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使用 碳氢 燃料的 内燃机

阅读：184发布：2020-09-04

专利汇可以提供使用碳氢燃料的内燃机专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且提供一种内冷却的内燃活塞式发动机及操作该活塞式发动机的方法，具有液态水注射、比传统发动机高的压缩比、以及比传统发动机的空气燃料混合物更贫的空气燃料混合物。这里，发动机的有效压缩比大于13:1。发动机可以采用汽油或天然气，并使用火花点火，或者发动机可以使用柴油型燃料并使用压缩点火。液态水注射提供内冷却、减少或消除了排出到散热器的热，减少发动机爆震，并减少NOx的排放。使用具有液态水注射、高压缩比和贫空气燃料混合物的内冷却的发动机操作方法允许更完全并更有效的燃烧，因此，相比于传统的发动机热效率更好。，下面是使用碳氢燃料的内燃机专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种使用碳氢燃料的内燃机，所述内燃机包括：至少一个汽缸及在所述汽缸中往复运动的活塞、至少一个进气阀、至少一个排放阀、以及具有至少一个燃料注射器的燃料处理系统，所述内燃机包括：
水注射器，与水源接合，用于向所述汽缸中注射液态水；
可编程的控制装置，所述可编程的控制装置设置成用于控制所述内燃机的操作，所述可编程的控制装置接收所述内燃机内的一个或多个实时温度值并响应性地调节所注射水的量和提供给所述至少一个汽缸的空燃比，所述可编程的控制装置控制所述水注射器的启动以在压缩冲程期间在所述活塞的上死点(TDC)之前从180°到30°在一时间向所述汽缸注射一定量的液态水，所述水注射器所注射的水的量大于所述汽缸内的环境空气中的水蒸气饱和点时所存在的水的量并且达到注射到所述内燃机汽缸中的燃料的量的大约800％w/w，其中，提供给所述至少一个汽缸的空燃比大于化学计量，并且所述内燃机具有的有效压缩比大于大约13:1。
2.根据权利要求1所述的内燃机，其中，所述燃料或水或者两者都直接注射到所述汽缸中。
3.根据权利要求1所述的内燃机，其中，所述燃料或水或者两者都通过端口注射到与所述至少一个进气阀流体连通的进口歧管中。
4.根据权利要求1所述的内燃机，其中，在内燃机循环中注射的水的量是发动机进口处约25℃的环境温度下的饱含水蒸气的空气所携带的水蒸气的量的1.05至10倍。
5.根据权利要求1所述的内燃机，其中，在内燃机循环中注射的水的量是注射到所述内燃机汽缸中的燃料的量的20％至800％w/w。
6.根据权利要求1所述的内燃机，其中，在内燃机循环中注射的液态水的量是注射到所述内燃机汽缸中的燃料的量的40％至400％w/w。
7.根据权利要求1所述的内燃机，其中，在内燃机循环中注射的液态水的量是注射到所述内燃机汽缸中的燃料的量的50％至300％w/w。
8.根据权利要求1所述的内燃机，其中，在内燃机循环中注射的液态水的量是注射到所述内燃机汽缸中的燃料的量的60％至200％w/w。
9.根据权利要求1所述的内燃机，进一步包括为所述汽缸中的燃烧提供点火的火花塞、电热塞、等离子体点火器、或激光点火器。
10.根据权利要求1所述的内燃机，所述内燃机是压缩点火发动机。
11.根据权利要求1所述的内燃机，进一步包括大于大约15:1的有效压缩比。
12.根据权利要求1所述的内燃机，进一步包括大于大约20:1的有效压缩比。
13.根据权利要求1所述的内燃机，进一步包括大于大约25:1的有效压缩比。
14.根据权利要求1所述的内燃机，进一步包括大于大约35:1的有效压缩比。
15.根据权利要求3所述的内燃机，进一步包括：所述汽缸中的温度传感器、排放歧管中的温度传感器、所述进口歧管中的传感器、所述汽缸中的压力传感器、或其任何组合；其中，所述的一个传感器或多个传感器接合到控制装置，所述控制装置接收所感测的温度和压力传感器值，并且调节所注射的水的量和提供给所述至少一个汽缸的空燃比。
16.根据权利要求1所述的内燃机，其中，在所述上死点之前的从180°到30°，注射所述液态水的至少一部分。
17.根据权利要求16所述的内燃机，其中，在所述上死点之前的从90°到60°，注射所述液态水的至少一部分。
18.根据权利要求1所述的内燃机，其中，所述液态水以连续流、间歇注射或以雾化喷雾直接注射到所述汽缸中，所述雾化喷雾经过精细地雾化或者粗略地雾化。
19.根据权利要求3所述的内燃机，其中，所述液态水以注射到所述进口歧管的端口的雾化喷雾的方式通过端口注射到所述进口歧管，所述雾化喷雾经过精细地雾化或者粗略地雾化。
20.根据权利要求3所述的内燃机，其中，在所述上死点之前的从300°到180°，所述液态水通过端口注射到所述进口歧管中。
21.根据权利要求3所述的内燃机，其中，在直接注射到所述汽缸中或者通过端口注射到所述歧管中之前对所述液态水进行加热，使得所注射的水的温度的范围介于40℃到80℃。
22.根据权利要求3所述的内燃机，其中，在直接注射到所述汽缸中或者通过端口注射到所述歧管中之前对所述液态水进行加热，使得所注射的水的温度大于大约50℃。
23.根据权利要求3所述的内燃机，其中，在直接注射到所述汽缸中或者通过端口注射到所述歧管中之前对所述液态水进行加热，使得所注射的水的温度大于大约60℃。
24.根据权利要求3所述的内燃机，其中，在直接注射到所述汽缸中或者通过端口注射到所述歧管中之前对所述液态水进行加热，使得所注射的水的温度大于大约80℃。
25.根据权利要求1所述的内燃机，其中，所述内燃机是空气冷却的。
26.根据权利要求1所述的内燃机，其中，在175℃或低于该温度的内部温度下运行所述内燃机，所述内燃机不需要外部冷却装置。
27.根据权利要求1所述的内燃机，其中，在范围从85℃到175℃之间的外部温度下运行所述内燃机，所述内燃机不需要外部冷却装置。
28.根据权利要求1所述的内燃机，其中，在范围从85℃到100℃之间的外部温度下运行所述内燃机，并且，所述内燃机不需要外部冷却装置。
29.根据权利要求1所述的内燃机，其中，在范围从85℃到120℃之间的外部温度下运行所述内燃机。
30.根据权利要求1所述的内燃机，其中，在范围从85℃到140℃之间的外部温度下运行所述内燃机。
31.根据权利要求1所述的内燃机，其中，在范围从85℃到150℃之间的外部温度下运行所述内燃机。
32.根据权利要求1所述的内燃机，进一步包括容纳有流体冷却剂的散热器，其中，将足量的液态水注射到所述汽缸中，使得与在没有水注射的情况下运转的所述内燃机相比，由所述内燃机产生的排出至冷却剂的热量减少至少20％。
33.根据权利要求1所述的内燃机，进一步包括热交换器，所述热交换器用于传递来自排放歧管或汽缸或两者的热量以对水、燃料以及进入的空气进行预加热。
34.根据权利要求15所述的内燃机，其中，响应于所感测到的温度和压力值以及所述内燃机的能量输出需求调整燃料/空气混合物。
35.根据权利要求1所述的内燃机，其中，在注射到所述汽缸之前，通过混合所述燃料和空气而以所述空燃比制造所述燃料/空气混合物。
36.根据权利要求3所述的内燃机，进一步包括能调整地调节推入到所述进口歧管或汽缸中的空气的量的涡轮增压器或超级增压器。
37.根据权利要求1所述的内燃机，其中，大于化学计量的空燃比以值λ表示，所述λ约为
1.2或更大。
38.根据权利要求37所述的内燃机，其中，所述λ大于约1.5。
39.根据权利要求37所述的内燃机，其中，所述λ大于约4.0。
40.根据权利要求37所述的内燃机，其中，所述λ大于约6.0。
41.根据权利要求37所述的内燃机，其中，所述λ能够在1.2到8.0的范围内调节。
42.根据权利要求37所述的内燃机，其中，所述λ能够在2.5到5.5的范围内调节。
43.根据权利要求37所述的内燃机，其中，所述λ能够在3.5到5.0的范围内调节。
44.根据权利要求1所述的内燃机，其中，在注射水之前，燃料/空气混合物被加热到范围在30℃到80℃之间的一数值。
45.根据权利要求1所述的内燃机，其中，在注射水之前，处于所述空燃比下的燃料/空气混合物被加热到范围在40℃到80℃之间的一数值。
46.根据权利要求1所述的内燃机，其中，在注射水之前，处于所述空燃比下的燃料/空气混合物被加热到范围在约80℃以上的一数值。
47.根据权利要求1所述的内燃机，其中，所述燃料为天然气、甲烷、乙烷、n-丙烷、或异丙烷、或它们的混合物。
48.根据权利要求1所述的内燃机，其中，所述燃料选自汽油、或汽油和醇的混合物。
49.根据权利要求1所述的内燃机，其中，所述燃料混合物基于柴油型燃料，选自由以下组成的组：煤油、超低硫柴油、JPA或JP8，并且所述内燃机是压缩点火的。
50.根据权利要求1所述的内燃机，进一步包括具有用于从废气中提取水的装置的水回收单元，其中，回收的水在所述内燃机中循环使用。

说明书全文

使用碳氢 燃料的 内燃机

[0001] 相关申请的交叉引用

[0002] 根据美国专利法第35条119(e)款，本申请要求2011年4月11日提交的美国临时专利申请第61/474,240号的优先权，其公开内容全部结合于此以供参考。

技术领域

[0003] 本公开涉及内燃机的领域，包括用于机动车辆、铁路、船舶、飞机或发电的发动机。

[0004] 本公开涉及比传统发动机更有效地运行的内燃机。在典型地依靠汽油(汽油)、乙醇或天然气运行的火花点火(SI)发动机中，或压缩点火发动机(典型地，是柴油机)上，可使用这里阐述的原理。

