CN87105562A - 改进的内燃发动机和运转方法 - Google Patents

Abstract

设计得在运转条件能及的范围内有高效率的改 进的内燃发动机和运转方法包括了：在连续的基础上 检测废燃气温度(56)和空气—燃料比(32，34)使得 能由微计算机(58)进行控制。废燃气温度是和存入 的温度作比较，输入空气的加压被调节到能使废燃气 温度和存入的数据相等。由于尽量减少了废燃气的 温度，就能实现增加发动机效率。这发明能够体现于 各种不同类型的发动机中，包括活塞系统和涡轮系 统。

Description

本发明和内燃发动机有关，特别是和这类发动机的改进型式及运转方式有关。

一个发动机或动力装置的总体能量平衡可以表示成

输出功＝燃料热值-通过冷却剂带走的热损失-排放废气的能量损失

在一个动力循环中冷却剂的热损失和废气的能量损失不可能同时消除。普通的内燃发动机-燃气轮机、汽油发动机和柴油发动机分别依一些理想循环：Brayton循环、Otto循环和Diesel循环为根据。这些循环都有一些共同的特点：排出高温废气和原则上没有由冷却剂造成的热损失。自然，在实际上，冷却剂是用的，以便防止材料过热，特别在汽油发动机和柴油发动机情况。这样的冷却是根据发动机材料的温度极限所要求，而不是根据所利用的理想发动机循环的热力学原理所要求。随着材料的连续改进，冷却剂也许能减少或免掉。

一般讲来，热力学原理允许主张：尽量减少废气能损失的内燃发动机设计在燃料经济上优于那种尽量减少冷却剂热损失的发动机设计。因而已经有许多尝试投入到设计最小废气能损失的内燃发动机中去。这些设计中包括了利用废气驱动涡轮以达到增加功率输出。另一些提案，如美国专利1898731所揭示的，则要求增加一个反配的开循环燃气轮机，或如英国专利1521265所揭示的，要求对Otto或Disesl循环发动机加用一个“废气动力提取器”。上面所述的各种方案都是在特定的工作条件下能增加功率输出。但是当工作条件改变时，就效率来讲，这些改进的效益就减少了或消失了。这些方案中没有一个能够提供连续的系统的方法使得废气温度能保持在规定的低值上，并因而在发动机整个操作范围内能使效率有一个显著的增加。

所以，本发明的目的之一是提供一种关于内燃发动机的运转方法使得把废气排放中的能量损失减到最小。

本发明的进一步目的是提供一种关于内燃发动机的运转方法，使得在运转条件的范围内废气温度能维持在相应指定的低值上。

本发明的另一个目的是提供一种关于内燃发动机的运转方法，它能使输入空气的压力籍增压而连续变化以获得较好的运转。

本发明的进一步目的是提供几种能在一系列运转条件下有改进性能的内燃发动机。

本发明的再一个目的是提供这样一种发动机，它的废气温度在一系列运转条件下能保持在所希望的低水平上。

本发明的另一个目的是提供一种能够执行上述方法的发动机。

为了促进实现上述目的和另一些目标，本发明构造了一种内燃发动机。它有这样的装置，对进入主要的高压轴压缩器的空气-燃料混合物中的空气可以连续改变其压力，对废气温度的检测和对空气-燃料混合比的检测同时进行，对输入空气的压缩依照能把废气温度保持在所期望的低值上（对于该空气-燃料混合比来讲是最佳的低值）这一要求来调节。发动机的燃烧过程可以是出现在火花点火或压缩点火的活塞式汽缸中或燃气涡轮中的Otto循环或Diesel循环或Brayton循环的一部分。

一般讲来，本发明的内燃发动机是以有一对运转轴，广义的高温高压轴和低温低压轴作为特征。高压轴直接和燃烧室耦合。低压轴则用于使废气温度保持在所期望在水平上，而且低压轴还可以产生净输出功，它可以耦合到一个输出轴去做有用功。

考虑了下面特选的但仍然是本发明的说明性的最佳实施例，连同一些附图，就可以对本发明有更好的了解。

图1是本发明的发动机循环的温度-熵图。

图2是体现本发明的活塞/涡轮发动机的一种代表。

图3是图2所示发动机的变换型式，它对吸入的空气，除了压缩之外，又利用了回热加热。

图4是一种利用了自由活塞气化器的燃气轮机的代表，它体现了本发明。

图5是体现了本发明的一种纯粹的燃气轮机的代表。

图6是体现了本发明的一种双筒喷气发动机的代表。

图1表示了本发明论述的这类内燃发动机的概括性的温度-熵图。图中在点R和点1之间的那部分代表了吸入空气的压缩或增压。空气的压力在这阶段是增加的，但空气的温度则由于在压缩阶段的内冷却而保持的一个相对不变的水平上。

