CN102042128B - 一种带有补气装置的发动机 - Google Patents

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Abstract

一种带补气装置的发动机，属于动力机械技术领域。这种发动机增加了往复式压气机、高压储气罐和补气阀等补气装置。高压储气罐通过补气阀在压缩冲程或膨胀冲程向气缸内进行补充喷气，且第一次补充喷气的定时小于压缩上止点前140度曲轴转角。该发动机具有燃烧动力或空气动力两种工作模式，两种工作模式可以根据工况转换，形成混合动力驱动；并解决了涡轮增压发动机瞬态响应不好的问题，还可以克服发动机在高原条件下因大气压力下降、充量不足而造成的功率下降、油耗增加和排放恶化等种种问题。高压储气罐可以提供驱动力，与燃烧动力组成内燃-空气混合动力系统，使发动机尽可能地在高效率区运转，从而提高了整个动力系统的效率。

Description

一种带有补气装置的发动机
技术领域
本发明涉及一种带有补气装置的发动机，它属于动力机械技术领域。
背景技术
现代内燃机广泛地使用了涡轮增压器，尤其是柴油机，几乎是“无机不增压”。涡轮增压器的使用可以使发动机排量缩小、升功率增加，并改善经济性和排放，同时，也带来低速扭矩不足和瞬态响应不足等问题，影响加速性能。另一方面，内燃机在高原条件下功率下降、油耗增加和排放恶化也是亟待解决的问题。
发明内容
为了改善涡轮增压内燃机的加速性能和高原条件下的动力性、经济性和排放性能，本发明提供一种带有补气装置的发动机。该发动机除了具有一般发动机的部件外，还带有一台往复式压气机和高压储气罐，往复式压气机用于向储气罐供气，在加速工况或高原条件下可以将储气罐中的高压空气直接喷入气缸，改善发动机的瞬态响应和高原运转的性能。也可以拿出发动机的一个气缸或数个气缸用作压气缸。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种带补气装置的发动机，它主要包括曲轴、气缸、活塞、缸盖、进气阀、排气阀、喷油器、涡轮增压器、往复式压气机、高压储气罐、补气阀等部件，在发动机气缸中完成进气、压缩、喷油、燃烧做功和排气的工作循环。所述往复式压气机向高压储气罐充气，然后通过补气阀在压缩冲程或膨胀冲程向气缸进行至少一次作为做功工质的高压空气喷射，且第一次高压空气喷射定时为小于上止点前140度曲轴转角；所述发动机具有燃烧动力或空气动力两种工作模式，两种工作模式可以根据工况转换，形成混合动力驱动。
所述燃烧动力模式适用于中高工况，工作时在气缸内完成进气、压缩、燃料喷射、喷气、燃烧、膨胀做功和排气的工作循环，根据功率和扭矩输出要求的不同，高压储气罐可以在压缩冲程或膨胀冲程中一次或数次向气缸内进行增加动力输出的补充喷气。
所述空气动力模式使用于低工况，工作时往复式压气机停止运转，由高压储气罐向气缸的一部分缸内喷射对外做功的高压空气，而将其余气缸的排气阀设置于开启状态。
所述空气动力模式用于低工况工作时，高压空气罐向往复式压气机喷气，把往复式压气机转变为空气动力运转，而内燃动力气缸的排气阀可以处于开启状态。
所述高压储气罐直接采用作为空气动力模式下动力源的外围设备充气。
所述往复式压气机通过传动装置与发动机曲轴相连，或与发动机共用同一曲轴和机体，或拿出发动机的一个气缸或数个气缸用作压气缸。
上述的带有补气装置的发动机还可以组成内燃-空气混合动力系统。其动力源包括高压空气和燃烧动力，可以只用燃烧做功，也可以只用高压空气做功，还可以使高压空气和燃烧同时做功：如低负荷下只使用高压空气做功，中等符合下只使用燃烧做功，高负荷下二者同时作用。这样可以尽可能地使发动机在高效率区运转，从而最大限度地提高能源的使用效率。往复式压气机可以设计为与发动机共用曲轴和机体，即成为发动机中的压气缸，在发动机的动力输出要求达到最高时，可以通过可变气门技术把压气缸转化为动力缸，与其他气缸一样燃烧做功。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：通过增加往复式压气机、高压储气罐、补气阀等装置，可以在压缩冲程或膨胀冲程向气缸内进行至少一次补充喷气，用以增加可燃烧的氧气，从而改善涡轮增压发动机加速性能，也能够克服涡轮增压发动机在高原条件下因为气压降低、充量不足而导致的动力性下降、油耗升高、排放恶化等种种问题。又由于高压储气罐的设置，提供了一个新的动力源，可以与发动机的燃烧动力组成混合动力系统，使发动机尽可能地在高效率区运转，从而最大限度地提高能源的使用效率。
本发明的有益效果是：这种带有补气装置的发动机，比常规发动机增加了往复式压气机、高压储气罐和补气阀等补气装置，可以在压缩冲程或膨胀冲程向气缸内进行至少一次补充喷气，解决了涡轮增压发动机瞬态响应不好的问题，还可以克服发动机在高压条件下因大气压力下降、充量不足而造成的功率下降、油耗增加和排放恶化等种种问题。高压储气罐可以提供驱动力，与燃烧动力组成内燃-空气混合动力系统，使发动机尽可能地在高效率区运转，从而提高了整个动力系统的效率。
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是一种带补气装置的发动机示意图。
图2为图1所示的带补气装置的发动机的气缸盖上气门布置的示意图。
图中：1、曲轴，2、气缸，3、活塞，4、气缸盖，5、进气阀，6、喷油器，7、涡轮增压器，8、排气阀，9、高压储气罐，10、补气阀，11、往复式压气机。
具体实施方式
图1、2示出了一种带补气装置的发动机示意图。该发动机主要包括曲轴1、气缸2、活塞3、气缸盖4、涡轮增压器7、往复式压气机11、高压储气罐9等主要部件，在气缸盖4上设置了一个喷油器6、一个进气阀5、2个排放阀8和一个补气阀10，补气阀10与高压储气罐9相连。
上述发动机工作时，涡轮增压器7、进气阀5和排气阀8的工作原理与常规内燃机相同。往复式压气机11将空气压缩后向高压储气罐9充气，通过补气阀10在压缩上止点前10度曲轴转角向气缸2进行补充喷气，这些补充的高压高温气体既是做功工质，又为促进缸内燃烧提供氧气，还可以改善缸内燃料的雾化与混合。通过设置这些补气装置，可以改善涡轮增压发动机的加速性能，还可以解决高原条件下因发动机供气不足而导致的功率下降、油耗增加和排放恶化等种种问题。另外，也可以对高压储气罐9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9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2种方式对外做功。
(1)如果储气罐9内空气高于某一设定值，则停止往复式压气机11的运转，并且停止向气缸2内喷射燃料，直接使用高压空气喷射驱动发动机做功。
(2)如果储气罐9内空气压力低于某一设定值，则向发动机气缸喷射燃料燃烧，燃料燃烧所提供的动力既驱动往复式压气机11向高压储气罐9充气，又向外输出轴功。直到储气罐内的空气压力达到另一个较高的设定值，则转入方式(1)。
2.中等工况时，向气缸2内喷射燃料燃烧做功，往复式压气机11向高压储气罐9充气，高压储气罐9向气缸2补充喷气以改善雾化和燃烧，基本保持一种动态平衡。
3.高工况下，发动机可以用以下2种方式对外做功。
(1)停止往复式压气机11的运转，燃料燃烧所做的功全部用于向外输出轴功。
(2)停止往复式压气机11的运转，并且在燃料燃烧之后再次向气缸2补充喷气，使发动机可以输出更多的轴功，进一步提高功率和扭矩输出。
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9充气，从而回收制动能量，进一步提高能源的利用效率。
下面是将一台车用直喷柴油机改造为带补气装置的发动机的实施实例：发动机气缸的压缩比为17，高压储气罐的最高压力为20MPa，高压空气在压缩上止点前10度曲轴转角开始喷射。试验结果表明，加速性能明显改善，高原条件下功率恢复达到97％，在城市工况下的运行可节油50％，排放超过国IV标准，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 (6)