背景技术

[0005] 发动机文献描述了许多影响发动机效率的因素。可将这些因素分成基于热力学第二定律的理论限制，即，决定卡诺循环(Carnot cycle)中的效率的温度差(梯度)，以及作为奥托循环(Otto cycle)效率中最相关变量的压缩比。其他因素也很重要，包括机械因素(例如摩擦)以及化学因素(例如燃料特性)。燃料特性取决于燃料的化学组成、化学计量、液体燃料的蒸发，以及其他因素(包括燃烧温度、点火能量和点火延迟、火焰传播速度，以及燃烧的完全性)。

[0006] 内燃机是热机，可用热力学定律在理想范围内描述其行为。可用热力学第一定律将任何热驱动过程的功和热能描述为：

[0007] Qin＝Wout+Qout

[0008] 其中，Qin是进入发动机的热能，并且机械能或者功是Wout。循环热机，甚至在理想范围内，都无法将净热量输入完全转换为功输出，因此，必须将一些输入热能不得不作为废热Qout分散到环境中。将循环热机的热效率定义为：

[0009] ηth＝Wout/Qtn＝1-Qout/Qin

[0010] 其中，ηth是无量纲的效率因素。这是使用热能的装置(例如内燃机)的性能指标。

[0011] 用卡诺定理给出任何热机的理论最大效率，其假设任何热机的理论最大效率取决于理想热力可逆发动机中的热温储存器和冷温储存器之间的差异。将卡诺发动机中的此最大效率定义为：

[0012] ηth≤1-TC/TH

[0013] 其中，TC是冷储存器的绝对温度，TH是热储存器的绝对温度。因此，卡诺发动机中的效率是热储存器和冷储存器之间的温度梯度的因素。

[0014] 奥托循环是将火花点火内燃机的发动机效率与压缩比相关联的另一理想热力学循环。奥托循环的几何学使用两个绝热和两个恒容过程。可将采用理想气体定律行为的奥托循环效率表达为：

[0015] ηth＝1-1/rγ-1

[0016] 其中，r是体积压缩比，γ＝CP/CV，是恒压下的热容量(CP)与恒容下的热容量(CV)的比热比。柴油机的类似公式将压缩比(及燃烧膨胀比)与(压缩点火)柴油机中的效率相关联。该比热比还叫做“等熵膨胀因素”。空气-燃料混合物的比热比γ随着温度和燃料蒸汽的热容量而变化，但是，通常接近于1.4的空气值。当使用此标准值时，该循环叫做“空气标准循环”。因为γ总是大于1，所以，奥托循环中的发动机效率与压缩比直接相关。因此，在所有其他因素相等的情况下，高压缩比发动机将比更低压缩比发动机更有效地运行。

[0017] 发动机中的温度控制也是影响发动机效率的重要因素。卡诺循环表明，在点火之后汽缸中的活塞的上死点(TDC)处的温度(即，发动机中的最高温度)越高，温差将越大，这导致更大的效率。然而，实际上的低效包括，缺少燃料与空气的完全混合、燃烧速度、以及有效点火所需的空气/燃料比。大多数发动机以接近化学计量的空气/燃料比运行。这些条件下的燃烧会产生无法转换成机械功的多余热量。必须用散热器或通过排气装置排出此多余热量。所产生的高燃烧温度还会产生不希望有的NOx排放物。

[0018] 现代发动机中的温度控制通常通过冷却套管来实现，所述冷却套管环绕发动机，将热量传递至热交换器(散热器)，所述热交换器将多余热量排出至环境中并将发动机保持在工作温度范围内。以这种方式使用传统的散热器在这里叫做外部冷却。大多数现代内燃机是使用水或一些其他冷却液的液体(或水)冷却的(外部冷却)，冷却液在发动机中循环，并通过热交换器。或者，一些发动机的特征是“空气冷却的”，典型地，因为其没有散热器。替代地，大多数空气冷却发动机具有与发动机本体或汽缸制成一体的辅助散热片，以对流并辐射热量，使其离开发动机。

[0019] 即使在最有效的液体或空气冷却的传统发动机中，使热量流过冷却系统的需求需要会明显地减小发动机效率。发动机热量的大约40％消散在散热器或散热片中，这是损失的能量，其一部分理论上仍可用作机械能。因此，减小此热损耗，并将多余热量转换成有用的机械能，是发动机设计中一个重要的未能解决的需求。传统的汽车在将汽油中的能量转换成机械能时的效率仅是大约20％。燃料中的能量的其余大约80％通过冷却系统和热交换器(散热器)作为废热损失至环境。因此，如果能大幅度减小通过散热器(或以其他方式消散至环境)的热损耗，那么，可大幅度提高发动机效率。

[0020] 控制发动机爆震的需求会限制使用燃料(例如汽油或天然气)的发动机中的压缩比，该发动机爆震是由于来自火花塞点火的理想点火之前的燃料的预先(自动)点火所导致。在预点火过程中，由于压缩过程中在汽缸中产生的高温，燃料以不可控的方式在压缩冲程的过程中点火。这种预点火会浪费能量，并且，如果不可控，会导致发动机损坏。为了避免发动机爆震，传统的火花点火发动机通常限制于大约10:1的有效压缩比，对于更昂贵的高辛烷燃料，可能高达12:1。

[0021] 影响发动机性能的另一因素是空气(氧气)与燃料比。在燃料中，化学计量空气(stoichiometric air)给燃料中的每摩尔的碳提供1摩尔的分子氧(molecular oxygen)，并给每摩尔的氢提供0.5摩尔的分子氧。对于真正的化学计量氧来说，空气的量取决于燃料的精确的化学组成，但是对于汽油和柴油发动机来说，大约是14.7:1重量/重量(w/w)(即，1g燃料比14.7g空气)。典型地，发动机在冷启动和高负载操作过程中运行良好，但是，当运行良好时，将存在未燃烧的燃料，从而存在废能量和额外的空气污染。通常，发动机在大约化学计量混合物时运行最有效，但是，对于大于化学计量氧的贫(稀薄)条件下的有效的发动机操作来说，存在理论基础。
发明内容

[0022] 在一个方面中，提供了一种与传统的发动机相比，以升高的压缩比操作火花或压缩点火发动机的系统和方法，在压缩和做功冲程的过程中，使用稀空燃比(lean air fuel ratio，贫空燃比)和液态水注射来控制汽缸内的温度。根据奥托或压缩点火(柴油机)理想内燃机循环，越高的压缩比允许越高的热效率，并且还允许越稀薄的燃料混合物的可靠点火。液态水注射通过减小压力来减小压缩过程中的功，控制爆震并提供温度控制。液态水注射还减小了对外部冷却的需求，导致对散热器的更小的热损耗，从而得到更高的效率。与传统的发动机相比，液态水注射和其他热管理特征(包括使用非常稀的空气/燃料混合物)的组合可全部消除或大幅度减小对散热器的需求(即，可使用更小的散热器)，并且，对环境具有基本上更小的热损耗。因此，与传统的发动机相比，这里描述的发动机产生高得多的热效率，以及更低的排放。

[0023] 根据一个实施方式，提供了一种使用碳氢燃料的内燃机，所述内燃机具有至少一个汽缸和在汽缸中往复运动的活塞，至少一个对该至少一个汽缸中提供空气的进气阀，至少一个排气阀，以及具有对该至少一个汽缸中提供燃料的燃料注射器的燃料处理系统，包括与液态水源接合的水注射器，其用于在活塞的压缩冲程的过程中，在TDC之前从大约180°到大约30°的任何时候(通过直接注射)将液态水注入汽缸中，其中，所注入的液态水的量大于汽缸中的环境空气中的水蒸汽的饱和点时的水的量。或者，发动机可能设置有与水注射器或燃料注射器或二者流体连通的进口歧管，使得，将水或燃料或二者通过端口注射到进口歧管中，而不是直接注射到汽缸中。在此端口注射实施方式中，将控制水注射器，以在循环中稍微更早的时间注射液态水，典型地，当进气阀仍打开时，在TDC之前的从大约300°到大约180°。发动机的提供给该至少一个汽缸的空燃比大于化学计量。

[0024] 发动机具有大于13:1的有效压缩比。在一个实施方式中，发动机具有大于15:1的有效压缩比。在一个实施方式中，压缩比可高达20:1，或更高。例如，在典型地通过汽油(汽油)乙醇或天然气运行的火花点火发动机中，压缩比的范围从大约13:1到大约25:1，在另一实施方式中，从大约13:1到大约20:1。在其他实施方式中，其是，大约16:1，或大约17:1，或大约18:1，或大约19:1，或大约20:1，或大约21:1，或大约22:1，或大约23:1，或大约24:1，或大约25:1。在柴油燃料发动机中，在一个实施方式中，压缩比可能更低，例如，从大约12:1或大约13:1开始，包括所有上述范围和值，但是，另外，在其他实施方式中，其更高，例如，其范围可能一直到大约35:1或更高，例如，大约25:1，或大约26:1，或大约27:1，或大约28:1，或大约29:1，或大约30:1，或大约31:1，或大约32:1，或大约33:1，或大约34:1，或大约35:1。

[0025] 在一个实施方式中，当将液态水直接注入汽缸中时，在活塞的压缩冲程的过程中，使注射的时间出现在TDC之前的从大约180°到大约30°的时候。在一个实施方式中，本发明的内燃机包括用于直接注入汽缸中的水注射器，在另一实施方式中，包括用于通过端口注入汽缸中的水注射器，而在又一实施方式中，包括两个水注射器，一个直接注入汽缸，另一个通过端口注入。应理解，在活塞的压缩冲程的过程中，直接水注射可出现在TDC之前的从大约180°到大约30°的循环的过程中的任何时候。此外，水注射可能在活塞的压缩冲程中的相同或不同的位置处，从压缩冲程的一个循环到另一个循环。例如，在一个冲程中，其可能处于TDC之前的大约60°的位置，在另一循环中，处于TDC之前的大约90°的位置，控制定时和量，如下所述。在一个实施方式中，水注射的范围可能从TDC之前的大约90°到大约60°，例如，当将水直接注入汽缸中时。

