内燃发动机的制作方法

内燃发动机的制作方法
【专利摘要】内燃发动机10包括燃烧室12。室包括可在室中移动以改变室的容积的主体18并且含有催化剂50。第一阀组件24可操作以准许进气进入室，与含水流体供应系统32连接的第二阀组件30可操作以准许含水流体和蒸汽重整燃料进入室。控制器48被构造成使第二阀组件30准许含水流体和一定量的蒸汽重整燃料进入燃烧室并且当在进气的压缩期间预定的条件在室中出现时，在催化剂存在下吸收由进气压缩产生的热量以促进蒸汽重整过程以使氢气从蒸汽重整燃料或所述含水流体分离。
【专利说明】
内燃发动机
技术领域
[0001 ]本发明涉及一种内燃发动机，具体地但不完全地涉及一种为机动车辆供电的内燃 发动机。
【背景技术】
[0002] 往复式活塞火花点火发动机是用于为机动车供电的内燃发动机的一种熟知形式。 往复活塞式火花点火发动机包括在各个缸体内往复运动的一些活塞，每个活塞被连接至曲 轴。缸体中的每个设有用于控制空气和燃料流入的入口阀组件、控制燃烧产物排出的排气 阀组件以及用于将空气燃料混合物点火的火花塞。其中，燃料至发动机的供应由汽化器控 制，空气和燃料在位于缸体的进气歧管上游中混合，入口阀组件包括控制燃料-空气混合物 进入缸体的进气阀。当至缸体的燃料供给是通过燃料喷射时，入口阀组件包括两个阀。阀中 的一个是燃料喷射器，另一个是进气阀。燃料喷射器可被布置以将燃料直接喷射至缸体中 或可将其喷射至刚在进气阀上游处的进气管道中。
[0003] 通常，往复式火花点火发动机以四冲程循环工作。活塞向上或向下移动其缸体包 含四冲程循环中的一个冲程。四冲程循环包括：
[0004] 进气冲程，在此期间，入口阀组件打开并且空气和燃料随着活塞向曲轴移动进入 发动机；
[0005] 压缩冲程，在此期间，入口阀组件和排气阀组件关闭，空气和燃料混合物随着活塞 远离曲轴被压缩；
[0006] 供电冲程或工作冲程，在此期间，压缩的混合物被点火，由混合物的燃烧产生的快 速膨胀迫使活塞朝曲轴后退；以及
[0007] 排气冲程，在此期间，排气阀组件打开，废气随着活塞再次远离曲轴被迫离开缸 体。
[0008] -些往复式活塞火花点火发动机以是四冲程循环的变体的两冲程循环工作。这种 发动机通常比四冲程发动机的容量小，对客运车辆而言，两轮车辆往往使用两冲程发动机。 两冲程发动机使用位于沿缸体的侧部的口（port)代替阀。当活塞在缸体内上、下移动时，口 是否被覆盖取决于活塞在缸体中的位置。本质上，在两冲程发动机中，吸入和压缩过程发生 在第一冲程期间，燃烧和排气过程发生在第二冲程期间。
[0009] 往复式活塞压缩点火内燃发动机是通常用于为机动车供电的另一种形式的发动 机。往复活塞式压缩点火发动机使用自动点火温度比由火花点火发动机使用的燃料的自动 点火温度更高的燃料并且以上述四冲程循环的改进版本工作。具体地，在进气冲程期间，空 气被吸入至缸体中并且空气在压缩冲程期间被压缩至高压高温。然后，燃料被直接喷射至 缸体(或导入到缸体的混合室）中，当燃料与缸体中的高温压缩空气混合时，燃烧发生。历史 上，往复式活塞压缩点火发动机被认为噪声大而且缓慢，在汽车领域主要用于卡车和诸如 公共汽车等其它商用车辆。然而，在较近时期，已开发高性能往复式活塞压缩点火发动机而 现在往复式活塞压缩点火发动机通常在诸如轿车(箱式轿车)等小客车中使用。
[0010] 汪克尔发动机(Wankel engine)是已经用于为机动车辆供电的火花点火发动机的 另一种形式。汪克尔发动机采用与往复式活塞式火花点火内燃发动机相似的四冲程循环。 然而，代替往复式活塞，汪克尔发动机具有安装在偏心轴上并且在近似于椭圆形(外旋轮线 形)的室中旋转的大致三角形转子。"四冲程"在转子和室壁之间的空间中发生。
[0011] 这些熟知的内燃发动机的共同特征是，燃料空气混合物被输入至它在其中燃烧的 室使得由燃烧引起的混合物的快速膨胀直接作用在被连接至输出轴的主体(活塞或转子） 上，从而导致轴旋转;发动机的输出是轴的旋转。
[0012] 已经提出在其中液体充当往复式活塞的发动机。

【发明内容】

[0013] 本发明提供如权利要求1中指定的一种操作内燃发动机的方法。
[0014] 本发明还包括如权利要求13中指定的内燃发动机。
[0015 ]本发明还包括如权利要求14中指定的内燃发动机。
【附图说明】
[0016]在随后的公开中，将参照附图，其中 [0017]图1是内燃发动机的示意图；
[0018] 图2是用于图1的内燃发动机的阀组件的示例的示意图；
[0019] 图3是用于图1的内燃发动机的阀组件的另一示例的示意图；
[0020] 图4是用于内燃发动机的控制器的示例的示意图；
[0021] 图5是说明图1的内燃发动机的循环的压力-容积图；
[0022]图6是说明图4的循环的温度-熵图；
[0023]图7是图1的内燃发动机的一部分的变型的不意图；
[0024]图8是另一种内燃发动机的不意图；
