用于改进的发动机冷却及能量产生的系统和方法

用于改进的发动机冷却及能量产生的系统和方法
【专利摘要】本发明公开了用于改进的发动机冷却及做功的发动机系统的实施例。工作流体可在能量循环的任何部分期间注入燃烧室或发动机中，以冷却发动机和/或产生除在腔室中由燃烧事件做功之外的有用功。该系统可包括监测系统，该检测系统配置为测量单独的燃烧室内的条件。基于腔室的内部条件，所述系统可适应性地向该发动机注入工作流体。该发动机可以为级联系列发动机的一部分，该级联系列发动机包括一级发动机和从该一级发动机接收工作流体并从该流体产生能量的二级发动机。
【专利说明】用于改进的发动机冷却及能量产生的系统和方法
[0001]对相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求2011年8月12日申请的，美国临时专利申请号为61/523，157，题为“用于改进的发动机冷却及能量产生的系统和方法”的优先权以及权益，其全部内容通过引用并入本文。
【技术领域】
[0003]以下的公开总体上涉及用于以更高的效率操作内燃机的系统及方法，该系统及方法通过将工作流体注入到燃烧室中来冷却燃烧室从而能够使传统的内燃机冷却系统的重量降低并使维护减少，并且使随后的发动机具有产生能量的能力。
【背景技术】
[0004]传统的内燃机产生能量，并且内燃机的自然副产品是热量。现有的内燃机设计为浪费通过燃烧而释放的大部分热量，并且将相对较少的部分转换为有用功。浪费的热量必须通过水套、空气散热片以及通过排出的废气被排除(rejected)。如果没有适当地阻止，燃烧室部件如活塞组件、汽缸、进气和排气阀的过热导致增加的摩擦力、干扰和故障。热量必须从燃烧室部件中移除，因此通常的发动机系统包含沉重的、大体积的冷却结构，如散热片、冷却套管、以及其他从内燃机中将热量移除的结构。然而，这些部件仅移除热量，并不能令人满意地将热能转换为有用功。存在对内燃机的热量管理及保存的改进方法的需求。进一步存在减少或者消除传统的冷却系统需要的寄生载荷的需求，随之而来的在燃料消耗、维护的常见问题(泄漏、腐蚀、零件更换等)以及增加的温室气体的排放方面的发动机寿命成本。
【专利附图】

【附图说明】
[0005]图1为根据本发明实施例配置的内燃机以及一系列二级发动机的示意图。
[0006]图2为根据本发明的实施例配置的发动机以及用于将工作流体和排气导入到一个或多个二级发动机的门的示意图。
[0007]图3为根据本发明的实施例配置的一种用于监测内燃机内的过程以及传输工作流体至所述内燃机的方法的流程图。
[0008]图4为根据本发明的实施例的一种用于监测一级内燃机内的过程以及根据二级发动机中的需要传输工作流体的方法的流程图。
[0009]图5为根据本发明的实施例配置的具有多个汽缸、多个传感器以及一个控制器的发动机的局部示意图。
[0010]图6为根据本发明的实施例配置的一个四冲程燃烧循环以及工作流体注入正时(timing)的示意框图。
【具体实施方式】[0011]本技术大体上涉及改进的发动机冷却及能量产生系统和方法。在一些实施例中，所述系统和方法包括具有一个或多个燃烧室的内燃机，在所述燃烧室中燃烧燃料和空气以产生能量。所述燃烧室的运作可包括奥托循环、狄塞尔循环或者任何其他合适的能量循环。通常，这些能量循环包含发动机的汽缸中的活塞和曲轴。燃料和空气的燃烧产生热燃烧气体，该热燃烧气体膨胀并随着活塞移动且在曲轴上产生转矩。
[0012]在本技术的一些实施例中，工作流体在燃烧循环的任何部分被注入燃烧室以冷却燃烧室并且做功。该工作流体通常可为任何类型的流体。实例包括水、甲醇、氨水以及其他任何合适的包含气体燃料的流体。使用燃烧室内部的工作流体冷却所述燃烧室能够代替其他的冷却结构，如散热片(fins)、或者冷却套管、或者其他惯常使用的用来在外部冷却发动机燃烧室的更庞大的、更沉重的冷却结构。从内部冷却发动机能够优于从外部冷却，至少是因为热量在燃烧室的内部产生，所以所述热量在被移除之前不需要通过燃烧室的材料被转移。本技术的系统和方法允许发动机比可比的具有传统的外部冷却结构的发动机重量更轻，体积更小，通过消除这种结构至少具有使车辆携带更小的发动机重量和需要更小的发动机空间的简单的益处。
[0013]发动机可包含一个或多个燃烧室。例如，汽车用内燃机通常包含4、6、或8个汽缸，每一个汽缸包含一个独立的燃烧室。在本技术的一些实施例中，每一个单独的燃烧室可以被监测，并且控制器可根据需要将工作流体引入到单独的腔室以实质上独立于其他的腔室地控制单独的燃烧室的关键部件的温度。
[0014]工作流体也可被用于在发动机中产生有用功，例如，通过获得热能进行膨胀工作，包括工作流体的选择，其中该工作流体从液体到气体改变相，从而向腔室中的活塞施加压强。该工作流体可包括水，水将通过在热的燃烧室获取热量而蒸发，并且热蒸汽可移动活塞而做功。该工作流体也可在穿过燃烧室后在后续的发动机中做功。例如，该工作流体可以为在燃烧室中没有完全消耗的燃料，并且传到后续的发动机中用于在后续的发动机中的膨胀和/或燃烧以及能量产生。可通过注入大量的燃料例如多于一次燃烧事件的燃料，和/或通过排放气体的再循环或通过其他的用于从燃烧室阻挡氧气的方法阻止燃烧。燃料将通过冷却燃烧室的关键部件被加热，并且可以被激活用于在后续的发动机中燃烧和/或其他的有用的消耗。在一些实施例中，工作流体可包含能够与燃料、空气以及其他弓I入到燃烧室中的物质混合的试剂。例如，氨水、乙二醇或者其他可被用于促进发动机腔室点燃、燃烧和/或冷却的物质。在一些实施例中，该试剂可被用来引导燃烧，辅助狄赛尔循环，或者辅助等尚子体生成系统。