[0026] 当通过端口注射液态水时，以上描述也可适用。然而，在通过端口注射的实施方式中，可将液态水通过端口以TDC之前的30°到180°之外的值注入，例如，在TDC之前的大约300°到大约180°。

[0027] 此外，在一个实施方式中，注入内燃机循环中的液态水的量的范围是，大约是发动机进口处25℃的环境温度下的饱含水蒸汽的空气所携带的水蒸汽的量的大约1.05倍到大约10倍。

[0028] 或者，在另一实施方式中，注入内燃机循环中的液态水的量是在内燃机循环中注入的燃料的量的大约20％到大约800％w/w。在一个实施方式中，进行控制，以使得压缩比越高，此％差异越大。所进行的控制将压缩端温度保持在特定值。当不测量汽缸内温度时，可能通过环境压力、温度、湿度，以及与发动机负载和发动机RPM(转每分)相关的汽缸内压力，来进行控制。

[0029] 根据另一方面，提供了一种操作使用碳氢燃料的内燃机的方法，内燃机具有至少一个汽缸和汽缸中往复运动的活塞，至少一个对该至少一个汽缸中提供空气的进气阀，至少一个排气阀，以及具有对该至少一个汽缸中提供燃料的燃料注射器的燃料处理系统。该方法包括：在压缩过程中，在活塞的TDC之前的从大约180°到大约30°的任何时候，将液态水注入汽缸中，其中，所注入的液态水的量大于汽缸中的环境空气中的水蒸汽的饱和点时的水的量；其中，提供给该至少一个汽缸的空燃比大于化学计量；并且，其中，发动机在大于13:1的有效压缩比下操作。

[0030] 除了此实施方式以外，该方法包括，在内燃机循环中注入一定量的液态水，其是发动机进气管处25℃的环境温度下的饱含水蒸汽的空气所携带的水蒸汽的量的大约1.05到大约10倍。

[0031] 除了此实施方式以外，该方法包括，在内燃机循环中注入一定量的液态水，其是内燃机循环中的燃料的量的大约20％到大约800％w/w。

[0032] 如这里描述的，在一个实施方式中，在TDC之前的从大约180°到大约30°的任何时候，将液态水注入汽缸中。在另一实施方式中，在TDC之前的从大约45°到大约120°的任何时候，注入水，在另一实施方式中，在TDC之前的从大约60°到大约90°。应理解，考虑TDC之前的从大约180°到大约30°的任何值或范围，例如，TDC之前的180°，179°，178°，177°，176°，175°，174°，173°，172°，171°，170°，169°，168°，167°，166°，165°，164°，163°，162°，161°，
160°，159°，158°，157°，156°，155°，154°，153°，152°，151°，150°，149°，148°，147°，146°，
145°，144°，143°，142°，141°，140°，139°，138°，137°，136°，135°，134°，133°，132°，131°，
130°，129°，128°，127°，126°，125°，124°，123°，122°，121°，120°，119°，118°，117°，116°，
115°，114°，113°，112°，111°，110°，109°，108°，107°，106°，105°，104°，103°，102°，101°，
100°，99°，98°，97°，96°，95°，94°，93°，92°，91°，90°，89°，88°，87°，86°，85°，84°，83°，82°，
81°，80°，79°，78°，77°，76°，75°，74°，73°，72°，71°，70°，69°，68°，67°，66°，65°，64°，63°，
62°，61°，60°，59°，58°，57°，56°，55°，54°，53°，52°，51°，50°，49°，48°，47°，46°，45°，44°，
43°，42°，41°，40°，39°，38°，37°，36°，35°，34°，33°，32°，31°，30°。

[0033] 如果通过端口注入水，那么，注射可能出现在TDC之前的从大约300°到大约180°的时候，应理解，考虑TDC之前的从大约180°到大约300°的任何值或范围，例如，TDC之前的300°，299°，298°，297°，296°，295°，294°，293°，292°，291°，290°，289°，288°，287°，286°，
285°，284°，283°，282°，281°，280°，279°，278°，277°，276°，275°，274°，273°，272°，271°，
270°，269°，268°，267°，266°，265°，264°，263°，262°，261°，260°，259°，258°，257°，256°，
255°，254°，253°，252°，251°，250°，249°，248°，247°，246°，245°，244°，243°，242°，241°，
240°，239°，238°，237°，236°，235°，234°，233°，232°，231°，230°，229°，228°，227°，226°，
225°，224°，223°，222°，221°，220°，219°，218°，217°，216°，215°，214°，213°，212°，211°，
210°，209°，208°，207°，206°，205°，204°，203°，202°，201°，200°，199°，198°，197°，196°，
195°，194°，193°，192°，191°，190°，189°，188°，187°，186°，185°，184°，183°，182°，181°，
180°。

[0034] 如上面定义的，在一个实施方式中，所注射的液态水的量的范围是，发动机进口处25℃的环境温度下的饱含水蒸汽的空气所携带的水蒸汽的量的大约1.05倍到大约10倍。因此，例如，在各种实施方式中，所注射的水的量可能是上述范围中的任何值，或者，范围可能是发动机进口处的环境温度下的饱含水蒸汽的空气所携带的水蒸汽的量的大约1.05到大约10倍，例如，是发动机进口处25℃的环境温度下的饱含水蒸汽的空气所携带的水蒸汽的量的1.25，1.50，1.75，2.00，2.25，2.50，2.75，3.00，3.25，3.50，3.75，4.00，4.25，4.50，
4.75，5.00，5.25，5.50，5.75，6.00，6.25，6.50，6.75，7.00，7.25，7.50，7.75，8.00，8.25，
8.50，8.75，9.00，9.25，9.50，9.75或10.00倍。

[0035] 在替代实施方式中，所注射的水的量的范围是燃料的从大约20％到大约800％w/w。可使用从大约20％到大约800％w/w的任何范围或值，例如，25％，30％，35％，40％，45％，50％，55％，60％，65％，70％，75％，80％，85％，90％，95％，100％，105％，110％，115％，
120％，125％，130％，135％，140％，145％，150％，155％，160％，165％，170％，175％，
180％，185％，190％，195％，200％，205％，210％，215％，220％，225％，230％，235％，
240％，245％，250％，255％，260％，265％，270％，275％，280％，285％，290％，295％，
300％，305％，310％，315％，320％，325％，330％，335％，340％，345％，350％，355％，
360％，365％，370％，375％，380％，385％，390％，395％，400％，405％，410％，415％，
420％，425％，430％，435％，440％，445％，450％，455％，460％，465％，470％，475％，
480％，485％，490％，495％，500％，505％，510％，515％，520％，525％，530％，535％，
540％，545％，550％，555％，560％，565％，570％，575％，580％，585％，590％，595％，
600％，605％，610％，615％，620％，625％，630％，635％，640％，645％，650％，655％，
660％，665％，670％，675％，680％，685％，690％，695％，700％，705％，710％，715％，
720％，725％，730％，735％，740％，745％，750％，755％，760％，765％，770％，775％，
780％，785％，790％，795％或800％。

[0036] 在另一实施方式中，所注射的水的量的范围是，在发动机汽缸中注射的燃料的量的从大约40％到大约400％(w/w)。

[0037] 在另一实施方式中，所注射的水的量的范围是，在发动机汽缸中注射的燃料的量的从大约50％到大约300％(w/w)。

[0038] 在又一实施方式中，量的范围是，在发动机汽缸中注射的燃料的量的从大约60％到大约200％(w/w)。

[0039] 通过使用注水(其中，所注射的液态水的量大于传统的内燃机)，将在内燃机消散的热损耗减到最小。附图说明

[0040] 对于本领域中的普通技术人员来说，结合附图，考虑到以下详细描述，目的、特征和优点将变得显而易见，其中：

[0041] 图1A示出了一个实施方式中的一个实例汽缸中的液态水注射器的结构和液态水喷射图案的剖视图，图1B是沿着图1A的线A-A剖开的汽缸盖或内腔的下侧视图；

[0042] 图2示出了矩阵500，其描述了用于提供如这里描述的液态水注射和热管理特征的内燃机结构的替代组合；

[0043] 图3示出了具有如这里描述的液态水注射特征的第一实施方式的内燃机50的一个实例结构；

[0044] 图4示出了具有如这里描述的液态水注射特征的第二替代实施方式的内燃机150的一个实例结构；

[0045] 图5示出了具有如这里描述的液态水注射特征的第三替代实施方式的内燃机250的一个实例结构；

[0046] 图6示出了具有如这里描述的液态水注射特征的第四替代实施方式的内燃机350的一个实例结构；

[0047] 图7示出了具有如这里描述的液态水注射特征的第四替代实施方式的内燃机450的一个实例结构；

[0048] 图8示出了在一个实施方式中描述的各种替代内燃机中执行的传感器控制系统100；

[0049] 图9示出了由发动机控制单元执行的用于确定在一个实施方式中描述的各种替代内燃机中每个循环注射的水的量的方法；

[0050] 图10示出了在具有水注射和增压空气注射压力条件下，各种发动机负载下的发动机效率的图；以及

[0051] 图11示出了在具有和没有水注射条件下，各种发动机负载和增压空气注射下的发动机效率。

具体实施方式

[0052] 本公开提供了二冲程或四冲程或更高冲程的内燃机，至少一个汽缸使用直接液态水汽缸注射和/或端口注射特征，以当燃烧进行时，调节燃烧过程的温度。因此，发动机可包括火花塞、或电热塞、等离子体点火器、或激光点火器，提供火花点火、等离子体点火、操纵点火、激光点火、自由径向点火或火花辅助压缩点火，并且所述发电机用汽油(汽油)、乙醇或其组合或天然气作为燃料来操作。或者，发动机可能使用压缩点火，例如，具有或没有火花、等离子体或激光的额外辅助的柴油(煤油)动力的发动机。

