[发明专利]分开循环往复活塞式发动机

说明书

技术领域

本发明涉及分开循环往复活塞式发动机并与被称为等温压缩等压燃烧的发动机(isoengine)类型有关。更具体而言，本发明涉及一种操作分开循环往复活塞式发动机的方法，该发动机包括容纳压缩活塞的压缩缸、容纳膨胀活塞的膨胀缸，压缩缸具有用于允许空气进入的入口和与换热器的第一路径连通的出口，膨胀缸具有与换热器的第一路径连通的入口和与换热器的第二路径连通的出口，第二路径与第一路径为热交换关系，该方法包括将液体喷入压缩缸。

背景技术

这种发动机是已知的并且在例如WO 07/081445中已公开。

在使用柴油循环或汽油循环的传统内燃机中，空气被绝热压缩。由于在压缩过程中的能量输入，进气压缩会引起温度相应升高。任何情况下，发动机的每个缸用于在发动机循环的不同冲程时交替实现压缩和膨胀，即燃烧。

然而，等温压缩等压燃烧发动机基本上与此不同地运行，即压缩和燃烧/膨胀发生在不同缸内。当空气在压缩缸被压缩时，液体，通常为雾化的水被喷到缸内并且吸收所产生的热量，因而压缩至少是准等温的。由于温度没有显著上升，实施压缩所需的功大幅减少。然后，冷压缩空气经由压缩缸的出口流到换热器或蓄热器的一条路径中，其中，空气在流入膨胀缸前被加热到一相当高的温度。随后，燃料，通常为柴油燃料或天然气，被喷到加热压缩空气中并燃烧。由于膨胀缸的进气阀通常保持为开着，当活塞靠近上止点中心位置时，膨胀缸内的压缩主要由膨胀缸入口处的压力来决定，该入口可连接到蓄压器或压力贮存器。燃烧在膨胀缸的进气阀还开着时进行，且燃烧和膨胀同时发生，从而导致在燃烧时几乎恒定的压力。入口阀的关闭调节成可提供最大总体膨胀效率。因此，燃烧过程基本上是等压的。在燃烧气体膨胀后，膨胀缸的排气阀被打开，且高温废气经由排气口流到换热器中，因而向膨胀缸提供升高高压进气温度的热源。两个活塞有效率地在两个冲程模式运行，且这结合基本上等温的压缩和废气热能回收意味着发动机具有非常高的制动热效率。

然而，已知类型的发动机的确有一些缺点，尤其是如果这种发动机用于汽车用途的话。利用水的热容量以保持压缩基本上等温。因此，有必要喷入大量水并且通常直接在压缩缸的下游可收集到许多这些水。然而，一部分的水经过换热器和膨胀缸，并且为了确保发动机消耗的水量最小(如果发动机是汽车发动机和因此安装在车辆上的话这特别重要)，废气经过包括冷却风扇的冷凝器，该冷凝器使水凝结，然后这些凝结的水返回到储水装置。水的收集和循环是复杂的和昂贵的，且使用冷却冷凝器降低发动机的效率。此外，为了确保有效的热传递，压缩缸和膨胀缸之间的换热器要求有较大的表面积且因此包含相当大量的高压气体。这会显著减少发动机功率输出可增加的速率，诸如当要求加速车辆时，这是因为其引入从压缩缸到膨胀缸体积供给与充入空气压力变化的相当大的延迟。此外，尽管换热器储存有限量的高压压缩空气，但这太少以至于不能提供在车辆制动或减速时期望的能量储存或回收的方法。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种上述类型的、尤其用于汽车用途的发动机，这种发动机克服或至少减轻上述问题。更具体来说，本发明的目的是消除水的使用和/或增加发动机的效率和比输出功率。

根据本发明，喷射的液体是液化的、非氧化性的不可燃烧的气体。

尽管气体可以是诸如氦气或氩气的惰性气体，但较佳地使用氮气，特别是因为氮气容易从大气中获得。

用液态气体来替代如在这种类型的传统发动机中使用的水具有许多优点。首先，气体的热容量相对于其蒸发的潜热来说重要性不大，当气体在压缩缸中蒸发时这些潜量被吸收。气体蒸发的潜热如此高以至于需要喷入以实现期望结果的气体体积远远小于在已知发动机中必须喷入的水的体积。其次，如果使用氮气，则不必回收压缩缸下游的气体，也不必在膨胀缸下游设置冷凝器，这是因为氮气可简单地排出到大气。第三，压缩气体中的膨胀液化气体增加气体质量并在燃烧过程中用作惰性物质，并因此本质上用于增加发动机的比功率输出。因此，与使用水有关的问题消除了，并且增加了发动机的功率输出，这首先由于参与到燃烧/膨胀过程中的附加气体，其次是由于消除之前必要的水冷凝器。

尽管可从加压储气箱中供给液化气体，这尤其在汽车发动机的情况下可能不太行得通，因此，较佳的是发动机包括连接成由发动机的输出功率驱动的液态氮发生器，且方法包括使液态氮发生器运行以从大气中产生液态氮并将产生的液态氮喷射到压缩缸中。