CN117328994A - 一种可控进排气阀门两阶段燃烧多冲程循环系统及方法 - Google Patents
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Abstract
一种可控进排气阀门两阶段燃烧多冲程循环系统及方法，它涉及一种两阶段燃烧多冲程循环系统及方法。本发明为了解决现有发动机产生大量的多余热能，这些热能不仅需要通过发动机汽缸壁消散，而且在循环排气冲程中还被作为浪费能量排出的问题。本发明所述循环系统包括气缸组件、进气结构、排气结构和储气结构；所述进气结构与所述气缸组件的进气口连接，所述气缸组件的排气口通过所述排气结构与所述储气结构连接。本发明属于内燃机燃烧技术领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种两阶段燃烧多冲程循环系统及方法，属于内燃机燃烧技术领域。
背景技术
由于石油能源的过量使用和开采，中国乃至世界面临严重的能源危机，世界石油储量也在大幅减少，同时，鉴于这些石油能源在现有内燃机中的利用率不高(热效率低)，造成油耗大排放高，且排气噪音大，给大气和环境造成严重污染和危害，现行内燃机是经过进、压、爆、排四个冲程为一个工作循环来完成对外做功，输出动力的(汽油机为火花塞点燃式、柴油机为压燃式)只有爆发冲程才是做功冲程，其它三个均为辅助冲程，不对外做功，即使是最有效的现代四冲程发动机的主要缺点是产生大量的多余的热能，通过发动机的气缸壁消散，并在循环的排气冲程中作为浪费的能量排出。
因此，如何有效利用燃料燃烧产生的热能，有效提高提高发动机热效率，增大功率密度，完善发动机的整体性能提高发动机经济性是现在亟待解决的问题。
发明内容
本发明为解决现有发动机产生大量的多余热能，这些热能不仅需要通过发动机汽缸壁消散，而且在循环排气冲程中还被作为浪费能量排出的问题，进而提出一种可控进排气阀门两阶段燃烧多冲程循环系统及方法。
本发明为解决上述问题采取的技术方案是：本发明所述循环系统包括气缸组件、进气结构、排气结构和储气结构；所述进气结构与所述气缸组件的进气口连接，所述气缸组件的排气口通过所述排气结构与所述储气结构连接。
进一步的，所述气缸组件包括气缸、活塞和喷嘴；活塞设置在气缸内，喷嘴安装在气缸顶面的中部，气缸的进气口与所述进气结构连接，气缸的排气口通过所述进气结构与所述储气结构连接。
进一步的，所述进气口与所述排气口设置在气缸的顶面，且所述进气口与所述排气口分别位于喷嘴的两侧。
进一步的，所述进气结构包括进气管道和进气阀，进气管道与气缸顶面的进气口连通，进气阀安装在进气管道内。
进一步的，所述排气结构包括排气管道和排气阀，排气管道的一端与气缸顶面的排气口连通，排气管道的另一端与所述储气结构连接，排气阀安装在在排气管道内。
进一步的，所述储气结构包括储气罐和排气歧管；排气管道的另一端与排气歧管连接，储气罐的罐口与排气歧管连通。
进一步的，所述储气结构还包括储气阀；储气阀安装在储气罐的罐口内。
进一步的，所述储气结构还包括控制开关阀门；控制开关阀门安装在排气歧管内，且控制开关阀门位于储气罐的罐口与排气歧管的另一端之间。
本发明所述循环方法的步骤包括：
气缸内活塞上行压缩气体，此时，当压缩气体至上止前喷油燃烧前开启排气阀、储气阀，控制开关阀门关闭，使气缸内压缩产生的高温高压的部分气体可以进入储气罐进行储存，且不外泄气体，储气罐储存部分压缩后的高温高压气体，储存气体后，关闭储气阀、排气阀。
进一步的，气缸内将步骤二中剩余的高温高压气体喷油燃烧做功活塞下行，此时，排气阀关闭，储气阀关闭，控制开关阀门关闭，避免气体外泄，使其充分燃烧。
进一步的，当排气过程中将气缸内废气排出后，活塞到达上止点前，关闭控制开关阀门，打开储气阀，放出储气罐储存的高温高压气体，储气罐气体释放后进入到气缸中，关闭排气阀，活塞上行压缩气体，进行喷油燃烧，使步骤五中的储气罐释放的高温高压气体进行第二次燃烧做功，活塞下行。
本发明的有益效果是：
1、传统内燃机整个循环系统只有一次做功过程，其余过程均不进行做功，燃料利用率不高；不同于传统内燃机的一次性燃烧做功，本发明为二次燃烧做功，使燃料充分进行燃烧，有效利用了燃烧做功过程中所产生的大量的多余的热能，提高热效率。
