专利名称：一种提高内燃机效率的方法及高效内燃机的制作方法
技术领域：
本发明属于内燃机技术领域，特别涉及一种提高内燃机效率的方法及高 效内燃机。
技术背景内燃机是以燃料燃烧所生成的燃烧产物为工质的热机，它是将燃料在气 缸内部燃烧产生的热量直接转化为机械能的动力机械。内燃机按使用燃油可 分为汽油机和柴油机，从构造上都具有活塞连杆组、配气机构、燃料供给系 统、润滑系、冷却系等。电喷汽油发动机的燃油供给系统主要由电动燃油泵、 燃油滤清器、燃油压力脉动阻尼器、燃油压力调节器、喷油器及燃油管路组 成，燃油喷射种类主要有节气门体燃油喷射系统、中央进气道喷射系统、进 气口燃油喷射系统、有些发动机己经装配汽油直接喷射系统。在柴油机上已 经并将继续使用的四种基本的机械或电子控制燃油喷射系统是恒压或共轨 燃油喷射系统，弹簧加压或蓄能器燃油喷射系统，源于Bosch结构的脉动喷油泵燃油喷射系统，分配泵燃油喷射系统，各种燃油喷射系统都具有喷油器。 喷油器一般安装在内燃机的气缸盖上，将喷油泵送来的高压燃油喷入燃烧室 内。四冲程往复活塞式内燃机将热能转变为机械能的过程是经过进气、压縮、 做功、排气四个连续过程来实现的，称为一个工作循环。汽油机燃油供给系 统的作用是根据汽油机不同的工况要求供给不同浓度的混合气，可燃混合气 的浓度通常用空燃比来表示，空燃比是每个工作循环充入气缸的空气量和燃 油量的质量比，在理想的情况下，理论上可燃混合气完全燃烧，其空燃比为14.7。可燃混合气的浓度也可以用过量空气系数来表示，过量空气系数是气缸内的实际空气量与喷入汽缸内的燃料完全燃烧所需的理论空气量的质量 比，等于1为理论混合气，小于1为浓混合气，大于1为稀混合气。汽油机 在压縮行程末，火花塞产生电火花点燃混合气，并迅速燃烧，使气体的温度、压力迅速升高而膨胀，最高压力出现在上止点后合适的角度12°—15°内，从而推动活塞从上止点向下止点运动，通过连杆使曲轴旋转做功，到活塞达到下 止点时做功结束。在做功过程中，开始阶段气缸内气体压力、温度急剧上升，
瞬间压力可达3 — 5MPa，瞬间温度可达2200—2800K，做功行程结束，膨胀压 力降低到0.3-0.5MPa，气体温度降低到1000-1300°C。柴油机的做功行程与 汽油机有很大差异，压縮行程末，喷油泵提前上止点将高压柴油经喷油器呈 雾状喷入气缸内的高温压縮空气中，迅速汽化并与空气形成混合气，提前量 称为供油提前角。由于此时气缸内的温度远高于柴油的自燃温度，柴油混合 气便立即自行着火燃烧，且此后一段时间内边喷油边燃烧，气缸内压力、温 度急剧升高，推动活塞下行做功。由于柴油机的燃烧过程与混合气形成同时 进行，所以比汽油机复杂，燃烧过程一般是在压縮行程上止点附近的几十度 范围内完成。做功行程中，瞬间压力可达5 — 10MPa，瞬间温度可达1800 — 2200K。根据内燃机的曲柄连杆组的受力分析，做功行程中，气体压力推动活 塞向下运动。活塞所受的总压力为Fe，可分解为把活塞压向气缸壁，形成活 塞与缸壁间的侧压力Fn和通过活塞销传给连杆、并沿连杆方向作用在连杆轴 径上的连杆力Fs，连杆力Fs又分解为沿曲柄方向使曲轴主轴径与主轴承间产 生压紧的径向力Fb和垂至于曲柄、其除了使主轴径和主轴承之间产生压紧力 外，还对曲轴产生转矩、驱动曲轴旋转的切向力FT 。这些力是气体压力的函 数，可以用曲轴转角ci和连杆摆角P及冲程连杆比入计算出来连杆力Fs =FG/cosP;活塞侧向力Fn=FG*tanP;径向力=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。