CN100410519C

CN100410519C - 缸内喷氧的内燃发动机及其富氧燃烧控制方法

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Publication number: CN100410519C
Application number: CNB2005101077410A
Authority: CN
Inventors: 贺长宏
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2004-10-04
Filing date: 2005-09-29
Publication date: 2008-08-13
Anticipated expiration: 2025-09-29
Also published as: CN1746478A

Abstract

本发明公开了一种缸内喷氧的内燃发动机及其富氧燃烧控制方法，在内燃发动机的每个气缸燃烧室上，增加至少一个富氧进气门，富氧进气门的出口与燃烧室联通，富氧进气门的进口与一个逆止阀的出口相联通，逆止阀的进口连接于一根富氧进气总管上；该富氧进气总管和制氧设备的富氧气体输出口联通。通过控制所增加的进气门的开、闭，在内燃发动机进气或换气、压缩、燃烧过程中的某一时段内向燃烧室喷射富氧气体，提高燃料利用率，增加动力输出，同时降低NO_X、CH、CO、PM的排放。本发明的缸内喷氧的内燃发动机在缸内达到同样富氧状况下，富氧气体的消耗量仅是现有技术的30%左右，其中的制氧设备体积、重量、能耗、造价低，可在各种二、四冲程内燃发动机应用。

Description

缸内喷氧的内燃发动机及其富氧燃烧控制方法

技术领域

本发明涉及一种发动机，特别涉及一种向缸内额外喷射富氧气体的内燃发动机及其富氧燃烧控制方法。

背景技术

在现代社会，无论是柴油或汽油发动机，其燃烧均不充分，给大气环境造成了严重污染，造成了有限的石油资源的过快消耗，使人类面临严重的能源危机。节约能源、建设节约型社会和保护环境是发动机工业面临的重大课题。然而，任何内燃发动机都是将燃料和吸入空气中的氧气混合燃烧而做功的，空气中含氧量仅有21％，其余79％是氮气和少量的其它气体，对燃烧不起作用，致使内燃发动机从诞生一来就一直处于“贫氧”状态下工作，燃烧不充分，燃料经济性差，排放污染高。内燃发动机工业为充分利用好吸入气体中21％的氧气，进行了许多努力和探索，传统的技术已经发展到了十分精细的程度，而且还面临着越来越高的排放标准和新出台的燃料消耗标准双重限制的巨大挑战。

随着空气分离制氧技术的发展进步和工业化的成熟应用，使内燃发动机富氧燃烧已经成为可能。许多科技工作者跳出了利用空气中21％含氧量的传统思维，另辟蹊径，进行了大量的使内燃发动机吸入富氧气体而能富氧燃烧的研究和实验工作。所谓富氧气体是指含氧量超过自然空气中含21％氧量的富氧空气(包括纯氧)。根据申请人进行的资料检索，其中的中国专利申请具有代表性的专利申请案包括：“发动机富氧燃烧法(公开号CN1299924，公开日2001/06/20)”和“内燃发动机增氧节能方法(公开号CN1499070A，公开日2004/05/26)”。这些专利中使发动机富氧的方法可分为两种：一种是将空气分离制氧环节串入发动机空气滤清器之后的进气管道中，使发动机吸入的气体全部是富氧气体(以下简称为串入法)；另一种是将空气分离制氧环节富氧气体输出口并接于发动机空气滤清器之后的进气管道上，发动机吸入的气体是来自空气滤清器的自然空气和来自制氧环节的富氧气体的混合气(以下简称为并入法)。这两种方法中，后者比前者富氧气体的消耗量小。但所需的制氧环节的体积和重量仍然太大，富氧气体的消耗量大，能耗高，因此难以在各种发动机上灵活应用。另一方面，这些专利中都只单纯地注重使发动机富氧燃烧，以促进燃料的充分燃烧，从而降低CO、CH、PM物质的排放，提高燃料经济性。但在富氧燃烧的条件下，使NO_X大幅度增加的问题未能得到解决。

发明内容

针对上述现有技术存在的缺陷或不足，本发明的一个目的是，提供一种缸内喷氧的内燃发动机，该内燃发动机采用在现有内燃发动机燃烧室上增加至少一个富氧进气门，由该富氧进气门向内燃发动机的缸内燃烧室额外喷射富氧气体(以下简称缸内喷氧法)，使燃料更加充分燃烧。同时降低富氧气体的消耗量，从而降低制氧环节的体积、重量、造价和能耗。