[0025]图9是图8的内燃发动机的喷射器阀的示意图；以及
[0026] 图10是图1-图4、图7和图8的内燃发动机的燃烧点火器的示意图。
【具体实施方式】
[0027] 参照图1，内燃发动机10包括由壳体或缸体限定并且具有壁14、16的容积可变的燃 烧室12和可在室中移动的主体。在说明的示例中，主体是通过连接杆22与曲轴20连接的往 复式活塞18。
[0028]内燃发动机10包括可操作以准许包含吸气(aspirant)的进气进入燃烧室12的第 一阀组件24。在说明的示例中，进气是从与第一阀组件24连接的空气供应系统26接收的空 气。空气供应系统26可包括被构造成接收周围空气并且将空气引导至第一阀组件24的歧 管。第一阀组件24可包括与空气供应系统26连接的一个或多个阀。空气供应系统26可包括 清洁空气的合适过滤器。
[0029]内燃发动机10包括与蒸汽供应系统32和包含用于内燃发动机的燃料的储藏器34 连接的第二阀组件30。第二阀组件30可操作以准许来自蒸汽供应系统32的蒸汽和来自储藏 器34的燃料作为混合物进入燃烧室12。如图2中示出，第二阀组件30可包括通向燃烧室12的 一个或多个第一阀36和被设置蒸汽供应系统32和第一阀36之间以便将第一阀与蒸汽供应 系统隔离从而允许它/它们准许燃料单独进入燃烧室的一个或多个第二阀38。在图3中示出 的另一个示例中，第二阀组件30包括通向燃烧室12并且与蒸汽供应系统32和储藏器34相连 接以准许燃料-蒸汽混合物进入燃烧室的一个或多个第一阀36和通向燃烧室12、分别连接 至储藏器34并且与蒸汽供应系统隔离从而允许它/它们准许燃料独立于第一阀进入燃烧室 的一个或多个第二阀38。
[0030] 内燃发动机10设有排气系统40和包含可操作以将来自燃烧室12的废气排放至排 气系统的至少一个排气阀的排气阀组件42。在说明的示例中，排气系统40可与蒸汽供应系 统32配合以从在排气系统中流动的废气中提取热量以便提供用于产生蒸汽的至少一部分 热量。例如，这可通过具有管道或使废气流经含有一根或多根蒸汽管实现，通过管道，废气 绕一根产生蒸汽的管或导管周围流动。
[0031] 内燃发动机10包括控制第一阀组件24、第二阀组件30和排气阀组件42的操作的控 制器48。在说明的示例中，第一阀组件24、第二阀组件30和排气阀组件42包括响应于由控制 器49发出的电指令信号打开和关闭的电致动阀例如电磁阀。在其它示例中，第一阀组件24、 第二阀组件30和排气阀组件42中的至少一个可包括一个或多个阀，其响应于由控制器48发 出给水力或气动致动流体的电指令信号被水力或气动致动。
[0032]内燃发动机10进一步包括与控制器48连接以向控制器提供指示燃烧室12中的压 力/温度的信号的一个或多个传感器50。传感器50可以是压力传感器或温度传感器。传感器 可以是能够在使用内燃发动机时遇到的相对较高的温度下操作的任意适合类型的传感器。 为了控制内燃发动机10的操作的目的，至少在其操作的一些阶段期间，温度传感器需要对 在燃烧室10内发生的温度改变具有高度响应能力。温度传感器可以是通过透明窗口（未示 出）感测燃烧室中的温度的红外温度传感器。可选地，例如，可使用诸如在US5659133(其内 容通过引用并入于此)中公开的嵌入式高温光电二极管。
[0033]内燃发动机10可设有帮助在燃烧室12中引发燃烧事件的引燃器52。引燃器52可以 是诸如电热塞、热金属线、火花塞等电燃器。
[0034]催化剂54通过任意传统方法安装在燃烧室12中。例如，催化剂54可被安装在包括 在壁14中设置的合适凹陷部的安装部中使得它不会影响燃烧室12的容积。可选地或另外 地，催化剂54可被安装在活塞18的冠部上，优选安装在如图1所示的包括合适凹陷部的安装 部上。将催化剂54安装在活塞上不是目前优选的，因为它增加活塞的惯性。在另一个示例 中，可选地或另外地，催化剂可被安装在第一阀36上。下面参照图8和图9描述安装在喷射器 上的催化剂的示例。在另一个实施例中，可选地或另外地，催化剂可安装在引燃器52上。下 面参照图10描述安装在引燃器上的催化剂的示例。
[0035] 在图1中，控制器48和阀组件24、30、42以及传感器50之间的连接未示出。这只是为 了清晰说明，本领域技术人员想象用于连接的合适的方法和装置并不困难。
[0036]在图1中，示出仅包括一个燃烧室12的内燃发动机10。虽然这可适于一些应用，但 是内燃发动机10通常将包括多个燃烧室12,每个具有连接至曲轴20的活塞。在多个室或缸 体、发动机中，室可以诸如线形、平面形或V形等任意合适的熟知构造布置。
