CN1099523C - 注入附加空气的发动机的加热方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及配有向燃烧室(2)注入附加压缩空气来运行、并有高压压缩空气存储罐(23)的无污染发动机的机动车之附加加热方法。储于罐内的高压压缩空气最后使用于低压，被引入加热器(56)以在注入燃烧或膨胀室(2)前增加其压力和/或体积。本发明适用于所有配有压缩空气注入的发动机。

Description

注入附加压缩空气的发动机的加热方法和装置
本发明涉及陆地车辆，具体地说涉及配备有如下发动机的陆地车辆，即无污染或降低污染的，利用独立的或不同的燃烧室通过注入额外压缩空气工作，而且包括高压压缩空气贮罐。
在公开专利申请WO96/27737中，作者描述了一种用于具有独立外部燃烧室的发动机的清除污染的方法，所述发动机利用两种类型的能量根据两种模式原理工作，在高速路上利用传统的燃料例如汽油或柴油(单模式空气/燃料运作)，或在低速率尤其是在城市和郊区，利用附加压缩空气(或任何其他非污染的气体)进入燃烧室以便隔断任何其他燃料(单模式空气运作，也就是说利用附加压缩空气工作)。在专利申请FR96/07714中，作者描述了把这种利用附加压缩空气单模式工作类型的发动机安装在服务车上，例如城市公交车上。
在这种类型的发动机中，在空气/燃料模式中，空气/燃料混合物被吸收到独立吸入压缩室中并压缩。然后仍然在压力下把该混合物传输到恒容积独立燃烧室中，在这里被点燃以便提高所述混合物的温度和压力。一旦连接所述燃烧或膨胀室与膨胀和排气室的传输口已经打开，该混合物将在后一室中膨胀，在此做功。然后膨胀气体通过排气管被排放到大气中。
当对空气以及附加压缩空气操作时，这是本发明最感兴趣的模式，在低功率时，燃料注入器不再工作；在这种情况下，在来自吸入和压缩室的(无燃料)压缩空气明显地已经进入该室之后，少量的附加压缩空气被从外部存储罐引入燃烧室，在所述存储罐中空气被存储在例如200巴的高压和环境温度下。所述少量环境温度下的压缩空气在与燃烧或膨胀室中的大量高温空气接触时升温、膨胀和提高室内原有(Prevailing)压力，以便允许在膨胀过程中产生动能。
这种类型的双模式或双能量(空气和燃料或空气和附加压缩空气)发动机也可以改进为优选适用于城市，例如使用在所有汽车特别是城市公交汽车上，或其他服务车上(出租车、垃圾车等等)上，以空气/附加压缩空气单模式下工作，省掉发动机使用传统燃料工作下的所有元件。
发动机只工作在单模式下，附加压缩空气注入到燃烧室中，这样燃烧室变成膨胀室。而且，可以通过一个或多个活性炭过滤器或使用某些其他机械或化学方法或分子筛或某些其他过滤器，过滤和净化发动机吸入的空气以便产生降低污染的发动机。在本文中，使用的术语“空气”应该理解为是指“任何无污染的气体”。
在这种类型的发动机中，附加压缩空气以工作压力注入到燃烧或膨胀室中，所述工作压力根据所述室内原有压力确定，而且明显高于该压力，以便允许其传输，它例如为30巴。为此，利用传统类型的减压膨胀器，该膨胀器进行不作功膨胀而不吸收热量，从而不降低温度，这样允许把环境温度下的膨胀后的空气(在本例中大约为30巴)注入到燃烧或膨胀室中。
这一注入附加空气的方法也可以用于传统的双或四冲程发动机中，其中所述附加压缩空气注入到发动机的燃烧室是大约在点火冲程的上死点完成的。
根据本发明的方法提出了一种能够提高可以获得的并可以使用的能量的方法。该方法的特征在于所使用的装置，特别是如下事实，即压缩空气在被引入燃烧和/或膨胀室之前，通过加热器，在此它的压力和/或体积提高，从而大大提高发动机可以达到的性能。
在专利申请No.9700851中，作者还描述了一种这种类型的发动机从周围环境回收热能的方法，在这种类型发动机中包含在存储罐中的为超高压例如200巴、并有环境温度例如20℃的压缩空气，在最终低压例如30巴被使用之前，被膨胀为接近最终在可变容积系统中使用所需要的压力，例如在活塞缸系统中，产生可以利用任何机械、电、液压或类似的方法等已知方法回收和利用的功。这一作功膨胀的结果是把已经膨胀到压力接近工作压力的压缩空气冷却到非常低的温度，例如-100℃。该压缩空气膨胀到它的工作压力并且温度非常低，然后送入与环境空气的交换器中，被加热到接近于环境温度的温度，这样它的压力和/或它的体积增加，回收从大气吸收的热能。
根据本发明的方法的另一特征提出了一种关于上面刚刚描述的回收热能的方法，该方法使得能够进一步提高可以获得并能够利用的能量。它的特征在于所实现的装置，特别是在于如下事实，即已经通过空气/空气热交换器的压缩空气，在被引入燃烧室之前通过加热器，在此在被引入燃烧室和/或膨胀室之前它再次提高压力和/或体积，但是大大提高了发动机能够实现的的性能。
