分置循环内燃发动机的制作方法

本发明涉及分置循环内燃发动机领域。

背景技术：

使用狄塞尔循环或奥托循环的常规内燃发动机通常在同一气缸中进行压缩和燃烧/膨胀。但是，分置循环内燃发动机在不同的气缸中进行压缩和燃烧/膨胀阶段。在这种发动机中，可以在压缩空气的同时将流体注入压缩缸。这具有吸收在压缩冲程期间产生的一些热量的作用，使得压缩可以被认为至少是准等温的。

wo2010/067080a1公开了一种分置循环往复式活塞发动机，其将液氮注入压缩缸中以用作冷却剂。

技术实现要素：

本发明的各方面如独立权利要求所述，而可选特征则如各项从属权利要求所述。本发明的各方面可以彼此结合，并且一个方面的特征可以应用于其他方面。

附图说明

现在将参考附图仅以举例的方式描述本发明的实施例，其中：

图1示出了一示例性分置循环内燃发动机装置的示意图。

图2示出了一示例性分置循环内燃发动机装置的示意图。

图3示出了适用于图1和图2的发动机的使用方法流程图。

图4示出了适用于图1和图2的发动机的注射装置的示意图。

图5示出了适用于图1和图2的发动机的过滤器系统的示意图。

图6a和图6b示出了与图1和图2的发动机一起使用的液体冷却剂储存器的示例性示意图。

图7示出了图6a和图6b中描述和示出的与图1和图2的发动机一起使用的液体冷却剂储存器的替代布置。

图8是示出通过将水和液氮作为示例性液体冷却剂引入分置发动机装置的压缩缸(例如图1和图2的分置循环发动机)中功和质量的变化曲线图。

图9的曲线图示出基于气-液氮比0.1和气-水比0.2来改变进入压缩缸10的空气的供给温度的效果。

具体实施方式

图1示出了配置为使用两种不同类型的液体冷却剂的分置循环内燃发动机装置100。可以选择两种液体冷却剂，以使其具有不同的热特性，并且可以使用两种液体冷却剂的组合，以改进发动机性能。液体冷却剂中的至少一种可能已经通过制冷过程被冷凝成其液相。发动机包括控制器，该控制器在操作中接收发动机的至少一个参数的指示，并使用该指示来控制液体冷却剂中的至少一种以液体形式输送到分置发动机的压缩缸(例如，通过直接注射)，使得液体冷却剂在压缩冲程期间汽化成气相，并且由压缩冲程引起的温度升高受到冷却剂吸收热量的限制。因此，控制器可以构造成输送例如可以基于发动机的需求选择的冷却剂的组合。例如，选择至少一种液体冷却剂，使得液体冷却剂的相变限制由压缩冲程引起的温度升高，例如随着液体冷却剂的汽化而汽化的潜热。有利地，这可以允许每个压缩冲程有更大的空气质量，因此可以使发动机更高效。更高效率的发动机具有明显的环境效益。

图1示出了包括压缩缸10和燃烧缸20的分置循环内燃发动机装置100。压缩缸10容纳压缩活塞12，该压缩活塞12经由连杆52连接到曲柄轴70的一部分上的相应的曲柄。燃烧缸20容纳燃烧活塞22，该燃烧活塞22通过连杆54联接到曲柄轴70的一部分上的相应的曲柄。压缩缸10通过换热器30联接到燃烧缸20。压缩缸10包括用于从发动机外部接收空气的入口8和联接到换热器30的出口9。出口9包括止回阀，使得压缩空气不能回流到压缩缸10中。燃烧缸20包括入口18和出口19，入口18也联接到换热器30，出口19用于使来自燃烧缸20的排气通过排气管95，这些联接器通过换热器30为空气在压缩缸10和燃烧缸20之间提供空气流动路径。

发动机100还包括第一液体冷却剂储存器40、第二液体冷却剂储存器50、控制器60和燃料储存器80。第一液体冷却剂储存器40经由第一注射器14联接至压缩缸10，从而限定了第一液体流动路径，第二液体冷却剂储存器50经由第二注射器16联接至压缩缸10，从而限定了第二液体流动路径。燃料储存器80经由第三注射器82联接至燃烧缸20，从而在燃料储存器80与燃烧缸20之间限定了流体流动路径。

发动机100包括多个传感器，其示出为与控制器60耦合的黑点。然而，应当理解，示出的传感器仅是示例性的，并且可以有不同数量的传感器，或者它们可以放置在不同的位置。例如，入口8还可以包括温度传感器。传感器可以通过物理线耦合到控制器60，或者可以无线连接。在图1所示的实施方式中，在压缩缸10内有一个压缩传感器11。该传感器例如可以安装在空气入口8附近或注射器12、14中的一个或两个附近。图1所示的示例性发动机100还包括在燃烧缸20内的燃烧传感器21和在换热器30内的换热器传感器31。另外，发动机100包括安装在曲柄轴70上的曲柄传感器71和在燃烧缸20的出口19下游的排气传感器91。在一些实施方式中，第一和第二液体冷却剂储存器40、50还包括相应的传感器，例如，用于测量储存器40、50中容纳的液体的量，例如质量。

控制器60联接至传感器以及第一和第二注射器14、16中的至少一个。在图1所示的实施方式中，控制器60联接至第一和第二注射器14、16，以及第三注射器82。

传感器被配置为向控制器60发送至少一个信号，以提供与发动机100相关联的至少一个参数的指示。例如，在图1所示的实施方式中，压缩传感器11被配置为测量与压缩缸10相关联的至少一个参数。燃烧传感器21被配置为测量与燃烧缸20相关联的至少一个参数。换热器传感器31被配置为测量与换热器30相关联的至少一个参数。另外，曲柄传感器71被配置为测量发动机的rpm，排气传感器91被配置为测量通过燃烧缸20的出口19排出的排气的至少一个参数。

