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CN102022177A - 一种发动机 - Google Patents

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Abstract

本发明预燃喷水式发动机，特征在于在发动机汽缸盖上有一个预燃室，预燃室不直接与汽缸相通，发动机压缩冲程、排气冲程或作功冲程的高温高压气体可以单向进入预燃室，然后向预燃室内喷油、喷水，燃油在预燃室内与高温高压气体相遇发生预燃烧烧掉所有的氧气，预燃烧过的燃油在预燃室内与水发生水煤气反应产生水煤气，然后水煤气经过冷却从发动机进气管进入发动机汽缸进行燃烧作功，水煤气燃烧作功采用压燃式燃烧方式，水煤气的主要成分是氢气和一氧化碳，可以采用大压缩比且不易产生爆震，燃烧速度快，热效率高，尾气有害物质少可以大幅度提高发动机环保指标，对油品、喷油嘴和喷油泵的要求不高，目前几乎所有的燃油都可以满足本发动机的使用要求且燃烧稳定不会产生爆震，对喷油嘴喷嘴孔径不需要特别细小，喷油压力也不需要特别高，降低了零部件的成本提高了发动机的稳定性，消除了油品问题导致的喷油嘴使用故障，往预燃室内喷水而不是直接将水喷入发动机汽缸内，对发动机使用寿命不会产生影响；本发明的发动机在排气管处有一个喷水嘴，在排气管中间设置了一个涡轮马达，往发动机排气管中喷水，水雾化吸收废气的能量膨胀推动涡轮马达作功，涡轮马达带动发电机发电，将发动机废气的能量转化成电能提高发动机的热效率。

Description

一种发动机
技术领域
本发明为一种预燃喷水式发动机，特征在于向预燃室内喷油、喷水，燃油在预燃室内预燃烧，预燃烧过的燃油在预燃室内与水发生反应生成水煤气，然后水煤气经过冷却后从发动机进气管进入发动机汽缸内进行燃烧作功。
现有技术
当前的活塞式发动机按照燃油的种类分为汽油发动机和柴油发动机，汽油发动机和柴油发动机都采用缸内直接燃烧方式，汽油发动机由于汽油油品的限制不能采用压燃式燃烧方式，压缩比不能太高所以汽油机的热效率低一般在25％～30％，柴油发动机采用压燃式燃烧方式采用大压缩比，热效率高可以达40％，但对油品的要求严格，柴油机燃烧室分为直接喷射式燃烧室和分开式燃烧室，直接喷射式燃烧室对油品要求高，低速时发动机冒黑烟排放不达标，分开式燃烧室对油品要求不高但热效率低，不管是汽油发动机还是柴油发动机对喷油嘴和喷油泵都有非常高的要求，为了提高燃烧效率要尽可能地提高燃油雾化效果，这就要求燃油泵要提供非常高的压力，喷油嘴的喷嘴孔径要加工得非常细小，这些都会增加发动机的成本也会增加发动机的隐患；往汽缸内喷水可以提高发动机的热效率，类似的喷水发动机的专利很多，但水会导致发动机锈蚀严重影响发动机的寿命，现有的喷水发动机发明存在致命缺陷不被各大汽车厂采用；发动机废气带走大部分热能，约占燃油能量的40％以上，这就是传统形式的发动机热效率一直不高的原因所在。
发明目的
