當(dāng)燃油在接近壓縮沖程終了(在從上死點(diǎn)大約-5°--20°處)從噴油觜16噴出時(shí)，燃油被受壓空氣的高溫加熱并點(diǎn)燃燃燒，溫度和壓力迅速上升，活塞14在通過上死點(diǎn)后被向下推向下死點(diǎn)。
排氣門18在活塞14到達(dá)燃燒和膨脹沖程的下死點(diǎn)之前(在從下死點(diǎn)大約-20°--80°處)打開，燃燒氣體通過其自身的壓力沖出氣缸10，然后，氣體在活塞14向上移動(dòng)時(shí)被它推出。
象這種結(jié)構(gòu)的4-沖程循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)是眾所周知的。
燃油噴觜16的驅(qū)動(dòng)和進(jìn)氣門17與排氣門18的打開/關(guān)閉是通過被在附圖中未示的曲軸的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)的定時(shí)齒輪和凸輪完成的。
亞-或超臨界水噴嘴(sub-or super-critical water injection nozzle)或各噴觜21配置在燃燒室20的上部。噴嘴或各噴嘴21的打開/關(guān)閉可以象進(jìn)/排氣門那樣通過曲軸的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)的定時(shí)齒輪和凸輪來完成，或者可以借助于通過監(jiān)測氣缸中的壓力和溫度和曲軸旋轉(zhuǎn)角度來控制噴射定時(shí)的控制器22(見圖2)來完成。
選擇亞-或超臨界水噴射的定時(shí)、臨介水噴嘴21的位置及其噴射孔的直徑和方向是適當(dāng)?shù)?，以便噴射燃油與在燃燒室中膨脹的臨界水的顆粒接觸，換言之，以便臨界水與燃油噴霧相干擾。
例如，在圖1(A)中，燃油噴射嘴16被裝在在氣缸的上部形成的燃燒室20的中央部位，并配置了亞-或超臨界水噴射嘴21，以便其噴射孔或各噴射孔傾斜并指向氣缸的中央側(cè)。
在這種情況下，噴射嘴21設(shè)置得彼此遠(yuǎn)離，因?yàn)樗鼈冊(cè)O(shè)置得將進(jìn)氣門和排氣門17、18夾設(shè)在其間，所以就需要如此確定亞-或超-臨界水的噴射速度，使得從噴射嘴21噴射出的亞-或超-臨界水與燃燒室中的燃油噴霧束相干擾。具體而言，通過小直徑的噴射孔或各孔提高噴射速度是合適的，即提高臨界水的噴射壓力。
在圖1(B)中，臨界水噴射嘴21和燃油噴嘴16彼此相鄰地位于燃燒室20的中央部分，它們間的距離很小，所以，從噴射嘴21噴射出的亞-或超-臨界水與噴入燃燒室20中的燃油噴霧束充分干擾。
圖2是其中發(fā)動(dòng)機(jī)1配有噴射臨界水的裝置的系統(tǒng)的實(shí)施例。
在該實(shí)施例中，有待供送的水2被加壓到18MPa或更高，最好是22MPa或更高，然后通過其中另外配有加熱器30的熱交換器9加熱到250℃或更高，最好是374℃或更高。
最好將水加壓到35MPa或更低，因?yàn)閴嚎s到不必要的高壓會(huì)導(dǎo)致給水加壓的功率增大。
在此實(shí)施例中，高溫蒸氣在其中流動(dòng)的加熱器30設(shè)置在熱交換器9中，以便與發(fā)動(dòng)機(jī)1的廢氣4一起共同對(duì)水加熱。然而，當(dāng)亞-或超-臨界水的噴射量增加時(shí)，廢氣的熱能量增加，因此，亞-或超-臨界水可以通過僅由廢氣加熱來生成。
所述控制器22控制燃油、亞-或超-臨界水的噴射量以及亞-或超-臨界水的噴射定時(shí)，使得最大輸出時(shí)的過量空氣系數(shù)為1-2.5。
圖4表明了根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)(反饋-復(fù)合系統(tǒng)(feedback-compoundsystem))的第一實(shí)施例的示意結(jié)構(gòu)。在圖4中，從往復(fù)內(nèi)燃機(jī)101的排氣總管102流出的廢氣被引入透平增加器103的透平機(jī)104。從透平機(jī)104流出的廢氣然后被引入熱交換器106，由水泵P加壓到18MPa或更高的水送入熱交換器106，加壓的水通過與來自透平機(jī)104的廢氣熱交換被加熱，而形成有待噴入發(fā)動(dòng)機(jī)101的氣缸的亞-或超-臨界水。