发动机100被布置成使得空气通过压缩缸10的入口8进入到压缩缸10中。压缩活塞12被布置成压缩该空气，并且在压缩期间，液体冷却剂被添加到压缩缸10中。换热器30布置成经由出口9接收压缩空气，并且经由入口18将其传递到燃烧缸20中。发动机100还布置成将来自燃料储存器80的燃料经由第三注射器82添加到燃烧缸20中，并使燃料和压缩空气的混合物燃烧(例如，通过操作未示出的点火源)，以通过曲柄轴70的转动来提取有用功。

燃料储存器80连接到控制器60，使得控制器60控制燃料输送到燃烧缸20中。在一些实施方式中，控制器60被配置为基于发动机200的至少一个参数的指示来确定待注射的燃料量。例如，控制器60可以被配置为经由从排气传感器91接收的信号获得至少一个参数的指示。

每个传感器被配置为向控制器60发送相应的信号，控制器60被配置为基于这些接收到的信号来确定控制第一液体冷却剂和第二液体冷却剂中的至少一种的输送。控制器60分别控制第一冷却剂和第二冷却剂中的至少一种的输送，使得液体冷却剂在压缩活塞12的压缩冲程期间汽化成气相，通过液体冷却剂吸收热量限制由压缩冲程引起的温度升高。例如，控制器60可操作以基于压缩活塞12在压缩缸10中的位置(例如由曲柄传感器71测量的曲柄角确定)，控制第一注射器14和第二注射器16的正时，将液体分配到压缩缸10中。在一些实施方式中，控制器60可以附加地或可替代地构造成操作相应的液体储存器40、50中的每一个中的一个或多个泵，以控制至少一种液体冷却剂输送到压缩缸10。

控制器60和注射器14、16构造成在低压下将液体冷却剂直接注射到压缩缸10中，例如小于10mpa、小于5mpa、小于4.6mpa、小于1.3mpa、小于0.3mpa。其优点在于可以不需要专门的低温泵来将液体冷却剂泵送到压缩缸10中。液体冷却剂可以以液相并以喷雾液滴但是液滴尺寸分布较大的形式直接注入压缩缸10中。液滴尺寸分布较大在热力学上是有利的，因为它分散了在压缩活塞12的压缩冲程期间液体冷却剂汽化成气相的温度和/或时间范围。

第一液体冷却剂可以是已经通过制冷被冷凝成液相的液体冷却剂。例如，第一液体冷却剂可以是低温液体，例如液氮(ln2)。第二液体冷却剂可以是水。然而，应当理解，任何其他非氧化、不可燃的液化气也可以用作第一和/或第二液体冷却剂，例如已经通过制冷过程液化的气体，例如空气、氧气或氩气。燃料可以是需要点火源的燃料(例如，点火源可以包括燃烧缸中的火花塞)，例如汽油、氢气、液化天然气和压缩天然气。可选地，燃料可以是不需要点火源的燃料，例如，它可以是压缩点火燃料，例如柴油。

控制器60被配置为确定至少一种液体冷却剂的输送要求，并控制注射器以满足该输送要求。输送要求可以例如基于发动机100的当前工况(例如负载或工作温度)，或者可以基于各个相应储存器14、16中的每个中的液体冷却剂的量，保存资源。控制器60被配置为响应于接收到与发动机100相关联的至少一个参数的指示来确定输送要求。例如，控制器60可以包括至少一个查找表(lut)，并且基于包括至少一个来自传感器的数据值的接收信号并基于该接收数据值在查找表中的比较来确定输送要求。接收指示可以是从多个传感器中的一个或多个接收反馈(例如信号)的形式。应当理解，在本公开的上下文中，控制器60可以监视发动机的各种参数。这些参数可以包括与压缩缸10有关的参数，例如温度、压力或液体冷却剂的饱和度，这些参数可以在整个发动机100的许多地方进行测量。

在一些实施方式中，压缩传感器11配置为测量压缩缸10中的压力和/或温度，燃烧传感器21配置为测量燃烧缸10中的压力和/或温度，换热器传感器31配置为测量换热器中的氧气浓度水平、水饱和度水平、压力和温度。另外，曲柄传感器71被配置为测量曲柄轴70的rpm，排气传感器91被配置为测量排气的压力和/或温度，和/或排气的组成，例如排气中的二氧化碳浓度、二氧化氮浓度或其他气体或微粒浓度。控制器60可以有许多其他输入，例如压缩缸10和/或燃烧缸20的当前工作rpm。同样地，控制器60可以配置成接收代表当前发动机需求水平的需求信号，或可能影响液体冷却剂和/或燃料使用方式的任何其他指示。

在操作中，通过旋转曲柄轴70使压缩活塞12向下移动通过压缩气缸10，直到压缩活塞12到达下止点(bdc)，使空气穿过压缩缸10的入口8进入压缩缸10中。曲柄轴70继续旋转并且将压缩活塞从bdc推回到上止点(tdc)。当压缩活塞12向上朝向tdc行进时，压缩活塞12压缩该空气。控制器60从发动机100中的传感器接收发动机100的至少一个参数的指示，并且作为响应，控制器60通过将至少一种液体冷却剂以液相状态注入压缩缸中来控制至少一种液体冷却剂的输送，例如通过注射器14、16以液体喷雾的形式。随着压缩活塞12继续向tdc移动，所注射的液体冷却剂汽化成气相，并且汽化潜热由于压缩而至少部分地限制了压缩缸10中的空气的温度升高。