由于内燃机燃料主要是汽油和柴油，是碳氢化合 物的混合物，在内燃机气缸内与空气混合并燃烧，大部分生成C02和H20。依 据燃烧条件，也有一部分由于不完全燃烧而生成CO和HC化合物。此外，当 燃烧温度很高时，空气中的氮和未燃的氧起反应生成NOx，其中CO、 HC、 N0X、 S02及碳烟等对人类和环境都会造成很大危害(见人民交通出版社2005年9 月出版、汤定国主编的《汽车发动机构造与维修》和机械工业出版社2005年 7月出版、蔡兴旺主编的《汽车构造与原理》)。
内燃机做功行程最高压力出现在上止点后曲轴的转角20°范围内，根据对活塞连杆组的做功受力分析，切向力FT =FG*sin (ci+P) /cosP;此时虽然 气缸内的压力最大，但曲轴转角a和连杆摆角e都较小，活塞推动连杆对曲 轴产生转矩的分力FT则较小，产生的转矩反而不大，而当曲轴转角较大使得 sin (ci+P) /cose为最大值、可以获得最高的做功效率时，由于活塞下行
较大，气缸容积变大，气缸压力Fe变低，使得切向力Ft大大减小，所以对曲
轴产生的转矩也不大。 一般来说，汽油机的效率约30%，柴油机的效率约40 %。现有内燃机虽然应用了各种技术以提高内燃机的效率，但活塞连杆组把 活塞的往复运动变为圆周运动时效率较低的问题无法根本解决。
为解决能源紧缺问题，人们一直进行着以水为燃料和分解水制取氧气、 氢气的探索研究和实践。香港大学机械工程系倪萌撰写的《可再生氢能应用 前景一氢的制取》论文中公开了由太阳能聚光器产生的高温对水进行加热，直 接分解而产生氢气的热分解制氢方法"…对水进行加热，直接分解而产生氢
气和氧气，在这个反应中，水的分解率随温度的升高而增大。在压力为
0.05bar、温度为2500K时，水蒸汽的分解率可以达到25%;而当温度达到
2800K时，则水蒸汽的分解率可达55%*""。
发明任务
本发明目的在于提供一种提高内燃机在做功行程气缸压力从而提高内燃 机效率的方法和一种高效内燃机。
为达上述目的，本发明采用如下技术方案 一种提高内燃机效率的方法， 通过设置于内燃机气缸上部的二次喷射器把高温、高压条件下能气化膨胀和 化学燃烧的液体燃料在内燃机一个工作循环内单次或多次喷入到气缸内。
由二次喷射器把液体燃料单次或多次喷入气缸内，在做功行程使液体燃 料在可燃混合气燃烧的同时产生气化分解、助燃、膨胀，提高一次燃烧的气
缸压力。
由二次喷射器把液体燃料单次或多次喷入气缸内，使液体燃料在可燃混 合气一次燃烧产生的高温、高压条件下产生气化分解、膨胀，并和一次燃烧
产物发生二次化学燃烧，使其曲轴转角和连杆摆角达到sin (ci + e) /cosP 为最大值附近，提高气缸压力。液体燃料为水或加水燃料。
一种高效内燃机，包括气缸，在气缸缸盖或者缸体上端部设有用以向气 缸中喷射高温、高压条件下能气化膨胀和化学燃烧的液体燃料的二次喷射器。
本发明在现有内燃机上再增加一套类似于柴油机燃油供给系统的二次喷 射系统，内燃机原燃油供给系统的喷油器在此称为一次喷油器，内燃机原燃 烧方式称为一次燃烧，每个气缸都还具有类似于柴油机燃油供给系统所具有 的喷油器的高压喷射器即二次喷射器，二次喷射器可以把在高温、高压条件 下能气化膨胀和化学燃烧的液体燃料(水或加水燃料)在不同时刻高于气缸 压力单次或多次雾化喷入气缸，使液体燃料随可燃混合气燃烧产生的高温、 高压条件产生气化分解、膨胀，并参与可燃混合气的燃烧反应，特别是在曲