本发明预燃喷水式发动机，特征在于在发动机汽缸盖上有一个预燃室，预燃室不直接与汽缸相通，发动机压缩冲程、排气冲程或作功冲程的高温高压气体可以单向进入预燃室，然后向预燃室内喷油、喷水，燃油在预燃室内与高温高压气体相遇发生预燃烧烧掉所有的氧气，预燃烧过的燃油在预燃室内与水发生水煤气反应产生水煤气，然后水煤气经过冷却从发动机进气管进入发动机汽缸进行燃烧作功，水煤气燃烧作功采用压燃式燃烧方式，水煤气的主要成分是氢气和一氧化碳，可以采用大压缩比且不易产生爆震，燃烧速度快，热效率高，尾气有害物质少可以大幅度提高发动机环保指标，对油品、喷油嘴和喷油泵的要求不高，目前几乎所有的燃油都可以满足本发动机的使用要求且燃烧稳定不会产生爆震，对喷油嘴喷嘴孔径不需要特别细小，喷油压力也不需要特别高，降低了零部件的成本提高了发动机的稳定性，消除了油品问题导致的喷油嘴使用故障，往预燃室内喷水而不是直接将水喷入发动机汽缸内，对发动机使用寿命不会产生影响；本发明的发动机在排气管处有一个喷水嘴，在排气管中间设置了一个涡轮马达，往发动机排气管中喷水，水雾化吸收废气的能量膨胀推动涡轮马达作功，涡轮马达带动发电机发电，将发动机废气的能量转化成电能提高发动机的热效率。
水煤气反应的化学方程式为：
2C+O2＝2CO，C+H2O＝CO+H2，CO+H2O＝CO2+H2，CO2+C＝2CO
对于燃油发生水煤气反应的化学方程式可以用此公式CxHy+xH2O＝xCO+(y/2+x)H2表示
发明内容
本发明预燃喷水式发动机，其特征是由热交换器(1)、低压水煤气管(2)、减压阀(3)、高压水煤气管(4)、喷油嘴(5)、压力传感器(6)、温度传感器(7)、氧传感器(8)、喷水嘴(9)、水管(10)、水泵(11)、水箱(12)、水煤气电控阀(13)、节气门(14)、进气管(15)、进气门(16)、预燃室(17)、保压阀体(18)、保压气门(19)、预燃室进气道(20)、预燃室进气门(21)、排气门(22)、副喷水嘴(23)、排气管(24)、涡轮马达(25)和发电机(26)组成，在发动机汽缸盖上有预燃室(17)，喷油嘴(5)、喷水嘴(9)安装在汽缸盖上，喷油嘴(5)、喷水嘴(9)的喷嘴口与预燃室(17)内腔相通，预燃室(17)顶部有一小孔与高压水煤气管(4)相通，高压水煤气管(4)与预燃室(17)密封连接，预燃室(17)通过保压气门(19)经过保压阀体(18)与预燃室进气道(20)相通，再经过预燃室进气门(21)与发动机汽缸相通，保压阀体(18)装配在汽缸盖上通过其阀体内部的通道将预燃室(17)与预燃室进气道(20)联通，保压气门(19)安装在保压阀体(18)上通过弹簧使保压气门(19)处于密封状态气体只能单向进入预燃室(17)，预燃室进气门(21)与排气门(22)相互有一定角度在凸轮轴轴向上有一定间距，预燃室进气门(21)与排气门(22)被同一根排气凸轮轴驱动但开启时间不同，在作功冲程或排气冲程的某个时刻预燃室进气门(21)被打开，汽缸中的高温高压的废气通过预燃室进气道(20)推开保压气门(19)进入预燃室(17)，此时喷油嘴(5)喷油，燃油与高温高压的废气在预燃室(17)内燃烧，然后喷水嘴(9)往预燃室(17)内喷水，喷水嘴(9)通过水管(10)、水泵(11)与水箱(12)相连，水喷入预燃室后雾化成水蒸气并与初步燃烧过的燃油发生水煤气反应，然后气体通过预燃室(17)上方的小孔进入高压水煤气管(4)继续进行水煤气反应，高压水煤气管(4)的末端装配一个减压阀(3)，减压阀(3)设定在一定的开度使高压水煤气管(4)内保持适当的压力，在高压水煤气管(4)的管壁上装配有压力传感器(6)、温度传感器(7)、氧传感器(8)监控水煤气反应的压力、温度及氧气的含量，如果检测到温度、压力偏低发动机控制器会自动增加喷油量，反之会减少喷油量，如果检测到高压水煤气管(4)内氧气浓度超过指标就会增加喷油量烧掉多于的氧气，减压阀(3)与低压水煤气管(2)相连，经过彻底水煤