由與透平機(jī)104連接的壓縮機(jī)105壓縮的空氣通過穿過空氣冷卻器107被冷卻，并被引入到發(fā)動(dòng)機(jī)101的氣缸中。參考號(hào)數(shù)110表示一臺(tái)諸如發(fā)電機(jī)、推動(dòng)器等由發(fā)動(dòng)機(jī)101驅(qū)動(dòng)的機(jī)器。在熱交換器106中與水熱交換后，最終廢氣被釋放到大氣中。在最終廢氣中，含有處于與最終廢氣同樣溫度和壓力狀態(tài)的由水泵P供應(yīng)的水。
除了結(jié)合圖2所述的功能之外，控制器22調(diào)節(jié)透平機(jī)104的透平噴嘴(附圖中未示)的出口面積以便調(diào)節(jié)渦輪機(jī)中的膨脹率和供向熱交換器的水的壓力，以便將所述亞-或超-臨界水的壓力和溫度控制在以前提及的范圍。
在此，將對(duì)根據(jù)本發(fā)明的反饋-復(fù)合系統(tǒng)循環(huán)的運(yùn)轉(zhuǎn)進(jìn)行說明。圖14表明了柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的p-v圖表，圖15表明了用于解釋反饋-復(fù)合循環(huán)的T-s圖表。為了便于解釋，兩個(gè)圖表表明了理想的循環(huán)圖表。
在圖14中，氣缸中的空氣壓力通過絕熱壓縮從A升到B，在恒定壓力下膨脹到C，同時(shí)吸收噴射的燃油的燃燒熱Q1，壓力通過絕熱膨脹從C降到D，燃燒氣體被排出氣缸，釋放廢氣熱Q2，新鮮空氣在D至A期間被引入，附圖中省略了排氣和抽吸沖程。
區(qū)域B1BCDAA1B1是工作流體作用在活塞上的膨脹功，區(qū)域B1BAA1B1是活塞作用于工作流體的壓縮功，區(qū)域ABCDA，兩個(gè)區(qū)域之間的差，是指示功率。
在圖15中，圖14的循環(huán)表示為T-s圖表，兩個(gè)圖表中的符號(hào)A、B、C、D分別與圖14中的相對(duì)應(yīng)。在圖15中，區(qū)域EABCDEF為吸收的熱量Q1，區(qū)域EADFE是被釋放的熱量Q2，區(qū)域ABCD是以熱量單位表示的指示功率。為方便起見，由被噴入氣缸并包含在工作流體中的亞-或超-臨界水實(shí)現(xiàn)的循環(huán)在圖15中單獨(dú)表示在右側(cè)，A-B-C-D表明了由不包括亞-或超-臨界水的工作流體實(shí)現(xiàn)的循環(huán)。當(dāng)然，在其被噴入氣缸后，亞-或超-臨界水與作為復(fù)合工作流體的空氣和燃油共同實(shí)現(xiàn)所述循環(huán)。僅僅為了方便解釋亞-或超-臨界水在復(fù)合循環(huán)中的效果，才將由亞-或超-臨界水實(shí)現(xiàn)的循環(huán)單獨(dú)給出。
在圖15的右下方，繪出了水的飽和液體線和飽和蒸氣線，表明水的比熵的橫座標(biāo)的刻度是任意確定的，且與循環(huán)ABCD的無關(guān)。標(biāo)志K表明臨界點(diǎn)，即373.1℃和22.1MPa。
在圖11的往復(fù)內(nèi)燃機(jī)的串聯(lián)組合系統(tǒng)的情況下，從氣缸釋放出的熱量Q2的一部分在渦輪增加器103的渦輪機(jī)104中利用，來自渦輪機(jī)104的廢氣的剩余熱能用來從飽和水R1經(jīng)過R2和R3產(chǎn)生超熱蒸氣R4。超熱蒸氣R4在渦輪機(jī)中膨脹，溫度降到R5，然后在冷凝器117中冷凝以返回到R1。循環(huán)R1-R2-R3-R4-R5-R1是蘭金循環(huán)。由渦輪機(jī)獲得的功為區(qū)域R1R2R3R4R5R1。R4處的溫度低于作為氣缸廢氣的溫度的D處的溫度，因?yàn)镽4處的溫度是通過與來自渦輪機(jī)的廢氣熱交換的所達(dá)到的蒸氣的溫度且比出自渦輪機(jī)的廢氣的溫度低，因此低于氣缸廢氣的溫度。因此，可以供應(yīng)并燃燒附加燃油，以提高在熱交換器中生成的蒸氣的溫度，但蒸氣渦輪機(jī)的進(jìn)入蒸氣溫度一般最高限定在大約620℃。