[0015]某些细节在下面的说明书和在图1-6中阐述，以提供本发明的各种实施例的深入理解。然而，描述经常与内燃机、注入器、点火器、和/或燃烧系统的其它方面相关联的众所周知的结构和系统的细节下面没有阐述，以避免不必要地模糊本发明的各种实施例的描述。因此，可以理解，下文阐述的几个细节被提供来以足以使相关领域技术人员能够制造和使用所公开的实施例的方式描述以下的实施例。然而，以下描述的几个细节和优点，对实施本发明的某些实施例可能不是必要的。
[0016]许多细节、尺寸、角度、形状以及在附图中示出的其它特征仅仅是说明本发明的具体实施例。相应地，其他实施例可以在不脱离本发明的精神或范围内具有其它细节、尺寸、角度和特征。此外，那些本领域的普通技术人员将理解，本发明的进一步的实施例可以在没有下面所描述的一些细节的情况下实践。
[0017]贯穿本说明书的对“一个实施例”或“实施例”的引用意味着一个特定的特征、结构、或与该实施例描述的特征有关的特征被包括在本发明的至少一个实施例中。因此，短语“在一个实施例中”或“在实施例中”在整个本说明书中不同的地方出现不一定都指相同的实施例。而且，参照特定实施例描述的特定特征、结构或特性可以在一个或多个实施例中以任何合适的方式相结合。此外，此处提供的标题仅为方便，而不解释所要求保护的发明的范围或含义。
[0018]图1为根据本发明的技术的工作流体传输系统100的示意图。在一些实施例中系统100包括第一发动机110、第二发动机120以及第三发动机130。该第三发动机130称为“发动机n”，因为系统100可包含任意数量的发动机。然而，为了说明的目的，示出了第一发动机110、第二发动机120以及第三发动机130。在一些实施例中，第一发动机110可包括内燃机，该内燃机接收燃料112a、空气114以及工作流体116a进入燃烧室。与传统的燃烧室一样，该第一发动机可燃烧燃料112a以及空气114以产生燃烧事件。发动机110可以用燃料112a和空气114在正常条件下运作，直到温度、压强或其他变量引起对工作流体116a注入的需要。工作流体116a可被注入第一发动机110的燃烧室以冷却发动机110并产生有用功115。功115可来自于燃烧事件，或者来自于工作流体116a，或者来自于这两者的结合。工作流体116a可以为冷却液，如水，或者可燃物质，如氨水、乙醇、甲醇、汽油，或在任何合适的混合物中的任何合适的流体。
[0019]第一发动机110可从发动机中输出排气(exhaust) 118，该排气118可被输出到大气中，和/或向前传送至第二发动机120中。工作流体116b，现在经过燃烧事件是热的并且有可能在一种不同的相(例如，气体)，可被向前传送至第二发动机120中。作为穿过该第一发动机110的结果，工作流体116b可以被化学地或其他方式改变。在一些实施例中，工作流体116b根据穿过第一发动机110的热燃烧室如何影响工作流体116b来选择。另外，燃烧室中的不同的温度、压强和化学选区(constituencies)可能需要从各种可能的工作流体中选择，或需要两种或更多工作流体的合适的混合物以作为适合在第二发动机120中使用。
[0020]第二发动机120也可接收空气114、补充燃料112b、以及追加的工作流体116c。工作流体116c可类似于首先被注入到第一发动机110的工作流体116a，或者类似于在第一发动机110中产生的工作流体116b，或者它可是工作流体的一个新品种。在一些实施例中，第二发动机120可通常类似于第一发动机110并且能使它接收的流体膨胀和/或在一系列的燃烧事件中燃烧燃料、空气和/或其他物质以产生有用功115。在其他的实施例中，该第二发动机120与另一种类型的燃料生成系统一起提供，该另一种类型的燃料生成系统包括热化学再生(“TCR”)系统，该系统在2011年2月14申请的美国专利申请序列号为13/027，208 (代理人案卷号69545.8601.US)，题为“用于有效制备氢燃料和结构材料的化工工艺及反应器，以及相关的系统和方法”(“Chemical Processes and reactors for efficientlyproducing hydrogen fuels and structural materials， and associated systems andmethods，”)中更全面地描述，其全部内容通过引用并入本文。第二发动机也可为涡轮发动机，可为燃料电池，或者车辆的辅助系统，如空调系统或者发电系统或任何其他的辅助系统。第三发动机130可类似地从第二发动机120接收排气和/或工作流体116c，在级联的一系列发动机中接收补充的空气114、燃料112c，和/或工作流体116d，以此类推。发动机110、120、或130中的每一个可从工作流体的膨胀和/或燃烧事件、工作流体扩展和/或相改变、或任何这样的能量转换事件的组合中产生有用功。