[0037] 参照图4,用于内燃发动机10的合适控制器包括一个或多个处理器1600和信号调 节组件1602例如，其用于放大信号并且将模拟信号转换成数字信号、将数字信号转换成模 拟信号以准许控制器接收和使用来自传感器54的信号并且将有用的信号输出至阀组件24、 30、42和可由控制器控制的内燃发动机10的其它内燃发动机组件。另外地，控制器48可包括 用于存储在内燃发动机工作期间产生的数据的一个或多个随机存取存储器(RAM)1604和在 采集来自一个或多个传感器的输入信号中使用以为处理器提供有用输入的电路1606。另外 地，控制单元728可包括形式为永久存储器1606的一个或多个数据存储组件，永久存储器可 以是只读存储器(ROM)，在其中永久存储一个或多个软件部1608。当然，对于一些应用，不需 要永久存储器。例如，控制器可与在其中存储控制算法并且在控制器启动时将控制算法上 传至控制器的RAM的主计算机连接。针对控制器，另一替代方案是从属于主控制器或主计算 机。针对控制器，另一替代方案是包括一个或多个硬线连接的控制电路。
[0038] 内燃发动机10可以改进的狄塞尔循环(diesel cycle)工作。现在将参照图5和图6 描述使用改进的狄塞尔循环的内燃发动机10的工作。
[0039] 参照图5和图6,点1表示内燃发动机10的工作循环的开始。在点1处，活塞18处于其 往复冲程的一端(如图1中观察到的最下方位置）。即使在发动机缸体是水平取向，例如水平 式四缸发动机的情况下，这通常被称为下止点(BDC)位置。在该阶段，来自前一循环的废气 已经基本上从燃烧室12移除，在常压常温下进气的新鲜充量已经由排气阀组件42和第一阀 组件24的操作分别完成。关闭第一阀组件24和排气阀组件40。进气的压力为第一压力？:，温 度为第一温度T:。然后，活塞18从BDC朝壁14移动。当活塞朝壁14移动时，它减小燃烧室12的 容积，这样的话，它压缩进气。进气的压缩使进气的压力和温度从丹和!^升高。构造内燃发动 机10使得当活塞18到达最靠近壁14并且通常被称为上止点（TDC)位置的活塞冲程的相对端 时，燃烧室12的容积减小足以使进气被压缩至预定的压力P^TDC位置被指示在位置2b处。
[0040] 如图5和6中示出，因为进气的压力从在点1处的Pi上升，所以进气的温度首先相应 地从温度!^可通常大约为293°K)上升。当达到在点2a处指示的预定压力/温度P 2a/T2^，控 制器48发出使第二阀组件30打开并且准许燃料和蒸汽的计量混合物进入燃烧室12的信号。 在催化剂的存在下，准许燃料和蒸汽混合物进入热进气中促进蒸汽重整过程，通过蒸汽重 整过程使氢气从燃料或蒸汽分离。在循环的后期，氢气在燃烧室12中燃烧。由于蒸汽重整过 程，蒸汽和燃料吸收来自压缩的进气的热量，从而使进气冷却。在说明的示例中，随着进气 的压缩从点2a持续至点2b，燃料和蒸汽混合物被准许以使进气冷却足以维持基本恒温的计 量速率进入，如图6所示，温度T 2a和T2b至少基本相等。点2b指示活塞已经到达TDC并且为其 返回到BDC的膨胀冲程做准备的点。在点2b处，控制器40发出使第二阀组件30停止准许蒸汽 进入燃烧室12并且准许用于燃烧过程的计量充量的燃料进入燃烧室的信号。
[0041 ]在点2b处，燃烧室12中的压力P2b和温度T2b使得氢气和燃料应自燃。在提供电热 塞、热金属丝52等以帮助引发氢气和燃料的燃烧的情况下，当发出使第二阀组件30停止准 许蒸汽进入并且准许计量充量的燃料进入燃烧室12的信号时或之后不久，控制器48被构造 成向电源(未示出）发出使电热塞、热金属丝等同时供电的信号。燃料和氢气在燃烧室12中 的燃烧驱动活塞18从TDC位置返回至BDC位置。活塞的移动通过连接杆22被传输至曲轴20以 转动曲轴并且提供来自内燃发动机10的功率输出W。在说明的示例中，燃料被准许以选定的 计量速率进入燃烧室12使得燃料和氢气的燃烧在基本恒定的压力条件下发生。在图5和图6 中的点2b和3之间的时间段内准许计量的燃料进入。
[0042]在可被确定为从点2b开始的预定经过时间的点3处或当预定压力/温度被传感器 54检测时，控制器发送使第二阀组件30停止准许燃料进入燃烧室12的信号。因为活塞朝BDC 位置移动，所以燃烧气体继续膨胀，燃烧室中的压力和温度朝向表示BDC位置的点4下降。在 可由被传感器54检测的压力/温度P 4/T4指示的点4处，控制器48发出打开排气阀组件42以将 燃烧气体(废气)释放至废气系统40中的信号。当废气从燃烧室12中释放时，室中的压力迅 速向常压下降。在该阶段中，打开第一阀组件24以准许进气的新鲜充量进入，操作循环回到 点1并且为下一个循环做准备。在打开第一阀组件24以允许进来的进气打扫燃烧室后，排气 阀组件42至少在最初阶段保持打开。
