CN108119235B - 等温压缩预热式内燃机 - Google Patents

Abstract

本发明属于内燃发动机技术领域，具体为一种等温压缩预热式内燃机。本发明要解决的技术问题是，通过改进发动机的构造来使发动机的热损耗降低。本发明的技术方案是，一种等温压缩预热式内燃机，包括做功气缸、压缩气缸，所述的压缩气缸上设有压缩空气冷却器，做功气缸的排气门后设有回热换热器，压缩气缸的压缩空气通过回热换热器进入到做功气缸内。本发明创新之处在于：压缩与做功在不同的气缸中完成。通过多级的压缩气缸的工作，将空气等温压缩、再与排气换热预热后进入做功专用气缸。综合改造提高了发动机的热效率，减少了能源浪费，减少了废气排放，再提高效率的同时，也减少了空气污染。

Description

等温压缩预热式内燃机

技术领域

本发明属于内燃发动机技术领域，具体为一种等温压缩预热式内燃机。

背景技术

内燃机，是一种动力机械，它是通过使燃料在机器内部燃烧，并将其放出的热能直接转换为动力的热力发动机。目前我们常用的主要是活塞式内燃机最为普遍。活塞式内燃机的工作原理是将燃料和空气混合，在其汽缸内燃烧，释放出的热能使汽缸内产生高温高压的燃气。燃气膨胀推动活塞做功，再通过曲柄连杆机构或其他机构将机械功输出，驱动从动机械工作，常见的有柴油机和汽油机。活塞在汽缸内往复运动时，从汽缸的一端运动到另一端的过程，叫做一个冲程。

常见的内燃机大多为四冲程内燃机。它分为吸气冲程、压缩冲程、做功冲程和排气冲程。

吸气冲程：进气门打开，排气门关闭，活塞向下运动，汽油和空气混合物进入气缸。

压缩冲程：进气门和排气门都关闭，活塞向上运动，汽油与空气混合物被压缩。把机械能转化成内能。

做功冲程：压缩冲程结束时，火花塞产生电火花，使燃料猛烈燃烧，产生高温高压的气体。高温高压气体推动活塞向下运动，带动曲轴转动，对外做功。四个冲程中只有做功冲程对外做功，其他三个冲程都是靠做功冲程的惯性完成的。把内能转化成机械能。

排气冲程：进气门关闭，排气门打开，活塞向上运动，把废气排出气缸。

本质上，内燃机是将燃料和空气混合燃烧，产生热量，热量促使气体膨胀，通过膨胀转化为机械能的过程。因此，是一个化学能转化为机械能的过程。从能量守恒的角度上看，化学能完全转化为机械能是最理想的结果，但是在实际中，燃料产生的能量消耗主要有以下几个路径：发动机做功、排气中的热量，冷却系统吸收热量，机械损失，泵气损失，热辐射以及压缩冲程的压缩功等。最明显的损耗就是热量被排放。现有的内燃机排废气温度超过500℃，没有利用。还有就是在压缩冲程过程中，气体压缩会产生热量，也就是说需要消耗额外的压缩功。除此之外还有机械构造产生的阻力消耗等。因此，我们需要通过进一步的设计，尽可能将热量损耗降低，提高热效率。

例如，采用涡轮增压，提供了平均压力，变相提高压缩比，提高热效率。喷油调整角，是随转速调整喷油提前角，调整点火时间，使燃烧充分进行，提高热效率。直喷，提供良好的雾化，缩短燃烧时间，提高热效率。高压共轨，提供一致的油压，精确供油，使油量进气量和转速匹配，达到节油提高热效率的目的。

而上述这些改进型的技术方案都是在发动机四冲程不变的前提下进行改进。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，通过改进发动机的构造来使发动机的热损耗降低。

本发明的创新之处在于：压缩与做功在不同的气缸中完成。空气经等温压缩、与排气换热预热后进入做功专用气缸。

本发明的技术方案是，一种等温压缩预热式内燃机，包括做功气缸、压缩气缸，所述的压缩气缸上设有压缩空气冷却器，做功气缸的排气门后设有回热换热器，压缩气缸的压缩空气通过回热换热器进入到做功气缸内。

具体而言，一种等温压缩预热式内燃机，包括做功气缸、压缩气缸、做功气缸上设有进气门和排气门以及喷油嘴 ，喷油嘴连接燃油箱 、燃油输送泵 、高压油泵组成的供油系统，排气门连接回热换热器、回热换热器的排气口连接脱硝催化剂和消音器，在压缩气缸上设有进气阀和排气阀，压缩气缸的排气阀和做功气缸的进气门之间通过回热换热器连通，在压缩气缸上还设有前压缩气缸，前压缩气缸的排气阀门和压缩气缸的进气阀门之间设有压缩空气冷却器，做功气缸、压缩气缸内、前压缩气缸内均设有活塞连杆，所有的活塞连杆都与同一曲轴连接。

