CN111577448A - 使用液体二氧化碳的四冲程或两冲程内燃机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种使用液体二氧化碳的四冲程或两冲程内燃机，本发明的三套热循环装置将内燃机排放废气热、冷却废热、人体散热和气候热的一部分转化为机械能，极大地提高了内燃机的热效率。本发明与喷水式六冲程内燃机相比没有水油结合堵塞管道的问题，液体二氧化碳释放的冷能用于制冷，省去了传统车船的空调压缩机，优化了车船的行驶动力，无风扇散热，省去了汽车的进气格栅，减化了车头布局，减少风阻和噪音，二氧化碳缸内冷却和换热吸能，消除了内燃机舱和尾气的高温释放，有利于规避红外侦测和跟踪。

Description

使用液体二氧化碳的四冲程或两冲程内燃机
技术领域
本发明涉及液体二氧化碳在四冲程或两冲程内燃机上的应用。
背景技术
现有的四冲程或两冲程内燃机热效率不高，几乎有一半的能量被气缸外冷却和排放废气所耗散，为了提高热效率，申请号00113997.5的中国专利提供了一种缸内喷水的六冲程内燃机，虽然能大幅度提高热效率，但其缺陷也显而易见：排气水油污染堵塞管路的缺陷难于解决，限制了这种内燃机的推广。六冲程内燃机相比目前主流的四冲程或两冲程内燃机增加的两个冲程也存在摩擦耗能和机械磨损问题，另外应用在车船上的空调，在压缩机工作时不仅消耗内燃机宝贵的动力，还因制冷剂压缩放热、加上内燃机自身工作排放废热，容易被红外跟踪侦测，使得现有的内燃机非常不利于军事隐蔽。
发明内容
本发明的目的是提供一种使用液体二氧化碳的四冲程或两冲程内燃机，缸内作功时同步喷射二氧化碳，有利于抑制氮氧化物生成，以解决现有四冲程或两冲程内燃机热效率不高，空调额外消耗动力以及外排废热容易被红外侦测和跟踪的问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：使用液体二氧化碳的四冲程或两冲程内燃机，包括液体二氧化碳储罐、输液管、增压气罐、气缸、排气管、储气罐舱、乘客舱、内燃机舱，其特征是输液管一端与液体二氧化碳储罐连接，另一端通过第一单向阀与增压气罐连接形成二氧化碳供气管路；
在输液管上设有散热管和输液泵，输液泵位于散热管上部；在输液泵和第一单向阀之间的管路上设有分支排气管；
在散热管外包裹有封闭隔离罩，封闭隔离罩上设有外泄释放管通向乘客舱外，外泄释放管的端口设有密封盖；封闭隔离罩外设置换气壳体，换气壳体上设置通向乘客舱外的外通风口、通向乘客舱内的内循环通风口和带风扇的送风口形成乘客舱人体散热和气候热循环系统，双向转换开关控制内循环通风口和外通风口的关闭；
在内燃机舱内设有热交换水箱，热交换水箱内设置一散热盘管，散热盘管的一端通过第二回气管与增压气罐连接，另一端通过送气管和送气管道上的第二输气泵与增压气罐连接形成冷却废热循环系统；
同时热交换水箱通过回水管与内燃机冷却通道连接，内燃机冷却通道的另一端通过输水管后连通水泵后再与热交换水箱连接形成内燃机冷却水循环系统；
在排气管上安装热交换器，热交换器一端通过输气管和输气管上的第一输气泵与增压气罐连接，热交换器的另一端通过第一回气管与二氧化碳增压气罐连接，形成内燃机排放废气热循环系统；
增压气罐上端通过出气管连接一个三通控制阀，三通控制阀的一个出口连接配气机构后与喷气管连接，喷气管通向内燃机气缸与喷气嘴连接，三通控制阀的另一个出口与回气管连接，回气管与液体二氧化碳储罐连接形成二氧化碳回气管路；
在气缸内设置的喷气嘴与喷油嘴或火花塞点火同步工作。
所述分支排气管上设置第一阀门和外接释放口。
