CN101629493B - 一种内燃-空气混合动力装置的喷射方法 - Google Patents

Abstract

一种内燃-空气混合动力装置的喷射方法，属于动力机械技术领域。该混合动力装置采用启动工况及低工况的空气动力工作模式和中高工况的内燃动力工作模式；高工况时，也可采用内燃动力和空气动力同时驱动模式。通过燃油空气喷射方法，对这三种工作模式进行转换，实现混合动力驱动。内燃动力采用低压缩比、高压升比和高膨胀比的复合循环方式。通过向已有混合气的内燃动力缸内喷射高压空气，促进缸内油气进一步的混合，并压燃混合气，实现了全工况范围的高效清洁燃烧，获得最佳的经济性和排放性。高压空气罐的空气由内燃动力拖动压气机提供，或由加气站直接充气。该混合动力装置具有比普通的内燃动力高得多的经济性、排放性和动力性。

Description

一种内燃-空气混合动力装置的喷射方法

技术领域

本发明涉及一种内燃-空气混合动力装置的喷射方法，它属于动力机械技术领域。

背景技术

众所周知，随着对经济性和排放性的要求目益严格，人们一方面把大量的电子控制控制技术和尾气后处理技术应用到内燃动力上，使内燃动力成本大幅增加，尤其是柴油机的高于200MPa的燃料喷射压力，使得供油系统的可靠性大幅降低。另一方面，走低成本的缸内净化路线，研发高效清洁燃烧系统，同时降低氮氧化物(NO_x)和微粒(PM)有害排放物，并使内燃动力保持较高的效率，由于着火相位的控制问题一直难以解决，目前还只是在中低工况取得了较好的效果，在高工况尚未能实现预混合燃烧。进入上世纪90年代后，日美欧先后出台了国家研发计划，联合企业、院所和学校开展混合动力汽车的研究，借以大幅提高汽车的经济性。1997年丰田的Prius混合动力汽车开始进入市场，在日本的10-15城市工况，可以节约燃料一半左右，但添加了发电机、电机、蓄电池和能量回收装置等，使成本增加了很多，并且，能量转换次数多，路径复杂，内燃动力——发电机——蓄电池(充电/放电)——马达是混合动力的一条典型能量路径。能量每经过一个装置，就有一次效率损失，可以说，没有取得混合动力应有的效果。因此，至今还只是在政府的财政支持下，拥有少量客户。因此，发明一种高效清洁低成本的动力装置变得十分必要。

发明内容

为了最大限度地提高内燃动力的经济性和排放性，降低内燃动力的成本，本发明提供一种内燃-空气混合动力装置的喷射方法。该混合动力装置包括内燃动力、压气机和高压空气储气罐。内燃动力采用低压缩比、高压升比和高膨胀比的复合循环。早期将部分或全部燃料喷入缸内形成预混合气，燃料的喷射次数和喷射相位视工况大小而定。设置较小的压缩比以降低压缩温度，确保缸内一次混合气在没有外部附加热源的情况下不能着火；在压缩上止点附近进行一次或多次空气喷射，所喷射的气源由高温高压空气储气罐提供。喷射的高压空气与缸内工质进行快速的二次混合，因为高温高压空气的喷入，使得缸内工质温度上升超过燃料着火温度而着火。根据工况大小，缸内混合气燃烧后，再进行第二次空气喷射，与正在燃烧的缸内混合气进行第三次混合，促进燃烧。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种内燃-空气混合动力装置的喷射方法，混合动力装置包括内燃动力、废气涡轮增压器、压气机、高压空气罐，在内燃动力气缸中完成进气、压缩、喷油、燃烧做功和排气的工作循环；内燃动力气缸的数目至少为一个，每个气缸设有排气阀、进气阀、高压进气阀和燃料喷射器；进气系统包括一个自然吸气或涡轮增压的进气总管和一个靠高压空气罐向内燃动力充气的管系。所述压气机设有一个高压空气罐充气阀和压气机进气阀，压气机直接由内燃动力主轴驱动；所述废气涡轮增压器让一级增压的空气和从EGR阀引入的部分废气经压气机进气阀进入压气机，在压气机中被二级压缩变为高压空气后经高压空气罐充气阀进入高压空气罐；所述内燃-空气动力混合装置采用适用于启动工况及低工况的空气动力工作模式和适用于中高工况的内燃动力工作模式，高工况时，也可采用内燃动力和空气动力同时驱动，这三种工作模式可以根据工况大小，由燃油空气喷射方法进行转换，形成混合动力驱动；在所述空气动力工作模式时，压气机停止运转，燃料喷射器停止向内燃动力气缸内喷油，由高压空气罐向内燃动力喷射空气，推动活塞做功；在所述内燃动力工作模式时，采用气门正时使内燃动力的膨胀比大于压缩比，内燃动力的有效压缩比小于使所用的燃料在缸内形成的一次混合气可以自燃着火的最小压缩比。