本发动机工作过程是：空气通过空气过滤进入前压缩气缸进行压缩，压缩空气产生的热量通过压缩空气冷却器冷却 ，冷却后的气体再通过压缩气缸压缩后，再经过回热换热器预热，进入做功气缸，控制喷油的时间和量，喷油燃烧 ，膨胀做功（活塞下行）废气 排出气缸（活塞上行）废气通过 回热换热器放出热量（与进气进行热交换） 最后废气与脱硝剂在催化剂上反映脱硝，最后通过消音器排放。

一般在空气压缩在专用的压缩气缸中，由2-4级压缩完成（即2-4个压缩专用气缸）。除末级压缩外，其余各级压缩后进行冷却（采用水冷或环境空气冷却）。末级压缩后的空气压力：2.5~3.5MPa（绝对压力），温度：90~250℃，经过回热换热器预热到500~1000℃后进入做功专用气缸。

与现有发动机四冲程燃烧工作过程相比，本发明创新之处在于：压缩与做功在不同的气缸中完成。通过多级的压缩气缸的工作，将空气等温压缩、再与排气换热预热后进入做功专用气缸。在压缩工程中，不断将压缩空气产生的热量释放掉，降低空气压缩带来的能量损失。并且在进入做功气缸之前，充分吸收做功气缸排放产生的热量，提高压缩空气的温度，使压缩空气燃烧更充分，燃烧效率更高，综合改造提高了发动机的热效率，减少了能源浪费，减少了废气排放，再提高效率的同时，也减少了空气污染。

附图说明

图1为本发明的结构原理图；

图中：1-用于燃烧做功的空气的进气管；2-空气过滤器；3-冷却用环境空气；4-压缩空气冷却器；5-回热换热器；6-脱硝催化剂；7-消音器；8-燃油箱；9-燃油输送泵；10-高压油泵；11-排气门；12-做功气缸；13-曲轴；14-进气门；15-喷油嘴；16-火花塞；17-压缩气缸；18-前压缩气缸；19-前压缩气缸；20-脱硝剂电磁调节阀；21-压缩空气冷却器。

具体实施方式

如图1所示意，一种等温压缩预热式内燃机，包括做功气缸12、压缩气缸17，做功气缸12上设有进气门14、排气门11、喷油嘴15以及火花塞16，喷油嘴15连接燃油箱8、燃油输送泵9、高压油泵10组成的供油系统，排气门11连接回热换热器5、回热换热器5的排气口连接脱硝催化剂6和消音器7，在压缩气缸17上设有进气阀和排气阀，压缩气缸的排气阀和做功气缸12的进气门之间通过回热换热器5连通，在压缩气缸17上还设有前压缩气缸，前压缩气缸的排气阀门和压缩气缸17的进气阀门之间设有压缩空气冷却器，做功气缸12、压缩气缸17、前压缩气缸内均设有活塞连杆，所有的活塞连杆都与同一曲轴13连接。

所述的前压缩气缸有两个，分别为前压缩气缸18、前压缩气缸19，前压缩气缸19的进气门上连接进气管1，进气管1上设有空气过滤器2，前压缩气缸19的排气门和前压缩气缸18的进气门之间连接有压缩空气冷却器4。

在做功气缸12的排气系统上设有脱硝剂电磁调节阀20。

所述的做功气缸12为两个。

因此本发明可以采用两种实施方案

实施方案1：做功气缸为2个，加上2个空气压缩气缸。总共4个气缸。空气经过2级压缩。2级空气压缩专用气缸内径是其它气缸的45~60%。其它3个气缸内径相同。设计工况下，热效率可以达到80%，扣除机械损失及辅机消耗10%，总效率70%。此方案适合于现有内燃机改造。

方案2：做功气缸为2个，压缩气缸3个，一个压缩气缸，两个前压缩气缸，总共5个气缸，空气经过3级压缩。2个做功专用气缸内径相同。1级空气压缩专用气缸内径是做功专用气缸的100~110%。2级空气压缩专用气缸内径是做功专用气缸的60~65%。3级空气压缩专用气缸内径是做功专用气缸的35~38%。设计工况下，热效率可以达到87%，扣除机械损失及辅机消耗10%，总效率77%。

空气压缩在专用的压缩气缸中，由2~4级压缩完成（即2~4个压缩专用气缸）。除末级压缩外，其余各级压缩后进行冷却（采用水冷或环境空气冷却）。末级压缩后的空气压力：2.5~3.5MPa（绝对压力），温度：90~250℃，经过回热换热器预热到500~1000℃后进入做功专用气缸。