[0021]图2为根据本技术的实施例的进一步的工作流体传输系统200的示意图。系统200可包括第一或一级发动机210、门250a、第二发动机220、第三发动机230以及第四发动机240 ;每个具有各自的门250b、250c、以及250d。发动机220、230以及240可以为任何类型的发动机，包括燃料电池、涡轮发动机、TCR单元或者任何合适的能量转换系统。发动机220,230以及240在这里全体称为二级发动机。应当理解系统200可包含以任何合适的组合或串联的任何数量的发动机(一级或二级)和门。如同上面关于图1的描述，发动机210可接收燃料212、空气214、以及工作流体216a并且可组合这些成分，并在一个燃烧循环中可产生有用功215。门250a可从发动机210接收工作流体216b以及排气218，并且可适应性地引导排气218和工作流体216b到第二发动机220、第三发动机230、第四发动机240，或者作为排到大气中的废气。应当理解在系统200中可包含任何数量的发动机。
[0022]系统200也可包含可操作地耦合到门250a的控制器252，该门250a可如系统200所需要的在不同发动机之间适应性地指引流体。在一些实施例中，该控制器252可监测不同的发动机中的情况并且在多个发动机中适当地分配工作流体216b。在一些实施例中，控制器252可包含预定的传输时间表。在其他的实施例中，控制器252可基于不同的燃烧室内的感应到的情况以及给定的载荷下给定的二级发动机的需要反应性地操作。例如，发动机210可在各种不同的环境中以及不同的运作水平下使用，并将在发动机210的燃烧室中产生不同量的工作流体、不同的温度和压强、以及不同的特性。在不同的载荷下产生的工作流体216b以及排气可适应性地有利地分配到二级发动机。在一个实施例中，第二发动机220可以更有效地在当发动机210在一个相对较低的水平运作时产生的较冷的工作流体216b上操作。相反地，第三发动机230可在由一级发动机210在一级发动机210在一个非常高的水平操作时产生的这一类型的工作流体216b以及排气218下更高效地运行。同样，在任何二级发动机上的载荷可决定通过门250a传输的工作流体216b的类型和/或量。控制器252可包括多个发动机210优先级清单以解决对资源的竞争需求。
[0023]图3为根据本技术的实施例的描述监测在内燃机中的过程以及传输工作流体的方法300的流程图。方法300可与燃烧事件的传感系统一起实行，该燃烧事件的传感系统在如2011年2月14申请的美国专利申请序列号13/027，170 (代理人案卷号69545.1302.US)，题为“用于适应性地冷却发动机中的燃烧室的方法及系统”(“METHODS AND SYSTEMSFOR ADAPTIVELY COOLING COMBUSTION CHAMBERS IN ENGINES”)中有更全面描述，其全部内容通过引用并入本文。该传感系统可监测许多变量，如压强、温度、声能、光学测量，以及在燃烧室中能监测的化学条件。在步骤310的初始化之后，在320中做出关于给定的燃烧室内的测量特征的决定。例如，在步骤320，在燃烧室中的选定对象的温度可被测量并且与门限温度比较。如果温度稳定地在门限温度之下，不采取任何措施，直到下一次测量。在发动机的运行期间，温度将会变化。温度测量可以是连续的或者可以在等待预定时间段后进行下次测量，该预定时间段的长短可取决于载荷、环境以及其他因素。在一些实施例中，测量之间的预定时间段可以是几分之一秒，因此所以测量几乎是即时的。
[0024]最后，温度将上升超过门限温度。步骤330包括传输工作流体至燃烧室以冷却燃烧室。工作流体传输的类型、量以及正时可以适应地改变以根据其他测量因素和设计偏好优化热量，以达到工作能量转换的目的。步骤340包括在流体从一级发动机向下游流动到二级发动机时准备随后的发动机以接收工作流体。在到一级发动机的传输和工作流体到达二级发动机时之间有轻微的延迟。在一些实施例中，二级发动机的状态也可被监测。如果有需要立刻输送工作流体或任何其他流体而不能接受延迟的事件，依照给定的配置许可的能力，工作流体可直接输送至二级发动机。在350中工作流体被传输至后面的发动机，并且方法300可在步骤360结束或者重复。在一些实施例中，测量的采样率可足够地高，这样在一级和二级发动机中的状态基本上被实时监控。根据方法300，发动机可监测单独的燃烧室内的温度，并且使用控制器或其他控制技术可以小心地控制发动机的温度并防止每个单独的燃烧室超过预定的温度极限、压强极限或者另外的具有安全或理想极限的测量特征。在步骤320中可一起测量两个或者多个测量特征。例如，温度和压强通常是相关的现象，如高压下的过高的温度通常比单独的高温更相关。变量的其它组合也可触发输送工作流体以扩散的情况。[0025]在一些实施例中，在步骤320的决定可建立在温度变化的比率以及温度变化的值的基础上。例如，如果温度的任何两个采样之间的差值大于门限值，则方法300可包括推断温度迅速上升，并有可能继续上升。相应地，在一些实施例中，即使温度较低并且仍在可接受的范围内，如果基于当前的温度趋势以及发动机温度可能将超过门限值，工作流体可被引入到腔室内以冷却发动机。
[0026]在常规系统的运行中，在传统的发动机中燃烧燃料的结果为空气或液体通过从燃烧室到外部子系统的热传导被冷却，该外部子系统如散热片、通过泵流通到风扇制冷散热器的冷却液等。将通过燃烧释放的热量转换为由输出轴传输的功的整体效率通常约为28%。因此传统的冷却系统以及排气系统丢弃72%的通过燃烧释放的热量，其中大约35% -40%通过空气和/或液体冷却系统移除。
