專利名稱：用噴射臨界狀態的水來運行內燃機的方法
技術領域：
本發明涉及一種用噴射臨界狀態的水來運行內燃機的方法，具體地說，是涉及使用亞臨界狀態或超臨界狀態的水(以后都簡稱為臨界水)以實現低排放燃燒的方法。這里所指的內燃機有往復活塞式發動機，包括火花點火發動機和壓縮點火發動機(即柴油機)，噴氣式發動機，燃氣輪機等。液體或氣體燃料如像石油族燃料，氫氣，天然氣，酒精等在這些內燃機中燃燒，燃燒的氣體就作為工作介質推動內燃機運轉。
背景技術：
與排氣一道排放到空氣中的氮氧化合物(NOx)和一氧化碳通常都產生在燃燒的高溫區域。這些排放物會污染環境，因此，應該將這些排放物減少到最低限度。
眾所周知，在內燃機的燃燒過程中加進水可以減少氮氧化合物的產生。這是由于加水后的冷卻效應。在實踐中，曾經采用兩種不同的方法向往復式發動機中噴水，即直接將水噴入燃燒室，或者通過進氣道將水引入燃燒室。
在直接將水噴入燃燒室的情況中，通常是在實際燃燒過程之前的壓縮沖程期間和(或)正處在燃燒期間將水噴入。這種噴水定時有利于減少氮氧化合物的產生，在噴入大量的水之后，氮氧化合物通常能夠減少大約50～60％。
在通過進氣道將水隨同進氣一起引入到燃燒室的情況中，進氣流穿過渦輪增壓器，增壓壓縮機，或中冷器時，在它們的上游或下游被連續地加濕；或者在進氣室和(或)進氣通道中被加濕；或者將水或蒸汽噴入進氣中使其加濕。
在后一種情況中，能夠隨空氣引入到燃燒室內的水量大小取決于進氣的壓力和溫度。水量將受到進氣中水蒸氣飽和程度的限制。目前，渦輪增壓中冷發動機的水平是進氣壓力通常約為0.15～0.4MPa，溫度約為40～50C。在這種條件下，水的引入量實際上被限制在能使氮氧化合物減少10～40％的水平上。降低進氣壓力或提高進氣溫度都是不可取的，因為這樣會使進入氣缸的空氣充氣量變壞，從而導致發動機輸出功率降低。
在進氣被引入的水連續加濕的情況下，有一部分引入水并未被利用，這是因為當進氣門和排氣門同時開啟時，一部分水隨同進氣一起穿過氣缸被排出。
另一方面，在日本實用專利申請公開No.6-137218公布的一項技術中，將氫氧化鉀的水溶液注入到柴油機燃料中并與其混合后再加壓加熱，使其壓力和溫度高于水的臨界狀態，并使柴油中的硫與氫氧化鉀化合，再將混合物噴入氣缸進行燃燒。
雖然在該項技術中也使用了臨界水，但它使用臨界水的目的是為了使氫氧化鉀與重油中的硫化合從而除硫，并不像本發明是為了降低NOx和CO。將混合物的水溶液注入到柴油中可能會損害柴油的自燃特性，從而會使發動機功率降低。
進一步說，一種運行至少有一個燃燒室、進氣門、排氣門和將燃油蒸汽與水蒸汽的混合物經加壓加熱后噴入燃燒室的噴油嘴，所述的混合物可由內燃機的排氣進行加熱的內燃機的方法特征在于，所述混合物的壓力至少保持在高于350個大氣壓，溫度至少要高于448.8C，這時燃油蒸汽將轉化為多種有機氣體的混合物，其化學成分與在大氣溫度和壓力條件下燃油最初的化學成分已不相同，其分子結構已不同于原來的組成，而且，在大氣條件下至少有一部已經揮發掉。
按照傳統技術，將燃油蒸汽與水蒸汽組成的混合物經加壓加熱后將轉化為具有揮發性的物質與有機氣體的混合物，在高于350個大氣壓和高于448.8C的溫度下其分子結構已與原來的結構不同，這時可將該氣體混合物從噴嘴噴入燃燒室。而不是如同本發明那樣將水加壓加熱使其壓力高于350個大氣壓，溫度高于448.8C成為臨界水，將這種亞臨界水或超臨界水與燃油分開噴入燃燒室，當燃油噴入大氣時其中存在有水粒子。因此，按照該項公布的方法與按照本發明的方法是根本不同的。
