CN106285924B - 提高内燃机尾气中能量利用率的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种提高内燃机尾气中能量利用率的装置。这一装置把内燃机的排气管分为膨胀排气管和推出排气管，对膨胀排气管分段，并采用膨胀排气管内适时再膨胀技术，在不增加排气阻力的前提下，把尾气中的热能转化为膨胀能，其与尾气中原有的膨胀能叠加后推动尾气涡轮机做功。这一装置可以利用涡轮机从内燃机的尾气中得到更多的可用机械能。这项技术的主要应用方向是：尾气涡轮机经减速器推动发电机，为油电混合动力汽车的蓄电池充电，使油电混合动力汽车在采用内燃机驱动模式时实现无附加能耗的行驶中充电。

Description

提高内燃机尾气中能量利用率的装置
技术领域
本发明涉及一种提高内燃机效率的装置，尤其是一种提高内燃机尾气中能量利用率的装置，属于内燃机技术领域。
背景技术
排气损失是内燃机各项损失中比例较大的一项，它几乎与有用功相当，如果能把废气中的能量转化为有用功，就能使内燃机的效率得到显著提高，现广泛采用的废气涡轮增压方案就是在这一方面进行的探索和实践。随着废气涡轮增压方案的应用，内燃机的升功率得到了显著提高，但这一方案不能提高内燃机的热效率，表现在增压内燃机的燃油消耗率指标没有显著降低，这主要是因为废气涡轮增压方案存在以下缺陷：(1)推动废气涡轮增压器增加了排气阻力，使排气的推出损失功升高；(2)进气压力的提高增高了压缩冲程中气缸内的压力，使压缩的损失功升高；(3)由于进气压力的升高会使压缩和做功冲程中气缸内的压力和温度大幅度升高，为了避免压力和温度过高而损坏机器，对增压的幅度必须加以限制，这就使废气中的能量得不到充分利用。
专利号为201320008898.8，专利名称为“提高内燃机热效率的换气装置”的实用新型专利公开了一种能够采用分路排气降低排气阻力、采用串联增压将废气中的膨胀功最大限度转化为有用功、采用压缩初期适当释放气缸内压力限制压缩和做功冲程中气缸的压力的方法，将废气中的能量最大限度转变成有用功，显著提高内燃机热效率。这种方法虽已被证明可行并有效，但它存在两个重要缺陷，(1)因为它要在进气冲程末期释放气缸内的压力，造成气缸内实际参加燃烧的空气数量难以测量和控制，导致燃空比也难以精确控制；(2)因为尾气所包含的能量中有很大一部分是热能，而不是膨胀能，上述专利技术方案不能利用尾气中的热能。因此，要想使尾气中的能量得到更充分的利用，必须对上述技术方案进行进一步的改进。
发明内容
本发明要解决的技术问题是 ：提供一种既不增加排气阻力，又能把尾气中的热能转化为膨胀能，使其与尾气中原有的膨胀能叠加，然后再推动尾气涡轮机做功，这一装置可以利用涡轮机从尾气中得到更多可用的机械功。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种提高内燃机尾气中能量利用率的装置，包括气缸盖、膨胀排气管和推出排气管、电磁阀、压缩空气管、发动机控制单元、储气罐、气泵、进气管、涡轮机和涡轮机连接盘。所述膨胀排气管根据各气缸之间的排气间隔角，分为至少两段，各段膨胀排气管在尾气涡轮机内汇合，所述各段膨胀排气管分别由压缩空气管经电磁阀与储气罐连接，储气罐与气泵连接，气泵的进气端与内燃机的进气管连接，膨胀排气管的出气端经尾气涡轮机后与***连通，推出排气管的出气端与***连通。
所述气缸盖中对应于每个气缸设有与膨胀排气阀和推出排气阀相对应的、相互分隔开的排气道。
所述膨胀排气管和推出排气管位于内燃机的同一侧。
所述膨胀排气阀的开启角与推出排气阀的关闭角之间的曲轴转角范围覆盖整个排气冲程。采用分路排气技术后，两路排气分别完成膨胀排气过程和推出排气过程，膨胀排气阀的开启角与推出排气阀的关闭角之和等于现有内燃机排气阀打开的持续角才能够完成排气冲程。
所述电磁阀由发动机控制单元 (ECU) 提供控制电能。
本发明设置膨胀和推出两个排气支路的理由如下 ：两个排气阶段排出的尾气各行其道，互不干扰，用膨胀排气支路排出的尾气中携带的膨胀功推动尾气涡轮机，使尾气中的能量得到利用 ；从推出排气支路排出的废气绕过涡轮机，直接经***排入大气，使推出排气阶段的排气阻力降低。这一措施为充分利用废气中的能量，而不增加排气阻力创造了条件。
本发明采用膨胀排气管分段的理由如下 ：膨胀排气管根据各气缸之间的排气间隔角，分为至少两段，各段膨胀排气管内的排气间隔角度应保证其所连接的排气阀之间无叠开角，各段膨胀排气管在尾气涡轮机的进气端汇合，这样，在尽可能充分利用尾气中膨胀功的同时，还可以减少排气管中压力波动对内燃机运行过程的不利影响。
本发明采用膨胀排气管内适时再膨胀的理由如下 ：为了把尾气中的热量转化为有用功，适时向各段膨胀排气管内注入压缩空气，压缩空气在接触到排气管内的高温尾气后，体积会发生膨胀，实现把尾气中的热能转化为膨胀能，这一部分膨胀能与尾气中原有的膨胀能叠加在一起，就能获得更多的膨胀能量来推动尾气涡轮机。
本发明能够最大限度地将废气中的能量经尾气涡轮机转化成可用的机械能，由于尾气中包含的能量几乎与内燃机的有用功相当，所以实施本发明后，可以从尾气涡轮机输出轴上获得的机械能也十分可观。根据现有的技术条件，在实施本发明后，从尾气涡轮机输出轴上获得的机械能主要的应用方向是 ：利用尾气涡轮机经减速器推动发电机，为油电混合动力汽车的蓄电池充电，使油电混合动力汽车在采用内燃机驱动模式时，实现无附加能耗的行驶中充电。实施本发明后，可以提高内燃机燃料的利用率，达到节能减排的目的。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图 1 是本发明的构成示意图 ；
图 2 是膨胀排气阀凸轮结构示意图 ；
图 3 是推出排气阀凸轮结构示意图 ；
图 4 是汽缸盖上各气阀及进、排气管的布置示意图 ；
图 5 是汽缸盖上排气管一侧各排气管的布置示意图；
图 1 中，1、***，2、推出排气管，3、涡轮机，4、连接盘，5、一段膨胀排气管，6、二段膨胀排气管、7、汽缸盖，8、膨胀排气阀，9、进气阀，10、推出排气阀，11、电磁阀，12、压缩空气管，13、发动机控制单元 (ECU)，14 储气罐，15、气泵，16 进气管 17、空气滤清器 ；
图 2 中大写英文字母所标注的点分别对应 ：A、下止点，B、上止点，C、膨胀排气阀开启点（此点对应现有内燃机排气阀开启点），F、膨胀排气阀开到最大点，G、膨胀排气阀关闭点，D、推出排气阀关闭点（此点对应现有内燃机排气阀关闭点） ；
图 3 中大写英文字母所标注的点分别对应 ：A、下止点，B、上止点，H、推出排气阀开启点，I、推出排气阀开到最大点，C、现有内燃机推出排气阀开启点（此点对应现有内燃机排气阀开启点），D、推出排气阀关闭点（此点对应现有内燃机排气阀关闭点）。
图 4、图 5 中各数字代表的零件与图 1 一致。
具体实施方式
1) 分路排气：在现有的双顶置凸轮轴内燃机缸盖上对应于每个气缸做出相互隔离的排气道，并对排气凸轮做相应的修改，根据排气冲程中膨胀排气阶段和推出排气阶段在时间上的差别，把排气的途径分为膨胀排气支路和推出排气支路，利用气阀的驱动机构分别控制这两个排气支路的排气阀，使膨胀排气阀在膨胀排气阶段打开，在推出排气阶段关闭；推出排气阀在推出排气阶段打开，排气结束时关闭。
2) 膨胀排气管分段 ：膨胀排气管与尾气涡轮机的连接方式与现有内燃机的变压式废气涡轮增压***排气管的连接近似，把膨胀排气管分为至少两段，使各段膨胀排气管内的排气阀之间无叠开角，各段膨胀排气管经连接盘与尾气涡轮机的进气口连接。
3) 适时再膨胀：在各段膨胀排气管上分别设一个电磁阀与气泵和储气罐连接，由发动机控制单元提供电磁阀的控制电能，当某一段膨胀排气管内对应的膨胀排气阀完全关闭时，适时打开电磁阀，向对应的膨胀排气管内适量注入压缩空气，压缩空气吸收了尾气中的热量后体积就会发生膨胀而产生膨胀功，把尾气中的热能转化为膨胀能，这样就可以得到更多的膨胀能来推动尾气涡轮机。