[0053] 图2示出了包括如这里描述的直接液态水注射特征和其他热管理技术的内燃机的各种实施方式的矩阵500。例如，每个十六(16)组合502示出了具有标记(例如“X”)的各种发动机结构，其表示：内燃机505，例如，火花点火发动机(或者，通过省略“X”标记，表示压缩型发动机)；存在涡轮增压器元件508(表示使用涡轮增压器装置)；在汽缸512中执行直接液态水注射或在入口522处执行液态水注射(例如，通过抽吸)；在汽缸515中执行直接燃料注射或在入口525处执行燃料注射。列510示出了这里描述的代表性实施方式。例如，如将更详细地描述的，图3示出了表示为50的第一实施方式的发动机组合，图4示出了表示为150的替代实施方式的发动机组合，图5示出了表示为250的替代实施方式的发动机组合，图6示出了表示为350的替代实施方式的发动机组合，图7示出了表示为450的替代实施方式的发动机组合。在各幅图中，相似的参考数字表示相似的元件。

[0054] 图3至图7示出了图2中描述的实施方式的一部分。然而，在本公开的范围内考虑了包括直接水注射和直接燃料注射的发动机，在火花点火的发动机或柴油机中仅具有直接水注射和直接燃料注射或者组合有端口水注射器或端口燃料注射器。术语“直接注射”的意思是，所注射的燃料或水被直接注入汽缸。在直接燃料注射的情况中，所述燃料在没有与空气预混合的情况下被注射。术语“端口注射”的意思是，将燃料或水注入进口歧管中，在那里，在空气/蒸汽/水混合物进入汽缸之前，发生与空气的预混合。在一些实施方式中，使火花点火发动机或柴油发动机涡轮增压或增压。还考虑了包括直接水注射或直接燃料注射或二者的发动机，和/或，替换地包括端口水或端口燃料注射或二者的发动机，或其任何组合，只要发动机具有至少一个用于注射水和注射燃料的装置即可。

[0055] 参考图3，第一实施方式的内燃机50包括燃料注射系统55，所述燃料注射系统包括对燃料泵53提供燃料的燃料储存器57，所述燃料泵经由流体管道或类似的传送装置将燃料供应至安装至汽缸盖部分20的流体注射器装置56，以在可控的温度和压力条件下提供用于在汽缸12中燃烧的燃料。燃料注射器56将燃料直接注入汽缸中，不与空气预混合。燃料注射系统可包括用于控制燃料注射的定时的装置。在定时计算机的控制下，可将燃料装入汽缸中。

[0056] 在图3中，第一实施方式的内燃机50包括液态水注射系统65，所述液态水注射系统包括对水泵63提供水的液态水储存器67，所述水泵经由流体管道或液体传送装置将液态水供应至安装至汽缸盖部分20的液态水注射器装置46，以在可控的定时和压力(例如，可变或恒定的压力)条件下，对汽缸12中提供直接液态水注射。图3所示的注射器46将水直接注入汽缸中。下述控制系统可在每个压缩循环中在一个或多个定时时刻控制对汽缸12注入液态水。如图3所示，点火线圈37控制火花塞47的点火，在一个实施方式中，所述火花塞安装在汽缸盖部分的中心附近，位于安装于汽缸盖部分20中的液态水注射器46和燃料注射器装置56之间。

[0057] 在图3的实施方式中，发动机进口阀21与汽缸盖部分20连通，该发动机进口阀在每个循环中被定时地驱动，以从进口歧管25提供空气，用于在汽缸盖部分20内与燃料燃烧。同样地，与汽缸盖部分20连通的是排放阀31，所述排放阀在每个循环中被定时地驱动，以使得来自于燃烧的废气产物(二氧化碳、空气或任何其他排放物)能够离开汽缸而到达排放歧管35，在一个实施方式中，该废气产物在排放歧管处被捕获，以对发动机执行进一步做功，例如，加热空气。

[0058] 在另一实施方式中，如图3所示，在进气口(例如，歧管入口24)处设置有涡轮增压器子系统75，用于接收输入的环境空气11，并从排放歧管部分36处接收来自于燃烧产物的热废气91，以形成用于燃烧的涡轮增压的压缩空气混合物。在一个替代实施方式中，可能改为使用超级增压器(supercharger，机械增压器)。在任一种情况中，涡轮增压器或超级增压器是可控制的，以调节强制进入汽缸或进口歧管的空气的量。

[0059] 如图3中的发动机50的实施方式所示，提供了重新捕获内燃机的热量副产物的结构和方法，该热量副产物可用来进一步加热汽缸处的空气或燃料或液态水。例如，涡轮增压器75的出口处的涡轮压缩的空气混合物19受到热调节，例如，经由热交换子系统70的热量移除，所述热交换子系统包括热交换装置71，所述热交换装置用于重新捕获燃烧产生的废热的大部分，并将其转换成有用的能量。在一个方面中，使加热的废气91从排放歧管35经由歧管延伸部36重新循环，以输入至涡轮增压器元件75并输入至热交换器71，用来预先加热待注射的液态水，和/或用来预先加热待注射的空气/燃料。如图3所示，在阀74的控制下，来自于重新循环的废气91的热能例如经由管道73被可控地添加到热交换器71中，从而调节提供给汽缸盖部分20的用于燃烧的入口空气29的温度。经由热交换器71，例如，经由管道72，去除其他被加热的废气。来自于废气91的可控地去除的热量可用于预加热水储存器67中的液态水。

[0060] 此外，在图3的发动机50的实施方式中，具有水回收单元66，即，从废气中提取水的单元，例如，通过用传统装置(例如，冷凝器)将废气冷却至环境温度，或者，通过使用纳米孔薄膜(其中，通过毛细管作用而从废气流中冷凝出水)等等。因此，例如，在一个实施方式中，提供将从来自废气91的任何水蒸汽副产物中捕获水的冷凝器，水可能经由流体管道或联接器68输入至水储存器67。使用如这里描述的水回收装置66还用于减小发动机的水储存需求的目的。例如，这在汽车应用中可能是特别重要的，其中，需要车载的水量的大量减少可意味着在废气流中捕获并回收水。

[0061] 在图4中示出了另一实施方式，图4示出了一个替代实施方式的非涡轮增压发动机150，其执行经由相应的注射器46，56而在汽缸盖部分20中的直接液态水和直接燃料注射。
在图4所示的实施方式中，环境空气11经由入口24输入至热交换器装置71，并且热废气91在阀装置94的控制下循环至热交换器装置71。用来自热废气的热量预加热输入至汽缸以用于燃烧的空气29。使冷却气体92经由排放歧管部分36重新循环回至输出排放歧管35，以用于发动机输出。提供如这里定义的水回收单元66，以从废气19中存在的任何水蒸汽中捕获液态水，所述水可经由流体管道或联接器68输入至水储存器67。

[0062] 在另一实施方式中，图5示出了涡轮增压或增压发动机250，其经由相应的注射器46，56在形成于与汽缸12相连的进口歧管25处的相应端口38，39中执行端口液态水注射和端口燃料注射。也就是说，相应的液态水供应系统65在可控的定时和(可变或恒定的)压力条件下，在控制系统操作下对进口阀21附近的进口歧管25的端口处的端口液态水注射器46提供水。同样地，燃料供应系统55在定时控制和压力条件下对进口歧管25的进气阀附近的端口处的燃料注射器56提供燃料。其他方面，图5的实施方式与图3所示的发动机50相似。例如，图5中的发动机250也用于重新捕获加热的气态燃烧产物，该加热的气态燃烧产物可用来进一步加热汽缸处的空气或燃料或液态水。例如，涡轮增压器75的出口处的涡轮压缩的空气混合物19受到热调节，例如，经由热交换子系统70的热量移除，所述热交换子系统包括热交换装置71，所述热交换装置用于捕获燃烧产生的大部分废热，并将其转换成有用的能量，以控制空气/燃料和水的预加热。在一个方面中，使加热的废气91从排放歧管35经由歧管部分36重新循环，以输入至涡轮增压器元件75并输入至热交换器71，用来预先加热待注射的液态水，和/或用来预先加热待注射的空气/燃料。如图5所示，来自重新循环的废气91的热在阀74的控制下例如经由管道73被可控地添加到热交换器71，从而调节提供给汽缸盖部分20的用于燃烧的入口空气29的温度。其他加热的废气经由热交换器71例如经由管道72被去除。可用从废气91中可控地去除的热量来预加热水储存器67中的液态水。此外，在图5的发动机250的实施方式中，提供水回收单元66，其将从来自于废气91的任何水蒸汽产物中捕获水，所述水可能经由流体管道或联接器68输入至水储存器67。

[0063] 在图6中示出了另一实施方式，图6示出了发动机350，其经由相应的注射器46，56执行在形成于与汽缸12相连的进口歧管25处的相应端口38，39中的端口液态水注射和端口燃料注射。其他方面，图6的实施方式与图4所示的发动机150相似，其中，环境空气11经由入口24被输入至热交换器装置71，并使热废气91在阀装置94的控制下循环回至热交换器装置71。用来自热废气的热量来预加热输入至汽缸以用于燃烧的空气29。使冷却气体92经由排放歧管部分36重新循环回至输出排放歧管35，以用于发动机输出。提供如这里描述的水回收单元66，以从废气19中存在的任何水蒸汽中捕获液态水，所述水可经由流体管道或联接器68输入至水储存器67。

[0064] 在图7的发动机450中，执行双液态水和燃料注射器59，以将燃料和液态水都直接注入汽缸盖部分中以用于燃烧。也就是说，取代对独立的相应液态水向注射器和燃料注射器进行供应，液态水注射系统65和燃料注射系统55对组合的液态水和燃料注射器59进行供应。其他方面，图7的实施方式与图3所示的发动机50相似。例如，图7中的发动机450也用于重新捕获加热的气态燃烧产物，所述气态燃烧产物可用来进一步加热汽缸处的空气或燃料或液态水。例如，涡轮增压器75的出口处的涡轮压缩的空气混合物19受到热调节，例如，经由热交换子系统70的热量移除，所述热交换子系统包括热交换装置71，所述热交换装置用于捕获燃烧产生的大部分废热，并将其转换成有用的能量，以控制空气/燃料和水的预加热。在一个方面中，使加热的废气91从排放歧管35经由歧管部分36重新循环，以输入至涡轮增压器元件75，并输入至热交换器71，用来预加热待注射的液态水和/或用来预加热待注射的空气/燃料。如图7所示，来自重新循环的废气91的热能在阀74的控制下例如经由管道73被可控地添加到热交换器71，从而调节提供给汽缸盖部分20的用于燃烧的入口空气29的温度。其他加热的废气经由热交换器71例如经由管道72被去除。可能从废气91中可控地去除的热量可用来预先加热水储存器67中的液态水。此外，在图7的发动机450的实施方式中，提供如这里描述的水回收单元66等，其将从来自于废气91中的任何水蒸汽产物中捕获水，所述水可能经由流体管道或联接器68输入至水储存器67。

