CN100476189C - 基于向燃气供应二氧化碳的联合循环内燃机 - Google Patents

Abstract

从传统内燃机如汽油机或柴油机的基本结构出发--所述内燃机具有相应的发动机组(6)和缸体(7)，本发明所述的内燃机设有补偿喷射器(8)，用于使来自于一种液化气体供应储存室(1)的二氧化碳(CO₂)(2)供应所述气体，从而在活塞已经通过上死点(15)之后，并在燃料已经被点燃之后，所述喷射器(8)适时地将计量好的二氧化碳(CO₂)供应到每一缸体(7)，借此，由此点火所产生的热量的一部分被二氧化碳(CO₂)吸收，其发生热膨胀，结果使得内燃机的功率并行地增大。在用于将来自于储存室(1)的二氧化碳(2)供应到缸体(7)的导管(4)内设置有一个热交换器(5)，该交换器被依次设置在内燃机的排气管(9)内，从而在储存室(1)上的室温的二氧化碳(CO₂)当它到达内燃机(6)时被预热。

Description

基于向燃气供应二氧化碳的联合循环内燃机

发明目的

[1]本发明涉及一新型的联合循环内燃机，该内燃机以汽油发动机(汽油机循环)或者柴油发动机(柴油机循环)的基本结构为基础，其特征旨在于：通过输入一气体——特别是二氧化碳(anhídrido carbónico)(CO₂)来改善热力学循环，借助此循环两种情形可被控制，二氧化碳气体一旦与热的燃气接触，就经受强烈的热膨胀，从而使得缸体内部的压力显著增大。

[2]这显然转化为转矩的增大，因而增大发动机的功率。

[3]发动机的控制可以采取两种方式实现，一种方式是，如当前在传统发动机中那样，通过控制空气和燃料的进入来控制发动机，其中空气和燃料在发动机的缸体内燃烧，另一种方式是，通过计量或者改变向缸体供应的二氧化碳的量来控制发动机。

[4]因此，本发明的目的是提供一联合循环内燃机，从热力学的观点看，燃烧中所释放的能量被更好地利用而将它转化为有用的机械功，正是因为两种在热力学上不同循环的联合，但是更具体的特性是，当参与其中的气体被混合在一起时，使得内燃机获得的机械复杂性(complejidadmecánica)比那些气体没有混合的联合循环内燃机的机械复杂性程度更少。

[5]本发明的内燃机特别适合于用在汽车领域。

发明背景

[6]基于两种不同热力学循环联合的联合循环发动机是公知的，诸如一气体与一蒸汽，其结果将是极大地降低燃气的终温，即在最终的热力学过程的终点，这意味着释放到环境中的热能具有更低的温度等级。

[7]然而，这些联合循环内燃机被设想用来回收水蒸汽，从而后者能被冷却和冷凝以便被再利用，这意味着在发动机内形成了额外的机械复杂性，需要用独立的装置来处理气体，这不仅对成本有影响，而且这使得这些联合循环发动机不能适用于汽车领域，本发明的发动机主要是为此而设计，也是出于空间和重量的原因。

发明内容

[8]根据本发明的联合循环发动机以完全令人满意的方式弥补了上述缺点。

[9]为此，更具体地说，本发明的发动机——从二氧化碳(CO₂)的供应源开始——包括一具有合适容积的储存室，其中，根据环境条件，所述二氧化碳(CO₂)可以是液相或者气相，所述储存室正好与发动机缸体连接，二氧化碳(CO₂)经过为此目的而设计的喷射器进入所述发动机缸体，同时，二氧化碳(CO₂)要么具有与储存室中所述气体相同的压力，要么处于因合适的泵的协作所具有的更高的压力下；在活塞已经通过上死点之后，二氧化碳(CO₂)立即被引入每一个缸体，以防止所述缸体内的压力过载，并且还给喷射燃料诸如汽油或柴油的燃烧提供了时间，从而当二氧化碳(CO₂)与高温燃气接触时，所述二氧化碳(CO₂)被加热，这导致其膨胀，结果使缸体内的压力增大，并由此使膨胀冲程(carrera deexpansión)内的能量增加。