在所述内燃动力工作模式时，内燃动力经进气总管进行自然吸气或涡轮增压进气，压气机向高压空气罐供给二级压缩的高压空气；依据负荷大小和高压空气罐的压力高低决定压气机的工作状态；在负荷不大、高压空气罐压力较低时，内燃动力拖动压气机向高压空气罐充气；高压空气罐压力较高时，压气机不充气，利用废气涡轮的增压压力推动压气机的活塞做功。

所述燃料喷射器在进气行程、压缩行程或膨胀行程上止点后20°曲轴转角内将所要燃料喷入内燃动力气缸，进行混合，燃料喷射可以进行一次或一次以上。

所述高压空气罐进行单次或多次向内燃动力缸内喷射空气，提升缸内压力和温度，促使缸内混合气升温自燃着火。

在所述内燃动力气缸内着火后，可继续喷射燃料或喷射空气，增强缸内的扰动，促进燃料和空气混合。

所述高压空气罐可以直接采用外围设备充气。

所述内燃-空气混合动力装置燃烧多种燃料，或混合燃料，只需根据燃料着火温度调整气门正时以确保内燃动力压缩比小于可以使燃料自燃着火的最小值。

在车船减速时，通过压气机将制动能转换为高压空气充气到高压空气罐。

上述技术方案的指导思想是：内燃动力采用自然吸气或涡轮增压进气和数次喷射高压空气的多阶段进气方式，建立了低压缩比、高压升比和高膨胀比的复合循环系统；可以预先在缸外让燃料和空气混合，或早期将部分或全部燃料喷入缸内，形成一次预混合气，然后，在上止点附近，向缸内进行高温高压空气喷射，进行第二次混合，并使混合气增压升温而着火，从而实现对内燃动力着火相位的控制，解决了内燃动力预混合燃烧方式的最大难点；为了控制缸内最高爆压压力，燃料喷射也可以分多次进行。高压空气的喷射也可以多次进行。当一部分燃料在压缩上止点附近喷射时，因为有高压空气喷射，可以快速混合、充分燃烧。把部分废气引入压气机，即采用废气再循环技术，可以控制混合气燃烧速度，实现清洁高效柔和燃烧；高压空气多次喷射技术保证了足够的进气量，可以提高内燃动力功率密度，并且由于多次喷射，也可以进一步控制燃烧速度。另一方面，充分利用进排气阀的配气相位可变技术和停止喷油技术，依据内燃动力的工况变化和高压空气罐的压力变化，可以在低工况时停止喷射燃料，依靠高压空气驱动，确保混合动力装置在各种工况下都具有较高的效率。若用作车船动力的话，还可以有效利用部分制动能对高压空气罐充气，进一步提高经济性。

本发明的有益效果是：这种内燃-空气混合动力装置的喷射方法能够保证混合动力装置在不同的工作模式都有较好的经济性、排放性和低噪声低振动。在所述空气动力工作模式时，压气机停止运转，燃料喷射器停止向内燃动力气缸内喷油，由高压空气罐向内燃动力喷射空气，推动活塞做功；在所述内燃动力工作模式时，采用气门正时使内燃动力的膨胀比大于压缩比，内燃动力的有效压缩比小于使所用的燃料在缸内形成的一次混合气可以自燃着火的最小压缩比。当发动机负荷较大时，燃料可以多次喷射，保证高工况时的爆压不会过高；利用高压空气多次喷射压燃缸内的混合气，实现了内燃动力全工况范围的高效清洁燃烧；根据负荷大小和高压空气罐的压力大小，混合动力装置可以依靠燃烧做功或仅仅依靠高压空气动力做功、或同时依靠两者做功。高压空气罐的空气由压气机提供，或者由加气站直接充气。该内燃动力采用多次空气喷射预混合压缩着火燃烧系统，利用高温压缩空气辅助点燃缸内混合气，使内燃动力的着火相位得到了有效控制，解决了内燃动力着火相位控制难的问题；并且空气罐内的高压空气可以直接驱动内燃动力运转，有助于解决内燃动力冷启动困难的问题。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是一种内燃-空气混合动力装置的示意图。