[0065] 参考图2的矩阵500，图3至图7中示出的内燃机的其他实施方式考虑了，在压缩冲程过程中的一个或多个定时时刻，在汽缸盖部分20和进口歧管25的端口38两者处进行直接液态水注射，以有效地降低空气温度并增加密度，从而增加气团流速和功率。

[0066] 图1A和图1B示出了汽缸中的直接液态水注射操作10，例如，所述汽缸具有分别在图3，图4和图7的发动机50，150，450中使用的位于TDC附近的往复运动的活塞。如图1A所示，汽缸12示出为具有位于汽缸12中的TDC处或其附近的往复运动的活塞15。进口阀21与汽缸盖部分20连通，该进口阀在每个循环中被定时地驱动，以从进口歧管25提供用于在汽缸盖部分20内燃烧的空气。同样地，排放阀31与汽缸盖部分20连通，所述排放阀在每个循环中被定时地驱动，以使得来自于燃烧的废气产物(二氧化碳、空气或任何其他排放物)能够离开汽缸到达排放歧管35，在排放歧管处，所述废气产物可作为废气离开车辆，或者，被捕获以对发动机执行进一步做功，例如，用于加热空气，燃料和液态水。图1A进一步示出了离开直接水注射器46的水流45的实施方式，示出了所述水流冲击汽缸的内表面(其可能包括发动机盖、阀、汽缸壁或活塞面的部分)。在其他实施方式中，从水注射器流出的水可在其他特定方向上被引导，或者，其可能是良好雾化的喷雾，其将对汽缸或汽缸盖的内表面具有最小冲击。

[0067] 图2的矩阵500的发动机以及图3至图7的具体实施方式所示的发动机以比传统发动机更高的压缩比操作。在一个实施方式中，发动机的“有效”压缩比大于13:1，并可能高达40:1，而没有使用任何涡轮增压等设法增压的技术。因此，例如，可基于大约1标准大气压或更小的进入气压，来确定这里描述的发动机的有效压缩比，而没有使用额外的压缩(例如，通过涡轮增压提供的压缩)。

[0068] 图2的矩阵500的发动机以及图3至图7的具体实施方式所示的发动机在点火之前使用液态水注射。注射的液态水在压缩冲程的过程中冷却充入的空气，减小压缩功，并吸收热量(否则该热量将损失至环境中)。在压缩过程中增加的液态水和贫燃料混合物的效果允许发动机以比传统压缩比高得多的压缩比下不爆震地操作。

[0069] 此外，在图2的矩阵500的发动机以及图3至图7的具体实施方式所示的发动机中，可在注射之前可控地加热燃料、空气或液态水中的一种或多种，例如，通过使用通过废气的热交换器。液态水可被加热，这会影响液态水的水蒸汽平衡、由液态水实现的冷却的程度、以及水流形成的速度。在一个实施方式中，可能在注射前将液态水加热至25℃的温度，或一直加热至大约80℃的温度。或者，加热液态水，使得，所注射的水的温度大于大约40℃，或者，大于大约50℃的温度，或者，大于大约60℃的温度，或者，大于大约80℃或更高的温度。根据所注射的液态水的压力，可将其加热至甚至更高的温度，在小于相应的饱和温度的几度内。例如，对于10、30或50巴的压力，所注射的液态水的温度可以分别是大约150℃、200℃或250℃。

[0070] 这些特征的总和导致图3至图7的发动机50，150，250，350，450以比传统发动机高得多的热力学效率运行。结果，散热器将比传统发动机中所需的小得多，或者，甚至完全不需要散热器，因为本发明的发动机的特征可以比传统发动机好得多地管理多余热量，并将损失至环境中的不必要的热量减到最小。通过因素的此组合，对于给定的位移和RPM，在功率系数和燃料经济性方面都出现转换变化。

[0071] 此外，在图2的矩阵500的发动机以及图3至图7的具体实施方式所示的发动机中，控制相应的燃料注射器56，从而以大于化学计量的空燃比提供燃料，其中水注射器在压缩过程中在TDC之前的从大约180°到大约30°的范围的任何时间在一个或多个时刻向汽缸中注入液态水，其中，所注射的液态水的量大于汽缸中的环境空气中的水蒸汽的饱和点时的水的量；其中，发动机具有大于13:1的有效压缩比。

[0072] 在一个实施方式中，相对于入口压力、温度、相对湿度和当前发动机工作参数(例如，压缩端压力、负载和转速)，控制每个循环注射的水的量。下面参照图8描述的微控制器可能具有作为查询表储存的必要的数据/功能，并可相对于感测到的输入参数计算水量。例如，可通过使用理想气体定律和用于每个循环注射的可用空气饱和蒸汽表，来近似地计算液态水的量(饱和水蒸汽质量)。例如，在这里描述的控制系统中，可基于环境温度的当前值(例如，在进口歧管处感测到的温度，或汽缸处的进气阀处的进气温度)，和/或从表格湿度/气候数据(可从该数据确定感测到的温度下的水蒸汽的饱和点)，来确定对当前汽缸压缩循环注射的液体的量。控制系统增加额外的水量(按照重量或体积)，该水量将比使空气在感测到的进气温度下完全饱和所必需的最小量大。

[0073] 水注射

[0074] 在每个发动机实施方式中允许更大压缩的一个因素是，在压缩周期过程中的通过在压缩行程的过程中在发动机的汽缸中增加液态水来进行的内部冷却。将液态水注入发动机汽缸中执行多个重要功能。在压缩过程中，液态水通过吸收在压缩过程中产生的热而在内部对汽缸的内部进行冷却。该内部冷却具有减小压缩所需的功(work)的效果，并且还具有在不存在发动机爆震的情况下允许更大的压缩比的效果。

[0075] 在压缩周期过程中注入发动机汽缸中的液态水的量依据周围空气的饱和水蒸汽容量而变化，或者以基于重量的方式依据燃料而变化。在实施方式中，每个周期所注入的液态水的量大于在20℃下使空气饱和所需的量。可替换地，每个周期所注入的液态水的量可为发动机入口中的周围空气所携带的水蒸汽的量的大约1.05倍至大约10倍。可替换地，液态水的量的范围可为每个压缩行程所注入的燃料的量的大约20％到大约800％w/w。可计量所注入的液态水的量，以优化内部冷却，将压缩过程中所需的功减至最小，将发动机爆震减至最小，并且在点火时提供或防止液态水液滴与气体混合。液态水注入的控制可基于发动机中的压力与温度传感器，所述传感器与控制水注入系统的计算机控制系统耦接，如在下文中参照图8和图9描述的。

[0076] 直接液态水注射器46可将液态水作为液体液滴流连续地、间断地、或者以脉冲流的方式注入汽缸中。在另一实施方式中，可将液态水作为“粗质(coarse，或粗略)”喷雾或雾化流来注射。在另一实施方式中，可将液态水作为用来对汽缸盖的内表面和活塞顶部进行冷却的液流注射。在又一实施方式中，将液态水作为雾化喷雾而端口注入进口歧管中。可使用这些实施方式的任意组合，并且在该概念的范围内，注射液态水的其他实施方式也是可能的。在一个方面，液滴的尺寸将决定热传递的速率，这是因为界面面积将随着液滴尺寸的减小而增大。液滴的尺寸通过液态水注射器的设定(以及其他因素，诸如计时和计量)来控制，并且将根据如通过压缩温度上升(通过压力来感测)表示的热吸收(蒸发)的所需速率来控制。在一个实施方式中，热吸收的所需速率越小，则所注射的水喷雾会越粗质(越不呈雾化)。在一个实施方式中，平均液态水液滴的尺寸是具有“精细”尺寸的球形，直径在大约0.5μm到大约25μm的范围内，而具有“粗质”尺寸的平均液态水液滴的尺寸可在从大约25μm到大约100μm的范围内。

[0077] 在多个发动机实施方式中，在压缩行程的介于大约下死点(BDC，bottom dead center)(即，TDC之前的大约180°)与TDC之前的大约30°之间的第一部分过程中，将至少一部分液态水注入汽缸(通过直接在汽缸中或进口口中的水注射)。在压缩行程的过程中的液态水的存在将减小压缩行程中所需的功，这是因为液态水在压缩过程中将从热空气吸收潜热(latent heat)并且因此使其温度降低。水在标准压力下的蒸发焓(Δvap)是大约40.7kJ/mol，等同于大约2250J/g。这是将液态水转换成蒸汽所需的能量。液态水的蒸发焓取决于压力，并在临界点降低至零，该临界点在22242kPa(大约是222bar)下是374.4℃。对于10、30、50或100bar的压力，蒸发焓分别是大约2015、1796、1640或1317J/g，这仍是很大的。因为压力与温度相关，因而即使质量和气体常数R小量增加，压力仍将成比例地降低。压缩过程中的压力降低将因此减小实现压缩所必需的功。压缩所需的功仅取决于压力，因为给定的体积是固定的(δW＝P·dV)，其中，W是功，P是压力，dV是体积微分。

[0078] 压缩行程过程中液态水的增加的另一效果是减小或消除对外部套管冷却的需求。对外部冷却的需求由于非常高的气体温度和对汽缸中的内表面(特别是汽缸盖，还有活塞面)的不可避免的热传递而出现。所注射的液态水可能在汽缸中形成液滴，其在压缩过程中冷却汽缸中的气体。

