用于改進(jìn)的發(fā)動機(jī)冷卻及能量產(chǎn)生的系統(tǒng)和方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了用于改進(jìn)的發(fā)動機(jī)冷卻及做功的發(fā)動機(jī)系統(tǒng)的實施例。工作流體可在能量循環(huán)的任何部分期間注入燃燒室或發(fā)動機(jī)中，以冷卻發(fā)動機(jī)和/或產(chǎn)生除在腔室中由燃燒事件做功之外的有用功。該系統(tǒng)可包括監(jiān)測系統(tǒng)，該檢測系統(tǒng)配置為測量單獨的燃燒室內(nèi)的條件?；谇皇业膬?nèi)部條件，所述系統(tǒng)可適應(yīng)性地向該發(fā)動機(jī)注入工作流體。該發(fā)動機(jī)可以為級聯(lián)系列發(fā)動機(jī)的一部分，該級聯(lián)系列發(fā)動機(jī)包括一級發(fā)動機(jī)和從該一級發(fā)動機(jī)接收工作流體并從該流體產(chǎn)生能量的二級發(fā)動機(jī)。
【專利說明】用于改進(jìn)的發(fā)動機(jī)冷卻及能量產(chǎn)生的系統(tǒng)和方法
[0001]對相關(guān)申請的交叉引用
[0002]本申請要求2011年8月12日申請的，美國臨時專利申請?zhí)枮?1/523，157，題為“用于改進(jìn)的發(fā)動機(jī)冷卻及能量產(chǎn)生的系統(tǒng)和方法”的優(yōu)先權(quán)以及權(quán)益，其全部內(nèi)容通過引用并入本文。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0003]以下的公開總體上涉及用于以更高的效率操作內(nèi)燃機(jī)的系統(tǒng)及方法，該系統(tǒng)及方法通過將工作流體注入到燃燒室中來冷卻燃燒室從而能夠使傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)冷卻系統(tǒng)的重量降低并使維護(hù)減少，并且使隨后的發(fā)動機(jī)具有產(chǎn)生能量的能力。
【背景技術(shù)】
[0004]傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)生能量，并且內(nèi)燃機(jī)的自然副產(chǎn)品是熱量?，F(xiàn)有的內(nèi)燃機(jī)設(shè)計為浪費通過燃燒而釋放的大部分熱量，并且將相對較少的部分轉(zhuǎn)換為有用功。浪費的熱量必須通過水套、空氣散熱片以及通過排出的廢氣被排除(rejected)。如果沒有適當(dāng)?shù)刈柚?，燃燒室部件如活塞組件、汽缸、進(jìn)氣和排氣閥的過熱導(dǎo)致增加的摩擦力、干擾和故障。熱量必須從燃燒室部件中移除，因此通常的發(fā)動機(jī)系統(tǒng)包含沉重的、大體積的冷卻結(jié)構(gòu)，如散熱片、冷卻套管、以及其他從內(nèi)燃機(jī)中將熱量移除的結(jié)構(gòu)。然而，這些部件僅移除熱量，并不能令人滿意地將熱能轉(zhuǎn)換為有用功。存在對內(nèi)燃機(jī)的熱量管理及保存的改進(jìn)方法的需求。進(jìn)一步存在減少或者消除傳統(tǒng)的冷卻系統(tǒng)需要的寄生載荷的需求，隨之而來的在燃料消耗、維護(hù)的常見問題(泄漏、腐蝕、零件更換等)以及增加的溫室氣體的排放方面的發(fā)動機(jī)壽命成本。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0005]圖1為根據(jù)本發(fā)明實施例配置的內(nèi)燃機(jī)以及一系列二級發(fā)動機(jī)的示意圖。
[0006]圖2為根據(jù)本發(fā)明的實施例配置的發(fā)動機(jī)以及用于將工作流體和排氣導(dǎo)入到一個或多個二級發(fā)動機(jī)的門的示意圖。
[0007]圖3為根據(jù)本發(fā)明的實施例配置的一種用于監(jiān)測內(nèi)燃機(jī)內(nèi)的過程以及傳輸工作流體至所述內(nèi)燃機(jī)的方法的流程圖。
[0008]圖4為根據(jù)本發(fā)明的實施例的一種用于監(jiān)測一級內(nèi)燃機(jī)內(nèi)的過程以及根據(jù)二級發(fā)動機(jī)中的需要傳輸工作流體的方法的流程圖。
[0009]圖5為根據(jù)本發(fā)明的實施例配置的具有多個汽缸、多個傳感器以及一個控制器的發(fā)動機(jī)的局部示意圖。
[0010]圖6為根據(jù)本發(fā)明的實施例配置的一個四沖程燃燒循環(huán)以及工作流體注入正時(timing)的示意框圖。
【具體實施方式】[0011]本技術(shù)大體上涉及改進(jìn)的發(fā)動機(jī)冷卻及能量產(chǎn)生系統(tǒng)和方法。在一些實施例中，所述系統(tǒng)和方法包括具有一個或多個燃燒室的內(nèi)燃機(jī)，在所述燃燒室中燃燒燃料和空氣以產(chǎn)生能量。所述燃燒室的運作可包括奧托循環(huán)、狄塞爾循環(huán)或者任何其他合適的能量循環(huán)。通常，這些能量循環(huán)包含發(fā)動機(jī)的汽缸中的活塞和曲軸。燃料和空氣的燃燒產(chǎn)生熱燃燒氣體，該熱燃燒氣體膨脹并隨著活塞移動且在曲軸上產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。
[0012]在本技術(shù)的一些實施例中，工作流體在燃燒循環(huán)的任何部分被注入燃燒室以冷卻燃燒室并且做功。該工作流體通?？蔀槿魏晤愋偷牧黧w。實例包括水、甲醇、氨水以及其他任何合適的包含氣體燃料的流體。使用燃燒室內(nèi)部的工作流體冷卻所述燃燒室能夠代替其他的冷卻結(jié)構(gòu)，如散熱片(fins)、或者冷卻套管、或者其他慣常使用的用來在外部冷卻發(fā)動機(jī)燃燒室的更龐大的、更沉重的冷卻結(jié)構(gòu)。從內(nèi)部冷卻發(fā)動機(jī)能夠優(yōu)于從外部冷卻，至少是因為熱量在燃燒室的內(nèi)部產(chǎn)生，所以所述熱量在被移除之前不需要通過燃燒室的材料被轉(zhuǎn)移。本技術(shù)的系統(tǒng)和方法允許發(fā)動機(jī)比可比的具有傳統(tǒng)的外部冷卻結(jié)構(gòu)的發(fā)動機(jī)重量更輕，體積更小，通過消除這種結(jié)構(gòu)至少具有使車輛攜帶更小的發(fā)動機(jī)重量和需要更小的發(fā)動機(jī)空間的簡單的益處。
[0013]發(fā)動機(jī)可包含一個或多個燃燒室。例如，汽車用內(nèi)燃機(jī)通常包含4、6、或8個汽缸，每一個汽缸包含一個獨立的燃燒室。在本技術(shù)的一些實施例中，每一個單獨的燃燒室可以被監(jiān)測，并且控制器可根據(jù)需要將工作流體引入到單獨的腔室以實質(zhì)上獨立于其他的腔室地控制單獨的燃燒室的關(guān)鍵部件的溫度。
