專利名稱：一種四沖程內(nèi)燃機(jī)燃燒系統(tǒng)及使用方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于內(nèi)燃機(jī)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種四沖程內(nèi)燃機(jī)燃燒系統(tǒng)及使用方法，尤其 是是一種基于廢氣再循環(huán)技術(shù)、以純氧為助燃劑的燃燒系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
隨著全球環(huán)境的惡化和能源危機(jī)的出現(xiàn)，更節(jié)能，更環(huán)保的內(nèi)燃機(jī)技術(shù)已成為發(fā) 展的焦點(diǎn)。日益嚴(yán)格的汽車(chē)排放法規(guī)對(duì)于二氧化碳的排放已經(jīng)做出了限定。但是化石燃料 燃燒不可避免要產(chǎn)生CO2排放，除了使用節(jié)能降耗的新技術(shù)降低CO2排放以外，化石燃料燃 燒尾氣中CO2的捕集及儲(chǔ)存技術(shù)(CCS)被認(rèn)為是應(yīng)對(duì)全球氣候變暖的直接有效的方法，它 通過(guò)收集發(fā)電廠之類的固定源產(chǎn)生的CO2氣體，進(jìn)而長(zhǎng)期儲(chǔ)存于海洋或相對(duì)封閉的地質(zhì)構(gòu) 造中，從而顯著減少大氣中的CO2排放。近年來(lái)，基于內(nèi)燃蘭金循環(huán)結(jié)合水再循環(huán)技術(shù)的碳?xì)淙剂霞冄跞紵夹g(shù)已經(jīng)在渦 輪機(jī)發(fā)電領(lǐng)域得到大力發(fā)展。美國(guó)清潔能源系統(tǒng)公司CES(Clean EnergySystems, Inc.) 是這一技術(shù)的發(fā)起者，該公司通過(guò)將航天技術(shù)和傳統(tǒng)發(fā)電系統(tǒng)相結(jié)合，開(kāi)發(fā)了這項(xiàng)應(yīng)用化 石燃料的零排放發(fā)電技術(shù)。CES工作方法的核心是用類似于火箭推動(dòng)器上的“氣體發(fā)生器” 來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的蒸汽鍋爐和廢氣處理系統(tǒng)。1999年，澳大利亞兩院院士、悉尼大學(xué)Bilger教 授初次提出將這一技術(shù)運(yùn)用在內(nèi)燃機(jī)中的構(gòu)想，并于2009年和同濟(jì)大學(xué)吳志軍教授共同 發(fā)表了 “CarbonCapture for Automobiles Using Internal Combustion Rankine Cycle Engines，，(《Journal of Engineering for Gas Turbines and Power》May 2009，Vol. 131)。 該文獻(xiàn)介紹了基于蘭金循環(huán)的內(nèi)燃機(jī)的工作原理，并對(duì)該理論循環(huán)的熱效率進(jìn)行了深入的 計(jì)算和分析。這項(xiàng)技術(shù)采用純氧代替空氣作為助燃劑與汽油形成混合氣被點(diǎn)燃，而后在燃 燒過(guò)程中加入循環(huán)介質(zhì)(CO2或H2O)來(lái)控制燃燒溫度和速度。充分燃燒后廢氣僅為C02/H20 混合氣，可以在冷凝器中方便的分離，并對(duì)CO2進(jìn)行回收，達(dá)到徹底的零排放。但要使得這 項(xiàng)技術(shù)可以真正應(yīng)用于內(nèi)燃機(jī)，還需對(duì)內(nèi)燃機(jī)本身做很多改造。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種四沖程內(nèi)燃機(jī)燃燒系統(tǒng)及使用方法，可將蘭金循環(huán)應(yīng) 用于內(nèi)燃機(jī)上，提高了四沖程內(nèi)燃機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性，減少了廢氣中有害物質(zhì)的排放。為實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明提供所采用的技術(shù)方案是一種內(nèi)燃機(jī)燃燒系統(tǒng)，其包括排氣系統(tǒng)，包括排氣門(mén)、排氣道、排氣道閥門(mén)和氧傳感器，排氣道與燃燒系統(tǒng)連接 處安裝有排氣門(mén)，氧傳感器設(shè)置于排氣道內(nèi)，排氣道內(nèi)設(shè)有排氣道閥門(mén)，位于傳感器后側(cè)；燃燒系統(tǒng)，包括汽缸體、缸蓋、噴油器和火花塞，火花塞布置在平行于排氣道方向 的缸蓋中線上，噴油器布置在平行于進(jìn)氣道方向的缸蓋中線上；進(jìn)氣系統(tǒng)，包括進(jìn)氣道、節(jié)氣門(mén)和儲(chǔ)氧罐，節(jié)氣門(mén)設(shè)于進(jìn)氣道內(nèi)，進(jìn)氣管與儲(chǔ)氧罐 相連，并由節(jié)氣門(mén)控制進(jìn)氧；