[0079] 可替换地，液态水注射可构造为喷射(spray)并冷却发动机的内表面(汽缸盖和活塞头)，而不是直接地冷却汽缸中的气体。在一个实施方式中，希望燃料主要在径向方向上注射并且水主要在轴向方向上注射，使得，燃料和水可基本上不存在干扰。在图1A中示出了该概念的实施方式，示出了将液态水注射器46居中地安装在汽缸盖20上。在编程逻辑或微处理器控制下，适时地使注射器致动，以在汽缸盖中引导液态水的水滴流(例如，连续流、间断的或雾化的喷雾)。在图1A中，以虚线45示出代表性水流。如在图1B(图示了具有进口阀21和排放阀31的发动机中的汽缸)中进一步示出的，这样的液态水注射器46可偏心地安装。在图1B中还示出了火花塞47和燃料注射器56。在图1A的实施方式中，可使注射器致动，以提供计量体积的液态水喷雾，其包括一个或多个单独的液态水液滴流45的图案，这些液滴流瞄准在一个或多个方向上并单独计时以在压缩过程中的各个时间将水注射在汽缸盖部分20内或注射在活塞头处。

[0080] 在操作中，当液滴在点火时与汽缸中的其他气体混合时，注射的液态水中的一些可保持不蒸发。该液态水在点火之后转变成流。因此，在点火之前提供更高密度的介质，并且提供水滴的基本上更大的膨胀以带来更高的效率。该实施方式基于这样的原理：当转变成蒸汽时(在标准压力和100℃下)，液态水膨胀大约1600倍的体积。此外，与燃烧过程中汽缸中的其他气体相比，在燃烧过程中液态水的蒸发将通过水到蒸汽的更大的体积膨胀而提供更密集的介质以及增大的膨胀压力。由于水的高蒸发潜热(蒸发焓)，该实施方式还可允许更冷的废气。在该情况下，将需要排出更少的热来使发动机温度保持在其工作限度内。

[0081] 在可替换实施方式中，无论是否直接输入至端口或汽缸，均对在压缩行程过程中增加的液态水的量进行计量，以使在开始燃烧时液态水的存在最少。这解决了点火开始时存在的液态水将从燃烧气体吸收热的问题，降低了动力行程中的温度和压力两者，由于当存在液态水时在压缩过程中所需的功将减小的相同的原因，因而在液态水蒸发时压力和温度通过蒸发的潜热而降低。

[0082] 在另一实施方式中，无论是否直接输入至端口或汽缸，均可在TDC之前的从大约180到大约30度的范围内的时间将计量的液态水的量注入汽缸中。在图1A所示的实施方式中，液体被有意地引导至活塞面和汽缸盖以及进口和排放阀头，以避免水与汽缸内的燃料供送良好地混合。在图1A中示出了该实施方式，示出了喷射图案45的不与燃料供送(燃料/空气混合物)良好混合的多个粗质的液态水流。该实施方式解决了燃烧过程中存在的任何液态水将使动力行程过程中的压力和温度降低的问题。该实施方式解决了策略地使用注射的液态水来冷却发动机而同时使液态水将冷却燃烧过程并减小发动机的功率输出的可能性最小的问题。在压缩过程中，如果将液态水注入汽缸中并与汽缸中的气体充分混合，则增加液态水以从热空气吸收热将是最佳的。但是，在接近TDC处的压缩行程的后期部分和动力行程的早期部分的过程中，与活塞面和汽缸盖(包括活塞)的组合面积相比，汽缸体积和汽缸壁面积非常小。通过在压缩行程的后期部分的过程中注射被引导至汽缸盖或活塞面的液态水，并且通过避免液态水与热气体的混合，可实现发动机的基本上冷却而不会冷却点火后的燃烧过程。该方法可能能够在内部捕获将到达冷却剂和散热器的几乎所有的热。此外，众所周知的是，汽缸盖是任何内燃机的非常热的部分。在该实施方式中，由液态水在内部吸收的热可被认为是储存在缓冲器中待在废气中回收，以加热所注射的水、燃料以及如果必要的话加热吸入的空气。

[0083] 在另一实施方式中，发动机使用液态水与乙醇或添加至发动机中的水用以降低液态水的冻结点的其他添加剂(诸如例如，甲醇、乙醇、异丙醇)的混合物。使用这样的醇类添加剂防止液体在寒冷天气下冻结，这在例如寒冷气候下的汽车应用中是一个重要的考虑因素。液态水-醇混合物比率可介于大约0％到大约50％重量百分比的范围内。如在此使用的，就水-醇混合物比率而言，应当理解的是，从大约0％开始的范围意味着存在一定量的醇(或类似的添加剂)。

[0084] 贫乏燃料混合物

[0085] 贫乏空气/燃料混合物以与如这里描述的发动机的各个实施方式组合的方式来使用。也就是说，燃料利用燃料注射器注入入口空气流中或者直接注入汽缸中。燃料的量调节为保持空气/燃料混合物贫乏。这意味着，在发动机中，在空气中使用过量摩尔的氧。化学计量空气与汽油燃料的比为大约14.7:1(w/w)。空气的实际量与用于所注射燃料的化学计量空气的比例以λ(即相对空燃比)表示，其中，将λ＝1定义为化学计量空气。这在发动机领域中称为相对空燃比。如在此定义的，λ＞1是贫乏比率，λ＜1是浓稠(缺少氧气)比率。

[0086] 燃烧效率可随着贫乏混合物而增加，因为限制性反应物是空气而不是燃料。在浓稠混合物中，在废气中将存在未燃烧的燃料，这是浪费的能量。燃烧温度还随着贫乏混合物而降低，导致热损耗减小。当然，在点火时存在取决于燃料、温度和压力的最佳空燃比。在此描述的发动机的关键特征是，λ可比传统的火花点火发动机增加得多得多，因为本发动机能够在比传统发动机高得多的压缩比下工作。

[0087] 在一个方面，如在此描述的液态水注射在相对于TDC的量和计时上可实现比传统发动机更均匀的燃料和空气的混合。在另一方面，高压缩和过量氧气(空气)一起允许点火之前的更高的温度和压力，带来更高的燃烧速率和程度以及因此更高的效率。因此，贫乏混合物预期为通过增加自动点火的温度而减小发动机爆震。常规地，汽油发动机在λ＞1.5时将无法可靠地工作，但是在此描述的发动机预期在λ＞1.5时以致大约λ＝8时有效地工作。在实施方式中，在此描述的发动机以大于大约1.2的空燃比工作；在另一实施方式中，空燃比大于大约1.5。在另一实施方式中，空燃比大于大约2.0。在另一实施方式中，空燃比大于大约4.0。在另一实施方式中，空燃比大于大约6.0。在实施方式中，空燃比在大约λ≥1.2到大约λ≤8.0的范围内；或大约λ≥2.5到大约λ≤5.5的范围内；或大约λ≥3.5到大约λ≤5.0的范围内。

[0088] 在注入或吸入汽缸中之前，入口空气或燃料和/或空气/燃料混合物可单独或一起加热。加热空气或燃料或空气燃料混合物可将有用的能量从废气传递回至发动机。此外，加热空气/燃料混合物可提供空气和燃料在汽缸中更好且更有效的混合，并且，处于临界状态或低于临界状态的加热后的液体燃料预期更有效地蒸发并与空气更好地混合。超临界液体燃料将瞬间转变(flash)成蒸汽，并与空气非常容易地混合。在这样的实施方式中，液体燃料可受到高于其临界点的温度和压力条件，其中不存在明显的液相和气相。具有与燃烧和/或压缩行程发动机一起使用的气体和液体之间的特性的超临界流体包括但不限于：甲烷，乙烷，丙烷，乙烯，丙烯，甲醇，乙醇和丙酮。空气或燃料(或两者)因此可加热至从大约30℃到大约150℃选出的温度。在另一实施方式中，在注射水之前，将具有该空燃比的燃料/空气混合物加热至介于大约30℃到大约80℃范围内的值、或介于大约40℃到大约80℃范围内的值、或介于大约50℃到大约80℃范围内的值，或者在注射水之前加热至大约80℃或更大的值。

[0089] 发动机温度控制

[0090] 在空气或燃料被加热的实施方式中，同股沟热交换器71或从废气捕获热并将一部分废热传递至空气或燃料的类似的装置来供应热。这是将否则会浪费并损耗至环境的热传递以用于有用功的方面。在冷启动条件下，入口空气还可被预先加热。

[0091] 为了控制通过受压缩行程过程中液态水的增加影响的冷却的量，发动机可使用位于各个位置处的一个或多个温度和压力传感器。如图示了用于控制并监测发动机系统操作的计算机控制系统100的图8所示，温度传感器装置110可例如位于进口歧管/汽缸盖中，第二温度传感器装置111可位于排放歧管中，并且压力传感器装置112可能位于汽缸/进口歧管/排放歧管中或其任意组合中。同样如在此描述的，温度和压力传感器可位于发动机中的其他位置中。可使用其他测量汽缸压力的装置，包括但不限于燃烧室等离子体监测器、或曲柄角加速度监测器。如图8所示，包括汽缸盖传感器和压力传感器的一个或多个温度传感器耦接至使用适当软件的计算机和发动机控制器，所述发动机控制器可根据诸如发动机温度或所需的发动机输出/转速的因素来改变空气/燃料混合物、空气或燃料(如果使用的话)的加热、以及增加的液态水的量。例如，刚启动且冷运行的发动机可具有略微更浓稠的混合物和更少的水，直到变暖为止。当完全变暖时，可调制空气/燃料混合物(以及可选地温度)和增加的水，以调节功率输出和发动机效率。

[0092] 所需的冷却的量基于发动机的各个部件的最大工作温度，在该最大工作温度之上，特定部件将熔化或变形，或者润滑可失效。发动机温度控制的传统解决方案是热交换器(散热器)，具有循环穿过发动机且将过多的热传递至发动机之外并通过该散热器传递到环境中的流体(发动机冷却液)。实际上，传统发动机中费热的量典型地是至少40％。通过卡诺定律，该费热的一些理论上在热力学上可转变成机械能。