1.一种带补气装置的发动机，它主要包括曲轴(1)、气缸(2)、活塞(3)、缸盖(4)、进气阀(5)、排气阀(8)、喷油器(6)、涡轮增压器(7)、往复式压气机(11)、高压储气罐(9)、补气阀(10)部件，在发动机气缸(2)中完成进气、压缩、喷油、燃烧做功和排气的工作循环，其特征是：所述发动机具有燃烧动力和空气动力两种工作模式，两种工作模式根据工况转换，形成混合动力驱动；在燃烧动力模式，所述往复式压气机(11)向高压储气罐(9)充气，然后通过补气阀(10)在压缩冲程向气缸(2)进行至少一次作为做功工质的高压空气喷射，且第一次高压空气喷射定时为小于上止点前140度曲轴转角。
2.据权利要求1所述的一种带补气装置的发动机，其特征是：所述燃烧动力模式适用于中高工况，工作时在气缸(2)内完成进气、压缩、喷油、喷气、燃烧、膨胀做功和排气的工作循环，根据功率和扭矩输出要求的不同，高压储气罐(9)在压缩冲程中一次或数次向气缸(2)内进行增加动力输出的补充喷气。
3.据权利要求1所述的一种带补气装置的发动机，其特征是：所述空气动力模式适用于低工况，工作时往复式压气机(11)停止运转，由高压储气罐(9)向气缸(2)的一部分缸内喷射对外做功的高压空气，而将其余气缸的排气阀(8)设置于开启状态。
4.据权利要求1所述的一种带补气装置的发动机，其特征是：所述空气动力模式用于低工况工作时，高压储气罐(9)向往复式压气机(11)喷气，把往复式压气机(11)转变为空气动力运转，而内燃动力气缸的排气阀(8)处于开启状态。
5.据权利要求1所述的一种带补气装置的发动机，其特征是：所述高压储气罐(9)直接采用作为空气动力模式下动力源的外围设备充气。
6.据权利要求1所述的一种带补气装置的发动机，其特征是：所述往复式压气机(11)通过传动装置与发动机曲轴相连，或与发动机共用同一曲轴和机体，或拿出发动机的一个气缸或数个气缸用作压气缸。
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