在根據(jù)本發(fā)明的反饋-復(fù)合系統(tǒng)的情況下，亞-或超-臨界水由氣缸廢氣或渦輪機(jī)廢氣的熱生成，并被噴入氣缸。亞-或超-臨界水與氣缸中工作流體混合并參與狄塞爾循環(huán)(diesel cycle)。例如，如果臨界水被噴入氣缸，其狀態(tài)發(fā)生變化，從K點(diǎn)經(jīng)過其溫度與C點(diǎn)相同的H點(diǎn)以及其溫度與D點(diǎn)相同的J點(diǎn)。從J點(diǎn)，它被排出氣缸，并穿過排放校正器(exhaust corrector)、渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)情況下的渦輪增壓器以及熱交換器，被釋放到大氣中。在該循環(huán)中，供給熱交換器的水接受由區(qū)域N1R1MKHJNN1表明的熱量，并釋放由區(qū)域N1R1MLJNN1表明的熱量。因此，用來對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)作功的噴入氣缸中的臨界水的熱量為區(qū)域MKHJLM。
這些區(qū)域表明了每單位質(zhì)量的熱量，實(shí)際熱量通過乘以工作液體的質(zhì)量獲得。(由于熵的刻度在圖15中的氣體/燃油循環(huán)和臨界水循環(huán)的兩種情況下是不同的，這些區(qū)域不能作為每單位質(zhì)量的熱量簡單地進(jìn)行比較。)氣缸廢氣具有的熱能是區(qū)域EADFE和N1R1MLJNN1的總和。具有該熱量或在該熱量的一部分在廢氣渦輪機(jī)中被消耗后的剩余熱量的廢氣被供應(yīng)給熱交換器。該增加的氣缸廢熱對(duì)廢氣渦輪機(jī)和熱交換器的分配，是根據(jù)系統(tǒng)的使用通過設(shè)計(jì)條件確定的，或者可以通過用來調(diào)節(jié)渦輪增加器廢氣出口處的溫度的裝置進(jìn)行調(diào)節(jié)。
在串聯(lián)組合系統(tǒng)的情況下，點(diǎn)R4處的壓力遠(yuǎn)低于氣缸中最大壓力C或H的壓力，且溫度低于渦輪機(jī)廢氣的溫度，如前面所述的那樣；即使渦輪機(jī)廢氣通過燃燒附加燃油進(jìn)行再加熱，從渦輪機(jī)葉片材料熱阻的觀點(diǎn)看，蒸氣渦輪機(jī)的入口蒸氣溫度也不能上升到柴油發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸中的溫度那樣高；所以從蒸氣渦輪機(jī)的蘭金循環(huán)得到的功小于從與氣體和燃油以狄塞爾循環(huán)共同操作的被噴入的亞-或超-臨界水得到的功，如在圖15中可看到的那樣。由于蒸氣的比熱比小于燃燒氣體的比熱比，工作流體中的蒸氣具有提高循環(huán)的熱效率的效果。
圖5表明了根據(jù)本發(fā)明的反饋-復(fù)合系統(tǒng)的第二實(shí)施例的圖示結(jié)構(gòu)。與圖4的不同點(diǎn)是，從排氣總管102流出的有待引進(jìn)廢氣渦輪機(jī)104的氣缸廢氣的一部分通過裝配有旁通控制閥120a的旁通管120分流到熱交換器106。由熱交換器106生成的亞-或超-臨界水的溫度可以通過借助于控制器22調(diào)節(jié)經(jīng)過旁通管120的分流量進(jìn)行控制。雖然廢氣渦輪機(jī)的驅(qū)動(dòng)力受分流量的影響，但通過改變渦輪機(jī)噴嘴面積來調(diào)節(jié)廢氣渦輪機(jī)中的膨脹比可以進(jìn)行控制。
除了以前參考圖2解釋的功能以外，圖5中的控制器22利用與旁通管120連接的旁通控制閥120a調(diào)節(jié)氣缸廢氣的分流量，以便將所述亞-或超-臨界水的溫度和壓力控制到前面提及的范圍。
圖6表明了根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)(反饋-復(fù)合系統(tǒng))的第三實(shí)施例的圖示結(jié)構(gòu)。與圖4的不同點(diǎn)是，從排氣總管102流出的有待引進(jìn)廢氣渦輪104的氣缸廢氣的一部分被引進(jìn)一發(fā)電機(jī)111與之連接的獨(dú)立渦輪機(jī)104a，通過控制獨(dú)立渦輪機(jī)104a的旋轉(zhuǎn)速度對(duì)分流量進(jìn)行控制。
