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用于自适应地冷却 发动机中的 燃烧室的方法和系统

阅读：82发布：2020-05-12

专利汇可以提供用于自适应地冷却发动机中的燃烧室的方法和系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本公开涉及用于冷却发动机的燃烧室的系统和方法的各种实施例。一种方法包括将燃料引入具有能量传递装置的发动机的燃烧室中，该能量传递装置移动通过进气冲程、压缩冲程、动力冲程和排气冲程。该方法还包括监测燃烧室的温度。当温度达到预定值时，该方法也包括仅仅在能量传递装置的动力冲程和排气冲程中的至少一个冲程期间将冷却剂引入燃烧室中。，下面是用于自适应地冷却发动机中的燃烧室的方法和系统专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种限制发动机中的燃烧室的峰值温度的方法，所述方法包括：
在所述发动机的周期的第一部分中：
在第一周期的进气冲程和压缩冲程中的至少一个冲程期间将燃料直接喷射到所述燃烧室中；以及
点燃所述燃烧室中的燃料以引起燃烧；
监测由所述燃烧产生的所述燃烧室的温度；以及
在所述发动机的所述周期的所述第一部分或第二部分中的至少一个部分中：
当所述温度达到预定值时，仅仅在所述周期的动力冲程和排气冲程中的至少一个冲程期间将冷却剂直接喷射到所述燃烧室中。
2.根据权利要求1所述的方法，其中：
将燃料直接喷射到所述燃烧室中包括喷射在所述燃烧室中产生第一燃烧温度的第一燃料；以及
将冷却剂直接喷射到所述燃烧室中包括喷射在所述燃烧室中产生第二燃烧温度的第二燃料，其中所述第二温度小于所述第一温度。
3.根据权利要求1所述的方法，其中将冷却剂直接喷射到所述燃烧室中包括喷射在所述燃烧室中不燃烧的流体或气体。
4.根据权利要求1所述的方法，其中将冷却剂直接喷射到所述燃烧室中包括将含氢冷却剂直接喷射到所述燃烧室中。
5.根据权利要求1所述的方法，其中将冷却剂直接喷射到所述燃烧室中包括在所述周期的动力冲程和排气冲程的每一个冲程期间喷射冷却剂。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述温度的所述预定值为2200摄氏度。
7.根据权利要求1所述的方法，其中：
将燃料直接喷射到所述燃烧室中包括用喷射器喷射燃料；以及
点燃所述燃烧室中的燃料包括用所述喷射器所携带的点火特征点燃燃料。
8.根据权利要求1所述的方法，其还包括：
确定所述发动机的预定操作模式，所述预定操作模式包括所述发动机的加速或高负荷操作条件；以及
当所述发动机在所述预定操作模式下操作时，仅仅在所述周期的动力冲程和排气冲程中的至少一个冲程期间将冷却剂直接喷射到所述燃烧室中。
9.一种冷却发动机中的燃烧室的方法，所述方法包括：
将燃料引入所述发动机的所述燃烧室中，其中能量传递装置通过进气冲程、压缩冲程、动力冲程和排气冲程至少部分地在所述燃烧室内移动；
使燃料在所述燃烧室中燃烧；
监测所述燃烧室的温度；以及
当所述温度达到预定值时，仅仅在所述能量传递装置的动力冲程和排气冲程中的至少一个冲程期间将冷却剂引入所述燃烧室中。
10.根据权利要求9所述的方法，其中将冷却剂引入所述燃烧室中包括引入在所述燃烧室中不燃烧的冷却剂。
11.根据权利要求9所述的方法，其中将冷却剂引入所述燃烧室中包括引入在所述燃烧室中在比所述燃料更低的温度下燃烧的冷却剂。
12.根据权利要求9所述的方法，其中：
将燃料引入所述燃烧室中包括用喷射器引入燃料；以及
使燃料燃烧包括用所述喷射器所携带的点火特征产生点火事件。
13.根据权利要求9所述的方法，其中：
将燃料引入所述燃烧室中包括用喷射器引入燃料；以及
将冷却剂引入所述燃烧室中包括用所述喷射器引入燃料。
14.根据权利要求9所述的方法，其还包括：
监测所述发动机以获得所述发动机的预定操作条件；以及
当所述发动机在所述预定操作条件下操作时，仅仅在动力冲程和排气冲程中的至少一个冲程期间将冷却剂引入所述燃烧室中。
15.一种内燃机系统，其包括：
燃烧室；
能量传递装置，所述能量传递装置通过包括进气冲程、压缩冲程、动力冲程和排气冲程的周期相对于所述燃烧室可移动；
喷射器，所述喷射器被配置成在进气冲程和压缩冲程中的至少一个冲程期间将燃料喷射到所述燃烧室中；
点火特征，所述点火特征被配置成点燃所述燃烧室中的燃料；以及
 传感器，所述传感器被配置成检测所述燃烧室的温度，其中当所述温度达到预定值时，所述喷射器被配置成仅仅在动力冲程和排气冲程中的至少一个冲程期间将冷却剂直接引入所述燃烧室中。
16.根据权利要求15所述的系统，其中所述点火特征由所述喷射器携带。
17.根据权利要求15所述的系统，其中所述冷却剂在所述燃烧室中不燃烧。
18.根据权利要求15所述的系统，其中所述燃料在所述燃烧室中产生第一燃烧温度并且所述冷却剂在所述燃烧室中产生第二燃烧温度，并且其中所述第二温度小于所述第一温度。
19.根据权利要求15所述的系统，其中所述冷却剂至少部分地包含氢。
20.根据权利要求15所述的系统，其中所述温度的所述预定值为2200摄氏度。