[10]根据本发明的另一特征，二氧化碳(CO₂)被在缸体的周边喷射，由此获得双重效果：一方面，不会过度地与燃气干涉，另一方面，这是本质的，在缸体内的大部分热气与其壁之间建立一种热隔离屏障，这防止热流失并且改善发动机的性能。缸体内的紊流确保二氧化碳(CO₂)总是被逐步地和渐进地加热以及在热气与被喷射到缸体内的较冷的二氧化碳(CO₂)气体之间进行热传递。这意味着，压力的增大是逐渐的而不是剧增的，且追求的目标是，在膨胀冲程的第一区段保持缸体内的压力尽可能的均匀。在所述膨胀冲程的终点，所喷射的二氧化碳(CO₂)随着其余燃烧产品被排出到发动机外部。

[11]向缸体供应气体意味着发动机的机功率增大。这种功率的增大可以通过减少燃料的供应来控制，目的是使之不超过在所有时间内所需的最大功率。由此可达到发动机的最终燃料消耗量的显著减少，这基于两个方面的原因：一个原因是，因为仅将气体(CO₂)供应到发动机的每一个缸体本身意味着在这些缸体中压力增大，另一个原因是，喷射的二氧化碳(CO₂)发生强烈的膨胀还增强了压力的增大。

[12]假如已被预热的气体进入缸体，此效果甚至会更大，从而已经假定，在二氧化碳装置与缸体之间设置一个热交换器，以使缸体利用废气——即残余的燃气将热从燃气传递到二氧化碳(CO₂)以提高后者的温度。

[13]二氧化碳(CO₂)目前由油田、天然气田和设备释放出，这些气田和设备每年产生数百万吨所述二氧化碳气体，并且通常是直接将它们释放到大气中，这导致大气中存在的二氧化碳含量升高，除了别的以外，二氧化碳气体可以被用作本发明的发动机的原料。这种气体必须从油和甲烷中分离出来——其中甲烷是天然气的主要成份，这种气体能以纯液化状态管道输送到相应的分配中心，以便最后被用于内燃机——诸如本发明的内燃机，进而获得减少能量消耗并同时减少大气污染的双重优点，其中，大气污染来自于油的一些衍生物的燃烧，诸如柴油和汽油。

附图说明

[14]为补充正在撰写的说明书，并且出于帮助更好地理解本发明的特征的目的，按照本发明的有用的优选实施例，作为本说明书的内在部分地附有一组附图，在图中以图示性和非限制性的方式示出如下：

[15]图1示出液化二氧化碳(CO₂)装置的基本示意性视图，根据本发明的目的，该装置用于向联合循环内燃机供应二氧化碳，其具体应用于汽车领域。

[16]图2示出上图中内燃机的工作循环的特性曲线图。

具体实施方式

[17]参见所示附图，尤其是图1，可以看到，从任何一种传统类型的内燃机——即汽油机或柴油机开始，相应的车辆配设有一储存室1，所述储存室1用于液相的二氧化碳2(CO₂)，并具有任何合适的容积，所述储存室1备设有一安全阀3，用于防止储存室内的压力超过为此预先设定的最大级别。

[18]如图1所示，一导管4从储存室1中伸出，所述导管4横穿一热交换器5，到达发动机组6，更具体地说，是经过各自的喷射器8而到达设于发动机组6中的每一个缸体7。

[19]所述热交换器5用作为热能，热能源自于内燃机6本身产生的燃气，从而所述热交换器5被依次插入在排气管9中——所述排气管9来自于排气集管10，燃气在经过传统的消音器12之后，通过排气管9的终端出口11将燃气排放到外面。

[20]安全阀3备设有一根导管13，导管13也被连接到排气管9上。

[21]根据此结构，并如前所述，与所述燃料如汽油或柴油在每一缸体7内燃烧相并行，一旦相应的活塞已经通过上死点，相应的喷射器8就开启，以向所述缸体7供应预定剂量的二氧化碳(CO₂)——其中二氧化碳已在热交换器5中被预热，从而，当二氧化碳(CO₂)与在燃料的膨胀中所产生的气体接触时，其温度发生大幅升高，并依次转化成相当大的膨胀，随后还增大缸体7本身内部的压力，并且进而增大由相应活塞所产生的功率。

[22]在图2的曲线图中可以看到这种效果，与内燃机的工作循环相对应，图中，x轴表示每一缸体的内腔体积，y轴表示压力，其中，参考数字14代表下死点，而参考数字15代表上死点，其中，参考数字16示出由燃气执行的工作区，而参考数字17示出由二氧化碳(CO₂)的供应所执行的工作区，其中，参考数字18示出在活塞到达上死点之前不久燃料喷射(点火)开始的点，而参考数字19示出一旦上死点通过时二氧化碳喷射开始的时刻。

