CN104847541B - 一种富氧燃烧发动机系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种富氧燃烧发动机系统，属于发动机节能减排领域。该系统包括供氧装置、将高浓度氧气直接喷入发动机燃烧室的氧气喷嘴、容纳氧气喷嘴的缸头、控制氧气喷嘴定时工作的配气机械以及链轮盖；供氧装置由发动机曲轴通过带轮机构驱动，通过电磁阀控制换向，使第一、第二吸附塔交替工作，由此连续产生低压氧气；氧气缓存于储气罐中，再经增压泵加压到高于发动机缸内最高压力，最后由氧气喷嘴直接喷入燃烧室中；配气机构除控制发动机进、排气配气之外，还通过圆柱凸轮机构控制氧气喷嘴定时开启和关闭。该装置成本不高，能大幅提高发动机功率，减少燃油消耗，降低发动机部分有害气体的排放，并改善发动机冷起动性能，提高发动机的响应速度。

Description

一种富氧燃烧发动机系统

技术领域

本发明涉及一种富氧燃烧发动机系统，具体涉及一种采用氧气喷嘴向汽缸内直接喷射氧气的富氧燃烧发动机，以及利用变压吸附原理制氧的供氧系统，属于发动机节能减排领域。

背景技术

内燃机的问世极大地改变了人类的生存方式，促进了社会的快速发展。经过一百多年的研究和发展，内燃机技术已经日趋成熟，较之其面世之初，无论是动力性能还是经济效益都有了全面的提高，但却难以同时兼顾动力性能、经济效益以及尾气排放的要求。早期的发动机主要关注发动机的动力性能，但随着全球能源危机加剧，以及部分国家不断恶化的大气污染，发动机的经济效益和排放标准已经越来越为人们所重视，节能和减排已经世界各个关注的焦点。

近年来，燃油直喷汽油机受到广泛关注。燃油直喷可以降低汽缸内初始温度，提高压缩比，减少爆燃的可能。汽油机缸内直喷技术可使汽油机在提高动力性能的同时，在燃油经济性方面得到大幅度的改善，而且冷起动性能好。孙勇等在内燃机.2002(01)中发表的论文“缸内直喷式汽油机的研究进展及技术难点”中提到，这种直喷汽油机产生的尾气难以通过传统的三元催化器转换，排放问题难以解决，故尚未大量应用。

在需要锅炉燃烧的冶金、玻璃制造、发电等领域，富氧燃烧技术开始兴起。富氧燃烧是将接近纯氧的氧气加入锅炉中助燃，提高锅炉混合气中的氧浓度，从而提高燃料放热温度和热效率，并可降低一氧化碳和碳化氢等部分有害物的生成。苏俊明等在工业炉.2008(03)中发表的论文“富氧燃烧技术现状及发展”中提到，研究和实践表明，当富氧燃烧中氧的体积分数在26%到31%时，制氧设备的成本较低，而锅炉放热效率却能大幅提升，经济效益好。然而，富氧燃烧技术目前主要应用在工业生产上，由于制氧技术、制氧成本以及设备安装占地等原因还没有应用于内燃机方面。

随着制氧技术的不断改善，富氧燃烧在内燃机领域拥有广阔的前景。而汽油机的燃油直喷技术则为富氧燃烧在内燃机上的充氧方式提供了一个发展方向。

发明内容

本发明旨在提供一种采用直喷氧气以提高进入汽缸中的空气和燃油混合气中的氧浓度的富氧燃烧发动机系统。

本发明提供了一种富氧燃烧发动机系统，其特征在于：发动机连接供氧装置；所述供氧装置包括依次连接的真空泵、空气压缩机、空气滤清器、干燥器、电磁阀、吸附塔、单向阀、储气罐、增压泵，所述电磁阀为二位四通电磁阀，电磁阀一端分别连接真空泵和空气压缩机，电磁阀另一端分别连接第一吸附塔和第二吸附塔，第一吸附塔与储气罐之间设有第一单向阀，第二吸附塔与储气罐之间设有第二单向阀；增压泵与氧气喷嘴进气口连接，溢流阀与氧气喷嘴溢流口连接；