此外，還有一種按照專利WO99/37904所揭示的用來運行壓縮點火發動機(柴油機)-朗肯循環往復式發動機的方法，該發動機至少包括一個供燃油在其中燃燒的氣缸，一套冷卻進氣和氣缸的冷卻系統，以及將廢氣從所述的氣缸中導出的排氣系統。所述的氣缸所起到的作用是從冷卻系統和排氣中吸取熱量以生成蒸汽；將所述的蒸汽導入所述的氣缸中，其特征在于，所述的蒸汽和所述的燃油是分開導入所述的氣缸中的，并在點火后發生反應。用于該發明的蒸汽溫度低于580C，壓力低于180巴，這時臨界水不能存在。蒸汽在接近上止點時噴入氣缸，因此，在燃油點燃后，蒸汽和燃油就會有效地發生反應。還應當指出，燃油是被噴入一個分開的燃燒室中，以避免在點火前與蒸汽混合。從這些說明中可以看出，該項發明的目的就是為了避免氣缸內的燃油在點火之前與蒸汽發生反應，并且也避免蒸汽與空氣于點火之前在氣缸內互相混合。
發明內容
本發明的目的是提供一種噴射臨界狀態的水來運行內燃機的方法，它充分利用了噴入臨界水可以有效地減少內燃機排放氮氧化合物(NOx)和一氧化碳(CO)等有害氣體的優點。更具體地說，除了降低排放以外，通常噴水后會伴隨出現發動機的效率降低，從而導致功率降低，本方法還要提高發動機的效率和功率，而不會為了降低排放指標犧牲效率和功率。這里所指的內燃機有往復式發動機，包括火花點火發動機和壓縮點火發動機(即柴油機)，噴氣式發動機和燃氣輪機。
本發明是一個用噴入臨界水來運行發動機的方法，液體或氣體燃料如像石油族燃料，氫氣，天然氣，酒精等在燃燒室中燃燒后，燃燒的氣體就作為工作介質，其特征在于，溫度高于250C、壓力高于10MPa的亞臨界水或超臨界水(以后統稱為臨界水)是在噴入燃燒室的燃油被點燃之前就開始向燃燒室內噴射的。
特別地，在往復活塞式內燃機的情況下，吸氣，壓縮，燃燒和排氣沖程是按照曲軸轉角來劃分的。所述的臨界水從噴射開始到噴射結束的范圍按曲軸轉角來計算是從上止點前(BTDC)90到上止點后(ATDC)30 ，一個可取的方案是噴射的范圍從上止點前80到上止點0，另一個更可取的方案是該范圍從上止點前80到燃燒室內的燃油被點燃之前，即在上止點前5結束，或者正好在上止點前結束。
本發明有利地利用了亞臨界水和超臨界水獨特的物理和化學特性。由于亞臨界水和超臨界水的介電常數與有機溶劑的介電常數一樣低，它與碳氫族燃料的可溶性已得到改善，由于臨界水的擴散性能活潑，因此水與燃油混合物的均勻相容易達到，從而可大大減少燃燒室內的局部燃燒現象，于是，熱態氮氧化合物(NOx)的生成就能減少。
亞臨界水或超臨界水能與氧氣和空氣形成均勻相。由此它很容易與氧形成均勻相，因此燃油的氧化過程就能高效地進行，從而可以有效地減少一氧化碳(CO)和煙度(PM)。由于離子產物的增加而引起的催化反應也有相似的作用。
亞臨界水或超臨界水的擴散性能活潑而且粘度低，很容易擴散，因此能有效地改進燃燒效率和增加功率。特別是在柴油機中，由于混合氣均勻而使燃燒效率提高，在不犧牲其他任何一個指標的情況下，發動機的功率(效率)和氮氧化合物(NOx)的排放都能得到極大的改善。亞臨界水或超臨界水的存在能增加離子產物和激發酸堿的催化作用，從而進一步促進了熱態氮氧化合物(NOx)和一氧化碳(CO)的減少。
