CN103883386A

CN103883386A - 一种活塞往复内燃机的喷水冷却系统

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Publication number: CN103883386A
Application number: CN201410020453.0A
Authority: CN
Inventors: 肖光宇
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2014-01-07
Filing date: 2014-01-07
Publication date: 2014-06-25
Anticipated expiration: 2034-01-07
Also published as: CN103883386B

Abstract

本发明公开一种活塞往复内燃机的喷水冷却系统，该系统利用发动机结构和工作过程以及混合气在发动缸内燃烧过程的特点，准确地定部位、定时、定量、定速率地向发动缸内泵喷水液后缸内混合后发生的物理变化；针对NO、HC、CO等污染物生成的温度环境和基本上不造成发动缸内燃料“火用”值(作功能力)损失的目标，确定喷水工作技术手段和所采用的喷水参数的取值理念，系统在新界定的定部位、定时、定量、定速率的工作参数下工作，可从发动缸内消除各种不良燃烧污染物的生成，并且避免了现有冷却方式造成的约30％燃料热效率损失。

Description

一种活塞往复内燃机的喷水冷却系统

技术领域

本发明属内燃发动机，具体涉及一种活塞往复内燃机的冷却技术。

背景技术

现有常规内燃发动机冷却技术方案，造成了约30％的燃料热效率损失和大量不良污染物及二氧化碳向大气中排放，然而，由于传统认知和理念的束缚，且在理论上对现有冷却造成的大量的热效率损失从本质上给予否定，致使长期以来习以为然、熟视无睹。此缺陷和不足之处，相对于用途最广、用量最大，其燃油耗用量约占全球燃油耗用量80％的常规内燃发动机，尤其面临当今燃油资源紧缺时而引起国际争端，大量不良燃烧污染物和二氧化碳向大气中排放，严重地威胁着人类身体健康、破坏着人类生存气候环境日趋严峻的形势，是一个必须重新深入认知和论证并作出克服的课题，因此，下面用较长的篇幅作出阐述。

现有常规内燃发动机冷却与热效率关系认知上的缺陷和不足之处

为了清楚方便地表述现有冷却与热效率关系认知上的缺陷和不足之处，在此举出“特种发动机原理与结构”(朱仙鼎编著，上海科技出版社出版)一书中第125面具有代表性的论述进行阐述，其论述如下：

“长期以来，往往只从能的量上衡量发动机的经济性，热效率和热流图就是传统的热平衡分析法所采用的，它表示燃料燃烧释放出的热量在数量上的分配关系，(如图3a)所示一台船用柴油机7RND90型的热流图，热量损失主要由冷却水和排气产生，占总热量的56.62％。但从能的质上来同时衡量发动机的经济性，就要采用可用功率和“火用”流图(图3b)，它表示了燃料“火用”的分配关系，大量损失是由于燃料在缸内燃烧、传热和膨胀做功中的不可逆损失造成的，占燃料“火用”值的46.52％，而冷却水带走的较低温度的热量虽然数量较大，但其品位较低，只占燃料“火用”值的3.54％，其动力利用价值不高，较高温度排气带走的热量品质也较高，占燃料“火用”值的10.19％，所以充分利用排气余能是有价值的，合理的。这样的分析为我们改善发动机能量转换效率指明了方向，是值得我们重视的”。

图3左右两图是同一台柴油机以燃料热量分配和以燃料“火用”[注：此“火用”为一字，因无法打印以此代替]值分配两种方法得出的热效率分配对比图。左图以燃料热量分配得出，冷却损失的热效率为30.57％；右图以燃料“火用”值(作功能力)分配得出，冷却损失的热效率为3.54％，发动缸内通过燃烧和传热转换损失的热效率达46.52％；两图示出的有效功(即有效热效率)同为39.75％，各示出的从排气中回收的热效率分别用于增压，未计入有效热效率。

两图对比的数据表明，从能的质上分析，就要采用可用功率和“火用”流图(右图)，它表示了以燃料“火用”值(作功能力)分配得出，大量热效率的损失是由于燃料在发动缸内燃烧、传热和膨胀做功等不可逆损失造成的，占燃料“火用”值(作功能力)的46.52％；而冷却水带走温度较低的30.57％的热量虽大，但其品位低，只占燃料“火用”值(作功能力)的3.54％(即从燃料“火用”值上分析，只损失了3.54％的燃料热效率)，其动力利用价值不高；较高温度排气带走热量的品质也较高，占燃料“火用”值的10.19％。以上仅以冷却介质与排气中携带热量品位的对比以及对两种热回收利用的角度分析，充分利用排气余能当然是有价值的、合理的。

上例分析举出的数据和改善发动机能量转换效率的方向，在现有的认知和技术条件下无疑是正确的，但在冷却方式与发动机能量转换效率关系上的认知是不够深入的、欠缺的。这种认知上的偏颇，在理论上牢固地占领着指导地位。为此，对现有的冷却方式与热效率关系的认知及采用的技术手段重新研究和探讨如下：

对发动装置的冷却与热效率关系认知的探讨

上面用燃料热量和燃料“火用”值分配两种科学方法，得出的各项数据是勿容置疑的，在此基础上，进一步深入的探讨如下。

同一台发动机上，只能允许一个有效功。

前例所述的同一台柴油机中，以燃料热量分配和以燃料“火用”值分配得出的有效功(有效热效率)相同，但必须也必定相同，否则，在同一台发动机上就会有两个不同数值的有效功(有效热效率)，那么，究竟应该认可哪个数值的有效功(有效热效率)呢？即哪种分析方法才是科学的正确的呢？既然两种方法必定得出同一个数值的有效功(有效热效率)，则只有上述两种分析热效率的方法都是科学的正确的，而且必定有着内在的辨证的不可分割的相互关联。