廢氣再循環(huán)系統(tǒng)，其與排氣道和進(jìn)氣道相連通，并設(shè)有廢氣再循環(huán)閥門(mén)控制排氣 道內(nèi)的廢氣輸送至進(jìn)氣道；控制系統(tǒng)，包括電子控制單元，控制系統(tǒng)的進(jìn)氣、排氣流量及噴油量。所述汽缸體內(nèi)還設(shè)有活塞、連桿和曲軸，連桿的小端與大端分別與活塞和曲軸相 連，活塞位于汽缸體內(nèi)，可沿汽缸體做直線運(yùn)動(dòng)，曲軸旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)連桿，進(jìn)而帶動(dòng)活塞做往復(fù) 式運(yùn)動(dòng)。所述氧傳感器測(cè)定排氣道內(nèi)廢氣含氧量，并發(fā)送給電子控制單元，進(jìn)而控制排氣 道的排氣量、廢氣再循環(huán)系統(tǒng)的廢氣輸送量以及進(jìn)氣道的進(jìn)氣量。所述節(jié)氣閥、噴油器、廢氣再循環(huán)閥門(mén)和排氣道閥門(mén)的開(kāi)啟及其開(kāi)啟程度均通過(guò) 電子控制單元控制。上述燃燒系統(tǒng)的使用方法，氧氣和燃料進(jìn)入汽缸體燃燒，燃燒后的廢氣經(jīng)由排氣道內(nèi)的氧傳感器測(cè)含氧量， 并將氧傳感器的測(cè)量值發(fā)送給電子控制單元，與電子控制單元內(nèi)預(yù)設(shè)的含氧量標(biāo)定值比 較，進(jìn)而控制排氣道的排氣量、廢氣再循環(huán)率以及進(jìn)氣道的進(jìn)氣量。所述廢氣含氧量高于電子控制單元的標(biāo)定值時(shí)，排氣道閥門(mén)關(guān)閉，廢氣通過(guò)廢氣 再循環(huán)系統(tǒng)的廢氣再循環(huán)閥門(mén)重新進(jìn)入汽缸體，電子控制單元根據(jù)氧傳感器提供的信號(hào)， 調(diào)節(jié)節(jié)氣門(mén)的開(kāi)啟程度，確保廢氣以最大比例進(jìn)入汽缸體，同時(shí)調(diào)節(jié)噴油器的噴油量，保證 燃燒過(guò)程正常進(jìn)行，進(jìn)入下一個(gè)工作循環(huán)。所述廢氣含氧量低于電子監(jiān)控單元的標(biāo)定值時(shí)，排氣閥門(mén)開(kāi)啟，一部分廢氣排出， 另一部分廢氣通過(guò)廢氣再循環(huán)系統(tǒng)的廢氣再循環(huán)閥門(mén)重新進(jìn)入汽缸體，電子控制單元根據(jù) 氧傳感器提供的信號(hào)，控制噴油量及節(jié)氣門(mén)開(kāi)啟程度，以控制燃燒速度，保證發(fā)動(dòng)機(jī)正常工 作，進(jìn)入下一個(gè)工作循環(huán)。所述氧氣為純氧。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了蘭金循環(huán)在四沖程內(nèi)燃機(jī)燃燒系統(tǒng)中的應(yīng)用， 采用純氧燃燒，可以在稀薄工況下保證內(nèi)燃機(jī)穩(wěn)定工作及功率的輸出，改善了內(nèi)燃機(jī)的燃 油經(jīng)濟(jì)性；采用純氧燃燒，使排放中無(wú)氮氧化物，通過(guò)噴入缸內(nèi)過(guò)量的氧氣可是燃料充分燃 燒，故無(wú)CO及HC的排放，使廢氣中僅含C02/H20，大大減少了廢氣中有害物質(zhì)的排放。最后， 這種內(nèi)燃機(jī)只需對(duì)現(xiàn)有四沖程內(nèi)燃機(jī)的進(jìn)排氣道以及廢氣再循環(huán)裝置的控制策略做出改 變即可實(shí)現(xiàn)，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。