[0043] 上述循环收获在压缩冲程期间产生的热量以生成通过蒸汽重整产生的氢气形式 的附加燃料。这种附加燃料提高循环性能。在图5和图6中的点2b和点3之间燃烧的燃料的总 量为在点2a和点2b之间的压缩冲程期间喷射的燃料量，加上由蒸汽重整过程产生的氢气燃 料以及准许进入在点2b和点3之间燃烧室的燃料，其小于在蒸汽重整过程中消耗的燃料。总 之，因为生成氢气的反应总体为吸热反应，所以组合应具有比在点2b和点3之间准许进入的 燃料高的热值。如果为标准狄塞尔循环供应相同量的供应燃料，则燃料将被准许进入在图5 和图6中点2和点3之间的燃烧室。可以看出，像在可比较的标准狄塞尔循环（点1 -点2-点3-点4-点1)中，改进的狄塞尔循环（点1-点2-点3-点4-点1)的指示功（图5所示的P-V图的区 域)比相同量的准许进入的燃料大，因此改进的狄塞尔循环效率高。
[0044] 下面可通过考虑每个阶段的功和热评价由图5和图6中说明的改进的狄塞尔循环 提供的效率提尚：
[0045]熵压缩(点1-点2a):
[0046] lff2a = mCv(T2a-Tl)lQ2a = 0 (3)
[0047] 等温压缩（点2a_点2b):
[0049] 2aQ2b = 2aW2b(热由蒸汽重整吸收）（4)
[0050] 等压燃烧(点2b-点3):
[0051] 2bff3 = P2b, 3 (V3-V2b) 2bQ3=mcP (T3-T2b) (5)
[0052]熵膨胀（点3-点4):
[0053] 3W4=mcv(TrT3)3Q4=0 (6)
[0054] 打扫（4->l):
[0055] 4Wi = 〇4Qi=mcv(Ti_T4) (7)
[0056] 然后，效率被评价为废热下的净功：
(8)
[0058](请注意，2aQ2b为负）。
[0059](相同最大压力和体积的)可比较的标准狄塞尔循环将具有效率：
稱
[0061 ]针对1:25的压缩比、环境STP条件、点2a的（催化)温度为700K、甲烷作为燃料、化学 计量燃烧，理论循环效率从66%提高至75%。将理解的是，甲烷仅仅是给出作为合适燃料的 示例并且原则上何合适的烃类可与都被认为是用于蒸汽重整的好燃料的丁烷、乙醇、甲醇 和丙烷(没有特定的顺序)一起使用。也可使用诸如柴油和汽油等传统内燃发动机燃料。
[0062] 在压缩冲程过程中准许燃料进入燃烧室的点2a处的温度T2a被选为足以使显著量 的蒸汽重整发生的最小温度。期望使温度T 2a最小，因为这允许来自压缩冲程的更多热量吸 收，其允许在相同的最大压力p2b下获得更高的压缩比。可凭经验找到选择的温度T 2a，温度 T2a可代表得到合理量的蒸汽重整与吸收附加热之间的折衷。在确定温度T2a时考虑的另一 因子是催化反应的速率，其随着温度升高，并且如果要发生大量的蒸汽重整，则其可对温度 T2a可多低设定限制。通常，可期望在较低速下工作的大型发动机能够容纳较宽选择的催化 剂或更低的点2a温度。
[0063] 图5或图6中说明的改进的狄塞尔循环的另一潜在优点在于:在不提高内燃发动机 10的最大工作温度的情况下，获得较高的效率，其实际上降低了功率输出的污染。另外，因 为涉及氢燃烧，将期望的是，一氧化碳(C0)和碳氢化合物(HC)的排放水平会比传统柴油发 动机低的多。
[0064] 图5和图6中说明的改进的狄塞尔循环的另一优点在于:通过蒸汽重整过程的热吸 收可导致在压缩冲程结束时燃烧室中的温度T2b比在可比较的传统柴油发动机（图6中的比 较点2b和点2)中的温度!^低。因为氮氧化物(NOx)的产生与温度呈指数关系，所以至少与在 传统狄塞尔循环工作的发动机相比，以改进的狄塞尔循环工作的内燃发动机10的NOx的排 放水平应非常低。
[0065] 图7示出图1-图4的内燃发动机的改进形式。在图7中，与图1中示出的组件相同或 相似的组件由相同参考数字增加100指示并且可不再描述。内燃发动机110和内燃发动机10 之间的区别在于内燃发动机110具有第二储藏器170。第一储藏器134用于容纳在蒸汽重整 过程中消耗的在压缩冲程的点2a和点2b(图5和图6)之间准许进入燃烧室112的用于蒸汽重 整过程的蒸汽重整燃料。第二储藏器170容纳在点2b和点3(图5和图6)之间的燃烧阶段期间 准许进入燃烧室112的可燃燃料。在该示例中，第二阀组件130包括与蒸汽供应系统132和第 一储藏器134连接以准许燃料-蒸汽混合物进入燃烧室的至少一个第一阀136和与第二储藏 器170连接以准许燃料进入燃烧室的至少一个第二阀138。例如，如下面将参照图8和图9说 明，第一阀136可包括与催化剂配合的喷射器阀。内燃发动机10可设有承载用于蒸汽重整过 程的催化剂的引燃器，例如如下面将参照图10描述的电热塞。
[0066] 由在图7中示出的示例说明的构造允许产生供应用于蒸汽重整过程的一种燃料和 用于燃烧过程的不同燃料的可能性，使得可选择预计在重整过程中获得更好氢产量的燃 料，而例如由于效率或可用性原因，在燃烧过程可使用不同燃料。因此，例如，在一些示例 中，诸如相对便宜的生物废物燃料等具有有限利用率的燃料可用作针对蒸汽重整过程的蒸 汽重整燃料，而诸如柴油或汽油等更容易获得的燃料可用作针对燃烧过程的可燃燃料。类 似地，诸如甲醇或甲烷等"轻"燃料可用作针对蒸汽重整过程的蒸汽重整燃料，因为它可产 生更大的效率，诸如柴油或汽油等更容易获得的较重化石燃料可用作针对燃烧过程的可燃 燃料。
