专利名称：一种四冲程内燃机燃烧系统及使用方法
技术领域：
本发明属于内燃机技术领域，涉及一种四冲程内燃机燃烧系统及使用方法，尤其 是是一种基于废气再循环技术、以纯氧为助燃剂的燃烧系统。
背景技术：
随着全球环境的恶化和能源危机的出现，更节能，更环保的内燃机技术已成为发 展的焦点。日益严格的汽车排放法规对于二氧化碳的排放已经做出了限定。但是化石燃料 燃烧不可避免要产生CO2排放，除了使用节能降耗的新技术降低CO2排放以外，化石燃料燃 烧尾气中CO2的捕集及储存技术(CCS)被认为是应对全球气候变暖的直接有效的方法，它 通过收集发电厂之类的固定源产生的CO2气体，进而长期储存于海洋或相对封闭的地质构 造中，从而显著减少大气中的CO2排放。近年来，基于内燃兰金循环结合水再循环技术的碳氢燃料纯氧燃烧技术已经在涡 轮机发电领域得到大力发展。美国清洁能源系统公司CES(Clean EnergySystems, Inc.) 是这一技术的发起者，该公司通过将航天技术和传统发电系统相结合，开发了这项应用化 石燃料的零排放发电技术。CES工作方法的核心是用类似于火箭推动器上的“气体发生器” 来代替传统的蒸汽锅炉和废气处理系统。1999年，澳大利亚两院院士、悉尼大学Bilger教 授初次提出将这一技术运用在内燃机中的构想，并于2009年和同济大学吴志军教授共同 发表了 “CarbonCapture for Automobiles Using Internal Combustion Rankine Cycle Engines，，(《Journal of Engineering for Gas Turbines and Power》May 2009，Vol. 131)。 该文献介绍了基于兰金循环的内燃机的工作原理，并对该理论循环的热效率进行了深入的 计算和分析。这项技术采用纯氧代替空气作为助燃剂与汽油形成混合气被点燃，而后在燃 烧过程中加入循环介质(CO2或H2O)来控制燃烧温度和速度。充分燃烧后废气仅为C02/H20 混合气，可以在冷凝器中方便的分离，并对CO2进行回收，达到彻底的零排放。但要使得这 项技术可以真正应用于内燃机，还需对内燃机本身做很多改造。
发明内容
本发明的目的在于提供一种四冲程内燃机燃烧系统及使用方法，可将兰金循环应 用于内燃机上，提高了四冲程内燃机的燃油经济性，减少了废气中有害物质的排放。为实现以上目的，本发明提供所采用的技术方案是一种内燃机燃烧系统，其包括排气系统，包括排气门、排气道、排气道阀门和氧传感器，排气道与燃烧系统连接 处安装有排气门，氧传感器设置于排气道内，排气道内设有排气道阀门，位于传感器后侧；燃烧系统，包括汽缸体、缸盖、喷油器和火花塞，火花塞布置在平行于排气道方向 的缸盖中线上，喷油器布置在平行于进气道方向的缸盖中线上；进气系统，包括进气道、节气门和储氧罐，节气门设于进气道内，进气管与储氧罐 相连，并由节气门控制进氧；
废气再循环系统，其与排气道和进气道相连通，并设有废气再循环阀门控制排气 道内的废气输送至进气道；控制系统，包括电子控制单元，控制系统的进气、排气流量及喷油量。所述汽缸体内还设有活塞、连杆和曲轴，连杆的小端与大端分别与活塞和曲轴相 连，活塞位于汽缸体内，可沿汽缸体做直线运动，曲轴旋转带动连杆，进而带动活塞做往复 式运动。所述氧传感器测定排气道内废气含氧量，并发送给电子控制单元，进而控制排气 道的排气量、废气再循环系统的废气输送量以及进气道的进气量。所述节气阀、喷油器、废气再循环阀门和排气道阀门的开启及其开启程度均通过 电子控制单元控制。上述燃烧系统的使用方法，氧气和燃料进入汽缸体燃烧，燃烧后的废气经由排气道内的氧传感器测含氧量， 并将氧传感器的测量值发送给电子控制单元，与电子控制单元内预设的含氧量标定值比 较，进而控制排气道的排气量、废气再循环率以及进气道的进气量。所述废气含氧量高于电子控制单元的标定值时，排气道阀门关闭，废气通过废气 再循环系统的废气再循环阀门重新进入汽缸体，电子控制单元根据氧传感器提供的信号， 调节节气门的开启程度，确保废气以最大比例进入汽缸体，同时调节喷油器的喷油量，保证 燃烧过程正常进行，进入下一个工作循环。