2、本发明的压缩比越大，压力越高，使得热效率越高，然而，现有内燃机因为燃料一次性燃烧，造成可燃混合气体集中超温、高压燃烧，进而造成爆压现象并且高温会增加氮氧化物等排放物含量，由于压力的限制，内燃机的进气条件也会被约束，以避免压力过高使发动机负荷过大造成负面损伤，降低了内燃机的做功能力；
3、本发明降低了压力的限制，在相同压力限制条件下，本发明可以使进气量更大，压缩比更高，提高功率、增大功率密度；
4、传统循环系统在一次做功后产生大量的多余的热能会随着做功冲程的结束打开排气阀门进行排气过程而直接释放，使得燃烧后的余热耗散掉，没能充分利用，降低了整体循环的热效率，本发明的循环系统中多进行了一次燃烧做功过程，增大了燃料的利用率，提高了有效热效率和功率；
5、本发明所述燃烧循环方法相比其它工作过程可以在相同爆压限制下增大进气压力，传统燃烧工作过程(进气压力一般在3～5bar)因为进气压力过高会导致爆压较大，所以限制了进气压力，基于270船用中速机(爆压为21.3MPa、进气压力为3.89bar)进行此工作循环方法在爆压相同条件下可以增大到5.89bar进气压力，有效解决了爆压的限制，增大了压缩气体的体积，提高热效率；
6、本发明所述工作循环方法不同于其它二冲程和四冲程循环(传统燃烧循环只进行一次燃烧做功)，也区别于其它相应的进行排气后处理的六冲程循环(排期后向缸内喷水利用余热做功)，燃烧过程都是以压缩后的高温高压气体进行燃烧，有着两次燃烧做功的优势，增大了功率密度。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明所述方法的热力循环流程图；
图3是中速柴油机270单缸GT-Power模型；
图4是在中速柴油机单缸GT-Power模型基础上设计的两阶段燃烧模型；
图5是多循环下两阶段燃烧过程缸内压力图；
图6是两阶段燃烧过程缸内压力与270缸内压力对比图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1至图6说明本实施方式，本实施方式所述一种可控进排气阀门两阶段燃烧多冲程循环系统包括气缸组件、进气结构、排气结构和储气结构；所述进气结构与所述气缸组件的进气口连接，所述气缸组件的排气口通过所述排气结构与所述储气结构连接。
具体实施方式二：结合图1至图6说明本实施方式，本实施方式所述一种可控进排气阀门两阶段燃烧多冲程循环系统的所述气缸组件包括气缸1、活塞2和喷嘴3；活塞2设置在气缸1内，喷嘴3安装在气缸1顶面的中部，气缸1的进气口与所述进气结构连接，气缸1的排气口通过所述进气结构与所述储气结构连接。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：结合图1至图6说明本实施方式，本实施方式所述一种可控进排气阀门两阶段燃烧多冲程循环系统的所述进气口与所述排气口设置在气缸1的顶面，且所述进气口与所述排气口分别位于喷嘴3的两侧。其它组成及连接关系与具体实施方式二相同。
具体实施方式四：结合图1至图6说明本实施方式，本实施方式所述一种可控进排气阀门两阶段燃烧多冲程循环系统，其特征在于：所述进气结构包括进气管道4和进气阀5，进气管道4与气缸1顶面的进气口连通，进气阀5安装在进气管道4内。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式五：结合图1至图6说明本实施方式，本实施方式所述一种可控进排气阀门两阶段燃烧多冲程循环系统的所述排气结构包括排气管道6和排气阀7，排气管道6的一端与气缸1顶面的排气口连通，排气管道6的另一端与所述储气结构连接，排气阀7安装在在排气管道6内。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式六：结合图1至图6说明本实施方式，本实施方式所述一种可控进排气阀门两阶段燃烧多冲程循环系统的所述储气结构包括储气罐8和排气歧管9；排气管道6的另一端与排气歧管9连接，储气罐8的罐口与排气歧管9连通。其它组成及连接关系与具体实施方式一或五相同。