绝热条件下以燃料热量分配和以燃料“火用”值分配的有效热效率相同。

在绝热条件下没有传热。发动缸外节省的以燃料热量分配的冷却损失的热效率与发动缸内节省的以燃料“火用”值分配的传热损失的热效率相同。

设发动缸周壁和活塞都是绝热的，在此情况下，发动缸外冷却带走的以燃料热量分配的损失的热效率为零，发动缸内由传热造成的以燃料“火用”值分配的损失的热效率也为零，则两对比图中，左图以燃料热量分配得出的有效热效率，就应当加上冷却带走的燃料热效率30.57％；因左右两图的有效热效率必须相等，那么右图以燃料“火用”值分配的有效热效率数值，同样应加上30.57％，使两图的有效热效率(有效功)相同，以上分析说明：对发动装置进行冷却，发动缸内以燃料“火用”值分配的传热损失热效率，等于发动缸外以燃料热量分配的冷却带走的热效率。即：发动缸内传热损失的燃料“火用”值的数值等于发动缸外冷却带走的燃料热量的数值。

非绝热条件下，以燃料热量分配和以燃料“火用”值分配的有效热效率相同

非绝热条件下，发动缸内以燃料“火用”值分配的传热损失的热效率，等于发动缸外以燃料热量分配的冷却损失的热效率。

设在非绝热条件下，发动缸内燃气在最高燃烧温度时，燃烧过程已经结束，活塞不下行作功，也没有其他因素引起发动缸内燃气温度下降，在此情况下，冷却水在发动缸外均匀连续地对发动缸进行冷却，我们就会发现：

发动缸内温度越高则与外界的温差越大，对外界传热越快，随着冷却的过程，缸内高温的顶端温度随之下降，而绝不是从底端温度由下向上减少，其顶端温度依然存在。顶端温度的下降，显然地说明发动缸内最高品位的热量首先流失，由此可以得出：尽管发动缸外冷却水携带热量的温度低而品位低，可从热的品位表示出以燃料“火用”值分配损失的热效率很少，推断为发动缸外冷却带走的热量是燃料燃烧中品位低的热，但事实上发动缸外冷却，造成发动缸内传出发动缸外由冷却带走的热，却是居于发动缸内顶端温度品位最高的热量，即“火用”值最高的热量。若增大冷却水的流量使冷却水的流速加快，则带走的热量越多，发动缸内顶端温度下降越快，传热造成的燃料“火用”值损失越大。

随着冷却过程的进行，发动缸内高温顶端的温度逐渐下降至低温底端的温度。如此类似，现有常规内燃机发动装置的冷却，冷却水周而复始地带走发动缸内顶端至底端温度的热量。

由前举出的左右两图示出，燃料100％的热量具有100％的“火用”值，即燃料100％的热量等于燃料100％的“火用”值，那么，发动缸内高低温度平均的1％燃料“火用”值就等于1％的燃料热量。由此也可以得出，发动缸内由传热损失的燃料“火用”值的数值等于发动缸外冷却水带走的燃料热量的数值。

从前面的探讨得出：现有对发动装置的冷却，无论发动缸外冷却水携带的热量，表象上品位再低，表示出的燃料的“火用”值再少，但所带走的燃料热量有多少，造成发动缸内传热损失的燃料“火用”值就有多少，而与冷却水中表现出的热的品位无关。

从上举例分析和内燃机基本常识可以看出：发动机发动缸内高温燃气是热源，发动缸壁是传热媒体，发动缸外冷却水是受热载体。

由热力学第一定律和能量守恒定律可以直接地毫无疑义地得出：同一发动缸缸外冷却，缸壁(媒体)传热损失的发动缸内的热量或“火用”值有多少，发动缸外冷却水携带的热量或“火用”值就有多少；反之，冷却水携带的燃料热量或“火用”值有多少，则发动缸内损失的燃料热量或“火用”值就有多少，此数值与缸壁(传热媒体)无关。

发动缸内传热损失的燃料热量或“火用”值的多少，取决于发动缸内燃气与发动缸外冷却水的温差及冷却水的流速(缸内燃气扰动的因素忽略不计)，假如发动缸内燃气与缸外冷却水没有温差，冷却水也没有流动，发动缸壁(传热媒体)不会自发地造成发动缸内热量或者“火用”值的损失，发动缸内燃气的热量或“火用”值也就没有传热造成的损失。由此也可说明，发动缸内的不可逆传的热损失是发动缸外冷却造成的，与发动缸壁(传热媒体)无关。以上举例充分地证明了现有发动缸外冷却方式，在损失了发动缸内约30％燃料热量的同时，也损失了发动缸内约30％的燃料“火用”值，假如有一种新的技术手段，在发动缸内消除了热负荷对装置的危害而又不造成发动缸内燃料“火用”值的损失，那么，该技术手段就可节省现有冷却方式损失的约30％的燃料热效率，即发动缸可在现有约40％的热效率的基础上，再增加约30％的热效率，其热效率可约达70％。

综前所述，现有的将发动缸内实质上由发动缸外冷却造成的大量的不可逆传热燃料“火用”值的损失与发动缸外的冷却分割开来，简单而空洞的划归为是发动缸内不可逆传热所造成的；把发动缸内品位高(热能密集温度高)的热流入冷却水中稀释为品位低(热能分散温度下降)的热所表现出的极低“火用”值，当作冷却所损失的燃料“火用”值；这种认知上的不符合事物本质和真实性的误区，将实质上是由冷却造成的，但可以采用新冷却技术手段大幅减少或基本上避免的燃料热效率损失，孤立地划归为发动缸内不可抗拒的不可逆传热损失，导致了人们不从创新冷却技术方案的方向，去开拓大幅度提高发动机能量转换效率的途径。