Claims (4)

1.一种提高内燃机尾气中能量利用率的装置，包括气缸盖（7）、用于排气冲程中膨胀排气阶段的膨胀排气管、用于排气冲程中推出排气阶段的推出排气管（2）、电磁阀（11）、压缩空气管（12）、发动机控制单元（13）、储气罐（14）、气泵（15）、进气管（16）、涡轮机（3）和涡轮机连接盘（4），所述膨胀排气管根据各气缸之间的排气间隔角，分为至少两段，使各段膨胀排气管内的排气阀之间无叠开角，所述膨胀排气管包括一段膨胀排气管（5）、二段膨胀排气管（6）；各段膨胀排气管在尾气涡轮机（3）内汇合，所述各段膨胀排气管分别由压缩空气管（12）经电磁阀（11）与储气罐（14）连接，储气罐（14）与气泵（15）连接，气泵（15）的进气端与内燃机的进气管（16）连接，各段膨胀排气管的出气端经尾气涡轮机后与***（1）连通，推出排气管（2）的出气端与***（1）连通；所述一段膨胀排气管（5）、二段膨胀排气管（6）和推出排气管（2）位于内燃机同一侧。
2.根据权利要求1所述的提高内燃机尾气中能量利用率的装置，其特征在于：所述气缸盖（7）中对应每个气缸设有与膨胀排气阀和推出排气阀相对应的、相互隔开的排气道。
3.根据权利要求1所述的提高内燃机尾气中能量利用率的装置，其特征在于：所述膨胀排气阀（8）的开启角与推出排气阀（10）的关闭角之间的曲轴转角范围覆盖整个排气冲程。
4.根据权利要求1所述的提高内燃机尾气中能量利用率的装置，其特征在于：所述电磁阀由发动机控制单元（13）提供控制电能。
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