CN1035525C - 混合工质低散热增压柴油机 - Google Patents

Abstract

本发明是一种以空气和水蒸汽混合气为工质的低散热增压柴油机，它属于动力类。它由低散热增压柴油机和混合工质组成。特点：它利用装在各缸进气支管上的喷水嘴，定时地向进气流喷入适量的水雾。一个与油泵凸轮轴同步的压力供水装置，可调节供水的定时和喷水量。并有控制机构，使供水装置与油泵齿条联动，以保证最佳的水油比。迅速蒸发的水与空气混合形成混合工质；喷油燃烧后，燃气、蒸汽混合工质推动活塞和增压器涡轮作功。

Description

混合工质低散热增压柴油机

本发明涉及一种低散热增压柴油机，具体是以空气加水蒸汽混合气为工质的低散热增压柴油机，它属于动力类。

低散热柴油机又称为绝热机或陶瓷隔热无水冷发动机或油冷发动机等。自70年代中期以来，以美国Cnmmins公司为代表的低散热柴油机研究成果及其在车辆上的应用，引起了各国的兴趣和关注，一时形成旨在研究开发高效节能型发动机的热潮。

采用陶瓷对高温部件进行隔热，以图取消冷却水系统，减少散热量，进而减少了水泵、风扇等附件的耗功。同时，排气温度升高，能量增加，可使增压器涡轮功增大。或者换句话说，是尽量减少常规被冷却水所带走的、不易被回收利用的低品位热量，转变为增加高品位的排气能量，利用废气涡轮回收，从而提高整机的经济性。这种发动机对于战车和运输车辆等具有诱人的应用前景。

现有的低散热柴油机与常规的柴油机一样都是以空气作为工质。采用陶瓷隔热的低散热无水冷柴油机，由于，燃烧室壁温和缸内工质平均温度的升高，给发动机的性能和可靠性带来一些新的技术问题，诸如充气容积效率下降，滞燃期缩短，而燃烧持续期延长，排温升高，甚至排放指标恶化。此外，缸内高温摩擦付的工作条件更加恶劣，要求发展和采用相适应的高温润滑油等等。不妥善解决这些新暴露的技术问题，必将影响低散热柴油机的实用化、商品化。

为改善低散热柴油机的性能和排放指标，已有许多研究工作报导，其中较为典型的有R.Kamo等(SAE paper，931021)提出的燃烧过量空气系数α＝1的复合增压式低散热柴油机，采用了提高进气压力，减少空气流量，使燃烧过程在α＝1的情况下进行，从而减少压气机耗功，改善容积效率，增加输出功率。也有人在研究将米勒增压系统应用在低散热柴油机，即用进气阀提前关闭方法，使吸气行程后期工质在缸内形成预膨胀，从而降低缸内平均温度。另外，还有如日本学者K.Shiade等(ISME KOBE 90，C-1-1，Vol.C)研究在低散热柴油机上采用乳化燃油，利用乳化燃油中水滴的蒸发、微爆，从而使缸内平均温度下降，完善燃烧和降低排放。然而，高压比、低α燃烧的低散热柴油机，虽能进一步强化提高单机功率，但缸内热负荷高、高温摩擦付及润滑油等问题尚待进一步解决。燃用乳化油虽能在一定程度上改善低散热柴油机的热负荷，但一般最佳掺水比例仅在20-30％，若过大的掺水量会导致燃烧恶化，而且随发动机负荷变化，水/油比是无法调节的。至于米勒增压系统在低散热柴油机上的应用，究竟效果如何尚待实验验证。