图中在点1和2之间的那部分代表了燃料-空气混合物的主要压缩，它们可以在Diesel发动机的汽缸内实现，也可以在燃气轮机的主压缩机内实现。

图中点2和点3之间的那部分代表了空气-燃料混合物的燃烧。图中点3和点5之间的那部分代表了废气的膨胀。而点4则代表从简单的没有增压的发动机出来的废气的状态，因点4的压力等于点1的压力。由于增压，废气温度可以低至点5。这就允许有额外的功从系统中取出而改进的了发动机的性能和效率。

正如从图2中可以看出，本发明首先可以体现成活塞/涡轮组合发动机。图中所表示的发动机10包括了一个或多个气缸12。每个气缸包含一个回转活塞14，此活塞联接活塞杆16，再适当地装到曲轴20的曲柄部件18上。此曲轴可以称为高压轴，因为它直接耦合到气缸12的燃烧室。一股气化剂流体，譬如周围的空气，经过装有入口阀24的管道22被吸进气缸。燃料从管道26进入，热废气从出口阀28排向管道30。空气-燃料比由装在管线22和26上的流量探测器32和34来监测。

空气-燃料混合物的点火可以是压缩式的或火花式的。活塞14向空气-燃料混合物提供主要的，基本上是绝热的压缩。燃烧后它们转化为废燃气混合物，在气缸内绝热膨胀并驱动活塞向下从而引起曲轴20的旋转。在这个具体装置中，曲轴也是输出轴，从那里可以取出有用功。

涡轮单元36以及压缩机单元38和40都装在低压轴42上，此轴经由变速传动装置44有效地和曲轴20联合。废气管道30把废气引向涡轮36的输入端，而管道46则把废气从涡轮引向大气。

外部的空气经过输入管道48通向压缩单元38和40，它们中的每一个都装有冷却螺管50，这些螺管和管道52有热交换关系，它们组成了一个中间级的冷却单元54。由压缩单元38和40与冷却器组成的联合单元使外部空气经受几乎等温的压缩。然后，压缩过的外部空气经过输入管22被送到气缸12。温度感受器56装在废气管道上，它在那里监测废气的温度，并和微处理机58以及空气-燃料比感受器32、34耦合。传动装置44的齿轮装置也在微处理机的监视和控制之下。

在运转时，空气-燃料混合物按常规方式在气缸中混合并点火，再驱动活塞14并在曲轴20上产生输出功。热废气被引向涡轮36，此涡轮既带动了压缩级38和40，又提供了净扭矩，此扭矩经过传动装置44输出到曲转20上，因为涡轮36的工作流体和经过压缩机38和40的流体相比是处于更高温度中，又因为经过涡轮的压力降落通常是大于经过压缩机的压力降落，因此有一份净功可输出。它可以耦合到曲轴上去。温度感受器56监测从涡轮36排出的废气的温度。这数据被送到微处理机58，微处理机则通过控制传动器的齿轮装置来控制低压轴的旋转率。由于这个旋转率控制了压缩级38和40的压缩程度，因此经过入口管48流入压缩级的外部空气就接受了可变的压缩。

由于在输入空气的压缩（增压）、废燃气温度和工程效率之间有一种关系，微处理机必须根据在各种空气-燃料比下对应于最佳工程效率所需的参考温度来作好规划，这可以籍在给定的空气-燃料比下试验发动机来做到，试验监测发动机在各种不同压缩下的效率。压缩是可变的，废气温度也变化。随着废气温度的下降，效率增加到一个最大值，然后又下降。

在想要利用的空气-燃料比的范围内，对应于最佳效率的那些温度数据集合形成了微处理机的数据库，对每类个发动机，这样的数据库必须在一个具体的发动机上按上述试验程序给出。燃气轮机模型的初期计算机模拟指出，废气温度可以被期望在525到620绝对温度的范围内。因为数据库是在常规的基础上导出的，废气温度可以在废气流路的任何地方监测。

因此，由于对离开涡轮36的废燃气的温度作连续监测以及控制压缩程度，就有可能把废气温度保持在所希望的低水平上，从而在空气-燃料比的有效范围内保持了发动机的高效率。但是在寻求最佳性能时必须考虑到废气温度的凝结点，以避免在发动机内凝结而可能产生破环效应。特别是要考虑到当温度监测只在一点上进行时，在这点之后废气会继续降温。