具体实施方式七：结合图1至图6说明本实施方式，本实施方式所述一种可控进排气阀门两阶段燃烧多冲程循环系统的所述储气结构还包括储气阀10；储气阀10安装在储气罐8的罐口内。其它组成及连接关系与具体实施方式六相同。
具体实施方式八：结合图1至图6说明本实施方式，本实施方式所述一种可控进排气阀门两阶段燃烧多冲程循环系统的所述储气结构还包括控制开关阀门11；控制开关阀门11安装在排气歧管9内，且控制开关阀门11位于储气罐8的罐口与排气歧管9的另一端之间。其它组成及连接关系与具体实施方式六相同。
具体实施方式九：结合图1至图6说明本实施方式，本实施方式所述一种可控进排气阀门两阶段燃烧多冲程循环方法为：
气缸1内活塞2上行压缩气体，此时，当压缩气体至上止前喷油燃烧前开启排气阀7、储气阀10，控制开关阀门11关闭，使气缸1内压缩产生的高温高压的部分气体可以进入储气罐8进行储存，且不外泄气体，储气罐8储存部分压缩后的高温高压气体，储存气体后，关闭储气阀10、排气阀7。
具体实施方式十：结合图1至图6说明本实施方式，本实施方式所述一种可控进排气阀门两阶段燃烧多冲程循环方法，气缸1内将步骤二中剩余的高温高压气体喷油燃烧做功活塞2下行，此时，排气阀7关闭，储气阀10关闭，控制开关阀门11关闭，避免气体外泄，使其充分燃烧。
具体实施方式十一：结合图1至图6说明本实施方式，本实施方式所述一种可控进排气阀门两阶段燃烧多冲程循环方法，当排气过程中将气缸1内废气排出后，活塞2到达上止点前，关闭控制开关阀门11，打开储气阀10，放出储气罐8储存的高温高压气体，储气罐8气体释放后进入到气缸1中，关闭排气阀7，活塞2上行压缩气体，进行喷油燃烧，使步骤五中的储气罐8释放的高温高压气体进行第二次燃烧做功，活塞2下行。
工作原理
步骤一：首先进行进气过程，气体进入气缸1，冲程结束后气缸1内活塞2上行压缩气体，当压缩气体至上止前喷油燃烧前进行储气过程，使气缸1内压缩产生的高温高压的部分气体可以进入储气罐8，且不外泄气体，储气罐8存储部分压缩后的高温高压气体；
步骤二：在储气罐8存储一部分气体后，步骤一中气缸1内剩余的高温高压气体在喷油后燃烧活塞2下行做功，活塞2行至下止点时准备将第一次燃烧后产生的气体排放，进行第一次排气过程；
步骤三：当排气过程中活塞2到达上止点前，放出储气罐8储存的高温高压气体，储气罐8气体释放后，活塞2上行压缩气体，然后向气缸1内喷油，使储气罐8中释放的高温高压气体进行第二次燃烧做功，活塞2下行，活塞2行至下止点，准备将第二次燃烧后产生的废气排放，进行第二次排气过程。
实施例
以GT-Power搭建的柴油机单缸的模型进行验证
步骤1：建立了270船用中速柴油机单缸的GT-Power模型；中速柴油机单缸GT-Power模型参照图3；
表1所示为搭建GT-Power模型所需的主要参数：
表1建模的基本参数
步骤2：在气体从气缸排气阀门出来后的排气歧管上设置一个带有储气阀储气罐，并且在排气歧管上储气罐阀后的位置设置一个控制开关阀门，通过控制各个阀门的开闭时间以达到实现所设计的循环过程，通过GT-Power基于建立的270单缸模型建立两阶段燃烧模型如图4所示，此循环从-180°曲轴转角开始到900°结束，此一个热力工作循环由三个二冲程循环周期组成，由于只有一次进气过程，进气阀门只需开闭一次；在每次储气罐存储、释放气体都需要打开排气阀门，此外还有排气过程，所以排气阀门需要开闭三次；此循环有两次燃烧过程，需要进行两次喷油设置；在储气罐存储和释放气体时候都需要进行设置，有两次开闭时刻的设置，在压缩冲程进行时，且达到上至点前、排气阀关闭前打开储气罐阀门进行存储压缩后的高温高压气体，关闭阀门后剩余气体进行燃烧过程，在第二次活塞上行排气后进行压缩过程，在排气阀门关闭前将储气阀们打开释放出存储的高温高压气体，然后关闭阀门继续进行压缩过程，准备进行第二次燃烧做功过程；排气歧管的控制开关阀门用于控制循环排气过程和防止储气罐存储、释放气体过程中外泄。
步骤3：利用该模型在100％工况下验证设计流程运行的情况，由于相较于270模型此设计循环对于进气需求量较大些，所以相应增大了运行时的进气压力，如图5所示为十个循环运行的情况，第一个循环与其他相差较大没有参考意义，从结果可以看出该设计循环可以稳定运行。