[0014]工作流體也可被用于在發(fā)動機(jī)中產(chǎn)生有用功，例如，通過獲得熱能進(jìn)行膨脹工作，包括工作流體的選擇，其中該工作流體從液體到氣體改變相，從而向腔室中的活塞施加壓強(qiáng)。該工作流體可包括水，水將通過在熱的燃燒室獲取熱量而蒸發(fā)，并且熱蒸汽可移動活塞而做功。該工作流體也可在穿過燃燒室后在后續(xù)的發(fā)動機(jī)中做功。例如，該工作流體可以為在燃燒室中沒有完全消耗的燃料，并且傳到后續(xù)的發(fā)動機(jī)中用于在后續(xù)的發(fā)動機(jī)中的膨脹和/或燃燒以及能量產(chǎn)生?？赏ㄟ^注入大量的燃料例如多于一次燃燒事件的燃料，和/或通過排放氣體的再循環(huán)或通過其他的用于從燃燒室阻擋氧氣的方法阻止燃燒。燃料將通過冷卻燃燒室的關(guān)鍵部件被加熱，并且可以被激活用于在后續(xù)的發(fā)動機(jī)中燃燒和/或其他的有用的消耗。在一些實施例中，工作流體可包含能夠與燃料、空氣以及其他弓I入到燃燒室中的物質(zhì)混合的試劑。例如，氨水、乙二醇或者其他可被用于促進(jìn)發(fā)動機(jī)腔室點燃、燃燒和/或冷卻的物質(zhì)。在一些實施例中，該試劑可被用來引導(dǎo)燃燒，輔助狄賽爾循環(huán)，或者輔助等尚子體生成系統(tǒng)。
[0015]某些細(xì)節(jié)在下面的說明書和在圖1-6中闡述，以提供本發(fā)明的各種實施例的深入理解。然而，描述經(jīng)常與內(nèi)燃機(jī)、注入器、點火器、和/或燃燒系統(tǒng)的其它方面相關(guān)聯(lián)的眾所周知的結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)的細(xì)節(jié)下面沒有闡述，以避免不必要地模糊本發(fā)明的各種實施例的描述。因此，可以理解，下文闡述的幾個細(xì)節(jié)被提供來以足以使相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)人員能夠制造和使用所公開的實施例的方式描述以下的實施例。然而，以下描述的幾個細(xì)節(jié)和優(yōu)點，對實施本發(fā)明的某些實施例可能不是必要的。
[0016]許多細(xì)節(jié)、尺寸、角度、形狀以及在附圖中示出的其它特征僅僅是說明本發(fā)明的具體實施例。相應(yīng)地，其他實施例可以在不脫離本發(fā)明的精神或范圍內(nèi)具有其它細(xì)節(jié)、尺寸、角度和特征。此外，那些本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將理解，本發(fā)明的進(jìn)一步的實施例可以在沒有下面所描述的一些細(xì)節(jié)的情況下實踐。
[0017]貫穿本說明書的對“一個實施例”或“實施例”的引用意味著一個特定的特征、結(jié)構(gòu)、或與該實施例描述的特征有關(guān)的特征被包括在本發(fā)明的至少一個實施例中。因此，短語“在一個實施例中”或“在實施例中”在整個本說明書中不同的地方出現(xiàn)不一定都指相同的實施例。而且，參照特定實施例描述的特定特征、結(jié)構(gòu)或特性可以在一個或多個實施例中以任何合適的方式相結(jié)合。此外，此處提供的標(biāo)題僅為方便，而不解釋所要求保護(hù)的發(fā)明的范圍或含義。
[0018]圖1為根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)的工作流體傳輸系統(tǒng)100的示意圖。在一些實施例中系統(tǒng)100包括第一發(fā)動機(jī)110、第二發(fā)動機(jī)120以及第三發(fā)動機(jī)130。該第三發(fā)動機(jī)130稱為“發(fā)動機(jī)n”，因為系統(tǒng)100可包含任意數(shù)量的發(fā)動機(jī)。然而，為了說明的目的，示出了第一發(fā)動機(jī)110、第二發(fā)動機(jī)120以及第三發(fā)動機(jī)130。在一些實施例中，第一發(fā)動機(jī)110可包括內(nèi)燃機(jī)，該內(nèi)燃機(jī)接收燃料112a、空氣114以及工作流體116a進(jìn)入燃燒室。與傳統(tǒng)的燃燒室一樣，該第一發(fā)動機(jī)可燃燒燃料112a以及空氣114以產(chǎn)生燃燒事件。發(fā)動機(jī)110可以用燃料112a和空氣114在正常條件下運作，直到溫度、壓強(qiáng)或其他變量引起對工作流體116a注入的需要。工作流體116a可被注入第一發(fā)動機(jī)110的燃燒室以冷卻發(fā)動機(jī)110并產(chǎn)生有用功115。功115可來自于燃燒事件，或者來自于工作流體116a，或者來自于這兩者的結(jié)合。工作流體116a可以為冷卻液，如水，或者可燃物質(zhì)，如氨水、乙醇、甲醇、汽油，或在任何合適的混合物中的任何合適的流體。
[0019]第一發(fā)動機(jī)110可從發(fā)動機(jī)中輸出排氣(exhaust) 118，該排氣118可被輸出到大氣中，和/或向前傳送至第二發(fā)動機(jī)120中。工作流體116b，現(xiàn)在經(jīng)過燃燒事件是熱的并且有可能在一種不同的相(例如，氣體)，可被向前傳送至第二發(fā)動機(jī)120中。作為穿過該第一發(fā)動機(jī)110的結(jié)果，工作流體116b可以被化學(xué)地或其他方式改變。在一些實施例中，工作流體116b根據(jù)穿過第一發(fā)動機(jī)110的熱燃燒室如何影響工作流體116b來選擇。另外，燃燒室中的不同的溫度、壓強(qiáng)和化學(xué)選區(qū)(constituencies)可能需要從各種可能的工作流體中選擇，或需要兩種或更多工作流體的合適的混合物以作為適合在第二發(fā)動機(jī)120中使用。
[0020]第二發(fā)動機(jī)120也可接收空氣114、補(bǔ)充燃料112b、以及追加的工作流體116c。工作流體116c可類似于首先被注入到第一發(fā)動機(jī)110的工作流體116a，或者類似于在第一發(fā)動機(jī)110中產(chǎn)生的工作流體116b，或者它可是工作流體的一個新品種。在一些實施例中，第二發(fā)動機(jī)120可通常類似于第一發(fā)動機(jī)110并且能使它接收的流體膨脹和/或在一系列的燃燒事件中燃燒燃料、空氣和/或其他物質(zhì)以產(chǎn)生有用功115。在其他的實施例中，該第二發(fā)動機(jī)120與另一種類型的燃料生成系統(tǒng)一起提供，該另一種類型的燃料生成系統(tǒng)包括熱化學(xué)再生(“TCR”)系統(tǒng)，該系統(tǒng)在2011年2月14申請的美國專利申請序列號為13/027，208 (代理人案卷號69545.8601.US)，題為“用于有效制備氫燃料和結(jié)構(gòu)材料的化工工藝及反應(yīng)器，以及相關(guān)的系統(tǒng)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，其全部內(nèi)容通過引用并入本文。第二發(fā)動機(jī)也可為渦輪發(fā)動機(jī)，可為燃料電池，或者車輛的輔助系統(tǒng)，如空調(diào)系統(tǒng)或者發(fā)電系統(tǒng)或任何其他的輔助系統(tǒng)。第三發(fā)動機(jī)130可類似地從第二發(fā)動機(jī)120接收排氣和/或工作流體116c，在級聯(lián)的一系列發(fā)動機(jī)中接收補(bǔ)充的空氣114、燃料112c，和/或工作流體116d，以此類推。發(fā)動機(jī)110、120、或130中的每一個可從工作流體的膨脹和/或燃燒事件、工作流體擴(kuò)展和/或相改變、或任何這樣的能量轉(zhuǎn)換事件的組合中產(chǎn)生有用功。
