CN101586499A - 一种二冲程内燃机燃烧系统及使用方法 - Google Patents

Abstract

一种二冲程内燃机燃烧系统及使用方法，其包括汽缸体、排气系统、活塞运动系统、进气系统、点燃控压系统，该进气系统将燃料和液氧直接喷入燃料系统，点燃控压系统进行点火及控制汽缸内压力。进气系统包括喷油器、喷氧器；点燃控压系统包括喷水器、火花塞活塞上行过程中排气门关闭，通过喷油器和喷氧器向缸内喷入氧气和燃料形成混合气，其在上止点附近被点燃，燃烧中通过喷水器向缸内喷水，控制燃烧速度和缸内温度及压力，活塞下行至下止点附近时开启排气门。本发明的喷水器喷出的水作为控制燃烧速度的介质，还吸收燃烧热量，并汽化为水蒸气作为做功介质，提高了发动机的热效率。

Description

一种二冲程内燃机燃烧系统及使用方法

技术领域

本发明涉及的一种二冲程内燃机燃烧系统，是一种基于纯氧燃烧技术的无进气道二冲程燃烧系统，属于内燃机技术领域。

背景技术

随着全球环境的恶化和能源危机的出现，更节能，更环保的内燃机技术已成为发展的焦点。日益严格的汽车排放法规对于二氧化碳的排放已经做出了限定。但是化石燃料燃烧不可避免要产生CO₂排放，除了使用节能降耗的新技术降低CO₂排放以外，化石燃料燃烧尾气中CO₂的捕集及储存技术(CCS)被认为是应对全球气候变暖的直接有效的方法，它通过收集发电厂之类的固定源产生的CO₂气体，进而长期储存于海洋或相对封闭的地质构造中，从而显著减少大气中的CO₂排放。

近年来，基于内燃兰金循环结合水再循环技术的碳氢燃料纯氧燃烧技术已经在涡轮机发电领域得到大力发展。美国清洁能源系统公司CES(Clean Energy Systems，Inc.)是这一技术的发起者，该公司通过将航天技术和传统发电系统相结合，开发了这项应用化石燃料的零排放发电技术。CES工作方法的核心是用类似于火箭推动器上的“气体发生器”来代替传统的蒸汽锅炉和废气处理系统。1999年，澳大利亚两院院士、悉尼大学Bilger教授初次提出将这一技术运用在内燃机中的构想，并于2009年和同济大学吴志军教授共同发表了“Carbon Capture for Automobiles Using Internal Combustion Rankine Cycle Engines”(《Journal of Engineering for Gas Turbines and Power》May 2009，Vol.131)。该文献介绍了基于兰金循环的内燃机的工作原理，并对该理论循环的热效率进行了深入的计算和分析。这项技术采用纯氧代替空气作为助燃剂与汽油形成混合气被点燃，而后在燃烧过程中加入水来控制燃烧温度和速度。充分燃烧后废气仅为CO₂/H₂O混合气，可以在冷凝器中方便的分离，并对CO₂进行回收，达到彻底的零排放。但要使得这项技术可以真正应用于内燃机，还需对内燃机本身做很多改造。

发明内容

本发明的目的在于提供一种二冲程内燃机燃烧系统及使用方法，可以将兰金循环应用于内燃机上，减少废气的排出。

为达到以上目的，本发明所采用的解决方案是：

一种二冲程内燃机燃烧系统，其包括汽缸体、排气系统、活塞运动系统、进气系统、点燃控压系统，该进气系统将燃料和液氧直接喷入燃料系统，点燃控压系统进行点火及控制汽缸内压力。

所述的进气系统包括喷油器、喷氧器，喷油器及喷氧器依次布置在平行于排气系统的排气道方向的缸盖中线上。

所述的点燃控压系统包括喷水器、火花塞，喷水器及火花塞分别布置在垂直于排气道方向的缸盖中线上。

喷水器及火花塞分别在排气道轴线的左右两侧相对布置。

在活塞上行初期关闭排气门，并向缸内分别喷射高温氧气，及燃油以备置混合气，混合气经压缩在上止点附近被点燃，燃烧过程中通过喷水器向缸内喷射高温高压水，控制燃烧速度及缸内的温度和压力，喷入缸内的水吸热汽化，使气缸内在活塞下行过程中依然保持一定压力并推动活塞做功，排气门在做功冲程后程打开，排出废气，缸内剩余废气作为内部废气再循环系统进一步控制下一循环的缸内温度。