轴转角和连杆摆角达到sin (a+e) /cosP为最大值附近，即当活塞下行到 使连杆和曲轴正处于产生转矩的分力值为最大值范围附近，增大其气缸压力， 提高了内燃机的输出功率。同时，喷入的液体燃料气化膨胀过程是吸热过程， 可以降低气缸内燃烧产物的温度，二次燃烧时燃烧反应更完全，可以降低污 染物排放量。
本发明中，液体燃料是能在高温、高压条件下气化膨胀和化学燃烧的液 体，为水或以水为溶剂、以能在高温高压条件下气化膨胀和化学燃烧的物质 为溶质的液体，可以是乳化水，也可以是水和能与水互溶的不含热值的溶质 形成的水溶液或添加了乳化剂和添加剂的乳化液，也可以是水和能与水互溶 的含有热值的溶质形成的水溶液或添加了乳化剂和添加剂的乳化液，还可以 是水和不能与水互溶的含有热值的溶质、乳化剂和添加剂形成的乳化液。具 体来讲，液体燃料包括(1)水，水可直接喷入，也可以加入乳化剂和添加 剂以调整"冰点"，使适应内燃机的环境气候温度；使具有合适的粘度及润滑 性，避免对二次喷射系统零部件的锈蚀；(2)过氧化氢水溶液、二甲醚水溶 液；(3)水+内燃机燃料(汽油、柴油)+乳化剂+添加剂形成的混合液。 溶质的含量可根据参与燃烧的条件确定。
图1为采用二次喷射器的电喷汽油发动机的工作示意图；图2为采用二次喷射器的柴油发动机的工作示意图。
具体实施例方式
实施例l、见图l。具有曲轴l、连杆2、气缸3、活塞4、火花塞5的四 冲程汽油内燃机的每个气缸3上端部设有等同柴油机喷油器功能、结构的二 次喷射器6。汽油雾化和空气混合形成可燃混合气在进气行程被吸入气缸，在 做功行程的上止点前由火花塞点火，可燃混合气在气缸内一次燃烧做功，内 燃机按正常工况工作。由二次喷射器把水或其他液体燃料以曲轴转角和连杆 摆角达到sin (a+e) /cose为最大值的时刻为基准提前一定时间单次雾化 喷入气缸内。由于可燃混合气的一次燃烧可使气缸内压力达到3 — 5MPa，瞬间 温度可达2200—2800K，水在此高压、高温下气化，产生气体膨胀，部分分解 成氧气、氢气，气缸内的一次燃烧产物和水的分解产物进一步发生二次燃烧 反应，使活塞下行到使连杆和曲轴正处于产生转矩的分力值为最大值范围附 近增大了气缸压力，提高了内燃机的输出功率。内燃机的一次燃烧可以使用 稀的空燃比，以不超过燃油混合气的火焰传播速度下限为度，以节约燃油。 这样燃烧温度高，会造成NOx的排放量增加，而喷入的水的气化过程是吸热反 应，可以降低气缸内的温度，有利于降低N(X的排放量。
实施例2、见图2。具有曲轴l，连杆2、气缸3，活塞4、喷油器7的柴 油内燃机每个气缸3上端部设有等同于柴油机功能、结构的二次喷射器6。在 压縮行程终了，喷油器雾化喷入柴油并着火燃烧。在作功行程的上止点前， 由二次喷射器把水或加入添加剂的乳化水液体燃料雾化喷入气缸，可燃混合 气燃烧使气缸内最高压力可达5 — 10MPa，温度可达1800—2200K，雾化喷入 的水在此高压、高温下气化分解膨胀，部分水分解为氢气和氧气，并参与燃 烧，其结果是提高了一次燃烧的气缸压力。该实施例相当于柴油掺水的乳化 柴油效果，但省却了乳化柴油的生产过程和避免了乳化柴油本身具有的缺点。 该种方式可燃混合气的掺水燃烧可以减低燃烧温度，有利于采用稀的空燃比 燃烧，并降低污染物排放。
实施例3、见图l。具有曲轴l、连杆2、气缸3、活塞4、火花塞5的四 冲程汽油内燃机每个气缸3上端部还设有等同柴油机喷油器功能、结构的二次喷射器6。先由二次喷射器6把水和过氧化氢水溶液的液体燃料在作功行程