[0093] 因此，在一个实施方式中，发动机在压缩行程过程中另外使用足够的增加的液态水，以使发动机冷却至使得散热器将不是必要的点。在另一实施方式中，在此描述的燃烧发动机提供一种由于注入汽缸中的液态水而减小或消除需要排出至环境的废热的方法。液态水的量将根据温度和压力传感器提供的数据来计量。在实施方式中，注入发动机中的液态水可通过发动机内的周期来预加热，从而减小向环境的热损耗。如在其他地方指出的，在高压力环境下液态水课加热至大约80℃或甚至更高的温度。预期帮助使内部温度更冷的其他特征是贫乏燃料混合物(λ＞1.5)以及高效压缩比。术语“内部温度”的是指汽缸盖处的温度，汽缸盖典型地是发动机最热的部分。该高效压缩比预期由于汽缸在动力行程过程中更大的体积膨胀(与传统的更低压缩比的发动机相比)而产生冷却效果。

[0094] 在发动机使用散热器(例如热交换器)和液体冷却剂来进行外部冷却的情况下，与传统发动机相比，液态水注射的量和发动机的其他冷却特征预期减小所需冷却的量(排出至冷却剂的热)的至少20％。在其他实施方式中，与没有液态水注射的发动机相比，通过液态水注射，由冷却剂排出的热量减小至少40％。在其他实施方式中，与没有液态水注射的发动机相比，通过液态水注射，由冷却剂排出的热量减小至少60％。在其他实施方式中，与没有液态水注射的发动机相比，通过液态水注射，由冷却剂排出的热量减小至少80％。在另一实施方式中，使用具有更高沸点的冷却剂(例如使用更大量的乙二醇)或者在更高的压力下操作冷却回路，以允许周期在更高的温度下运行。

[0095] 在一个实施方式中，发动机可进一步无需外部冷却装置。在另一实施方式中，发动机可为空冷的，完全不存在热交换器。空气冷却的量可通过控制电动鼓风机的速度或间歇或者通过诸如控制叶片(flap)的操作的手段来控制。例如，叶片可通过以下方式控制空气流：使用叶片和风扇主动地控制；或者通过控制由于空气和排气的进口的打开而被暴露的表面积和被控制的流来被动地控制。另一种冷却发动机和回收部分废热的方式是通过使入口空气在发动机周围循环。

[0096] 在可替换实施方式中，发动机可设计为在比传统发动机高的温度下工作。典型地，传统发动机设定为在大约91℃(195°F)的内部温度下运行，然而在此描述发动机的矩阵500可设定为在100℃到175℃的内部温度下运行，其中润滑剂规格具有适当的改变。在一个实施方式中，发动机在介于大约85℃到大约175℃范围内的汽缸温度(即，在使用冷却系统时，冷却剂或散热器水将经受的发动机壁的外部温度)下操作。与在此描述的附加的热管理特征组合，发动机无需外部冷却装置，但可选地可包括排气散热器。例如，发动机在介于大约85℃到大约100℃范围内、或介于大约85℃到大约120℃范围内、或介于大约85℃到大约140℃范围内、或介于大约85℃到大约150℃范围内的外部温度下操作，并且发动机无需外部冷却装置。

[0097] 在可替换实施方式中，发动机可为绝缘的以使环境热损耗最小，其中冷却仅来自所注射的水并且可选地来自在排气中捕获的用于加热空气和燃料的热。在该实施方式中，发动机设计将为在比普通发动机更高的内部温度下运行。在一个实施方式中，燃烧室或汽缸、或者容纳燃烧室的发动机的一部分、或者整个发动机可选地通过本领域普通技术人员已知的热绝缘器90而为热绝缘的。

[0098] 在可替换实施方式中，发动机通过热交换器70回收排气或发动机盖中的热，该热交换器从排气或发动机盖或两者中传递热，以预加热液态水、燃料和入口空气。在发动机不具有其他外部冷却设备(诸如散热器)的情况下，或者在发动机为绝缘的以使环境热损耗最小的情况下，燃料和液态水的预加热可为将否则通过排气而损耗至环境的热传递以用于有用的机械能的手段。

[0099] 由于在压缩行程过程中控制汽缸中的温度的冷却措施(包括液态水注射和贫乏燃料混合物)的原因，比传统发动机更大的压缩比是可能的。本公开的发动机具有大于13:1的有效压缩比，但是更优选地将具有大于15:1、或大于20:1或大于25:1、或大于30:1、并且可高达40:1的有效压缩比。部分地由于该设备和方法可具有的更高的压缩比，使得通过发动机可实现的更高的压缩比将比传统发动机更有效。根据奥拖循环(或者在压缩点火发动机情况下的狄塞尔循环)，更高的压缩比在理论上将带来更大的热效率。

[0100] 发动机使用的燃料可为低烷烃(诸如天然气、甲烷、乙烷、正丙烷、或异丙烷)、或者低烷基醛或低烷基酮(其中低烷基包含1-6个碳原子(例如丙酮))、或者其混合物。可替换地，燃料可能是可选地与醇(例如乙醇)混合的汽油(gasoline)(汽油(petrol))。可将其他碳氢化合物用作发动机中的燃料，诸如其他C4-C15烷烃或其混合物、或者柴油(煤油)燃料。通常，汽油和低烷烃燃料将可能需要火花点火。柴油燃料为压缩点火，并且发动机可使用基于柴油类燃料的燃料混合物，所述柴油类燃料例如为柴油、生物柴油、煤油、JP-8、JP-A以及其他煤油类型的燃料。两种类型的燃料和点火方法均可与所描述的实施方式兼容。在一个实施方式中，该燃料可为天然气与柴油类燃料的混合物，其中柴油类燃料通过压缩来引起点火，但是装料的大部分来自天然气。

[0101] 发动机中的点火来自火花塞、来自压缩点火或其组合，或另一其他装置，诸如等离子体放电或激光。在火花点火的情况下，计时可根据燃料、空燃比、以及所注射的液态水的量或其组合而改变。点火计时为在TDC之前开始，因为整个燃料装料不会立即点火。一旦点火开始时的燃烧过程会花费一计时间，因为在点火时形成的火焰会移动通过汽缸。出于该原因，点火在开始时被计时(例如在计算机系统的控制下)，以确保来自燃烧的最大压力出现在TDC时或略微出现在其之后。在火花点火发动机中，调节“火花提前”(火花的计时)，以优化点火计时，从而使效率最大。由于燃料的更好且更均匀的混合以及更小的燃烧隔室的原因，在此描述的以贫乏燃料混合物和高压缩比工作的发动机可需要更小的火花提前，使得与传统的更低压缩比的发动机相比，来自燃烧的最大压力将更快地实现。

[0102] 由于在本发明发动机中冷却的水的原因，不具有火花点火的压缩发动机将典型地需要调节注入汽缸中的燃料的计时。因此，使用更高的λ值和更多的水注射(其等同于更冷的内部温度)，在此描述的计算机控制系统操作为在压缩行程中的较早时候将柴油类燃料注入压缩发动机中，以便得到适当计时的点火和完全的燃烧。

[0103] 图8进一步示出了可在图2至图7的发动机中使用的传感器控制系统100。传感器控制系统100通过控制器装置105动态地控制发动机操作，所述控制器装置为在储存于相关的记忆存储装置中的程序控制下操作的发动机控制单元或ECU(例如，微处理器或者可编程逻辑控制器或微控制器)。对于发动机控制，使用传感器装置，所述传感器装置包括但不限于用于测量进口处的空气的质量的MAF或(质量气流)传感器；IAT(进口空气温度)传感器，例如位于汽缸盖和/或进口口中，或者位于汽缸盖和/或进口口处；EGT(废气温度)传感器，例如位于排放歧管中；MAP(歧管绝对压力)传感器，位于进口/排放歧管中或进口/排放歧管处，或其任意组合。传感器装置与控制器装置105连通并与其耦接，控制器装置105可为具有微处理器的计算机，所述微处理器发出控制信号，以响应于各种发动机温度和压力测量以及其他相关数据(诸如发动机负载或外部空气温度和压力)的方式可编程地控制和调节发动机参数。

[0104] 例如，操作发动机的参数可根据发动机的功率/速度输出需求(例如发动机负载)和温度冷却目标来动态地调节，其中编程微处理器或可编程逻辑控制器元件105响应于动力装置(负载)113(例如诸如由发动机RPM表示)以及一个或多个发动机操作条件。例如，指示发动机操作条件的消息或信息由传感器装置连续地感测，并且与输入至可编程逻辑控制器元件105的实时的值(包括但不限于汽缸的第一温度T1值、排放歧管处的汽缸的第二温度T2、以及活塞汽缸压力P)通信，以确定用于下一周期的发动机的操作参数，例如用于提供空气进口阀的控制和/或燃料注射器控制的参数、以及用于控制液态水注射器/可变泵控制的参数。

[0105] 如在此描述的，所注射的水的量是比存在于汽缸中的周围空气中的水蒸汽的饱和点下的水的量更大的量。该量可有本领域技术人员确定。热力学的标准教科书包含湿空气的章节。饱和蒸汽质量可通过使用理想气体定律和饱和蒸汽表来近似地计算。

[0106] 水蒸汽的量由分压力和温度的限制来约束。露点温度和相对湿度用作水循环中水蒸汽的过程的准则。冷凝和蒸发之间的平衡给出称为蒸汽分压的量。

[0107] 空气中的水蒸汽的最大分压力(饱和压力)随着空气与水蒸汽的混合物的温度而改变。存在用于该量的许多经验公式；最常使用的参考公式是戈夫-格雷奇方程式：

[0108]

