專利名稱：一種提高內(nèi)燃機(jī)效率的方法及高效內(nèi)燃機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于內(nèi)燃機(jī)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種提高內(nèi)燃機(jī)效率的方法及高 效內(nèi)燃機(jī)。
技術(shù)背景內(nèi)燃機(jī)是以燃料燃燒所生成的燃燒產(chǎn)物為工質(zhì)的熱機(jī)，它是將燃料在氣 缸內(nèi)部燃燒產(chǎn)生的熱量直接轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的動力機(jī)械。內(nèi)燃機(jī)按使用燃油可 分為汽油機(jī)和柴油機(jī)，從構(gòu)造上都具有活塞連桿組、配氣機(jī)構(gòu)、燃料供給系 統(tǒng)、潤滑系、冷卻系等。電噴汽油發(fā)動機(jī)的燃油供給系統(tǒng)主要由電動燃油泵、 燃油濾清器、燃油壓力脈動阻尼器、燃油壓力調(diào)節(jié)器、噴油器及燃油管路組 成，燃油噴射種類主要有節(jié)氣門體燃油噴射系統(tǒng)、中央進(jìn)氣道噴射系統(tǒng)、進(jìn) 氣口燃油噴射系統(tǒng)、有些發(fā)動機(jī)己經(jīng)裝配汽油直接噴射系統(tǒng)。在柴油機(jī)上已 經(jīng)并將繼續(xù)使用的四種基本的機(jī)械或電子控制燃油噴射系統(tǒng)是恒壓或共軌 燃油噴射系統(tǒng)，彈簧加壓或蓄能器燃油噴射系統(tǒng)，源于Bosch結(jié)構(gòu)的脈動噴油泵燃油噴射系統(tǒng)，分配泵燃油噴射系統(tǒng)，各種燃油噴射系統(tǒng)都具有噴油器。 噴油器一般安裝在內(nèi)燃機(jī)的氣缸蓋上，將噴油泵送來的高壓燃油噴入燃燒室 內(nèi)。四沖程往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)將熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的過程是經(jīng)過進(jìn)氣、壓縮、 做功、排氣四個(gè)連續(xù)過程來實(shí)現(xiàn)的，稱為一個(gè)工作循環(huán)。汽油機(jī)燃油供給系 統(tǒng)的作用是根據(jù)汽油機(jī)不同的工況要求供給不同濃度的混合氣，可燃混合氣 的濃度通常用空燃比來表示，空燃比是每個(gè)工作循環(huán)充入氣缸的空氣量和燃 油量的質(zhì)量比，在理想的情況下，理論上可燃混合氣完全燃燒，其空燃比為14.7?？扇蓟旌蠚獾臐舛纫部梢杂眠^量空氣系數(shù)來表示，過量空氣系數(shù)是氣缸內(nèi)的實(shí)際空氣量與噴入汽缸內(nèi)的燃料完全燃燒所需的理論空氣量的質(zhì)量 比，等于1為理論混合氣，小于1為濃混合氣，大于1為稀混合氣。汽油機(jī) 在壓縮行程末，火花塞產(chǎn)生電火花點(diǎn)燃混合氣，并迅速燃燒，使氣體的溫度、壓力迅速升高而膨脹，最高壓力出現(xiàn)在上止點(diǎn)后合適的角度12°—15°內(nèi)，從而推動活塞從上止點(diǎn)向下止點(diǎn)運(yùn)動，通過連桿使曲軸旋轉(zhuǎn)做功，到活塞達(dá)到下 止點(diǎn)時(shí)做功結(jié)束。在做功過程中，開始階段氣缸內(nèi)氣體壓力、溫度急劇上升，