在該系統(tǒng)中，得到了帶有高能量的氣缸廢氣，能量的量可能大于驅(qū)動(dòng)渦輪增壓器的壓縮機(jī)所需要的能量。在那種情況下，氣缸廢氣的一部分被引進(jìn)發(fā)電機(jī)111與之連接的獨(dú)立渦輪機(jī)104a，以吸收過量能量。來自獨(dú)立渦輪機(jī)的廢氣被引入熱交換器106，用于與來自渦輪增加器的廢氣渦輪機(jī)的廢氣一起生成亞-或超-臨界水。
圖7表明了根據(jù)本發(fā)明第四實(shí)施例系統(tǒng)(反饋-復(fù)合系統(tǒng))的圖示結(jié)構(gòu)。與圖4的不同點(diǎn)是，在熱交換器106中生成的亞-或超-臨界水的一部分被分流到廢氣渦輪機(jī)104。在該系統(tǒng)中，保持與傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)相同的最大燃燒溫度是一個(gè)基本原則，同樣，最大燃燒壓力也必須根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的類型或用途限制在一定的值。因此，有適當(dāng)量的亞-或超-臨界水根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)來噴射。亞-或超-臨界水的噴射量越大，燃燒溫度的下降就越大。所以，將燃燒溫度保持與傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)相同的附加燃油增加，其增加了最大壓力。最大壓力根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)被限定到特定的值，所以根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)亞-或超-臨界水的噴射量有一個(gè)限制。
在該系統(tǒng)中，獲得了具有高能量的氣缸廢氣，在熱交換器106中可能生成比需要噴入氣缸中多的亞-或超-臨界水。在這種情況下，亞-或超-臨界水的一部分通過裝配有旁通控制閥121a的旁通管121，被分流到廢氣渦輪機(jī)104，所需量被噴入氣缸。在這種情況下，如果由于被分流的亞-或超-臨界水的引入有必要調(diào)節(jié)廢氣渦輪機(jī)輸出的增加，通過改變渦輪機(jī)噴嘴面積來調(diào)節(jié)膨脹率可以進(jìn)行調(diào)節(jié)。
除了參考圖4解釋的功能外，圖7中的控制器22控制與旁通管121連接的旁通控制閥121a的打開，以控制廢氣渦輪機(jī)104的旋轉(zhuǎn)速度，從而將所述亞-或超-臨界水的溫度和壓力控制在先前提及的范圍。
圖8表明了根據(jù)本發(fā)明第五實(shí)施例系統(tǒng)(反饋-復(fù)合系統(tǒng))的圖示結(jié)構(gòu)。該實(shí)施例從下述角度看與圖6的不同，即部分在熱交換器106中生成的亞-或超-臨界水通過配有控制閥123的旁通管123被分流到排氣總管102，然后被引入廢氣渦輪機(jī)104。將部分亞-或超-臨界水引入廢氣渦輪機(jī)的原因與圖7中的相同，解釋被省略掉了。除了參照?qǐng)D6說明的功能，圖8中的控制器22控制與旁通管123連接的旁通控制閥123a的打開，以便控制廢氣渦輪104的旋轉(zhuǎn)速度，從而將所述亞-或超-臨界水的溫度和壓力控制在先前提及的范圍。
圖9表明了根據(jù)本發(fā)明第六實(shí)施例系統(tǒng)(反饋-復(fù)合系統(tǒng))的圖示結(jié)構(gòu)。在該實(shí)施例中，發(fā)電機(jī)111a與圖7中的廢氣渦輪103連接，經(jīng)由裝配有旁通控制閥126a的旁通管126和燃料向排氣總管102供應(yīng)一部分有待供給發(fā)動(dòng)機(jī)的在壓縮機(jī)105中被壓縮的壓縮空氣和燃料。由于排氣總管102中的廢氣含有大部分沒在氣缸中燃燒消耗的空氣，噴入排氣總管102中的附加燃料可以在其中燃燒。結(jié)果，流入渦輪機(jī)104中的廢氣的溫度提高了，因此，渦輪機(jī)104的輸出被提高以與壓縮器105共同驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)111a。部分壓縮空氣的供應(yīng)按需要進(jìn)行，其流速由旁通控制閥126a來控制。在該實(shí)施例的情況下，來自渦輪機(jī)104的廢氣的能量由于所述附加燃燒而提高了，增量亞-或超-臨界水可在熱交換器106中生成，所以，其一部分被引進(jìn)排氣總管，以便允許正確量的亞-或超-臨界水被噴入氣缸。除了參考圖6解釋的功能外，圖9中的控制器22控制與旁通管123連接的旁通控制閥123a和旁通控制閥126a的打開，以便控制廢氣渦輪機(jī)104的旋轉(zhuǎn)速度，從而將所述亞-或超-臨界水的溫度和壓力控制到先前提及的范圍。