系统的喷油、喷氧以及喷水过程均通过电控系统控制。

具体地，本发明提供了一种无进气道、缸内直喷、无扫气过程的二冲程燃烧系统，主要包括：汽缸体、汽缸盖、曲轴、连杆、活塞、排气门、排气门凸轮轴、喷油器、喷氧器、喷水器、火花塞，连杆的小端与大端分别与活塞和曲轴相连，活塞位于汽缸体内，并可以沿汽缸体做直线运动。曲轴旋转带动连杆，进而带动活塞做往复式运动，喷水器、火花塞分别布置在垂直于排气道方向的缸盖中线上，在排气道轴线的左右两侧相对布置，并靠近汽缸盖顶端。喷油器以及喷氧器依次布置在平行于排气道方向的缸盖中线上。在活塞上行，曲轴转角为240度时关闭排气门，并向缸内分别喷射高温氧气(500K)，及燃油以备置混合气，混合气经压缩在上止点附近被点燃，燃烧过程中向缸内喷射高温高压水(600K，14MPa)，控制燃烧速度及缸内的温度和压力，喷入缸内的水吸热汽化，使气缸内在活塞下行过程中依然保持一定压力并推动活塞做功，排气门在做功冲程后程打开(曲轴转角75度)，排出废气，缸内剩余废气作为内部EGR(废气再循环系统)进一步控制下一循环的缸内温度。整个系统的喷油、喷氧以及喷水过程均通过电控系统控制，以保证最优化的工作过程。

由于采用了上述方案，本发明具有以下特点：该系统实现了无扫气过程的二冲程工作循环，可以大大提高发动机整机的功率密度；采用循环水控制燃烧速度和缸内温度，可以实现低温燃烧，大大提高了发动机的热效率，计算结果表明，这一循环的热效率可达56％，整机热效率也可以达到44％，故而可显著改善发动机的燃油经济性；采用纯氧燃烧，使得排放中无氮氧化物，通过喷入缸内过量的氧气可以使燃油充分燃烧，故无CO及HC的排放，使废气中仅含CO₂/H₂O；最后，这种发动机只需对现有四冲程发动机的缸盖、排气凸轮轴等进行改造便可实现，具有很强的实用性。

附图说明

图1为本发明实施例的正视图。

图2为本发明实施例的侧视图。

图中，1为喷水器、2为火花塞、3为喷油器、4喷氧器、5排气阀、6排气道、7为活塞、8为汽缸体。

具体实施方式

以下结合附图所示实施例对本发明作进一步的说明。

如图1、图2，喷水器1、火花塞2分别布置在垂直于排气道方向的缸盖顶端附近，呈相对布置，喷油器3以及喷氧器4分别布置在平行于排气道方向的缸盖中线上。活塞7上行过程中当曲轴转角为240度时排气门5关闭，同时喷油器3和喷氧器4向缸内喷入燃料(汽油)及高温高压(500K、2.3MPa)的氧气。曲轴转角250度时，喷油及喷氧过程结束，活塞7继续上行，燃料和氧气充分混合，并被压缩，混合气在当活塞7运行至曲轴转角345度时经火花塞2被点燃，随后，喷水嘴1在活塞7位于上止点时刻向缸内喷入雾化良好、高温高压(600K、14MPa)的水，此过程持续曲轴转角5度。水在气缸8内吸收燃烧热量，控制缸内燃烧速度、温度和压力，此时，活塞7开始下行，进入做功冲程。由于水吸热并汽化为水蒸气膨胀做功，此时气缸8内并无明显压力下降，而是保持一个有限的压力。活塞7下行至曲轴转角75度时，排气阀5开启，废气沿排气道6排出，活塞7经过下止点开始上行，直至排气阀关闭时刻再次燃油喷射，完成二冲程的工作循环。

本发明中喷水器喷出的水既作为控制燃烧速度的介质，又可以吸收燃烧热量，并汽化为水蒸气作为做功介质，提高了发动机的热效率。同时，无扫气过程的二冲程工作过程也大大提高了发动机的功率密度，可以帮助发动机小型化、轻量化。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1、一种二冲程内燃机燃烧系统，其包括汽缸体、排气系统、活塞运动系统，其特征在于：进气系统、点燃控压系统，该进气系统将燃料和液氧直接喷入燃料系统，点燃控压系统进行点火及控制汽缸内压力。

2、如权利要求1所述的二冲程内燃机燃烧系统，其特征在于：所述的进气系统包括喷油器、喷氧器，喷油器及喷氧器依次布置在平行于排气系统的排气道方向的缸盖中线上。

3、如权利要求1所述的二冲程内燃机燃烧系统，其特征在于：所述的点燃控压系统包括喷水器、火花塞，喷水器及火花塞分别布置在垂直于排气道方向的缸盖中线上。

4、如权利要求3所述的二冲程内燃机燃烧系统，其特征在于：喷水器及火花塞分别在排气道轴线的左右两侧相对布置。

5、如权利要求1所述的二冲程内燃机燃烧系统的使用方法，其特征在于：在活塞上行初期关闭排气门，并向缸内分别喷射高温氧气，及燃油以备置混合气，混合气经压缩在上止点附近被点燃，燃烧过程中通过喷水器向缸内喷射高温高压水，控制燃烧速度及缸内的温度和压力，喷入缸内的水吸热汽化，使气缸内在活塞下行过程中依然保持一定压力并推动活塞做功，排气门在做功冲程后程打开，排出废气，缸内剩余废气作为内部废气再循环系统进一步控制下一循环的缸内温度。

6、如权利要求5所述的二冲程内燃机燃烧系统的使用方法，其特征在于：系统的喷油、喷氧以及喷水过程均通过电控系统控制。

Images