本发明的另一个目的是，提供一种上述缸内喷氧的内燃发动机的喷射富氧气体的方法和富氧燃烧过程的控制方法，以同时降低内燃发动机中NO_X、CO、CH、PM的排放。

为了实现上述任务，本发明采取如下技术解决方案：

一种缸内喷氧的内燃发动机，包括现有的内燃发动机，其特征在于，所述的内燃发动机的每个气缸燃烧室上，增加至少一个富氧进气门，该富氧进气门的出口与燃烧室联通，富氧进气门的进口与一个逆止阀的出口相联通，逆止阀的进口连接于一根富氧进气总管上；该富氧进气总管和制氧设备的富氧气体输出口相联通。

上述缸内喷氧的内燃发动机喷射富氧气体的方法，其特征在于，该方法在现有的内燃发动机的每个气缸燃烧室上增加至少一个进气门，所增加的进气门的出口与燃烧室联通，配备制氧设备向所增加的进气门供给富氧气体；通过控制所增加的进气门的开、闭，在内燃发动机进气或换气、压缩、燃烧过程中的某一时段内由制氧设备向气缸燃烧室喷射富氧气体。

本发明的缸内喷氧内燃发动机能够在现有的内燃发动机的进气、压缩、燃烧过程中的任一时段，向燃烧室喷射富氧气体，喷射方法灵活多样，喷氧量容易控制。尤其在内燃发动机现有的进气(四冲程)或换气(二冲程)过程结束后的压缩、燃烧过程中进行富氧气体喷射，不减少内燃发动机现有进气(或换气)方式下自然空气的注入量。完成现有空气进气的基础上再额外喷入富氧气体，使缸内达到同等富氧状况下，富氧气体的需求量比现有技术的串入法和并入法都小。例如，采用生产浓度为30％富氧气体的制氧设备，在内燃发动机现有正常进气或换气过程结束后向缸内喷射富氧气体，使缸内的相对富氧量(缸内氧气总量与气缸排量之比)达到25％时，缸内喷氧法的富氧气体消耗量仅是并入法的30％，比串入法更小。从而使制氧环节的体积、重量、能耗、造价大幅度降低，方便在各种类型的内燃发动机上应用。

采用本发明的缸内喷氧的内燃发动机富氧燃烧过程的控制方法，能够在内燃发动机的进气(或换气)、压缩、燃烧过程中的任一时段，向缸内喷射富氧气体，喷氧时间和喷氧量均可灵活调整和控制。这一灵活多变的喷氧方法，与不同的燃料供给方法(即不同的混合气形成方式)、不同的着火控制方法相结合，可形成多种对发动机富氧燃烧过程进行控制的方法。促进完全燃烧，提高内燃发动机的动力性和燃料经济性，并同时降低NO_X、CO、CH、PM等污染物的排放，从源头上治理内燃发动机的排放污染。

附图说明

图1是本发明的一个实施例，采用板式膜组件或卷式膜组件在负压操作时的制氧设备与内燃发动机组合的原理图；

图2是本发明的另一个实施例，采用空纤维膜组件的制氧设备与内燃发动机组合的原理图；

图3是实施例1的一种变换形式，即采用板式膜组件或卷式膜组件在正压操作下的制氧设备与内燃发动机组合的原理图；

图4是本发明的又一个实施例，采用变压吸附制氧设备与内燃发动机组合的原理图。

其中涉及的标号分别表示：1、空气滤清器，2、通风机，3、板式或卷式膜组件，4、排氮口，5、真空泵，6、稳压储气罐，7、逆止阀，8、进气门，9、排气门，10、富氧进气门，11、活塞，12、气缸，13、富氧气体进气总管，14、压气机，21、压缩机，22、中空纤维膜组件，23、富氧气体的压力传感器、24、富氧气体的浓度传感器、25富氧气体的温度传感器、26电磁喷氧阀，27、富氧气体的流量传感器，31、吸附塔的第一进气阀，33、吸附塔的第二进气阀，32、吸附塔的第一放空阀、34、吸附塔的第二放空阀，35第一吸附塔，36第二吸附塔，37、富氧气体的第一出口阀，38、吸附塔的富氧气体的第二出口阀。