现有冷却技术方式的缺陷和不足之处

在活塞往复式内燃机中，热负荷对发动装置的危害，主要是在发动缸内的燃烧室顶面、发动缸内壁面上段、活塞顶面、排气口及段排气管进口等热负荷严重的部位，而热负荷最严重的时刻，是发动机每工作循环中发动缸内燃烧温度最高的时刻，以上热负荷严重的部位和时刻，也是发动缸内向外界传热最多的部位和时刻。

现有的冷却方式，无论是采用水冷或风冷，都是以确保发动装置热负荷严重部位在热负荷高峰时安全可靠地工作为基准，确定发动装置每工作循环冷却带走热量所需用的水量，在发动缸外大面积的、不间断地、基本上无调控或大致调控地对发动装置进行冷却；这种在发动缸外不集中、不准确地针对热负荷严重的部位和时间以及发动缸内热负荷大小的具体情况，大面积不间断的冷却方式，从前面对“冷却与热效率关系的探讨”中可以看出，它必定会在发动缸内不需要消除热负荷危害的时刻和部位以及非高工况的情况下带走发动缸内大量的品位高的热量，造成过剩冷却的热效率损失。此外，更不能将消除热负荷危害而携出的热能保留在发动机的工质中，使之成为有效热效率，以及准确地掌握发动缸内混合燃烧的温度，避免发动缸内不良燃烧污染物的生成。现有冷却方式带走了约30％的燃料热能，相当于损失了约30％的燃料，而这个巨大的损失是可以借鉴现有发动机已有技术相关的功能、工作过程及发动机基本构造特点，尤其是本领域先前工作者曾经作过大量研究和探讨取得的经验成果，开拓性地作出新的冷却技术手段和工作方案，使之大幅度地减少或基本上避免。

本领域先前工作者曾经采用喷水冷却取得的经验成果和技术上的缺陷与不足之处

有关书籍采用泵喷水液对发动装置进行冷却的记载：

“特种发动机结构与原理”(朱仙鼎主编，上海科技出版社出版)第47-48面：“对实际运行中的燃气轮机装置、以提高功率或改善热效率向燃烧室喷水，形成质量流的复合……”，“通过喷水实现压缩机的中间冷却，还可以向压缩机中空气受压缩时喷水，成为湿空气压缩，水在受压缩时吸热蒸发，使压缩温升减小，压缩耗功可比中间冷却时减少很多”；“用有毛细孔的材料做成中空叶片，工作时冷却液从叶面渗出蒸发产生冷却作用，可使低质钢承受925℃的进气温度，优质钢承受1100℃的更高温度”；“最理想的湿压缩是以水蒸汽的饱状态开始和终了，成为可逆的湿压缩，自然要求控制喷水过程而难以准确实现。大量的纯净水处理仍是一个技术难题”。

“柴油机原理”(刘颖主编，华中学院出版社出版)第18面：“水蒸汽是许多化学反应中起巨大催化作用的物质之一，例如CO与O₂在完全干燥的状态下，加热到600℃仍无燃烧发生，但加入少量的水蒸汽立即爆炸式燃烧”；第65面：“喷水冷却有多种方式，即进气管喷水、进气管加水蒸汽、燃油用机械搅拌渗水，用超声波将燃油与水乳化、以及将水直接喷入燃烧室中，这些方式，由于水吸收热量和稀释燃油的密度，两者都可以降低高峰的燃烧温度，从而降低氧化氮NO_x的生成量。此外，喷水冷却还有降低燃烧噪音作用，“在上世纪六十年代，我国对柴油渗水曾进行大量的研究和实践工作，当时的目的在于节约燃油”，喷水冷却还有不少问题有待解决……”。

“工程热力学”第397面：“水的临界面温度低，在高温汽化时压力甚高”。

发明专利“ZL200710193940.7‘一种挺杆和该挺杆的组合机构与调控系统’”中公告的“一种顶置二次发动缸内喷水系统”和“一种增压缸内中冷压缩喷水系统”的优点不足之处。

“顶置二次发动缸内喷水系统”可以定部位(泵喷咀安置在发动缸内燃烧室顶面热负荷严重的部位)，在新发明的调控系统的牵引下，随发动机工况的变化定时、定量、定速率地向发动缸内进行泵喷水液的工作；“增压缸内中冷压缩喷水系统”也可以随发动机工况的变化定时、定量、定速率地进行泵喷水液的工作，在冷却方式的技术上克服了现有传统冷却方式的缺陷；但采用现有以喷入水液吸收缸内燃料热量消除高温污染物NO_X生成和热负荷危害的理念来制定喷水参数，所形成的喷水方案，会引起发动缸内由于冷却过剩而导致燃料“火用”值(作功能力)的损失，从而造成燃料热效率的损失，并且还会造成低温污染物的生成。

发明内容

为了全面克服现有冷却技术的缺陷和不足之处，本申请发明的“一种活塞往复内燃机的喷水冷却系统”的技术方案是，用发明专利“ZL200710193940.7‘一种挺杆和该挺杆的组合与调控系统’”中公告的：“可以定部位(将泵喷咀安置在发动缸内燃烧室顶面热负荷危害严重的部位)，且在新发明的调控系统的牵引下，随发动机工况的变化定时、定量、定速率地向发动缸内泵喷水液的‘一种顶置二次发动缸内喷水系统’、以及由同一调控系统牵引，与‘二次发动缸内喷水系统’同步地处在发动机任一工况的任一工作循环中，在自己的工作参数下定时、定量、定速率向增压缸内泵喷水液的‘增压缸内中冷压缩喷水系统’”作工作系统；以确保发动装置不受到热负荷的危害安全可靠地工作为前提，以基本上不造成发动缸内燃料“火用”值(作功能力)的损失和全面消除各不良燃烧污染物生成为目标；利用混合气在发动缸燃烧过程的特点、准确地定部位定时定量定速率泵喷水液后缸内混合气发生的物理变化、发动机结构特点和发动机工作过程特点；针对消除各不良燃烧污染物生成所必需的温度环境，确定出喷水工作采用的技术手段和喷水参数取值理念，对“二次发动缸内喷水系统”挺杆头上的工作形状(类似凸轮机构凸轮工作性能的形状)和“增压缸内中冷压缩喷水系统”扇形凸轮工作形状的工作参数作出明确的界定。然后用各界定的工作参数分别作出“二次发动缸内喷水系统”挺杆头上的工作形状和“增压缸内中冷压缩喷水系统”扇形凸轮工作形状，当系统工作时，系统就会在新界定的工作参数作出的工作形状之驱动下工作，达到上述预期的节能去污目标。