[0067] 图8和图9不出另一内燃发动机210的特征。与内燃发动机10的部件相似或相同的 内燃发动机210的部件由相同参考数字增加200指示并且可不再描述。
[0068] 参照图8,内燃发动机210包括由壁214、216限定的燃烧室212。燃烧室212容纳通过 连接杆(也未示出）与曲轴(未示出)连接的往复活塞218。内燃发动机210进一步包括准许包 含吸气的进气进入燃烧室的第一阀组件224。第一阀组件224可被连接至空气供应系统226。 内燃发动机210进一步包括具有至少一个喷射器阀236的第二阀组件230。仅仅为了便于描 述，在下面的说明中，将引用单数喷射器阀236。因为可设置多个喷射器阀236,所以这不被 认为是限制。
[0069]喷射器阀236通过燃料栗254与储藏器连接。储藏器252用于容纳可燃燃料，燃料栗 254可操作将燃料栗入喷射器阀。储藏器252和燃料栗254可以是供给给内燃发动机210的标 准储藏器和标准燃料栗。喷射器阀236也通过栗258与第二储藏器256连接。栗258可操作将 含水流体或包括含水流体和蒸汽重整燃料的混合物栗入喷射器阀236。
[0070]参照图9，喷射阀236包括被构造成插入至由壁214限定的喷射器口 272中的阀体 270。阀体270具有设有多个出口孔274的第一端或出口端和设有凸缘276的第二端。保持部 板278可通过螺钉、螺栓等被固定至壁214。第一喷射器阀236被构造成通过保持部板278接 合使得它通过由保持部板施加的按压力固定至壁214。合适的密封件282可被设置在凸缘 276和壁214之间以便在它们之间压缩和密封。
[0071] 喷射器阀236具有从与阀体270延伸侧相对的凸缘276的侧延伸的入口头284。入口 头284具有用于连接到使喷射器阀236与栗254、258连接的各自管道290、292(图8)的连接器 部件 286、288。
[0072] 当以合并蒸汽重整过程、诸如与上面参照图5和图6描述的改进的狄塞尔循环相同 或相似的改进的狄塞尔循环等循环工作时，喷射器阀236承载用于在燃烧室212中发生的蒸 汽重整过程的催化剂254。催化剂254可以固定至阀体270的出口端的套筒290的形式提供。 套筒290可以是限定从阀体270的出口端延伸的完全封闭的流道的圆筒形构件。可选地，例 如，套筒290可以是设有侧开口的部分套筒，例如，侧开口可以是纵向延伸的狭缝。出口孔 274的至少一些可被构造成将输出流体的喷雾直接引入至催化剂254上。
[0073] 例如如图9中说明的承载催化剂的喷射器阀可被设置在新建的发动机中。这提供 构造发动机以诸如上面参照图5和图6描述的改进的狄塞尔循环等并入蒸汽重整过程的循 环工作的可能性，而无需重新构造或特殊构造燃烧室容纳用于催化剂的安装部。这种喷射 器阀也可用来提供使现有的内燃发动机适应以改进的狄塞尔循环工作的相对简单的方法。 例如，承载催化剂的一个或多个喷射器阀可作为代替一个或多个标准喷射器阀用于改造现 有内燃发动机的套件供应。这种套件可包括带有将喷射器阀连接至栗的适合的管道的诸如 储藏器256和栗258等储藏器或栗。
[0074]在图8和图9的示例中，在燃烧循环的压缩阶段期间，催化剂被设置在被操作以准 许含水流体、蒸汽重整燃料或包含含水流体和蒸汽重整燃料的混合物进入燃烧室中的喷射 器阀上。这不是必须的。在循环的燃烧阶段期间，催化剂可被设置在可操作以准许吸气或燃 料进入的喷射器阀上。在每种情况下，可构造阀使得阀承载的催化剂暴露在燃烧室中的含 水流体、蒸汽重整燃料和热量中使得它在蒸汽重整过程中发挥催化剂的功能。
[0075]在上面说明的示例中，喷射器阀具有用于单独管道的各自连接器部件，喷射器阀 通过单独管道经两个栗被连接至储藏器。在另一示例中，歧管等可被设置在喷射器阀的上 游以通过它们的栗接收来自储藏器的供应物使得喷射器阀可具有单个连接器部件，喷射器 阀可由单个管道通过单个连接器部件连接到歧管等。
[0076] 在其它示例中，诸如图1-图4、图8和图9中示出的内燃发动机等内燃发动机内燃发 动机可设有承载催化剂的引燃器，引燃器的形式可以是诸如电热塞、热金属线或火花塞等 电引燃器。参照图10,电热塞452形式的电引燃器可包括被构造成准许引燃器拧入由燃烧室 的壁限定的合适螺纹口中的螺纹主体部分490。电热塞452可包括被构造成通过诸如套筒扳 手等拧紧工具接合以准许引燃器牢固地拧入这种口的凸缘492。电热塞452可包括被构造成 准许电热塞45 2与合适的电源(未不出）电连接的电输入端子494。电源和内燃发动机中的这 种电源和引燃器之间的连接对于本领域技术人员来说都很熟悉，因此在本文中将不再描 述。电热塞452可进一步包括与输入端子494电连接的中心电极496以及加热和调节线圈 498、500。加热和调节线圈498、500装在护套或管504中包含的绝缘粉末502中，护套或管504 被设置在与输入端子494所处的端相反的电热塞452的端。护套504从主体部分490的端同轴 延伸。护套504用作能量输出构件并且在使用时被设置在燃烧室中使得它被暴露于燃烧室 中的燃料、氢气和空气的混合物中，并且可将能量以热量的形式加至混合物上。在当壁214、 216相对冷时至少在内燃发动机210启动期间，电热塞452可至少帮助引发燃烧内燃发动机 并且可吸收在进气压缩期间产生的大量热。