然后，换热器30经由出口9从压缩缸10接收压缩流体(包括汽化的液体冷却剂)，并且经由入口18将其传递到燃烧缸20中。在该过程中，换热器30将压缩空气加热至期望的温度，例如以帮助燃烧缸10中的燃烧过程。控制器然后操作第三注射器82以将燃料输送到燃烧缸20中的压缩空气，使燃料和压缩空气以及汽化液体冷却剂的混合物(例如，通过操作点火源(例如未示出的火花塞))，以通过曲柄轴70的转动提取有用功。

现在将在下面讨论几种实施方式，其中控制器60接收发动机100的至少一个参数的指示，并且响应于接收到所述至少一个指示，控制器60控制至少一种液体冷却剂输送到压缩缸10。

在第一实施方式中，第一冷却剂是已经通过制冷过程液化的液体，例如液氮；第二冷却剂是水；至少一个参数是水饱和度。基于测量经由入口8进入压缩缸10中的空气的温度和压力来检测水饱和度水平。使用压缩缸10中的空气的压力和温度(取决于压缩活塞12的位置其具有已知体积，压缩活塞12的位置可以由传感器71测量的曲柄角确定)，可以确定包含在压缩缸10内的空气摩尔数。使用道尔顿分压定律，添加介质的压力与摩尔浓度成比例。因此，控制器60可以确定水是否会沸腾(基于例如存储在控制器60中的查找表中的水的压力依赖沸腾温度的已知值)，并且可以通过测量经由注射器16注入压缩缸10中的水量(例如使用流量计)，使控制器60可以确定水饱和度水平。

响应于确定压缩缸10的水饱和度水平，控制器60可以被配置为基于水饱和度水平确定待注入的液体冷却剂的量并操作注射器14、16以注射液氮和/或水。例如，控制器60可以使用水作为唯一的冷却剂，直到水饱和度达到阈值水平为止。在该阈值水平以上，可以仅将第二液体冷却剂(液氮)注入压缩缸10，而不注入水。附加地或可选地，控制器60可以被配置为使用水和液氮的组合以实现期望的水饱和度水平。例如，控制器60可以被配置为基于水饱和度来调节注入到压缩缸10中的两种液体冷却剂的比例。

控制器60可以包括例如以查找表的形式存储的数据，其定义了水饱和度阈值。该阈值可以以多种方式定义。然而，优选地减少燃烧缸20中的液态水的量，例如在燃烧缸中没有液态水并且在燃烧缸20中仅以有水蒸气形式的水。因此，可以将水饱和度阈值确定为小于100％的绝对湿度。

控制器60可以被配置为基于其他发动机参数来确定阈值，例如氧气的体积、温度或压力，因为这些参数可能影响发动机的功能和水的沸点。

在第二实施方式中，控制器60可以被配置为基于经由来自压缩传感器11的信号接收到的指示来确定压缩缸10中的温度。响应于控制器60确定压缩缸10中的温度低于基于从压缩传感器11接收到的指示的阈值，控制器60减少第一液体冷却剂和第二液体冷却剂两者输送到压缩缸10。当发动机100首先启动并且相对较冷时，可能发生这种情况。相反，控制器60可配置为响应于确定温度高于阈值而增加第一和/或第二液体冷却剂输送到压缩缸10，例如在发动机已预热和/或处于高负载需求下或以高rpm工作时。

在一些实施方式中，控制器60被配置为比较当前温度值和阈值，并基于该比较做出确定。例如，控制器60被配置为基于当前温度值与阈值的比较来确定控制第一液体冷却剂和第二液体冷却剂中的至少一种的输送(例如，根据质量)。例如，控制器60被配置为控制第一液体冷却剂和第二液体冷却剂中的至少一种与与阈值之差成比例地输送，因此基于与阈值的差越大则输送的液态冷却剂的量越多或越少(例如质量)。

第一和/或第二液体冷却剂的输送变化的程度可以与压缩缸10内部的温度(例如通过压缩传感器11测量)和阈值温度(例如储存在控制器60中)之间的温度差成比例。响应于确定应当增加液体冷却剂输送到压缩缸，控制器60可以仅使用一种液体冷却剂(诸如水)作为液体冷却剂，直到达到(水)饱和度阈值。对于发动机的其他参数，例如压缩缸10中的压力，可以采用类似的方法。

在第三实施方式中，控制器60被配置为基于经由来自换热器传感器31的信号接收的参数的指示来确定换热器30中的氧饱和度水平。控制器60被配置为在氧饱和度高于阈值水平时，使更多的液体冷却剂被注入到压缩缸10中。液体冷却剂的注入可以根据上述方法。

在第四实施方式中，控制器60被配置为基于对发动机100的需求来控制至少一种液体冷却剂中的输送。例如，控制器60被配置为从发动机100接收指示期望输出的信号。发动机(例如，所需的扭矩、rpm或功率输出)。在该实施方式中，第一液体冷却剂是已经通过制冷过程液化的液体，例如液氮；第二液体冷却剂是水。控制器60被配置为控制第一液体冷却剂和第二液体冷却剂的输送，使得在需求较高的情况下(当发动机将运转得更热时)，相对于第二液体冷却剂更多的第一液体冷却剂被注入压缩缸10中；而在需求较低的情况下(当发动机以较低温度运行时)，控制器60配置为注射相对于第一液体冷却剂更多的第二液体冷却剂。以此方式，可以更精确地控制压缩缸10中的压缩空气的温度，以实现更有效的燃烧，从而使发动机100更高效。