圖1為本燃燒系統(tǒng)的工作原理示意圖。圖中，1為儲(chǔ)氧罐、2為進(jìn)氣道、3為節(jié)氣門(mén)、4為噴油器、5為汽缸體、6為活塞、7為 氧傳感器、8為排氣道閥門(mén)、9為排氣道、10為火花塞、11為EGR閥門(mén)。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施作進(jìn)一步描述。如圖1，本發(fā)明的燃燒系統(tǒng)包括汽缸體5、曲軸、連桿、活塞6、進(jìn)氣道2、排氣道9、噴 油器4、儲(chǔ)氧罐1、火花塞10，節(jié)氣門(mén)3、排氣道閥門(mén)8、廢氣再循環(huán)閥門(mén)11、氧傳感器7。連桿的小端與大端分別與活塞6和曲軸相連，活塞6位于汽缸體5內(nèi)，并可以沿汽缸體5做直線 運(yùn)動(dòng)，曲軸旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)連桿，進(jìn)而帶動(dòng)活塞做往復(fù)式運(yùn)動(dòng)。火花塞10靠近汽缸蓋頂端，噴油器 4以及火花塞10分別布置在平行于進(jìn)氣道2和排氣道9方向的缸蓋中線上。進(jìn)氣階段，活 塞6下行，氧氣通過(guò)儲(chǔ)氧罐1以一定的壓力和流量進(jìn)入進(jìn)氣道2，節(jié)氣門(mén)3開(kāi)啟，氧氣隨下行 的活塞6進(jìn)入汽缸體5，噴油器4在曲軸轉(zhuǎn)角330° (或者說(shuō)曲軸轉(zhuǎn)角為上止點(diǎn)前30° )附 近將燃料(汽油)噴入汽缸體5內(nèi)，由于首循環(huán)缸內(nèi)無(wú)廢氣對(duì)燃燒過(guò)程進(jìn)行控制，故噴油量 很小，從而可以控制其燃燒速度，避免發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸內(nèi)壓升高率過(guò)大?；钊?持續(xù)下行直至下 止點(diǎn)，進(jìn)入壓縮階段，活塞6上行，混合氣在活塞6上行至上止點(diǎn)時(shí)經(jīng)火花塞10被點(diǎn)燃，此 時(shí)進(jìn)入做功階段，被點(diǎn)燃的混合氣燃燒、膨脹所產(chǎn)生的推力推動(dòng)活塞6下行做功，直至下止 點(diǎn)。排氣階段，活塞6上行，排氣門(mén)(圖未示)開(kāi)啟，燃燒后的廢氣經(jīng)排氣門(mén)進(jìn)入排氣道9， 布置于排氣道9內(nèi)的氧傳感器7對(duì)排氣道9內(nèi)廢氣的氧氣濃度進(jìn)行測(cè)量，并將測(cè)量的氧氣 濃度值傳遞給ECU(電子控制單元)，當(dāng)氧氣濃度值高于ECU標(biāo)定值時(shí)，排氣道閥門(mén)8關(guān)閉， 廢氣經(jīng)過(guò)EGR閥門(mén)11，在第二工作循環(huán)時(shí)，隨活塞6下行重新進(jìn)入汽缸體5，E⑶根據(jù)氧傳 感器7提供的信號(hào)，對(duì)節(jié)氣門(mén)3的開(kāi)啟程度進(jìn)行調(diào)節(jié)，以保證首循環(huán)廢氣以最大比例進(jìn)入汽 缸體5，同時(shí)，根據(jù)氧傳感器7所提供的信號(hào)，ECU對(duì)噴油量進(jìn)行調(diào)整，并通過(guò)噴油器4噴入 汽缸，與汽缸體5內(nèi)的氧氣混合，完成第二個(gè)工作循環(huán)。氧傳感器7對(duì)第二循環(huán)的廢氣再次進(jìn)行氧氣濃度測(cè)量，若氧氣濃度值已低于標(biāo)定 值，表明此循環(huán)對(duì)于缸內(nèi)氧氣的利用率較為理想，廢氣可以直接排出而不造成氧氣的浪費(fèi)。 此時(shí)開(kāi)啟排氣道閥門(mén)8，一部分廢氣經(jīng)排氣道9排出，另一部分作為廢氣再次經(jīng)EGR閥門(mén)11 以一定比例回到汽缸體5內(nèi)，ECU根據(jù)氧傳感器7提供的信號(hào)，控制噴油量及節(jié)氣門(mén)3開(kāi)啟 程度，以控制燃燒速度，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入穩(wěn)定工作階段?；诖朔N廢氣再循環(huán)技術(shù)，以純氧為助 燃劑，建立了四沖程純氧內(nèi)燃機(jī)的工作循環(huán)。在變工況情況下，E⑶還可根據(jù)具體要求調(diào)整噴油量、節(jié)氣門(mén)3以及排氣道閥門(mén)8 的開(kāi)啟程度，并通過(guò)調(diào)節(jié)EGR閥11來(lái)使發(fā)動(dòng)機(jī)在各種負(fù)荷、轉(zhuǎn)速下正常工作。