所述发动机包括缸底、缸体、进气门、缸头、进气门摇臂、缸盖、排气门摇臂、排气门、活塞、连杆、曲轴、大链轮、氧气喷嘴、弹簧垫、链轮盖、小链轮、顶杆、圆柱凸轮、第一盘形凸轮、第二盘形凸轮、火花塞，所述氧气喷嘴为过盈配合压入缸头内，氧气喷嘴与弹簧垫连接；链轮盖通过螺钉固定在缸头侧面，链轮盖内侧设置链轮；所述圆柱凸轮、顶杆和弹簧垫组成一个凸轮机构，控制氧气喷嘴的开启和关闭；顶杆平放在缸头壁面上的水平通孔内，位于凸轮轴的正下方，可在通孔内左右滑动，顶杆左端与弹簧垫接触，右端与凸轮工作面接触；

发动机底部的曲轴连接带轮机构，带轮机构为小带轮和大带轮通过皮带连接而成，小带轮连接在曲轴上，大带轮同时连接空气压缩机和真空泵转轴。

上述方案中，所述二位四通电磁阀的P口接串联了干燥器和空气滤清器的空气压缩机；T口串接真空泵；A口串接第一吸附塔和第一单向阀；B口串接第二吸附塔和第二单向阀；第一、第二单向阀并联后串接增压泵；通过电磁阀控制换向，使第一、第二吸附塔交替工作，连续制氧。

上述方案中，所述氧气喷嘴设置在火花塞对面、进气门和排气门的侧面；氧气喷嘴的放置倾角小于火花塞的放置倾角，氧气喷嘴的出口中心线要低于火花塞头部。

上述方案中，所述氧气喷嘴包含阀体、滑阀、针阀、密封盖、密封套、密封环；所述阀体前端容积室小，后端容积室大；所述针阀通过螺纹在轴肩处连接滑阀，针阀顶部处于阀体小容积室内，滑阀处于大容积室内，针阀末端伸出阀体外，并置于链轮盖上的斜孔内，针阀上套有密封套、密封环；所述密封套外圈与阀体配合，固定不动；所述密封环内圈与针阀配合，随针阀在阀体内滑动；所述氧气喷嘴进气口位于阀体侧面，并设有弯拐；溢流孔位于进气口下方，连接溢流阀。

上述方案中，所述针阀中间直径大，两头直径小，形成两个轴肩；两个轴肩下都攻有螺纹，其中末端螺纹直径比中间小，末端螺纹与弹簧垫连接；前端螺纹连接滑阀；所述密封盖盖在阀体末端，与阀体用细螺纹联结；密封盖中间开有小孔，针阀末端从此孔伸出阀体外。

上述方案中，所述链轮盖上设有斜孔，氧气喷嘴从该斜孔穿过；斜孔周围、链轮盖内侧设有与斜孔同轴的弹簧座孔；斜孔下方为拱形缺口，正对氧气喷嘴进气口。

上述方案中，所述圆柱凸轮及第一、第二盘形凸轮与凸轮轴为一个整体，圆柱凸轮位于第一、第二盘形凸轮左侧。

本发明的工作原理：

（1）本发明通过一套供氧装置供氧，供氧装置通过变压吸附原理，将高压空气中的氧气分离出来，输送到储气罐中进行缓存，然后通过增压泵增压之后，将氧气从喷嘴直接喷射入发动机缸内。

（2）氧气喷嘴靠密封盖、密封圈和密封环密封，从增压泵来了的高压氧气通过喷嘴进气口充入喷嘴上方容积中，当点火即将开始时，圆柱凸轮顶杆将喷嘴针阀向左上顶开，顶阀和滑阀同时开启，喷嘴开启，高压氧气即进入缸内。

本发明的有益效果：

（1）氧气喷入缸内，提高了缸内混合气中氧的含量和浓度，使燃料在富氧条件下燃烧，提高燃烧温度和放热效率，从而提高发动机输出功率，达到节能的效果。

（2）氧气的直接喷入可在缸内形成含氧浓度不相同的区域，其中喷嘴出口处的氧气浓度最高，其他地方氧浓度略低；火花塞正对喷嘴，因此火花塞点火处氧浓度高，有利有燃油燃烧，降低点火能量，点火容易成功。