以下结合附图和发明人给出的实施例对本发明作进一步的详细说明。

具体实施方式

本发明的技术方案按照缸内喷氧方法、缸内喷氧的内燃发动机、内燃发动机富氧燃烧控制方法三部分内容进行叙述。

缸内喷氧方法：一种向内燃发动机缸内喷射富氧气体的方法，在现有内燃发动机每只气缸燃烧室上，增加至少一个进气门(可以是现有技术的进气门，也可是电磁阀或者电子气门)，所增加的进气门的出口与燃烧室内部联通，配备制氧设备向所增加的进气门供给富氧气体，通过对该进气门的开、闭控制，在内燃发动机进气(四冲程)或换气(二冲程)过程、压缩过程和燃烧过程中的某一时段内向燃烧室喷射富氧气体。富氧气体的喷射时段不同，带来的技术效果也不相同，这一点将在下面的富氧燃烧控制方法部分进行详细地叙述。这里所说的进气是指现有四冲程内燃发动机吸入空气的过程，换气是指现有二冲程内燃发动机的换气过程(下同)。

应用缸内喷氧方法，在四冲程内燃发动机的每只气缸燃烧室上增加一个进气门所构成的缸内喷氧内燃发动机，相当于一台二进一出的三气门内燃发动机，其中一只进气门是现有内燃发动机的正常进气门，在现有内燃发动机的进气过程中注入自然空气；另一只进气门与制氧设备的富氧气体输出口相联通，向缸内喷射富氧气体。在一台二冲程内燃发动机的气缸燃烧室上增加至少一个进气门，其出口与气缸燃烧室联通，其进口与制氧设备的富氧气体输出口相联通，通过控制所增加的进气阀的开、闭，可向燃烧室喷射富氧气体。以下均以四冲程内燃发动机为主，兼顾二冲程内燃发动机进行原理叙述。根据上述缸内喷氧方法，至少可构成以下3种形式的缸内喷氧的内燃发动机。

缸内喷氧的内燃发动机的形式1：

该发动机是在现有内燃发动机的每只气缸燃烧室上，加装至少一个现有技术的进气门(以下称为富氧进气门)，富氧进气门的出口与气缸燃烧室内联通，富氧进气门的进口与一个逆止阀的出口相连通，各个逆止阀的进口并接于一根富氧气体进气总管，该富氧气体进气总管和制氧设备的富氧气体输出口相联通。

调整富氧进气门的开闭时刻，控制富氧气体向缸内的喷射。逆止阀用于防止在部分工况下缸内气体的倒窜。由制氧设备生产有压力的富氧气体，其压力的高低根据所整定的富氧进气门开起时段中缸内压力决定。富氧气体的压力要高于喷射时缸内的压力(现有四冲程内燃发动机部分时刻的缸内压力见下表)。富氧气体的喷入量由富氧进气门开起时段的长短和富氧气体压力与富氧进气门开起时段内缸内压力的压差所决定。

富氧气体进气总管是将富氧气体分配到各缸的一根多岔管，单缸情况下可以省去(下同)。

部分时刻现有四冲程内燃发动机缸内压力列表

	进气结束时	压缩结束时	燃烧过程最高压力
	进气结束时	压缩结束时	燃烧过程最高压力	汽油机	0.75～0.85P<sub>o</sub>	0.85～2.0MPa	3～5MPa
非增压柴油机	0.85～0.95P<sub>o</sub>	3～5MPa	6～8MPa	汽油机	0.75～0.85P<sub>o</sub>	0.85～2.0MPa	3～5MPa
非增压柴油机	0.85～0.95P<sub>o</sub>	3～5MPa	6～8MPa	增压柴油机	0.9～0.95Pk	5～7.5MPa	7～14MPa

(上述列表中：P_o表示正常大气压；Pk表示增压器出口压力)

缸内喷氧的内燃发动机的形式2：

该发动机是在现有电喷内燃发动机的每只气缸燃烧室上，加装至少一个富氧进气门，富氧进气门的出口与气缸燃烧室内联通，富氧进气门的进口与一个逆止阀的出口相联通，各个逆止阀的进口并接于一根富氧气体进气总管，富氧气体进气总管再与制氧设备的富氧气体输出口相联通，将富氧气体输出口的富氧气体的压力、浓度、温度、流量传感器信号接入燃料电喷控制单元的中央处理器。

调整富氧进气门的开闭时刻，控制向缸内喷射富氧气体。逆止阀用于防止在部分工况下缸内气体的倒窜。富氧气体的压力、浓度、温度、流量传感器信号接入燃料电喷控制单元后，燃料电喷单元的中央处理器根据内燃发动机吸入的氧气总量(即现有空气进气和富氧进气的氧量之和)和现有技术中已经引入的其它工况参数状况控制燃料的喷射。这里所说的燃料电喷，包括现有技术中缸内直喷、进气门前多点喷射、进气总管单点喷射等所有电喷方式(下同)。