[0021]圖2為根據(jù)本技術(shù)的實施例的進(jìn)一步的工作流體傳輸系統(tǒng)200的示意圖。系統(tǒng)200可包括第一或一級發(fā)動機(jī)210、門250a、第二發(fā)動機(jī)220、第三發(fā)動機(jī)230以及第四發(fā)動機(jī)240 ;每個具有各自的門250b、250c、以及250d。發(fā)動機(jī)220、230以及240可以為任何類型的發(fā)動機(jī)，包括燃料電池、渦輪發(fā)動機(jī)、TCR單元或者任何合適的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。發(fā)動機(jī)220,230以及240在這里全體稱為二級發(fā)動機(jī)。應(yīng)當(dāng)理解系統(tǒng)200可包含以任何合適的組合或串聯(lián)的任何數(shù)量的發(fā)動機(jī)(一級或二級)和門。如同上面關(guān)于圖1的描述，發(fā)動機(jī)210可接收燃料212、空氣214、以及工作流體216a并且可組合這些成分，并在一個燃燒循環(huán)中可產(chǎn)生有用功215。門250a可從發(fā)動機(jī)210接收工作流體216b以及排氣218，并且可適應(yīng)性地引導(dǎo)排氣218和工作流體216b到第二發(fā)動機(jī)220、第三發(fā)動機(jī)230、第四發(fā)動機(jī)240，或者作為排到大氣中的廢氣。應(yīng)當(dāng)理解在系統(tǒng)200中可包含任何數(shù)量的發(fā)動機(jī)。
[0022]系統(tǒng)200也可包含可操作地耦合到門250a的控制器252，該門250a可如系統(tǒng)200所需要的在不同發(fā)動機(jī)之間適應(yīng)性地指引流體。在一些實施例中，該控制器252可監(jiān)測不同的發(fā)動機(jī)中的情況并且在多個發(fā)動機(jī)中適當(dāng)?shù)胤峙涔ぷ髁黧w216b。在一些實施例中，控制器252可包含預(yù)定的傳輸時間表。在其他的實施例中，控制器252可基于不同的燃燒室內(nèi)的感應(yīng)到的情況以及給定的載荷下給定的二級發(fā)動機(jī)的需要反應(yīng)性地操作。例如，發(fā)動機(jī)210可在各種不同的環(huán)境中以及不同的運作水平下使用，并將在發(fā)動機(jī)210的燃燒室中產(chǎn)生不同量的工作流體、不同的溫度和壓強(qiáng)、以及不同的特性。在不同的載荷下產(chǎn)生的工作流體216b以及排氣可適應(yīng)性地有利地分配到二級發(fā)動機(jī)。在一個實施例中，第二發(fā)動機(jī)220可以更有效地在當(dāng)發(fā)動機(jī)210在一個相對較低的水平運作時產(chǎn)生的較冷的工作流體216b上操作。相反地，第三發(fā)動機(jī)230可在由一級發(fā)動機(jī)210在一級發(fā)動機(jī)210在一個非常高的水平操作時產(chǎn)生的這一類型的工作流體216b以及排氣218下更高效地運行。同樣，在任何二級發(fā)動機(jī)上的載荷可決定通過門250a傳輸?shù)墓ぷ髁黧w216b的類型和/或量?？刂破?52可包括多個發(fā)動機(jī)210優(yōu)先級清單以解決對資源的競爭需求。
[0023]圖3為根據(jù)本技術(shù)的實施例的描述監(jiān)測在內(nèi)燃機(jī)中的過程以及傳輸工作流體的方法300的流程圖。方法300可與燃燒事件的傳感系統(tǒng)一起實行，該燃燒事件的傳感系統(tǒng)在如2011年2月14申請的美國專利申請序列號13/027，170 (代理人案卷號69545.1302.US)，題為“用于適應(yīng)性地冷卻發(fā)動機(jī)中的燃燒室的方法及系統(tǒng)”(“METHODS AND SYSTEMSFOR ADAPTIVELY COOLING COMBUSTION CHAMBERS IN ENGINES”)中有更全面描述，其全部內(nèi)容通過引用并入本文。該傳感系統(tǒng)可監(jiān)測許多變量，如壓強(qiáng)、溫度、聲能、光學(xué)測量，以及在燃燒室中能監(jiān)測的化學(xué)條件。在步驟310的初始化之后，在320中做出關(guān)于給定的燃燒室內(nèi)的測量特征的決定。例如，在步驟320，在燃燒室中的選定對象的溫度可被測量并且與門限溫度比較。如果溫度穩(wěn)定地在門限溫度之下，不采取任何措施，直到下一次測量。在發(fā)動機(jī)的運行期間，溫度將會變化。溫度測量可以是連續(xù)的或者可以在等待預(yù)定時間段后進(jìn)行下次測量，該預(yù)定時間段的長短可取決于載荷、環(huán)境以及其他因素。在一些實施例中，測量之間的預(yù)定時間段可以是幾分之一秒，因此所以測量幾乎是即時的。
[0024]最后，溫度將上升超過門限溫度。步驟330包括傳輸工作流體至燃燒室以冷卻燃燒室。工作流體傳輸?shù)念愋?、量以及正時可以適應(yīng)地改變以根據(jù)其他測量因素和設(shè)計偏好優(yōu)化熱量，以達(dá)到工作能量轉(zhuǎn)換的目的。步驟340包括在流體從一級發(fā)動機(jī)向下游流動到二級發(fā)動機(jī)時準(zhǔn)備隨后的發(fā)動機(jī)以接收工作流體。在到一級發(fā)動機(jī)的傳輸和工作流體到達(dá)二級發(fā)動機(jī)時之間有輕微的延遲。在一些實施例中，二級發(fā)動機(jī)的狀態(tài)也可被監(jiān)測。如果有需要立刻輸送工作流體或任何其他流體而不能接受延遲的事件，依照給定的配置許可的能力，工作流體可直接輸送至二級發(fā)動機(jī)。在350中工作流體被傳輸至后面的發(fā)動機(jī)，并且方法300可在步驟360結(jié)束或者重復(fù)。在一些實施例中，測量的采樣率可足夠地高，這樣在一級和二級發(fā)動機(jī)中的狀態(tài)基本上被實時監(jiān)控。根據(jù)方法300，發(fā)動機(jī)可監(jiān)測單獨的燃燒室內(nèi)的溫度，并且使用控制器或其他控制技術(shù)可以小心地控制發(fā)動機(jī)的溫度并防止每個單獨的燃燒室超過預(yù)定的溫度極限、壓強(qiáng)極限或者另外的具有安全或理想極限的測量特征。在步驟320中可一起測量兩個或者多個測量特征。例如，溫度和壓強(qiáng)通常是相關(guān)的現(xiàn)象，如高壓下的過高的溫度通常比單獨的高溫更相關(guān)。變量的其它組合也可觸發(fā)輸送工作流體以擴(kuò)散的情況。[0025]在一些實施例中，在步驟320的決定可建立在溫度變化的比率以及溫度變化的值的基礎(chǔ)上。例如，如果溫度的任何兩個采樣之間的差值大于門限值，則方法300可包括推斷溫度迅速上升，并有可能繼續(xù)上升。相應(yīng)地，在一些實施例中，即使溫度較低并且仍在可接受的范圍內(nèi)，如果基于當(dāng)前的溫度趨勢以及發(fā)動機(jī)溫度可能將超過門限值，工作流體可被引入到腔室內(nèi)以冷卻發(fā)動機(jī)。