流體在臨界點附近物理性能的變化在很大程度上取決于溫度和壓力。因此，可以通過控制溫度和壓力的方法來控制亞臨界水或超臨界水的物理性能。于是，就有可能通過這種控制使噴射的亞臨界水或超臨界水的物理性能適合于各種不同的碳氫族燃油及不同的噴射形式，這取決于發動機的轉速和負荷。
由于超臨界水有較大的擴散系數，因此在燃燒室中燃油與水或蒸汽能很好的混合。此外，超臨界水溶于燃油中并不是以水粒子的形式溶入，因為超臨界水的性能有些像有機溶劑，所以它能夠形成更為均勻的燃燒場。
在柴油機中燃油與空氣之比大約為1∶30。當臨界水按燃油質量1～4倍的比例(燃油∶空氣∶臨界水＝1∶30∶1～4)噴入后，所述的均勻燃燒場就能得到。
當臨界水是在按曲軸轉角計算的上止點前90至上止點前10(-90～-10)的范圍內、特別是在-80～-20的范圍內、或者更可取的是在-60～-20至-30的范圍內開始噴射時，燃燒室中臨界水由于瞬間膨脹引起的壓力下降是很小的，這是因為此時活塞仍舊處在壓縮沖程的后一階段，被噴入的臨界水仍保持超臨界或亞臨界狀態，因此，按本發明所述的效能仍可達到。
此外，當臨界水是在按曲軸轉角計算的上止點前后30(-30～+30)的范圍內、特別是在-10～+30的燃燒范圍內開始噴射時，這時燃燒室的溫度最高可達2000C，水的超臨界或亞臨界狀態的特性在瞬間膨脹后基本上保持不變，因此，按本發明所述的效能仍可達到。
一個可取的方案是所述的臨界水是溫度高于374C、壓力高于22MPa的超臨界水，而溫度高于250C～300C、壓力高于10MPa的亞臨界水也具有大體上相似的效能。
所述的臨界水可以通過與排氣進行熱交換后生成的亞臨界水或超臨界水來獲得，而柴油機和燃氣輪機的排氣溫度大約是550C或者更高。
在本發明優選的實施例中，一個可取的方案是這樣來進行對所述臨界水的噴射即在噴射燃油被點燃之前，水粒子已存在于燃燒室中并已與燃油混合滲透。換句話說，由燃油燃燒生成的水粒子和以臨界狀態存在的水粒子在燃燒過程中并未單獨分層。
已經查明，當溫度高于250C、壓力高于10MPa的亞臨界水或超臨界水在燃燒室中的燃油被點燃之前噴入時，噴入燃燒室中的臨界水粒子就已經與燃油混合滲透。更具體地說，只要當所述的臨界水噴入燃燒室中時就與噴入燃燒室中的燃油噴霧混合滲透，使得NOx的排放量顯著地減少，發動機功率顯著地增加，本發明提到的對臨界水噴射定時范圍的限制并不是必須的，如圖11至圖16所示。
圖1是一個基本配置(1)，顯示了按照本發明實施例噴射臨界水的柴油機中的燃油噴嘴和臨界水噴嘴的位置。
圖2是一個基本配置(2)，顯示了按照本發明實施例噴射臨界水的柴油機中的燃油噴嘴和臨界水噴嘴的位置。
圖3是一個基本配置(3)，顯示了按照本發明實施例噴射臨界水的柴油機的一體的燃油噴嘴和臨界水噴嘴的位置。
圖4是帶有噴射臨界水的柴油機系統示意圖，包括圖1至圖3所示的配置。
圖5顯示了四沖程柴油機的氣門定時。
圖6是一曲線圖，顯示了由于噴射超臨界水發動機輸出功率的改進。
圖7是一曲線圖，顯示了由于噴射超臨界水排氣中NOx排放量的減少。
圖8(A)是一曲線圖，顯示了噴射超臨界水與排氣的色密度(煙度)減輕之間的關系。圖8(B)則顯示了噴射超臨界水與排氣中CO排放量減少之間的關系。