缸内喷氧内燃发动机形式3：是在现有燃料电喷内燃发动机的每只气缸燃烧室上，加装至少一个电磁喷氧阀，电磁喷氧阀的出口与燃烧室内联通，每只电磁喷氧阀的进口并接于一根富氧气体进气总管，富氧气体进气总管再与制氧设备的富氧气体输出口相连通，将富氧气体输出口的富氧气体的压力、浓度、温度、流量传感器信号接入燃料电喷控制单元的中央处理器，从中央处理器扩展一路信号控制每缸的电磁喷氧阀。

电磁喷氧阀，实质上是一个电磁阀或电子气门，其控制可由现有内燃发动机的燃料电喷控制系统的中央处理器一并控制。内燃发动机现有的燃料电喷控制系统是一台微型计算机，其作用是将内燃发动机的转速、气缸空气进气量、进气温度、冷却水温、曲轴位置、尾气中含氧量、节气门位置或脚踏板位置、爆震传感器的信号输入中央控制器，根据内燃发动机的工况精确控制燃料喷射量。其中央处理器有很强的扩充能力，将富氧气体的浓度、温度、压力、流量等传感器信号接入中央处理器后，与现有技术中内燃发动机工况参数的测量信号相结合，并根据已整定的欲使内燃发动机富氧的目标参数(喷氧时段、喷氧量)，从中央处理器中扩展出对电磁喷氧阀的控制信号，控制每只电磁喷氧阀的开、闭，实现对燃料电喷和富氧气体喷射的双重控制。电磁喷氧阀的控制也可以设置专门的控制系统进行控制，其控制原理相同，但容易使控制系统复杂化。

上述三种缸内喷氧的内燃发动机中所述的现有内燃发动机是指所有二、四冲程的各种内燃发动机。

上述三种发动机中所配套的制氧设备，可采用现有化学工业中广泛应用的空气分离制氧设备。目前，能够在发动机上采用的空气分离制氧设备有膜法分离制氧设备和变压吸附制氧设备两大类，它们通过分离自然空气来生产富氧气体。膜法分离制氧设备又分为三种：采用中空纤维膜组件的制氧设备(可生产最高浓度为50％的富氧气体)，板式膜组件制氧设备和卷式膜组件(均可生产最高浓度31％的富氧气体)制氧设备。变压吸附法制氧设备又分为常压解吸法(PSA法)和真空解吸法(VPSA法)制氧设备两种，一般可生产浓度95％的富氧气体。这几种制氧设备均可与上述3种缸内喷氧的内燃发动机相配套。生产的富氧气体的浓度，变压吸附法制氧浓度最高，中空纤维膜组件的浓度居中，板式膜和卷式膜组件的浓度最低。对于内燃发动机而言，缸内产生同等富氧程度时，喷入的富氧气体的浓度越高，喷入气体中的氮气含量就越低，内燃发动机的能量密度就越高，内燃发动机的压缩比就可相应地提高而增加热效率。由此，应选择富氧浓度高的制氧设备。但是，产生高浓度富氧气体的变压吸附法制氧设备，与膜法相比，设备的体积和重量较大、造价较高，宜与重型卡车、船舶等大型内燃发动机配套。膜法制氧设备，体积小、重量轻，工艺简单，适合与小型内燃发动机配套。中空纤维膜组件富氧浓度高于板式和卷式，但价格也高于板式和卷式。故制氧设备的选取应结合上述特点，根据内燃发动机的具体情况和富氧目标来综合确定。

上述几种空气分离制氧方法及设备均是现有技术，具体的工作原理结合后面的最佳实施方式进行介绍。实际工业应用中也有上述几种制氧方法相互组合的制氧设备。

内燃发动机富氧燃烧控制方法：

所谓内燃发动机富氧燃烧控制方法，是指在现有内燃发动机的进气或换气、压缩、燃烧过程中选择不同的富氧气体的喷射时段，与不同的燃料喷射方式(即不同的混合气形成方式)、不同的着火控制方式等进行组合，使内燃发动机在富氧状况下，既能促进完全燃烧，提高动力性和燃料经济性，又能同时减少内燃发动机中NO_X、CO、CH、PM等有害物质排放的燃烧过程控制方法。具体有以下四种：

内燃发动机富氧燃烧控制方法1：

在上述缸内喷氧内燃发动机形式1或2或3在以现有工作方式工作的过程中，增加或改变以下技术措施：①、在内燃发动机现有的进气或换气过程末期和/或压缩过程中，向缸内喷入富氧气体；②、若采用缸内燃料直喷方式，则推迟缸内燃料喷射时间，并采用120MPa及以上喷射压力(泵压)高速喷射燃料；若采用了燃料预混合进气方式，则推迟着火(点火)时间。