所述二氧化碳回气管的两端分别连接三通阀和液体二氧化碳储罐，在二氧化碳回气管上顺次设置回气阀、气动快速接头和第二单向阀，在二氧化碳回气管上的内燃机舱段设置手自一体灭火阀门，乘客舱内设置的手动灭火开关可手动控制手自一体灭火阀门的开启。
本发明有益效果是：
(1)本发明的三套热循环装置将内燃机排放废气热、冷却废热、人体散热和气候热的一部分转化为机械能，极大地提高了内燃机的热效率。
(2)使用本发明的车船无需额外负担空调压缩机，可专心把机械动力用于行驶，车船的动力性就大大增强了，与使用传统内燃机的车船达到相同运行速度时可缩小内燃机排量、减少油耗、减少废气排放。本发明的空调利用二氧化碳吸收乘客舱中的人体废热和环境废热的同时还利用二氧化碳的热交换循环吸收内燃机尾气废热和气缸散热，在增压气罐20中变成高压动力推动活塞再次转化为机械能从而极大地提高了内燃机的燃油利用效率。
(3)由于二氧化碳易挥发性不会黏附在气缸壁难以产生腐蚀，也不会与水油结合堵塞管路，相比喷水式六冲程内燃机的实用性大为增强，廉价的液体二氧化碳作为制冷剂的一大优点是不开启内燃机就可制冷，不但静音而且节油环保，减轻机械磨损还可避免一氧化碳中毒的风险。
(4)由于二氧化碳吸收了气缸冷却热，本发明的内燃机无需设置散热风扇，灵活布置散热水箱37的位置就能到达很好的散热效果，所以使用本发明的汽车不必设置进气格栅，从而简化车头的设计，减少车头的长度和体积，降低汽车造价降低风阻降低油耗。
(5)传统内燃机的排气管温度很高极易造成内燃机自燃，本发明的二氧化碳循环散热装置热交换器29极大地降低了排气管28的表面温度从而减少了内燃机舱自燃的风险。
(6)本发明的手自一体灭火阀门43解决了传统内燃机舱容易起火和灭火难的问题，二氧化碳是一种优质灭火剂，车载移动方便，二氧化碳液体状态还含有大量冷能，灭火效果更佳，分支排气管16的设计使得使用本发明的车船可替代部分消防车的功能。
(7)本发明的普及能有效促进液体二氧化碳工业制备和储存，有利于节能减排，液体二氧化碳的储备和加注站、加油站相结合的方式有利于防止和及时扑灭油气爆燃的灾害。
(8)本发明内燃机排气温度能够显著降低，有利于军事隐蔽、规避红外侦测，普通内燃机为了提高燃油效率而增大压缩比，造成了氮氧化物的大量生成，不利于节能减排，为了消除氮氧化物，工程师通常在三元催化剂中施加尿素的方式加以解决。本发明由于在气缸作功时有二氧化碳喷入参与燃烧反应，会因不完全燃烧产生一定量的一氧化碳，一氧化碳与内燃机产生的氮氧化物在三元催化剂的作用下分解为氮气和水，有利于清洁排放。
(9)本发明的二氧化碳在气缸内的喷射属于内冷却，可避免传统内燃机气缸内局部温度过高，均衡的气缸温度和燃烧作功时一定量的二氧化碳参与也有利于抑制汽油机工作时的爆震现象，有利于提高压缩比让内燃机有更高的燃油效率和经济性。
(10)传统内燃机的涡轮增压器需承受极高的排气温度环境，高速转动的涡轮轴承和涡轮在高温下叶片易损、对润滑的要求非常苛刻且维护不便，本发明的排气温度的极大降低使得使用涡轮增压器的运行环境得到极大的改善，可以降低涡轮增压器的制造难度从而降低制造成本，增加其使用寿命，易于维护节省费用。
(11)对需要使用压缩气体动力的车船本发明的增压气罐内的高压二氧化碳可为其提供动力源，无需使用气体压缩机，减轻机械负担的同时降低车船造价降低油耗，特别是在车船紧急制动和转向时不依赖于内燃机的工作，具有极其优越的安全性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有的技术方案，下面将实施例或现有的技术描述中所需要使用的附图做简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于普通本领域的技术人员来讲，在不付出创造性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的供气结构示意图。