圖10表明了根據(jù)本發(fā)明第七實(shí)施例系統(tǒng)(反饋-復(fù)合系統(tǒng))的圖示結(jié)構(gòu)。在該實(shí)施例的情況下，設(shè)置了與發(fā)電機(jī)111連接的獨(dú)立渦輪機(jī)104a，圖9中與廢氣渦輪機(jī)104連接的發(fā)電機(jī)111被省略了。其余情形與圖9中的情況一樣。獨(dú)立渦輪機(jī)通過旁通管122被供以從排氣總管102分流的氣缸廢氣。在獨(dú)立渦輪機(jī)的情況下，設(shè)計(jì)的自由度增加了，成本下降了。
不僅柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，而且可燃?xì)怏w發(fā)動(dòng)機(jī)、汽油發(fā)動(dòng)機(jī)也適用于本發(fā)明，然而最優(yōu)選和最有效應(yīng)用的，是中/大型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)和可燃?xì)怏w發(fā)動(dòng)機(jī)。
接下來，在圖16～圖21中表明了亞-或超-臨界水的噴射定時(shí)和溫度的影響。這些是缸徑170mm、180mm沖程、1500rpm旋轉(zhuǎn)速度且構(gòu)造如圖2所示的柴油機(jī)的測試結(jié)果。影響表示為進(jìn)行亞-或超-臨界水噴射時(shí)對(duì)未進(jìn)行噴射時(shí)的比。
圖16表示輸出，圖17表示廢氣中的NOx濃度，圖18表示廢氣中的煙濃度，圖19表示廢氣中的CO濃度分別相應(yīng)于噴入氣缸中的亞-或超-臨界水的溫度的變化情況。
圖20表示輸出，圖21表示廢氣中的NOx濃度相應(yīng)于亞-或超-臨界水進(jìn)入氣缸中的噴射定時(shí)的變化情況。這些圖中的虛線表明沒有噴射亞-或超-臨界水的情形。
圖16表明了輸出與亞-或超-臨界水的噴射溫度之間的關(guān)系，輸出的改善在250℃以上的溫度范圍內(nèi)得到確認(rèn)。在超-臨界溫度范圍，輸出的增加達(dá)到5％或更高。在圖7中，NOx的濃度在整個(gè)試驗(yàn)溫度范圍內(nèi)下降了。據(jù)認(rèn)為，超-臨界水在接近400℃范圍內(nèi)的情況下，NOx的下降是由于形成均質(zhì)相(homogeneous phase)實(shí)現(xiàn)的，而當(dāng)噴射溫度低到大約250℃時(shí)的減少是由于局部高溫點(diǎn)或區(qū)域的冷卻效果造成。然而，同時(shí)考慮到圖16的結(jié)果，亞-或超-臨界水的噴射溫度最好是250℃或更高。
在圖18中，煙濃度的改善也在高于大約250-300℃的溫度范圍內(nèi)看到。在圖19中，改善也是在250℃以上的溫度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)的。特別是，CO濃度下降到低于亞-或超-臨界水未被噴射時(shí)的20％以下，所以，得到認(rèn)可的是，燃燒效率大大改善了。
到此為止，表明了輸出和排放物與亞-或超-臨界水的噴射溫度的關(guān)系，只有NOx在整個(gè)100～400℃的試驗(yàn)溫度范圍內(nèi)得到改善。需要噴射250℃以上的亞-或超-臨界水以便得到輸出、CO和煙霧的改善。
在圖20中，表明了輸出與亞-或超-臨界水的噴射定時(shí)的關(guān)系，當(dāng)亞-或超-臨界水的噴射開始在上死點(diǎn)前60°～30°時(shí)輸出的增加最大。在圖21中，亞-或超-臨界水噴射的開始越早，NOx的改善就越大。
因此，關(guān)于亞-或超-臨界水噴射的開始，人輸出的角度講，最好是噴射的開始在上死點(diǎn)前90°～5°，特別是在上死點(diǎn)前60°～30°，即在于壓縮沖程中燃油被噴入之前。當(dāng)重視NOx的時(shí)候，最好是，噴射于上死點(diǎn)前在上述范圍內(nèi)盡早開始。