[0026]在常規(guī)系統(tǒng)的運行中，在傳統(tǒng)的發(fā)動機(jī)中燃燒燃料的結(jié)果為空氣或液體通過從燃燒室到外部子系統(tǒng)的熱傳導(dǎo)被冷卻，該外部子系統(tǒng)如散熱片、通過泵流通到風(fēng)扇制冷散熱器的冷卻液等。將通過燃燒釋放的熱量轉(zhuǎn)換為由輸出軸傳輸?shù)墓Φ恼w效率通常約為28%。因此傳統(tǒng)的冷卻系統(tǒng)以及排氣系統(tǒng)丟棄72%的通過燃燒釋放的熱量，其中大約35% -40%通過空氣和/或液體冷卻系統(tǒng)移除。
[0027]在本發(fā)明的系統(tǒng)的運行中，由燃燒室的外部線路(circuits)中流通的液體冷卻和/或空氣從燃燒室中浪費的能量被減少或消除。這由使用工作流體的發(fā)動機(jī)運作完成，該工作流體如在做功沖程或運行周期的功產(chǎn)生(work-producing)期間注入的水。工作流體從燃燒室移除熱量以提供期望的冷卻并執(zhí)行膨脹工作以取代在前述五個完整的發(fā)動機(jī)周期的每一個中提供的燃料燃燒。因此，在所示的特定功率水平下，平均六分之一的完整的發(fā)動機(jī)周期產(chǎn)生相同量的功率值而不需燃料燃燒。燃料消耗的減少從工作流體的膨脹中獲得，該工作流體冷卻燃燒室并在平均六個周期之一做功(performs work)。
[0028]在較高的功率水平上，通過實質(zhì)上瞬時地響應(yīng)功率冷卻周期的操作獲得相當(dāng)?shù)馗蟮娜剂瞎?jié)省，以移除在平均每第五、第四或第三循環(huán)中所需要的熱量。相比傳統(tǒng)的發(fā)動機(jī)運行，通過消除傳統(tǒng)的寄生損失，獲得的附加的性能提升以及燃料節(jié)省包括:
[0029].冷卻風(fēng)扇運轉(zhuǎn)
[0030].水泵驅(qū)動
[0031]?額外質(zhì)量的推進(jìn)(propulsion)包括冷卻夾套和/或散熱片材料、冷卻液的庫存、冷卻液溢流槽、冷卻液溢流槽過濾系統(tǒng)，到以及來自發(fā)動機(jī)的冷卻套管的冷卻液軟管、冷卻液軟管接頭和管件、恒溫器外殼、恒溫器、水泵、水泵驅(qū)動皮帶惰輪-張緊裝配、散熱器、散熱器護(hù)罩、風(fēng)機(jī)、風(fēng)扇驅(qū)動皮帶、風(fēng)扇皮帶惰輪-張緊裝配等二[0032].由必需的正面面積引起的拖動(或需要的等效風(fēng)扇能量)，以耗散由常規(guī)的子系統(tǒng)需要的燃料燃燒釋放的35to40%的熱量，以使燃燒室材料的熱循環(huán)降解最小化。
[0033]另一個實施例通過用從如下選擇中選取的工作流體一起運行，減少或消除了由空氣和/或液體冷卻從燃燒室移除的能量，該工作流體如水、水和燃料的混合物或者未點燃的和/或從燃燒室移除熱量以及通過膨脹做功的剩余燃料。在實例中該燃料勢能(potential)是從第一發(fā)動機(jī)排出的，它可以被燃燒以提供由與一級發(fā)動機(jī)協(xié)同運轉(zhuǎn)的另一個發(fā)動機(jī)利用的熱量和/或這些熱量可驅(qū)動TCR系統(tǒng)中的吸熱反應(yīng)。
[0034]利用發(fā)動機(jī)的組合的實施例提供了許多優(yōu)點，包括:
[0035].通過運作排列的各種選擇的更大的可能的操作彈性，以滿足更多種類的功率要求；
[0036].從第一發(fā)動機(jī)到第二發(fā)動機(jī)的膨脹工作流體冷卻劑的額外的質(zhì)量流量，使得通過該第二發(fā)動機(jī)實現(xiàn)更高的工作容量和更高的效率。
[0037].由直接注入非可燃制冷劑的工作流體和/或通過用未點火的燃料選擇操作和/或基于由適應(yīng)性點火正時引起的不完全燃燒的第一發(fā)動機(jī)以冷卻循環(huán)操作和/或比傳統(tǒng)的冷卻系統(tǒng)允許產(chǎn)生更大的功率的剩余燃料的使用所提供的更快的響應(yīng)。
[0038]在此描述的系統(tǒng)的某些實施例，活塞式或旋轉(zhuǎn)燃燒一級發(fā)動機(jī)與如活塞式、旋轉(zhuǎn)式發(fā)動機(jī)或透平膨脹機(jī)或發(fā)動機(jī)的第二發(fā)動機(jī)結(jié)合。通過接收對更大的功率和/或第一發(fā)動機(jī)的冷卻過程的需求，選自包括水、燃料和水的混合物、以及無水液體的組中的冷卻劑由注入器-點火器注入和/或在包含進(jìn)氣、壓縮、做功以及排氣事件的完整的周期的做功和/或排氣期間注入到燃燒室中。消除點火或點火正時被延遲以提供執(zhí)行第一發(fā)動機(jī)需要的冷卻的未燃燒的流體，而它做功，并且該流體進(jìn)入第二發(fā)動機(jī)。第二發(fā)動機(jī)具有冷卻液流的優(yōu)勢，該冷卻液流來自于第一發(fā)動機(jī)通過導(dǎo)管，以產(chǎn)生更高的質(zhì)量流率，并且注入-點火器點燃任何來自發(fā)動機(jī)的燃料，并且可接收并燃燒額外的燃料以提高由控制器提供的功率生產(chǎn)。按照這種操作排列的操作為TCR提供了更高的質(zhì)量流量和/或溫度。
[0039]圖4示出了根據(jù)本技術(shù)的進(jìn)一步實施例的一種方法400。在步驟410初始化之后，在步驟420做了在一級或二級發(fā)動機(jī)是否需要工作流體的決定。該需要可基于對冷卻的需要，或基于工作流體做功。如上所述，發(fā)動機(jī)可以有效地安排在級聯(lián)系列中，并且工作流體可以被設(shè)計成冷卻任何一個或多個發(fā)動機(jī)，并在任何一個或多個發(fā)動機(jī)中產(chǎn)生有用功。例如，在一些實施例中，工作流體包括富氫物質(zhì)，該富氫物質(zhì)用來為二級發(fā)動機(jī)中的一個過程提供氫。如果二級發(fā)動機(jī)需要來自工作流體的氫，方法400在步驟430可繼續(xù)。在步驟430做出決定，一級發(fā)動機(jī)的情況是否使得通過一級發(fā)動機(jī)輸送工作流體至二級發(fā)動機(jī)不會損害或以其他方式禁止一級發(fā)動機(jī)的操作。例如，如果燃燒室中的溫度需要保持在某個預(yù)定水平之上，并且引入工作流體至燃燒室會使溫度降低到那個門限值之下，決定為“否”。