在一些实施方式中，注射器14、16、82还可以被配置为用作传感器，并且向控制器60发送信号，该信号提供与发动机100相关联的至少一个参数的指示。注射器14、16、82可以被配置为发送信号，该信号指示例如注射器的温度、注射器的部件(例如感应线圈，可用于使注射器注射液体)的电阻和/或指示通过该注射器14、16、82注入的液体量(例如质量)的测量值中的至少一个。注射器可以配置为通过直接注射和/或共轨注射来注射液体冷却剂，但是由于所涉及的低温，至少一个注射器14、16、82可以不包括压电驱动元件，但是可以配置为在低温下操作，例如小于100开尔文。

在一些实施方式中，控制器60被配置为确定和控制一种液体冷却剂相对于另一液体冷却剂的输送速率。例如，控制器60可以包括多个打开或关闭的控制回路，以控制注入到压缩缸10中的冷却剂的比例。这些反馈回路可以包括排气温度、发动机负荷、所需的差温水平和流体密度的测量值。例如，控制器60可以是比例积分微分(pid)控制器。在图1所示的实施方式中，控制器60控制第一液体冷却剂与第二液体冷却剂的比例。可选地，控制器60可以被配置为主要集中于一种冷却剂，并且仅在某些情况下(例如，当达到阈值时)使用另一种冷却剂。这可以帮助节省资源，例如当一种液体冷却剂的液位低时。在这样的实施方式中，控制器60可以将一种冷却剂的注射量保持在选定值，并且响应于确定应将更多的液体冷却剂添加到压缩缸10，控制器60可仅从相同的液体冷却剂储存器开始添加液体冷却剂，直到达到阈值条件。一旦达到阈值，控制器60可以切换使得仅添加来自另一个容器的液体冷却剂。

在一些实施方式中，可以例如通过控制器60控制由注射器14、16注射喷雾液滴以传递液滴尺寸的分布，以在压缩冲程期间提供稳定的热吸收，以及在压缩缸10中的空气和液体冷却剂之间进行平稳的热传递。在一些实施方式中，这将包括(例如，通过控制器60)确定液滴尺寸的分布，该液滴尺寸的分布将在整个压缩冲程中提供热量吸收，例如在整个压缩冲程的一部分中或在整个压缩冲程中(例如，从bdc到tdc)。在液体冷却剂是已经通过制冷过程液化的液体的情况下，液体冷却剂的低温和其被注入时的低压这一组合意味着即使发动机温度很高，液体冷却剂也会以液相注入到压缩缸10中。

在一些实施方式中，液体冷却剂以液体流的形式被注入到压缩缸10中。在一些实施方式中，控制器60被配置为控制至少一种液体冷却剂的输送速率，使得液体冷却剂的热量吸收与液体冷却剂和压缩缸10中的周围空气之间的瞬时温度差相对应。

在一些实施方式中，入口8可以联接至涡轮增压器或任何其他强制增压进气装置，使得进入压缩缸10的空气已经被增压。在一些实施方式中，入口8可以附加地或可选地联接至中间冷却器以冷却增压空气。以这种方式对空气进行增压和冷却还可以意味着，可以更精确地确定经由入口8进入压缩缸10的空气的压力和温度的测量值。

在一些实施方式中，发动机100可包括第三液体冷却剂储存器和另一液体冷却剂注射器，其联接至第三液体冷却剂储存器，并且布置成将第三液体冷却剂注射到发动机100的一部分中，例如压缩缸10或换热器30。第三液体冷却剂可以不同于第一液体冷却剂和第二液体冷却剂，并且可以是非氧化、不可燃的气体，例如已经通过制冷过程被液化成液相的气体。

在一些实施方式中，换热器30可以包括联接至液体冷却剂储存器的注射器。例如，换热器30还可以包括联接至第二液体冷却剂储存器的注射器，并且控制器60可以配置成例如通过换热器传感器31监测从压缩缸10传递到燃烧缸20的压缩流体的温度。控制器60可以配置为确定是否需要一定量的液体冷却剂以便将经由入口18进入燃烧缸20的气体的温度控制在选定范围内。选定范围可以实现有效的燃烧，并且可以被存储在控制器60的存储器中。例如，如果发动机100运转困难(例如对它有很高的要求)，将第一液态冷却剂和第二液态冷却剂注入压缩缸10不足以将从压缩缸10传递到燃烧缸20的压缩空气的温度保持在选定范围内，则控制器60可通过喷射器的操作来控制将液体冷却剂输送到换热器30中，以将空气进一步冷却到所选范围内。

在一些实施方式中，控制器60可以被配置为将液体空气输送到压缩缸10以改善发动机100的燃烧效率，或者例如在对发动机100提出高要求时。

图2示出了分置循环内燃发动机装置200的另一实施方式。在涉及与图1相同或相似的特征的地方使用了相同的附图标记。

图2的发动机200与图1的发动机100的不同之处在于，在图2的发动机200中，第二液体冷却剂储存器50联接至换热器30。控制器60被配置为控制来自第二液体冷却剂储存器50的液体冷却剂的输送，以便第二液体冷却剂可以被注入换热器30以及压缩缸10中。曲柄轴70还包括齿轮机构75，该齿轮机构被配置为使得压缩活塞12和燃烧活塞22可以以不同的rpm工作。

另外，发动机200被配置为使得来自燃烧缸20的排气穿过出口19并且被引导通过换热器30，使得排气与进入燃烧缸20的压缩空气进行热交换。以这种方式，可以控制从压缩缸10传递到燃烧缸20的气体的温度，以使发动机以更有效的工作温度运转。