所述废气含氧量低于电子监控单元的标定值时，排气阀门开启，一部分废气排出， 另一部分废气通过废气再循环系统的废气再循环阀门重新进入汽缸体，电子控制单元根据 氧传感器提供的信号，控制喷油量及节气门开启程度，以控制燃烧速度，保证发动机正常工 作，进入下一个工作循环。所述氧气为纯氧。本发明的优点在于该系统实现了兰金循环在四冲程内燃机燃烧系统中的应用， 采用纯氧燃烧，可以在稀薄工况下保证内燃机稳定工作及功率的输出，改善了内燃机的燃 油经济性；采用纯氧燃烧，使排放中无氮氧化物，通过喷入缸内过量的氧气可是燃料充分燃 烧，故无CO及HC的排放，使废气中仅含C02/H20，大大减少了废气中有害物质的排放。最后， 这种内燃机只需对现有四冲程内燃机的进排气道以及废气再循环装置的控制策略做出改 变即可实现，具有很强的实用性。
图1为本燃烧系统的工作原理示意图。图中，1为储氧罐、2为进气道、3为节气门、4为喷油器、5为汽缸体、6为活塞、7为 氧传感器、8为排气道阀门、9为排气道、10为火花塞、11为EGR阀门。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的具体实施作进一步描述。如图1，本发明的燃烧系统包括汽缸体5、曲轴、连杆、活塞6、进气道2、排气道9、喷 油器4、储氧罐1、火花塞10，节气门3、排气道阀门8、废气再循环阀门11、氧传感器7。连杆的小端与大端分别与活塞6和曲轴相连，活塞6位于汽缸体5内，并可以沿汽缸体5做直线 运动，曲轴旋转带动连杆，进而带动活塞做往复式运动。火花塞10靠近汽缸盖顶端，喷油器 4以及火花塞10分别布置在平行于进气道2和排气道9方向的缸盖中线上。进气阶段，活 塞6下行，氧气通过储氧罐1以一定的压力和流量进入进气道2，节气门3开启，氧气随下行 的活塞6进入汽缸体5，喷油器4在曲轴转角330° (或者说曲轴转角为上止点前30° )附 近将燃料(汽油)喷入汽缸体5内，由于首循环缸内无废气对燃烧过程进行控制，故喷油量 很小，从而可以控制其燃烧速度，避免发动机汽缸内压升高率过大。活塞6持续下行直至下 止点，进入压缩阶段，活塞6上行，混合气在活塞6上行至上止点时经火花塞10被点燃，此 时进入做功阶段，被点燃的混合气燃烧、膨胀所产生的推力推动活塞6下行做功，直至下止 点。排气阶段，活塞6上行，排气门(图未示)开启，燃烧后的废气经排气门进入排气道9， 布置于排气道9内的氧传感器7对排气道9内废气的氧气浓度进行测量，并将测量的氧气 浓度值传递给ECU(电子控制单元)，当氧气浓度值高于ECU标定值时，排气道阀门8关闭， 废气经过EGR阀门11，在第二工作循环时，随活塞6下行重新进入汽缸体5，E⑶根据氧传 感器7提供的信号，对节气门3的开启程度进行调节，以保证首循环废气以最大比例进入汽 缸体5，同时，根据氧传感器7所提供的信号，ECU对喷油量进行调整，并通过喷油器4喷入 汽缸，与汽缸体5内的氧气混合，完成第二个工作循环。氧传感器7对第二循环的废气再次进行氧气浓度测量，若氧气浓度值已低于标定 值，表明此循环对于缸内氧气的利用率较为理想，废气可以直接排出而不造成氧气的浪费。 此时开启排气道阀门8，一部分废气经排气道9排出，另一部分作为废气再次经EGR阀门11 以一定比例回到汽缸体5内，ECU根据氧传感器7提供的信号，控制喷油量及节气门3开启 程度，以控制燃烧速度，发动机进入稳定工作阶段。基于此种废气再循环技术，以纯氧为助 燃剂，建立了四冲程纯氧内燃机的工作循环。在变工况情况下，E⑶还可根据具体要求调整喷油量、节气门3以及排气道阀门8 的开启程度，并通过调节EGR阀11来使发动机在各种负荷、转速下正常工作。当排气道内 氧气过量时便关闭排气道阀门，使得废气重新进入缸内进行燃烧。本发明采用纯氧代替空气作为助燃剂，故燃烧速度大为增加，为保证内燃机工作 过程平顺、稳定，在发动机启动阶段采用及稀薄燃烧策略，即向缸内喷入极少量的燃油(氧 燃比可以达到25，远高于化学计量比3)以控制燃烧速度。首循环缸内燃烧过程结束后，废 弃中氧气质量分数依然将在60%以上，若与废气一起排出，则会造成氧气浪费，增加使用成 本的同时影响整车的续航能力。此时关闭排气道阀门并部分关闭节气门，使得全部废气通 过EGR阀回到缸内再次与燃油形成混合气进行燃烧。