说明书全文

用于自适应地冷却发动机中的 燃烧室的方法和系统

[0001] 相关申请的交叉引用

[0002] 本申请要求于2010年2月13日提交的并且名称为“全谱能量和资源独立(FULL SPECTRUM ENERGY AND RESOURCE INDEPENDENCE)”的美国专利申请第61/304,403号的优先权和权益。本申请也是于2010年12月6日提交的并且名称为“配置成喷射多种燃料和/或冷却剂的一体化燃料喷射器点火器以及相关使用和制造方法(INTEGRATED FUEL INJECTOR IGNITERS CONFIGURED TO INJECT MULTIPLE FUELS AND/OR COOLANTS AND ASSOCIATED METHODS OF USE AND MANUFACTURE)”的美国专利申请第12/961,461号的部分继续申请。这些申请的每一个通过引用完整地被合并于本文中。在前述申请和/或通过引用合并于本文中的任何其它材料与本文中提出的公开内容矛盾的情况下，本文中的公开内容占主导。

技术领域

[0003] 以下公开内容总体上涉及用于冷却内燃机的燃烧室的方法和系统。

背景技术

[0004] 燃料喷射系统典型地用于将燃料喷雾喷射到发动机的入口歧管或燃烧室中。燃料喷射系统已成为在汽车发动机中使用的主要燃料输送系统，从20世纪80年代晚期开始已几乎完全代替汽化器。常规直喷式燃料计量系统典型地连接到加压燃料源，并且在这些燃料喷射系统中使用的燃料喷射器通常在相对于发动机的动力冲程的特定时间将加压燃料喷射或以另外方式释放到燃烧室中。在许多发动机中，并且特别是在大型发动机中，燃料喷射器进入燃烧室所通过的孔或口的尺寸小。该小口因此限制可以用于致动喷射器或以另外方式喷射来自喷射器的燃料的部件的尺寸。而且，这样的发动机也通常具有拥挤的进气和排气阀机构，进一步限制可用于这些燃料喷射系统的部件的空间。附图说明

[0005] 图1是根据本公开的实施例配置的系统的示意图。

[0006] 图2A-2E是根据本公开的实施例配置的图1的系统的操作周期的一系列示意图。

[0007] 图3是根据本公开的另一个实施例配置的系统的示意图。

[0008] 图4是根据本公开的实施例的用于冷却发动机的燃烧室的方法的流程图。

[0009] 图5和6是根据本公开的附加实施例配置的系统的示意图。

[0010] 图7是根据本公开的实施例的用于冷却一个或多个发电部件并且用于冷却发动机中的燃烧室的方法的流程图。

具体实施方式

[0011] 本公开描述用于冷却内燃机的燃烧室的方法和系统。例如，下述实施例中的一些总体上涉及可以将第一燃料喷射到燃烧室中并且基于燃烧室状态自适应地喷射第二燃料或冷却剂的系统和方法。第二燃料或冷却剂在燃烧室中产生冷却。在以下描述中并且在图1-7中阐述了某些细节以提供对本公开的各实施例的透彻理解。然而，描述常常与内燃机、喷射器、点火器和/或燃烧系统的其它方面相关的公知结构和系统的其它细节未在下面阐述以避免不必要地使本公开的各实施例的描述晦涩。因此，将领会下面所述的细节中的一些被提供以足以使相关领域的技术人员能够制造和使用所公开的实施例的方式描述以下实施例。然而下面所述的细节和优点中的一些对于实施本公开的某些实施例可能是不必要的。

[0012] 图中所示的许多细节、尺寸、角、形状和其它特征仅仅是本公开的特定实施例的举例说明。因此，其它实施例可以具有其它细节、尺寸、角和特征而不脱离本公开的精神或范围。另外，本领域的普通技术人员将领会可以在没有下述的细节中的一些的情况下实施本公开的另外实施例。此外，图中所示的本公开的许多特征示意性地被显示。

[0013] 在说明书中各处提到“一个实施例”或“实施例”表示结合该实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本公开的至少一个实施例中。因此，在该说明书中各处出现的短语“在一个实施例中”和“在实施例中”不必都表示相同实施例。此外，参考特定实施例描述的特定特征、结构或特性可以在一个或多个其它实施例中以任何合适的方式组合。

[0014] 1.用于自适应地冷却燃烧室的系统和方法

[0015] 图1是根据本公开的实施例配置的用于自适应地冷却或限制燃烧室106的峰值操作温度的系统100的示意图。在所示实施例中，系统100包括具有至少一个往复能量传递装置或活塞108的发动机101(例如双冲程或四冲程发动机)的一部分，所述往复能量传递装置或活塞至少部分地在相应的燃烧室106内移动。系统100也包括一个或多个气流阀110(单独地识别为第一阀110a和第二阀110b)，所述气流阀可操作地允许气流进入燃烧室
106并且允许排气离开燃烧室106。例如，第一阀110a可以是进气阀，允许入口气流经由第一或进气通道109a进入燃烧室106，并且第二阀110b可以是排气阀，允许气流和/或排气经由第二或排气通道109b离开燃烧室106。尽管在图1A中显示了两个阀，但是本领域的普通技术人员将领会系统可以包括两个以上阀110。

[0016] 系统100还包括一体化喷射器点火器102(“喷射器102”)，该一体化喷射器点火器被配置成将燃料和/或冷却剂喷射到燃烧室106中，并且点燃燃烧室106中的燃料和/或冷却剂。在某些实施例中，喷射器可以包括在2010年12月6日提交的、名称为“配置成喷射多种燃料和/或冷却剂的一体化燃料喷射器点火器以及相关使用和制造方法(INTEGRATED FUEL INJECTOR IGNITERS CONFIGURED TO INJECT MULTIPLE FUELS AND/OR COOLANTS AND ASSOCIATED METHODS OF USE AND MANUFACTURE)”并且通过引用完整地被合并于本文中的美国专利申请第12/961,461号中描述的喷射器的任何特征。在其它实施例中，喷射器102可以包括在上面通过引用完整地被合并的共同未决专利申请中描述的任何一体化喷射器点火器的特征。例如，喷射器102可以包括一个或多个一体化点火特征(例如用于启动火花、等离子或其它合适的点火事件)。根据本公开的实施例并且如下面详细地所述，喷射器102也可以在操作期间将两种或以上燃料、冷却剂、或燃料和冷却剂的组合自适应地喷射到燃烧室106中。当在本文中使用时，术语冷却剂可以包括在燃烧室106中产生冷却(例如降低燃烧室中的温度和/或将热传递到燃烧室106的部件之外)的任何温度控制流体(例如，气体或液体)。例如在一个实施例中，冷却剂可以包括不燃烧流体。然而在其它实施例中，冷却剂可以包括燃料，该燃料与在喷射冷却剂之前在燃烧室106中点燃和/或燃烧的另一种燃料相比在更低的温度下点燃和/或燃烧。在更进一步的实施例中，冷却剂可以是含氢冷却剂(例如，含氢的冷却剂)。如下面详细地所述，可以控制喷射器102以基于燃烧室
106的性质自适应地调节燃料/冷却剂喷射的型式和/或频率。