上述的内燃发动机以现有工作方式是指现有四冲程内燃发动机原有的吸气、压缩、做功、排气过程和二冲程内燃发动机的换气、压缩、做功、排气的过程及它们原有的燃料供给过程，燃料供给过程包括以扩散燃烧为主的缸内直喷和缸外喷射的燃料预混合燃烧两种方式。(下同)。

上述的内燃发动机现有的进气或换气过程末期和/或压缩过程中，向缸内喷入富氧气体。其意思是将富氧进气门或电子喷氧阀的开启角与正常自然空气进气门的关闭角之间整定一个重叠角，以利于在压缩过程初期，缸内压力较低时向缸内喷射富氧气体(下同)。

推迟缸内燃料直喷方式的燃料喷射时间(目前主要在柴油中应用)或推迟燃料预混合方式的着火(点火)时间(目前主要在汽油机中应用)，可大大减少NO_X的生成，这是现有技术中降低NO_X的常用方法，但容易造成燃烧不充分，使CO、CH、PM等物质的排放量升高。在富氧状况下，推迟燃料喷射或推迟着火(点火)时间，同样降低NO_X生成，而且由于有富足的氧气，可保证推迟燃料喷射时间或推迟着火时间后的主燃期和后燃期中，燃料在富氧状况下能充分燃烧，CO、CH、PM等物质的排放可大大降低。这样可达到同时降低NO_X、CH、CO、PM排放的目的。且经充分燃烧增加动力输出，并缩短后燃期。在采用缸内燃料直喷方式时，采用120MPa(泵压)及以上的高压进行燃料喷射是为了加快燃料与缸内气体的混合速度，加快燃料的蒸发速度，从而加快燃烧速度。燃料喷射压力越高，燃烧速度越快。

内燃发动机富氧燃烧控制方法2：

上述缸内喷氧内燃发动机形式1或2或3在以现有工作方式工作的过程中，增加或改变以下技术措施：①、在现有内燃发动机的进气或换气过程末期和/或压缩过程中，向缸内喷入富氧气体；②、燃料缸内二级喷射，分段燃烧。

所谓燃料缸内二级喷射，是指在滞燃期喷入少量的燃料，限制滞燃期的温度，以减少NO_X的生成，主燃期再高速(采用120MPa以上压力喷射)喷入大量燃料，强化混合，在富氧状况下充分燃烧，降低CO、CH、PM等物质的排放，形成近似等压燃烧过程，缩短后燃期，提高热效率，增加动力输出，整个燃烧过程由弱到强，分段燃烧(下同)。

内燃发动机富氧燃烧控制方法3：

上述缸内喷氧内燃发动机形式1或2或3以现有工作方式工作的过程中，增加或改变以下技术措施：①、推迟缸内燃料高压直喷(采用120MPa以上的压力喷射燃料)的喷射时间或实行燃料缸内二级喷射或推迟燃料预混合方式下的着火(点火)时间，以减少NO_X的排放；②、在燃烧过程中(滞燃期后期和主燃期及后燃期)向缸内喷射富氧气体，以加速主燃期和后燃期中缸内燃气的混合速度、增加氧气量，提高燃烧速度，促进完全燃烧，形成近似等压燃烧过程，缩短后燃期，降低CO、CH、PM等物质的生成，提高热效率。

内燃发动机富氧燃烧控制方法4：

上述缸内喷氧内燃发动机形式1或2或3以现有工作方式工作的过程中，增加以下技术措施：①、无论燃料缸内直喷或燃料预混合的内燃发动机，在现有的进气或换气过程中配以废气再循环(ERG)，以抑制NO_X的生成；②燃烧过程中(滞燃期后期及主燃期和后燃期)向缸内喷射富氧气体，以加速主燃期和后燃期中缸内燃气的混合速度、增加氧气量，促进完全燃烧，形成近似等压燃烧过程，缩短后燃期，提高热效率，减少CO、CH、PM等物质的生成和排放。

本发明的有益效果：①、采用了富氧气体缸内直喷，与现有技术中的串入法和并入法相比，富氧气体的消耗量大幅度降低，所需配备的制氧设备的体积、重量、能耗、造价均大幅度降低。

②、采用缸内直喷富氧气体，可在内燃发动机进气、压缩、燃烧过程中据需喷射富氧气体，同时精确控制喷氧量和喷氧时段。使内燃发动机富氧燃烧的方式灵活多样，形成了多种富氧燃烧控制方法。