另外，换热器30包括冷凝器，使得可以从排气中提取一些第二液体冷却剂并返回到第二液体冷却剂储存器50。然后，排气可以通过排气管95从换热器30排出到环境中。在图2所示的实施方式中，发动机200还包括连接至控制器60的排放传感器92，例如位于换热器30下游的排气流动路径中。排放传感器92可以配置为测量经由排气管95离开的气体和/或颗粒的浓度，并向控制器60发送包括这些参数之一的指示的信号。

与图1的发动机100的另一个不同之处在于，曲柄轴70中分别通过连杆52、54附接至两个活塞12、22的两个部分没有整体地连接在一起以相同的速度旋转。而是这两个部分通过齿轮机构75连接，该齿轮机构可以是例如传动系统或具有选择性可变传动比的齿轮箱。附加地或可选地，齿轮机构75可包括离合器，例如分离式离合器。

图2的发动机200的操作与以上针对图1的发动机100描述的操作大致相同。然而，现在将参照图2描述发动机200的先前未描述的特征的操作。

换热器30中的冷凝器被配置为冷却来自燃烧室20的排气。例如，在第二液体冷却剂是水的情况下，该水可以被冷却和冷凝，使得其返回到第二液体冷却剂储存器50，这允许提供较小的第二液体冷却剂储存器50。当在没有不受限制地取水的汽车上使用发动机时，这可能是优选的，可以因此使用水循环。来自排气的过量热量还可以用于为换热器中的空气提供加热机构，例如与从压缩缸10排出并进入燃烧缸20的压缩空气进行热交换的热交换器。控制器60可以配置为控制换热器30的操作，以使得从压缩缸10传递到燃烧缸20的压缩空气在选定范围内。例如，控制器60可以被配置为在空气低于所选阈值时(例如，如果发动机200正在冷运转，例如其刚刚启动)加热空气，并且其可以被配置为在空气高于所选阈值时(例如，对发动机200要求很高)冷却空气。控制器60可以冷却换热器中的空气，可以例如经由换热器30中的注射器的操作来控制来自第二液体冷却剂储存器50的第二液体冷却剂的输送。

在一些实施方式中，发动机200还可包括涡轮增压器或其他合适的装置，用于通过从燃烧缸20的排气中提取能量来提高发动机效率。

在一些实施方式中，发动机200还可包括增压器或其他合适的装置，用于增加供应给发动机200的空气的压力或密度。增压器的动力可由曲柄轴、电池或任何其他合适的装置提供。

在一些实施方式中，发动机100、200可包括已知的布雷顿/焦耳/汤普森类型的液氮发生器。该发生器可以包括旋转压缩机，该旋转压缩机的轴连接到透平膨胀机并且连接到可变比传动系统的输出，该可变比传动系统的输入连接到曲柄轴70。液氮发生器还包括两个热交换器和风扇冷却的后冷却器。在使用中，空气由压缩机通过入口吸入到液氮发生器中，在压缩、膨胀并通过热交换器之后，产生液氮并传递到储存器40。

现在将参照图3描述确定待使用的冷却剂的量的方法。

在图3步骤1000中，方法开始。步骤1002和1004分别包括确定发动机的需求和rpm，从而在步骤1010，控制器60被配置为计算要从燃料储存器80注射到燃烧缸20中的所需燃料量。在步骤1012中，控制器60使用从压缩缸10输送到燃烧缸20的压缩空气的测量条件，即基于来自压缩传感器11和换热器传感器31的接收信号，使得在步骤1020控制器60确定所需燃烧效果所需的氧气质量。在步骤1030，确定冷却剂的最大质量。在这种情况下，第一液体冷却剂是液氮，第二液体冷却剂是水。

在步骤1040，控制器基于来自其中一个传感器的指示，通过将基于接收到的传感器信号的数据值与存储的查找表进行比较，来确定氧气水平是否高于阈值。如果确定氧气水平高于阈值，则该方法前进至步骤1050，在步骤1050中，控制器60被配置为确定是否已经达到水饱和度阈值。然而，如果氧气水平低于阈值，则该方法前进到步骤1045，在该步骤1045中，控制器60被配置为减少添加到压缩缸中的水和液氮的量。

控制器60可以被配置成基于燃料负载来确定所需的氧气质量，例如使用查找表，该查找表包括基于发动机的热力学性质的期望燃烧的已知氧气需求。在一些实施例中，可能存在不止一种氧气源，例如，空气中的氧气和液态氧/液态空气形式的氧气作为液体冷却剂注入压缩缸10中。因此，控制器60被配置为确定发动机中的氧气水平，并且它可以调节注入压缩缸10中的液体冷却剂的量以确保氧气水平保持在选定范围内。

控制器60可以被配置为使用其中一个传感器来确定氧气水平。λ计(氧传感器)可用于测量氧气浓度，例如在换热器30中的氧气浓度。最好确保氧气水平不会太低，因为这可能会导致烟灰在排气中堆积并在燃烧缸中泄漏。

在步骤1050，控制器例如基于来自其中一个传感器的指示来确定水饱和度水平。如果水饱和度水平已经达到选择的水饱和度阈值，则该方法前进到步骤1060，在该步骤1060中，控制器60被配置为增加待注入到压缩缸10中的液氮的量。在该阶段，如果低于水饱和度阈值，控制器60可以避免将更多的水注入到压缩缸10中，直到达到水饱和度水平为止。如果在步骤1050处水饱和度水平低于水饱和度阈值，则该方法前进到步骤1055，在步骤1055中，控制器60配置为增加注入到压缩缸10中的水量。在该阶段，控制器60可以避免将任何液氮注入压缩缸10中，直到达到水饱和度阈值为止。