如果決定為不通過一級發(fā)動機(jī)傳輸工作流體，工作流體可被直接傳輸至二級發(fā)動機(jī)。相應(yīng)地，該二級發(fā)動機(jī)對于那些工作流體實際上可被有效地認(rèn)為是一級發(fā)動機(jī)。如果步驟420和430的決定為“是”，步驟440可包括引入工作流體至一級發(fā)動機(jī)，并且步驟450為準(zhǔn)備二級發(fā)動機(jī)以接收該工作流體。在步驟460流體被傳輸以及在步驟470方法結(jié)束并且可根據(jù)需要重復(fù)。與上述根據(jù)圖3討論的方法類似，對于給定應(yīng)用，方法400的采樣率可非常短，或者按照需要盡可能長。[0040]圖5為根據(jù)本技術(shù)的實施例配置的發(fā)動機(jī)及傳感器系統(tǒng)的局部示意圖。系統(tǒng)500可包括具有多個燃燒室或汽缸520的發(fā)動機(jī)510。流體輸送源530可被配置為通過到每個燃燒室或汽缸520的一個或多個路徑532輸送燃料、空氣以及工作流體550。系統(tǒng)500也可包括多個傳感器530，該傳感器530在一些實施例中可單獨耦合到燃燒室520，并連接至控制器540。如上所述，單獨的燃燒室520可配備傳感裝置能夠在燃燒室520內(nèi)監(jiān)測如溫度、壓強(qiáng)、化學(xué)組分、光、聲能、氧化劑和/或燃料引入以及燃燒事件正時及模式、事實上任何其他可測量的特征。也如上所述，燃料、空氣以及工作流體可通過直接噴射或通過非直接噴射引入至燃燒室中。在一些實施例中，傳感器530以及控制器540可獨立地監(jiān)控燃燒室520，以便如每個單獨的汽缸520的溫度和/或壓強(qiáng)等的信息可被監(jiān)控，并且該溫度和/或壓強(qiáng)可不依賴于其他的燃燒室被控制。例如，不同量的工作流體、燃料、空氣以及其他物質(zhì)可根據(jù)每個單獨的燃燒室520內(nèi)的溫度和/或壓強(qiáng)被輸送至單獨的燃燒室。因此，該單獨的燃燒室內(nèi)的產(chǎn)熱及燃燒事件可被單獨地監(jiān)控，這導(dǎo)致工作流體更有效的利用，包括與在發(fā)動機(jī)運行中的傳統(tǒng)的燃燒控制相比，發(fā)動機(jī)510內(nèi)的溫度和/或壓強(qiáng)的更好的控制。
[0041]圖6為根據(jù)本發(fā)明的實施例配置的一個四沖程燃燒循環(huán)以及工作流體注入例程(routine) 600的示意框圖。注入例程600的描述包括注入工作流體和其他材料至燃燒室內(nèi)的許多替代方法以及正時。應(yīng)該理解，根據(jù)特定的發(fā)動機(jī)的需要，可以使用這些替代選擇的任何合適的組合。注入例程600可以在單個的燃燒室中執(zhí)行，或者在幾個合作的燃燒室中執(zhí)行，該幾個合作的燃燒室形成為一個單一的發(fā)動機(jī)。注入例程600可通常獨立地在發(fā)動機(jī)的單獨的腔室中執(zhí)行。
[0042]本發(fā)明的發(fā)動機(jī)可以用于包括進(jìn)氣沖程610、壓縮沖程620、燃燒沖程630和排氣沖程640的四沖程內(nèi)燃機(jī)操作。
[0043]在進(jìn)氣沖程610中，具有一個或多個進(jìn)氣閥和一個或多個排氣閥以及活塞的燃燒室通常包含從上死點(“TDC”)移開并移向下死點(“BDC”)的活塞，以便為氧化劑612 (如空氣)進(jìn)入燃燒室的內(nèi)部空間提供最大的空間。氧化劑入口可以低于、等于或者高于大氣的環(huán)境壓強(qiáng)，這取決于許多因素，如氣流的阻抗以及施加氧化劑誘導(dǎo)或諸如鼓風(fēng)機(jī)或渦輪增壓器(未示出)的加壓子系統(tǒng)。在某些情況下，其他的物質(zhì)如燃料614和/或另外的工作流體616a隨著氧化劑引入腔室中。用作說明地，在進(jìn)氣沖程610期間，一個或多個燃料噴射器可間接地或直接地注入燃料和/或其他物質(zhì)進(jìn)入燃燒室。
[0044]壓縮沖程620通常是在活塞從BDC向TDC移回時，以便在燃燒事件的準(zhǔn)備中減少燃燒室的容積以及增加燃燒室中的壓強(qiáng)。在這樣的壓縮期間，在壓縮沖程620中一個或多個燃料噴射器可注入燃料和/或其他物質(zhì)進(jìn)入燃燒室。同樣地在燃燒或做功沖程期間，在燃燒沖程630中一個或多個燃料噴射器可注入燃料和/或其他物質(zhì)進(jìn)入燃燒室。并且，在燃燒沖程630中，活塞再一次從TDC向BDC移回，以在由一個或多個燃燒事件引起的壓強(qiáng)下擴(kuò)大燃燒室的容積。
[0045]排氣沖程在活塞從BDC移動至TDC以便減少燃燒室中的容積方面類似于壓縮沖程。在排氣沖程640期間，一個或多個燃料噴射器可注入燃料和/或其他物質(zhì)進(jìn)入燃燒室。在這個沖程中殘留的燃燒流體和物質(zhì)被從腔室中移除。該過程可以連續(xù)不斷地重復(fù)。
[0046]根據(jù)本發(fā)明的實施例，燃料和/或另外的工作流體可按照注入例程600在四沖程循環(huán)的任一點被注入燃燒室，這將在這里更詳細(xì)地描述。以下提及的單獨的工作流體616a-616m通常涉及相似的工作流體，以某種方式改變，如通過加熱、相變、和/或重新形成(respeciation),如(CH30H+A — C0+2H2)。例如,在本發(fā)明的一部分中單一的工作流體量可被描述為工作流體616a，但是在燃燒室內(nèi)通過一個過程之后，工作流體616a已經(jīng)以某種方式改變了，并且因此現(xiàn)在被稱為工作流體616b、616c等。工作流體616a-616m可與上面描述的工作流體類似，包括冷卻劑或者燃料或者其他任何類型的工作流體。
[0047]燃料、工作流體以及其他的物質(zhì)可通過燃料噴射器被引進(jìn)入燃燒室，燃料注入器如間接注入器或者直接注入器。間接注入器為注入燃料至氧化劑進(jìn)氣歧管或通道或就是燃燒室外部的其他部分，并依賴于歧管中的正壓或者腔室中的負(fù)壓將氧化劑和燃料拉入燃燒室的注入器。直接注入器通常通過獨立于氣體歧管或任何其他腔室接入點的路徑，直接地注入燃料和/或其他物質(zhì)至燃燒室內(nèi)。在一些實施例中，一個或多個燃料噴射器可包括多個獨立的路徑，通過這些路徑不同的流體和/或流體混合物可被獨立地注入燃燒室內(nèi)。這種燃料噴射器的示例在2010年12月6日申請的美國專利申請序列號12/961，461 (代理人案卷號69545.1305.US)，題為“構(gòu)造成噴射多種燃料和/或冷卻劑的集成的噴射點火器以及使用及制造的相關(guān)方法”(“ INTEGRATED FUEL INJECTOR IGNITERS CONFIGURED TO INJECTMULTIPLE FUELS AND/OR COOLANTS AND ASSOCIATED METHODS OF USE AND MANUFACTURE”)中被給出，它的全部內(nèi)容并入這里作為參考。
