CN101832176B - 发动机 - Google Patents
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Abstract
一种发动机，属于动力机械技术领域。它具有一般内燃机的动力缸外，还设有压气缸、高压储气罐、高压排气阀和高压进气阀。该发动机采用低压缩比、高压升比和高膨胀比的复合循环方式。利用喷射高压空气压燃缸内的均质混合气，实现了内燃机全工况范围的预混合燃烧；发动机采用废气再循环技术和气门开启相位可变技术。根据发动机负荷大小和高压储气罐的压力，其压气缸可以切换为空气动力缸或燃烧动力缸，停止动力缸的燃料喷射，动力缸可以由高压空气驱动，也可以作为压气缸，给涡轮增压器提供适当压力的空气，以混合动力的方式进行驱动。高压储气罐的空气由压气缸提供，或由加气站直接充气。这种发动机具有比普通的内燃机高得多的经济性、排放性和动力性。
Description
技术领域
本发明涉及一种空气喷射增压着火的发动机，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日益严格，人们一方面把大量的电子控制技术和后处理技术应用到内燃机上，使内燃机成本大幅增加，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为降低。另一方面，走低成本的缸内净化路线，研发预混合压燃系统，同时降低氮氧化物(NOx)和微粒(PM)有害排放物，并使发动机保持较高的效率，由于着火相位的控制问题一直没有解决，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，发动机——发电机——蓄电池(充电/放电)——马达是混合动力的一条典型路径。能量每经过一个装置，就有一个效率损失，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，持有少量客户。因此，发明一种高效清洁低成本发动机变得十分必要
发明内容
为了最大限度地提高发动机的经济性和排放性，降低发动机的成本，本发明提供一种发动机。该发动机采用一种低压缩比、高压升比和高膨胀比的复合循环系统，并把气缸分成动力缸和压气缸。早期将燃料喷入缸内形成均质的一次混合气，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；在压缩终点附近向缸内喷射一定量的高压空气，与缸内混合气进行第二次混合，因为高压空气的喷入，使得缸内原有的混合气温度急剧上升而着火。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种发动机，它主要包括动力缸、进气系统、排气系统和包含燃料喷射器的燃油系统，在动力缸中完成进气、压缩、喷油、燃烧作功和排气的工作循环。它还包括一个压气缸和一个高压储气罐；所述动力缸至少为一个，每个动力缸设有二个动力缸排气阀、一个动力缸进气阀、一个动力缸高压进气阀和一个燃料喷射器；所述压气缸也至少为一个，设有一个压气缸排气阀、一个高压储气罐充气阀、一个压气缸高压进气阀、一个压气缸进气阀和一个燃料喷射器；所述排气系统的废气涡轮增压器让一级增压的空气经压气缸进气阀进入压气缸，在压气缸中被二级压缩变为高压空气后经高压储气罐充气阀进入高压储气罐；所述进气系统为动力缸设有一个自然吸气的进气总管和一个靠高压储气罐向动力缸充气的管系；所述发动机工作时，压气缸向高压储气罐供给二级压缩的高压空气，动力缸经进气总管进行自然吸气，燃料喷射器至少在压缩行程上止点前40°曲轴转角将所要燃料喷入动力缸，至多在压缩行程上止点前10°曲轴转角开启动力缸高压进气阀，让高压空气向动力缸充气促使油气混合气自燃作功；所述压气缸也可作为动力缸使用或作为动力缸、压气缸交替使用。
所述压气缸进行二级压缩时，压气缸排气阀和压气缸高压进气阀保持关闭，只有压气缸进气阀和高压储气罐充气阀进行工作。