本發(fā)明的效果本發(fā)明的實(shí)施如上所述，其效果如下所述通過將壓力在18MPa和22.1MPa(臨界壓力)之間與溫度在250℃和580℃之間的亞臨界水或超臨界水在上死點(diǎn)前90°和上死點(diǎn)后30°范圍內(nèi)噴入氣缸，使得最大輸出時(shí)的過量空氣系數(shù)在燃油噴射增加的情況下為1～2.5，燃料供應(yīng)的增加被允許，同時(shí)將最大燃燒溫度保持在傳統(tǒng)水平(1600～2000℃)上，導(dǎo)致輸出和熱效率的增加；NOx、煙霧等排放物可以由于噴入氣缸中的亞-或超-臨界水的積極反應(yīng)而減少；并且通過構(gòu)成這樣一種反饋-復(fù)合系統(tǒng)，即亞-或超-臨界水通過水與量和比熱由于亞-或超-臨界水的噴入而增加的廢氣進(jìn)行熱交換而生成，重量輕、緊湊且高輸出的復(fù)合系統(tǒng)，可以在不必象傳統(tǒng)串聯(lián)組合系統(tǒng)那樣提供一蒸氣渦輪機(jī)的情況下構(gòu)成。
權(quán)利要求
1.一種諸如石油類燃料、氫、天然氣、酒精等液體或氣體燃料在其中燃燒并且燃燒氣體用作工作流體的往復(fù)內(nèi)燃機(jī)的操作方法，其中，增加量的燃料被噴射，壓力在18MPa和22.1MPa(臨界壓力)之間與溫度在250℃和580℃之間的亞臨界水或超-臨界水(以下稱為亞-或超-臨界水)在上死點(diǎn)前90°和上死點(diǎn)后30°之間的范圍內(nèi)被噴入氣缸，使得最大輸出時(shí)的過量空氣系數(shù)為1～2.5。
2.如權(quán)利要求1所述的操作往復(fù)內(nèi)燃機(jī)的方法，其中，所述亞-或超-臨界水在壓縮沖程中與燃油的噴射同時(shí)或提前開始進(jìn)行。
3.如權(quán)利要求1所述的操作往復(fù)內(nèi)燃機(jī)的方法，其中，所述亞-或超-臨界水通過與發(fā)動(dòng)機(jī)的廢氣進(jìn)行熱交換而對(duì)水加熱生成。
4.如權(quán)利要求3所述的操作往復(fù)內(nèi)燃機(jī)的方法，其中，所述亞-或超-臨界水的溫度和壓力通過控制廢氣渦輪增加器的渦輪機(jī)出口處的廢氣溫度和供給到用于生成亞-或超-臨界水的裝置的水的壓力來調(diào)節(jié)。
5.如權(quán)利要求3所述的操作往復(fù)內(nèi)燃機(jī)的方法，其中，所述亞-或超-臨界水的溫度和壓力通過控制有待供給到用來生成亞-或超-臨界水的裝置的、在其進(jìn)入廢氣渦輪機(jī)之前從渦輪機(jī)上游側(cè)分流出來的廢氣的流速以及供給到所述裝置的水的壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)。
6.一種諸如石油類燃料、氫、天然氣、酒精等液體或氣體燃料在其中燃燒并且燃燒氣體用作工作流體的往復(fù)內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)，其中，系統(tǒng)包括用于產(chǎn)生壓力在18MPa和22.1MPa(臨界壓力)之間和溫度在250℃和580℃之間的亞-臨界水或超-臨界水(此后指亞-或超-臨界水)的裝置，用于將亞-或超-臨界水在上死點(diǎn)前90°和上死點(diǎn)后30°之間的范圍內(nèi)噴入氣缸的裝置，以及用于控制燃料噴射量的裝置，使得燃燒氣體的溫度由于空氣與亞-或超-臨界水混合的環(huán)境中亞-或超-臨界水的存在造成的下降通過增加的燃料噴射量得到防止且在最大燃燒溫度為1600～2000℃的情況下最大輸出時(shí)的過量氣體系數(shù)為1～2.5。
7.如權(quán)利要求6所述的往復(fù)內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)，其中，所述亞-或超-臨界水的噴射在壓縮沖程中與燃油噴射同時(shí)或提前開始。
8.如權(quán)利要求6所述的往復(fù)內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)，其中，所述生成亞-或超-臨界水的裝置是一個(gè)設(shè)置在往復(fù)內(nèi)燃機(jī)的廢氣渦輪增壓器的廢氣渦輪機(jī)下游側(cè)的廢氣/H2O熱交換器。