[0077] 电热塞452进一步包括用于在进气的压缩期间当蒸汽重整燃料和含水流体被准许 进入燃烧室中时在燃烧室发生的蒸汽重整过程的催化剂454。在说明的示例中，催化剂454 是固定到电热塞452的主体部分的构件506。构件506可与主体部分490和护套504同轴延伸 并且被定位使得当安装电热塞452时，催化剂被暴露于燃烧室212中的含水流体、热量和蒸 汽重整燃料中。构件506可以是在其一部分长度上围绕护套504的套筒。可选地，例如构件 506可以是设有侧开口以确保护套504不过度地屏蔽燃烧室212中的流体的部分套筒。在另 一示例中，催化剂可以固定至电热塞452的多个构件的形式提供或可被镀覆在电热塞452的 部分上。
[0078] 与包括催化剂的喷射器阀的示例一样，提供带有催化剂的引燃器提供使现有的内 燃发动机适应将蒸汽重整过程并入它们的工作循环的相对简单的方法。当然，设有催化剂 的引燃器可在旨在蒸汽重整过程并入它们的工作循环的新建发动机中使用。
[0079] 设有催化剂的引燃器可与设有可以是相同或不同的催化剂并且被供应在带有如 前所述的储藏器和栗的套件中的喷射器阀联合使用。类似地，设有催化剂的喷射器阀或引 燃器可与在燃烧室中安装并且可以相同或不同的催化剂联合使用。
[0080] 另外地，用于改造现有内燃发动机的套件可包括控制电路或指令，其改进发动机 的发动机控制器的工作以将其配置以并入蒸汽重整过程的新循环工作。例如，控制电路的 形式可以是插入到控制器的附加电路板、加载有指令的替换电路板或的处理器装置。可选 地，在其它示例中，套件可包括数据载体，其可与内燃发动机控制器暂时连接以准许新指令 通过防火墙升级或软件更新到存储器的方式加载在控制器上。
[0081] 在一些示例中，可期望在催化剂表面上提供间断点作为增大暴露在燃烧室中的蒸 汽的催化剂物质的表面积的手段。例如，催化剂可设有表面凹槽或褶皱或诸如具有圆形、不 规则或其它形状的横截面的离散突出部或凹陷部等其它间断点。
[0082] 将理解的是，在引燃器或喷射器阀上提供用于蒸汽重整过程的催化剂会是有利 的，因为它通过将替换部件简单地固定在燃烧室壁内设置的现有口中产生提供催化剂的可 能性。因此，现有内燃发动机可被转换以将蒸汽重整循环并入至其工作循环中，而无需对内 燃发动机体或缸体头做任意变化。可选地，通过在燃烧室壁中一个或多个凹陷部、在喷射器 阀或引燃器上提供催化剂使催化剂表面积最大化可能是有利的。
[0083]在说明的示例中，蒸汽和蒸汽重整燃料通过单独阀被准许进入燃烧室中，并且在 燃烧室的喷射区中混合或者通过公用喷射器喷射使得一定量的混合在燃烧室的上游发生。 在一些示例中，混合室被设置在第二阀组件的上游使得蒸汽和蒸汽重整燃料作为混合物被 供应至第二阀组件。
[0084]在说明的示例中，在压缩冲程期间，含水流体或蒸汽重整燃料被准许进入燃烧室 中以促进蒸汽重整过程使氢气从燃烧室中燃烧的蒸汽重整燃料或蒸汽分离。在其它示例 中，含水流体的形式可以水雾或水雾和蒸汽的组合。
[0085] 在说明的示例中，用于蒸汽重整过程的蒸汽重整燃料可以是包含化合物、碳氢化 合物或矿石燃料的不含水的氢。相同的燃料可用作蒸汽重整燃料和可燃燃料。可选地，蒸汽 重整燃料和可燃燃料可以不同。通常，蒸汽重整燃料可以是可在发动机的压缩阶段或冲程 期间喷射至燃烧室中以与氧气进行放热反应即在被氧化时释放能量的任意流体。在蒸汽重 整中，蒸汽重整燃料可被水(蒸汽）中的氧气氧化，从而从水(蒸汽)或蒸汽重整燃料中释放 氢气，理解的是，氢气可从二者中释放出来。除了前面提到的燃料之外，可用于蒸汽重整燃 料的其它燃料包括自燃燃料、氢过氧化物和诸如乙硼烷、戊硼烷和癸硼烷等硼烷。
[0086] 将理解的是，蒸汽重整燃料未必可燃。然而，如果蒸汽重整燃料是可燃的，则来自 蒸汽重整过程中的任意残留物可在燃烧过程中燃烧。
[0087]将理解的是，虽然蒸汽重整是在燃烧室中发生的主要氢气分离过程，但是也可存 在通过解离从水(水蒸汽)分离的一些氢气。
[0088] 由于在燃烧过程期间在燃烧室内存在相对高水平的水蒸气，所以从燃烧室释放的 废气将含有大量的水蒸气。在一些示例中，一个或多个冷凝器可被设置在废气系统中以将 水蒸气冷凝成在随后发动机循环中重复要使用的含水流体。
[0089] 将理解的是，用于特定内燃发动机的最好的催化剂和蒸汽重整燃料可通过测试确 定。目前设想的是，Cu/Zn0、Pd/Zn0、CuZr02或它们的复合合金将是合适的催化剂。选择的催 化剂需要具有足够的耐热性以能够承受在燃烧环境中使用。