所述压气缸作为动力缸使用时，高压储气罐充气阀保持关闭，只有压气缸排气阀和压气缸高压进气阀、压气缸进气阀和燃料喷射器进行工作，并对压气缸高压进气阀进行保证低压缩比的相位调整。
所述发动机采用一种低压缩比、高压升比和高膨胀比的复合循环系统；动力缸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；采用的气门正时使动力缸的膨胀比大于压缩比。
所述高压储气罐直接采用外围设备充气。
所述发动机燃烧多种燃料。
通过停止喷油，控制配气相位，动力缸切换为空气动力缸或者切换为涡轮增压器送气的压气缸；给压气缸喷油，并调整各气阀相位，压气缸被切换为动力缸。
调整压气缸各阀的配气相位，可以利用来自废气涡轮增压器的压缩气体或者由高压进气阀喷射高压空气推动活塞做功，压气缸变成空气动力缸。
当车船等装置制动时，可以通过压气缸将制动能转换为高压空气充气到高压储气罐。
上述技术方案的指导思想是：把气缸分成以压缩空气为主的压气缸和以燃烧膨胀做功为主的动力缸两组，并设有高压储气罐。采用自然吸气和高压喷射空气的两阶段进气方式，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，或早期将燃料喷入缸内，形成均质的一次混合气，然后，在上止点附近，向动力缸喷射高压空气，进行第二次混合，并使混合气增压升温而着火，从而实现对发动机着火相位的控制，解决了发动机预混合燃烧方式的最大难点；利用废气再循环技术，控制混合气燃烧速度，实现清洁高效柔和燃烧；高压空气喷射技术保证了足够的进气量，可以提高发动机功率密度。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，依据发动机的工况变化和高压储气罐的压力变化，可以灵活将压气缸切换为空气动力缸或内燃动力缸，也可以将内燃动力缸切换为空气动力缸或者为涡轮增压器的预压气缸。若用作车船动力的话，除了采用内燃动力和空气动力混合驱动，保证发动机始终在高效率区域工作外，还可以有效利用部分制动能对高压储气罐充气，进一步提高发动机效率。其特点是集内燃动力、空气动力、压缩空气和喷射空气于一体，将预混合压燃技术、废气再循环技术、气门开闭相位可变技术和混合动力技术统为一机。
本发明的有益效果是：这种发动机除了具有一般内燃机的动力缸外，还设有压气缸、高压储气罐等。该发动机采用低压缩比、高压升比和高膨胀比的复合循环方式。利用喷射高压空气压燃缸内的均质混合气，实现了内燃机全工况范围的预混合燃烧；根据发动机负荷大小和高压储气罐的压力，其压气缸可以切换为空气动力缸或燃烧动力缸，以混合动力的方式进行驱动。高压储气罐的空气由压气缸提供，或者由加气站直接充气。该发动机采用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均质混合气，使发动机的着火相位得到了有效控制，解决了发动机着火相位控制难的问题；并且所喷射压缩空气的温度显著高于缸内工质的温度，有助于解决发动机冷启动困难的问题；又由于压缩空气喷入缸内，使发动机的当量压缩比达到或高于传统直喷式柴油机的压缩比，并采用了比压缩比高出许多的膨胀比，显著提高了发动机的热效率。
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是一种空气喷射增压着火的发动机示意图。
图2是发动机气缸盖上气门布置的示意图。
图中：1、压气缸，2、动力缸，3、燃料喷射器，4、动力缸排气阀，5、压气缸排气阀，6、高压储气罐充气阀，7、压气缸高压进气阀，8、压气缸进气阀，9、废气涡轮增压器，10、动力缸高压进气阀，11、动力缸进气阀，12、高压储气罐，13、排气总管，14、进气总管，15、中冷器，16、EGR阀。
具体实施方式
图1、2示出了一种空气喷射增压着火的发动机示意图。图中，发动机的进气系统、排气系统、燃油系统及其控制装置等没有详细示出。该发动机主要包括3个动力缸2，还包括一个压气缸1和一个高压储气罐12。排气系统的废气涡轮增压器9让一级增压的空气经压气缸进气阀8进入压气缸1，在压气缸1中被二级压缩变为高压空气后经高压储气罐充气阀6进入高压储气罐12；进气系统为动力缸2设有一个自然吸气的进气总管14和一个靠高压储气罐12向动力缸2充气的管系。在排进总管13和进气心总管14之间设有一个由EGR阀16和中冷器15组成的废气再循环管道。