瞬間壓力可達(dá)3 — 5MPa，瞬間溫度可達(dá)2200—2800K，做功行程結(jié)束，膨脹壓 力降低到0.3-0.5MPa，氣體溫度降低到1000-1300°C。柴油機(jī)的做功行程與 汽油機(jī)有很大差異，壓縮行程末，噴油泵提前上止點(diǎn)將高壓柴油經(jīng)噴油器呈 霧狀噴入氣缸內(nèi)的高溫壓縮空氣中，迅速汽化并與空氣形成混合氣，提前量 稱為供油提前角。由于此時(shí)氣缸內(nèi)的溫度遠(yuǎn)高于柴油的自燃溫度，柴油混合 氣便立即自行著火燃燒，且此后一段時(shí)間內(nèi)邊噴油邊燃燒，氣缸內(nèi)壓力、溫 度急劇升高，推動活塞下行做功。由于柴油機(jī)的燃燒過程與混合氣形成同時(shí) 進(jìn)行，所以比汽油機(jī)復(fù)雜，燃燒過程一般是在壓縮行程上止點(diǎn)附近的幾十度 范圍內(nèi)完成。做功行程中，瞬間壓力可達(dá)5 — 10MPa，瞬間溫度可達(dá)1800 — 2200K。根據(jù)內(nèi)燃機(jī)的曲柄連桿組的受力分析，做功行程中，氣體壓力推動活 塞向下運(yùn)動?；钊艿目倝毫镕e，可分解為把活塞壓向氣缸壁，形成活 塞與缸壁間的側(cè)壓力Fn和通過活塞銷傳給連桿、并沿連桿方向作用在連桿軸 徑上的連桿力Fs，連桿力Fs又分解為沿曲柄方向使曲軸主軸徑與主軸承間產(chǎn) 生壓緊的徑向力Fb和垂至于曲柄、其除了使主軸徑和主軸承之間產(chǎn)生壓緊力 外，還對曲軸產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩、驅(qū)動曲軸旋轉(zhuǎn)的切向力FT 。這些力是氣體壓力的函 數(shù)，可以用曲軸轉(zhuǎn)角ci和連桿擺角P及沖程連桿比入計(jì)算出來連桿力Fs =FG/cosP;活塞側(cè)向力Fn=FG*tanP;徑向力=FG*cos /cosP; 切向力Ft =Fc*sin ( a + p ) /cos 3 ;式中入=r / 1; sinP = X*sina ; C0Se= (1-X2*sin2a) 1/2。由于內(nèi)燃機(jī)燃料主要是汽油和柴油，是碳?xì)浠?物的混合物，在內(nèi)燃機(jī)氣缸內(nèi)與空氣混合并燃燒，大部分生成C02和H20。依 據(jù)燃燒條件，也有一部分由于不完全燃燒而生成CO和HC化合物。此外，當(dāng) 燃燒溫度很高時(shí)，空氣中的氮和未燃的氧起反應(yīng)生成NOx，其中CO、 HC、 N0X、 S02及碳煙等對人類和環(huán)境都會造成很大危害(見人民交通出版社2005年9 月出版、湯定國主編的《汽車發(fā)動機(jī)構(gòu)造與維修》和機(jī)械工業(yè)出版社2005年 7月出版、蔡興旺主編的《汽車構(gòu)造與原理》)。
內(nèi)燃機(jī)做功行程最高壓力出現(xiàn)在上止點(diǎn)后曲軸的轉(zhuǎn)角20°范圍內(nèi)，根據(jù)對活塞連桿組的做功受力分析，切向力FT =FG*sin (ci+P) /cosP;此時(shí)雖然 氣缸內(nèi)的壓力最大，但曲軸轉(zhuǎn)角a和連桿擺角e都較小，活塞推動連桿對曲 軸產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的分力FT則較小，產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩反而不大，而當(dāng)曲軸轉(zhuǎn)角較大使得 sin (ci+P) /cose為最大值、可以獲得最高的做功效率時(shí)，由于活塞下行
較大，氣缸容積變大，氣缸壓力Fe變低，使得切向力Ft大大減小，所以對曲
軸產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩也不大。 一般來說，汽油機(jī)的效率約30%，柴油機(jī)的效率約40 %?，F(xiàn)有內(nèi)燃機(jī)雖然應(yīng)用了各種技術(shù)以提高內(nèi)燃機(jī)的效率，但活塞連桿組把 活塞的往復(fù)運(yùn)動變?yōu)閳A周運(yùn)動時(shí)效率較低的問題無法根本解決。
為解決能源緊缺問題，人們一直進(jìn)行著以水為燃料和分解水制取氧氣、 氫氣的探索研究和實(shí)踐。香港大學(xué)機(jī)械工程系倪萌撰寫的《可再生氫能應(yīng)用 前景一氫的制取》論文中公開了由太陽能聚光器產(chǎn)生的高溫對水進(jìn)行加熱，直 接分解而產(chǎn)生氫氣的熱分解制氫方法"…對水進(jìn)行加熱，直接分解而產(chǎn)生氫