“二次发动缸内喷水冷却系统”中技术要素的限定：

最佳喷水部位：

是指发动缸内最先受到缸内燃气顶端温度侵袭的燃烧室顶面热负荷最严重的部位。

第一次喷水：

第一次喷水的任务是：在新界定的工作参数下，准确地定部位、定时、定量、定速率地向发动缸内泵喷水液，抑制高温污染物NO生成的温度出现，消除NO_X的生成，进而消除HC和CO的生成以及消除发动缸内燃烧室顶面热负荷的危害。

准确地定时定量定速率：

在基本上不使喷水冷却造成发动缸内燃料“火用”值的损失、而且抑制生成高温污染物NO的温度(约≥2100℃)出现的限定下，所进行的泵喷水液的定时、定量、定速率。

抑制生成NO温度出现的“最佳喷水时刻”：

若发动缸内无生成NO的高温，则无需喷入消除NO生成的水液；若已出现生成NO的温度，其NO已生成。由此，消除NO生成喷水始点的最佳时刻，是NO即将生成的时刻，即生成NO的临界温度(约2100℃)出现的时刻。

抑制生成NO温度出现的“最佳喷水量”：

由一定成份且一定量和一定压缩比(暂不计其他因素)的混合气，在发动缸内一定的燃烧时刻会有一定的热力状态可以得知，一定的生成高温污染NO的一定成份且一定量和一定压缩比的混合气，在发动缸内“最佳喷水时刻”的热量为一定值。相对于一定值的热量，喷入“最佳喷水部位”的水液越少，其吸收缸内燃气的热量越少，喷水后缸内燃气顶端温度越高，喷入水液瞬时吸热汽化升温形成的水蒸汽团温度同步地升高，爆发力越大；反之，喷入的水液越多，瞬时吸热汽化升温形成的水蒸汽团温度相应地降低，爆发力相应地减小。由此得出：发动机在生成NO工况下工作，发动缸内生成NO临界温度出现的时刻，喷入的能抑制生成NO的温度出现且最少的水液量为“最佳喷水量”，此“最佳喷水量”在一定的生成NO的工况下为一定值，此值由混合气在发动缸内燃烧产生的热值，结合喷入水液后水液汽化吸热及汽化后水蒸汽升温的吸热、缸内混合气温度和成份的重新混合、发动缸活塞作功快速下降等因素的降温作用联合确定。

持续喷水量：喷入“最佳喷水量”后，先期形成的高温燃气团与未燃混合气重新混合，随即迅猛全面地燃烧，燃气的顶端温度急剧上升；与此同时，发动缸活塞作功迅速下降【注：“新型活塞往复内燃机”采用发明专利“ZL200710147446.7”中发明的“一种齿轮齿条机构”作发动机的动力输出机构，其发动缸活塞位于上止点时，比曲柄连杆机构作动力机构活塞下降的速度要快约8-10倍】，活塞的下降仍不能抑制燃气顶端的温度上升为生成NO温度时，以“最佳喷水量”定义(即能抑制生成NO温度出现且最少的水液量)要求，继续喷射水液，抑制生成NO温度的出现，其喷入水液的量亦称为“最佳喷水量”，此喷水量，同样由混合气燃烧产生的热值，结合喷入水液后水液汽化吸热及汽化后水蒸汽升温吸热，缸内燃气温度和成份与未燃混合气重新混合、发动缸活塞作功快速下降等因素的降温作用联合确定。

喷水速率：

上述喷水的速率与发动缸内生成NO临界温度出现的速率同步。

最佳物理变化：

在“最佳喷水部位”的“最佳喷水时刻”喷入“最佳喷水量”，喷入水液在约2100℃的高温下，瞬时吸热汽化升温形成高温高压的水蒸汽团，以喷咀处燃烧室顶面为背面，冲散发动缸内先期形成的高温燃气团，如此同时，缸内混合气产生扰动和对流，缸壁处较低温度混合气的厚度减小，缸内混合气的温度和成份重新混合，形成一个新的动态平衡；先期形成的高温燃气团前峰会生成NO的温度，在喷入水液的吸热、高温水蒸汽团的扰动和活塞作功快速下降的共同作用下消退；重新混合后的燃气随之迅猛全面地燃烧。

渗水冷却：

在生成NO的温受到抑制或在不出现生成NO温度的工况下，“最佳喷水部位”受到热负荷危害时，采用渗水冷却，其渗水的定时定量和速率，依“最佳喷水部位”受到热负荷危害的时刻、大小和速率确定；从泵喷咀渗出可以消除热负荷的危害且最少的水液量为“最佳渗水量”，以此准确地消除热负荷对“最佳喷水部位”的危害。