（3）氧气直喷可吹动火焰从火花塞附近向其他区域传播，从而提高点火效率，也提高了发动机的响应能力。

（4）高压氧气在气门关闭后喷向汽缸，相当于提高了汽缸压缩比，从而提高输出功率，并降低发生爆燃的可能性。

（5）由于富氧条件下燃烧充分，燃烧温度高，因此可降低排放物中未燃碳氢化合物以及一氧化碳的含量，降低部分有害物排放。

附图说明

图1为富氧燃烧发动机系统原理图。

图2为发动机的装配图。

图3为图2的侧视图。

图4为氧气喷嘴结构图。

图5为链轮盖结构图。

图6为图5的侧视图。

图中：1-真空泵；2-空气压缩机；3-空气滤清器；4-干燥器；5-电磁阀；6-第一吸附塔；7-第二吸附塔；8-第一单向阀；9-第二单向阀；10-储气罐；11-增压泵；12-富氧燃烧发动机；13-溢流阀；14-小带轮；15-皮带；16-大带轮；17-缸底；18-缸体；19-进气门；20-缸头；21-进气门摇臂；22-缸盖；23-排气门摇臂；24-排气门；25-活塞；26-连杆；27-曲轴；28-大链轮；29-氧气喷嘴；30-弹簧垫；31-链轮盖；32-小链轮；33-顶杆；34-圆柱凸轮；35-第一盘形凸轮；36-第二盘形凸轮；37-火花塞；38-针阀；39-密封盖；40-密封套；41-阀体；42-滑阀；43-密封环；44-出口；45-溢流孔；46-进气口。

具体实施方式

下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。

实施例：

如图1~6所示，

一种富氧燃烧发动机系统，包括发动机总成和供氧装置，供氧装置由空气压缩机2、真空泵1、空气滤清器3、干燥器4、二位四通电磁阀5、第一吸附塔6、第二吸附塔7、第一单向阀8、第二单向阀和9、储气罐10、增压泵11组成，各气压元件之间通过带接头的气管连接。所述的空气压缩机先与空气滤清器3串联，再与干燥器4串联，最后串接到电磁阀5的P口；真空泵1直接串接在电磁阀5的T口；电磁阀5的A口先串接第一吸附塔6，再串接第一单向阀8；B口先串接第二吸附塔7，再串接第二单向阀9；第一、第二单向阀并联后串接增压泵11。所述的第一、第二吸附塔内填装有沸石分子筛。

增压泵11出口与富氧燃烧发动机12上的氧气喷嘴进气口连接；溢流阀13入口与氧气喷嘴上的溢流孔连接，出口接储气罐10进气口。发动机曲轴27上除装配有配气用的大链轮28之外，还装配有小带轮14，小带轮14通过皮带15与大带轮16进行传动；大带轮16与空气压缩机2和真空泵1同轴连接。

富氧燃烧发动机总成包括缸底17、缸体18、进气门19、缸头20、进气门摇臂21、缸盖22、排气门摇臂23、排气门24、活塞25、连杆26、曲轴27、大链轮28、氧气喷嘴29、弹簧垫30、链轮盖31、小链轮32、顶杆33、圆柱凸轮34、第一盘形凸轮35、第二盘形凸轮36、火花塞37。氧气喷嘴倾置于火花塞对面、进气门和排气门侧面，其倾斜角度为10度，并且出气口中心线低于火花塞头部，以避免喷嘴喷出的高压氧气直接喷射在火花塞上；氧气喷嘴的开启和关闭通过圆柱凸轮控制。

圆柱凸轮34与第一盘形凸轮35和第二盘形凸轮36位于同一根凸轮轴上，其工作平面与顶杆33右端接触；为放置顶杆，在缸头侧面钻有一个通孔滑道，并进行精加工，顶杆能在滑道内往复运动；顶杆左端与连接在针阀上的弹簧垫接触；为减小顶杆与圆柱凸轮、顶杆与弹簧垫之间的摩擦，可在顶杆左右两端加装小滚轮，其中右端与凸轮接触的滚轮其旋转轴心位于竖直平面内，左端与弹簧垫接触的滚轮其旋转轴心位于水平面内。