氣和氧氣，在這個(gè)反應(yīng)中，水的分解率隨溫度的升高而增大。在壓力為
0.05bar、溫度為2500K時(shí)，水蒸汽的分解率可以達(dá)到25%;而當(dāng)溫度達(dá)到
2800K時(shí)，則水蒸汽的分解率可達(dá)55%*""。
發(fā)明任務(wù)
本發(fā)明目的在于提供一種提高內(nèi)燃機(jī)在做功行程氣缸壓力從而提高內(nèi)燃 機(jī)效率的方法和一種高效內(nèi)燃機(jī)。
為達(dá)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案 一種提高內(nèi)燃機(jī)效率的方法， 通過設(shè)置于內(nèi)燃機(jī)氣缸上部的二次噴射器把高溫、高壓條件下能氣化膨脹和 化學(xué)燃燒的液體燃料在內(nèi)燃機(jī)一個(gè)工作循環(huán)內(nèi)單次或多次噴入到氣缸內(nèi)。
由二次噴射器把液體燃料單次或多次噴入氣缸內(nèi)，在做功行程使液體燃 料在可燃混合氣燃燒的同時(shí)產(chǎn)生氣化分解、助燃、膨脹，提高一次燃燒的氣
缸壓力。
由二次噴射器把液體燃料單次或多次噴入氣缸內(nèi)，使液體燃料在可燃混 合氣一次燃燒產(chǎn)生的高溫、高壓條件下產(chǎn)生氣化分解、膨脹，并和一次燃燒
產(chǎn)物發(fā)生二次化學(xué)燃燒，使其曲軸轉(zhuǎn)角和連桿擺角達(dá)到sin (ci + e) /cosP 為最大值附近，提高氣缸壓力。液體燃料為水或加水燃料。
一種高效內(nèi)燃機(jī)，包括氣缸，在氣缸缸蓋或者缸體上端部設(shè)有用以向氣 缸中噴射高溫、高壓條件下能氣化膨脹和化學(xué)燃燒的液體燃料的二次噴射器。
本發(fā)明在現(xiàn)有內(nèi)燃機(jī)上再增加一套類似于柴油機(jī)燃油供給系統(tǒng)的二次噴 射系統(tǒng)，內(nèi)燃機(jī)原燃油供給系統(tǒng)的噴油器在此稱為一次噴油器，內(nèi)燃機(jī)原燃 燒方式稱為一次燃燒，每個(gè)氣缸都還具有類似于柴油機(jī)燃油供給系統(tǒng)所具有 的噴油器的高壓噴射器即二次噴射器，二次噴射器可以把在高溫、高壓條件 下能氣化膨脹和化學(xué)燃燒的液體燃料(水或加水燃料)在不同時(shí)刻高于氣缸 壓力單次或多次霧化噴入氣缸，使液體燃料隨可燃混合氣燃燒產(chǎn)生的高溫、 高壓條件產(chǎn)生氣化分解、膨脹，并參與可燃混合氣的燃燒反應(yīng)，特別是在曲
軸轉(zhuǎn)角和連桿擺角達(dá)到sin (a+e) /cosP為最大值附近，即當(dāng)活塞下行到 使連桿和曲軸正處于產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的分力值為最大值范圍附近，增大其氣缸壓力， 提高了內(nèi)燃機(jī)的輸出功率。同時(shí)，噴入的液體燃料氣化膨脹過程是吸熱過程， 可以降低氣缸內(nèi)燃燒產(chǎn)物的溫度，二次燃燒時(shí)燃燒反應(yīng)更完全，可以降低污 染物排放量。
本發(fā)明中，液體燃料是能在高溫、高壓條件下氣化膨脹和化學(xué)燃燒的液 體，為水或以水為溶劑、以能在高溫高壓條件下氣化膨脹和化學(xué)燃燒的物質(zhì) 為溶質(zhì)的液體，可以是乳化水，也可以是水和能與水互溶的不含熱值的溶質(zhì) 形成的水溶液或添加了乳化劑和添加劑的乳化液，也可以是水和能與水互溶 的含有熱值的溶質(zhì)形成的水溶液或添加了乳化劑和添加劑的乳化液，還可以 是水和不能與水互溶的含有熱值的溶質(zhì)、乳化劑和添加劑形成的乳化液。具 體來講，液體燃料包括(1)水，水可直接噴入，也可以加入乳化劑和添加 劑以調(diào)整"冰點(diǎn)"，使適應(yīng)內(nèi)燃機(jī)的環(huán)境氣候溫度；使具有合適的粘度及潤滑 性，避免對二次噴射系統(tǒng)零部件的銹蝕；(2)過氧化氫水溶液、二甲醚水溶 液；(3)水+內(nèi)燃機(jī)燃料(汽油、柴油)+乳化劑+添加劑形成的混合液。 溶質(zhì)的含量可根據(jù)參與燃燒的條件確定。


