CN105626254A - 化学回热式柴油机 - Google Patents

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鲍文
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程昆林
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Abstract

化学回热式柴油机，属于内燃机领域，本发明为解决当前柴油机效率较低、油耗较高的问题。本发明借鉴化学回热式超然冲压发动机和化学回热循环燃气轮机的工作原理，柴油在完成化学回热过程后再喷入气缸燃烧。发动机运行时，柴油从油箱流出经过滤和流量调后，增压形成高压柴油，流入螺旋状的冷却通道吸收气缸中燃料燃烧散入气缸壁面的热量，保护壁面的同时发生化学裂解，生成部分气态小分子产物；切换阀切换至热态燃料油路，高温裂解气和未裂解的柴油蒸汽经由切换阀进入气态燃料喷嘴，然后喷入气缸燃烧；发动机起动时，由于温度场还未建立，柴油进入气缸前仍然为液态，由切换阀切换至冷态燃料油路，由液态燃料喷嘴雾化后喷入气缸。

Description

化学回热式柴油机
技术领域
本发明属于内燃机领域。
背景技术
内燃机作为目前运用最普遍的动力形式，其排放的尾气是造成温室效应和大气污染的重要原因之一。其中，广泛应用于卡车、客车、船舶、拖拉机和铁路机车的柴油机因日常使用中效率较低、排放不达标而被公众视为雾霾的“帮凶”。同时，与日俱增的石油消费需求在加重我国环境负担的同时也增加了维持石油贸易的国际政治、军事压力。因此，提高柴油机的效率、降低油耗与尾气排放的任务迫在眉睫。
众所周知,内燃机燃料燃烧的热量除了有限的部分转化为有用的机械能外,其余大部分的热量都在机构的降温、摩擦、传递和排气中损失。对柴油机而言，转化为有效功的热量仅占30％-40％，被冷却介质带走的热占到15％-35％。而目前很多研究都是基于汽车尾气的余热利用，比较成熟的有涡轮增压技术、尾气采暖技术、废气再循环利用技术和尾气制冷技术，但由于尾气的能量密度比较低，能量品位不高，上述技术的能量利用率一直不高。基于内燃机的冷却液的余热利用技术也有不少，包含余热吸收式空调、燃料改良、温差发电、机械式发电等技术，但是由于冷却液的温度较低，一般都在90℃附近，能量品位很低，直接利用热能的利用率不高，目前也还没有十分高效的能量转换装置，故整体上对于汽车内燃机的余热废热利用效果都不理想。这样，冷却液的低品位热能直接排向环境而白白浪费，并使得进一步提高内燃机效率面临很大的困难。
反观超燃冲压发动机，由于高超声速推进系统极高的热负荷，需要依靠燃料在燃烧前完成部件的冷却任务，从冷却的角度看构成再生冷却系统，从能量利用的视角即为化学回热循环。航空煤油先在冷却通道中裂解，然后再喷射进入燃烧室，裂解后产生部分气态小分子产物，使得燃烧效率有进一步的提升。这样，燃料既做冷却剂又做推进剂，解决了发动机的冷却问题的同时提高了效率、降低了油耗。而对于化学回热循环燃气轮机，利用燃料高温裂解或水蒸气重整反应吸收排气余热或压气机中冷器的热量，将大分子液态燃料转化为高热值小分子气态产物，通过提高燃料的单位热值来降低所需燃料的流量，从而利用化学回热的方式实现了效率的提高。
借鉴再生冷却式超燃冲压发动机和化学回热循环燃气轮机的工作原理，提出了一种化学回热式柴油机，在保证气缸壁面冷却的前提下，提高燃料的利用率，进而降低油耗，实现节能减排。
发明内容
本发明目的是提供一种新型的柴油机能量利用方式，利用化学回热技术的优点，解决当前柴油机效率较低、油耗较高的问题，同时通过提高燃烧效率进而降低尾气中固体颗粒物的含量。
本发明所述化学回热式柴油机，它包括油箱、过滤器、流量调节阀、增压泵、进气管、液态燃料喷嘴、气态燃料喷嘴、排气管、气缸、切换阀、冷却通道和活塞，
气缸的顶端盖设置有进气管、液态燃料喷嘴、气态燃料喷嘴和排气管；气缸的外侧壁设置有螺旋状的冷却通道；气缸的内腔设置有活塞；
所述的切换阀用于冷态燃料油路与热态燃料油路之间的切换；
发动机运行时，柴油从油箱流出经过过滤器的过滤和流量调节阀的调节后，由增压泵进行增压形成高压柴油；所述高压柴油流入螺旋状的冷却通道吸收气缸中燃料燃烧散入气缸壁面的热量，保护壁面的同时发生化学裂解，生成部分气态小分子产物；切换阀切换至热态燃料油路，高温裂解气和未裂解的柴油蒸汽经由切换阀进入气态燃料喷嘴，然后喷入气缸燃烧；
发动机起动时，由于温度场还未建立，柴油进入气缸前仍然为液态，由切换阀切换至冷态燃料油路，由液态燃料喷嘴雾化后喷入气缸。
本发明的优点：
1、利用化学回热的方式减少了发动机散热，提高柴油机效率；
2、将大分子柴油裂解成部分小分子气态产物，能够提高燃烧效率，降低尾气中固体颗粒物的含量；
3、利用柴油作为冷却液，解决了高寒地区冬季冷却液凝固问题；
4、冷却通道外部的陶瓷隔热层能够减少高温柴油裂解气的散热，进一步提高能量利用率。
附图说明
图1是本发明所述化学回热式柴油机的结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述化学回热式柴油机，它包括油箱1、过滤器2、流量调节阀3、增压泵4、进气管5、液态燃料喷嘴6、气态燃料喷嘴7、排气管8、气缸9、切换阀11、冷却通道12和活塞13，
气缸9的顶端盖设置有进气管5、液态燃料喷嘴6、气态燃料喷嘴7和排气管8；气缸9的外侧壁设置有螺旋状的冷却通道12；气缸9的内腔设置有活塞13；
所述的切换阀11用于冷态燃料油路与热态燃料油路之间的切换；
发动机运行时，柴油从油箱1流出经过过滤器2的过滤和流量调节阀3的调节后，由增压泵4进行增压形成高压柴油；所述高压柴油流入螺旋状的冷却通道12吸收气缸9中燃料燃烧散入气缸壁面的热量，保护壁面的同时发生化学裂解，生成部分气态小分子产物；切换阀11切换至热态燃料油路，高温裂解气和未裂解的柴油蒸汽经由切换阀11进入气态燃料喷嘴7，然后喷入气缸9燃烧；
发动机起动时，由于温度场还未建立，柴油进入气缸前仍然为液态，由切换阀11切换至冷态燃料油路，由液态燃料喷嘴6雾化后喷入气缸9。
本实施方式技术方案借鉴化学回热式超然冲压发动机和化学回热循环燃气轮机的工作原理，柴油不再仅仅作为燃料去燃烧，而是同时充当发动机气缸的冷却剂，完成化学回热过程后再喷入气缸9燃烧。柴油经过增压泵4增压后进入气缸壁面冷却通道12中被加热到更高的温度而发生热裂解或催化裂解。裂解后的高压小分子气态产物以及未裂解的高温柴油蒸汽进入气缸9燃烧并推动活塞做功，同时加热壁面冷却通道内的柴油。这样，通过化学回热回收了气缸9散热，减少了发动机散热损失。此外，生成的小分子气态产物有利于提高燃烧效率，降低柴油机尾气中固体颗粒物的排放。本发明主要用于解决当前柴油机效率低、污染物排放严重的问题。
本实施方式技术方案利用再生冷却的方式减少柴油机缸体散热损失，燃料在燃烧前首先用于冷却柴油机气缸。
发动机气缸壁面的冷却工质为柴油，不再是水或其他防冻液。
本实施方式设置两套缸内直喷的高压喷嘴，气态燃料喷嘴7用于热态条件下燃料的注入，液态燃料喷嘴6用于冷态条件下燃料的雾化与喷射。
具体实施方式二：本实施方式对实施方式一作进一步说明，还包括陶瓷隔热层10，陶瓷隔热层10设置在冷却通道12的外部，用于减少气缸9中高温油气向环境中的散热，进一步提高回热度。