气反应的气体通过减压阀(3)进入低压水煤气管(2)，低压水煤气管(2)经过热交换器(1)、水煤气电控阀(13)与进气管(15)相连，水煤气经过热交换器(1)的冷却到燃点以下后经由节气门(14)进入发动机汽缸内，减压阀(3)、水煤气电控阀(13)、喷油嘴(5)、喷水嘴(9)的与节气门(14)相关联，节气门(14)开度增加则减压阀(3)、水煤气电控阀(13)、喷油嘴(5)、喷水嘴(9)的开度也随之增加，反之则减小，在发动机停止后，水煤气电控阀(13)关闭，在排气管(24)上装配副喷水嘴(23)往发动机排气管中喷水，副喷水嘴(23)通过水管(10)与水泵(11)相连，水喷入排气管(24)后雾化膨胀推动涡轮马达(25)转动作功，涡轮马达(25)带动发电机(26)发电。
本发明预燃喷水式发动机还有另外一种结构(见附图2)，在上述的结构(见附图1)基础上减少一个预燃室进气门(21)可以大大减少发动机的零部件数量简化发动机结构，预燃室(17)通过预燃室进气道(20)与发动机汽缸相通，在预燃室进气道(20)上有保压气门(28)汽缸内的气体只能单向流入预燃室(17)，在汽缸盖上有深孔深入到预燃室进气道(20)内并在深孔的底部加工有气门座，保压阀体(27)装配在汽缸盖的深孔内，保压气门(28)装配在保压阀体(27)上滑动连接并在弹簧的作用下将保压气门(28)紧紧压在气门座上密封住气体，气体只能单向流入预燃室(17)确保预燃室(17)内保持高温高压完成水煤气反应。
本发明预燃喷水式发动机的其它结构如汽缸、活塞、连杆及曲轴等等结构，以及发动机四冲程工作方式(吸气、压缩、作功、排气)与传统发动机相同。
附图说明：
附图1为预燃喷水式发动机的结构原理图。
附图2为预燃喷水式发动机的结构原理图，不同于附图1之处在于减少了预燃室进气门，相应的保压阀门及保压阀体有相应的变化。
实施方法：
如附图1所示，本发明预燃喷水式发动机由热交换器(1)、低压水煤气管(2)、减压阀(3)、高压水煤气管(4)、喷油嘴(5)、压力传感器(6)、温度传感器(7)、氧传感器(8)、喷水嘴(9)、水管(10)、水泵(11)、水箱(12)、水煤气电控阀(13)、节气门(14)、进气管(15)、进气门(16)、预燃室(17)、保压阀体(18)、保压气门(19)、预燃室进气道(20)、预燃室进气门(21)、排气门(22)、副喷水嘴(23)、排气管(24)、涡轮马达(25)和发电机(26)组成，在发动机汽缸盖上铸造有预燃室(17)，喷油嘴(5)、喷水嘴(9)安装在汽缸盖上，喷油嘴(5)、喷水嘴(9)的喷嘴口与预燃室(17)内腔相通，预燃室(17)顶部有一小孔与高压水煤气管(4)相通，高压水煤气管(4)与预燃室(17)密封连接，保压阀体(18)装配在汽缸盖上通过其阀体内部的通道将预燃室(17)与预燃室进气道(20)联通，保压气门(19)安装在保压阀体(18)上通过弹簧使保压气门(19)处于密封状态气体只能单向进入预燃室(17)，预燃室进气门(21)与排气门(22)相互有一定角度在凸轮轴轴向上有一定间距，预燃室进气门(21)与排气门(22)被同一根排气凸轮轴驱动但开启时间不同，在作功冲程或排气冲程的某个时刻预燃室进气门(21)被打开，汽缸中的高温高压的废气通过预燃室进气道(20)推开保压气门(19)进入预燃室(17)，此时喷油嘴(5)喷油，燃油与高温高压的废气在预燃室(17)内燃烧烧掉所有的氧气并使温度和压力进一步升高，然后喷水嘴(9)往预燃室(17)内喷水，