融合冷卻壓縮空氣的燃油發動機運行系統結構及其運行方法與流程

本發明涉及新能源發動機，具體為融合冷卻壓縮空氣的燃油發動機運行系統結構及其運行方法。

背景技術：

1、壓縮空氣是一種高效儲能的媒介。在電網使用的低峰時段，大量的電能需要及時儲存，還有風電和太陽能電也需要快速儲存裝置。電池充電、抬升水位、壓縮空氣都是儲能的途徑。電池充電慢，抬升水位受地形限制，壓縮空氣是最方便的儲能途徑。壓縮空氣動力裝置是一種新能源裝置。壓縮空氣發動機利用壓縮空氣在氣缸內的膨脹來做功。單獨壓縮空氣發動機來驅動車輛，能量密度低，效率低，在膨脹后期溫度過低會結冰，實用價值不高。

2、燃油發動機熱效率的提升受到爆震和進氣量的影響很大。提高壓縮比是提高燃油發動機效率的有效途徑。發動機壓縮比的提升受到發動機燃燒爆震的限制。發動機爆震的主要原因是發動機燃燒溫度過高。進氣量的增加受發動機爆震影響。米勒循環、稀薄燃燒都能降低發動機燃燒溫度，降低發動機爆震傾向，容許更高的壓縮比，從而提高發動機效率。這些措施也會降低發動機的有效功。發動機分缸技術，壓縮過程在燃燒室外部完成，理論上可以防止爆震，容許更高的壓縮比，提高發動機熱效率。

3、渦輪增壓利用發動機產生的廢氣能量驅動空氣壓縮機，提高發動機進氣的壓力，提高發動機進氣量，從而提高發動機功率。增壓后的空氣從發動機進氣門進入氣缸，在壓縮沖程被壓縮，溫度升高。為防止爆震，渦輪增壓發動機的壓縮比通常低于自然吸氣的發動機壓縮比。

4、在采用分缸技術的發動機中，氣體從壓縮缸到膨脹缸的轉換發生在膨脹活塞下行過程中，點火時刻在這個轉換發生之后，燃燒時間太晚，高溫氣體不能充分做功，有效效率不高。理想的點火時刻是在活塞到達上止點前20度曲軸轉角左右，缸內氣體最高壓力發生在活塞離開上止點后10度曲軸轉角左右。這是分缸技術無法做到的。實踐中，采用分缸技術的發動機效率沒有超過常規的發動機。

5、米勒循環發動機采用進氣門早關，降低了有效壓縮比，而發動機膨脹比不變。降低有效壓縮比，降低了發動機壓縮過程活塞上行時發動機所做負功。大膨脹比發動機降低膨脹終了的廢氣溫度，減少排出的廢氣帶走的熱量。降低有效壓縮比，也降低了壓縮終了的氣體溫度，降低爆震傾向，容許設計更大的膨脹比。理論上，膨脹比與壓縮比的比值越大，發動機熱效率越高。但是，有效壓縮比的降低會減少發動機進氣時間，從而減少進氣量，降低發動機的有效功，降低發動機功率。渦輪增壓與米勒循環一起使用，可以提高一定程度上緩解功率下降。但壓縮終了溫度的升高，限制了功率和效率的提升。如果壓縮空氣(常溫的)參與發動機進氣過程，極大地增加進氣量，增加發動機功率的同時，進一步降低壓縮終了溫度，容許更大的幾何壓縮比。壓縮空氣儲存的能量在發動機做功過程中釋放，提高發動機功率和效率。理論上這種發動機幾何壓縮比只受到加工制造工藝的限制，理論上發動機效率可以做到很高。