图中：1-液体二氧化碳储罐，2-安全阀，3-出液阀，4-加注口，5-输液管，6-散热管，7-输液泵，8-密封隔离罩，9-外泄释放管，10-密封盖，11-换气壳体，12-内循环通风口，13-双向转换开关，14-带风扇的送风口，15-外通风口，16-分支排气管，17-第一阀门，18-外接释放口，19-第一单向阀，20-增压气罐，21-出气管，22-三通控制阀，23-第二阀门，24-配气机构，25-喷气管，26-喷气嘴，27-气缸，28-排气管，29-热交换器，30-第一回气管，31-第一输气泵，32-输气管，33-送气管，34-第二输气泵，35-第二回气管，36-散热盘管，37-热交换水箱，38-回水管，39-循环水泵，40-输水管，41-内燃机冷却通道，42-二氧化碳回气管，43-手自一体灭火阀门，44-手动灭火开关，45-回气阀，46-第二单向阀，47-储气罐舱，48-乘客舱，49-内燃机，50-气动快速接头。
具体实施方式
为了使本发明的目的技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细描述。所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所得到的所有其他实施方式，都属于本发明所保护的范围。
本发明的使用液体二氧化碳的四冲程或两冲程内燃机的结构如图1所示，在液体二氧化碳储罐1上设有加注口4，输液管5一端与液体二氧化碳储罐1连接，另一端通过第一单向阀19与增压气罐20连接形成液体二氧化碳供气管路；在输液管5上设有散热管6和输液泵7，输液泵7位于散热管6与第一单向阀19之间；在输液泵7和第一单向阀19之间的管路上设有通向乘客舱外48的分支排气管16，分支排气管16上设置第一阀门17和外接释放口18。
在输液管5上还设置有安全阀2和出液阀3。
散热管6外包裹有封闭隔离罩8，封闭隔离罩8上设有外泄释放管9通向乘客舱48外，外泄释放管9的端口设有密封盖10；封闭隔离罩8外设置换气壳体11，换气壳体11上设置通向乘客舱外的外通风口15、通向乘客舱内的内循环通风口12和带风扇的送风口14，形成乘客舱人体散热和气候热循环系统，双向转换开关13控制内循环通风口12和外通风口15的关闭。
当管道中有二氧化碳流动时就会在散热管6上释放冷能，风扇向乘客舱48内吹风降温，同时散热管6中的二氧化碳吸收室温和人体散发的热量后流向增压气罐20，双向转换开关13关闭外通风口15时冷气内循环，关闭内通风口12时冷气外循环。
当乘客舱48需要单独使用冷气时，可启动管路输液泵7，直接将二氧化碳从二氧化碳流回液罐1泵入增压气罐20中，开启乘客舱48通风循环系统，同时关闭分支排气管16上的第一阀门17，即可方便取冷又不浪费二氧化碳。由于二氧化碳是一种窒息性气体，一但泄漏在乘客舱48将会危及乘客安全，本发明给散热管6设置一密封隔离罩8，密封隔离罩8上设置一外泄释放管9通向乘客舱48外，管口有密封盖10，在正常使用时密封盖10防止冷气散溢，当散热管6的管道破损有二氧化碳泄漏时产生的压力将密封盖10冲开而排向车外以保正乘客的安全。
当内燃机不工作也需使用冷气时，通向乘客舱外的分支排气管16上的第一阀门17开启，外接释放口18释放部分二氧化碳，导致在散热管6内的二氧化碳向上流动，流动蒸发产生冷气供应乘客舱48，分支排气管16上的外接释放口18也可用于流动灭火或其他用途。