喷水嘴(9)通过水管(10)、水泵(11)与水箱(12)相连，水泵(11)会将水增压经由喷水嘴(9)往预燃室(17)内喷水，水马上雾化成水蒸气并与初步燃烧过的燃油发生水煤气反应，然后气体通过预燃室(17)上方的小孔进入高压水煤气管(4)继续进行水煤气反应使水煤气反应更加彻底，高压水煤气管(4)的末端装配一个减压阀(3)，减压阀(3)设定在一定的开度使高压水煤气管(4)内保持适当的压力保证水煤气反应更加彻底，在高压水煤气管(4)的管壁上装配有压力传感器(6)、温度传感器(7)、氧传感器(8)监控水煤气反应的压力、温度及氧气的含量，如果检测到温度、压力偏低发动机控制器会自动增加喷油量，反之会减少喷油量，如果检测到高压水煤气管(4)内氧气浓度超过指标就会增加喷油量烧掉多于的氧气，氧气一定要控制在一定指标以内不然氧气会在高压水煤气管(4)内与可燃气体发生氧化反应生成二氧化碳降低燃油的热效率，减压阀(3)与低压水煤气管(2)相连，经过彻底水煤气反应的气体通过减压阀(3)进入低压水煤气管(2)，低压水煤气管(2)经过热交换器(1)、水煤气电控阀(13)与进气管(15)相连，水煤气经过热交换器(1)的冷却到燃点以下后经由节气门(14)进入发动机汽缸内，减压阀(3)、水煤气电控阀(13)、喷油嘴(5)的与节气门(14)相关联，节气门(14)开度增加则减压阀(3)、水煤气电控阀(13)、喷油嘴(5)的开度也随之增加，反之则减小，在发动机停止后，水煤气电控阀(13)关闭，避免水煤气泄漏到空气中造成污染，在排气管(24)上装配副喷水嘴(23)往发动机排气管中喷水，副喷水嘴(23)通过水管(10)与水泵(11)相连，水雾化吸收废气的能量膨胀使排气管中的压力增加推动涡轮马达(25)转动作功，涡轮马达(25)带动发电机(26)发电，将发动机废气的能量转化成电能为汽车作功提高发动机的热效率。
如附图2所示，与附图1相比不同之处在于减少了预燃室进气门(21)，保压阀体(27)、保压气门(28)和预燃室进气道(20)有结构有变化，预燃室(17)通过预燃室进气道(20)与汽缸相通，在预燃室进气道(20)上有保压气门(28)保证汽缸内的气体只能单向流入预燃室(17)，在汽缸盖上有深孔深入到预燃室进气道(20)内并在深孔的底部加工有气门座，保压阀体(27)装配在汽缸盖的深孔内，保压气门(28)装配在保压阀体(27)上滑动连接并在弹簧的作用下紧紧将保压气门(28)压在气门座上起到密封的作用，在压缩冲程及作功冲程中只要汽缸内的压力超过预燃室(17)内的压力，汽缸内的气体就会进入到预燃室(17)内并在预燃室(17)内发生水煤气反应，在减压阀(3)的控制之下高压水煤气管(4)、预燃室(17)保正气体的压力超过压缩冲程中的汽缸内的最高压力，在压缩冲程中就不会有气体进入预燃室(17)内，只有在作功冲程的废气会进入预燃室(17)，这种结构设计可以大大减少从保压气门(28)到发动机汽缸的距离，减少燃气在预燃室进气道(20)内燃烧带来的能量损失，提高发动机效率，减少了预燃室进气门(21)可以减少发动机零件数量降低发动机成本。

Claims (2)