最佳空燃比：

确保燃料完全燃烧的最佳热效率空燃比。

第二次喷水：

第二次喷水的任务是，在基本上不造成发动缸内燃料“火用”值损失的前提下，消除发动缸内壁上段部位、排气口、排气阀、以及排气管进口区位热负荷的危害；其喷水的定时，选择在发动缸内预排气结束至扫气工作即将结束的时刻；喷水量依具体工况下发动缸内预排气的量和温度、发动缸内壁面上段、排气阀、排气口、以及排气管进口区位、排气系统和动力涡轮内工作部件等的热负荷危害大小确定，此喷水量可以消除上述热负荷危害且最少的水液量为“二次最佳喷水量”；喷水速率依喷水量和排气延续期的时间确定。

由上述限定的技术要素构成的“二次发动缸内喷水冷却系统”喷水工作方案的工作过程和冷却原理。

将系统的泵喷咀安置在“最佳喷水部位”，设缸内混合气由“最佳空燃比”混合而成，发动机在最佳热效率点工作，①发动机进入一定的生成高温污染物NO的工况时，第一次喷水中，抑制生成NO温度出现喷水的工作过程：当发动缸内先期形成的高温燃气团前峰即将出现生成NO温度时(即最佳喷水时刻时)，向发动缸内喷入“最佳喷水量”，于是，发动缸内混合气发生“最佳物理变化”，在“最佳物理变化”的作用下，缸内先期形成的高温燃气团前峰顶端可生成NO温度的上升受到抑制，同时消除了污染物HC和CO生成的温度环境，重新混合后的混合气随之全面猛烈地燃烧；与此同时，发动缸活塞对外界作功迅速地下降，当活塞迅速下降仍不能抑制混合气燃烧的顶端温度出现生成NO的温度时，喷入“持续喷水量”(即“最佳喷水量”)，抑制生成NO的温度出现。②第一次喷水对“最佳喷水部位”热负荷的消除：在发动缸内生成NO的温度受到抑制后，“最佳喷水部位”仍受到热负荷危害时，采用“渗水冷却”对该部位的热负荷进行消除，此热负荷消除完毕，第一次喷水工作结束。③在不出现生成NO温度的工况下，第一次喷水仅只在“最佳喷水部位”受到热负荷危害时，用“渗水冷却”消除其热负荷的危害。④第二次喷水：第二次喷水的定时，选择在发动缸内预排气结束至扫气工作即将结束的时刻；在此段期间里，工质在发动缸内作功完毕，具有较高作功能力的预排气已从排气口进入排气系统并流向涡作功，因此，此二次喷水不会造成发动缸内燃料“火用”值的损失。喷水开始时，发动缸内温度较高，喷入的水液立即汽化升温形成较强膨胀力的水蒸汽，可协助缸内的扫气将残余的废气挤出发动缸外，随着缸内温度的降低，喷出的水液以雾化出现，扩大缸内的冷却面积和冷却效果，在发动缸内扫气工作即将结束时，第二次喷水结束，排气阀随即关闭；由扫气、水蒸汽和少量水雾形成的“冷气团”停留在排阀背后排气管进口区段部位，对该部位的内腔继续冷却。此次喷水对发动缸内壁面上段、排气阀、排气口、排气管进口区段等部位携带的热负荷进行清除，预防下轮发动缸内燃气对以上部位叠加热负荷的危害；停留在排气阀背后的冷气团，可对下轮预排气前峰的高温“排气”进行降温，并在下轮“排气”的推动下流入涡轮，并可对流经沿途排气管内壁和涡轮内的工作部件起到冷却的作用。

上述喷水冷却过程中发动缸外燃料效率损失的分析

由于上述喷水冷却从发动装置和排气系统内可靠地消除了热负荷的危害，因此，省去了现有发动缸外的冷却设置，同时，也就自然地省去了现有冷却方式在发动缸外造成的大量的约30％的燃料热效率损失。

上述二次发动缸内喷水冷却对发动缸内燃料“火用”值(作功能力)损失的分析

①第一次喷水中抑制生成NO温度出现喷水对发动缸内燃料“火用”值损失的分析：从前面阐述的第一次喷水抑制生成NO温度出现的原理和过程可以看出，抑制生成NO的温度出现，是发动缸内喷入“最佳喷水量”后，燃气的温度和成份重新混合，活塞作功快速下降、喷入水液汽化以及水蒸汽升温(其升高温度与缸内燃气顶端温度相同)的吸热作用共同完成的。

②上述共同作用抑制生成NO温度出现所耗去的热量，只限于混合气燃烧高峰时燃气中可生成NO的温度所含有的热量，此热量相对于发动缸内燃料全部释放出的热量，所占的比例是很小的。此耗去的热量中，除水液汽化耗用的汽化潜热外，其余均成为有效热效率的热量(即向外界作功的能量)。由上述“最佳喷水量”和“持续喷水量”的定义可以看出，消除发动缸内NO生成所喷入的水液量是很小的，则其喷入水液汽化潜热造成的发动缸内燃料“火用”值(作功能力)的损失，相对于缸内整个燃料“火用”值的比例也是很小的，约为整个燃料“火用”值的3％(含消除发动缸燃烧室顶面热负荷危害渗水冷却和第二次喷水的汽化潜热造成的燃料“火用”值的损失)。此热效率的损失，可由燃气与未燃烧混合气混合后快速全面的燃烧，污染物HC和CO的完全燃烧，以及采用最佳热效率空燃比提高发动机热效率等所增加的热效率补充，其损失的热效率基本上可忽略不计。