使用加热器具有如下优点，即它能够利用洁净的连续燃烧，它可以使用任何已知方法催化或净化，可以供应传统的燃料例如汽油、柴油、丁烷气体、丙烷气体、LPG或类似燃料，正如它可以使用化学反应和/或电能产生通过它的压缩空气的热能。
本领域的技术人员能够计算要提供到膨胀作功系统中的超高压空气量，以及后者的特性和体积等等，以便在所述膨胀作功之后，注意到热功，获得所选择的最后工作压力和尽可能低的温度，并根据发动机的用途进行。参数的电子处理使得能够在每个瞬间优化所使用、回收和加热的压缩空气量。本领域的技术人员能够确定加热器的工程细节和特性，所述加热器可以利用本领域公知的任何原理而不改变本发明的方法。
根据本发明的一个特征，用于加热来自高压存储罐的压缩空气的加热器，所述压缩空气可以经过或不经过从周围环境回收热能的系统，所述加热器可以单独或与上述两种方案一起使用，也就是说所述压缩空气直接来自存储罐或经过热能回收器，以便加热从发动机吸入和压缩室吸收的压缩空气，从而在把它再次引入燃烧和/或膨胀室之前提高它的压力和/或它的体积，以便能够在产生工作行程的膨胀和排汽缸中膨胀之前提高包含在所述燃烧室中的气体的压力。
送入加热器中的压缩空气分别或同时来自存储罐、来自从周围环境回收热能的装置、来自吸入和压缩室的分流嘴，与根据使用条件确定其间比例。
通过下面几个非限制性具体实施例的描述本发明的其他目的、优点和特征将变得更清楚，这些实施例是参考附图给出的，其中：
图1是具有加热装置的无污染发动机的截面示意图；
图2是具有加热装置的并从周围环境回收热能的无污染发动机的截面示意图；
图3是具有加热装置的发动机的示意图，所述加热装置作为通过吸入压缩室的压缩空气的支路；
图4是结合所有三种措施的发动机的示意图。
图1是无污染的发动机和它的压缩空气提供装置的截面示意图，包括吸入和压缩室1；固定容积燃烧室或膨胀室2，其中有一个提供存储在高压存储罐23中压缩空气的附加空气注入器22；及膨胀和排气室4。吸入和压缩室1通过管5连接到燃烧或膨胀室2，管5的开和关由密封活门6控制。燃烧或膨胀室2通过管或传输口7连接到膨胀和排气室4，管或传输口7的开和关由密封活门8控制。吸入管13向吸入和压缩室1提供空气，阀门14控制吸入管13的的打开，在吸入管13的前面具有降低污染的活性炭过滤器24。
吸入和压缩室1像活塞压缩机装置一样工作，其中活塞9在缸10中滑动，受连杆11和曲柄轴12的控制。膨胀和排气室4控制传统的活塞发动机装置，通过活塞15在缸16中滑动，经连杆17驱动曲柄轴18转动。通过排气管19膨胀了的空气被排出，阀门20控制排气管19的打开。吸入和压缩室1的曲柄轴12的转动由膨胀和排气室4的驱动曲柄轴18通过机械连杆21控制。
根据本发明，在高压存储罐23与压力几乎等于恒定最终使用压力的缓冲容积43之间的管37A上安装有加热器56，所述加热器56包括燃烧器57，从而当来自存储罐23(沿着箭头F方向)的压缩空气通过交换螺旋管58时，所述加热器56显著提高所述压缩空气的温度，因此提高它的压力和/或容积，以便能够显著地提高发动机的性能。
在图2中，发动机配备有用于从周围环境回收热能的装置，其中存储在存储罐23中的高压压缩空气的膨胀做功在如下装置中完成，该装置包括连杆53和直接连接到驱动轴18上的工作活塞54。所述活塞54在封闭缸55中滑动，并确定工作室35，一方面高压空气吸入管37开向所述工作室35，高压空气吸入管37的开关由电动阀38控制，另一方面，排气管39连接到空气/空气换热器或散热器41，它本身通过管42连接到压力为特别恒定的最终使用压力的缓冲容积43。在工作过程中，当工作活塞54位于它的上死点时，电动阀38打开然后再关闭以便放入非常高压的压缩空气，该空气将膨胀，尽可能把活塞54驱动回到它的下死点，并通过连杆53驱动发动机曲柄轴18。在活塞54的上冲程过程中，电动排气阀40打开，包含在工作室中的膨胀后的超低温压缩空气排放到(沿着箭头F方向)空气/空气换热气或散热器41中。这样所述空气加热到接近于环境的温度，而且当它到达缓冲容积43时将增大体积，从大气中回收不可忽视的能量。
根据本发明，安装在空气/空气换热气41与管42A上的缓冲容积43之间的是由燃烧器57构成的加热器56，当来自空气/空气换热器41(沿着箭头F方向)的压缩空气经过换热螺旋管58时，所述燃烧器57将大大提高所述压缩空气的温度，从而提高它的压力和/或体积。