1.一种预燃喷水式发动机，其特征是由热交换器(1)、低压水煤气管(2)、减压阀(3)、高压水煤气管(4)、喷油嘴(5)、压力传感器(6)、温度传感器(7)、氧传感器(8)、喷水嘴(9)、水管(10)、水泵(11)、水箱(12)、水煤气电控阀(13)、节气门(14)、进气管(15)、进气门(16)、预燃室(17)、保压阀体(18)、保压气门(19)、预燃室进气道(20)、预燃室进气门(21)、排气门(22)、副喷水嘴(23)、排气管(24)、涡轮马达(25)和发电机(26)组成，在发动机汽缸盖上有预燃室(17)，喷油嘴(5)、喷水嘴(9)安装在汽缸盖上，喷油嘴(5)、喷水嘴(9)的喷嘴与预燃室(17)内腔相通，预燃室(17)顶部有一小孔与高压水煤气管(4)相通，高压水煤气管(4)与预燃室(17)密封连接，预燃室(17)通过保压气门(19)经过保压阀体(18)与预燃室进气道(20)相通，再经过预燃室进气门(21)与发动机汽缸相通，保压阀体(18)装配在汽缸盖上通过其阀体内部的通道将预燃室(17)与预燃室进气道(20)联通，保压气门(19)安装在保压阀体(18)上通过弹簧使保压气门(19)处于密封状态气体只能单向进入预燃室(17)，预燃室进气门(21)与排气门(22)相互有一定角度在凸轮轴轴向上有一定间距，预燃室进气门(21)与排气门(22)被同一根排气凸轮轴驱动但开启时间不同，在作功冲程或排气冲程的某个时刻预燃室进气门(21)被打开，汽缸中的高温高压的废气通过预燃室进气道(20)推开保压气门(19)进入预燃室(17)，此时喷油嘴(5)喷油，燃油与高温高压的废气在预燃室(17)内燃烧，然后喷水嘴(9)往预燃室(17)内喷水，喷水嘴(9)通过水管(10)、水泵(11)与水箱(12)相连，水喷入预燃室后雾化成水蒸气并与初步燃烧过的燃油发生水煤气反应，然后气体通过预燃室(17)上方的小孔进入高压水煤气管(4)继续进行水煤气反应，高压水煤气管(4)的末端装配一个减压阀(3)，减压阀(3)设定在一定的开度使高压水煤气管(4)内保持适当的压力，在高压水煤气管(4)的管壁上装配有压力传感器(6)、温度传感器(7)、氧传感器(8)监控水煤气反应的压力、温度及氧气的含量，如果检测到温度、压力偏低发动机控制器会自动增加喷油量，反之会减少喷油量，如果检测到高压水煤气管(4)内氧气浓度超过指标就会增加喷油量烧掉多于的氧气，减压阀(3)与低压水煤气管(2)相连，经过彻底水煤气反应的气体通过减压阀(3)进入低压水煤气管(2)，低压水煤气管(2)、热交换器(1)、水煤气电控阀(13)与进气管(15)相连，水煤气经过热交换器(1)的冷却到燃点以下后经由节气门(14)进入发动机汽缸内，减压阀(3)、水煤气电控阀(13)、喷油嘴(5)、喷水嘴(9)的与节气门(14)相关联，节气门(14)开度增加则减压阀(3)、水煤气电控阀(13)、喷油嘴(5)、喷水嘴(9)的开度也随之增加，反之则减小，在发动机停止后，水煤气电控阀(13)关闭，在排气管(24)上装配副喷水嘴(23)往发动机排气管中喷水，副喷水嘴(23)通过水管(10)与水泵(11)相连，水喷入排气管(24)后雾化膨胀推动涡轮马达(25)作功，涡轮马达(25)带动发电机(26)发电。
2.如权利要求1所述的预燃喷水式发动机，其特征是减少了预燃室进气门(21)，预燃室(17)通过预燃室进气道(20)与发动机汽缸相通，在预燃室进气道(20)上有保压气门(28)，在汽缸盖上有深孔深入到预燃室进气道(20)内并在深孔的底部加工有气门座，保压阀体(27)装配在汽缸盖的深孔内，保压气门(28)装配在保压阀体(27)上滑动连接并在弹簧的作用下将保压气门(28)压在气门座上密封住气体。
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