③、多种富氧燃烧控制方法，均可从源头上同时降低内燃发动机NO_X、CO、CH、PM等污染物的排放。另一方面，由于在富氧状况下，燃烧速度可得以提高，促进完全燃烧；富氧状况下，有富足的氧气促进完全燃烧，可降低燃料消耗，提高动力输出；和增压法相比，缸内进入同样的氧量的情况下，氮气总量减少，可适当提高压缩比而提高热效率。环保和节能并重。

④、对于二冲程内燃发动机，采用缸内喷氧方法，再配以缸内燃料直喷，可克服二冲程内燃发动机换气效率低的缺陷，有利于发挥二冲程内燃发动机升功率高的优势。

⑤、有利于提高内燃发动机的升功率，尤其克服燃气发动机能量密度低、升功率低的缺点。

以下是发明人给出的实施例，需要说明的是，这些实施例是较佳的例子，按照本发明的技术方案，本领域的技术人员很容易的可以列出其他形式的变形，本发明并不局限于这些实施例。

本发明采用卷式膜组件或板式膜组件或中空纤维膜组件构成的制氧设备；或是采用变压吸附法的制氧设备。发明人给出了图1～图4中的四种形式的制氧设备：

1.制氧设备由稳压储气罐6、压气机14、真空泵5、带有排氮口4的卷式或板式膜组件3、通风机2和空气滤清器1构成；

2.制氧设备由储气罐6、压气机14、具有排氮口4的中空膜组件22、空气压缩机21和空气滤清器1构成；

3.制氧设备由稳压储气罐6、压气机14、带有排氮口4的卷式或板式膜组件3、空气压缩机21和空气滤清器1构成；

4.制氧设备由储气罐6、压气机14、富氧气体出口阀37、38、吸附塔35、36、吸附塔进气阀31、33、放空阀32、34、排氮口4、空气压缩机21和空气滤清器1构成。

图1是采用了平板膜组件或卷式膜组件的制氧设备与缸内喷氧内燃发动机形式1组合的原理示意图。包括现有的内燃发动机，内燃发动机的每个气缸燃烧室上，增加至少一个富氧进气门10，该富氧进气门10的出口与燃烧室联通，富氧进气门10的进口与一个逆止阀7的出口相联通，逆止阀7的进口连接于一根富氧进气总管13上；该富氧进气总管13和由稳压储气罐6、压气机14、真空泵5、带有排氮口4的板式或卷式膜组件3、通风机2和空气滤清器1构成的制氧设备的富氧气体输出口相联通。图中仅画出了四冲程内燃发动机的一个气缸，对于多缸及二冲程内燃发动机，其原理相同。进气门8、排气门9、活塞11及气缸12表示了现有四冲程内燃发动机的一个气缸，在其燃烧室顶部增加了一个现有技术的进气门并称为富氧进气门10，相当于二进一出的三气门内燃发动机。但与现有三气门内燃发动机的区别在于，富氧进气门10向缸内喷射富氧气体。进气门8和排气门9原有的工作方式没有改变，内燃发动机工作时，自然空气经内燃发动机现有的进气门8进入气缸，完成正常进气。富氧气体的产生是将自然空气吸入空气滤清器1(无油滤清器)，经通风机2(通风机经皮带或齿轮传动由内燃发动机主轴驱动，或通风机由一台电动机由电池和/或发电机供电驱动)加压后，送给膜组件3(板式膜组件或卷式膜组件均可)，膜组件3之后设置了真空泵5和压气机14，空气在通风机2和真空泵5的联合作用下，在膜组件3的两侧形成压差，在该压差的作用下，氧气分子容易透过膜组件3而形成浓度为30％的富氧气体，压气机14将富氧气体加压后通过稳压储气罐6、富氧气体供气总管13、逆止阀7送给富氧进气门10，富氧进气门10是现有技术的进气门，根据不同富氧燃烧控制方法的需要，整定其开、闭时刻，向缸内喷射富氧气体。氮气不容易透过膜组件3，形成富氮气体由排氮口4排往大气。其中真空泵5和压气机14，可经皮带或齿轮传动由内燃发动机的主轴驱动，也可由一电动机驱动，电动机依靠电池和/或发电机供电。

上述膜组件3，既可是板式膜组件，也可是卷式膜组件，其基本性能和工作原理相同。两种膜组件均有正压操作、负压操作、正压+负压操作三种工作方式。图1中的通风机2+膜组件3+真空泵5构成了正压+负压操作方式。正压操作的压力要求≥0.4MPa(绝对压力)，负压操作的压力要求为25KPa(绝对压力)，正压+负压操作时，膜组件3的出口压力与进口压力比控制在0.12～0.4之间。正压法的能耗是负压法的3～6.5倍，负压法所需膜面积又是正压法的3～6.5倍。

