專利名稱：一種二沖程內(nèi)燃機燃燒系統(tǒng)及使用方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的一種二沖程內(nèi)燃機燃燒系統(tǒng)，是一種基于純氧燃燒技術(shù)的無進氣道二沖程 燃燒系統(tǒng)，屬于內(nèi)燃機技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著全球環(huán)境的惡化和能源危機的出現(xiàn)，更節(jié)能，更環(huán)保的內(nèi)燃機技術(shù)已成為發(fā)展的焦 點。日益嚴格的汽車排放法規(guī)對于二氧化碳的排放巳經(jīng)做出了限定。但是化石燃料燃燒不可 避免要產(chǎn)生C02排放，除了使用節(jié)能降耗的新技術(shù)降低C02排放以外，化石燃料燃燒尾氣中C02 的捕集及儲存技術(shù)(ccs)被認為是應對全球氣候變暖的直接有效的方法，它通過收集發(fā)電廠 之類的固定源產(chǎn)生的co2氣體,進而長期儲存于海洋或相對封閉的地質(zhì)構(gòu)造中，從而顯著減少 大氣中的C02排放。
近年來，基于內(nèi)燃蘭金循環(huán)結(jié)合水再循環(huán)技術(shù)的碳氫燃料純氧燃燒技術(shù)己經(jīng)在渦輪機發(fā)
電領(lǐng)域得到大力發(fā)展。美國清潔能源系統(tǒng)公司CES (Clean Energy Systems, Inc.)是這一 技術(shù)的發(fā)起者，該公司通過將航天技術(shù)和傳統(tǒng)發(fā)電系統(tǒng)相結(jié)合，開發(fā)了這項應用化石燃料的 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器上的"氣體發(fā)生器"來代替?zhèn)?統(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Bilger教授初次提 出將這一技術(shù)運用在內(nèi)燃機中的構(gòu)想，并于2009年和同濟大學吳志軍教授共同發(fā)表了 "Carbon Capture for Automobiles Using Internal Combustion Rankine Cycle Engines" (《Journal of Engineering for Gas Turbines and Power》May 2009, Vol. 131)。該文獻 介紹了基于蘭金循環(huán)的內(nèi)燃機的工作原理，并對該理論循環(huán)的熱效率進行了深入的計算和分 析。這項技術(shù)采用純氧代替空氣作為助燃劑與汽油形成混合氣被點燃，而后在燃燒過程中加 入水來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C02進行回收，達到徹底的零排放。但要使得這項技術(shù)可以真正應用于內(nèi)燃機，還需 對內(nèi)燃機本身做很多改造。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種二沖程內(nèi)燃機燃燒系統(tǒng)及使用方法，可以將蘭金循環(huán)應用于內(nèi)燃機上，減少廢氣的排出。
為達到以上目的，本發(fā)明所采用的解決方案是
一種二沖程內(nèi)燃機燃燒系統(tǒng)，其包括汽缸體、排氣系統(tǒng)、活塞運動系統(tǒng)、進氣系統(tǒng)、點 燃控壓系統(tǒng)，該進氣系統(tǒng)將燃料和液氧直接噴入燃料系統(tǒng)，點燃控壓系統(tǒng)進行點火及控制汽 缸內(nèi)壓力。
所述的進氣系統(tǒng)包括噴油器、噴氧器，噴油器及噴氧器依次布置在平行于排氣系統(tǒng)的排 氣道方向的缸蓋中線上。
所述的點燃控壓系統(tǒng)包括噴水器、火花塞，噴水器及火花塞分別布置在垂直于排氣道方 向的缸蓋中線上。
噴水器及火花塞分別在排氣道軸線的左右兩側(cè)相對布置。