Claims (2)

1.化学回热式柴油机，其特征在于，它包括油箱(1)、过滤器(2)、流量调节阀(3)、增压泵(4)、进气管(5)、液态燃料喷嘴(6)、气态燃料喷嘴(7)、排气管(8)、气缸(9)、切换阀(11)、冷却通道(12)和活塞(13)，
气缸(9)的顶端盖设置有进气管(5)、液态燃料喷嘴(6)、气态燃料喷嘴(7)和排气管(8)；气缸(9)的外侧壁设置有螺旋状的冷却通道(12)；气缸(9)的内腔设置有活塞(13)；
所述的切换阀(11)用于冷态燃料油路与热态燃料油路之间的切换；
发动机运行时，柴油从油箱(1)流出经过过滤器(2)的过滤和流量调节阀(3)的调节后，由增压泵(4)进行增压形成高压柴油；所述高压柴油流入螺旋状的冷却通道(12)吸收气缸(9)中燃料燃烧散入气缸壁面的热量，保护壁面的同时发生化学裂解，生成部分气态小分子产物；切换阀(11)切换至热态燃料油路，高温裂解气和未裂解的柴油蒸汽经由切换阀(11)进入气态燃料喷嘴(7)，然后喷入气缸(9)燃烧；
发动机起动时，由于温度场还未建立，柴油进入气缸前仍然为液态，由切换阀(11)切换至冷态燃料油路，由液态燃料喷嘴(6)雾化后喷入气缸(9)。
2.根据权利要求1所述化学回热式柴油机，其特征在于，还包括陶瓷隔热层(10)，陶瓷隔热层(10)设置在冷却通道(12)的外部，用于减少气缸(9)中高温油气向环境中的散热，进一步提高回热度。
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