图2中，每个动力缸2设有二个动力缸排气阀4、一个动力缸进气阀11、一个动力缸高压进气阀10和一个燃料喷射器3；压气缸1设有一个压气缸排气阀5、一个高压储气罐充气阀6、一个压气缸高压进气阀7、一个压气缸进气阀8和一个燃料喷射器3。
上述发动机工作时，压气缸1进行二级压缩时，压气缸排气阀5和压气缸高压进气阀7保持关闭，只有压气缸进气阀8和高压储气罐充气阀6进行工作，压气缸1向高压储气罐12供给二级压缩的高压空气，动力缸2经进气总管14进行自然吸气，燃料喷射器3至少在压缩行程上止点前40°曲轴转角将所要燃料喷入动力缸2，至多在压缩行程上止点前10°曲轴转角开启动力缸高压进气阀10，让高压储气罐12向动力缸2充气促使油气混合气自燃膨胀作功。
上述发动机燃烧系统的工作过程如下：预先在动力缸2外让燃料和空气混合，或早期将燃料由燃料喷射器3喷入动力缸2内，形成均质的一次混合气，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；在压缩终点附近由高压进气阀10向缸内喷射一定量的来自高压储气罐12的高压空气，与缸内混合气进行第二次混合，因为高压空气的快速喷入，使得缸内原有的混合气的压力和温度迅速上升而着火，实现快速燃烧，保证了较高的热效率；另一方面，因为此时的燃烧空间较大，使得压升率和最高缸内温度不会太高，因而可以多喷油，提高动力性，而且保证发动机的柔和。这种空气喷射增压着火方式不但可以精确地控制发动机的着火相位，而且也可以解决冷启动问题和低负荷下的燃烧不稳定问题，再配合电控废气再循环技术控制高负荷下的燃烧速率，将极大地降低发动机的排放污染物。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，使得发动机的热效率进一步得到较大幅度的提高。
高压空气的获得方法：利用废气涡轮增压器9将空气压入压气缸1，实现第一级压缩，接着在压气缸1内进行第二级压缩，达到所需的空气压力。当动力缸2不燃烧做功时，为保证进入废气涡轮增压器9的气体有一定压力和温度，调整动力缸排气阀4在压缩行程后期开启，向废气涡轮增压器9提供有一定压力的气体，保证进入压气缸1的气体压力。另外，也可以对高压储气罐12进行外部充气。
当发动机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，并减小发动机的排量，使发动机更加紧凑。这时候的高压储气罐12就起到油电混合动力系统中的蓄电池的作用。
发动机的混合驱动过程：
1.在低工况时，发动机可以用以下3种方式对外做功。
1)动力缸不工作，而让压气缸1的压气缸排气阀5在压缩行程开启，高压储气罐充气阀6停止向高压储气罐12充气，压气缸进气阀8关闭，而压气缸高压进气阀7在进气前期对压气缸1喷气，使得压气缸变为空气动力缸对外做功。
2)燃料喷射器3停止向动力缸2喷射燃料，动力缸进气阀11关闭，只有动力缸高压进气阀10向缸内喷射高压空气，推动活塞做功，将动力缸排气阀4调整到压缩行程打开，发动机变成只用高压空气驱动的空气动力机。
3)部分动力缸2喷射燃料，燃烧膨胀做功，另一部分停止喷射燃料，保证发动机在低工况时，也能以高效率运转。一旦高压储气罐12不需要充气时，打开压气缸1的压气缸排气阀5，而停止压气，利用废气能量驱动压气缸1活塞作功。
当高压储气罐12的空气压力低于设定值时，动力缸2必须拖动压气缸1向高压储气罐12充气。
2.中等工况时，动力缸2燃烧做功，压气缸1给高压储气罐12充气，基本保持一种稳定状态。
3.高工况下，当动力缸2不能满足负荷的要求时，
1)可以利用废气能量或者由压气缸高压进气阀7喷射空气驱动压气缸1的活塞作功，而压气缸排气阀5在压缩行程是开启的，此时，压气缸1变为空气动力缸。