圖9是一曲線圖，顯示了超臨界水噴射定時與發動機輸出功率改進之間的關系。
圖10是一曲線圖，顯示了超臨界水噴射定時與排氣中NOx排放量減少之間的關系。
圖11是三種不同的臨界水噴射定時與NOx排放量減少及發動機輸出功率改進之間的比較第一種情況的臨界水噴射區間是從上止點前-45至-15(噴水在點火之前)；第二種情況的臨界水噴射區間是從上止點0至+30(噴水在點火之后)；還有一種情況是不噴水。
圖12是三種不同的臨界水和燃油噴霧混合滲透程度與NOx排放量減少及發動機輸出功率改進之間的比較第一種情況是混合滲透程度增加；第二種情況是混合滲透程度減小。
圖13顯示了在不噴水的情況下，在-30～+90之間的某個曲軸轉角處，燃燒室中的水和溫度的分布情況的模擬結果。上面兩行顯示了燃燒室中水的分布，下面兩行顯示了燃燒室中溫度的分布。
圖14顯示了在燃燒室中水和溫度的分布情況的模擬結果。在第一種情況下，臨界水從燃燒室的中心噴入，按曲軸轉角計算的噴射范圍是從上止點前-45到-15。
圖15顯示了在燃燒室中水和溫度的分布情況的模擬結果。在第二種情況下，臨界水從燃燒室的中心噴入，按曲軸轉角計算的噴射范圍是，從上止點0至+30。
圖16顯示了在燃燒室中水和溫度的分布情況的模擬結果。在第一種情況下，臨界水從燃燒室的側部噴入，按曲軸轉角計算的噴射范圍是，從上止點前-45到-15。
具體實施例方式
現參照附圖對本發明的優選實施例作詳細的說明。除非有特別注明，實施例各組成部分中涉及到的尺寸，材料，相對位置等僅僅是為了舉例說明，而不應該把它們看成是對本發明范圍的限制。
圖1至圖3是按照本發明所舉實施例的往復式內燃機，具體地是四沖程柴油機，燃燒室的配置示意圖。涉及的發動機1包括氣缸10，氣缸套11和氣缸蓋12，安裝了活塞環13的活塞14，以及將活塞14的往復運動通過圖中未表示出的曲軸傳遞給負載的連桿15。燃油噴嘴16安裝在氣缸蓋12的氣缸中心位置上，并朝向燃燒室20，在噴油嘴的兩側有將空氣引導進入氣缸10的進氣門17和將廢氣排出氣缸的排氣門18。吸氣，壓縮，燃燒和膨脹，以及排氣這四個基本循環過程在曲軸每旋轉兩周內各完成一次，如圖5的氣門定時相位圖所示。
如圖5所示，進氣門在按曲軸轉角計算的上止點前-45至-15的范圍內開啟，在下止點后+20至+80的范圍內關閉，當活塞向上運動時進入氣缸12內的空氣被壓縮。
被壓縮空氣的溫度將升高到噴入燃油的自燃溫度以上。當燃油在壓縮沖程的終點附近(曲軸轉角大約在上止點前-20至-5)從燃油噴嘴16噴出時就被壓縮空氣的高溫加熱而點燃，這時氣缸內的溫度和壓力迅速上升，活塞14在通過上止點后就被推向下止點。
在活塞14抵達燃燒和膨脹沖程的下止點之前(大約在下止點前-20至-80)排氣門18打開，燃燒的氣體由于自身的壓力而排出氣缸10，隨后活塞14向上運動進一步將氣體推出。
像這樣配置的四沖程發動機已為人們熟知。
燃油噴嘴16的驅動，已及進氣門17和排氣門18的開閉由圖中未表示出的曲軸通過定時齒輪驅動機構完成。
臨界水噴嘴21安裝在燃燒室20的上方進氣門17和排氣門18的外側。
應該對臨界水的噴射定時、臨界水噴嘴21的安裝位置以及噴孔的直徑及方向進行合理的選擇，以便使燃油噴霧與在燃燒室內膨脹的臨界水的粒子能很好地接觸，換句話說，應使燃油噴霧與臨界水能很好地混合滲透。