9.如權(quán)利要求6所述的往復(fù)內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)，其中，提供了控制裝置以便調(diào)節(jié)供向熱交換器的廢氣流速和H2O的壓力，以便生成所述溫度和壓力范圍內(nèi)的亞-或超-臨界水。
10.如權(quán)利要求6所述的往復(fù)內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)，其中，安裝了用于改變廢氣渦輪增加器的渦輪機(jī)的出口處的廢氣溫度的裝置，用以取代權(quán)利要求9限定的調(diào)節(jié)廢氣流率的裝置。
11.如權(quán)利要求8所述的往復(fù)內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)，其中，設(shè)置了裝有旁通調(diào)節(jié)裝置的旁通通道，用于在廢氣進(jìn)入廢氣渦輪增壓器的廢氣渦輪機(jī)之前向熱交換器供給一部分廢氣。
12.如權(quán)利要求8所述的往復(fù)內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)，其中，除了所述廢氣/H2O熱交換器，還設(shè)置有一用于生成亞-或超-臨界水的第二裝置，用于將由所述第二裝置生成的亞-或超-臨界水在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)噴入內(nèi)燃機(jī)氣缸。
13.如權(quán)利要求6所述的往復(fù)內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)，其中，由用于生成亞-或超-臨界水的所述裝置生成的一部分亞-或超-臨界水返回到發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣側(cè)。
14.如權(quán)利要求6～12中任何一項(xiàng)所述的往復(fù)內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)，其中，燃料被供給到位于生成亞-或超-臨界水的所述裝置的上游側(cè)的發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣管以在排氣管中燃燒。
15.如權(quán)利要求14所述的往復(fù)內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)，其中，在廢氣渦輪增壓器的壓縮機(jī)中壓縮的部分空氣和燃油被供給到位于生成亞-或超-臨界水的所述裝置的上游側(cè)的發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管以在排氣管中燃燒所述燃料。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種往復(fù)內(nèi)燃機(jī)的反饋－復(fù)合系統(tǒng)，其中，為了通過在不增加比傳統(tǒng)水平更大的最大燃燒溫度并同時(shí)減少如NOx的排放而提高輸出和熱效率，在與排氣總管連接的排氣渦輪機(jī)的下游安裝了熱交換器，壓力在18MPa和22.1MPa之間(臨界壓力)與溫度在250℃和580℃之間的亞－臨界水或超－臨界水，由供給帶有廢氣的熱交換器的水的熱交換生成，所述亞－或超－臨界水被噴入范圍在90°前上死點(diǎn)和30°后上死點(diǎn)內(nèi)的氣缸中，噴油被噴入，以便最大輸出時(shí)的空氣過量比率為1～2.5，最大燃燒溫度為1600～2000℃。
文檔編號(hào)F02M25/022GK1463325SQ02801745
公開日2003年12月24日 申請(qǐng)日期2002年4月5日 優(yōu)先權(quán)日2001年4月6日
發(fā)明者三橋真人, 伊藤邦憲, 柚木晃弘, 石田裕幸, 嶋田隆文 申請(qǐng)人:三菱重工業(yè)株式會(huì)社