做功气缸工作过程：活塞在上止点，排气门关闭、进气门打开，进气（活塞下行），进气结束，进气门关闭（占气缸容积5~9%），喷油燃烧，燃烧结束（占气缸容积6~12%），膨胀做功（活塞继续下行至下止点）， 排气门打开排气（活塞上行），排气结束，排气门关闭，活塞回到上止点，完成一个工作循环。

从做功气缸排出的气体温度：550~1050℃，压力：0.13~0.25MPa（绝对压力），经过回热换热器放出热量（用于预热进气），温度：140~290℃，经过与脱硝剂在催化剂上反映脱硝后，从消音器排放。

压缩专用气缸与做功专用气缸采用同一根曲轴（大型机组可以分开成多根轴，采用联轴器或齿轮、链轮连接）。燃油系统采用柴油机通用的高压油泵、油管、喷油嘴。每个做功气缸配置一个油缸（现有内燃机改造，可以配置两个）。通过调节油缸泵油行程，调节喷油量大小。也可以采用电磁阀式喷油嘴调节喷油量。总之，燃油系统与现有柴油机相同。燃油可以是任何可以燃烧的油，不分柴油、汽油、重油。喷油速度和燃烧速度越快，热效率越高（现有内燃机也一样）。如果采用天然气等气体燃料，必须经过高压压缩，压力达到1.6MPa以上。喷油嘴换成电磁阀式喷气嘴。在压缩空气预热温度低于800℃时，天然气也可以在做功专用气缸进气门之前加入压缩空气中，天然气压力只需比压缩空气压力稍高（2.6~3.6MPa）。大型机组可以采用此方案。

启动方式：启动动力与现有内燃机相同，采用电动马达或气动马达。采用火花塞点火或者电加热预热进气点火。一旦启动，运行过程中燃油就可以自燃，不需点火。如果燃料采用天然气，运行过程中也需要采用火花塞点火。因为天然气着火温度高达800℃。

做功气缸、缸盖的冷却采用水冷或水汽化冷却。水汽化冷却可以适当提高气缸、缸盖温度，减少散热损失。

为了提高做功气缸、缸盖、活塞的使用寿命，在气缸、缸盖内表面，活塞顶部喷涂、搪陶瓷或者渗铝、渗氮并陶瓷化。

空气压缩气缸、缸盖采用水冷或者环境空气翅片冷却。采用水冷时，冷却水系统独立，使冷却温度尽量低。

由于燃烧温度高，排气必须脱硝。脱硝剂采用尿素水溶液、液氨、氨水或者其它碱液，在脱硝催化剂之前，通过电子调节阀定量加入排出的烟气中。也可以，在压缩空气进气口混入经过冷却的烟气，降低含氧量，减少氮氧化物的产量，减少脱硝剂消耗。随着环境压力的增大，现有内燃机烟气也需要脱硝。

Claims (4)

1.一种等温压缩预热式内燃机，包括做功气缸（12）、压缩气缸（17）、做功气缸（12）上设有进气门（14）和排气门（11）以及喷油嘴（15）、火花塞（16），喷油嘴（15）连接燃油箱（8）、燃油输送泵（9）、高压油泵（10）组成的供油系统，排气门（11）连接回热换热器（5）、回热换热器（5）的排气口连接脱硝催化剂（6）和消音器（7），在压缩气缸（17）上设有进气阀和排气阀，其特征在于：压缩气缸（17）的排气阀和做功气缸（12）的进气门（14）之间通过回热换热器（5）连通，在压缩气缸（17）上还设有前压缩气缸，前压缩气缸的排气阀门和压缩气缸（17）的进气阀门之间设有压缩空气冷却器，做功气缸（12）、压缩气缸（17）、前压缩气缸内均设有活塞连杆，所有的活塞连杆都与同一曲轴（13）连接，在做功气缸（12）的排气系统上设有脱硝剂电磁调节阀（20），所述的压缩气缸（17）有2~4级，各级之间连接有压缩空气冷却器，压缩空气冷却器采用风冷或者水冷，所述的前压缩气缸有两个，分别为前压缩气缸（18）、前压缩气缸（19），前压缩气缸（19）的进气门上连接进气管（1），进气管（1）上设有空气过滤器（2），前压缩气缸（19）的排气门和前压缩气缸（18）的进气门之间连接有压缩空气冷却器（4）。

2.根据权利要求1所述的等温压缩预热式内燃机，其特征在于：所述的做功气缸（12）为两个。

3.根据权利要求1所述的等温压缩预热式内燃机，其特征在于：压缩空气冷却器的冷却方式为风冷或者水冷。

4.根据权利要求1所述的等温压缩预热式内燃机，其特征在于：所述的做功气缸（12）进气量为气缸容积的5~10%；进气压力2.5~3.5MPa；进气温度500~1000℃。

Images