弹簧垫位于小链轮32内侧，其在水平方向的滑动距离限制在链轮与发动机外壁之间的距离内，故链轮布置不能与发动机外壁挨得太近，留出20mm的间隙用于布置弹簧垫。

链轮盖通过螺钉固定在发动机缸头侧面；链轮盖上的斜孔正对喷嘴针阀，使针阀在向左移动过程中滑入斜孔内，避免碰到链轮盖；由于链轮盖上斜孔中心线与针阀中心线装配后误差较大，不易对齐，故需要适当增大链轮盖上斜孔的直径，使其孔径比针阀末端外径大2~3mm。链轮盖31比小链轮32大，且链轮盖的圆心要低于链轮圆心；链轮盖最下方的拱形缺口正对喷嘴进气孔，能同时容纳进气管路和溢流管路。

如图4所示，氧气喷嘴29包含阀体41、滑阀42、针阀38、密封盖39、密封套40、密封环43；针阀38上套有密封套40、滑阀42和密封环43，针阀38头部穿过密封盖39，末端伸出阀体41；阀体41下方出口44为收缩形管口，后端容积室大；进气口46位于阀体侧面，并设有弯拐；溢流孔45位于进气口46下方，溢流孔与溢流阀连接。所述针阀中间直径大，两头直径小，形成两个轴肩；两个轴肩下都攻有螺纹，其中末端螺纹直径比中间小，末端螺纹与弹簧垫连接；前端螺纹用于连接滑阀；所述密封盖盖在阀体末端，与阀体用细螺纹联结；密封盖中间开有小孔，针阀末端从此孔伸出阀体外。

图5~6示出了链轮盖的结构：所述链轮盖上设有斜孔，氧气喷嘴从该斜孔穿过；斜孔周围、链轮盖内侧设有与斜孔同轴的弹簧座孔；斜孔下方为拱形缺口，正对氧气喷嘴进气口。

储气罐10中初始状态时为空，没有充入氧气。发动机起动之后，供氧系统才开始工作，提供氧气。正常情况下，供氧系统应能满足富氧燃烧条件，即氧气体积分数为26%。储气罐只作氧气缓冲装置和发动机起动时初始供氧装置。

具体的实施方式为：

（1）发动机点火起动，曲轴27旋转，通过大链轮28和小链轮32，将曲轴的动力传递给凸轮轴，凸轮轴旋转；第一盘形凸轮35控制进气门19，第二盘形凸轮36控制排气门24；圆柱凸轮34控制氧气喷嘴29的开启和关闭。当圆柱凸轮34的凸弧转到下方顶杆位置时，顶杆33向左在滑道内滑动，从而推动顶杆左端小滚轮接触的弹簧垫30。在此过程中，弹簧垫与针阀除了有左右的移动外，还有上下的位移，弹簧垫相对于顶杆有上下的移动，故在顶杆左端加装小滚轮，减少摩擦阻力。凸轮轴连续转动，保证喷嘴在发动机每个工作循环内开启和关闭一次。

（2）喷嘴针阀38与弹簧垫30通过螺纹连接，当顶杆33推动弹簧垫30时，针阀38也相应向末端移动，此时滑阀42和针阀38同时开启，喷嘴容积内的高压氧先后通过滑阀42和针阀38进入汽缸内。当圆柱凸轮凸弧转过之后，在弹簧的作用下，弹簧垫向右移动，带动针阀及针阀上的滑阀向右移动，针阀和滑阀同时关闭。针阀和滑阀的同时作用能够保证关闭之后，不会再有氧气进入气缸中。

（3）曲轴27旋转一方面通过链轮机构将运动传递给凸轮轴，另一方面也能通过带轮机构将动力传给供氧系统中的空气压缩机2和真空泵1。此时电磁阀5的P口与A口相连，T口与B口相连，从而使空气压缩机2与第一吸附塔6串接，真空泵1与第二吸附塔7串接，第一吸附塔6工作产氧，而第二吸附塔7解析。第一吸附塔6产生的氧气通过第一单向阀8而无法通过第二单向阀9，故只能进入储气罐10中；当第一吸附塔6中的分子筛饱和之后，电磁阀5换向，空气压缩机2与第二吸附塔7串接，使产氧在第二吸附塔7中进行；而第一吸附塔6转而串接真空泵，被真空泵1抽走其中分离出来的氮气。电磁阀的换向时间设置为小吸附塔从未吸附之前到吸附达到饱和时的时间，保证两个吸附塔能够连续不间断地产氧。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此所有等同的技术方案也属于本发明的保护范畴。