在步骤1045、1055和1060之后，该方法前进到步骤1070。步骤1070从步骤1062获取输入，在步骤1062中，例如使用其中一个排气传感器91或排放传感器92来测量排气中的热量。在步骤1070中，控制器60被配置为测量温度、压力和换热器30中的氧气含量中的至少之一。例如，这可以使用换热器传感器31确定。步骤1070可以开始循环测量温度、压力、氧饱和度和水饱和度，控制器60接收基于这些测量参数的信号，并相应地调节冷却剂的输送。

在步骤1080，控制器60被配置为基于来自其中一个传感器的温度测量值来确定压缩缸20中的温度是否高于阈值。如果温度足够高，例如高于阈值，则该方法前进到步骤1090，在该步骤1090中，控制器60被配置为确定压缩缸20中的压力是否高于阈值。如果压力足够高，例如高于阈值，则该方法进行到步骤1040，如上所述。对于步骤1080、1090和1040中的任何一个步骤，如果未达到阈值，则该方法前进到步骤1045，在该步骤1045中，控制器60被配置为减少所输送的两种液体冷却剂的量。

图4示出了液体冷却剂注射装置150，该液体冷却剂注射装置150用于将液体冷却剂注入到分置循环发动机(例如上述发动机100、200)的压缩缸10中。装置150由控制器(例如上述控制器60)操作，该控制器可被配置为基于与发动机100相关联的至少一个参数的指示来控制第一液体冷却剂和第二液体冷却剂中的至少一种的输送。

图4所示的冷却剂注射装置150包括液体冷却剂储存器40，该液体冷却剂储存器40经由过滤器110和液体冷却剂注射器14联接至分置循环发动机的压缩缸10。储存器40与液体冷却剂流体路径流体连通，该液体冷却剂流体路径延伸穿过过滤器110到达液体冷却剂注射器14。液体冷却剂注射器14直接联接到压缩缸10。

液体冷却剂储存器40可操作以经由液体冷却剂流动路径将液体冷却剂提供给过滤器110。过滤器110可操作以从液体冷却剂中去除固体污染物并使过滤后的液体冷却剂流向液体冷却剂注射器14，液体冷却剂注射器14可操作以控制液体冷却剂注入压缩缸10。

现在描述在操作中的图4的系统作为示例。储存器40存储液体冷却剂，其可以是液化的空气、水或已经通过制冷冷凝成液相的另一种液体。在该实施方式中，液体冷却剂是液氮。

如图6a和图6b所示，储存器40包含驱动器，该驱动器能够增加储存器40内的压力，从而迫使液氮沿着液体冷却剂流动路径流动。驱动器可以包括加热器29和/或泵31，其可以在储存器40和液体冷却剂流动路径118之间产生压差。例如，加热器29可操作为响应于来自控制器60的控制信号而加热储存器40的一部分。这在储存器40中产生压差，以驱使一部分液氮进入压缩缸10。加热器29可以通过排气将来自发动机的热量再循环，或者可以包括电阻器，该电阻器两端施加电势差以引起加热。在一些实施方式中，储存器40还包括泄压阀，以防止储存器40过度加压。在储存器40的压力超过选定阈值的情况下，该阀允许由加热器产生的氮气排出。该阈值例如可以基于液体冷却剂注射系统150的上工作压力(例如由控制器60确定)。在储存器40中设置加热器29还可以防止储存器40的压力低于大气压，这是不希望有的，因为低于大气压会把周围的空气吸入储存器40中，从而使空气冻结并形成不希望的冰晶。

使用以上参考图6a和图6b描述的方法和装置，一旦在储存器40内已经达到压差，由于产生的压差，液氮流向压缩缸10。液体冷却剂流动路径穿过过滤器110，该过滤器110从液氮中去除固体污染物。该过滤步骤有助于去除氮气中的杂质，例如水或二氧化碳晶体，这些杂质可能会由于磨损而损坏液体冷却剂注射器14。

在穿过过滤器110之后，由于压力差，液氮沿着液体冷却剂流动路径继续到达液体冷却剂注射器14。注射器14可通过来自控制器60的控制信号来操作，以将确定量的液态氮注入压缩缸10中。如以上关于图1-3的描述，液氮的输送可以由控制器60基于接收到的参数进行控制。

图5示出了示例性过滤器装置110，该过滤器装置110用于从液体冷却剂流动路径去除固体污染物，例如与以上参照图4描述的冷却剂注射装置150一起使用。过滤器110包括两个液体冷却剂流动路径120、130，该流动路径120、130在其各自的端部处并行连接至入口118和出口119。过滤器110包括两个部分113、115，其中一个部分113沿着入口118和出口119之间的第一液体冷却剂流动路径120放置，第二过滤器部分115沿着入口118和出口119之间的第二液体冷却剂流动路径130放置。图5所示的实施方式还包括两个分流器111、112，一个位于过滤器部分113、115的任一侧，每个分流器111、112分别在入口118和两个流动路径120、130之间以及出口119和两个流动路径120、130之间连接。另外，在图5所示的实施方式中，存在两个加热元件114、116，每个加热元件联接至各自的过滤器部分113、115。加热元件114、116和分流器111、112联接到控制器60，该控制器可以是与以上关于图1至图4描述的控制器60相同的控制器。