[0017] 在图1所示的实施例中，系统100也包括用于自适应地控制燃烧室106中的燃料/冷却剂输送和点火的多个感测和/或计算装置。例如，喷射器102可以包括检测并且传送燃烧室性质的一个或多个传感器。更具体地，喷射器102可以包括位于暴露于燃烧室106的接口的喷射器102的远端部分上的一个或多个光纤元件。如根据本文中的各实施例所述，这些传感器也可以包括用于测量燃烧室温度和压力的各种手段和装置，包括利用由喷射器102的光纤部分发射的红外IR光、可见光和/或紫外光的高频探头。例如，用于测量燃烧室温度和/或压力的装置可以包括Fabry-Perot干涉计。在其它实施例中，燃烧室106内的温度和/或压力分布图可以根据以下参数确定：时间或可以使用本领域中已知的其它类型的合适温度和/或压力传感器测量的其它参数。这样的温度传感器例如可以包括各种类型的热电偶、电阻和IR装置，并且这样的压力传感器例如可以包括各种类型的换能器和压电装置。

[0018] 在所示实施例中，来自燃烧室106的温度和/或压力数据(或其它燃烧室性质)可以由可选的感测模块112(以虚线显示)处理。这样的处理例如可以包括在将数据传输到计算机114之前筛选、转换和/或格式化数据。计算机114可以包括一个或多个处理器116，用于分析来自燃烧室106的数据以确定何时并且如何改变来自喷射器102的喷射和点火特性。处理分析的结果可以存储在本地存储器118或相关数据库119中。

[0019] 根据所示实施例的附加特征，系统100也包括燃料源或燃料储存器120，该燃料源或燃料储存器可操作地联接到喷射器102以经由喷射器102将燃料和/或冷却剂输送到燃烧室106。燃料源120可以储存或以另外方式提供到达一种或多种燃料F和/或一种或多种冷却剂C的通路。尽管燃料源120示意性地显示为具有多种燃料F和冷却剂C，但是本领域的普通技术人员将领会不同燃料和/或冷却剂可以储存在独立容器中。燃料源120也可操作地联接到计算机116并且可以可选地包括一个或多个处理器122以用于选择性地控制将燃料F和/或冷却剂C分配到喷射器102。

[0020] 在下面参考图2A-2E详细地描述了系统100的操作。更具体地，图2A-2E是图1的系统100的一部分的一系列示意图，示出了例如包括进气冲程、压缩冲程、动力冲程和排气冲程的操作周期。首先参考图2A，图2A示出了在该周期的进气冲程期间的直喷式系统100。在进气冲程期间，活塞108开始于上死点(“TDC”)位置，在该位置活塞108产生燃烧室的最小容积(未在图2A中显示)。当活塞108移动远离TDC以膨胀燃烧室106的容积(例如，沿箭头232的方向)时可以喷射燃料以产生相对均匀的进气，系统100将进气流
230吸引到燃烧室106中。在接下来的压缩和/或动力冲程期间，可燃烧燃料和空气的混合物的相对分层进气的产生由燃料喷射系统提供。更具体地，在进气冲程期间，随着活塞108移动远离TDC，第二阀110b保持闭合并且第一阀110a至少部分地打开以允许进气流230进入燃烧室106。

[0021] 在某些实施例中，系统100被配置成使得在随后的燃烧事件之前阀110保持燃烧室106中的环境压力或正压力。例如，系统100可以在不节流或以另外方式阻碍进气流230进入燃烧室106中的情况下操作进气冲程，使得在进气冲程期间不在燃烧室106中产生真空。由于燃烧室106中的环境压力或正压力，过量氧化剂会形成邻近燃烧室的表面(例如，气缸壁、活塞、发动机缸盖等)的绝缘屏障。当活塞108沿着箭头232的方向继续并且接近或到达下死点(“BDC”)时，这时活塞108处于它的冲程的末尾，由此产生燃烧室106的最大容积，第一阀110a闭合以密封燃烧室106。

[0022] 在某些实施例中，系统100还可以被配置成在进气、压缩、动力或排气冲程期间将燃料F引入燃烧室106中。例如，在预定操作条件(例如高负荷要求或高扭矩要求)期间，喷射器102可以在气流230的吸入期间将燃料F分配到燃烧室106中。而且，当引入燃料F时，喷射器102可以将燃料F的层状或分层进气引入燃烧室106中，以及使用其它期望的燃料分配型式和喷射频率，例如如上面通过引用被合并的申请中所公开。在某些实施例中，将燃料F引入燃烧室106中产生在燃烧的均匀空气燃料混合物。然而在更进一步的实施例中，系统100可以操作使得在活塞108的压缩和/或动力冲程期间喷射器102将燃料计量喷射到燃烧室中以产生分层进气。