Claims (6)

1.一种富氧燃烧发动机系统，其特征在于：发动机连接供氧装置；所述供氧装置包括依次连接的真空泵、空气压缩机、空气滤清器、干燥器、电磁阀、吸附塔、单向阀、储气罐、增压泵，所述电磁阀为二位四通电磁阀，电磁阀一端分别连接真空泵和空气压缩机，电磁阀另一端分别连接第一吸附塔和第二吸附塔，第一吸附塔与储气罐之间设有第一单向阀，第二吸附塔与储气罐之间设有第二单向阀；增压泵与氧气喷嘴进气口连接，溢流阀与氧气喷嘴溢流口连接；

所述氧气喷嘴包含阀体、滑阀、针阀、密封盖、密封套、密封环；所述阀体前端容积室小，后端容积室大；所述针阀通过螺纹在轴肩处连接滑阀，针阀顶部处于阀体小容积室内，滑阀处于大容积室内，针阀末端伸出阀体外，并置于链轮盖上的斜孔内，针阀上套有密封套、密封环；所述密封套外圈与阀体配合，固定不动；所述密封环内圈与针阀配合，随针阀在阀体内滑动；所述氧气喷嘴进气口位于阀体侧面，并设有弯拐；溢流孔位于进气口下方，连接溢流阀；

所述发动机包括缸底、缸体、进气门、缸头、进气门摇臂、缸盖、排气门摇臂、排气门、活塞、连杆、曲轴、大链轮、氧气喷嘴、弹簧垫、链轮盖、小链轮、顶杆、圆柱凸轮、第一盘形凸轮、第二盘形凸轮、火花塞，所述氧气喷嘴为过盈配合压入缸头内，氧气喷嘴与弹簧垫连接；链轮盖通过螺钉固定在缸头侧面，链轮盖内侧设置链轮；所述圆柱凸轮、顶杆和弹簧垫组成一个凸轮机构，控制氧气喷嘴的开启和关闭；顶杆平放在缸头壁面上的水平通孔内，位于凸轮轴的正下方，可在通孔内左右滑动，顶杆左端与弹簧垫接触，右端与凸轮工作面接触；

发动机底部的曲轴连接带轮机构，带轮机构为小带轮和大带轮通过皮带连接而成，小带轮连接在曲轴上，大带轮同时连接空气压缩机和真空泵转轴。

2.根据权利要求1所述的富氧燃烧发动机系统，其特征在于：所述二位四通电磁阀的P口接串联了干燥器和空气滤清器的空气压缩机；T口串接真空泵；A口串接第一吸附塔和第一单向阀；B口串接第二吸附塔和第二单向阀；第一、第二单向阀并联后串接增压泵；通过电磁阀控制换向，使第一、第二吸附塔交替工作，连续制氧。

3.根据权利要求1所述的富氧燃烧发动机系统，其特征在于：所述氧气喷嘴设置在火花塞对面、进气门和排气门的侧面；氧气喷嘴的放置倾角小于火花塞的放置倾角，氧气喷嘴的出口中心线要低于火花塞头部。

4.根据权利要求1所述的富氧燃烧发动机系统，其特征在于：所述针阀中间直径大，两头直径小，形成两个轴肩；两个轴肩下都攻有螺纹，其中末端螺纹直径比中间小，末端螺纹与弹簧垫连接；前端螺纹连接滑阀；所述密封盖盖在阀体末端，与阀体用细螺纹联结；密封盖中间开有小孔，针阀末端从此孔伸出阀体外。

5.根据权利要求1所述的富氧燃烧发动机系统，其特征在于：所述链轮盖上设有斜孔，氧气喷嘴从该斜孔穿过；斜孔周围、链轮盖内侧设有与斜孔同轴的弹簧座孔；斜孔下方为拱形缺口，正对氧气喷嘴进气口。

6.根据权利要求1所述的富氧燃烧发动机系统，其特征在于：所述圆柱凸轮及第一、第二盘形凸轮与凸轮轴为一个整体，圆柱凸轮位于第一、第二盘形凸轮左侧。