圖1為采用二次噴射器的電噴汽油發(fā)動機(jī)的工作示意圖；圖2為采用二次噴射器的柴油發(fā)動機(jī)的工作示意圖。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例l、見圖l。具有曲軸l、連桿2、氣缸3、活塞4、火花塞5的四 沖程汽油內(nèi)燃機(jī)的每個(gè)氣缸3上端部設(shè)有等同柴油機(jī)噴油器功能、結(jié)構(gòu)的二 次噴射器6。汽油霧化和空氣混合形成可燃混合氣在進(jìn)氣行程被吸入氣缸，在 做功行程的上止點(diǎn)前由火花塞點(diǎn)火，可燃混合氣在氣缸內(nèi)一次燃燒做功，內(nèi) 燃機(jī)按正常工況工作。由二次噴射器把水或其他液體燃料以曲軸轉(zhuǎn)角和連桿 擺角達(dá)到sin (a+e) /cose為最大值的時(shí)刻為基準(zhǔn)提前一定時(shí)間單次霧化 噴入氣缸內(nèi)。由于可燃混合氣的一次燃燒可使氣缸內(nèi)壓力達(dá)到3 — 5MPa，瞬間 溫度可達(dá)2200—2800K，水在此高壓、高溫下氣化，產(chǎn)生氣體膨脹，部分分解 成氧氣、氫氣，氣缸內(nèi)的一次燃燒產(chǎn)物和水的分解產(chǎn)物進(jìn)一步發(fā)生二次燃燒 反應(yīng)，使活塞下行到使連桿和曲軸正處于產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的分力值為最大值范圍附 近增大了氣缸壓力，提高了內(nèi)燃機(jī)的輸出功率。內(nèi)燃機(jī)的一次燃燒可以使用 稀的空燃比，以不超過燃油混合氣的火焰?zhèn)鞑ニ俣认孪逓槎?，以?jié)約燃油。 這樣燃燒溫度高，會造成NOx的排放量增加，而噴入的水的氣化過程是吸熱反 應(yīng)，可以降低氣缸內(nèi)的溫度，有利于降低N(X的排放量。
實(shí)施例2、見圖2。具有曲軸l，連桿2、氣缸3，活塞4、噴油器7的柴 油內(nèi)燃機(jī)每個(gè)氣缸3上端部設(shè)有等同于柴油機(jī)功能、結(jié)構(gòu)的二次噴射器6。在 壓縮行程終了，噴油器霧化噴入柴油并著火燃燒。在作功行程的上止點(diǎn)前， 由二次噴射器把水或加入添加劑的乳化水液體燃料霧化噴入氣缸，可燃混合 氣燃燒使氣缸內(nèi)最高壓力可達(dá)5 — 10MPa，溫度可達(dá)1800—2200K，霧化噴入 的水在此高壓、高溫下氣化分解膨脹，部分水分解為氫氣和氧氣，并參與燃 燒，其結(jié)果是提高了一次燃燒的氣缸壓力。該實(shí)施例相當(dāng)于柴油摻水的乳化 柴油效果，但省卻了乳化柴油的生產(chǎn)過程和避免了乳化柴油本身具有的缺點(diǎn)。 該種方式可燃混合氣的摻水燃燒可以減低燃燒溫度，有利于采用稀的空燃比 燃燒，并降低污染物排放。
實(shí)施例3、見圖l。具有曲軸l、連桿2、氣缸3、活塞4、火花塞5的四 沖程汽油內(nèi)燃機(jī)每個(gè)氣缸3上端部還設(shè)有等同柴油機(jī)噴油器功能、結(jié)構(gòu)的二次噴射器6。先由二次噴射器6把水和過氧化氫水溶液的液體燃料在作功行程
的上止點(diǎn)前第一次噴入氣缸，再以曲軸轉(zhuǎn)角和連桿擺角達(dá)到sin( a+P )/cos P為最大值的時(shí)刻為基準(zhǔn)提前一定時(shí)間第二次霧化噴入氣缸，第一次噴射的 效果同實(shí)施例2，第二次噴射的效果同實(shí)施例l。噴入的液體燃料中的水的作 用同實(shí)施例1，過氧化氫在可燃混合氣燃燒的高溫條件下分解本身就使體積急 劇膨脹，分解產(chǎn)生02和&0，其中02是助燃物，可以使燃燒更完全。第一次噴 射提高了氣缸的一次燃燒壓力，第二次噴射產(chǎn)生二次燃燒，增大了當(dāng)活塞下 行到使連桿和曲軸正處于產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的分力值為最大值范圍附近的氣缸壓力， 一個(gè)作功循環(huán)實(shí)行兩次噴射，最大限度地提升了功率輸出。