[0090] 在说明的示例中，部分限定容积可变的燃烧室的主体是往复式活塞。在其它示例 中，主体可以是旋转构件。在进一步示例中，活塞可以是如W02009/101420中公开的液体主 体，其内容通过引用并入本文。
[0091] 说明的实施例的描述涉及使用压力/温度传感器以提供压力/温度指示，压力/温 度指示使得控制器发出在压缩冲程期间喷射含水流体和含有化合物的不含水氢气的信号。 在一些示例中，特别是在较慢移动的发动机中，可使用检测燃烧室中的主体例如活塞18的 位置的位置传感器。因此，例如可使用在活塞移动方向间隔开的两个位置传感器来提供活 塞的移动方向的指示，第二个传感器指示活塞已经达到燃烧室的容积的位置，即压力/温度 是应发生喷射的期望的压力/温度。
[0092] 虽然不局限于这些应用，但是设想的是，以如图5和图6中示出的改进的狄塞尔循 环工作的内燃发动机将适合在汽车行业中应用。虽然上述的结构和工作原理可有利地应用 于新建内燃发动机，但是将理解的是，可改进现有的发动机以获得本发明的益处。
【主权项】
1. 一种操作包括含有催化剂的容积可变的燃烧室的内燃发动机的方法，包括： 准许包括吸气的进气进入所述燃烧室； 减小所述燃烧室的容积以压缩所述进气使所述燃烧室内的压力从第一压力上升至第 二压力； 当在所述燃烧室中的压力达到在所述第一压力和所述第二压力之间的预定压力时，准 许含水流体和蒸汽重整燃料进入所述燃烧室，使得所述含水流体和所述蒸汽重整燃料在催 化剂的存在下吸收由所述进气的压缩产生的热量，以便促进蒸汽重整过程，通过所述蒸汽 重整过程使氢气从所述蒸汽重整燃料或所述含水流体分离；以及 当在所述燃烧室中的压力至少为所述第二压力时，准许可燃燃料进入所述燃烧室并且 使所述可燃燃料和所述氢气燃烧。2. 根据权利要求1所述的操作内燃发动机的方法，其包括准许所述含水流体和所述蒸 汽重整燃料作为混合物进入所述燃烧室中。3. 根据权利要求1或2所述的操作内燃发动机的方法，其包括控制所述含水流体或所述 含水流体和蒸汽重整燃料进入所述燃烧腔室使得所述燃烧室中的温度保持基本恒定。4. 根据权利要求1、2或3所述的操作内燃发动机的方法，其包括准许所述含水流体作为 水雾、水蒸汽或水雾和水蒸气的组合进入所述燃烧室。5. 根据前述权利要求中的任意一项所述的内燃发动机方法，其包括:在所述含水流体 进入所述燃烧室之前，将由所述可燃燃料和氢气的燃烧产生的废气从所述燃烧室中释放并 且从所释放的废气中提取热量以加热所述含水流体。6. 根据前述权利要求中的任意一项所述的操作内燃发动机的方法，其包括控制所述可 燃燃料准许进入所述燃烧腔室使得在至少所述可燃燃料和氢气的燃烧的第一阶段维持基 本恒定的压力。7. 根据前述权利要求中的任意一项所述的操作内燃发动机的方法，其中，所述燃烧室 的容积通过所述燃烧室中移动主体改变，所述燃料和氢气的燃烧使所述主体移动以增大所 述燃烧室的容积，所述主体的移动提供所述燃烧室的能量输出。8. 根据权利要求7所述的操作内燃发动机的方法，其中所述主体包括： i)往复式活塞； ? )旋转构件； m)设置在所述燃烧室中的液体。9. 根据权利要求8所述的方法，其中所述主体是往复式活塞或旋转构件，所述催化剂被 所述往复式活塞或旋转构件承载。10. 根据前述权利要求中的任意一项所述的方法，其中所述催化剂被设置在所述燃烧 室的壁上。11. 根据前述权利要求中的任意一项所述的方法，其中所述催化剂被设置在下述中的 至少一个上： i)喷射器，通过所述喷射器使所述蒸汽重整燃料或可燃燃料准许进入所述燃烧室；以 及 ?)引燃器，其被设置以引发所述可燃燃料和所述氢气的燃烧。12. 根据前述权利要求中的任意一项所述的方法，其中，所述蒸汽重整燃料和所述可燃 燃料相同。13. -种内燃发动机，其包括： 壳体和主体，其可在所述壳体内移动以限定容积可变的燃烧室； 催化剂，其在所述燃烧室中； 第一阀组件，其准许进气进入所述燃烧室； 含水流体供应系统； 第二阀组件，其与所述含水流体供应系统连接并且可操作以准许来自所述含水流体供 应系统的含水流体和蒸汽重整燃料进入所述燃烧室； 控制器，其被构造成使所述第一阀组件准许进气充入所述燃烧室，并且在所述主体的 移动期间当所述燃烧室中存在预定条件时，减少所述燃烧室的容积，以便压缩所述进气使 所述进气的压力从第一压力上升至第二压力，并使所述第二阀组件准许来自所述含水流体 供应系统的含水流体和一定量的所述蒸汽重整燃料进入所述燃烧室，使得所述含水流体和 蒸汽重整燃料在催化剂存在下吸收由所述进气的压缩产生的热量，以促进蒸汽重整过程， 通过所述蒸汽重整过程氢气从所述蒸汽重整燃料或所述含水流体分离。14. 