[0023] 接着参考图2B，图2B示出了周期的压缩部分或压缩冲程期间的系统100。在压缩冲程期间，阀110闭合并且活塞108远离BDC朝着TDC移动(例如，沿着箭头234的方向)。当活塞108朝着TDC移动时，活塞108减小燃烧室106的容积并且因此增加燃烧室106内的压力。在某些实施例中，在压缩冲程期间喷射器102可以将燃料F分配到燃烧室106中。
例如，在预定操作条件期间，例如为了产生最大燃料经济性，特别是与低负荷或低扭矩要求结合，喷射器102可以在活塞108的压缩冲程期间分配燃料F。而且，喷射器102可以以任何期望的分配型式、形状、分层等分配燃料F，如上所述。因而，在压缩冲程期间，当活塞108减小腔106的容积时，活塞108可以压缩空气-燃料混合物。然而在其它实施例中，系统100可以操作使得在活塞108的压缩冲程期间喷射器102不会将燃料F引入燃烧室106中。

[0024] 接着参考图2C，当活塞108接近TDC或从TDC扩展时，喷射器102产生一个或多个点火事件以点燃或以另外方式启动燃烧室106中的空气燃料组合的燃烧。例如，喷射器102可以包括一个或多个一体化点火特征(例如，用于启动火花、等离子或其它合适的点火事件的特征)，如上面通过引用被合并的申请中所公开。在某些实施例中，当活塞108到达TDC时喷射器102可以产生点火事件。然而在其它实施例中，在活塞108到达TDC之前和/或在活塞108移动远离TDC之后，喷射器102可以产生点火事件。

[0025] 接着参考图2D，图2D示出了在周期的动力部分或动力冲程期间的系统100，该动力部分或动力冲程是由系统100生成的扭矩或动力的来源。在动力冲程期间，第一和第二阀110保持闭合，并且由压缩空气燃料混合物的燃烧产生的压力沿箭头232所指示的方向朝着BDC推动活塞108。根据所示实施例的特征，在动力冲程期间喷射器102选择性地将冷却剂C直接分配到燃烧室106中，以冷却燃烧室106或以另外方式控制或限制峰值燃烧温度。如下面详细地所述，在喷射器102在动力冲程期间分配冷却剂C的情况下，系统100可以自适应地确定在哪些动力冲程期间喷射器102将分配冷却剂C。例如，在系统100的操作期间，系统100可以感测燃烧室部件的温度，以确定每隔两个动力冲程喷射器102应当分配冷却剂C。然而在其它实施例中，系统100可以确定需要以更高频率(例如，每个动力冲程或每隔一个动力冲程)或更低频率(例如，每隔三个或以上动力冲程)喷射冷却剂C。因此可以基于系统100的操作条件自适应地确定并且控制确定何时喷射冷却剂C。在更进一步的实施例中，确定何时喷射冷却剂可以使燃烧室温度与系统的传动系部件的加速关联或以另外方式确定燃烧室温度，如在2010年7月21日提交的、名称为“用于在发动机中的燃烧期间减小氮氧化物的形成的方法和系统(METHODS AND SYSTEMS FOR REDUCING THE FORMATION OF OXIDES OF NITROGEN DURING COMBUSTION IN ENGINES)”并且通过引用完整地被合并于本文中的美国专利申请第12/804,508中所述。

[0026] 尽管在下面详细论述了根据本公开的实施例的喷射冷却剂C的附加优点，但是在动力冲程期间喷射冷却剂C的一个优点是能够改善燃烧室106中的燃烧的容积效率和额定比容。例如，相比于限制燃烧的燃料量的常规高温条件，在动力冲程期间选择性地冷却燃烧室106允许在相同的容积下每个周期或单位时间更多的燃料燃烧。在动力冲程期间允许更多的燃料燃烧因此提供来自系统的更多功率输出。推断优点在于燃烧室部件变为一种类型的热飞轮，提供冷却剂C的快速加热以产生膨胀和做功，从而增加发动机的净功率产生。

[0027] 接着参考图2E，图2E示出了在周期的排气部分或排气冲程期间的系统100。在排气冲程期间，第一阀110a保持闭合，第二阀110b打开，并且活塞108返回TDC(例如，沿箭头234的方向)。当活塞108减小燃烧室106的容积并且第二阀110b打开时，排气流236从燃烧室106去除燃烧产物。根据所示实施例的特征，喷射器102可以在排气冲程期间选择性地将冷却剂C直接分配到燃烧室106中以冷却燃烧室106或以另外方式控制或限制燃烧室106的峰值温度。如下面详细地所述，在喷射器102在排气冲程期间分配冷却剂C的情况下，系统100可以自适应地确定在哪些排气冲程期间喷射器102将分配冷却剂C。例如，在系统100的操作期间，系统100可以确定每隔两个排气冲程喷射器102应当分配冷却剂C。然而在其它实施例中，系统100可以确定需要以更高频率(例如，每个排气冲程或每隔一个排气冲程)或更低频率(例如，每隔三个或以上排气冲程)喷射冷却剂C。在更进一步的实施例中，排气冲程期间的冷却剂C的喷射可以紧接在动力冲程期间的冷却剂C的喷射之后。

[0028] 如上所述，根据本公开的实施例配置的系统在周期的动力冲程和/或排气冲程部分期间将冷却剂自适应地分配到燃烧室中。然而，这些系统在周期的进气冲程和/或压缩冲程部分期间不喷射冷却剂，但是在某些实施例中这些系统可以被修改成在进气冲程和/或压缩冲程期间喷射冷却剂。而且，这些系统可以检测在动力冲程和/或排气冲程期间需要喷射冷却剂的特定条件。以该方式，这些系统可以自适应地或反应性地控制冷却剂喷射的定时、冷却剂的喷射量、喷射冷却剂的分配型式等。而且，操作条件例如可以包括燃烧室中的温度以及可以与燃烧室温度关联或以另外方式相关的其它性质。影响冷却剂喷射的自适应控制的其它因素可以包括发动机的功率需求、冷却剂的类型、冷却剂密度、冷却剂粘度、燃烧室几何形状(包括活塞几何形状)、共振、活塞位置和速度等。附加因素可以包括形成围绕燃烧的绝缘包层的燃烧室中的过剩空气量。例如，这些系统可以响应于以下确定自适应地喷射冷却剂，即确定了不足的过剩空气绝缘包层存在于燃烧室中，由此导致燃烧室中的一个或多个淬熄区域。而且，尽管参考周期的进气、压缩、动力和排气冲程或部分描述了本文中所述的实施例的特征，但是本领域的普通技术人员将领会这些冲程可以是四冲程或双冲程发动机以及其它类型的发动机的部分。因此，本公开的实施例不仅仅限于在四冲程配置下操作的发动机。