[0048]在進(jìn)氣沖程610期間，氧化劑如空氣612、燃料614以及工作流體616a可被引入燃燒室。在過程的這個階段引入工作流體616a至燃燒室內(nèi)可使用間接噴射或直接噴射執(zhí)行。因此，例程600的這個部分可以在使用沒有直接噴射系統(tǒng)的現(xiàn)有的內(nèi)燃機(jī)的改型安裝中使用，以及特別為這樣的例程600設(shè)計的發(fā)動機(jī)中使用。在能量循環(huán)的其它部分的工作流體注入期間，如壓縮沖程620、燃燒沖程630或者排氣沖程640，最好用直接注入器執(zhí)行。工作流體可在任何時間冷卻發(fā)動機(jī)的燃燒室的部件，如在進(jìn)氣沖程610、壓縮沖程620、做功沖程630、或者排氣沖程640期間，并且相稱(commensurately)或隨后(后來)地如同將在下面的描述的做有用功。
[0049]在進(jìn)氣沖程610的最后，已經(jīng)被引入的燃料614和/或工作流體616b留在腔室中進(jìn)入壓縮沖程620。在一些實施例中，工作流體616b可由于暴露在高溫部件中和/或在燃燒室內(nèi)的壓縮引起的加熱現(xiàn)在被加熱。在其他的實施例中，工作流體616b可被化學(xué)地或其他地通過暴露在熱的燃燒室中改變，如通過釋放或準(zhǔn)備釋放燃料成分如氫，或者通過從液體至氣體改變狀態(tài)。
[0050]附加的燃料和/或工作流體616c可在壓縮循環(huán)620期間被引入。工作流體616c通?？膳c工作流體616a類似，或者它可具有不同的相或化學(xué)組成。由于暴露于燃燒室的熱量中，任何液體燃料和/或工作流體616b的至少一部分已經(jīng)改變相至蒸汽或氣體以在功率周期操作中做功。
[0051]在一些實施例中，足夠的熱量轉(zhuǎn)換以及燃料箱(fuel land)和/或其他工作流體的加熱在做功沖程中產(chǎn)生巨大的壓強(qiáng)，該壓強(qiáng)可能等于或大于因傳統(tǒng)操作中的燃料的燃燒的壓強(qiáng)。這通過減少或消除燃料輸送直至該傳遞的熱量不再有用和/或關(guān)鍵部件的充分冷卻已經(jīng)發(fā)生而提供了節(jié)約燃料的改進(jìn)。在其他的實施例中，控制器540通過用于做功和冷卻事件的工作流體的注入提供了將關(guān)鍵部件的溫度維持在期望的溫度范圍內(nèi)，并且在特定的頻率，例如在做功沖程的每第3、第4、第5...或第N個循環(huán)事件中受益。[0052]類似地，為了冷卻關(guān)鍵部件，燃料和/或其他的工作流體物質(zhì)可在排氣沖程期間注入，并且熱的蒸汽或氣體可被配置(gated)給一個或多個附加發(fā)動機(jī)，以用于燃燒和/或膨脹做功，和/或熱的蒸汽或氣體可被配置(gated)給一個或多個TCR單元。在其他的實施例中，控制器540通過用于冷卻事件的燃料和/或工作流體的注入提供了將關(guān)鍵燃燒室部件的溫度維持在期望的溫度范圍內(nèi)，并且在特定的頻率，例如在進(jìn)氣、壓縮、做功和/或排氣沖程的每第3、第4、第5…或第N個循環(huán)事件中受益。
[0053]通過燃料和/或工作流體的注入以提取熱量來冷卻燃燒室做功的關(guān)鍵部件可以在從TDC到BDC之后活塞相對應(yīng)于曲軸角度運動(包括進(jìn)氣和做功沖程)時實現(xiàn)，因此四沖程循環(huán)有效地變?yōu)槎_程循環(huán)。例如，在一些實施例中，燃料614和/或工作流體616a在進(jìn)氣周期被引入，該進(jìn)氣周期包括用通常被傳輸?shù)氖芟薜倪M(jìn)氣口的操作，以執(zhí)行冷卻和做功。類似地，在燃燒沖程630期間，燃料614和/或工作流體616h可被引入以實現(xiàn)冷卻及做功功能632。例程600可引導(dǎo)在發(fā)動機(jī)中的一個或多個燃燒室以至少暫時地變?yōu)檫@種二沖程模式，并且當(dāng)熱量水平再一次降低到期望的水平時，例程600可恢復(fù)進(jìn)氣、壓縮、燃燒以及排氣的四沖程模式。
[0054]在某些實施例中，隨著發(fā)動機(jī)循環(huán)移動到燃燒沖程630中，燃料614、工作流體616f以及汽化的工作流體616g的一些組合可留在燃燒室中。這些混合物被點燃并燃燒以產(chǎn)生有用功632。功632的一部分可來自于燃燒燃料；功634的另一部分可來自于在腔室內(nèi)向活塞上施加壓強(qiáng)的汽化的工作流體616g。額外的工作流體616h可在燃燒事件之前、燃燒事件期間、或者燃燒事件之后被注入到腔室中。
[0055]繼續(xù)向前至排氣沖程640，燃燒產(chǎn)物636的一些組合，如排氣以及其他的殘余產(chǎn)物、工作流體616i以及汽化的工作流體616j，被從燃燒室中帶出以執(zhí)行其他的有價值事件。汽化的工作流體616j以及液態(tài)的工作流體616i的量可根據(jù)發(fā)動機(jī)中的溫度、工作流體的特征、燃燒事件、燃料、以及實際上在發(fā)動機(jī)循環(huán)中的任何其他的變量而改變。工作流體616k也可在排氣沖程640期間被注入以進(jìn)一步冷卻發(fā)動機(jī)，或者為二級發(fā)動機(jī)中的下游過程做準(zhǔn)備。工作流體6161的一部分以及可選地排氣可被輸送至TCR單元622，以提高和/或增加燃料和/或工作流體61 61以及排氣的化學(xué)燃料勢能。工作流體616m的一部分可被輸送至如上所述的二級發(fā)動機(jī)650，如渦輪發(fā)動機(jī)、燃料電池、另外的內(nèi)燃機(jī)、或者任何其他合適的能夠從工作流體616m提取能量的發(fā)動機(jī)。
[0056]注入例程600可與事實上任何合適的類型的燃料一起使用，例如柴油、汽油、甲醇、乙醇、乙烷、丙烷、丁烷、天然氣、氨或者低溫燃料，如液態(tài)氫或甲烷等。使用柴油和/或汽油燃料通常優(yōu)選在做功沖程620或排氣沖程640期間注入工作流體。使用氣體燃料，如氫氣、甲烷、氨、或者天然氣，可在循環(huán):進(jìn)氣沖程610、壓縮沖程620、燃燒沖程630、或者排氣沖程640的任何部分注入工作流體。使用低溫燃料如液態(tài)氨或甲烷優(yōu)選在燃燒沖程630或者排氣沖程640期間根據(jù)排氣(exhaust)將被引導(dǎo)執(zhí)行的事件的類型和數(shù)量注入工作流體。
[0057]相應(yīng)地，燃料和/或工作流體的類型可基于其攜帶熱量或者其它可在二級發(fā)動機(jī)650或TCR622的下游形成的成分的能力來選取。工作流體具有不同的熱容，并且因此，或多或少能夠吸收并攜帶熱量或向另一個過程處理能量。例如，在期望快速地吸收少量熱量的地方，具有相對低的比熱的工作 流體可被用來快速吸收熱量。否則，如果有大量的熱量向前攜帶，可以使用具有高比熱的工作流體。工作流體也可基于可能在下游二級發(fā)動機(jī)650或TCR單元622中需要的熱量以及其他能量的量來選取。工作流體的另一個特性可基于后面的發(fā)動機(jī)的向前攜帶試劑或氫或其他在后面的發(fā)動機(jī)650中可能需要的成分的能力、和/或在給定的過程中的某種情況下工作流體保持或釋放某種成分的能力被選取。例如，二級發(fā)動機(jī)650可操作某一過程，其中其工作流體616m被期望為了該過程產(chǎn)生氫或其他成分。在注入例程600中在一級發(fā)動機(jī)中使用的工作流體的類型可以被選擇，以便工作流體616m可冷卻一級發(fā)動機(jī)和/或在一級發(fā)動機(jī)中做功而不產(chǎn)生氫，但是在二級發(fā)動機(jī)650的過程中，工作流體616m可因為在二級發(fā)動機(jī)650中的有利條件(如二級發(fā)動機(jī)650內(nèi)的溫度、壓強(qiáng)或化學(xué)環(huán)境)釋放氫。