一种内燃发动机，其包括： 壳体和主体，其可在所述壳体内移动以限定容积可变的燃烧室； 至少一个安装部，其将催化剂安装在所述燃烧室中； 第一阀组件，其准许进气进入所述燃烧室； 含水流体供应系统； 第二阀组件，其与所述含水流体供应系统连接并且可操作以准许来自所述含水流体供 应系统的含水流体和蒸汽重整燃料进入所述燃烧室； 控制器，其被构造成使所述第一阀组件准许进气充入所述燃烧室，并且在所述主体的 移动期间当所述燃烧室中存在预定条件时，减少所述燃烧室的容积，以便压缩所述进气使 所述进气的压力从第一压力上升至第二压力，并使所述第二阀组件准许来自所述含水流体 供应系统的含水流体和一定量的所述蒸汽重整燃料进入所述燃烧室，使得所述含水流体和 蒸汽重整燃料在催化剂的存在下吸收由所述进气的压缩产生的热量，以促进蒸汽重整过 程，通过蒸汽重整过程氢气从所述蒸汽重整燃料和所述含水流体分离，所述催化剂通过所 述至少一个安装部安装在所述燃烧室中。15. 根据权利要求13或14所述的内燃发动机，其进一步包括:包含所述蒸汽重整燃料的 第一储藏器，其中所述第二阀组件与所述第一储藏器连接以准许所述蒸汽重整储藏器进入 所述燃烧室。16. 根据权利要求15所述的内燃发动机，其中所述第一储藏器、所述第一阀组件和所述 含水流体供应系统被构造使得所述蒸汽重整燃料和所述含水流体作为混合物准许进入所 述燃烧室。17. 根据权利要求13至16中的任意一项所述的内燃发动机，其中所述蒸汽重整燃料是 可燃燃料，当所述燃烧室中的压力至少为第二压力时，所述控制器被构造成使所述第二阀 组件准许第二量的所述蒸汽重整燃料进入所述燃烧室与所述氢气一起燃烧。18. 根据权利要求13至16中的任意一项所述的内燃发动机，其进一步包括包含与所述 蒸汽重整燃料不同的可燃燃料的第二储藏器，其中所述第二阀组件与所述第二储藏器连 接，当所述燃烧室中的压力至少为第二压力时，所述控制器被构造成使所述第二阀组件准 许所述可燃燃料进入所述燃烧室与所述氢气一起燃烧。19. 根据权利要求18所述的内燃发动机，其中所述第二阀组件包括准许所述含水流体 和所述蒸汽重整燃料中的至少一种进入所述燃烧室的第一阀和准许所述可燃燃料进入所 述燃烧室的第二阀。20. 根据权利要求13至19中的任意一项所述的内燃发动机，其进一步包括用于提供指 示所述燃烧室中的温度的信号的传感器，其中所述控制器被构造成控制所述含水流体或所 述蒸汽重整燃料和含水流体进入所述燃烧室以便使所述燃烧室中的温度基本维持恒定。21. 根据权利要求20所述的内燃发动机，其中所述传感器是光学温度传感器。22. 根据权利要求13至21中的任意一项所述的内燃发动机，其进一步包括废气系统，其 接收来自所述燃烧室的废气并且可与所述含水流体供应系统配合以从在所述废气系统中 流动的废气中提取热量以加热所述含水流体供应系统中的所述含水流体。23. 根据权利要求13至22中的任意一项所述的内燃发动机，其中所述含水流体供应系 统和所述第二阀组件被构造使得所述含水流体作为水雾，水蒸气或水雾和水蒸气的组合进 入所述燃烧室。24. 根据权利要求13至23中的任意一项所述的内燃发动机，其中所述催化剂被设置在 所述第二阀组件上。25. 根据权利要求13至24中的任意一项所述的内燃发动机，其中所述催化剂被设置在 可操作以在所述燃烧室中引发燃烧的引燃器上。26. 根据权利要求13至25中的任意一项所述的内燃发动机，其中所述主体包括： i)往复式活塞； ? )旋转构件；以及 m)液体，其被设置在所述燃烧室中。27. -种计算机程序产品，其包括当在执行环境中执行时可操作以控制如权利要求1至 11中的任意一项所述的方法的至少一个计算机程序软件部分任意一项。28. -种数据存储组件，其具有在其中存储的根据权利要求27所述的至少一个计算机 软件部分。29. -种处理器，其设有根据权利要求28所述的数据存储组件。30. -种控制设备，其被构造成控制根据权利要求1至11中的任意一项所述的方法。
【文档编号】F02M25/022GK106068370SQ201480063427
【公开日】2016年11月2日
【申请日】2014年9月22日 公开号201480063427.4, CN 106068370 A, CN 106068370A, CN 201480063427, CN-A-106068370, CN106068370 A, CN106068370A, CN201480063427, CN201480063427.4, PCT/2014/52879, PCT/GB/14/052879, PCT/GB/14/52879, PCT/GB/2014/052879, PCT/GB/2014/52879, PCT/GB14/052879, PCT/GB14/52879, PCT/GB14052879, PCT/GB1452879, PCT/GB2014/052879, PCT/GB2014/52879, PCT/GB2014052879, PCT/GB201452879
【发明人】伊恩·罗森, 欧兰·谢尔
【申请人】伊恩·罗森