6、稀薄燃燒技術也是提高發動機效率的有效途徑。稀薄燃燒能降低發動機燃燒溫度，降低發動機爆震傾向，容許更高的壓縮比，減低排氣溫度，減低散熱損失，從而提高發動機效率。傳統的稀燃發動機由于點火能量限制，一般采用分層燃燒，燃油濃度在氣缸內分布不均勻。在火花塞附近，燃油濃度較高，普通火花塞能夠點燃空氣燃油混合氣。排放后處理的三元催化器，在稀薄燃燒條件下，轉換nox排放物的效率很低。所以分層稀燃發動機要加專門的后處理系統來處理nox，如scr系統(氨催化還原法脫硝)。scr系統通常用尿素作為脫硝劑。這種發動機中尿素不斷被消耗，附近有氨氣味道。為避免這種復雜的后處理實現，使稀燃發動機的nox原排滿足法規標準，超稀薄均質稀燃技術被提出來。超稀薄是指相對當量空燃比lambda在2左右，按質量計算，對應的汽油空燃比在29：1左右，甲醇空燃比為13：1左右。超稀薄燃燒降低混合氣燃燒溫度，降低nox排放。但是超稀薄混合氣點燃困難。各種高能點火技術正在被開發(如250mj及更大點火能量的火花塞，等離子點火，激光點火，預燃室點火等)。其中預燃室點火能量最高，它可以點燃相對當量空燃比lambda大于2的混合氣。預燃室內的相對當量空燃比lambda接近當量比1。火花塞點燃預燃室內的混合氣，預燃室內混合氣溫度壓力急劇上升。在預燃室內外巨大壓力差作用下，預燃室內半燃燒的混合氣從噴孔噴出，引燃主燃燒室內的混合氣。現在超稀薄均質稀燃發動機有效熱效率超過了45％，nox原始排放雖然比分層稀燃少很多，但是仍然不能滿足排放法規。nox原始排放與溫度呈指數關系。溫度每降低100度，nox原始排放大約減少6倍。采用常溫的壓縮空氣降低進氣溫度，可以使超稀燃發動機的nox原始排放滿足排放法規。

7、現有將氣體噴入預燃室的技術，其目的是掃出預燃室內的殘余廢氣，增加預燃室的點火能量。噴入預燃室的氣體沒有冷卻，溫度較高。另外一般在壓縮沖程開始時就噴射。噴射的氣體對活塞做負功，降低發動機有效熱效率。這樣的預燃室內氣體的溫度很高，是產生nox的主要源頭。

8、所以我們提出了融合冷卻壓縮空氣的燃油發動機運行系統結構及其運行方法，以便于解決上述中提出的問題。

9、本背景技術所公開的上述信息僅僅用于增加對本發明背景技術的理解，因此，其可能包括不構成本領域普通技術人員已知的現有技術。

技術實現思路

1、本發明的目的在于提供融合冷卻壓縮空氣的燃油發動機運行系統結構及其運行方法，以解決上述背景技術提出的問題。

2、為實現上述目的，本發明提供如下技術方案：融合冷卻壓縮空氣的燃油發動機運行系統結構，包括：

3、發動機主體，所述發動機主體設有主燃燒室，所述主燃燒室上安裝有噴油器和火花塞，主燃燒室上對應設置有進氣門和排氣門；

4、供氣機構，供氣機構采用壓縮空氣罐或多級壓縮機，供氣機構通過供氣管連接壓縮空氣氣軌或進氣歧管，并通過壓縮空氣氣軌或進氣歧管向發動機送氣，多級壓縮機的驅動輪由電機或發動機驅動。

5、優選的，供氣機構采用壓縮空氣罐，向發動機主燃燒室供氣，所述供氣管上設置有一級減壓閥、二級減壓閥和空氣流量計。

6、優選的，所述壓縮空氣通過進氣歧管，進氣道，進氣門進入發動機主燃燒室；進氣門要在進氣沖程早期關閉，減少壓縮空氣在壓縮沖程所受壓縮。

7、優選的，所述主燃燒室上還安裝有噴氣嘴，噴氣嘴與壓縮空氣氣軌連接，所述噴氣嘴的布置要使得噴入氣體流動方向與進氣門流入氣體流動方向一致；主燃燒室由進氣門從外界吸入空氣，壓縮空氣由噴氣嘴噴入主燃燒室；這樣降低了對壓縮空氣的需求量；噴氣嘴在進氣沖程早期工作，進氣門關閉時刻要在噴氣嘴停止工作后，具體時刻由發動機標定確定；噴氣嘴噴入的壓縮空氣占總進氣量的比例根據具體使用場合由發動機標定來優化；這個比例影響發動機效率，功率，排放。在容易布置及攜帶氣罐的場合，噴氣嘴噴入的壓縮空氣占總進氣量的比例大一些。