實(shí)施例4、見圖l。具有曲軸l、連桿2、氣缸3、活塞4、火花塞5的四 沖程汽油內(nèi)燃機(jī)每個(gè)氣缸3上端部還設(shè)有等同柴油機(jī)噴油器功能、結(jié)構(gòu)的二 次噴射器6。由二次噴射器6把水和醇類水溶液燃料在進(jìn)氣行程隨活塞下行吸 氣噴入氣缸，和汽油混合氣混合，壓縮行程時(shí)被活塞壓縮，隨壓縮過程混合 氣溫度升高，其水劑燃料被汽化并更好地和汽油混合氣混合，壓縮行程終了 使得氣缸壓力提高，相當(dāng)于提高了壓縮比。在做功行程的上止點(diǎn)前由火花塞 點(diǎn)火，含有液體燃料的可燃混合氣燃燒，液體燃料中的水在燃燒的高溫高壓 條件下產(chǎn)生氣化分解膨脹，部分水分解出氫氣和氧氣，并參與燃燒過程，一 次燃燒的氣缸壓力升高，提高了內(nèi)燃機(jī)的功率，在保證同功率輸出的情況下， 可以降低燃油供給量。
權(quán)利要求
1、一種提高內(nèi)燃機(jī)效率的方法，其特征在于，通過設(shè)置于內(nèi)燃機(jī)氣缸上部的二次噴射器把高溫、高壓條件下能氣化膨脹和化學(xué)燃燒的液體燃料在內(nèi)燃機(jī)一個(gè)工作循環(huán)內(nèi)單次或多次噴入到氣缸內(nèi)。
2、 如權(quán)利要求l所述的提高內(nèi)燃機(jī)效率的方法，其特征在于，在做功行 程使液體燃料在可燃混合氣燃燒的同時(shí)產(chǎn)生氣化分解、助燃、膨脹，提高一 次燃燒的氣缸壓力。
3、 如權(quán)利要求l所述的提高內(nèi)燃機(jī)效率的方法，其特征在于，使液體燃 料在可燃混合氣一次燃燒產(chǎn)生的高溫、高壓條件下產(chǎn)生氣化分解、膨脹，并 和一次燃燒產(chǎn)物發(fā)生二次化學(xué)燃燒，使其曲軸轉(zhuǎn)角和連桿擺角達(dá)到sin (a + 0) /cosP為最大值附近，提高氣缸壓力。
4、 如權(quán)利要求1、 2或3所述的提高內(nèi)燃機(jī)效率的方法，其特征在于， 液體燃料為水或加水燃料。
5、 一種高效內(nèi)燃機(jī)，包括氣缸，其特征在于，在氣缸缸蓋或者缸體上端 部設(shè)有用以向氣缸中噴射高溫、高壓條件下能氣化膨脹和化學(xué)燃燒的液體燃 料的二次噴射器。
全文摘要
一種提高內(nèi)燃機(jī)效率的方法，通過設(shè)置于內(nèi)燃機(jī)氣缸上部的二次噴射器把高溫、高壓條件下能氣化膨脹和化學(xué)燃燒的液體燃料在內(nèi)燃機(jī)一個(gè)工作循環(huán)內(nèi)單次或多次噴入到氣缸內(nèi)。在做功行程使液體燃料在可燃混合氣燃燒的同時(shí)產(chǎn)生氣化分解、助燃、膨脹，提高一次燃燒的氣缸壓力。或者使液體燃料在可燃混合氣一次燃燒產(chǎn)生的高溫、高壓條件下產(chǎn)生氣化分解、膨脹，并和一次燃燒產(chǎn)物發(fā)生二次化學(xué)燃燒，提高氣缸壓力。液體燃料為水或加水燃料。利用上述方法的高效內(nèi)燃機(jī)，包括氣缸，在氣缸缸蓋或者缸體上端部設(shè)有用以向氣缸中噴射高溫、高壓條件下能氣化膨脹和化學(xué)燃燒的液體燃料的二次噴射器。利用本發(fā)明可有效提高內(nèi)燃機(jī)效率。
文檔編號F02B47/02GK101289959SQ20071005423
公開日2008年10月22日 申請日期2007年4月16日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月16日
發(fā)明者甜 張, 博 蔡, 棽 蔡 申請人:蔡 棽;張 甜;蔡 博