③发动缸内的第二次喷水，是在发动缸内预排气结束至扫气工作即将结束之间的期间内进行的，在此段期间内，工质在发动缸内作功完毕且流入排气系统并进入涡轮作功，喷入的水液仅只与缸内残存工质接触，因此，也基本上不会造成燃料“火用”值的损失。喷入水液所吸收的热量，是喷入水液(雾化)及其生成的水蒸汽所冷却部位的、引起热负荷危害的有害热量；吸热升温后的水蒸汽可在涡轮内作功。由此，相当于回收了现有冷却方式带走的热量，增加了发动机的有效热效率。此外，由于二次喷水可有效地消除排气系统和涡轮装置内工作部件热负荷的危害，使其在≥1200℃的排气下，仍能不受热负荷的危害而安全可靠地工作，大幅度地提高动力涡轮的功率和热效率，也即大幅度地提高发动机的功率和热效率。

增压缸内中冷压缩喷水系统

该系统也是随发动机工况变化进行泵喷水液工作，其任务是配合二次发动缸内喷水系统工作，在发动机超高增压工况时，协助二次发动缸内喷水系统抑制生成NO的温度出现；由此，在发动机低工况时，其喷水量以增压缸内吸入空气量和温度，以及基本上不影响发动缸内“最佳热效率”确定；在发动机高工况时，配合二次发动缸内喷水系统，以抑制发动缸生成的NO温度出现的需要确定；喷水的定时和速率与增压缸吸气的定时和速率同步。此外，增压缸内中冷压缩喷水，可使中冷压缩后的空气在供入发动缸内时，对发动缸活塞顶段和顶端面以及发动缸内壁进行冷却，并将冷却带出的热量保留在发动缸内的工质中；增压缸内喷水中冷压缩，还可以节省增压压缩耗功。水液在增压缸内压缩时吸热汽化，其汽化潜能所耗用的燃料热量，约等于燃料总热量的1％。

发动缸活塞热负荷的消除：

发动机在高工况下工作，中冷压缩空气供入发动缸时，不能完全消除发动缸活塞热负荷的危害，该热负荷危害可由发明申请“申请号201310434603.8、名称‘活塞往复内燃机发动缸活塞工作环境强化系统’”中发明的：“将发动缸活塞的长度设置为，发动缸活塞总长度＝发动缸活塞行程+发动缸活塞环区段的长度；使活塞向下运动至下止点时，除活塞环区段位于发动缸进风口区段接受供风的冷却外，其余全部伸出发动缸外，接受经过机体横隔板上通风口向下流入增压缸的空气冷却，且大幅度地减少传统的活塞与发动缸内壁面的摩擦；发动缸活塞内腔设有与活塞顶面燃烧室外壁面连接的散热片，当发动缸内燃烧活塞下行时，在从通风口流向增压缸的空气和齿轮高速转动所扰动的空气和机油的共同冷却作用下，通过发动缸活塞内腔设有的散热片，将发动缸活塞顶段及燃烧室内壁的热负荷导出，使发动缸活塞不受热负荷的危害而安全可靠地工作”的技术手段消除，并将由冷却析出的热量带入增压缸内，回收了现有活塞冷却方式带走的燃料热量(此冷却技术详情请参阅发明申请“活塞往复内燃机发动缸活塞工作环境强化系统”的文字记载和附图示出)。

积极效果

上述“活塞往复内燃机喷水冷却系统”喷水技术方案的积极效果主要表现为：

因在发动装置内准确集中高效地消除了发动装置和排气系统及涡轮的热负荷危害，确保系统安全可靠地工作；由此，省去了现有的在发动缸外的冷却设置和冷却方式造成的近30％的燃料热效率损失。

可在发动装置内避免高温污染物、以及高温缺氧污染物和低温污染物的生成，全面地消除发动机不良燃烧污染物对人类生活环境的危害。

由于没有发动缸外冷却造成的约30％的热效率损失，在缸内进行冷却基本上也不造成发动缸内燃料“火用”值(作功能力)的损失，因此，将燃料的热效率在现有燃料热效率的基础上再提高近30％，则发动机的总热效率约为70％，此热效率约为现有汽油热效率的2倍，柴油机热效率的1.5倍；为社会节约了大量的燃油，同时相应地降低了大量的二氧化碳CO₂向大气中排放，且相应地强化了发动机的单位功率。

冷却迅速效率高，在短行程高增压发动机高工况下，排气温度≥1200℃时，也可有效地消除热负荷对发动装置和排气系统及动力涡轮内工作部件的危害，提高发动装置和动力涡轮的作功能力，由此，不仅增加了发动机热力转换的能力，增加了发动机的热效率，同时可大幅度地强化发动机的功率，降低发动机的比重量。

可在用途最广、用量最大的中小型发动机，即便是单缸机上应用。

以上积极效果，相对于用途最广用量最大，其燃油耗用量约占全球燃油耗用总量80％且用量剧增的内燃发动机，面对在当今燃油紧缺、价格不断攀升、社会竞争激烈、以及大量不良燃烧污染物和二氧化碳向大气排放，严重威胁人类身体健康，破坏人类生存的气候环境日趋严峻的形势，具有重大而深远的经济效果和社会效益。

附图说明

图1：①：二次发动缸内喷水系统及挺杆头上工作形状放大图。其中，标记[1]为第一次喷水工作形状，标记[2]为第二次喷水工作形状，工作形状向下运动为有效工作行程。第一次喷水工作形状中：a-a′-a″为喷水始点线；b-b′为抑制NO温度出现喷水量线；b′-b″为不生成NO温度工况时消除“最佳喷水部位”热负荷危害的渗水量线；c-c′为生成NO温度受到抑制后消除“最佳喷水部位”热负荷危害的渗水量线，c′-c″为不生成NO工况时持续消除“最佳喷水部位”热负荷危害渗水量线；d-d′-d″为第一次喷水工作结束点线；a-b、a′-b′、a″-b″分别为抑制生成NO温度出现喷水速率和消除“最佳喷水部位”热负荷渗水速率线；b-c、b′-c′、b″-c″分别为生成NO温度受到抑制消除“最佳喷水部位”热负荷渗水速率和不生成NO温度工况下消除“最佳喷水部位”热负荷渗水速率线；c-d、c′-d′、c″-d″分别为抑制生成NO温度出现喷水完毕，持续消除“最佳喷水部位”热负荷渗水的渗水速率线和不生成NO工况持续消除“最佳喷水部位”热负荷渗水的渗水速率线。第二次喷水工作形状中：E-E′-E″为喷水始点线，F-F′-F″为喷水量线，G-G′-G″为第二次喷水工作结束，泵喷咀柱塞回归点线；E-F、E′-F′、E″-F″为喷水速率线，F-G、F′-G′、F″-G″为二次喷水工作完毕泵喷咀柱塞返回至回归点速率线。