图2是内燃动力气缸盖上气门布置的示意图。

图中：1、压气机，2、内燃动力，3、燃料喷射器，4、排气阀，5、压气机进气阀，6、高压空气罐充气阀，7、中冷器，8、EGR阀，9、高压进气阀，10、进气阀，11、废气涡轮增压器，12、高压空气罐，13、排气总管，14、进气总管。

具体实施方式

图1、2示出了一种内燃-空动力混合装置的示意图。图中，内燃动力的进气系统、排气系统、燃油系统及其控制装置等没有详细示出。该内燃-空气混合动力装置主要包括压气机1、内燃动力2和一个高压空气罐12。排气系统的废气涡轮增压器11让一级增压的空气和经EGR阀8引入的废气一起经压气机进气阀5进入压气机1，在压气机1中被二级压缩变为高压空气后经高压空气罐充气阀6进入高压空气罐12；内燃动力进气系统为一个自然吸气或涡轮增压进气的进气总管14和一个靠高压空气罐12向内燃动力2充气的管系。在涡轮出口的排气管和压气机进气阀5之间设有一个包括EGR阀8和中冷器7组成的废气再循环管路。

图2中，每个内燃动力气缸设有2个排气阀4、一个进气阀10、一个高压进气阀9和一个燃料喷射器3。

上述内燃-空气混合动力装置的喷射方法工作时，具有内燃动力、空气动力或内燃动力+空气动力三种工作模式。

在内燃动力工作模式下，压气机1向高压空气罐12供给二级压缩的高压空气；内燃动力2经进气总管14进行自然吸气或涡轮增压进气，燃料喷射器3在进气行程、或压缩行程、或膨胀行程上止点后20°内，将所要燃料一次或多次喷入气缸，形成混合气，并设置较小的压缩比以降低压缩温度，确保缸内一次混合气在没有外部附加热源的情况下不能着火；在压缩行程上止点前至多30°曲轴转角开始把高压空气罐12的气体向气缸进行第一次高压空气喷射，使缸内工质进行二次混合并自燃着火，在压缩冲程上止点后10°曲轴转角进行第二次空气喷射，进一步与缸内的工质混合燃烧。这种空气喷射增压着火方式不但可以精确地控制内燃动力的着火相位，由于EGR的引入和采取高压多次喷射的控制方法，使燃烧速率也得到了控制，将极大地降低内燃动力的排放污染物。也是因为高压空气的喷入，实现了低压缩比、高压升比和高膨胀比的循环方式，使得内燃动力的热效率进一步得到较大幅度的提高。燃烧动力模式适用于中高工况。

在空气动力工作模式下，压气机1可以停止工作，内燃动力停止喷油，此时，进气阀10处于关闭状态，内燃动力变为只有做功冲程和排气冲程的两冲程空气动力机。利用高压空气罐12向内燃动力2进行高压空气喷射，高压进气阀9在排气上止点前至多15°曲轴转角开始向气缸内喷射高压的空气，在做功行程推动活塞，向内燃动力输出轴功。空气动力模式适用于启动工况或低工况。

当工作负荷相当大，高压空气罐的压力又足够高时，可采用内燃动力+空气动力同时工作的模式。此时，将压气行程变为排气行程，压气机不向高压空气罐充气，让废气涡轮增压推动压气机的活塞对外做功。

压气机1可以直接挂载于内燃动力主轴上，也可以由皮带轮或齿轮传动。

高压空气的获得方法：利用废气涡轮增压器11和EGR阀8将空气和部分废气引入压气机1，接着在压气缸1内进行第二级压缩，达到所需的空气压力。此外，也可以对高压空气罐12进行外部充气。