例如，在圖1中，燃油噴嘴16處在氣缸的上方燃燒室20的中心，臨界水噴嘴21的安裝則是將其噴孔(一孔或多孔)傾斜正好對著氣缸的中心一側。
在這種情況下臨界水噴嘴21相互遠離，因為它們被夾在進排氣門17和18的中間，因此，需要確定臨界水的噴射速度，使得從臨界水噴嘴噴出的臨界水與燃油噴霧在燃燒室內能很好地混合滲透。具體地說，采用較小的噴孔(一孔或多孔)直徑來增加噴射速度是適宜的，這就是說需要增加臨界水的噴射壓力。
在圖2中，臨界水噴嘴21與燃油噴嘴16均處在燃燒室20的中心部位切彼此相鄰，它們之間的距離很小，因此，從臨界水噴嘴21噴出的臨界水與噴入燃燒室20的燃油噴霧能夠充分地混合滲透。
在圖3中，使用了一種雙液體噴嘴22，它將燃油噴嘴與臨界水噴嘴合為一體。在本實施例中，燃油噴孔150與臨界水噴孔210的位置在垂直方向上是不相同的，燃油從下方的孔150噴出，臨界水從上方的孔210噴出。由于上方孔和下方孔之間的距離很小，因此從上方孔210噴出的臨界水與從下方孔150噴進燃燒室的燃油能充分地混合滲透。
臨界水噴嘴孔210的開啟和關閉定時可以與進排氣門定時一起由正時齒輪機構來確定并由曲軸驅動，或者由控制器022(見圖4)發出的信號來控制。當控制器探測到氣缸內的壓力和溫度等運行條件及曲軸轉角后就會發出相應的信號。
在由控制器022發出信號來控制臨界水噴射定時的情況下，臨界水噴射的開始時間最好是在氣缸內的溫度上升到高于臨界水的溫度之后，并且是在燃燒室內的燃油被點燃之前，它可能是在按曲軸轉角計算的上止點之前-90至-10的范圍內，特別是有可能在-80至-20的范圍內，而更為可取的是在-60～-20至-30的范圍內。臨界水噴射的結束時間應早于+30(上止點后30)，優選地是0(正好在上止點)，特別是可以選在上止點之前-5或正好是在燃燒室中的燃油被點燃之前。
當臨界水的噴射定時由曲軸轉角決定時，臨界水噴射的開始時間由正時齒輪機構確定，這時將不探測氣缸內的溫度等參數。
圖4是使用控制器的系統實施例，其中發動機1配備了臨界水噴射裝置。
在該實施例中，供給的水2通過泵3被加壓到10MPa或者更高，最好是22MPa或者更高，然后用一個熱交換器9或者用一個熱交換器9和加熱器30一起將其加熱到250C或更高，但最好是374C或更高。
在熱交換器9中產生的高于250C和高于10MPa的亞臨界水，最好是高于374C和高于22MPa的超臨界水，按控制器022確定的噴射定時從臨界水噴嘴21噴出。噴射的延續期最好是這樣來確定即使得臨界水的噴射數量按質量計算能滿足下列比例燃油/空氣/臨界水＝1/30/1～4。
下面將對采用圖4所示系統所得到的試驗結果作一說明。試驗的條件如下燃油噴射延續期上止點前-6至上止點后+24；臨界水噴射開始時間上止點前-50至上止點0；臨界水噴射壓力35MPa；臨界水噴射量是燃油噴射質量的1～5倍。
圖6顯示了發動機的輸出功率與水的噴射溫度之間的關系。縱坐標表示噴射臨界水后的功率與未噴射臨界水的功率(假定是100)之比。當溫度升高時，水的相位將達到亞臨界或超臨界區域，當噴射溫度進入到250 C～300C或更高的區域、特別是進入到374C或更高的區域后，功率就能得到改善。
圖7表示排氣中NOx的密度與噴水溫度的關系。可以看出，即使溫度低于250C，NOx的排放也能得到改善。然而，與圖6的結果一起進行評價可以看出，經過噴射溫度高于250C的亞臨界水或溫度高于374C的超臨界水后，功率和NOx的排放都能得到改善。