本实例采用270船用中速柴油机单缸的GT-Power模型，将标定好的船用中速柴油机的单缸模型在100％负荷的条件下运行，建立基于可控进排气阀门两阶段燃烧模型，联合仿真结果输出的缸内压力曲线与270模型缸内压力曲线相比较，如图6所示，在第一段燃烧最高压力与270模型的相同的基础上稳定运行进行了第二次燃烧做功。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。
Claims (11)
1.一种可控进排气阀门两阶段燃烧多冲程循环系统，其特征在于：所述一种可控进排气阀门两阶段燃烧多冲程循环系统包括气缸组件、进气结构、排气结构和储气结构；所述进气结构与所述气缸组件的进气口连接，所述气缸组件的排气口通过所述排气结构与所述储气结构连接。
2.根据权利要求1所述的一种可控进排气阀门两阶段燃烧多冲程循环系统，其特征在于：所述气缸组件包括气缸(1)、活塞(2)和喷嘴(3)；活塞(2)设置在气缸(1)内，喷嘴(3)安装在气缸(1)顶面的中部，气缸(1)的进气口与所述进气结构连接，气缸(1)的排气口通过所述进气结构与所述储气结构连接。
3.根据权利要求2所述的一种可控进排气阀门两阶段燃烧多冲程循环系统，其特征在于：所述进气口与所述排气口设置在气缸(1)的顶面，且所述进气口与所述排气口分别位于喷嘴(3)的两侧。
4.根据权利要求1所述的一种可控进排气阀门两阶段燃烧多冲程循环系统，其特征在于：所述进气结构包括进气管道(4)和进气阀(5)，进气管道(4)与气缸(1)顶面的进气口连通，进气阀(5)安装在进气管道(4)内。
5.根据权利要求1所述的一种可控进排气阀门两阶段燃烧多冲程循环系统，其特征在于：所述排气结构包括排气管道(6)和排气阀(7)，排气管道(6)的一端与气缸(1)顶面的排气口连通，排气管道(6)的另一端与所述储气结构连接，排气阀(7)安装在在排气管道(6)内。
6.根据权利要求1或5所述的一种可控进排气阀门两阶段燃烧多冲程循环系统，其特征在于：所述储气结构包括储气罐(8)和排气歧管(9)；排气管道(6)的另一端与排气歧管(9)连接，储气罐(8)的罐口与排气歧管(9)连通。
7.根据权利要求6所述的一种可控进排气阀门两阶段燃烧多冲程循环系统，其特征在于：所述储气结构还包括储气阀(10)；储气阀(10)安装在储气罐(8)的罐口内。
8.根据权利要求6所述的一种可控进排气阀门两阶段燃烧多冲程循环系统，其特征在于：所述储气结构还包括控制开关阀门(11)；控制开关阀门(11)安装在排气歧管(9)内，且控制开关阀门(11)位于储气罐(8)的罐口与排气歧管(9)的另一端之间。
9.一种权利要求1-8所述可控进排气阀门两阶段燃烧多冲程循环系统的循环方法，其特征在于：所述一种可控进排气阀门两阶段燃烧多冲程循环装置的两阶段燃烧多冲程循环工作方法的步骤包括：
气缸(1)内活塞(2)上行压缩气体，此时，当压缩气体至上止前喷油燃烧前开启排气阀(7)、储气阀(10)，控制开关阀门(11)关闭，使气缸(1)内压缩产生的高温高压的部分气体可以进入储气罐(8)进行储存，且不外泄气体，储气罐(8)储存部分压缩后的高温高压气体，储存气体后，关闭储气阀(10)、排气阀(7)。
10.根据权利要求9所述的一种可控进排气阀门两阶段燃烧多冲程循环装置的两阶段燃烧多冲程循环工作方法，其特征在于：气缸(1)内将步骤二中剩余的高温高压气体喷油燃烧做功活塞(2)下行，此时，排气阀(7)关闭，储气阀(10)关闭，控制开关阀门(11)关闭，避免气体外泄，使其充分燃烧。
11.根据权利要求9所述的一种可控进排气阀门两阶段燃烧多冲程循环装置的两阶段燃烧多冲程循环工作方法，其特征在于：当排气过程中将气缸(1)内废气排出后，活塞(2)到达上止点前，关闭控制开关阀门(11)，打开储气阀(10)，放出储气罐(8)储存的高温高压气体，储气罐(8)气体释放后进入到气缸(1)中，关闭排气阀(7)，活塞(2)上行压缩气体，进行喷油燃烧，使步骤五中的储气罐(8)释放的高温高压气体进行第二次燃烧做功，活塞(2)下行。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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