[0029] 通过在动力冲程或排气冲程期间喷射冷却剂选择性地并且自适应地冷却燃烧室的根据本公开的实施例配置的系统提供若干优点。一个优点例如在于：选择性冷却改善了空气燃料进气的容积效率，以及周期的额定比容。附加益处包括防止燃烧室中的表面的污染，以及通过减小操作温度防止燃料的提前点火。而且，这样的实施例可以消除由发动机的常规冷却部件产生的寄生损失。例如，根据本公开的实施例配置的系统或发动机可以消除对散热器、水泵、水套、气泵、板翼式热交换器或以另外方式从系统吸收能量的类似热交换部件的需要。除了消除这些寄生能量损失以外，消除这些或类似部件减小了系统的重量，以及用于制造、寻求来源和安装这些部件的投资资本，并且消除或减小常规冷却系统部件的相关故障和维护成本。

[0030] 附加益处包括增加系统的寿命，并且特别地，增加特别容易磨损和疲劳的部件的寿命。例如，如本文中所公开的动力冲程和/或排气冲程期间的选择性冷却可以减小活塞、活塞环、油、阀头、发动机缸盖等的操作温度。而且，活塞可以在燃烧室中以更高频率往复或以另外方式操作以燃烧更多总燃料，在高负荷条件下产生发动机的更大功率输出。此外，并且如上所述，可以在动力冲程和排气冲程期间喷射冷却剂而不在燃烧室中产生污染或其它不良效应。例如，当喷射器在层状或分层进气中分配冷却剂时，燃烧室中的空气的绝缘层可以保护燃烧室中的部件的表面。由本公开的实施例产生的另一个优点是能够将燃烧室峰值温度限制到预定值，例如2200摄氏度或更小，例如以避免氮氧化物的形成。相比于把焦点集中于清洁来自废气的有害排放的常规方法，本文中所述的方法和系统的另一个益处在于它们停止或至少减小源头处(即，燃烧室中)的氮氧化物的形成。

[0031] 图3是根据本公开的另一个实施例配置的系统300的示意图。系统300包括在结构和功能上大体类似于上面参考图1-2E所述的系统100的相应特征的若干特征。例如，系统300包括具有活塞308的发动机301，该活塞通过双冲程或四冲程操作的进气、压缩、动力和排气事件相对于燃烧室306移动。为了举例说明，该系统也包括可操作地允许气流进出并从燃烧室306出来的一个或多个气流阀310(单独地识别为第一气流阀310a和第二气流阀310b)。然而在所示实施例中，系统300也包括喷射和点火子组件303。更具体地，子组件303包括第一喷射器302a、第二喷射器302b和点火器305。在某些实施例中，第一喷射器302a可以将第一燃料分配到燃烧室306中并且第二喷射器302b可以将冷却剂分配到燃烧室306中。而且，点火器305可以点燃由第一和第二喷射器302a、302b分配到燃烧室306中的燃料和/或冷却剂。尽管图3将第一喷射器302a、第二喷射器302b和点火器305示出为独立部件，但是在某些实施例中这些部件中的一个或多个可以是单部件的一体化部分。例如，第一喷射器302a和第二喷射器302b可以是与点火器305分离的单喷射器。然而在其它实施例中，第一和第二喷射器302a、302b中的一个可以与点火器305组合并且与相应的第一或第二喷射器302a、302b分离。在更进一步的实施例中，点火器305可以从系统300省略并且点火可以基于压缩的。在更进一步的实施例中，点火器305可以是电热塞或类似部件以至少部分地帮助基于压缩的点火系统。

[0032] 图4是根据本公开的实施例的用于冷却发动机的燃烧室的程序或方法450的流程图。程序450可以由发动机管理计算机、发动机控制单元(ECU)、专用集成电路(ASIC)、处理器、计算机和/或其它合适的可编程发动机控制装置控制或执行。方法450可以用于冷却燃烧室，活塞或其它往复式能量传递装置通过包括进气、压缩、动力和排气冲程的周期在所述燃烧室中移动，大体上如上所述。例如，方法450包括将燃料喷射到燃烧室中(方块452)。如上面参考图2-2E详细地所述，一体化喷射器/点火器可以在周期期间的活塞的进气冲程和/或压缩冲程期间将燃料分配到燃烧室中。更具体地，例如，在高负荷或扭矩要求下喷射器可以在进气冲程期间将燃料的至少一部分分配到燃烧室中以形成燃料和空气的均匀进气。在期望更高燃料经济性时和/或在更低功率或扭矩要求下，喷射器可以在压缩冲程期间以分层或层状型式分配燃料。方法450也包括产生点火事件以点燃燃烧室中的燃料(方块454)。在某些实施例中，将燃料分配到燃烧室中的喷射器也可以产生点火事件以点燃燃料。然而在其它实施例中，独立点火源可以用于点燃燃烧室中的燃料空气进气。而且，当活塞在压缩冲程中到达TDC时以及在活塞在压缩冲程中到达TDC之前和/或之后可以产生点火事件。