[0027]在本发明的系统的运行中，由燃烧室的外部线路(circuits)中流通的液体冷却和/或空气从燃烧室中浪费的能量被减少或消除。这由使用工作流体的发动机运作完成，该工作流体如在做功冲程或运行周期的功产生(work-producing)期间注入的水。工作流体从燃烧室移除热量以提供期望的冷却并执行膨胀工作以取代在前述五个完整的发动机周期的每一个中提供的燃料燃烧。因此，在所示的特定功率水平下，平均六分之一的完整的发动机周期产生相同量的功率值而不需燃料燃烧。燃料消耗的减少从工作流体的膨胀中获得，该工作流体冷却燃烧室并在平均六个周期之一做功(performs work)。
[0028]在较高的功率水平上，通过实质上瞬时地响应功率冷却周期的操作获得相当地更大的燃料节省，以移除在平均每第五、第四或第三循环中所需要的热量。相比传统的发动机运行，通过消除传统的寄生损失，获得的附加的性能提升以及燃料节省包括:
[0029].冷却风扇运转
[0030].水泵驱动
[0031]?额外质量的推进(propulsion)包括冷却夹套和/或散热片材料、冷却液的库存、冷却液溢流槽、冷却液溢流槽过滤系统，到以及来自发动机的冷却套管的冷却液软管、冷却液软管接头和管件、恒温器外壳、恒温器、水泵、水泵驱动皮带惰轮-张紧装配、散热器、散热器护罩、风机、风扇驱动皮带、风扇皮带惰轮-张紧装配等二[0032].由必需的正面面积引起的拖动(或需要的等效风扇能量)，以耗散由常规的子系统需要的燃料燃烧释放的35to40%的热量，以使燃烧室材料的热循环降解最小化。
[0033]另一个实施例通过用从如下选择中选取的工作流体一起运行，减少或消除了由空气和/或液体冷却从燃烧室移除的能量，该工作流体如水、水和燃料的混合物或者未点燃的和/或从燃烧室移除热量以及通过膨胀做功的剩余燃料。在实例中该燃料势能(potential)是从第一发动机排出的，它可以被燃烧以提供由与一级发动机协同运转的另一个发动机利用的热量和/或这些热量可驱动TCR系统中的吸热反应。
[0034]利用发动机的组合的实施例提供了许多优点，包括:
[0035].通过运作排列的各种选择的更大的可能的操作弹性，以满足更多种类的功率要求；
[0036].从第一发动机到第二发动机的膨胀工作流体冷却剂的额外的质量流量，使得通过该第二发动机实现更高的工作容量和更高的效率。
[0037].由直接注入非可燃制冷剂的工作流体和/或通过用未点火的燃料选择操作和/或基于由适应性点火正时引起的不完全燃烧的第一发动机以冷却循环操作和/或比传统的冷却系统允许产生更大的功率的剩余燃料的使用所提供的更快的响应。
[0038]在此描述的系统的某些实施例，活塞式或旋转燃烧一级发动机与如活塞式、旋转式发动机或透平膨胀机或发动机的第二发动机结合。通过接收对更大的功率和/或第一发动机的冷却过程的需求，选自包括水、燃料和水的混合物、以及无水液体的组中的冷却剂由注入器-点火器注入和/或在包含进气、压缩、做功以及排气事件的完整的周期的做功和/或排气期间注入到燃烧室中。消除点火或点火正时被延迟以提供执行第一发动机需要的冷却的未燃烧的流体，而它做功，并且该流体进入第二发动机。第二发动机具有冷却液流的优势，该冷却液流来自于第一发动机通过导管，以产生更高的质量流率，并且注入-点火器点燃任何来自发动机的燃料，并且可接收并燃烧额外的燃料以提高由控制器提供的功率生产。按照这种操作排列的操作为TCR提供了更高的质量流量和/或温度。
[0039]图4示出了根据本技术的进一步实施例的一种方法400。在步骤410初始化之后，在步骤420做了在一级或二级发动机是否需要工作流体的决定。该需要可基于对冷却的需要，或基于工作流体做功。如上所述，发动机可以有效地安排在级联系列中，并且工作流体可以被设计成冷却任何一个或多个发动机，并在任何一个或多个发动机中产生有用功。例如，在一些实施例中，工作流体包括富氢物质，该富氢物质用来为二级发动机中的一个过程提供氢。如果二级发动机需要来自工作流体的氢，方法400在步骤430可继续。在步骤430做出决定，一级发动机的情况是否使得通过一级发动机输送工作流体至二级发动机不会损害或以其他方式禁止一级发动机的操作。例如，如果燃烧室中的温度需要保持在某个预定水平之上，并且引入工作流体至燃烧室会使温度降低到那个门限值之下，决定为“否”。如果决定为不通过一级发动机传输工作流体，工作流体可被直接传输至二级发动机。相应地，该二级发动机对于那些工作流体实际上可被有效地认为是一级发动机。如果步骤420和430的决定为“是”，步骤440可包括引入工作流体至一级发动机，并且步骤450为准备二级发动机以接收该工作流体。在步骤460流体被传输以及在步骤470方法结束并且可根据需要重复。与上述根据图3讨论的方法类似，对于给定应用，方法400的采样率可非常短，或者按照需要尽可能长。[0040]图5为根据本技术的实施例配置的发动机及传感器系统的局部示意图。系统500可包括具有多个燃烧室或汽缸520的发动机510。流体输送源530可被配置为通过到每个燃烧室或汽缸520的一个或多个路径532输送燃料、空气以及工作流体550。