在活塞上行初期關(guān)閉排氣門，并向缸內(nèi)分別噴射高溫氧氣，及燃油以備置混合氣，混合 氣經(jīng)壓縮在上止點附近被點燃，燃燒過程中通過噴水器向缸內(nèi)噴射高溫高壓水，控制燃燒速 度及缸內(nèi)的溫度和壓力，噴入缸內(nèi)的水吸熱汽化，使氣缸內(nèi)在活塞下行過程中依然保持一定 壓力并推動活塞做功，排氣門在做功沖程后程打開，排出廢氣，缸內(nèi)剩余廢氣作為內(nèi)部廢氣 再循環(huán)系統(tǒng)進一步控制下一循環(huán)的缸內(nèi)溫度。
系統(tǒng)的噴油、噴氧以及噴水過程均通過電控系統(tǒng)控制。
具體地，本發(fā)明提供了一種無進氣道、缸內(nèi)直噴、無掃氣過程的二沖程燃燒系統(tǒng)，主要 包括汽缸體、汽缸蓋、曲軸、連桿、活塞、排氣門、排氣門凸輪軸、噴油器、噴氧器、噴 水器、火花塞，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)，并可以沿汽 缸體做直線運動。曲軸旋轉(zhuǎn)帶動連桿，進而帶動活塞做往復式運動，噴水器、火花塞分別布 置在垂直于排氣道方向的缸蓋中線上，在排氣道軸線的左右兩側(cè)相對布置，并靠近汽缸蓋頂 端。噴油器以及噴氧器依次布置在平行于排氣道方向的缸蓋中線上。在活塞上行，曲軸轉(zhuǎn)角
為240度時關(guān)閉排氣門，并向缸內(nèi)分別噴射高溫氧氣(500K)，及燃油以備置混合氣，混合氣
經(jīng)壓縮在上止點附近被點燃，燃燒過程中向缸內(nèi)噴射高溫高壓水(600K， 14MPa)，控制燃燒
速度及缸內(nèi)的溫度和壓力，噴入缸內(nèi)的水吸熱汽化，使氣缸內(nèi)在活塞下行過程中依然保持一
定壓力并推動活塞做功，排氣門在做功沖程后程打開(曲軸轉(zhuǎn)角75度)，排出廢氣，缸內(nèi)剩
余廢氣作為內(nèi)部EGR (廢氣再循環(huán)系統(tǒng))進一步控制下一循環(huán)的缸內(nèi)溫度。整個系統(tǒng)的噴油、
噴氧以及噴水過程均通過電控系統(tǒng)控制，以保證最優(yōu)化的工作過程。
由于采用了上述方案，本發(fā)明具有以下特點該系統(tǒng)實現(xiàn)了無掃氣過程的二沖程工作循
環(huán)，可以大大提高發(fā)動機整機的功率密度；采用循環(huán)水控制燃燒速度和缸內(nèi)溫度，可以實現(xiàn)
低溫燃燒，大大提高了發(fā)動機的熱效率，計算結(jié)果表明，這一循環(huán)的熱效率可達56%，整機熱效率也可以達到44%,故而可顯著改善發(fā)動機的燃油經(jīng)濟性；采用純氧燃燒，使得排放中 無氮氧化物，通過噴入缸內(nèi)過量的氧氣可以使燃油充分燃燒，故無CO及HC的排放，使廢 氣中僅含C(VH20;最后，這種發(fā)動機只需對現(xiàn)有四沖程發(fā)動機的缸蓋、排氣凸輪軸等進行改 造便可實現(xiàn)，具有很強的實用性。


圖1為本發(fā)明實施例的正視圖。 圖2為本發(fā)明實施例的側(cè)視圖。
圖中，l為噴水器、2為火花塞、3為噴油器、4噴氧器、5排氣閥、6排氣道、7為活塞、 8為汽缸體。
具體實施例方式
以下結(jié)合附圖所示實施例對本發(fā)明作進一步的說明。
如圖1、圖2 ，噴水器l、火花塞2分別布置在垂直于排氣道方向的缸蓋頂端附近，呈 相對布置，噴油器3以及噴氧器4分別布置在平行于排氣道方向的缸蓋中線上?；钊?上行 過程中當曲軸轉(zhuǎn)角為240度時排氣門5關(guān)閉，同時噴油器3和噴氧器4向缸內(nèi)噴入燃料(汽 油)及高溫高壓(500K、 2.3MPa)的氧氣。曲軸轉(zhuǎn)角250度時，噴油及噴氧過程結(jié)束，活塞 7繼續(xù)上行，燃料和氧氣充分混合，并被壓縮，混合氣在當活塞7運行至曲軸轉(zhuǎn)角345度時 經(jīng)火花塞2被點燃，隨后，噴水嘴1在活塞7位于上止點時刻向缸內(nèi)噴入霧化良好、高溫高 壓(600K、 14MPa)的水，此過程持續(xù)曲軸轉(zhuǎn)角5度。水在氣缸8內(nèi)吸收燃燒熱量，控制缸 內(nèi)燃燒速度、溫度和壓力，此時，活塞7開始下行，進入做功沖程。由于水吸熱并汽化為水 蒸氣膨脹做功，此時氣缸8內(nèi)并無明顯壓力下降，而是保持一個有限的壓力。活塞7下行至 曲軸轉(zhuǎn)角75度時，排氣閥5開啟，廢氣沿排氣道6排出，活塞7經(jīng)過下止點開始上行，直至 排氣閥關(guān)閉時刻再次燃油噴射，完成二沖程的工作循環(huán)。