通常利用排放废气的方式给涡轮增压提供动力，这仅仅利用了排放废气热能的很小一部分，绝大部分废气热能还是以废气的方式从排气管28排出而浪费。
本发明在排气管28上安装热交换器29，热交换器29一端通过输气管32和输气管上的第一输气泵31与增压气罐20连接，热交换器29的另一端通过第一回气管30与二氧化碳增压气罐20连接，形成内燃机排放废气热循环系统；第一输气泵31将增压气罐20中冷的二氧化碳输送至热交换器29利用排放废气加热二氧化碳后输送回增压气罐20为其增压储能。
内燃机气缸27的冷却热除了在冬季给乘客舱48加热外，多数热能被散热水箱和风扇耗散造成浪费。本发明设置一个热交换水箱37，热交换水箱37通过回水管38与内燃机冷却通道41连接，内燃机冷却通道41的另一端通过输水管40后连通循环水泵39后再与热交换水箱37连接形成内燃机冷却水循环系统；循环水泵39将内燃机冷却通道41内热的防冻液泵入热交换水箱37，热交换水箱37内的防冻液又因有压力沿回水管道38流回内燃机冷却通道41内。
同时热交换水箱37内设置一散热盘管36，散热盘管36的一端通过第二回气管35与增压气罐20连接，另一端通过送气管33和送气管道上的第二输气泵34与增压气罐20连接形成冷却废热循环系统；将热交换水箱37内的热能通过二氧化碳的流动带入二氧化碳增压器罐20内。
增压气罐20上端通过出气管21连接一个三通控制阀22，三通控制阀22的一个出口连接配气机构24后与喷气管25连接，喷气管25通向内燃机气缸27与喷气嘴26连接，三通控制阀22的另一个出口与回气管42连接，回气管42与液体二氧化碳储罐1连接形成二氧化碳回气管路。在三通控制阀22和凸轮同步开关24之间设有第二阀门23。
所有的内燃机都有最佳工作温度，一般内燃机刚启动时工况温度都较低，这时关闭第二阀门23不供二氧化碳，当内燃机工作后达到规定工况时，打开第二阀门23开始向喷气管25供气，配气机构24受内燃机凸轮联动控制火花塞开关或喷油开关：即在两冲程内燃机的活塞运行至上止点时，喷气嘴26向气缸27内喷射二氧化碳同时火花塞点火或喷油嘴喷油；四冲程内燃机在作功冲程时的活塞处于上止点时，喷气嘴26向气缸27内喷射二氧化碳同时火花塞点火或喷油嘴喷油，这时燃油在气缸内燃烧膨胀，二氧化碳也遇热膨胀，加上二氧化碳吸收的排气热、冷却热、乘客舱散热所产生的压力共同推动活塞作功，即在气缸内设置的喷气嘴26与喷油嘴或火花塞点火要同步工作，在作功冲程中部分二氧化碳与燃油和氧气因不完全燃烧反应生成一定量的一氧化碳，一氧化碳随排气冲程到达排气管28中后与内燃机工作时高压燃烧反应生成的限制排放物即氮氧化物在三元催化剂的作用下生成相对清洁的氮气和二氧化碳。
随着二氧化碳储罐1中的液体二氧化碳流出使其压力变小，回气管42中的高温高压二氧化碳流回二氧化碳储罐1中为其升温增压，让罐中存有的二氧化碳能继续供应，回气管42上的第二单向阀46阻止二氧化碳反流至回气管42，控制回气管上回气阀45开启大小可调整二氧化碳储罐1压力，也可维持二氧化碳流向内燃机的压力和流量。
二氧化碳储罐1上设置的加注口4能方便添加液体二氧化碳，二氧化碳储罐1内二氧化碳的压力临界安全压力时，输液管5上的安全阀2自动打开，排走多余的二氧化碳保证储罐及乘客安全。
在不使用二氧化碳时，输液管5上的出液阀3关闭，防止二氧化碳外溢浪费。
在内燃机舱49段的二氧化碳管路上设置手自一体灭火阀门43，在感知高温时自动打开喷射二氧化碳灭火，在乘客舱48中设置手动灭火开关44控制其喷射二氧化碳扑灭内燃机舱中的火情。
在回气管路上设置气动快速接头50，可为需要使用气动动力的车船提供气动动力源接口，增压气罐20中的高压二氧化碳为车船的刹车制动转向等提供动力。