圖8(A)表示排氣的煙度與噴水溫度的關系。可以看出，在高于250C的亞臨界溫度區域和高于374C的超臨界溫度區域內排氣煙度都能得到改善。
圖8(B)表示排氣中CO的密度與噴水溫度的關系。可以看出，在高于250C的亞臨界溫度區域和高于374C的超臨界溫度區域內，CO的密度都能得到改善。特別是在高于374C的超臨界溫度區域內改善尤為明顯，這表明著時發動機的燃燒效率已大大改善。
下面將對發動機的功率和排氣中NOx的密度與噴水開始時間的關系作一說明。圖9表示了發動機的功率與噴水開始時間的關系。試驗是用350C的亞臨界水和450C的超臨界水來進行的。在這兩種情況下，當噴射是在曲軸轉角為-80至-20的范圍內開始時，發動機的功率能得到改善。
圖10表示排氣中NOx的密度與噴水開始時間的關系。試驗是用350C的亞臨界水和450C的超臨界水來進行的。在這兩種情況下，噴水的開始時間比燃油在燃燒室中的點燃時間越是提前，NOx的密度就越減小。
因此，在設置臨界水的噴射開始定時之時，如果著眼點放在功率上，最好是將曲軸轉角定時設置在-90至-10的范圍內，特別是可以設置在-80至-20的范圍內，這一范圍是處在燃油被噴射之前的壓縮沖程的后一階段。如果著眼點放在NOx上，則噴射定時越是提前改善就越明顯。
下面將參照圖11至圖16對本發明的模擬試驗作一說明。
圖11表示了圖2所示發動機模擬試驗的結果。在第一種情況中，燃油噴射的延續期從-6至+24，臨界水噴射的延續期從-45至-15(噴射在燃油被點燃之前)；在第二種情況中，燃油的噴射延續期從-6至+24，臨界水的噴射延續期從0至+30(噴射在燃油被點燃之后)。最下面的-種情況是燃油的噴射延續期從-6到+24，但不噴臨界水，它可以用來與前兩種情況進行比較。
臨界水的噴射壓力為30MPa，溫度為423C，被噴射的臨界水與被噴射的燃油之間的質量比是1∶1。
在每種情況下燃燒室中水的分布情況和溫度的分布情況如圖13至圖15所示。在各圖中，上面的兩行顯示了在-30～+90之間的某個曲軸轉角下燃燒室內的水分布情況，下面的兩行顯示了在-30～+90之間的某個曲軸轉角下燃燒室內的溫度分布情況，其中0代表上止點。在全部三種情況中，點火均在-5左右開始。
在不噴臨界水的情況中，點火在-5左右開始，燃燒產生的水粒子(水蒸汽)在燃燒室中逐漸擴散直到30。關于溫度分布，在曲軸轉角為0～30期間有一個區域的溫度上升到2000C～3000C。在這種情況中NOx的密度較高如圖11所示。
在第二種情況中，臨界水的噴射延續期是從0到30(噴射在燃油被點燃之后)，點火在-5左右開始。由于臨界水是在燃油被點燃之后的0到30區間內噴射，因此水粒子(水蒸汽)會迅速擴散一直到30，如圖15所示。在燃油被點燃之后再進行噴水的情況下，燃燒室內的溫度比不噴水時要低，但是，在曲軸轉角為0～30期間，仍然有一個區域的溫度上升到2000C～2500C。因此，與不噴水的情況相比較，NOx的含量可減少大約25％，發動機的效率可提高大約1％，如圖11所示。然而，與第一種情況相比較，噴射臨界水的作用是非常小的。