本發(fā)明中噴水器噴出的水既作為控制燃燒速度的介質(zhì)，又可以吸收燃燒熱量，并汽化為 水蒸氣作為做功介質(zhì)，提高了發(fā)動機的熱效率。同時，無掃氣過程的二沖程工作過程也大大 提高了發(fā)動機的功率密度，可以幫助發(fā)動機小型化、輕量化。
上述的對實施例的描述是為便于該技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能理解和應用本發(fā)明。熟悉 本領(lǐng)域技術(shù)的人員顯然可以容易地對這些實施例做出各種修改，并把在此說明的一般原理應 用到其他實施例中而不必經(jīng)過創(chuàng)造性的勞動。因此，本發(fā)明不限于這里的實施例，本領(lǐng)域技 術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的揭示，對于本發(fā)明做出的改進和修改都應該在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1、一種二沖程內(nèi)燃機燃燒系統(tǒng)，其包括汽缸體、排氣系統(tǒng)、活塞運動系統(tǒng)，其特征在于進氣系統(tǒng)、點燃控壓系統(tǒng)，該進氣系統(tǒng)將燃料和液氧直接噴入燃料系統(tǒng)，點燃控壓系統(tǒng)進行點火及控制汽缸內(nèi)壓力。
2、 如權(quán)利要求1所述的二沖程內(nèi)燃機燃燒系統(tǒng)，其特征在于所述的進氣系統(tǒng)包括噴油 器、噴氧器，噴油器及噴氧器依次布置在平行于排氣系統(tǒng)的排氣道方向的缸蓋中線上。
3、 如權(quán)利要求l所述的二沖程內(nèi)燃機燃燒系統(tǒng)，其特征在于所述的點燃控壓系統(tǒng)包括 噴水器、火花塞，噴水器及火花塞分別布置在垂直于排氣道方向的缸蓋中線上。
4、 如權(quán)利要求3所述的二沖程內(nèi)燃機燃燒系統(tǒng)，其特征在于噴水器及火花塞分別在排 氣道軸線的左右兩側(cè)相對布置。
5、 如權(quán)利要求1所述的二沖程內(nèi)燃機燃燒系統(tǒng)的使用方法，其特征在于在活塞上行初 期關(guān)閉排氣門，并向缸內(nèi)分別噴射高溫氧氣，及燃油以備置混合氣，混合氣經(jīng)壓縮在上止點 附近被點燃，燃燒過程中通過噴水器向缸內(nèi)噴射高溫高壓水，控制燃燒速度及缸內(nèi)的溫度和 壓力，噴入缸內(nèi)的水吸熱汽化，使氣缸內(nèi)在活塞下行過程中依然保持一定壓力并推動活塞做 功，排氣門在做功沖程后程打開，排出廢氣，缸內(nèi)剩余廢氣作為內(nèi)部廢氣再循環(huán)系統(tǒng)進一步 控制下一循環(huán)的缸內(nèi)溫度。
6、 如權(quán)利要求5所述的二沖程內(nèi)燃機燃燒系統(tǒng)的使用方法，其特征在于系統(tǒng)的噴油、 噴氧以及噴水過程均通過電控系統(tǒng)控制。
全文摘要
一種二沖程內(nèi)燃機燃燒系統(tǒng)及使用方法，其包括汽缸體、排氣系統(tǒng)、活塞運動系統(tǒng)、進氣系統(tǒng)、點燃控壓系統(tǒng)，該進氣系統(tǒng)將燃料和液氧直接噴入燃料系統(tǒng)，點燃控壓系統(tǒng)進行點火及控制汽缸內(nèi)壓力。進氣系統(tǒng)包括噴油器、噴氧器；點燃控壓系統(tǒng)包括噴水器、火花塞活塞上行過程中排氣門關(guān)閉，通過噴油器和噴氧器向缸內(nèi)噴入氧氣和燃料形成混合氣，其在上止點附近被點燃，燃燒中通過噴水器向缸內(nèi)噴水，控制燃燒速度和缸內(nèi)溫度及壓力，活塞下行至下止點附近時開啟排氣門。本發(fā)明的噴水器噴出的水作為控制燃燒速度的介質(zhì)，還吸收燃燒熱量，并汽化為水蒸氣作為做功介質(zhì)，提高了發(fā)動機的熱效率。
文檔編號F02D43/00GK101586499SQ200910053439
公開日2009年11月25日 申請日期2009年6月19日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月19日
發(fā)明者瀟 于, 吳志軍, 帆 周, 朱汗青 申請人:同濟大學