[0033] 方法450还包括监测燃烧室的温度(方块456)。监测温度例如可以包括用由喷射器或由燃烧室的其它部件携带的一个或多个传感器直接监测燃烧室的温度。在其它实施例中，监测燃烧室的温度可以包括检测或监测可以与燃烧室温度关联的燃烧室性质，例如压力、光学性质和/或声学性质。方法450附加地包括确定燃烧室温度是否等于或高于预定值(决策方块458)。在某些实施例中，例如，可能期望确定燃烧室中的温度是否达到2200摄氏度，该温度是用于形成氮氧化物的阈值。然而在其它实施例中，温度的阈值可以大于或小于2200摄氏度。

[0034] 当系统确定温度低于或等于预定值时，该方法包括继续操作通过周期的进气、压缩、动力和排气冲程，以及喷射并且点燃燃料，如上所述。然而，当燃烧室温度高于或接近预定值时，该方法还包括仅仅在周期的动力冲程和/或排气冲程中的一个期间将冷却剂自适应地引入燃烧室中(方块460)。如果系统确定燃烧区超过过剩空气绝缘包层并且接近淬熄区域，则该方法也可以包括在动力冲程和/或排气冲程分配冷却剂。在某些实施例中，分配燃料和/或点燃燃料的喷射器也可以分配冷却剂。同样如上所述，冷却剂可以包括通过将热传递到燃烧室的部件之外在燃烧室中产生冷却的任何流体(例如，气体或液体)。例如，冷却剂可以包括不燃烧流体。然而在其它实施例中，冷却剂可以包括燃料，该燃料在比进气冲程和/或压缩冲程期间引入燃烧室中的燃料更低的温度下点燃和/或燃烧。在更进一步的实施例中，冷却剂可以是含氢(例如，含氢组分)冷却剂。

[0035] 除了响应燃烧室温度自适应地喷射冷却剂以外，方法450也可以包括自适应地控制冷却剂进入燃烧室中的爆炸频率。方法450还可以包括自适应地控制冷却剂进入燃烧室中的分配型式或喷雾。例如，如果系统确定燃烧室正在接近温度极限或淬熄区域或具有较高温度的燃烧室的一部分，则系统可以自适应地控制冷却剂分布的频率、方向、量和/或型式以靶向高温的区域。更具体地，如上面通过引用被合并的专利申请中所述的若干喷射器公开了用于自适应地致动或控制喷射器的阀的特征，所述特征可以用于根据本公开的实施例的喷射器中。在将冷却剂喷射到燃烧室中以降低燃烧的和/或燃烧室部件的峰值温度之后，方法450可以返回方块452并且重复。

[0036] 在更进一步的实施例中，该方法可以包括在除了燃烧室温度以外的预定条件下将冷却剂喷射到燃烧室中。例如，当发动机在预定功率负荷(例如由快速加速、拖车、爬山等产生的高功率负荷或高扭矩负荷)下时，该方法可以包括在每个动力冲程和/或排气冲程期间喷射冷却剂。在较低功率或扭矩负荷下该方法可以包括以更低频率(例如，每隔三个或以上动力冲程)喷射冷却剂。

[0037] 2.用于自适应地冷却燃烧室的系统和方法的附加实施例

[0038] 根据本公开的附加实施例，一种控制发动机中的燃烧室中的温度的方法可以包括在发动机的预定操作条件期间在动力冲程和/或排气冲程期间将冷却剂喷射到燃烧室中。在这些实施例中，例如，冷却剂喷射可以基于不同于燃烧室的温度或除了燃烧室的温度以外的发动机的操作条件。更具体地，一种控制燃烧室中的温度的方法可以包括将燃料引入发动机的燃烧室中，其中诸如转子、活塞或其它部件的能量传递装置通过进气、压缩、动力和排气事件至少部分地在燃烧室内移动，并且导致燃料在燃烧室中燃烧。该方法还可以包括针对发动机的预定操作条件监测发动机。在某些实施例中，预定操作条件可以包括增加的功率或扭矩要求。例如，预定操作条件可以包括加速、爬山、拖曳拖车或其它负载和/或其它高功率或高扭矩要求。当发动机在预定操作条件下操作时，该方法还包括仅仅在动力冲程和排气冲程中的至少一个期间将冷却剂引入燃烧室中。

[0039] 根据附加实施例，该方法还可以包括除了发动机的操作条件以外监测燃烧室的温度，并且当该温度达到预定值时，仅仅在动力冲程和排气冲程中的至少一个期间将冷却剂引入燃烧室中。而且，将冷却剂引入燃烧室中可以包括引入不在燃烧室中燃烧的冷却剂。此外，将燃料引入燃烧室中可以包括引入在燃烧室中产生第一燃烧温度的燃料，并且将冷却剂引入燃烧室中可以包括引入在燃烧室中产生第二燃烧温度的冷却剂，第二温度小于第一温度。另外，将冷却剂引入燃烧室中可以包括引入至少部分地包含氢的冷却剂。

[0040] 根据本公开的另外实施例，方法和系统可以涉及当温度低于理想操作温度时在动力冲程和/或排气冲程期间将冷却剂或温度控制流体喷射到燃烧室中。例如，在某些情况下，燃烧室的理想操作温度可以小于最大操作温度或其它预定最大温度，例如2200摄氏度，该温度是用于形成氮氧化物(NOX)的阈值温度。尽管在2200摄氏度处或附近操作可能是有益的，但是在某些实施例中为了通过改善燃烧室中的燃烧的容积效率和额定比容而获得发动机的更大的比功率输出，可以将操作温度控制得更低。可以通过仅仅在动力冲程和/或排气冲程期间喷射冷却剂或其它温度控制流体而实现燃烧室的该控制。

[0041] 图5是根据本公开的另一个实施例配置的包括涡轮机506的系统500的示意图。图5中所示的涡轮机506可以用冷却剂或温度控制流体进行操作，如上所述。更具体地，在所示实施例中系统500包括联接到喷射器502的燃料源501。燃料源可以储存一种或多种燃料和冷却剂。喷射器502可以包括上述特征中的任何一个，包括在通过引用被合并于本文中的申请中描述并且涉及自适应地喷射多种燃料和/或冷却剂以及点燃燃料和冷却剂的任何喷射器的特征。例如，喷射器502被配置成喷射燃料或冷却剂，由此产生喷射事件
504(例如，喷射燃料和/或冷却剂)。在一些实施例中，喷射事件504也可以包括点燃燃料和/或冷却剂，由此产生燃烧事件。