8、優選的，所述發動機主體還設有預燃室，預燃室上設置有空氣輔助噴嘴，空氣輔助噴嘴與壓縮空氣氣軌連接，所述噴油器和空氣輔助噴嘴均連接高壓油軌，所述空氣輔助噴嘴的噴孔噴氣方向的設計要防止噴入的混合氣直接流出預燃室；在壓縮沖程后期，由空氣輔助噴嘴將冷卻壓縮空氣噴入發動機預燃室內，降低預燃室內的氣體溫度；降低nox的生成量；冷卻壓縮空氣噴入量控制在發動機進氣量的3-5％左右。

9、本發明還提供融合冷卻壓縮空氣的燃油發動機運行方法，供氣系統由多級壓縮機替代，并通過壓縮空氣氣軌或進氣歧管向發動機送氣，多級壓縮機的驅動輪由電機或發動機驅動；多級壓縮機的壓縮過程越接近等溫壓縮所耗功越小；壓縮機的氣缸，各級壓縮的出口都進行冷卻。

10、本發明還提供融合冷卻壓縮空氣的燃油發動機運行方法，包括如下步驟：

11、s1：冷卻壓縮空氣的供氣機構采用壓縮空氣罐；

12、s2：冷卻壓縮空氣在進氣沖程早期或壓縮沖程后期導入發動機氣缸內，增加發動機進氣量，減少壓縮沖程發動機對這部分氣體所做壓縮負功，降低發動機壓縮終了的溫度，降低發動機燃燒溫度，降低發動機爆震，降低nox生成率；壓縮空氣所儲存的能量在發動機膨脹沖程釋放做功，提高發動機熱效率；

13、在進氣沖程早期將冷卻壓縮空氣導入發動機氣缸內時，壓縮空氣由進氣門進入發動機主燃燒室內，或者，由噴氣嘴將冷卻壓縮空氣噴入發動機主燃燒室內，所述噴氣嘴的布置要使得噴入氣體流動方向與進氣門流入氣體流動方向一致，增加缸內滾流，改善缸內混合過程，提高燃燒速度；

14、在壓縮沖程后期將冷卻壓縮空氣導入發動機氣缸內時，由空氣輔助噴嘴將冷卻壓縮空氣噴入發動機預燃室內，降低預燃室內的氣體溫度，降低nox生成率，提高發動機進氣量，節省發動機壓縮功，提高功率和效率；

15、s3：冷卻壓縮空氣由多級壓縮機供氣。

16、與現有技術相比，本發明的有益效果是：本發明通過在合適時刻將冷卻壓縮空氣導入燃油發動機氣缸，減少壓縮空氣所受壓縮，減少發動機壓縮沖程所做負功，降低壓縮沖程終了的混合氣溫度，降低發動機燃燒溫度，降低發動機爆震，容許更高幾何壓縮比，降低nox原始排放，增加發動機進氣量，壓縮空氣所儲存的能量在發動機膨脹沖程釋放做功，提高發動機功率和熱效率。本發明適用點燃式發動機，也可以用于壓燃式發動機，在點燃式發動機上效果更好。

17、上述概述僅僅是為了說明書的目的，并不意圖以任何方式進行限制。除上述描述的示意性的方面、實施方式和特征之外，通過參考附圖和以下的詳細描述，本發明進一步的方面、實施方式和特征將會是容易明白的。