[23]观察图2可以清楚地看到，由于二氧化碳(CO₂)的协作，工作区17是工作区16的一个扩大或者延伸部分，其中工作区16是由燃气执行的，所述图还进一步示出，对于同样的内燃机功率，本发明能够显著地减少燃料消耗量，或者使内燃机功率大幅增加，而没有增加燃料的消耗量和没有提高内燃机的最高温度，因为在其膨胀阶段，来自于燃气的一部分热量已经被二氧化碳(CO₂)吸收了。

[24]并行地，内燃机的灵活性(elasticity)得到非常显著的提高，假设气体进入缸体的喷射通常保持内燃机在一最小旋转范围内运行，则实际上内燃机将永远不会停止。

[25]如果车辆发生火灾的话，假设存在于内燃机供应储存室1中的二氧化碳2(CO₂)能被用作为灭火剂，则安全性也显著提高。

[26]甚至在电起动系统失灵的情况下，还提供了起动内燃机的可能性，因为简单地起动一能使气体进入到缸体内部的装备，就足够使它们起动运转，从而能够执行燃烧。

[27]它还意味着减小内燃机的磨损，所述磨损是由于它的部件——尤其是那些与排气阀和集气器区域相联系的部件过热造成的，这转化为内燃机的有效寿命延长。

[28]由于在内燃机中燃烧的柴油的燃烧缺少氧气，产生的黑烟最终会减少，因为燃烧更少的燃料而且燃烧的条件更好，在空气的量相同时，对于柴油发动机的情形，黑烟的形成会减少，而且润滑油的变脏将更慢，这能够减少换油的频率。

[29]而且，装有这种类型内燃机的车辆能够在艰难的大气条件下更好地工作，诸如那些经过高山的车辆，在这里，更低的大气压力转化为功率的缺乏和内燃机的过热。

[30]本发明还提供了使发动机在封闭区域内保持运转的可能性，以很低的转速空转，仅需提供二氧化碳(CO₂)，完全消除了一氧化碳血中毒的危险。

Claims (4)

1.基于向燃气供应二氧化碳的联合循环内燃机，适用于用在汽车领域，具有与传统汽油或柴油内燃机的结构相同的基本结构，其特征在于，对应于所述联合循环内燃机的每一缸体(7)，配设有一用于二氧化碳(2)的喷射器(8)——所述二氧化碳来自于提供该气体的储存室(1)，从而在燃料膨胀之后、且由于相同的效果，二氧化碳立即发生强烈的热膨胀，这转化为动力的增大；一热交换器(5)配设在导管(4)中，所述导管(4)用于将二氧化碳从供应所述气体的储存室(1)输送到所述缸体(7)，在二氧化碳从所述储存室(1)到达所述缸体(7)之前，所述热交换器(5)升高在所述储存室(1)内存有的二氧化碳的温度，所述热交换器(5)被依次插入排气管(9)内，内燃机(6)的排气集管(10)汇集于所述排气管上。

2.按照权利要求1所述的基于向燃气供应二氧化碳的联合循环内燃机，其特征在于，所述用于二氧化碳的喷射器(8)被控制，该控制方式是：紧接着所喷射的燃料已经在所述缸体(7)内燃烧之后，活塞已经通过上死点之后，所述喷射器(8)开启，且二氧化碳因此进入到每一缸体。

3.按照权利要求1或2所述的基于向燃气供应二氧化碳的联合循环内燃机，其特征在于，每一个喷射器(8)将二氧化碳供应给相应的所述缸体(7)，供应至所述缸体(7)的内表面附近，从而，二氧化碳形成用于燃气的周边阻障，其为自身的热膨胀而吸收来自所述燃气的热的大部分，并减小所述内燃机(6)内的热度。

4.按照权利要求1或2所述的基于向燃气供应二氧化碳的联合循环内燃机，其特征在于，容装二氧化碳(2)的所述储存室(1)配设有一安全阀(3)，所述安全阀通过一导管(13)与内燃机的排气管(9)相连接，所述安全阀(3)限制所述储存室(1)内的最大压力。

Images