系统500也可包括多个传感器530，该传感器530在一些实施例中可单独耦合到燃烧室520，并连接至控制器540。如上所述，单独的燃烧室520可配备传感装置能够在燃烧室520内监测如温度、压强、化学组分、光、声能、氧化剂和/或燃料引入以及燃烧事件正时及模式、事实上任何其他可测量的特征。也如上所述，燃料、空气以及工作流体可通过直接喷射或通过非直接喷射引入至燃烧室中。在一些实施例中，传感器530以及控制器540可独立地监控燃烧室520，以便如每个单独的汽缸520的温度和/或压强等的信息可被监控，并且该温度和/或压强可不依赖于其他的燃烧室被控制。例如，不同量的工作流体、燃料、空气以及其他物质可根据每个单独的燃烧室520内的温度和/或压强被输送至单独的燃烧室。因此，该单独的燃烧室内的产热及燃烧事件可被单独地监控，这导致工作流体更有效的利用，包括与在发动机运行中的传统的燃烧控制相比，发动机510内的温度和/或压强的更好的控制。
[0041]图6为根据本发明的实施例配置的一个四冲程燃烧循环以及工作流体注入例程(routine) 600的示意框图。注入例程600的描述包括注入工作流体和其他材料至燃烧室内的许多替代方法以及正时。应该理解，根据特定的发动机的需要，可以使用这些替代选择的任何合适的组合。注入例程600可以在单个的燃烧室中执行，或者在几个合作的燃烧室中执行，该几个合作的燃烧室形成为一个单一的发动机。注入例程600可通常独立地在发动机的单独的腔室中执行。
[0042]本发明的发动机可以用于包括进气冲程610、压缩冲程620、燃烧冲程630和排气冲程640的四冲程内燃机操作。
[0043]在进气冲程610中，具有一个或多个进气阀和一个或多个排气阀以及活塞的燃烧室通常包含从上死点(“TDC”)移开并移向下死点(“BDC”)的活塞，以便为氧化剂612 (如空气)进入燃烧室的内部空间提供最大的空间。氧化剂入口可以低于、等于或者高于大气的环境压强，这取决于许多因素，如气流的阻抗以及施加氧化剂诱导或诸如鼓风机或涡轮增压器(未示出)的加压子系统。在某些情况下，其他的物质如燃料614和/或另外的工作流体616a随着氧化剂引入腔室中。用作说明地，在进气冲程610期间，一个或多个燃料喷射器可间接地或直接地注入燃料和/或其他物质进入燃烧室。
[0044]压缩冲程620通常是在活塞从BDC向TDC移回时，以便在燃烧事件的准备中减少燃烧室的容积以及增加燃烧室中的压强。在这样的压缩期间，在压缩冲程620中一个或多个燃料喷射器可注入燃料和/或其他物质进入燃烧室。同样地在燃烧或做功冲程期间，在燃烧冲程630中一个或多个燃料喷射器可注入燃料和/或其他物质进入燃烧室。并且，在燃烧冲程630中，活塞再一次从TDC向BDC移回，以在由一个或多个燃烧事件引起的压强下扩大燃烧室的容积。
[0045]排气冲程在活塞从BDC移动至TDC以便减少燃烧室中的容积方面类似于压缩冲程。在排气冲程640期间，一个或多个燃料喷射器可注入燃料和/或其他物质进入燃烧室。在这个冲程中残留的燃烧流体和物质被从腔室中移除。该过程可以连续不断地重复。
[0046]根据本发明的实施例，燃料和/或另外的工作流体可按照注入例程600在四冲程循环的任一点被注入燃烧室，这将在这里更详细地描述。以下提及的单独的工作流体616a-616m通常涉及相似的工作流体，以某种方式改变，如通过加热、相变、和/或重新形成(respeciation),如(CH30H+A — C0+2H2)。例如,在本发明的一部分中单一的工作流体量可被描述为工作流体616a，但是在燃烧室内通过一个过程之后，工作流体616a已经以某种方式改变了，并且因此现在被称为工作流体616b、616c等。工作流体616a-616m可与上面描述的工作流体类似，包括冷却剂或者燃料或者其他任何类型的工作流体。
[0047]燃料、工作流体以及其他的物质可通过燃料喷射器被引进入燃烧室，燃料注入器如间接注入器或者直接注入器。间接注入器为注入燃料至氧化剂进气歧管或通道或就是燃烧室外部的其他部分，并依赖于歧管中的正压或者腔室中的负压将氧化剂和燃料拉入燃烧室的注入器。直接注入器通常通过独立于气体歧管或任何其他腔室接入点的路径，直接地注入燃料和/或其他物质至燃烧室内。在一些实施例中，一个或多个燃料喷射器可包括多个独立的路径，通过这些路径不同的流体和/或流体混合物可被独立地注入燃烧室内。这种燃料喷射器的示例在2010年12月6日申请的美国专利申请序列号12/961，461 (代理人案卷号69545.1305.US)，题为“构造成喷射多种燃料和/或冷却剂的集成的喷射点火器以及使用及制造的相关方法”(“ INTEGRATED FUEL INJECTOR IGNITERS CONFIGURED TO INJECTMULTIPLE FUELS AND/OR COOLANTS AND ASSOCIATED METHODS OF USE AND MANUFACTURE”)中被给出，它的全部内容并入这里作为参考。