图2是采用了中空纤维膜组件的制氧设备与缸内喷氧内燃发动机组合的原理图。图中只画出了四冲程内燃发动机的一个气缸，对于二冲程及多缸内燃发动机原理相同。图中进气门8、排气门9、活塞11及气缸12表示了现有四冲程内燃发动机的一个气缸，在其燃烧室顶部增加了一只富氧进气门10，富氧进气门10的出口与燃烧室内连通，其进口依次与逆止阀7、富氧进气总管13及制氧设备的富氧气体输出口相联接。进气门8和排气门9原有的工作方式不变，内燃发动机工作时，进气过程中，自然空气由进气门8进入气缸，完成正常进气。富氧气体的产生是将自然空气吸入空气滤清器1(无油滤清器)，经无油压缩机21送给中空膜组件22，氧气容易透过中空纤维膜组件22而形成浓度为50％的富氧气体，由压气机14加压后，经稳压储气罐6、富氧进气总管13、逆止阀7、送给富氧进气门10，向缸内喷射富氧气体。由于氮气不容易透过中空纤维膜组件，而形成富氮气体，从排氮口4排往大气。中空纤维膜组件可用正压操作方式，操作压力为≥0.4MPa。

图中，“中央处理器”是现有内燃发动机燃料电喷控制系统的中央处理器。在现有内燃发动机的工况信号已经接入的基础上，再将压力传感器23、浓度传感器24、温度传感器25、流量传感器27所分别测量的富氧气体输出口的压力、浓度、温度、流量信号送给中央处理器，与内燃发动机的工况参数进行综合处理，根据内燃发动机进气总量(自然进气+富氧进气)控制燃料的电喷。

压缩机21采用无油压缩机，其驱动可由内燃发动机的主轴经皮带或齿轮传动来驱动，也可由一台电动机经电池和/或发电机供电而驱动。

图3给出了图2的一种变换形式，即采用板式膜组件或卷式膜组件在正压操作下的制氧设备与内燃发动机组合的原理图；和图2中所不同的是将图2中的中空纤维膜组件22更换为板式或卷式膜组件3，构成板式或卷式膜组件3在正压操作下的制氧系统，其余同图2的说明。

图4是采用了变压吸附制氧设备与内燃发动机组合的原理图。图中只画出了四冲程内燃发动机的一个气缸，对于二冲程及多缸内燃发动机原理相同。内燃发动机工作时，内燃发动机的进气过程由现有内燃发动机的进气门8吸入自然空气。富氧气体的产生，是将自然空气吸入空气滤清器1(无油滤清器)，经无油压缩机21压缩后分两路，经吸附塔的第一进气阀31、第二进气阀33送给第一吸附塔35和第二吸附塔36，吸附塔中充满了分子筛，对氮气有吸附作用，而氧气可容易地通过分子筛在吸附塔顶部形成富氧气体，经第一出口阀37、第二出口阀38、压气机14、稳压储气罐6、富氧进气总管13、电磁喷氧阀26，按需向内燃发动机缸内喷射富氧气体。吸附塔中的分子筛吸附一段时间的氮气之后，会达到饱和状态，需要关闭吸附塔的第一进口阀31或第二进口阀33，打开排空第一电磁阀32或第二电磁阀34，将吸附塔中分子筛所吸附的氮气经排氮口4排往大气，使吸附塔中的分子筛再生，这个过程称为解吸附。通过自动控制两只吸附塔的进出口阀和排氮阀的开闭，使两只吸附塔分别在吸附和解吸附的工况下轮流工作，保证输出连续的富氧气体。富氧气体输出口的压力、浓度、温度、流量传感器信号接入燃料电喷控制单元的中央处理器，由中央处理器扩展一路信号来控制电磁喷氧阀26，实现对燃料电喷和富氧气体喷射的双重控制。

解吸附的过程可分为常压解吸附(PSA法)和真空解吸附(VPSA法)。上述将吸附塔直接向大气排氮的方法，就是常压解吸附。若在氮气排放管道上串接真空泵(图中未画)，可使解吸附的过程进行地更彻底，称为真空解吸附。前者方法简单，后者复杂。但后者解吸附过程彻底，整体能耗也比前者低。无油压缩机21可经皮带或齿轮传动方式由内燃发动机的主轴驱动，也可专门设置一台电动机由电池和/或发电机供电来驱动。