美国专利＜喷水柴油机，Water Injection Diesel Engine＞专利号：US 5174247、公开日921229。

喷水柴油机，其中包括设置于柴油机缸盖上的喷水嘴及空气与水蒸气混合构成的混合工质及喷油泵和压力供水装置及控制机构等。

喷水柴油机的工作原理：主要是针对每一气缸，利用两路各自独立的供油和供水系统，通过将供油管和供水管接入一个油—水转换阀，使得油和水按比例掺混后，终一管路进入设置在缸盖上的喷嘴被喷入气缸。这里，油—水转换阀可根据柴油机转速，扭矩等信号进行控制，以调整油和水的混合比例。油和水的混合在管路中呈柱状间隔(即一段油一段水)排列，它们在一个喷油期内被同时喷入气缸。因此在燃烧过程中，喷入缸内的雾化水滴要吸热汽化，可降低燃烧最高温度，从而达到减少NO_x的生成量。但由于水滴在缸内汽化吸热要消耗大量燃油燃烧放出的热量，从热力字第一和第二定理出发，此现象对柴油机的热效率非常不利。因此水油比(W/F)不可能过大(一般W/F≤30％)，否则将严重影响柴油机的燃油经济性和工作稳定性，该专利提出的喷水柴油机，由于水滴吸热和燃油放热在缸内同时发生，掺水量受到燃烧效率限制不可能过大。因此不能从根本上解决当前柴油机发展面临的在追求低NO_x排放同时使得柴油机热负荷和燃油经济性进一步改善这一矛盾问题。

为了解决上述存在的问题，本发明的目的在于设计一种能降低缸壁温度，改善容积效率，完善燃烧，降低排放，降低耗油率和增大机组功率的混合工质低散热增压柴油机。

本发明是一种混合工质低散热增压柴油机，由低散热增压柴油机和空气工质所组成。在该机上还设有喷水嘴，压力供水装置，控制机构和随机制备的混合工质。喷水嘴装在进气阀前的进气支管上，这样可以直接向气缸进气阀开启的时间内，定时地向进气气流喷入适量的水雾，而水雾的水滴平均直径应控制在0.03毫米之内，以便保证迅速蒸发汽化。部分水蒸汽得随扫气空气一起进入排气管。由于喷油和喷水系统各自独立，所以水油比(W/F)的调节范围为0-200％。一个与油泵凸轮轴同步的压力供水装置，它经压力水管与喷水嘴连成一体。压力供水装置可采用往复式的柱塞泵或者是旋转式的分配泵。一个使油泵齿条与压力供水装置联动的控制机构，并使控制机构将油泵齿条与压力供水装置连成一体。控制机构能使喷水量和喷油量按最佳的比例同步进行调控，发动机负荷下降，大约在50％额定负荷以下时即可自动停止供水。这样可以避免在停车前和启动后低负荷时水雾冷凝而对润滑油的影响。压力供水装置采用往复式的柱塞泵或者是旋转式的分配泵。控制机构为机械式，也可用电子控制式。混合工质由空气和水蒸汽组成。

本发明的工作原理是在低散热增压柴油机上，采用空气和水蒸汽的混合气作为工质进行工作，燃烧后以燃气和蒸汽混合气作工质推动活塞和涡轮作功。其方法是定时地向低散热增压柴油机各缸进气气流中喷入适量的水，使水滴在热气流和缸壁温度的作用下迅速蒸发成水蒸汽，从而形成了空气加水蒸汽的混合工质。喷油燃烧后成为燃气加水蒸汽的混合工质。由于水的蒸发吸热而导致隔热燃烧室内壁的温度下降，有利于容积效率的提高和缸内压缩功减少，循环平均温度下降有利于排放的改善；另外，由于质量流率的增大，在适量的喷水情况下可使缸内膨胀功及增压器涡轮功增加，于是低散热增压柴油机按混合双工质循环进行工作。因为缸壁平均温度的下降，进一步减少了散热量，而且也有利于提高缸内高温摩擦付零件的可靠性，降低了对高温润滑油的要求。

本发明经理论分析和试验验证与现有技术相比，其优点：按混合工质运行的低散热增压柴油机与按空气作工质的低散热增压柴油机相比，在额定工况下，最佳水油比(W/F)为100％时，头道活塞环上死点处的缸壁最高循环平均温度下降80℃，排温下降100℃，排放指标改善，NOx下降65％，CO下降1％，波许烟度基本不变，耗油率下降5.6％。

本发明的特点还可以从以下附图和实施例得到进一步说明。

图1系本发明喷水系统及控制装置在整机上的示意图。

图2系本发明喷水嘴装在进气支管上的示意图。

图3系本发明压力供水装置往复式柱塞泵示意图。

图4系本发明机械式控制机构的示意图。

图5系本发明电子控制式控制机构的示意图。

图面说明：

1—进气管，2—喷水嘴，3—进气支管，4—压力水管，5—油泵齿条拉杆，6—油泵凸轮轴，7—压力供水装置，8—控制机构，9—发动机负载，10—发动机机体，11—排气总管，12—排气支管，13—活塞，14—进气阀，15—排气阀，16—喷油嘴，18—水泵凸轮轴，19—水泵柱塞，20—水泵齿条拉杆，21—操纵手柄，22—轭杆，23—增压器涡轮，24—最大油量调节螺钉，25—最小油量调节螺钉，26—最大水量调节螺钉，27—最小水量调节螺钉，28—位移传感器，29—微机，30—执行器。