[0058]講一步的示例
[0059]包含濕-黑(wet-black)甲醇的原料或工作流體首先通過來自排氣的吸收的熱量以及通過電阻補(bǔ)充加熱器被轉(zhuǎn)換為氫和一氧化碳。
[0060]CH30H+H20+C+HEAT— > 2C0+3H2
[0061]然而對于冷卻事件，液體原料可被直接轉(zhuǎn)換到注入器以獲得相變及更高的熱移除能力的益處。
[0062]另一種原料可以為氨和/或氫氧化銨混合物:
[0063]2NH3+HEAT— > N2+3H2
[0064]對于冷卻事件，液體氨可被直接轉(zhuǎn)換到噴射器以獲得相變及更高的熱移除能力的益處。
[0065]此外，在此描述的系統(tǒng)包括以下特征:
[0066]I)傳統(tǒng)的包括空氣以及液體冷卻系統(tǒng)的冷卻系統(tǒng)需要從燃燒室獻(xiàn)出高溫?zé)崃繌亩ㄟ^減少熱力學(xué)質(zhì)量到約160F至240F的范圍內(nèi)保證能量消耗(事實上消除做有用功的可能性)，該空氣以及液體冷卻系統(tǒng)例如為基于橡膠軟管、水泵密封、冷卻液、恒溫器、墊片、散熱器等的具有溫度限制的系統(tǒng)。當(dāng)前的循環(huán)操作通過間歇性的冷卻以提供高度令人滿意的熱工作流體氣體的做功沖程膨脹和與燃料的燃燒同樣多或更多的扭矩的產(chǎn)生，利用來自燃燒室的表面材料可獲取的最高溫度并且從這些表面上提取熱量以產(chǎn)生500F到1200F的工作流體溫度，以使期望的操作溫度的更快的和更有效的維持成為可能。
[0067]2)蒸汽機(jī)供電船舶、重型機(jī)車、蒸汽鏟、打樁機(jī)、汽車等具有長的使用壽命，以用于通過加熱鍋爐中的水以形成蒸汽而產(chǎn)生高度令人滿意的轉(zhuǎn)矩及操作能力，該蒸汽被帶給一個或多個具有活塞和汽缸裝置的驅(qū)動器，以在期望的轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運動的推力。通常來自重的燃煤機(jī)車鍋爐的蒸汽的溫度和壓強(qiáng)為383F下190磅/平方英寸(PSI)，以產(chǎn)生8000馬力來拉動100輛重負(fù)載貨車以達(dá)到100英里每小時(MPH)或者按照軌道設(shè)計與維護(hù)所允許的速度。在1906年陸地速度紀(jì)錄(Land Speed Record)由斯坦利蒸汽汽車確定，因為它在佛羅里達(dá)州的奧蒙德海灘達(dá)到127英里每小時(mph)。相比之下，使用水作為工作流體的當(dāng)前的循環(huán)能夠容易地利用包括汽缸、活塞、曲軸等的柴油或汽油發(fā)動機(jī)的現(xiàn)存系統(tǒng)來產(chǎn)生并將蒸汽從400F的溫度膨脹到600F，以及將壓強(qiáng)從200磅/平方英寸(PSI)膨脹到500磅/平方英寸(PSI)，提供高度令人滿意的轉(zhuǎn)矩和功，以及將燃燒室組件溫度維持在與由傳統(tǒng)的冷卻系統(tǒng)提供的同樣的范圍內(nèi)。
[0068]3)操作當(dāng)前系統(tǒng)連同熱化學(xué)再生(TCR)和/或渦輪增壓器、渦輪式發(fā)電機(jī)、氣體燃燒渦輪機(jī)和/或工作流體回收系統(tǒng)是令人滿意的。這樣的驅(qū)動吸熱化學(xué)過程的熱量提取(extraction)和/或功產(chǎn)品降低了工作流體的溫度，以大大地增加密度并減少蒸汽壓強(qiáng)，以在當(dāng)前循環(huán)中為方便儲存和/或即時重用引起冷凝。
[0069]從前述，應(yīng)該理解在這里已經(jīng)描述的本發(fā)明的具體實施例是為了說明，但是可以做各種修改而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。例如，在一個級聯(lián)系列中可使用任何數(shù)量的一級發(fā)動機(jī)和二級發(fā)動機(jī)。另外，任何單個的發(fā)動機(jī)可被認(rèn)為是一個一級發(fā)動機(jī)或一個二級發(fā)動機(jī)，取決于他們?nèi)绾胃鶕?jù)給定的配置交換流體。此外，工作流體可以為任何合適的流體，并且不被在此列出的具體的例子限制。發(fā)動機(jī)系統(tǒng)除了那些示出的以及描述的配置外可包括可選的配置，并且仍在本公開的精神之內(nèi)。
[0070]除非上下文明確地要求，否則說明書以及權(quán)利要求自始至終，詞語“包含”、“包括”等等被解釋為包含的意義，而不是排他或窮盡的意義；也就是說，“包括，但不限于”的意思。使用單數(shù)或復(fù)數(shù)的詞語也分別包括復(fù)數(shù)或單數(shù)。當(dāng)權(quán)利要求使用詞“或”指兩個或兩個以上的項目列表，那個詞覆蓋所有的下面的詞的解釋:列表中的任何項目、列表中的所有項目、以及列表中的項目的任意組合。另外，上面描述的各種實施例可結(jié)合起來以提供進(jìn)一步的實施例。本說明書和/或在申請數(shù)據(jù)表中列出的涉及到的所有的美國專利、美國專利申請出版物、美國專利申請、外國專利、外國專利申請和非專利出版物其全部內(nèi)容通過引用并入本文。如果有必要，本發(fā)明的各方面可以修改，以采用具有不同配置的燃料噴射器和點火裝置，不同專利、申請以及出版物的概念來提供本發(fā)明更進(jìn)一步的實施例。
[0071]可根據(jù)上述說明書的詳細(xì)描述對本公開做這些以及其他的改變?？傊谙旅娴臋?quán)利要求中，使用的術(shù)語不應(yīng)該被解釋為將本公開局限于說明書和權(quán)利要求中的具體實施例，但是應(yīng)該解釋為包括按照權(quán)利要求操作的全部的系統(tǒng)和方法。因此，本發(fā)明不被本公開限制，相反它的范圍應(yīng)由以下的權(quán)利要求被廣泛地確定。
【權(quán)利要求】