2)调整压气缸1的压气缸进气阀8的开启相位，调整压缩比，让燃料喷射器3喷射燃料，实现压气缸1对动力缸的转换，满足高工况的运行需要。这样，在高工况时，压气缸1和动力缸2一样燃烧做功，这时发动机完全变成内燃机。
4.当车船制动减速时，将部分制动能转变为压缩功，给高压储气罐12充气。这时候调整动力缸2的动力缸排气阀4的开启相位，在压缩行程后期，打开动力缸排气阀4，以较高的压力驱动废气涡轮增压器9，保证废气涡轮增压器9向压气缸1提供足够压力的进气，此时的动力缸2变成了压气缸，给废气涡轮增压器9提供适当压力的压缩气体。
下面是一台车用四缸(85x95，三个动力缸一个压气缸)喷射柴油的发动机实施例：动力缸压缩比设为12，膨胀比为25，压气缸的压缩比为18，高压储气罐的最高压力为15MPa，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20％，高压空气在压缩上止点前5度开始喷射。在城市工况下的运行试验表明：节油达60％，排放超过国IV标准，工作柔和，噪声明显减小，而成本比同等功率的油电混合动力装置低50％，显示了很好的市场前景。
Claims (7)
1.一种发动机，它主要包括动力缸（2）、进气系统、排气系统和包含燃料喷射器（3）的燃油系统，在动力缸（2）中完成进气、压缩、喷油、燃烧作功和排气的工作循环；其特征是：它还包括一个压气缸（1）和一个高压储气罐（12）；所述动力缸（2）至少为一个，每个动力缸（2）设有二个动力缸排气阀（4）、一个动力缸进气阀（11）、一个动力缸高压进气阀（10）和一个燃料喷射器（3）；所述压气缸（1）设有一个压气缸排气阀（5）、一个高压储气罐充气阀（6）、一个压气缸高压进气阀（7）、一个压气缸进气阀（8）和一个燃料喷射器（3）；所述排气系统的废气涡轮增压器（9）让一级增压的空气经压气缸进气阀（8）进入压气缸（1），在压气缸（1）中被二级压缩变为高压空气后经高压储气罐充气阀（6）进入高压储气罐（12）；所述进气系统为动力缸（2）设有一个自然吸气的进气总管（14）和一个靠高压储气罐（12）向动力缸（2）充气的管系；所述发动机工作时，压气缸（1）向高压储气罐（12）供给二级压缩的高压空气，动力缸（2）经进气总管（14）进行自然吸气，燃料喷射器（3）至少在压缩行程上止点前40o曲轴转角将所要燃料喷入动力缸（2），至多在压缩行程上止点前10o曲轴转角开启动力缸高压进气阀（10），让高压储气罐（12）向动力缸（2）充气促使油气混合气自燃作功；所述压气缸（1）作为动力缸或压气缸交替使用。
2.根据权利要求1所述的发动机；其特征是：所述压气缸（1）进行二级压缩时，压气缸排气阀（5）和压气缸高压进气阀（7）保持关闭，只有压气缸进气阀（8）和高压储气罐充气阀（6）进行工作。
3.根据权利要求1所述的发动机；其特征是：所述压气缸（1）作为动力缸使用时，高压储气罐充气阀（6）保持关闭，只有压气缸排气阀（5）和压气缸高压进气阀（7）、压气缸进气阀（8）和燃料喷射器（3）进行工作，并对压气缸高压进气阀（7）进行保证低压缩比的相位调整。
4.根据权利要求1所述的发动机；其特征是：所述发动机采用一种低压缩比、高压升比和高膨胀比的复合循环系统；动力缸（2）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；采用的气门正时使动力缸（2）的膨胀比大于压缩比。
5.根据权利要求1所述的发动机；其特征是：所述发动机燃烧多种燃料。
6.根据权利要求1所述发动机，其特征是：通过停止喷油，控制配气相位，动力缸（2）切换为空气动力缸或者切换为废气涡轮增压器（9）送气的压气缸；给压气缸（1）喷油，并调整各气阀相位，压气缸（1）被切换为动力缸。
7.根据权利要求1所述发动机，其特征是：调整压气缸（1）各阀的配气相位，可以利用来自废气涡轮增压器（9）的压缩气体或者由高压进气阀（7）喷射高压空气推动活塞做功，压气缸（1）变成空气动力缸。
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