[0042] 在所示实施例中，涡轮机506包括多个转子510和定子512(单独地识别为第一至第六转子510a、510b、510c、510d和510f以及第一至第四定子512a、512b、512c和512d)。转子510和相应的定子512由轴508(例如，驱动轴、输出轴等)承载，该轴可以在操作期间传递来自转子510的旋转能。涡轮机500可以是驱动一个或多个负载(例如发电机或压缩器)的独立系统。在其它实施例中，涡轮机500例如可以用作用于另一个发动机(例如，如上面参考图1-3所述的发动机100或300)的涡轮增压器。

[0043] 例如，喷射事件504可以产生驱动或旋转转子510的燃烧。在操作期间，转子510或涡轮机506的其它部分可以形成导致涡轮机506的低效和/或涡轮机506的部件的增加或过早磨损的热或高温部段。根据本公开的实施例，不同于为喷射事件504喷射燃料并且点燃燃料，喷射器502可以被配置成将冷却剂或温度控制流体直接喷射到一个或多个转子510的热部段中。如上所述，冷却剂可以包括在比操作期间使用的其它燃料更低的温度下点燃并且燃烧的燃料或其它流体。因此，转子510处或附近的冷却剂的直接喷射可以在操作期间提供涡轮机的有益和自适应冷却以用于改善功率输出以及转子510和其它部件的增加磨损。

[0044] 在附加实施例中，在涡轮机506处并且更具体地在转子510处引入的冷却剂可以包括从内燃机的燃烧室排出的冷却剂，所述燃烧室例如包括上面关于发动机100或300的操作所述的燃烧室。例如，在上面参考图1-4所述的燃烧室的任何实施例中，来自燃烧室的排气可以包括过量空气或过量燃料(例如氢)以及其它流体和气态冷却剂。当涡轮机506在下游或者处于与一个或多个上游燃烧室级联的配置时这些排出冷却剂可以被引入涡轮机506中。因而，来自燃烧室的排出冷却剂因此可以被引入涡轮机506的热部段中(例如包括转子510处)，从而减小操作温度以用于改善性能和增加寿命。

[0045] 图6是根据本公开的又一个实施例配置的系统600的示意图。根据所示实施例的若干特征，系统600被配置成用于用冷却剂冷却一个或多个发电或调节部件，并且随后经由直接喷射用相同冷却剂冷却燃烧室，如上面参考图1-4所述。例如，混合、电驱动、以及再生驱动或制动系统可以包括若干发电部件，例如交流发电机、变压器、电池、发电机、燃料电池等。类似于上述的实施例，冷却剂可以包括任何温度控制流体或气体，例如包括氢。

[0046] 在所示实施例中，系统600包括经由冷却剂入口管道或管线602联接到发电部件604的冷却剂源601。发电部件604可以包括一个或多个电路606。系统600还可以包括离合器管理系统608，该离合器管理系统内联或联接到制动和/或发电部件，以及包括一个或多个燃烧室、能量传递装置、喷射器等的内燃机612的至少一部分，如上面参考图1-4所述。
离合器管理系统608被配置成管理功率或将功率分配给系统600的一个或多个功率输出部件，并且旨在表示可以受益于从发电部件604至发动机612的上游冷却的至少一个混合发动机部件。系统600也包括流体地联接到发电部件604和/或离合器管理系统608的冷却剂输送管道、轨道或管线610。冷却剂管线610也流体地联接到发动机612以将来自发电部件604和/或离合器管理系统608的冷却剂输送到发动机612。系统600还包括输出轴
614(其中的部分单独地识别为614A和614B)，该输出轴将来自发电部件604和/或发动机
612的输出能量传递或输送到能量传递部件，例如一个或多个驱动轮616(单独地识别为第一驱动轮616A和第二驱动轮616B)。离合器管理系统608被配置成允许或管理驱动轮616的各种操作条件。例如，在某些实施例中，离合器管理系统608可以允许每一个驱动轮616上的电驱动器和/或发动机处于相同或不同的RPM，以及允许电驱动器在驱动轮616中的一个上并且发动机驱动器在另一个驱动轮616上。离合器管理系统608还可以通过在驱动轮
616的任一个上的发电部件604允许或管理再生制动。

[0047] 在操作中，发电部件604和/或离合器管理系统608生成热。当这些部件的温度增加时或在其它预定操作条件期间，冷却剂入口管线602将冷却剂输送到发电部件604和/或离合器管理系统608以冷却或以另外方式控制这些部件的操作温度。冷却剂可以通过或围绕这些部件循环，并且然后经由冷却剂输送管线610输送到发动机612的下游(或者例如涡轮机系统，例如上面参考图5所述的涡轮机500)。在发动机612处，可以喷射冷却剂，如上面参考图1-4所述，例如包括仅仅在相对于燃烧室移动的活塞的排气冲程和动力冲程中的至少一个期间，由此限制或控制发动机612的操作温度。即使在冷却发电部件604和/或离合器管理系统608之后，由于发动机612(或类似发动机或上述的涡轮机500)中的燃烧室的高操作温度，冷却剂的温度也将仍然足以用于发动机612中的冷却或其它温度控制。因而，发动机612用作用于热发电部件的散热器。这样的配置例如可以有用于这样的系统，例如混合动力车辆、具有燃料电池的车辆、具有发电机的车辆、具有发电机的固定发动机等。