以下结合附图，对本发明的实施例进行详述：

本发明是一种混合工质低散热增压柴油机，由低散热增压柴油机和空气工质所组成。在该机上还装有喷水嘴2，压力供水装置7，控制机构8和混合工质。如图1所示，喷水嘴2装在进气阀14前各缸的进气支管3上，在进气阀14开启的时间内可向进气气流喷入适量的水雾；一个与油泵凸轮轴6相连同步的压力供水装置7，压力供水装置7采用往复式的柱塞泵(参阅图4所示)，该往复式柱塞水泵的结构与普通高压油泵的结构相似，水泵凸轮轴18与原机的油泵凸轮轴同步相联，水泵凸轮轴18旋转将推动水泵柱塞19，拉动水泵齿条拉杆20将改变供水量，柱塞式水泵经压力水管4与喷水嘴2连成一体。喷水嘴2为轴针式，为避免水的锈蚀，水泵柱塞19的柱塞付用铜材制成，而喷水嘴2用不锈钢制成。压力供水装置7按发火次序，经压力水管4将水送至各缸喷水嘴2，并依次向各缸定量地供水。本实施例为机械式控制机构8(如图4所示)，推动操作手柄21将带动轭杆22，同时将带动与轭杆22相联的油泵齿条拉杆5和水泵齿条拉杆20，使之同时增加或减少喷水量和喷油量，并保持最佳的水油比(W/F)。最大供油量受调节螺钉24控制，而最小供油量受调节螺钉25控制。最大供水量受26调节螺钉控制，而最小供水量受调节螺钉27控制。当负荷下降减少供油至轭杆22碰到调节螺钉27时(50％额定负荷以下)即停止供水，继续减少供油至轭杆22同时受调节螺钉25限制时即停止供油停车。喷入进气支管3内的水雾，受热气流和缸壁温度的影响，迅速蒸发汽化，在缸内形成空气和水蒸汽的混合工质。喷油燃烧后形成燃气和水蒸汽的混合工质，推动缸内活塞13作功，继而经排气管12、11进入增压器涡轮23膨胀作功。由于质量流的增加，在适量的喷水量情况下，不仅能降低缸壁温度，改善容积效率，完善燃烧，降低排放、降低耗油率，还能使机组功率增大，进而能发展成用混合工质工作的复合式低散热柴油机。此乃实施例1。

实施例2，本实施例是在实施例1的基础上，将压力供水装置7采用旋转式分配泵，而控制机构8为电子控制式。电子控制式(见图5)主要由：位移传感器28，微机29和执行器30组成。根据油泵齿条拉杆5的位移量，由微机29控制执行器30，推动水泵齿条拉杆20，以保持最佳水油比。本实施例的其它部件及连接关系，均与实施例1完全相同。

本发明所提的空气和水蒸汽混合工质工作的低散热增压柴油机，不仅实用于陶瓷隔热的低散热柴油机，对于油冷低散热柴油机，甚至常规水冷式高增压强载柴油机上都可以适用。

Claims (5)

1.一种混合工质低散热增压柴油机，包括设置于柴油机缸盖上的喷水嘴及空气与水蒸汽混合构成的混合工质及喷油泵和压力供水装置及控制机构，其特征在于：

a.压力供水装置(7)与油泵凸轮轴(6)同步，它经压力水管(4)与喷水嘴(2)连成一体，

b.控制机构(8)将油泵齿条(5)与压力供水装置(7)连成一体并相互联动，

c.喷水嘴(2)装设在进气支管(3)上。

2.根据权利要求1所述的混合工质低散热增压柴油机，其特征在于：喷水嘴(2)为轴针式喷嘴。

3.根据权利要求1所述的混合工质低散热增压柴油机，其特征在于：压力供水装置(7)为往复式的柱塞泵或旋转式的分配泵。

4.根据权利要求1所述的混合工质低散热增压柴油机，其特征在于：控制机构(8)为机械式或电子控制式。

5.根据权利要求4所述的混合工质低散热增压柴油机，其特征在于：电子控制式包括位移传感器(28)、微机(29)和控制执行器(30)。

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