當(dāng)排氣道內(nèi) 氧氣過(guò)量時(shí)便關(guān)閉排氣道閥門(mén)，使得廢氣重新進(jìn)入缸內(nèi)進(jìn)行燃燒。本發(fā)明采用純氧代替空氣作為助燃劑，故燃燒速度大為增加，為保證內(nèi)燃機(jī)工作 過(guò)程平順、穩(wěn)定，在發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)階段采用及稀薄燃燒策略，即向缸內(nèi)噴入極少量的燃油(氧 燃比可以達(dá)到25，遠(yuǎn)高于化學(xué)計(jì)量比3)以控制燃燒速度。首循環(huán)缸內(nèi)燃燒過(guò)程結(jié)束后，廢 棄中氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)依然將在60%以上，若與廢氣一起排出，則會(huì)造成氧氣浪費(fèi)，增加使用成 本的同時(shí)影響整車(chē)的續(xù)航能力。此時(shí)關(guān)閉排氣道閥門(mén)并部分關(guān)閉節(jié)氣門(mén)，使得全部廢氣通 過(guò)EGR閥回到缸內(nèi)再次與燃油形成混合氣進(jìn)行燃燒。此工作循環(huán)結(jié)束，通過(guò)排氣道內(nèi)的氧 傳感器判定廢氣中的氧氣濃度，若依然存在較多的未燃氧氣，則再次將廢氣通過(guò)EGR閥引 入缸內(nèi)，直至廢氣中氧氣濃度低于標(biāo)定的水平，排氣道閥門(mén)開(kāi)啟，EGR閥進(jìn)入正常工作區(qū)域， 提供一定比例的廢氣再循環(huán)，保證發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作。每循環(huán)的供油量以及節(jié)氣門(mén)的開(kāi)啟比 例均由ECU根據(jù)氧傳感器提供的信號(hào)以及不同工況共同決定。傳統(tǒng)缸內(nèi)直噴(⑶I)發(fā)動(dòng)機(jī)由于受三效催化轉(zhuǎn)化器(TWC)的空燃比限制，其稀薄 燃燒工況(低油耗)的使用一直受到排放問(wèn)題的困擾。而本發(fā)明幾乎無(wú)有害排放(N0X，HC 等)，故可以利用稀薄燃燒提高燃油經(jīng)濟(jì)性。上述的對(duì)實(shí)施例的描述是為便于該技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能理解和應(yīng)用本發(fā)
5明。熟悉本領(lǐng)域技術(shù)的人員顯然可以容易地對(duì)這些實(shí)施例做出各種修改，并把在此說(shuō)明的 一股原理應(yīng)用到其他實(shí)施例中而不必經(jīng)過(guò)創(chuàng)造性的勞動(dòng)。因此，本發(fā)明不限于這里的實(shí)施 例，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的揭示，對(duì)于本發(fā)明做出的改進(jìn)和修改都應(yīng)該在本發(fā)明的 保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
一種內(nèi)燃機(jī)燃燒系統(tǒng)，其特征在于其包括排氣系統(tǒng)，包括排氣門(mén)、排氣道、排氣道閥門(mén)和氧傳感器，排氣道與燃燒系統(tǒng)連接處安裝有排氣門(mén)，氧傳感器設(shè)置于排氣道內(nèi)，排氣道上設(shè)有排氣道閥門(mén)，位于傳感器后側(cè)；燃燒系統(tǒng)，包括汽缸體、缸蓋、噴油器和火花塞，火花塞布置在平行于排氣道方向的缸蓋中線上，噴油器布置在平行于進(jìn)氣道方向的缸蓋中線上；進(jìn)氣系統(tǒng)，包括進(jìn)氣道、節(jié)氣門(mén)和儲(chǔ)氧罐，節(jié)氣門(mén)設(shè)于進(jìn)氣道內(nèi)，進(jìn)氣管與儲(chǔ)氧罐相連，并由節(jié)氣門(mén)控制進(jìn)氧；廢氣再循環(huán)系統(tǒng)，其與排氣道和進(jìn)氣道相連通，并設(shè)有廢氣再循環(huán)閥門(mén)控制排氣道內(nèi)的廢氣輸送至進(jìn)氣道；控制系統(tǒng)，包括電子控制單元，控制系統(tǒng)的進(jìn)氣、排氣流量及噴油量。