分流器111、112可操作以沿着液体冷却剂流动路径引导液体冷却剂，并且由控制器60控制。这些分流器可以是阀，其改变液体冷却剂流动路径并允许过滤器部分113、115互换。控制器60可以根据选择的例程(例如，如存储在控制器60中)来操作这些分流器111、112，从而允许在互换过滤器部分113、115之前，每个过滤器部分113、115在液体冷却剂流动路径中在选定的时间间隔内，例如，使得液体冷却剂在第一选定时间间隔内流过第一液体流动路径120，然后在第二选定时间间隔内流过第二液体流动路径130，依此类推。

可选地，控制器60可以接收包括传感器数据的信号，该数据可以用于确定液体冷却剂流的性质。例如，过滤器装置110可以包括沿着液体冷却剂流动路径120、130布置的压力传感器，在入口118和出口119中的传感器，和/或在储存器40中的传感器，以及在联接到过滤器装置的出口119的注射器的输入处的传感器。

例如，控制器60可以被配置为确定过滤器部分113、115中是否存在堵塞，并相应地操作分流器111、112和加热元件114、116。例如，如果过滤器118的输入和注射器的输入之间的压力差超过选定的阈值，则这可以指示第一过滤器部分113接近于被固体污染物饱和并且在液体冷却剂流动路径120中存在显着的阻塞。因此，控制器60可以确定存在阻塞状态，并控制分流器111、112将液体从第一液体流动路径120转移，并仅通过第二过滤器部分115经由第二液体流动路径130转移。由于没有液体冷却剂流过第一液体流动路径120和第一过滤器部分112，所以第一过滤器部分113可以由于环境温度而自然加热(并且因为没有冷的液体冷却剂流过)，或者可以例如通过控制器60加热控制加热元件114，以通过熔化和/或蒸发除去固体污染物。一旦去除了固体污染物，分流器111、112可以被操作以使液体冷却剂一次通过两个液体流动路径120、130或者仅通过一个液体流动路径120、130返回。

另一选择可以包括感测过滤器部分113、115的温度。当过滤器变得被污染物“堵塞”时，过滤器部分113、115的局部温度可能升高，指示堵塞的状况。这可以通过诸如热电偶之类的温度传感器来感测，并经由传感器信号报告给控制器60。控制器60可以基于这些接收到的传感器信号来确定应当互换过滤器部分113、115。

在一些实施方式中，控制器60可以被配置为减小通过过滤器110的液体冷却剂的流量，以引起过滤器部分113、115的温度升高。

在图5的实施方式中，过滤器部分113、115是能够捕获固体污染物但允许液体冷却剂从中通过的铜网。使用铜网是有利的，因为它是导电的，允许加热器114、116是感应线圈，其可以位于液体冷却剂流动路径的外部但仍能提供期望的加热效果。当过滤器部分113、115互换时，不活动部分可能被“阻塞”，容纳了大量的固体污染物。加热器114、116允许铜网被加热，从而导致固体污染物蒸发或熔化。然后可以使用泄压阀将其从过滤器110中排出。

除了使用加热去除固体污染物外，过滤器还可包括u形弯头(例如在每个液体冷却剂流动路径120、130中)，以防止任何未完全蒸发的液体(例如水)向上流动并随液体冷却剂流带走，从而潜在地损坏发动机100、200。u形弯头还可以包括阀，该阀布置成使得u形弯头可以按选定的间隔排空，例如通过控制器60的操作或通过用户。

可选实施方式可以使用与以上描述不同的加热装置。这些可以包括使用来自分置循环发动机100、200的排气的再循环热来加热过滤器部分113、115。这样的优点在于不需要额外的加热系统，并且由于其使用回收的热量因此更有效。取决于周围装置的加热，过滤器部分113、115可以不需要主动加热，取而代之的是，可以简单地允许它们加热到环境温度，这足以使固体污染物能够从过滤器110去除。

除了不同的加热装置之外，过滤器部分113、115的材料也可以改变。例如，代替以上实施方式中的铜，过滤器部分113、115可以包括铝网，该铝网也可以通过感应加热来加热。也可以使用其他材料，例如碳纤维。

图7示出了图6a和图6b中描述和示出的可以与图1和图2所示的分置循环发动机装置一起使用的液体冷却剂储存器的可选布置。储存器40、50包括绝热箱701，绝热箱701被布置成封闭液体冷却剂703，例如制冷剂，例如液氮，其已经通过制冷过程被冷凝成液相。在绝热箱701的底部有驱动器29，该驱动器29布置成在绝热箱701中产生压力差，例如以上关于图6a和图6b所述的驱动器。在所示的实施方式中，驱动器29是电阻元件，该电阻元件布置成当电流通过液体冷却剂时向液体冷却剂提供一定程度的电阻加热。绝热箱701经由穿过过滤器110和注射器14的绝热管线718联接至分置循环发动机100(例如图1和图2的发动机)的压缩缸10，如关于前面附图的描述。

绝热管线718延伸穿过绝热箱701的壁并向下延伸至箱701的底部，使得即使箱体中的液体冷却剂的液位低时，绝热管线718仍可以提取液体冷却剂。应当理解，绝热管线718不需要在绝热箱701内部绝热。绝热管线718通过阀705和气体返回阀707联接到箱体以填充绝热箱701。绝热箱701还包括两个泄压阀709，以使绝热箱701中的压力不达到危险水平。在所示的实施方式中，过滤器装置110还包括两个泄压阀711。例如，泄压阀709、711中的一个可以被设置为装置的正常操作压力，而另一个可以被设置为高于正常操作压力但低于最大安全操作压力。