因为废气比起它的周围环境来还可能处在相当高的温度上，有别于上述方案的另一种方案则包括了利用废气热能对进入气缸的外部空气作预热。正如图3所见，这种预热可以用再生预热器60来完成。预热器包括通道62和64，它们以一种热交换关系排列着，从涡轮36出来的废燃气，经过处于热交换器60内的通道62，它在那里把余热的一部分传给压缩过的或增压了的流经管道64的外部空气，然后废气可以通过装在轴42上的压缩器66，此压缩器是作为吸气装置来运转的，它装在废气排向大气的出口管道64之前，是一种能起进一步提高涡轮36的出功效率的措施。由于籍吸气装置66降低了涡轮36的出口气压，涡轮36从废燃气流中提取了净附加功。而从涡轮36出来的废气，因为用了预热器60，其温度要高于它进入压缩吸气装置66时的温度。所以驱动压缩吸气装置66所需的功就要少于涡轮36从废燃气中提取的净附加功。因此就有可能实现增加效率。要注意到，在这个具体方案中，没有用第二级内冷却器，因为没有必要把压缩过的空气保持在它的初始温度上。

本发明也可能具体化为在燃气轮机里利用自由活塞气化器，如图4所描述的。在图中，自由活塞气化器68被当作“高压轴”。虽然实际上气化器是“零功率”装置，且因此没有输出轴。但是气化器总是在高压下运转的。涡轮70和压缩器72和74共同装在低压的第二轴76上并在相对来讲是低压的水平上运转。

在这个具体方案中，燃料通过管线78进入气化器而空气通过管线80进入气化器。它们的流率被传感器32和34所监测。这些传感器被耦合到微处理机58。空气-燃料混合物在气化器68内以目前技术中所熟知的方式点火并升到高温高压。在这样的高温高压下，废气通过管线82喷出以驱动涡轮84。涡轮84在轴86上旋轴，此轴和低压轴76共轴。输出功主要从轴86取出。轴86装了冕状齿轮88。这齿轮和行星齿轮单元90啮合。单元90则和输出驱动轴92耦合。从涡轮84排出的废燃气通过管线94时受传感器监测温度。然后废燃气又被用于驱动涡轮70。这涡轮又带动了两个内冷式的压缩单元72和74。压缩单元从入口管线98取得外部空气，并对空气作压缩。再通过输出管线80把空气送向自由活塞气化器。低压轴76上的中心齿轮100和行星齿轮单元90相啮合。经此啮合，低压轴就和涡轮84的输出相耦合。在这个具体方案中，涡轮70上的可变涡轮喷咀102以及温度传感器96和流量传感器32和34都 在微处理机58的控制之下，使得低压轴76的旋转速度，以及相应地外部气体通过压缩器72和74被压缩的程度可以被连续地监测和调节，以便废气温度和相应的发动机效率能保持在所希望的水平上。因为控制可变喷咀102会影响管线94中的压力，它们的动作当然会改变涡轮84对轴86的输出。象前面几个具体方案一样，为了能用微处理机作合适的操作和控制，需要对发动机作试验和模拟，以求获得必需的关于发动机效率、输入空气的压缩程度和废气温度之间的关系。

本发明也可能在纯粹的燃气轮机中体现，如图5所示。在这个具体方案中，由压缩机106、燃烧室108和涡轮110构成的典型的燃气轮机单元104产生了流过管线112的高温高压的废燃气。压缩机106和涡轮110同装在高压轴114上。此轴经由传动装置116和低压轴118耦合。压缩单元120和122以及涡轮124都装在低压轴上。管线112中的废燃气驱动了联接动力输出轴128的自由涡轮126。从涡轮126出来的处于管线130中的废气通过涡轮去带动压缩单元120和122。在它被排到大气中去以前，它的温度由传感器132来监测。传感器132、传动装置116以及空气-燃料比传感器（未画出）是在微处理机的控制之下，使得高压轴114和低压轴118之间的旋转比能够调节到允许对通过管线134进入压缩机120和122的吸入空气有可变的压缩。再馈送给涡轮单元104使得它能够根据把管线130中的废气温度和发动机效率保持在所希望的数值上的要求来改变运转。