当该动力装置用作车船等移动装置的动力时，经常处于变工况的运转状态，因此可以采用混合驱动方式，提高效率，并减小内燃动力的排量，使内燃动力更加紧凑。这时候的高压空气罐12就起到油电混合动力系统中的蓄电池的作用。

下面是一台喷射柴油的内燃-空气混合动力装置的喷射方法实施例：柴油机压缩比设为12，膨胀比为22，压气机的压缩比为18，高压空气罐的最高压力为20MPa，采用伞状喷雾，将喷射始点设置为压缩上止点前100度，废气再循环率为30％，高温高压空气在压缩上止点前12度开始第一次喷射，在压缩上止点后10度进行第二次空气喷射。在城市工况下的运行试验表明：节油达50％，排放满足国IV标准，噪声明显减小，工作柔和，显示了很好的市场前景。

Claims (6)

1.一种内燃—空气混合动力装置的喷射方法，混合动力装置包括内燃动力(2)、废气涡轮增压器(11)、压气机(1)、高压空气罐(12)，在内燃动力气缸中完成进气、压缩、喷油、燃烧做功和排气的工作循环；内燃动力气缸的数目至少为一个，每个气缸设有排气阀(4)、进气阀(10)、高压进气阀(9)和燃料喷射器(3)；进气系统包括一个自然吸气或涡轮增压的进气总管(14)和一个靠高压空气罐(12)向内燃动力(2)充气的管系；其特征是：所述压气机(1)设有一个高压空气罐充气阀(6)和压气机进气阀(5)，压气机(1)直接由内燃动力主轴驱动；所述废气涡轮增压器(11)让一级增压的空气和从EGR阀(8)引入的部分废气经压气机进气阀(5)进入压气机(1)，在压气机(1)中被二级压缩变为高压空气后经高压空气罐充气阀(6)进入高压空气罐(12)；所述内燃—空气动力混合装置采用适用于启动工况及低工况的空气动力工作模式和适用于中高工况的内燃动力工作模式，高工况时，采用内燃动力和空气动力同时驱动，这三种工作模式根据工况大小，由燃油空气喷射方法进行转换，形成混合动力驱动；在所述空气动力工作模式时，压气机(1)停止运转，燃料喷射器(3)停止向内燃动力气缸内喷油，由高压空气罐(12)向内燃动力喷射空气，推动活塞做功；在所述内燃动力工作模式时，采用气门正时使内燃动力的膨胀比大于压缩比，内燃动力的有效压缩比小于使所用的燃料在缸内形成的一次混合气自燃着火的最小压缩比。

2.据权利要求1所述的内燃—空气混合动力装置的喷射方法，其特征是：在所述内燃动力工作模式时，内燃动力(2)经进气总管(14)进行自然吸气或涡轮增压进气，压气机(1)向高压空气罐(12)供给二级压缩的高压空气；依据负荷大小和高压空气罐(12)的压力高低决定压气机(1)的工作状态；在负荷不大、高压空气罐(12)压力较低时，内燃动力拖动压气机(1)向高压空气罐(12)充气；高压空气罐(12)压力较高时，压气机(1)不充气，利用废气涡轮的增压压力推动压气机(1)的活塞做功。

3.据权利要求1所述的内燃—空气动力混合装置的喷射方法，其特征是：所述燃料喷射器(3)在进气行程、压缩行程或膨胀行程上止点后20°曲轴转角内将所要燃料喷入内燃动力气缸，进行混合，燃料喷射进行一次或一次以上。

4.据权利要求1所述的内燃—空气混合动力装置的喷射方法，其特征是：在所述内燃动力气缸内着火后，继续喷射燃料或喷射空气，增强缸内的扰动，促进燃料和空气混合。

5.据权利要求1所述的内燃—空气混合动力装置的喷射方法，其特征是：所述高压空气罐(12)直接采用外围设备充气。

6.据权利要求1所述的内燃—空气混合动力装置的喷射方法，其特征是：内燃—空气混合动力装置燃烧多种燃料，或混合燃料，只需根据燃料着火温度调整气门正时以确保内燃动力压缩比小于使燃料自燃着火的最小值。

Images