在一些实施方式中，如图7所示，绝热管线718可以联接到单独的进料管线722，例如在阀705的近端，但是在其他实施方式中，应当理解，绝热管线718可以用作进料管线。在图7所示的实施方式中，在箱内还与绝热管线718/进料管线722联接的是可选的喷杆720，喷杆720可用于供应液体冷却剂(例如，从上述换热器30回收的循环液体冷却剂)，以喷雾的形式对储存在箱701中的液体冷却剂703进行冷却。

图7中所示的箱701的布置使得不存在液体冷却剂的截留体积，并且使得储存器40中的压力永远不会低于大气压。在一些实施方式中，例如平行地布置在管线718上的两个阀，使得如果结冰了，就不会有液体冷却剂的残留，并且储存器40中的压力不会增加。箱701还被布置为减少发生的热泄漏路径的数量，并从箱701的底部附近获取液体冷却剂。

图8示出了在将水和液氮(例如液体冷却剂)引入到分置循环发动机装置(例如上述的分置循环发动机装置)的压缩缸中时，功和质量的变化曲线图。在a点，没有添加ln2或水。y轴相交处的起点是两个族。a以上是随着液氮(ln2)的增加，压缩机每个冲程压缩的质量百分比，其中每条线代表水的增加。在每种情况下，夹带到压缩缸中的空气量都是恒定的。

在a以下，该图说明了水和ln2的质量增加量相同，但显示了比功的变化。在标记的点处每冲程压缩的质量达到150％，但是如果不添加液氮或水，要做到这一点所需的比功只有大约65-70％。这对于六缸发动机来说很重要，因为可以将压缩缸从发动机上完全拆下，从而减少摩擦和泵送损失，同时还能产生与常规六缸发动机相同的比功。

值得注意的是，此时o2分子浓度降至正常空气(标准条件下)的65％。根据负载点，可能希望使用液态空气或添加液态氧代替ln2，以促进更大的燃料负载。通常情况下，会存在过量的氧气，但是当发动机需求量很大时，可能有必要添加更多的氧气。

在一些实施方式中，吸入压缩缸10的空气可以首先被中间冷却。这增加了空气的密度，但是由于压缩缸10中的空气较冷(这可能对燃烧无效)，因此导致热量损失。发动机可以被配置为使得在空气进入压缩缸10之前，进入的空气与其中一种液体冷却剂(例如水)进行热交换，使得在注入压缩缸10之前空气被冷却并且水被加热。

图9示出了改变空气的进料温度的效果，该空气被吸入到压缩缸中并且水作为液体冷却剂被注入到压缩缸中。在图9中，在被吸入压缩缸10之前，将进入的空气用来加热水以进行冷却。通过提供较冷的空气，空气密度增加，从而允许将更大质量的空气供入压缩缸10中。更大质量的空气包含更多的氧气，这对于燃烧可能是理想的。图9显示，使用冷却器/冷凝器空气时，每冲程工作流体的质量百分比更高。

向压缩缸10中提供更多空气和/或预热水的作用是使压缩缸10中的水的沸腾温度升高。这可以使水在汽化之前吸收更多的热量。

总体上参考附图，应理解的是，示意性功能框图用于指示本文所述的系统和装置的功能。然而，应当认识到，功能性不必以这种方式划分，并且不应被理解为暗示除以下描述和要求保护的硬件之外的任何特定硬件结构。附图中所示的一个或多个元件的功能可以进一步细分和/或分布在本公开的整个装置中。在一些实施例中，附图中示出的一个或多个元件的功能可以被集成到单个功能单元中。

在本公开的上下文中应当理解，尽管已经参考了所使用的两种或三种液体冷却剂，但这不是限制性的，因为可以使用更多的液体冷却剂。另外，液体冷却剂可以在被一起注入到压缩缸10中之前预混合，或者可以分开注入。控制器60可以基于发动机的需求和热力学变量来确定冷却剂的混合物。例如，控制器60可以确定应该向压缩缸10中添加更多的氧气，并且相应地，控制器可以将含氧的冷却剂与另一冷却剂以满足氧气需求的选定比例预混合。

在液体冷却剂储存器之间可以存在可由控制器60控制的连接，以使得能够进行冷却剂的预混合。可选地，注射器可以具有两个流体入口，并且控制器60可以控制每种流体进入注射器的流量，以满足混合物中冷却剂的选定比例。因此，冷却剂可以在注射之前以选定的比例预混合，这可以由控制器60确定和控制。

在一些实施方式中，一个或多个存储元件可以存储用于实现本文描述的操作的数据和/或程序指令。本公开的实施例提供了包括程序指令的有形的、非暂时性的存储介质，所述程序指令可操作以对处理器进行编程以执行本文描述和/或要求保护的方法中的任何一个或多个和/或提供本文描述和/或要求保护的数据处理装置。

本文概述的活动和装置可以用诸如逻辑门的组件之类的固定逻辑或诸如由处理器执行的软件和/或计算机程序指令之类的可编程逻辑来实现。其他种类的可编程逻辑包括可编程处理器、可编程数字逻辑(例如，现场可编程门阵列(fpga)、可擦可编程只读存储器(eprom)、电可擦可编程只读存储器(eeprom))、专用集成电路、asic或任何其他种类的数字逻辑、软件、代码、电子指令、闪存、光盘、cd-rom、dvdrom、磁卡或光卡、其他类型的适用于存储电子指令的机器可读介质，或其任何合适的组合。

从上面的讨论中应当理解，附图中所示的实施例仅是示例性的，并且包括可以如本文所述和权利要求中所述一般化、去除或替换的特征。在本公开的上下文中，本文描述的装置和方法的其他实施方式和变型对于本领域技术人员而言是显而易见的。