的上止点前第一次喷入气缸，再以曲轴转角和连杆摆角达到sin( a+P )/cos P为最大值的时刻为基准提前一定时间第二次雾化喷入气缸，第一次喷射的 效果同实施例2，第二次喷射的效果同实施例l。喷入的液体燃料中的水的作 用同实施例1，过氧化氢在可燃混合气燃烧的高温条件下分解本身就使体积急 剧膨胀，分解产生02和&0，其中02是助燃物，可以使燃烧更完全。第一次喷 射提高了气缸的一次燃烧压力，第二次喷射产生二次燃烧，增大了当活塞下 行到使连杆和曲轴正处于产生转矩的分力值为最大值范围附近的气缸压力， 一个作功循环实行两次喷射，最大限度地提升了功率输出。
实施例4、见图l。具有曲轴l、连杆2、气缸3、活塞4、火花塞5的四 冲程汽油内燃机每个气缸3上端部还设有等同柴油机喷油器功能、结构的二 次喷射器6。由二次喷射器6把水和醇类水溶液燃料在进气行程随活塞下行吸 气喷入气缸，和汽油混合气混合，压縮行程时被活塞压縮，随压缩过程混合 气温度升高，其水剂燃料被汽化并更好地和汽油混合气混合，压縮行程终了 使得气缸压力提高，相当于提高了压縮比。在做功行程的上止点前由火花塞 点火，含有液体燃料的可燃混合气燃烧，液体燃料中的水在燃烧的高温高压 条件下产生气化分解膨胀，部分水分解出氢气和氧气，并参与燃烧过程，一 次燃烧的气缸压力升高，提高了内燃机的功率，在保证同功率输出的情况下， 可以降低燃油供给量。
权利要求
1、一种提高内燃机效率的方法，其特征在于，通过设置于内燃机气缸上部的二次喷射器把高温、高压条件下能气化膨胀和化学燃烧的液体燃料在内燃机一个工作循环内单次或多次喷入到气缸内。
2、 如权利要求l所述的提高内燃机效率的方法，其特征在于，在做功行 程使液体燃料在可燃混合气燃烧的同时产生气化分解、助燃、膨胀，提高一 次燃烧的气缸压力。
3、 如权利要求l所述的提高内燃机效率的方法，其特征在于，使液体燃 料在可燃混合气一次燃烧产生的高温、高压条件下产生气化分解、膨胀，并 和一次燃烧产物发生二次化学燃烧，使其曲轴转角和连杆摆角达到sin (a + 0) /cosP为最大值附近，提高气缸压力。
4、 如权利要求1、 2或3所述的提高内燃机效率的方法，其特征在于， 液体燃料为水或加水燃料。
5、 一种高效内燃机，包括气缸，其特征在于，在气缸缸盖或者缸体上端 部设有用以向气缸中喷射高温、高压条件下能气化膨胀和化学燃烧的液体燃 料的二次喷射器。
全文摘要
一种提高内燃机效率的方法，通过设置于内燃机气缸上部的二次喷射器把高温、高压条件下能气化膨胀和化学燃烧的液体燃料在内燃机一个工作循环内单次或多次喷入到气缸内。在做功行程使液体燃料在可燃混合气燃烧的同时产生气化分解、助燃、膨胀，提高一次燃烧的气缸压力。或者使液体燃料在可燃混合气一次燃烧产生的高温、高压条件下产生气化分解、膨胀，并和一次燃烧产物发生二次化学燃烧，提高气缸压力。液体燃料为水或加水燃料。利用上述方法的高效内燃机，包括气缸，在气缸缸盖或者缸体上端部设有用以向气缸中喷射高温、高压条件下能气化膨胀和化学燃烧的液体燃料的二次喷射器。利用本发明可有效提高内燃机效率。
文档编号F02B47/02GK101289959SQ20071005423
公开日2008年10月22日 申请日期2007年4月16日 优先权日2007年4月16日
发明者甜 张, 博 蔡, 棽 蔡 申请人:蔡 棽;张 甜;蔡 博