[发明专利]一种具有余热回收和利用功能的内燃机及控制方法

说明书

技术领域

本发明提供一种具有余热回收和利用功能的内燃机及控制方法，具体涉及一种内燃机的排气余热回收与利用、燃料供给与燃烧控制。

背景技术

20世纪70年代以来，随着电子技术和尾气后处理技术的广泛应用，内燃机的油耗和有害物排放得到大幅度降低。传统的汽油机属于预混均质燃烧，由于受爆震等诸多因素的限制，压缩比低，热效率低，采用电子控制和排气后处理装置可使汽油机达到较低的排放。与汽油机相比，柴油机压缩比高，具有较高的热效率和优越的燃油经济性，但是，传统柴油机的燃烧是燃料喷雾的扩散燃烧，依靠内燃机活塞压缩到接近终点时的高温使混合气自燃着火。由于喷雾与空气的混和时间很短，燃料与空气混和的严重不均匀，形成高温浓混合气区和高温火焰区，导致碳烟和NO_X大量生成，采用电控高压共轨和多次喷油技术并附以排气后处理技术可使柴油机达到很低的排放，但成本较高。另一种受到广泛关注的燃烧形式，把柴油机的高压缩比和汽油机均质预混合结合起来，形成了均质预混合点燃内燃机，高压缩比实现高热效率，均质预混合实现低排放。该内燃机在进气过程形成均质的混合气，当压缩到上止点附近时均质混合气实现多点自燃着火。由于采用稀混合气均质同时燃烧，没有火花点火和扩散燃烧的局部高温反应区，使得NO_X和PM排放很低，而且具有较高的热效率。但这种燃烧方式受燃烧边界条件和燃料化学协同控制，没有汽油机的火花点火和柴油机的缸内喷油来控制着火时刻，因此，着火时刻难于控制，低负荷易失火，高负荷易爆震，运行工况较窄。传统汽油机采用化学计量比燃烧和机械节气门调节进气量，在部分负荷时的热效率较低、排气温度较高、进气流动损失大，由于汽油机绝大部分时间工作在部分负荷状态，从而导致汽油机总热效率较低。本发明采用高效换热器回收内燃机处于部分负荷状态的排气能量，利用该能量对汽油机的进气进行加热，可扩大汽油-空气混合气的稀燃界限，实现高效稀薄燃烧，而为了保持原机的功率，需加大节气门开度，导致汽油机的泵气损失减小，因此，采用进气加热、稀燃和大节气门开度能够较大幅度地提高汽油机在部分负荷的热效率并降低排放，是一种有效的点燃式内燃机节能减排的技术手段。

发明内容

为了实现提高火花点火内燃机部分负荷热效率、降低排放的目的，本发明采用了如下技术方案：一种具有余热回收和利用功能的内燃机，包括传统电控火花点火内燃机的内燃机气缸4、内燃机排气管6、曲轴转角位置传感器8、冷却水温度传感器9、进气温度和压力传感器10、节气门位置传感器11、爆震传感器12、线性氧传感器13、原机电控单元14、点火模块16、火花塞17、内燃机活塞18、燃料箱19、燃料压力调节器20、燃料喷嘴21、电子节气门22和内燃机进气空滤器23。其特征在于增加了一套内燃机排气余热回收装置，包括换热器低温进气管1、换热器进气开关阀2、换热器进气空滤器3、换热器5、换热器高温出气管7、内燃机进气开关阀25和余热管理控制单元15。曲轴转角位置传感器8、冷却水温度传感器9、进气温度和压力传感器10、节气门位置传感器11、爆震传感器12、线性氧传感器13通过电缆与原机电控单元14相连。余热管理控制单元15通过电缆与原机电控单元14相连并获取与原机电控单元14相连的所有传感器8-13的信号。此外，余热管理控制单元15通过电缆与换热器进气开关阀2、点火模块16、燃料喷嘴21、电子节气门22和内燃机进气开关阀25相连。燃料箱19、燃料压力调节器20和燃料喷嘴21通过不锈钢管或耐压软管依次连接，燃料喷嘴21固连在内燃机进气管24上。内燃机进气空滤器23和内燃机进气开关阀25固连在内燃机进气管24上。换热器5固连在内燃机排气管6上，换热器进气开关阀2和换热器进气空滤器3依次连接在换热器低温进气管1上并整体连接在换热器5上，换热器5和内燃机进气管24之间通过换热器高温出气管7相连至电子节气门22和内燃机进气空滤器23之间。

一种具有余热回收和利用功能的内燃机的控制方法在不同工况下的控制过程如下：

内燃机处于起动、怠速和大负荷工况时，余热管理控制单元15控制内燃机进气开关阀25打开，换热器进气开关阀2关闭，通过内燃机进气开关阀25、内燃机进气空滤器23和内燃机进气管24吸入常温空气。内燃机处于部分负荷时，余热管理控制单元15控制内燃机进气开关阀25关闭，换热器进气开关阀2打开，通过换热器低温进气管1、换热器进气开关阀2、换热器进气空滤器3、换热器5和换热器高温出气管7吸入经内燃机尾气加热的空气，使内燃机工作在热空气、稀燃和大节气门状态。