2.如權(quán)利要求1所述的內(nèi)燃機(jī)燃燒系統(tǒng)，其特征在于所述汽缸體內(nèi)還設(shè)有活塞、連桿 和曲軸，連桿的小端與大端分別與活塞和曲軸相連，活塞位于汽缸體內(nèi)，可沿汽缸體做直線 運(yùn)動(dòng)，曲軸旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)連桿，進(jìn)而帶動(dòng)活塞做往復(fù)式運(yùn)動(dòng)。
3.如權(quán)利要求1所述的內(nèi)燃機(jī)燃燒系統(tǒng)，其特征在于所述氧傳感器測(cè)定排氣道內(nèi)廢 氣含氧量，并發(fā)送給電子控制單元，進(jìn)而控制排氣道的排氣量、廢氣再循環(huán)率以及進(jìn)氣道的 進(jìn)氣量。
4.如權(quán)利要求1所述的內(nèi)燃機(jī)燃燒系統(tǒng)，其特征在于所述節(jié)氣閥、噴油器、廢氣再循 環(huán)閥門(mén)和排氣道閥門(mén)的開(kāi)啟及其開(kāi)啟程度均通過(guò)電子控制單元控制。
5.如權(quán)利要求1所述的燃燒系統(tǒng)的使用方法，其特征在于氧氣和燃料進(jìn)入汽缸體燃燒，燃燒后的廢氣經(jīng)由排氣道內(nèi)的氧傳感器測(cè)含氧量，并將 氧傳感器的測(cè)量值發(fā)送給電子控制單元，與電子控制單元內(nèi)預(yù)設(shè)的含氧量標(biāo)定值比較，進(jìn) 而控制排氣道的排氣量、廢氣再循環(huán)率以及進(jìn)氣道的進(jìn)氣量。
6.如權(quán)利要求5所述的使用方法，其特征在于所述廢氣含氧量高于電子監(jiān)控單元的標(biāo)定值時(shí)，排氣道閥門(mén)關(guān)閉，廢氣通過(guò)廢氣再循 環(huán)系統(tǒng)的廢氣再循環(huán)閥門(mén)重新進(jìn)入汽缸體，電子控制單元根據(jù)氧傳感器提供的信號(hào)，調(diào)節(jié) 節(jié)氣門(mén)的開(kāi)啟程度，確保廢氣以最大比例進(jìn)入汽缸體，同時(shí)調(diào)節(jié)噴油器的噴油量，保證燃燒 過(guò)程正常進(jìn)行，進(jìn)入下一個(gè)工作循環(huán)；所述廢氣含氧量低于電子監(jiān)控單元的標(biāo)定值時(shí)，排氣閥門(mén)開(kāi)啟，一部分廢氣排出，另一 部分廢氣通過(guò)廢氣再循環(huán)系統(tǒng)的廢氣再循環(huán)閥門(mén)重新進(jìn)入汽缸體，電子控制單元根據(jù)氧傳 感器提供的信號(hào)，控制噴油量及節(jié)氣門(mén)開(kāi)啟程度，以控制燃燒速度，保證發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作， 進(jìn)入下一個(gè)工作循環(huán)。
7.如權(quán)利要求5所述的使用方法，其特征在于所述氧氣為純氧。
全文摘要
本發(fā)明提供一種四沖程內(nèi)燃機(jī)燃燒系統(tǒng)及使用方法，該燃燒系統(tǒng)包括排氣系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)、進(jìn)氣系統(tǒng)、廢氣再循環(huán)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，其通過(guò)在排氣系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置氧傳感器測(cè)量排出廢氣的含氧量，并發(fā)送給控制系統(tǒng)，有控制系統(tǒng)據(jù)此判斷并調(diào)整進(jìn)氣系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)和廢氣再循環(huán)系統(tǒng)各部分的流量及噴油量，從而控制其燃燒。本發(fā)明通過(guò)廢氣中氧氣含量決定是否將廢氣排出汽缸外，提高了氧氣的利用率，降低了此動(dòng)力系統(tǒng)的使用成本，增加了整車(chē)的巡航里程，同時(shí)，提高了內(nèi)燃機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性，降低了廢氣中有害物質(zhì)的排放。
文檔編號(hào)F02M35/10GK101949334SQ20101028210
公開(kāi)日2011年1月19日 申請(qǐng)日期2010年9月15日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月15日
發(fā)明者于瀟, 吳志軍 申請(qǐng)人:同濟(jì)大學(xué)