[0109] 其中，T为潮湿空气的温度，以开尔文的单位给出，“p”为水的分压，以毫巴(百帕)的单位给出。因此，在各种温度下，空气完全饱和时的水的分压可使用该公式确定。所注射的量大于用该方程式计算的量“p”。例如，在101.33kPa和20℃下，与大约6.8％的化学计量燃料质量相比，空气可具有大约1.5％蒸汽质量的最大值。在25℃下，其为大约2％。在实施方式中，例如所注射的水的量介于在大约25℃的环境温度下以水蒸汽饱和的空气所携带的水蒸汽的量的大约1.05到大约10倍的范围内。因此，无论从诸如上述方程式中计算出“p”的值如何，在该实施方式中，所注射的水蒸汽的量均与该值的大约1.05到大约10倍。然后，可通过确定蒸汽中的该量从理想气体定律方程式PV＝nRT得出的摩尔数将该量转换成待增加的液态水的量，所述方程式中，P为待增加的水的分压，V为汽缸的体积，T为温度(单位是开尔文)，R为理想气体常数，n为摩尔数。基于所计算的水的摩尔数，可计算待注射的水的量(水的克数)，因为水具有18克/摩尔的分子量。由于水具有大约1gm/mL的密度，因而然后可计算待增加的液态水的量(毫升)。

[0110] 如上所述，待注入发动机中的水的最佳量例如经由一张或多张当量表(equivalency table)通过ECU(发动机控制单元)来计算。所述当量表包含与在不同操作条件下将多少水注入发动机相关的信息。当量表的一个实例是“水注射量VS进口空气温度(IAT)乘数”。这与电控发动机所具有的“点火计时延迟VS IAT乘数”表非常相似，其随着进口温度的增加而延迟点火计时以抑制爆震，除了在本情况下以外，水注射量与随着IAT的增大而增大的小正数相乘，以在考虑到各种参数(诸如发动机的转速、负载、温度、压力、燃料等)的情况下满足较热的进口装料对于增大的装料冷却的需求。对出现爆震的可能性产生影响的任何其他因素将在ECU中具有着眼于性能提升的表，并且通过延迟火花计时、增加燃料供应、并增加/减小水的量来抵消所述影响。主要水注射当量表使水、燃料的量、以及发动机负载相关联。

[0111] 水注射当量表通过运行在各种速度和负载下进行扫掠的注射(将发动机保持在恒定速度和负载下并且使水注射的量从0变化至100％)而实验方法地产生，从而在大多数操作条件下确定水的最佳量。将数据写入试验结果之间，以产生用于位于实际测试点之间的点的全矩阵，因此，当发动机在各种负载和速度下运行时，ECU准确地知道其需要注射多少水来保持其最佳地运行。

[0112] 更具体地，在图9中描述了确定用于每个发动机周期的每个活塞注射的水的最佳量的方法200。在图9中的210中，示出了确定当前发动机操作条件(包括例如发动机的RPM、负载)的控制器。然后，在215中，气流质量(流入发动机的空气的质量)可例如通过MAF、或使歧管压力(MAP)与发动机转速相关联以确定气流的当量表(未示出)来确定。可替换地，气流质量可通过使MAF与发动机速度和进口空气温度相关联的表来确定。通过该确定的气流质量的值，在给定所需的A/F(空气/燃料)比的情况下，在220中计算燃料的量。

[0113] 然后，继续至225，其中通过当量查找表确定基于所确定的燃料质量的待注射的基础水注射量。如在此描述的，如上所述的水注射的基础水量为所注射的比存在于汽缸中的周围空气中的水蒸汽的饱和点处的水量更大的水量。在上文中描述了计算水注射量的实例方法。

[0114] 在图9中，在230继续，在给定当前进口空气温度值传感器的读数的情况下，控制器执行当量表(未示出)查找，以确定水装填乘数调节。乘数值实验地确定并且提供在当量表中，以用于在给定当前进口温度值传感器的读数的情况下实时地调节基础注射量(例如增加或去除液态水的量)。同样地，在235中，在给定当前歧管绝对压力值传感器的读数的情况下，控制器执行当量表(未示出)查找，以确定水装填乘数调节。乘数值实验地确定并且提供在当量表中，以用于在给定当前歧管绝对压力值传感器的读数的情况下实时地调节基础注射量(例如增加或去除液态水的量)。应当理解的是，可执行额外的当量表查找，以基于其他感测到的参数(例如废气温度传感器的值)在每个周期的基础上调节水注射量。

[0115] 继续至图9的240，其中通过对在225中获得的基础水注射量的值应用每个所述乘数调节来计算最终调节的水注射量的值。然后在245中，控制器参考另一水当量图(未示出)，以确定用于待打开的水注射器装置的触发器(计时)和停留时间，从而对该周期的其余部分提供最终调节的用于注射(端口或汽缸)的液态水的量。

[0116] 也即，返回参考图8，在一个实施方式中，使用储存于一个或多个当量表120中的预定信息，逻辑控制器元件105将计算控制参数125，以实现发动机输出条件，诸如待注射的液态水的量。根据在此描述的实施方式，通过用于控制燃料注射器的致动(例如停留时间)的控制器通信消息140以及用以控制液态水注射的计时和液态水注射的量(体积)(在TDC之前)的通信消息140来实现这些改变。在发动机一个周期接一个周期的基础上，在给定当前感测到的条件值的情况下，并且以响应于当前温度和压力读数、以及其他变量(例如环境条件，诸如环境温度)，控制器105将通过发送用于改变空气和燃料注射量及计时的控制消息140以及在压缩行程过程中相对于汽缸处的火花点火(提前)的计时控制液态水注射(端口或汽缸直接注射)的量的控制消息130来协调系统的操作，以用于如在此描述的最大效率、压缩以及冷却。

[0117] 应当理解的是，处于发动机的操作的任何特定周期下的发动机操作的监测和控制可基于之前周期(包括几个之前周期的时间平均)的过程中的操作来调节，以确保点火和水注射以稳定的方式通过适当的曲轴角度发生。

[0118] 除了别的益处以外，内燃机的燃烧室中的液态水降低内部温度，这允许较高压缩的发动机以不存在爆震的方式操作，从而允许在较高压缩和更有效的发动机中使用低辛烷燃料。较低的内部温度还可避免和/或减少NOx的排放，NOx的排放会随着内部温度的提高而增加。另外，相对于传统发动机产生的一氧化碳的量，在此描述的发动机呈现有减少的一氧化碳的量。

[0119] 如在此使用的，每个汽缸的上死点(TDC)对应于活塞的处于汽缸内离曲轴最远的点的定向。以度数来衡量，位于其压缩行程的上死点(TDC)处的活塞的曲柄角(是指发动机曲轴在汽缸内移动时相对于活塞的位置)为零曲轴角的度数。如在此使用的，每个汽缸的下死点(BDC)对应于离曲轴最近的活塞的定向。位于其压缩行程的下死点(BDC)处的以度数衡量的曲柄角为180曲轴角的度数。

[0120] 除非指出与之相反，否则在此使用的温度均为℃。

[0121] 如在此提到的，“周围的”限定为处于能量储存系统外部的温度和压力的条件，例如大约25℃和1atm。

[0122] 如在此使用的，术语“碳氢化合物燃料”是指基本上包括碳氢化合物的燃料(碳氢化合物的重量百分比大于80％)，但可另外包括其他添加剂，诸如醇，例如乙醇。

[0123] 如在此使用的，复数包含单数，并且反之亦然，单数包含复数。

[0124] 以下非限制性实例是说明性的。

[0125] 实例1

[0126] 图10示出了在各种发动机负载下工作的发动机效率的图，其中包括水注射和增压空气注射压力。工作效率基于如在此描述的空气/燃料和注射的水的输入来计算。测试发动机是改进的Yanmar L 100单缸柴油发动机，其与5KW发电机耦接，该发电机具有86mm×75mm的缸径×行程、435cc的位移、以及发动机压缩比19:1。发动机通过阻止气流的可移除的板改进，以便于研究内部冷却。在用于水注射器(例如通过商业上可获得的适于以80psi注射水的燃料注射器)以及压力和温度仪器的各种位置中钻取额外的孔。在所指示的压力(例如5PSI(磅每平方英寸)、10PSI和15PSI)下用超级增压器注射空气。在TDC之前的300°，在
80psi下以端口注射的方式进行水注射3ms。发动机速度为大约3600RPM。

[0127] 所示电输出是发动机在各种工作参数下的效率的直接测量结果。通过将所测量的电输出除以所注射的燃料的热能容量(燃烧的热量)，来计算效率。燃料是ULSD超低硫柴油。特别地，图10绘出了发动机在各种发动机负载和三个不同的增压空气注射压力下的电效率。表1示出了图10所示的基础数据以及水与燃料的百分比(按重量)和λ(空燃比)。在15PSI的增压空气压力和5037瓦特的发动机负载下，表1和图10中的最有效的数据点的电效率为
55.3。水/燃料比为1.5，意味着比为150％w/w。对于该实验，λ为4.46。

[0128] 表1图10所示的具有水注射和增压的测试发动机的数据

[0129]

[0130]

[0131]

[0132]

[0133] 图10示出了，在具有内部冷却的10PSI和15PSI气压下，效率稳定地增加至4KW发动机负载。在15PSI下，输出进一步增加至55％效率的最大值。

[0134] 实例2

[0135] 图11和表2示出了发动机在各种发动机负载和10PSI增压空气注射压力下的电效率，比较了水注射内部冷却和不存在水注射及空冷。在TDC之前的300°，在80psi下注射水3ms。发动机速度为6000RPM。表2中的数据表明，在10psi空气注射下，使用水注射内部冷却可极大地增加效率。在4KW发动机负载下，效率从32％增加至46％。表2示出了图11所示的基础数据以及水/燃料比和λ(空燃比)。

[0136] 表2在存在和不存在水注射的情况下(图11)在各种负载和恒定气压下对发动机进行测试的数据

[0137]

[0138]

[0139]

[0140] 由于在此描述的发动机在不背离其精神或实质特征的情况下可体现为不同的形式，因而还应当理解的是，除非另有说明，否则上述实施方式并不限于以上描述的任一细节，而是应当在如由所附权利要求书所限定的实质和范围内宽泛地解释。因此，所附权利要求旨在包含所有落在权利要求书的边界和范围内或这样的边界和范围的等同物内的变化和改进。

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