[0048]在进气冲程610期间，氧化剂如空气612、燃料614以及工作流体616a可被引入燃烧室。在过程的这个阶段引入工作流体616a至燃烧室内可使用间接喷射或直接喷射执行。因此，例程600的这个部分可以在使用没有直接喷射系统的现有的内燃机的改型安装中使用，以及特别为这样的例程600设计的发动机中使用。在能量循环的其它部分的工作流体注入期间，如压缩冲程620、燃烧冲程630或者排气冲程640，最好用直接注入器执行。工作流体可在任何时间冷却发动机的燃烧室的部件，如在进气冲程610、压缩冲程620、做功冲程630、或者排气冲程640期间，并且相称(commensurately)或随后(后来)地如同将在下面的描述的做有用功。
[0049]在进气冲程610的最后，已经被引入的燃料614和/或工作流体616b留在腔室中进入压缩冲程620。在一些实施例中，工作流体616b可由于暴露在高温部件中和/或在燃烧室内的压缩引起的加热现在被加热。在其他的实施例中，工作流体616b可被化学地或其他地通过暴露在热的燃烧室中改变，如通过释放或准备释放燃料成分如氢，或者通过从液体至气体改变状态。
[0050]附加的燃料和/或工作流体616c可在压缩循环620期间被引入。工作流体616c通常可与工作流体616a类似，或者它可具有不同的相或化学组成。由于暴露于燃烧室的热量中，任何液体燃料和/或工作流体616b的至少一部分已经改变相至蒸汽或气体以在功率周期操作中做功。
[0051]在一些实施例中，足够的热量转换以及燃料箱(fuel land)和/或其他工作流体的加热在做功冲程中产生巨大的压强，该压强可能等于或大于因传统操作中的燃料的燃烧的压强。这通过减少或消除燃料输送直至该传递的热量不再有用和/或关键部件的充分冷却已经发生而提供了节约燃料的改进。在其他的实施例中，控制器540通过用于做功和冷却事件的工作流体的注入提供了将关键部件的温度维持在期望的温度范围内，并且在特定的频率，例如在做功冲程的每第3、第4、第5...或第N个循环事件中受益。[0052]类似地，为了冷却关键部件，燃料和/或其他的工作流体物质可在排气冲程期间注入，并且热的蒸汽或气体可被配置(gated)给一个或多个附加发动机，以用于燃烧和/或膨胀做功，和/或热的蒸汽或气体可被配置(gated)给一个或多个TCR单元。在其他的实施例中，控制器540通过用于冷却事件的燃料和/或工作流体的注入提供了将关键燃烧室部件的温度维持在期望的温度范围内，并且在特定的频率，例如在进气、压缩、做功和/或排气冲程的每第3、第4、第5…或第N个循环事件中受益。
[0053]通过燃料和/或工作流体的注入以提取热量来冷却燃烧室做功的关键部件可以在从TDC到BDC之后活塞相对应于曲轴角度运动(包括进气和做功冲程)时实现，因此四冲程循环有效地变为二冲程循环。例如，在一些实施例中，燃料614和/或工作流体616a在进气周期被引入，该进气周期包括用通常被传输的受限的进气口的操作，以执行冷却和做功。类似地，在燃烧冲程630期间，燃料614和/或工作流体616h可被引入以实现冷却及做功功能632。例程600可引导在发动机中的一个或多个燃烧室以至少暂时地变为这种二冲程模式，并且当热量水平再一次降低到期望的水平时，例程600可恢复进气、压缩、燃烧以及排气的四冲程模式。
[0054]在某些实施例中，随着发动机循环移动到燃烧冲程630中，燃料614、工作流体616f以及汽化的工作流体616g的一些组合可留在燃烧室中。这些混合物被点燃并燃烧以产生有用功632。功632的一部分可来自于燃烧燃料；功634的另一部分可来自于在腔室内向活塞上施加压强的汽化的工作流体616g。额外的工作流体616h可在燃烧事件之前、燃烧事件期间、或者燃烧事件之后被注入到腔室中。
[0055]继续向前至排气冲程640，燃烧产物636的一些组合，如排气以及其他的残余产物、工作流体616i以及汽化的工作流体616j，被从燃烧室中带出以执行其他的有价值事件。汽化的工作流体616j以及液态的工作流体616i的量可根据发动机中的温度、工作流体的特征、燃烧事件、燃料、以及实际上在发动机循环中的任何其他的变量而改变。工作流体616k也可在排气冲程640期间被注入以进一步冷却发动机，或者为二级发动机中的下游过程做准备。工作流体6161的一部分以及可选地排气可被输送至TCR单元622，以提高和/或增加燃料和/或工作流体61 61以及排气的化学燃料势能。工作流体616m的一部分可被输送至如上所述的二级发动机650，如涡轮发动机、燃料电池、另外的内燃机、或者任何其他合适的能够从工作流体616m提取能量的发动机。
[0056]注入例程600可与事实上任何合适的类型的燃料一起使用，例如柴油、汽油、甲醇、乙醇、乙烷、丙烷、丁烷、天然气、氨或者低温燃料，如液态氢或甲烷等。使用柴油和/或汽油燃料通常优选在做功冲程620或排气冲程640期间注入工作流体。使用气体燃料，如氢气、甲烷、氨、或者天然气，可在循环:进气冲程610、压缩冲程620、燃烧冲程630、或者排气冲程640的任何部分注入工作流体。使用低温燃料如液态氨或甲烷优选在燃烧冲程630或者排气冲程640期间根据排气(exhaust)将被引导执行的事件的类型和数量注入工作流体。