除空调散热器管路外所有通过二氧化碳的管路、储罐均设有保温材料包裹保温。
不良油品和内燃机长时间使用会造成缸内积碳，本发明可关闭供应气缸油路，转动内燃机，加大缸内二氧化碳喷射量就可在无需拆解内燃机的情况下自行清理缸内积碳难题。
以上所述，仅仅是本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应该涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.使用液体二氧化碳的四冲程或两冲程内燃机，包括液体二氧化碳储罐(1)、输液管(5)、增压气罐(20)、气缸(27)、排气管(28)、储气罐舱(47)、乘客舱(48)、内燃机舱(49)，其特征是输液管(5)一端与液体二氧化碳储罐(1)连接，另一端通过第一单向阀(19)与增压气罐(20)连接形成二氧化碳供气管路；
在输液管(5)上设有散热管(6)和输液泵(7)，输液泵(7)位于散热管(6)上部；在输液泵(7)和第一单向阀(19)之间的管路上设有分支排气管(16)；
在散热管(6)外包裹有封闭隔离罩(8)，封闭隔离罩(8)上设有外泄释放管(9)通向乘客舱(48)外，外泄释放管(9)的端口设有密封盖(10)；封闭隔离罩(8)外设置换气壳体(11)，换气壳体(11)上设置通向乘客舱外的外通风口(15)、通向乘客舱内的内循环通风口(12)和带风扇的送风口(14)形成乘客舱人体散热和气候热循环系统，双向转换开关(13)控制内循环通风口(12)和外通风口(15)的关闭；
在内燃机舱(48)内设有热交换水箱(37)，热交换水箱(37)内设置一散热盘管(36)，散热盘管(36)的一端通过第二回气管(35)与增压气罐(20)连接，另一端通过送气管(33)和送气管道上的第二输气泵(34)与增压气罐(20)连接形成冷却废热循环系统；
同时热交换水箱(37)通过回水管(38)与内燃机冷却通道(41)连接，内燃机冷却通道(41)的另一端通过输水管(40)后连通水泵(39)后再与热交换水箱(37)连接形成内燃机冷却水循环系统；
在排气管(28)上安装热交换器(29)，热交换器(29)一端通过输气管(32)和输气管上的第一输气泵(31)与增压气罐(20)连接，热交换器(29)的另一端通过第一回气管(30)与二氧化碳增压气罐(20)连接，形成内燃机排放废气热循环系统；
增压气罐(20)上端通过出气管(21)连接一个三通控制阀(22)，三通控制阀(22)的一个出口连接配气机构(24)后与喷气管(25)连接，喷气管(25)通向内燃机气缸(27)与喷气嘴(26)连接，三通控制阀(22)的另一个出口与回气管(42)连接，回气管(42)与液体二氧化碳储罐(1)连接形成二氧化碳回气管路；
在气缸内设置的喷气嘴(26)与喷油嘴或火花塞点火同步工作。
2.如权利要求1所述的使用液体二氧化碳的四冲程或两冲程内燃机，其特征是分支排气管(16)上设置第一阀门(17)和外接释放口(18)。
3.如权利要求1所述的使用液体二氧化碳的四冲程或两冲程内燃机，其特征是二氧化碳回气管(42)的两端分别连接三通阀(22)和液体二氧化碳储罐(1)，在二氧化碳回气管(42)上顺次设置回气阀(45)、气动快速接头(50)和第二单向阀(46)，在二氧化碳回气管(42)的内燃机舱(49)段上设置手自一体灭火阀门(43)，乘客舱(48)内设置的手动灭火开关(44)可手动控制手自一体灭火阀门(43)的开启。
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