上述四种实施例，应用于实现富氧燃烧控制方法1或2时，富氧气体的喷射在现有内燃发动机的进气过程结束前后及压缩过程初期，缸内压力较低的情况下进行的，设计制氧设备的富氧气体输出压力高于缸内压缩初期的压力即可。若要用于实现富氧燃烧控制方法3或4，其富氧气体的喷射在燃烧过程中进行，缸内燃烧压力高，压气机14要选择较高的工作压力，使富氧气体的压力高于缸内的燃烧压力，且富氧进气门10和电磁喷氧阀26的出口可采用多细孔(二孔及以上)喷射，以加强喷入的富氧气体与缸内可燃混合气的混合。

在多缸(3缸及以上)内燃发动机上，上述通风机2、无油压缩机21和压气机14也可采用现有技术中发动机废气涡轮增压器进行全部替代或部分替代。

以上只列举了四种实施例。实际上，缸内喷氧的内燃发动机形式1或2或3，均可分别与上述几种制氧设备相一一配用，本领域的技术人员根据本发明的技术方案和原理很容易实现，在说明书中不再一一列举。

Claims

1. 一种缸内喷氧内燃发动机，包括现有的内燃发动机，所述的内燃发动机的每个气缸燃烧室上，增加至少一个富氧进气门(10)，该富氧进气门(10)的出口与燃烧室联通，富氧进气门(10)的进口与一个逆止阀(7)的出口相联通，逆止阀(7)的进口连接于一根富氧进气总管(13)上；该富氧进气总管(13)和制氧设备的富氧气体输出口相联通；

所述的制氧设备是采用卷式膜组件或板式膜组件或中空纤维膜组件构成的制氧设备；或是采用变压吸附法的制氧设备；

其特征在于，当所述的内燃发动机为电喷发动机时，在所述的富氧进气总管(13)与稳压储气罐(6)之间设置富氧气体的压力传感器(23)、富氧气体的浓度传感器(24)、富氧气体的温度传感器(25)和富氧气体的流量传感器(27)，上述压力、浓度、温度和流量传感器分别和电喷发动机的控制单元中央处理器连接。

2. 一种缸内喷氧内燃发动机，包括现有的电喷发动机，在电喷发动机每个气缸燃烧室上，增加至少一只电磁喷氧阀(26)，该电磁喷氧阀(26)的出口与燃烧室内联通，电磁喷氧阀(26)的进口并接于一根富氧气体进气总管(13)，富氧气体进气总管(13)与制氧设备的富氧气体输出口相连通；

其特征在于，所述的电磁喷氧阀(26)上有控制线圈，从控制单元中央处理器扩展出控制信号连接于电磁喷氧阀(26)的控制线圈上，在所述的富氧进气总管(13)与稳压储气罐(6)之间设置富氧气体的压力传感器(23)、富氧气体的浓度传感器(24)、富氧气体的温度传感器(25)和富氧气体的流量传感器(27)，上述压力、浓度、温度和流量传感器分别和电喷发动机的控制单元中央处理器连接。

3. 如权利要求2所述的缸内喷氧内燃发动机，其特征在于，所述的电磁喷氧阀(26)是电磁阀或电子气门。

4. 一种缸内喷氧内燃发动机喷射富氧气体的方法，其特征在于，该方法在现有的内燃发动机的每个气缸燃烧室上增加至少一个进气门，所增加的进气门的出口与燃烧室联通，配备制氧设备向所增加的进气门供给富氧气体；通过控制所增加的进气门的开、闭，在内燃发动机进气或换气、压缩、燃烧过程中的某一时段内由制氧设备向气缸燃烧室喷射富氧气体。

5. 如权利要求4所述的方法，其特征在于，富氧燃烧具体过程的控制步骤是：

1)首先在现有内燃发动机的自然进气末期和/或压缩过程中向缸内喷入富氧气体；

2)然后，推迟燃料缸内直喷的喷射时间并采用120MPa以上的压力喷射燃料；或

采用燃料预混合进气方式，推迟燃料预混合方式下的着火时间；或

采用缸内燃料二级喷射。

6. 如权利要求4所述的方法，其特征在于，富氧燃烧具体过程的控制步骤是：

1)首先采用推迟缸内燃料直喷的喷射时间并采用120MPa及以上的压力喷射燃料；或

采用缸内燃料二级喷射；或

配以废气再循环；或

推迟燃料预混合方式下的着火时间；

2)然后，在现有内燃发动机的燃烧过程中向缸内喷射富氧气体。

7. 如权利要求4所述的方法，其特征在于，其所述的制氧设备是采用卷式膜组件或板式膜组件或中空纤维膜组件构成的制氧设备；或是采用变压吸附法构成的制氧设备。