图2：增压缸内中冷压缩喷水系统及扇形凸轮图。图中标记[3]为驱动泵喷咀工作的挺杆头，标记[4]为调控泵喷咀泵头进退的扇形凸轮，扇形凸轮[4]上，a-b为增压机构未满负荷工作工况区段，b-c为增压缸满负荷工作工况区段。

图3：资料选图(7RND90型柴油机的热流图和“火用”流图)，左图为现有冷却方式燃料热量热效率图，右图为现有冷却方式燃料“火用”值热效率图。

具体实施方式

本发明的一种活塞往复内燃机的喷水冷却系统，以下结合附图对本发明的具体实施方式做详细说明。

用发明专利“ZL200710193940.7‘一种挺杆和该挺杆的组合机构与调控系统’”中公告的：权利要求2和权利要求6记载的，在新发明的顶置综合调控系统(说明书[0021]具体方式记载)[注：该调控系统已另提出分案申请，申请号201110283190.9、名称‘一种活塞往复内燃机顶置综合调控系统’]牵引下，同步地随发动机工况变化各自在自己的定时定量定速率工作参数下泵喷水液的“顶置二次发动缸内喷水系统”和“增压缸内中冷压缩喷水系统”构成一种发动机的喷水冷却系统。

将发动缸燃烧室顶面热负荷严重的部位，定为“最佳喷水部位”，二次发动缸内喷水系统的泵喷咀安置在“最佳喷水部位”；发动缸内混合气的空燃比，是燃料完全燃烧下的最佳热效率空燃比；发动机在最高工况时，其增压比π_k≥5。

根据挺杆头上作出的类似凸轮工作性能的“工作形状”，驱动“顶置二次发动缸内喷水系统”的泵喷工作，将挺杆头上第一次喷水工作形状上不生成污染物NO工况区段(如图1的A-A中：a′b′c′d′d″c″b″a″a′内示出)，由右至左从低工况至高工况消除“最佳喷水部位”热负荷危害每工作循环定时、定量、定速率的渗水工作参数：用“发动机在不生成NO工况下，“最佳喷水部”受到热负荷的危害，根据热负荷危害出现的时间、大小、速率以及喷水量以可以消除热负荷危害且最少的水液量为“最佳渗水量”，准确地消除热负荷危害”的界定作出。

“二次发动缸内喷水系统”挺杆头上，第一次喷水工作形状上生成污染物NO工况区段(如图1的A-A中：abcdd′c′b′a′a内示出)，由右至左工况渐次升高，每工作循环抑制生成NO温度出现的定时、定量、定速率的喷水工作参数：用“发动机在生成NO临界温度以上工况工作，依生成NO临界温度出现的时刻，生成NO温度燃气的量，生成NO温度出现的速率以及喷水量，以可以抑制生成NO温度出现且最少的水液量为‘最佳喷水量’，准确地抑制生成NO的温度出现”的界定作出；当发动缸内生成NO的温度受到抑制且不再出现而需消除‘最佳喷水部位’热负荷危害的各工作循环定时定量定速率的渗水工作参数，仍依“根据热负荷危害出现的时间、大小、速率，其渗水量以可以消除热负荷危害且最少的水液量为“最佳渗水量”的界定作出(如图1A-A图中：abcdd′c′b′a′a内示出)。

“二次发动缸内喷水系统”挺杆头上第二次喷水工作形状上，由右至左从低至高全工况每工作循环定时、定量、定速率的喷水工作参数：定时用“第二次喷水的始点选择在发动缸内预排气结束的时刻，终点选择在扫气工作即将结束的时刻即排气阀即将关闭的时刻”的界定作出；喷水量“以可以消除发动缸内壁上段、排气阀、排气口、排气管进风区段、排气系统及动力涡轮内工作部件热负荷的危害且最少量的水液量为‘二次最佳喷水量’”的界定作出；喷水速率以“用喷入水量与喷水始点至终点的时间确定”的界定作出。

“增压缸内中冷压缩喷水系统”泵喷水液的定时定量和定速率，是以扇形凸轮[4]控制系统定量地工作，扇形凸轮[4]上，增压机构未满负荷工作区段即发动机未满负荷工作区段(图2的E-E图中，扇形凸轮[4]上a-b段示出)，每工作循环喷水量的参数：用“以增压缸内吸入空气的量和温度以及基本上不影响发动缸内燃料的‘最佳热效率’确定”的界定作出；扇形凸轮[4]上增压机构满负荷工作区段(b-c线段)每工作循环喷水量的参数：以“满足二次发动缸内喷水系统抑制发动缸内生成NO温度出现的需要确定”的界定作出；从低至高全工况每工作循环喷水的定时和定速率的工作参数：用“增压缸内从低至高全工况每工作循环喷水的定时和速率与增压缸内从低至高全工况每工作循环吸入空气的定时和速率同步”的界定作出。