1.一種限制多個相互關(guān)聯(lián)的發(fā)動機(jī)的燃燒室的峰值溫度的方法，所述方法包括: 控制在第一發(fā)動機(jī)中的燃燒室的所述峰值溫度， 包括- 在所述第一發(fā)動機(jī)的一個循環(huán)的第一部分- 在所述第一循環(huán)的進(jìn)氣沖程和壓縮沖程至少一個期間直接將燃料注入所述燃燒室中；以及 點燃所述燃燒室中的所述燃料以引起燃燒； 監(jiān)測由于所述燃燒而引起的所述燃燒室的溫度；以及 在所述發(fā)動機(jī)的所述循環(huán)的所述第一部分或第二部分的至少一個中- 當(dāng)所述溫度達(dá)到預(yù)定值時，在所述循環(huán)的做功沖程和/或排氣沖程的至 少一個期間，直接將冷卻劑注入所述燃燒室中； 根據(jù)所述的在所述第一發(fā)動機(jī)中用于控制所述峰值溫度的步驟，控制在第二發(fā)動機(jī)中的燃燒室的所述峰值溫度，其中，來自所述第一發(fā)動機(jī)的排放氣流是所述第二發(fā)動機(jī)的工作流體，這樣將所述第一發(fā)動機(jī)被流體耦合至所述第二發(fā)動機(jī)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中: 直接將燃料注入所述燃燒室中包括注入第一燃料，所述第一燃料在所述燃燒室中產(chǎn)生燃燒的第一溫度；以及 直接將所述冷卻劑注入所述 燃燒室中包括注入第二燃料，所述第二燃料在所述燃燒室中產(chǎn)生燃燒的第二溫度，其中所述第二溫度小于所述第一溫度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中直接將冷卻劑注入所述燃燒室中包括注入在所述燃燒室中不會燃燒的流體或氣體。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中直接將冷卻劑注入所述燃燒室中包括直接將含氫冷卻劑注入所述燃燒室中。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中直接將冷卻劑引進(jìn)注入所述燃燒室中包括在所述循環(huán)的每個所述做功沖程和所述排氣沖程期間注入冷卻劑。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述溫度的所述預(yù)定值為2200攝氏度。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中 直接將燃料注入所述燃燒室中包括用注入器注入燃料；以及 點燃所述燃燒室中的所述燃料包括用由所述注入器攜帶的點火部件點燃所述燃料。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括: 確定所述發(fā)動機(jī)的預(yù)定義的運行模式，所述預(yù)定義的運行模式包括所述發(fā)動機(jī)的加速或高負(fù)荷運行模式；以及 當(dāng)所述發(fā)動機(jī)在所述預(yù)定義的運行模式中運行時，僅在所述循環(huán)的所述做功沖程和排所述氣沖程的至少一個期間，直接將冷卻劑注入所述燃燒室中。
9.一種冷卻發(fā)動機(jī)中的燃燒室的方法，所述方法包括: 冷卻第一發(fā)動機(jī)中的燃燒室包括- 將燃料引入所述發(fā)動機(jī)的所述燃燒室中，其中通過進(jìn)氣沖程、壓縮沖程、做功沖程、以及排氣沖程，能量傳輸裝置至少部分地在所述燃燒室中移動； 使得所述燃料在所述燃燒 室中燃燒；監(jiān)測所述燃燒室的溫度；以及 當(dāng)所述溫度達(dá)到預(yù)定值時，僅在所述能量傳輸裝置的所述做功沖程和所述排氣沖程的至少一個期間將冷卻劑引入所述燃燒室中， 根據(jù)所述的在所述第一發(fā)動機(jī)中用于冷卻所述燃燒室的步驟，冷卻第二發(fā)動機(jī)中的燃燒室，其中排出所述第一發(fā)動機(jī)的排氣口的工作流體進(jìn)入所述第二發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣，這樣所述第一發(fā)動機(jī)的排氣被流體耦合至所述第二發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中將冷卻劑引入所述燃燒室中包括引入在所述燃燒室中不會燃燒的冷卻劑。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中將冷卻劑引入所述燃燒室中包括引入在所述燃燒室中在比所述燃料更低的溫度下燃燒的冷卻劑。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中將燃料引入所述燃燒室中包括用注入器引入所述燃料；以及 使得所述燃料燃燒包括用由所述注入器攜帶的點火部件生成點火事件。
13.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中: 將所述燃料引入所述燃燒室中包括用注入器將所述燃料引入；以及 將冷卻劑引入所述燃燒室中包括用所述注入器將所述燃料引入。
14.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，進(jìn)一步包括: 監(jiān)測所述發(fā) 動機(jī)以獲得所述發(fā)動機(jī)預(yù)定義的運行條件；以及 當(dāng)所述發(fā)動機(jī)在所述預(yù)定義的運行條件下運行時，僅在所述循環(huán)的所述做功沖程和所述排氣沖程的至少一個期間，將冷卻劑引入所述燃燒室中。
15.—種內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)，包括: 具有進(jìn)氣口和排氣口的第一燃燒室； 通過包含進(jìn)氣沖程、壓縮沖程、做功沖程以及排氣沖程的循環(huán)，相對于所述燃燒室可移動的能量傳輸裝置； 注入器，配置為在所述進(jìn)氣沖程和所述壓縮沖程的至少一個期間，將燃料注入所述燃燒室中； 點火部件，配置為點燃所述燃燒室中的所述燃料；以及 傳感器，配置為檢測所述燃燒室的溫度，其中當(dāng)所述溫度達(dá)到預(yù)定值時，所述注入器被配置為在所述做功沖程和所述排氣沖程的至少一個期間，直接將工作流體注入所述燃燒室中； 其中所述第一燃燒室的所述排氣口被流體耦合至第二燃燒室的進(jìn)氣口。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其中所述點火部件由所述注入器攜帶。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其中所述冷卻劑在所述燃燒室中不會燃燒。
18.根據(jù)權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其中所述燃料在所述燃燒室產(chǎn)生燃燒的第一溫度，以及所述冷卻劑在所述燃燒室中產(chǎn)生燃燒的第二溫度，并且其中所述第二溫度小于所述第一溫度。
19.根據(jù)權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其中所述冷卻劑至少部分包含氫。
20.根據(jù)權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其中所述溫度的所述預(yù)定值為2200攝氏度。
【文檔編號】F01P11/00GK103890343SQ201280050346
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2012年8月13日 優(yōu)先權(quán)日:2011年8月12日
【發(fā)明者】羅伊·E·麥卡利斯特, 梅爾文·J·拉爾森 申請人:麥卡利斯特技術(shù)有限責(zé)任公司