[0057]相应地，燃料和/或工作流体的类型可基于其携带热量或者其它可在二级发动机650或TCR622的下游形成的成分的能力来选取。工作流体具有不同的热容，并且因此，或多或少能够吸收并携带热量或向另一个过程处理能量。例如，在期望快速地吸收少量热量的地方，具有相对低的比热的工作 流体可被用来快速吸收热量。否则，如果有大量的热量向前携带，可以使用具有高比热的工作流体。工作流体也可基于可能在下游二级发动机650或TCR单元622中需要的热量以及其他能量的量来选取。工作流体的另一个特性可基于后面的发动机的向前携带试剂或氢或其他在后面的发动机650中可能需要的成分的能力、和/或在给定的过程中的某种情况下工作流体保持或释放某种成分的能力被选取。例如，二级发动机650可操作某一过程，其中其工作流体616m被期望为了该过程产生氢或其他成分。在注入例程600中在一级发动机中使用的工作流体的类型可以被选择，以便工作流体616m可冷却一级发动机和/或在一级发动机中做功而不产生氢，但是在二级发动机650的过程中，工作流体616m可因为在二级发动机650中的有利条件(如二级发动机650内的温度、压强或化学环境)释放氢。
[0058]讲一步的示例
[0059]包含湿-黑(wet-black)甲醇的原料或工作流体首先通过来自排气的吸收的热量以及通过电阻补充加热器被转换为氢和一氧化碳。
[0060]CH30H+H20+C+HEAT— > 2C0+3H2
[0061]然而对于冷却事件，液体原料可被直接转换到注入器以获得相变及更高的热移除能力的益处。
[0062]另一种原料可以为氨和/或氢氧化铵混合物:
[0063]2NH3+HEAT— > N2+3H2
[0064]对于冷却事件，液体氨可被直接转换到喷射器以获得相变及更高的热移除能力的益处。
[0065]此外，在此描述的系统包括以下特征:
[0066]I)传统的包括空气以及液体冷却系统的冷却系统需要从燃烧室献出高温热量从而通过减少热力学质量到约160F至240F的范围内保证能量消耗(事实上消除做有用功的可能性)，该空气以及液体冷却系统例如为基于橡胶软管、水泵密封、冷却液、恒温器、垫片、散热器等的具有温度限制的系统。当前的循环操作通过间歇性的冷却以提供高度令人满意的热工作流体气体的做功冲程膨胀和与燃料的燃烧同样多或更多的扭矩的产生，利用来自燃烧室的表面材料可获取的最高温度并且从这些表面上提取热量以产生500F到1200F的工作流体温度，以使期望的操作温度的更快的和更有效的维持成为可能。
[0067]2)蒸汽机供电船舶、重型机车、蒸汽铲、打桩机、汽车等具有长的使用寿命，以用于通过加热锅炉中的水以形成蒸汽而产生高度令人满意的转矩及操作能力，该蒸汽被带给一个或多个具有活塞和汽缸装置的驱动器，以在期望的转矩产生转换为旋转运动的推力。通常来自重的燃煤机车锅炉的蒸汽的温度和压强为383F下190磅/平方英寸(PSI)，以产生8000马力来拉动100辆重负载货车以达到100英里每小时(MPH)或者按照轨道设计与维护所允许的速度。在1906年陆地速度纪录(Land Speed Record)由斯坦利蒸汽汽车确定，因为它在佛罗里达州的奥蒙德海滩达到127英里每小时(mph)。相比之下，使用水作为工作流体的当前的循环能够容易地利用包括汽缸、活塞、曲轴等的柴油或汽油发动机的现存系统来产生并将蒸汽从400F的温度膨胀到600F，以及将压强从200磅/平方英寸(PSI)膨胀到500磅/平方英寸(PSI)，提供高度令人满意的转矩和功，以及将燃烧室组件温度维持在与由传统的冷却系统提供的同样的范围内。
[0068]3)操作当前系统连同热化学再生(TCR)和/或涡轮增压器、涡轮式发电机、气体燃烧涡轮机和/或工作流体回收系统是令人满意的。这样的驱动吸热化学过程的热量提取(extraction)和/或功产品降低了工作流体的温度，以大大地增加密度并减少蒸汽压强，以在当前循环中为方便储存和/或即时重用引起冷凝。
[0069]从前述，应该理解在这里已经描述的本发明的具体实施例是为了说明，但是可以做各种修改而不脱离本发明的精神和范围。例如，在一个级联系列中可使用任何数量的一级发动机和二级发动机。另外，任何单个的发动机可被认为是一个一级发动机或一个二级发动机，取决于他们如何根据给定的配置交换流体。此外，工作流体可以为任何合适的流体，并且不被在此列出的具体的例子限制。发动机系统除了那些示出的以及描述的配置外可包括可选的配置，并且仍在本公开的精神之内。
[0070]除非上下文明确地要求，否则说明书以及权利要求自始至终，词语“包含”、“包括”等等被解释为包含的意义，而不是排他或穷尽的意义；也就是说，“包括，但不限于”的意思。使用单数或复数的词语也分别包括复数或单数。当权利要求使用词“或”指两个或两个以上的项目列表，那个词覆盖所有的下面的词的解释:列表中的任何项目、列表中的所有项目、以及列表中的项目的任意组合。另外，上面描述的各种实施例可结合起来以提供进一步的实施例。本说明书和/或在申请数据表中列出的涉及到的所有的美国专利、美国专利申请出版物、美国专利申请、外国专利、外国专利申请和非专利出版物其全部内容通过引用并入本文。如果有必要，本发明的各方面可以修改，以采用具有不同配置的燃料喷射器和点火装置，不同专利、申请以及出版物的概念来提供本发明更进一步的实施例。
[0071]可根据上述说明书的详细描述对本公开做这些以及其他的改变。总之，在下面的权利要求中，使用的术语不应该被解释为将本公开局限于说明书和权利要求中的具体实施例，但是应该解释为包括按照权利要求操作的全部的系统和方法。因此，本发明不被本公开限制，相反它的范围应由以下的权利要求被广泛地确定。
【权利要求】