此工作循环结束，通过排气道内的氧 传感器判定废气中的氧气浓度，若依然存在较多的未燃氧气，则再次将废气通过EGR阀引 入缸内，直至废气中氧气浓度低于标定的水平，排气道阀门开启，EGR阀进入正常工作区域， 提供一定比例的废气再循环，保证发动机正常工作。每循环的供油量以及节气门的开启比 例均由ECU根据氧传感器提供的信号以及不同工况共同决定。传统缸内直喷(⑶I)发动机由于受三效催化转化器(TWC)的空燃比限制，其稀薄 燃烧工况(低油耗)的使用一直受到排放问题的困扰。而本发明几乎无有害排放(N0X，HC 等)，故可以利用稀薄燃烧提高燃油经济性。上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发
5明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的 一股原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施 例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的 保护范围之内。
权利要求
一种内燃机燃烧系统，其特征在于其包括排气系统，包括排气门、排气道、排气道阀门和氧传感器，排气道与燃烧系统连接处安装有排气门，氧传感器设置于排气道内，排气道上设有排气道阀门，位于传感器后侧；燃烧系统，包括汽缸体、缸盖、喷油器和火花塞，火花塞布置在平行于排气道方向的缸盖中线上，喷油器布置在平行于进气道方向的缸盖中线上；进气系统，包括进气道、节气门和储氧罐，节气门设于进气道内，进气管与储氧罐相连，并由节气门控制进氧；废气再循环系统，其与排气道和进气道相连通，并设有废气再循环阀门控制排气道内的废气输送至进气道；控制系统，包括电子控制单元，控制系统的进气、排气流量及喷油量。
2.如权利要求1所述的内燃机燃烧系统，其特征在于所述汽缸体内还设有活塞、连杆 和曲轴，连杆的小端与大端分别与活塞和曲轴相连，活塞位于汽缸体内，可沿汽缸体做直线 运动，曲轴旋转带动连杆，进而带动活塞做往复式运动。
3.如权利要求1所述的内燃机燃烧系统，其特征在于所述氧传感器测定排气道内废 气含氧量，并发送给电子控制单元，进而控制排气道的排气量、废气再循环率以及进气道的 进气量。
4.如权利要求1所述的内燃机燃烧系统，其特征在于所述节气阀、喷油器、废气再循 环阀门和排气道阀门的开启及其开启程度均通过电子控制单元控制。
5.如权利要求1所述的燃烧系统的使用方法，其特征在于氧气和燃料进入汽缸体燃烧，燃烧后的废气经由排气道内的氧传感器测含氧量，并将 氧传感器的测量值发送给电子控制单元，与电子控制单元内预设的含氧量标定值比较，进 而控制排气道的排气量、废气再循环率以及进气道的进气量。
6.如权利要求5所述的使用方法，其特征在于所述废气含氧量高于电子监控单元的标定值时，排气道阀门关闭，废气通过废气再循 环系统的废气再循环阀门重新进入汽缸体，电子控制单元根据氧传感器提供的信号，调节 节气门的开启程度，确保废气以最大比例进入汽缸体，同时调节喷油器的喷油量，保证燃烧 过程正常进行，进入下一个工作循环；所述废气含氧量低于电子监控单元的标定值时，排气阀门开启，一部分废气排出，另一 部分废气通过废气再循环系统的废气再循环阀门重新进入汽缸体，电子控制单元根据氧传 感器提供的信号，控制喷油量及节气门开启程度，以控制燃烧速度，保证发动机正常工作， 进入下一个工作循环。
7.如权利要求5所述的使用方法，其特征在于所述氧气为纯氧。
全文摘要
本发明提供一种四冲程内燃机燃烧系统及使用方法，该燃烧系统包括排气系统、燃烧系统、进气系统、废气再循环系统和控制系统，其通过在排气系统内设置氧传感器测量排出废气的含氧量，并发送给控制系统，有控制系统据此判断并调整进气系统、排气系统和废气再循环系统各部分的流量及喷油量，从而控制其燃烧。本发明通过废气中氧气含量决定是否将废气排出汽缸外，提高了氧气的利用率，降低了此动力系统的使用成本，增加了整车的巡航里程，同时，提高了内燃机的燃油经济性，降低了废气中有害物质的排放。
文档编号F02M35/10GK101949334SQ20101028210
公开日2011年1月19日 申请日期2010年9月15日 优先权日2010年9月15日
发明者于潇, 吴志军 申请人:同济大学