根据本发明的一个特点，在图3中，加热器56安装为吸入和压缩室1的支路，部分被活塞9压缩的空气被从此引导到换热器56(沿着箭头F方向)，而且当它经过换热螺旋管58时被燃烧器57加热，在被引入缓冲容积43和被注入器22注入到燃烧和/或膨胀室2之前它的压力和/或体积将提高。
图4是结合图1、2和3中描述的三种装置的装置的示意图，加热器56的燃烧器57同时加热换热螺旋管58中被吸入和压缩室1中的活塞9压缩的部分空气(在把它驱动到缓冲容积43之前)和经过所述从周围环境回收热能的装置和空气/空气换热器41的来自存储罐的压缩空气。
加热器56吸收沿着管37A来自存储罐23的压缩空气，沿着另一管42来自用于从周围环境吸收热能的装置41的压缩空气，沿着第三管42A来自吸入和压缩室1的压缩空气；这些管中的每一个具有控制调节阀59、59A、59B，这些阀使得能够根据使用条件确定来自每个源的要加热的压缩空气的比例。
用于点火燃烧器和用于调节燃烧器的强度的调节阀系统被安装来根据驱动这样装备的车辆所需要的能量，把通过加热螺旋管的压缩空气加热到高一点或低一点的程度。
位于加热器56和注入器22之间的缓冲容积43最好通过绝热套43A绝热，所述绝热套43A由已知的用于此目的的材料制成，以便能够使得压缩空气在被注入所述室之前保持在加热器56中聚集的热能。本领域的技术人员能够选择缓冲容积43的大小和绝热材料，类似地，也可以把管道系统和各种管绝热，而毫不改变刚刚描述的发明。
当然，本发明并不限于所描述和图示的实施例，可以用本领域技术人员熟知的许多方法改进，而毫不脱离本发明的实质。

Claims (7)

1.一种用于往复活塞发动机、或配备有无污染或降低污染的往复活塞发动机的车辆的加热方法，所述发动机通过向燃烧或膨胀室注入附加空气而工作，而且具有高压压缩空气贮罐，其特征在于存储在高压存储罐中的压缩空气在最后低压使用之前被引导到加热器，以便在把它注入燃烧或膨胀室之前它的压力和/或它的体积提高；所述存储在高压存储罐中的压缩空气在被低压引入加热器之前，膨胀到接近于在可变容积系统例如活塞缸中的压力并作功，结果这样膨胀的压缩空气被冷却到低温，然后把该空气送入换热器，在此通过从周围环境回收附加热能加热而且它的压力和/或它的体积提高。
2.根据权利要求1所述的加热方法，其特征在于所述被送入加热器的压缩空气分别或同时来自于存储罐、来自于从周围环境回收热能的装置、来自于绝热吸入和压缩室的分流嘴，与根据使用条件确定其间比例。
3.用于实现根据权利要求1所述的方法的加热装置，具有加热器(56)、换热螺旋管(58)、燃烧器(57)、存储器(23)、附加压缩空气注入器(22)、燃烧或膨胀室(2)和缓冲容积(43)，其特征在于加热器(56)由添有燃料的燃烧器(57)和换热螺旋管(58)构成，所述加热器(56)位于存储罐(23)和附加压缩空气注入器(22)之间，当来自于存储罐的空气经过螺旋管(58)时被燃烧器(57)加热，以便在被注入燃烧或膨胀室(2)之前它的压力和/或它的体积提高，位于加热器和附加压缩空气注入器(22)之间的缓冲容积(43)使得空气能够均匀输出而且避免在所述注入之前出现浪涌效应。
4.根据权利要求3所述的加热装置，其特征在于还具有第二管(42)和散热器(41)，加热器(56)位于用于从周围环境回收热能的空气/空气换热器或散热器(41)和在空气被注入燃烧或膨胀室(2)之前的缓冲容积(43)之间的第二管(42)上。
5.根据权利要求3所述的加热装置，其特征在于还具有吸入和压缩室(1)和阀(59)，所述换热器(56)位于发动机的吸入和压缩室(1)和包括第二管(42)的支路上的缓冲容积(43)之间，在所述管(42)中气流速由阀(59)控制，所述阀(59)允许压缩之后的压缩空气被分流引出到所述加热器，以便在被注入燃烧或膨胀室之前它的压力和/或它的体积能够提高。
6.根据权利要求3所述的加热装置，其特征在于还具有管(37A)，第三管(42A)，阀(59A，59B)，所述加热器(56)沿着管(37A)从存储罐(23)接收压缩空气，沿着第二管(42)从用于从周围环境回收热能的装置(41)接收压缩空气，沿着第三管(42A)从吸入和压缩室(1)接收压缩空气，而且其特征还在于这些管中的每一个包括控制调节阀(59，59A，59B)，使得能够根据使用条件确定来自每一个源的将要加热的空气比例。
7.根据权利要求3所述的加热装置，其特征在于位于加热器(56)与注入器(22)之间的缓冲容积用套(23A)绝热，以便能够保存加热器中聚集的热能。
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