用发明专利申请“申请号201310434603.8‘活塞往复内燃机发动缸活塞工作环境强化系统’”中，发明内容部分第[0006]段第11-18行所述的技术手段：“将发动缸活塞的长度设置为发动缸活塞总长度＝发动缸活塞行程+发动缸活塞环区段的长度，使活塞向下运动至下止点时，除活塞环区段位于发动缸进风口区段接受供风的冷却外，其余全部伸出发动缸外，接受流经机体横隔板上通风口向下流入增压缸的空气冷却，且大幅度地减少传统的活塞与发动缸内壁面的摩擦；发动缸活塞内腔设有与活塞顶面燃烧室外壁面连接的散热片，当发动缸内燃烧活塞下行时，在从通风口流向增压缸的空气和齿轮高速转动所扰动的空气和机油的共同冷却作用下，通过发动缸活塞内腔设有的散热片，将发动缸活塞顶段及燃烧室内壁的热负荷导出，使发动缸活塞不受热负荷的危害而安全可靠地工作”，消除发动缸活塞在中冷压缩空气供入发动缸时未完全消除的热负荷危害。由此达到全面地消除发动装置热负荷的危害，确保整个发动系统安全可靠地工作的目的。

Claims

1.由同步地随发动机变化且各自在自己的定时定量定速率的工作参数下泵喷水液的“二次发动缸内喷水系统”和“增压缸内中冷压缩喷水系统”构成的“一种活塞往复内燃机的喷水冷却系统”，其特征在于：该系统的“二次发动缸内喷水系统”的泵喷咀安置在发动缸内燃烧室顶面热负荷严重的部位，此部位定为“最佳喷水部位”；将发动缸内混合气的空燃比定为燃料完全燃烧下的最佳热效率空燃比，最高增压比π_k≥5；

系统中“二次发动缸内喷水系统”挺杆头上第一次喷水工作形状上不生成污染物NO工况区段，从低工况至高工况消除“最佳喷水部位”热负荷危害每工作循环定时、定量、定速率的渗水工作参数：用“发动机在不生成NO工况下，‘最佳喷水部位’受到热负荷的危害，根据热负荷危害出现的时间、大小、速率，其渗水量以可以消除热负荷危害且最少的水液量为‘最佳渗水量’，准确地消除热负荷的危害”的界定作出；

“二次发动缸内喷水系统”挺杆头上第一次喷水工作形状上生成污染物NO工况区段，工况渐次升高，每工作循环抑制生成NO温度出现的定时、定量、定速率的喷水工作参数：用“发动机在生成NO临界温度以上工况工作，依生成NO临界温度出现的时刻，生成NO温度燃气的量，生成NO温度出现的速率，以及喷水量以可以抑制生成NO温度出现且最少的水液量为‘最佳喷水量’，准确地抑制生成NO的温度出现”的界定作出；当发动缸内生成NO的温度受到抑制且不再出现而需消除‘最佳喷水部位’热负荷危害的各工作循环定时定量定速率的渗水工作参数，仍依“根据热负荷危害出现的时间、大小、速率，其渗水量以可以消除热负荷的危害且最少的水液量为‘最佳渗水量’准确地消除热负荷危害”的界定作出；

“二次发动缸内喷水系统”挺杆上第二次喷水工作形状上从低至高全工况每工作循环定时、定量、定速率的喷水工作参数：定时用“第二次喷水的始点选择在发动缸内预排气结束的时刻，终点选择在扫气工作即将结束的时刻即排气阀即将关闭的时刻”的界定作出；喷水量“以可以消除发动缸内壁上段、排气阀、排气口、排气管进风区段、排气系统及动力涡轮内工作部件热负荷的危害且最少的水液量为‘二次最佳喷水量’的界定作出，喷水速率用”以喷入水量与喷水始点至终点的时间确定”的界定作出；

“增压缸内中冷压缩喷水系统”扇形凸轮上，增压机构非满负荷工作工况区段即发动机非满负荷工况工作区段，每工作循环喷水量的参数：用“以增压缸内吸入空气的量和温度以及基本上不影响发动缸内燃料的‘最佳热效率’确定”的界定作出；扇形凸轮上增压机构满负荷工作区段每工作循环的喷水量参数：“用以满足‘二次发动缸内喷水系统’抑制发动缸内生成NO温度出现的需要确定”的界定作出；从低至高全工况每工作循环喷水的定时和定速率的工作参数：用“增压缸内从低至高全工况每工作循环喷水的定时和速率与增压缸内从低至高全工况每工作循环吸入空气的定时和速率同步”的界定作出。

2.如权利要求1所述的“一种活塞往复内燃机的喷水冷却系统”，其特征在于：其中还包括发明专利申请“申请号201310434603.8‘活塞往复内燃机发动缸活塞工作环境强化系统’”中，发明内部分第[0006]段第11-18行所述的技术手段：“将发动缸活塞的长度设置为发动缸活塞总长度=发动缸活塞行程+发动缸活塞环区段的长度，使活塞向下运动至下止点时，除活塞环区段位于发动缸进风口区段接受供风的冷却外，其余全部伸出发动缸外，接受流经机体横隔板上通风口向下流入增压缸的空气冷却，且大幅度地减少传统的活塞与发动缸内壁面的摩擦；发动缸活塞内腔设有与活塞顶面燃烧室外壁面连接的散热片，当发动缸内燃烧活塞下行时，在从通风口流向增压缸的空气和齿轮高速转动所扰动的空气和机油的共同冷却作用下，通过发动缸活塞内腔设有的散热片将发动缸活塞顶段及燃烧室内壁的热负荷导出，使发动缸活塞不受热负荷的危害而安全可靠地工作”，以此消除发动缸活塞在中冷压缩空气进入发动缸时未完全消除的热负荷危害，达到全面地消除发动装置热负荷的危害，确保整个发动系统安全可靠地工作的目的。