1.一种限制多个相互关联的发动机的燃烧室的峰值温度的方法，所述方法包括: 控制在第一发动机中的燃烧室的所述峰值温度， 包括- 在所述第一发动机的一个循环的第一部分- 在所述第一循环的进气冲程和压缩冲程至少一个期间直接将燃料注入所述燃烧室中；以及 点燃所述燃烧室中的所述燃料以引起燃烧； 监测由于所述燃烧而引起的所述燃烧室的温度；以及 在所述发动机的所述循环的所述第一部分或第二部分的至少一个中- 当所述温度达到预定值时，在所述循环的做功冲程和/或排气冲程的至 少一个期间，直接将冷却剂注入所述燃烧室中； 根据所述的在所述第一发动机中用于控制所述峰值温度的步骤，控制在第二发动机中的燃烧室的所述峰值温度，其中，来自所述第一发动机的排放气流是所述第二发动机的工作流体，这样将所述第一发动机被流体耦合至所述第二发动机。
2.根据权利要求1所述的方法，其中: 直接将燃料注入所述燃烧室中包括注入第一燃料，所述第一燃料在所述燃烧室中产生燃烧的第一温度；以及 直接将所述冷却剂注入所述 燃烧室中包括注入第二燃料，所述第二燃料在所述燃烧室中产生燃烧的第二温度，其中所述第二温度小于所述第一温度。
3.根据权利要求1所述的方法，其中直接将冷却剂注入所述燃烧室中包括注入在所述燃烧室中不会燃烧的流体或气体。
4.根据权利要求1所述的方法，其中直接将冷却剂注入所述燃烧室中包括直接将含氢冷却剂注入所述燃烧室中。
5.根据权利要求1所述的方法，其中直接将冷却剂引进注入所述燃烧室中包括在所述循环的每个所述做功冲程和所述排气冲程期间注入冷却剂。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述温度的所述预定值为2200摄氏度。
7.根据权利要求1所述的方法，其中 直接将燃料注入所述燃烧室中包括用注入器注入燃料；以及 点燃所述燃烧室中的所述燃料包括用由所述注入器携带的点火部件点燃所述燃料。
8.根据权利要求1所述的方法，进一步包括: 确定所述发动机的预定义的运行模式，所述预定义的运行模式包括所述发动机的加速或高负荷运行模式；以及 当所述发动机在所述预定义的运行模式中运行时，仅在所述循环的所述做功冲程和排所述气冲程的至少一个期间，直接将冷却剂注入所述燃烧室中。
9.一种冷却发动机中的燃烧室的方法，所述方法包括: 冷却第一发动机中的燃烧室包括- 将燃料引入所述发动机的所述燃烧室中，其中通过进气冲程、压缩冲程、做功冲程、以及排气冲程，能量传输装置至少部分地在所述燃烧室中移动； 使得所述燃料在所述燃烧 室中燃烧；监测所述燃烧室的温度；以及 当所述温度达到预定值时，仅在所述能量传输装置的所述做功冲程和所述排气冲程的至少一个期间将冷却剂引入所述燃烧室中， 根据所述的在所述第一发动机中用于冷却所述燃烧室的步骤，冷却第二发动机中的燃烧室，其中排出所述第一发动机的排气口的工作流体进入所述第二发动机的进气，这样所述第一发动机的排气被流体耦合至所述第二发动机的进气。
10.根据权利要求9所述的方法，其中将冷却剂引入所述燃烧室中包括引入在所述燃烧室中不会燃烧的冷却剂。
11.根据权利要求9所述的方法，其中将冷却剂引入所述燃烧室中包括引入在所述燃烧室中在比所述燃料更低的温度下燃烧的冷却剂。
12.根据权利要求9所述的方法，其中将燃料引入所述燃烧室中包括用注入器引入所述燃料；以及 使得所述燃料燃烧包括用由所述注入器携带的点火部件生成点火事件。
13.根据权利要求9所述的方法，其中: 将所述燃料引入所述燃烧室中包括用注入器将所述燃料引入；以及 将冷却剂引入所述燃烧室中包括用所述注入器将所述燃料引入。
14.根据权利要求9所述的方法，进一步包括: 监测所述发 动机以获得所述发动机预定义的运行条件；以及 当所述发动机在所述预定义的运行条件下运行时，仅在所述循环的所述做功冲程和所述排气冲程的至少一个期间，将冷却剂引入所述燃烧室中。
15.—种内燃机系统，包括: 具有进气口和排气口的第一燃烧室； 通过包含进气冲程、压缩冲程、做功冲程以及排气冲程的循环，相对于所述燃烧室可移动的能量传输装置； 注入器，配置为在所述进气冲程和所述压缩冲程的至少一个期间，将燃料注入所述燃烧室中； 点火部件，配置为点燃所述燃烧室中的所述燃料；以及 传感器，配置为检测所述燃烧室的温度，其中当所述温度达到预定值时，所述注入器被配置为在所述做功冲程和所述排气冲程的至少一个期间，直接将工作流体注入所述燃烧室中； 其中所述第一燃烧室的所述排气口被流体耦合至第二燃烧室的进气口。
16.根据权利要求15所述的系统，其中所述点火部件由所述注入器携带。
17.根据权利要求15所述的系统，其中所述冷却剂在所述燃烧室中不会燃烧。
18.根据权利要求15所述的系统，其中所述燃料在所述燃烧室产生燃烧的第一温度，以及所述冷却剂在所述燃烧室中产生燃烧的第二温度，并且其中所述第二温度小于所述第一温度。
19.根据权利要求15所述的系统，其中所述冷却剂至少部分包含氢。
20.根据权利要求15所述的系统，其中所述温度的所述预定值为2200摄氏度。
【文档编号】F01P11/00GK103890343SQ201280050346
【公开日】2014年6月25日 申请日期:2012年8月13日 优先权日:2011年8月12日
【发明者】罗伊·E·麦卡利斯特, 梅尔文·J·拉尔森 申请人:麦卡利斯特技术有限责任公司