[0048] 图7是根据本公开的实施例的用于冷却一个或多个发电部件并且用于冷却发动机的燃烧室的方法700(例如级联方法或冷却剂再循环方法)的流程图。在所示实施例中，方法700包括启动系统(方块702)。系统可以包括上面参考图6所述的任何合适的发电部件。例如，并且参考图7，系统可以包括典型地包括在电驱动系统(方块704a)、热发动机驱动系统(方块704b)、和/或电和热发动机驱动系统(方块704c)以及具有发电部件的其它合适的驱动系统中的至少一个中的任何发电部件。方法700还包括将冷却剂或温度控制流体循环到一个或多个电驱动部件或发电部件(方块706)。在某些实施例中，将冷却剂循环到一个或多个电驱动部件可以包括将冷却剂循环到串联或并联布置的多个电驱动部件，由此以级联方式在一个或多个电驱动部件之间循环冷却剂。

[0049] 方法700还包括将冷却剂循环或引入热发动机驱动系统中(方块708)。热发动机驱动系统例如可以包括具有能量传递部件的任何内燃机(例如，双冲程或四冲程活塞发动机、旋转式燃烧发动机、燃气涡轮发动机、和/或这些或其它合适的发动机的任何组合)。而且，引入热发动机驱动系统中的冷却剂包括先前循环通过热发动机驱动系统的上游的一个或多个电驱动部件的相同冷却剂。在某些实施例中，方法700还可以包括将来自热驱动发动机的冷却剂(例如，排出冷却剂)循环到一个或多个附加热驱动发动机、电驱动系统、和/或热驱动和电驱动发动机的组合(方块710)。

[0050] 综上所述，将领会已在本文中为了举例说明而描述了本公开的具体实施例，但是可以进行各种修改而不脱离本公开的精神和范围。例如，本文中所述的用于燃烧室冷却的方法和系统可应用于各种燃料电池和/或包括内燃机的发动机，例如旋转式燃烧发动机、双冲程或四冲程活塞发动机、无活塞发动机等。而且，这些方法和系统可以通过用过剩氧化剂(例如空气)绝缘燃烧以大致实现绝热燃烧而提供这样的发动机的操作。在一个实施例中，这可以通过以下方式实现，首先用氧化剂填充燃烧室并且然后在发生点火的相同位置加入燃料以在过量氧化剂内提供燃料燃烧的一个或多个分层进气，从而使到达燃烧室表面的热传递最小化。因此，本公开除了受到附带的权利要求限制以外不受限制。

[0051] 在先前未通过引用被合并的范围内，本申请通过引用完整地合并以下材料的每一个的主题：于2009年8月27日提交的并且名称为“电解槽和能量独立技术(ELECTROLYZER AND ENERGY INDEPENDENCE TECHNOLOGIES)”的美国专利申请第61/237,476号；于2010年2月17日提交的并且名称为“电解池及其使用方法(ELECTROLYTIC CELL AND METHOD OF USE THEREOF)”的美国专利申请第12/707,651号；于2009年8月27日提交的并且名称为“全谱能量(FULL SPECTRUM ENERGY)”的美国专利申请第61/237,479号；于2009年5月14日提交的并且名称为“能量独立技术(ENERGY INDEPENDENCE TECHNOLOGIES)”的美国专利申请第61/178,442号；于2010年2月17日提交的并且名称为“用于控制电解期间的成核的装置和方法(APPARATUS AND METHOD FOR CONTROLLING NUCLEATION DURING ELECTROLYSIS)”的美国专利申请第12/707,653号；于2010年2月17日提交的并且名称为“用于电解期间的气体俘获的装置和方法(APPARATUS AND METHOD FOR GAS CAPTURE DURING ELECTROLYSIS)”的美国专利申请第12/707,656号；于2001年10月1日提交的并且名称为“用于可持续能量和材料的方法和装置(METHOD AND APPARATUS FOR SUSTAINABLE ENERGY AND MATERIALS)”的美国专利申请第09/969,860号；于2010年8月16日提交的并且名称为“通过可再生能量、物力资源和养分状况的一体化生产的可持续发展经济(SUSTAINABLE ECONOMIC DEVELOPMENT THROUGH INTEGRATED PRODUCTION OF RENEWABLE ENERGY MATERIALS RESOURCES，AND NUTRIENT REGIMES”的美国专利申请第12/857,553号；
于2010年8月16日提交的并且名称为“通过可再生能量的一体化全系列生产的可持续经济发展的系统和方法(SYSTEMS AND METHODS FOR SUSTAINABLE ECONOMIC DEVELOPMENT THROUGH INTEGRATED FULL SPECTRUM PRODUCTION OF RENEWABLE ENERGY)”的美国专利申请第12/857,541号；于2010年8月16日提交的并且名称为“通过使用太阳热的可再生物力资源的一体化全系列生产可持续经济发展的系统和方法(SYSTEMS AND METHODS FOR SUSTAINABLE ECONOMIC DEVELOPMENT THROUGH INTEGRATED FULL SPECTRUM PRODUCTION OF RENEWABLE MATERIAL RESOURCES USING SOLAR THERMAL)”的美国专利申请第12/857,554号；于2010年8月16日提交的并且名称为“用于居住支持的能量系统(ENERGY SYSTEM FOR DWELLING SUPPORT)”的美国专利申请第12/857,502号；代理人档案号为69545-8505.US00，于2011年2月14日提交并且名称为“具有在线选择提取装置的输送系统和相关操作方法(DELIVERY SYSTEMS WITH IN-LINE SELECTIVE EXTRACTION DEVICES AND ASSOCIATED METHODS OF OPERATION)”；以及于2010年8月16日提交的并且名称为“用于生产能量、物力资源和养分状况的自发系统和过程的综合成本建模(COMPREHENSIVE COST MODELING OF AUTOGENOUS SYSTEMS AND PROCES SES FOR THE PRODUCTION OF ENERGY，MATERIAL RESOURCES AND NUTRIENT REGIMES)”的美国专利申请第61/401,699号。

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用于自适应地冷却发动机中的燃烧室的方法和系统

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