在第一種情況中，臨界水噴射的延續期是從-45到15(噴射在燃油被點燃之前)，正是由于臨界水在燃油被點燃之前的-45就開始噴射，水粒子在曲軸轉角為30時在燃燒室中已得到充分地擴散，即使在60仍有足夠多的水粒子存在，如圖14所示。在這第一種情況中，水噴射在點火之前，當曲軸轉角在15～30期間，燃燒室中的溫度比第二種情況要進一步下降到低于2000C。這時，NOx的含量只有不噴水時的20％，即降低了80％，發動機的效率也提高了大約5％。與第二種情況相比，噴射臨界水的作用是十分明顯的。
可以看出，在采用相同噴射量/溫度/壓力的條件下，在噴射臨界水對減少NOx含量和提高發動機效率的作用方面，將第一種情況下的噴射臨界水在燃油點火之前(燃油噴射之前)與第二種情況下的噴射臨界水在燃油點火之后進行比較，前者的作用較大。
下面將參照圖12對臨界水與燃油噴霧混合滲透程度的作用作一說明。
第一種情況顯示的結果是，在如圖2或圖3所示的發動機中，臨界水和燃油是從燃燒室的中心部位噴出的，水與燃油噴霧的混合滲透程度得到增強。
第三種情況顯示的結果是，在如圖1所示的發動機中，臨界水和燃油是從燃燒室的側面噴出的，水與燃油噴霧的混合滲透程度被減弱。這里，燃油和臨界水的噴射定時與第一種情況相同。
臨界水以30MPa的壓力和423C的溫度噴射，臨界水與燃油的噴射質量比是1∶1，這與第一種情況相同。
在第三種情況中，雖然臨界水的噴射是開始于時間較早的-45曲軸轉角，但是水粒子并未充分地擴散，從圖16中可以看出，即使在開始點火的-5也是如此，因此可以說它的混合滲透程度是低的。還可以看到，當曲軸轉角是15～30時，在水粒子尚未充分擴散到的部位，還存在2000C或溫度更高的區域。
從圖14可以看出，在第一種情況中，在0～-60區間內，由燃油燃燒產生的水粒子與噴射臨界水產生的水粒子已充分地擴散開來。這就意味著，有充足的水存在于燃油噴射區域內，并且在圖14的第一種情況中，燃油與水的充分混合滲透已在燃油被點燃之前發生。
與此相反，在圖16的第三種情況中，只有少量的水存在于燃油噴射區域內，在燃油被點燃之前，燃油與水的混合滲透程度較低。
從圖12看到的結果是，NOx的含量變成在不噴水的情況下的40％，效率提高了2％，其改善程度沒有達到第一種情況的水平。
因此，可以這樣說，在采用相同噴射量/溫度/壓力的條件下，在噴射臨界水對減少NOx含量和提高發動機效率的作用方面，將圖14所示的具有強混合滲透的第一種情況與圖16所示的具有弱混合滲透的第三種情況進行比較，前者的作用較大。
因此，也可以這樣說，在臨界水采用相同噴射量/溫度/壓力的條件下，將第一種情況與第三種情況進行比較，在噴射臨界水對減少NOx含量和提高發動機效率的作用方面，水與燃油噴霧混合滲透程度高的作用較大。因此，為了盡可能地減少排氣中的NOx含量和提高發動機效率，在燃油被點燃之前噴射臨界水，使燃油噴霧與水的噴霧混合滲透是必要的。
模擬試驗的結果并不否定如圖1所示的從燃燒室的側面噴射臨界水的方法。從燃燒室的側面噴射臨界水的方法是可以接受的，一旦水噴入后，只要能保證在燃油被點燃之前水的噴霧與燃油的噴霧能得到充分地混合滲透，這個方法就是可取的。
工業中的適用性如以上所述，按照本發明，用泵將水增壓到亞臨界或超臨界的壓力水平，并加熱到亞臨界或超臨界的溫度水平，將這樣生成的水在燃油被點燃之前噴入燃燒室，使得水與噴入燃燒室的燃油噴霧互相混合滲透。由于亞臨界水或超臨界水獨特的物理和化學性能使得燃燒室中的燃燒得到改善，低排放燃燒也能達到。更具體的說，除了能夠減少氮氧化合物和一氧化碳以外，發動機的效率和輸出功率都能提高。