本发明的纯燃气轮机的具体方案也可以在一个双轴喷气发动机的形式中体现，如图6所示。正如所示的，短舱136包含内筒壳138。它形成了环形空气傍路外涵道140并支持了发动机的部件。在内筒壳138内承载着压缩机144和146以及低压驱动涡轮148的低压轴142是和主要的燃气轮机单元150的一些部件共轴的。单元150由高压压缩机152、燃烧室154和高压涡轮156组成。涡轮156经由高压轴按常规的方式驱动压缩机152。这高压轴和低压轴142共轴，且由可变的传动机构160和低压轴联结。从高压涡轮单元156出来的废燃气驱动了低压涡轮148，且由此可以按常规方式驱动涡轮风扇162。然后废气再经过废气喷管段164象目前技术中普遍已知的那样被膨胀。废燃气的温度可以在喷管段164上监测。传动装置160连同废气温度和空气-燃料流量传感器（图中未标出）又被微处理机控制。在这个具体方案中，压缩单元144、146和152之间的中间冷却可以由螺旋冷却管166来完成。这冷却螺管延伸入外涵道140，并装了散热叶片或其他装置，以便为外涵道空气的冷却效应提供很大的表面积。

Claims (17)

1、关于内燃发动机的运转方法，这种内燃发动机有这样的装置，在其中比率可变的空气一燃料输入被合成并被点火以产生一股高温高压的废燃气流。运转方法由下述几步组成：

a)引导废燃气通过膨胀装置使得在那里可提取功；

b)连续地监测空气-燃料比和通过上述膨胀装置后的废燃气的温度；

c)连续地把上述废燃气的温度和预先设定的标准温度值作比较，以便产生一种关于上述差别的控制信号。这些预设的标准温度值代表发动机在相应的空气-燃料比条件下有高的效率；

d)根据该控制信号连续可变地压缩空气-燃料混合物中的输入空气，使得在发动机运转时该废燃气温度保持在预先设定的标准值上。

2、如权利要求1所述的方法，其中对输入空气作可变压缩的步骤包含了把输入空气通过有中间冷却装置的第一和第二压缩装置的方法。

3、如权利要求1所述的方法，其中对输入空气作可变压缩的步骤包含了把从膨胀装置流出的废燃气引向涡轮装置，并籍涡轮装置去驱动可变压缩装置。

4、如权利要求3所述的方法，其中对可变压缩的步骤包含了改变涡轮装置的旋转率。

5、如权利要求1所述的方法进一步包含了在输入空气被压缩后又对其作预热的步骤。

6、如权利要求5所述的方法，其中所谓预热是由处于废燃气和输入空气之间的热交换装置来完成的。

7、一种改进的内燃发动机包含了下述装置;

由输入的空气-燃料混合物产生高温高压废燃气流的装置。此装置又包含了空气和燃料的输入装置;

和上述产生废燃气流的装置相配合的输出装置，以便从废燃气流中提取输出功;

可变压缩装置，它的运转是为了改变输入的空气-燃料混合物中的空气组分的压力，可变压缩装置的驱动要和该废燃气的产生装置相配合，此压缩装置有一个空气输入装置和一个同上述输入装置耦合的输出装置;

传感装置，它是为了能对流过输出装置后的废燃气流进行连续的监测，以及对空气和燃料输入装置中的输入空气-燃料比进行监测而安排的，它要适应这一要求;

能够根据已检测到的废燃气温度和一个预先设定的对应于给定的空气-燃料比的参考温度之间的温度差来产生连续控制讯号的装置。这讯号用来调节可变压缩装置以改变输入空气的压缩程度，使得被检测的废气温度在发动机运转时可连续维持在预定的参考温度上，这预定的参改温度在所给的空气-燃料比上对应于预定的发动机效率。

8、如权利要求7所述的发动机，其中的可变压缩装置是被流过涡轮的废燃气流耦合地驱动。

9、如权利要求7所述的发动机，其中提供高温高压废燃气流的装置是由一个有压缩机的燃气涡轮、燃烧室和压缩驱动装置所构成。

10、如权利要求7所述的发动机，其中提供高温高压废燃气流的装置是一个自由活塞气化器。

11、如权利要求7所述的发动机，其中提供高温高压废燃气流的装置是活塞式发动机。

12、如权利要求8所述的发动机，其中可变压缩装置和涡轮装置都被装在一条单轴上。

13、如权利要求12所述的发动机，其中所述的单轴是和产生高温高压废燃气流的装置耦合的。

14、如权利要求13所述的发动机，其中所述的单轴经由变速传动装置和燃气发生装置耦合。

15、如权利要求14所述的发动机，其中由所述的控制讯号调节传动比以改变可变压缩装置的压缩程度。

16、如权利要求7所述的发动机，其中所述的可变压缩装置是由第一级和第二级压缩装置以及中间冷却装置所构成。

17、如权利要求16所述的发动机，其中所述的中间冷却装置是由螺旋形冷却盘管所组成，且安装得能籍外涵道空气对它作对流冷却。

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