權利要求
1.一種用噴射臨界水來運行內燃機的方法，在該方法中液體和氣體燃料如像石油族燃料，氫氣，天然氣，酒精等在燃燒室中燃燒，燃燒的氣體就作為工作介質，其特征在于，溫度高于250C、壓力高于10MPa的亞臨界水或超臨界水(以后均簡稱為臨界水)在壓縮沖程期間、在噴入的燃油被點燃之前噴射到燃燒室中。
2.按照權利要求1所述的一種用噴射臨界水來運行內燃機的方法，其特征在于，所述的發動機是一種往復式活塞內燃機，它的吸氣、壓縮、燃燒和膨脹、以及排氣沖程由曲軸轉角來限定，所述臨界水的噴射延續期為從上止點前90開始到上止點后30結束。
3.按照權利要求1所述的一種用噴射臨界水來運行內燃機的方法，其特征在于，所述臨界水的噴射延續期為從上止點前80開始到上止點0結束，整個過程處在如權利要求2所述的往復式內燃機的壓縮沖程期間。
4.按照權利要求1所述的一種用噴射臨界水來運行內燃機的方法，其特征在于，在權利要求3所述的往復式內燃機中，所述臨界水的噴射延續期為從上止點前80開始到燃燒室中的燃油被點燃之前結束，噴射結束在上止點前5或正好在上止點之前。
5.按照權利要求1所述的一種用噴射臨界水來運行內燃機的方法，其特征在于，所述的臨界水是溫度高于374C、壓力高于22MPa的超臨界水。
6.按照權利要求1所述的一種用噴射臨界水來運行內燃機的方法，其特征在于，所述的臨界水是經過與發動機的排氣進行熱交換后生成的亞臨界或超臨界水。
7.按照權利要求1所述的一種用噴射臨界水來運行內燃機的方法，其特征在于，噴入所述臨界水使得所述的臨界水的粒子在燃油被點燃之前存在于燃燒室中并與噴入燃燒室中的燃油噴霧混合滲透。
8.按照權利要求1所述的一種用噴射臨界水來運行內燃機的方法，其特征在于，所述的臨界水被噴入后，由燃油燃燒生成的水粒子與臨界水的粒子在燃燒過程中以不單獨分層狀態存在。
9.一種用噴射臨界水來運行內燃機的方法，在該方法中液體和氣體燃料如像石油族燃料，氫氣，天然氣，酒精等在燃燒室中燃燒，燃燒的氣體作為工作介質推動內燃機運轉，其特征在于，溫度高于250C、壓力高于10MPa的亞臨界水或超臨界水在燃油被點燃之前噴入燃燒室中，臨界水噴霧的粒子與燃油噴霧的粒子互相混合滲透。
10.按照權利要求9所述的一種用噴射臨界水來運行內燃機的方法，其特征在于，所述的臨界水被噴入到燃燒室中與被噴入燃燒室中的燃油混合滲透。
全文摘要
本發明的目的是要提供一種用噴入臨界水來運行內燃機的方法，在這個方法中臨界水的優良特性得到積極有效的利用，它除了降低氮氧化合物和一氧化碳的排放以外還能提高發動機的效率和功率輸出，其特征在于，將溫度高于250℃、壓力高于10MPa的亞臨界水或超臨界水在內燃機的壓縮或燃燒沖程期間噴入燃燒室，噴射開始于壓縮沖程期間的燃油被點燃之前，其特別之處在于該噴射是這樣進行的，使得所述的水與噴入燃燒室的燃油噴霧互相混合滲透，噴射的延續期是從曲軸轉角位置的上止點前90到上止點后30。
文檔編號F02M25/022GK1461377SQ02801115
公開日2003年12月10日 申請日期2002年4月8日 優先權日2001年4月6日
發明者柚木晃廣, 嶋田隆文, 伊藤邦憲, 石田裕幸 申請人:三菱重工業株式會社