一种具有外循环系统的内燃机及工作方法
本发明公开了一种具有外循环系统的内燃机及工作方法，包括与内燃机的进气道和排气道连通的外循环系统；外循环系统包括进气加热组件、排气组件和连接组件；进气加热组件通过连接管路与内燃机的进气道和/或排气组件连通；进气加热组件通过风机向系统内输送并加热进气空气；排气组件具有排气管和安装于排气管排气端的排气后处理器；进气加热组件和/或内燃气的排气道输出的气体经过排气后处理器处理后排放；连接组件连接进气加热组件和排气组件。本发明的内燃机通过进气道和排气道外接有外循环系统，该外循环系统可以在内燃机不运转时循环工作，在进行进气加热或者排气加热时实现对进气空气的大幅度升温，从而改善内燃机的冷启动性能并降低冷启动过程中的有害排放，并帮助实现低压缩比发动机的压燃的工作方式。
发明专利
CN202310903013.9
2023-07-21
CN116906234A
2023-10-20
F02M35/10(2006.01)
西安交通大学
曾科;段浩;尹晓军
710049 陕西省西安市碑林区咸宁西路28号
西安智大知识产权代理事务所
何会侠
陕西;61
1.具有外循环系统的内燃机，其特征在于，包括： 与内燃机的进气道(104)和排气道(105)连通的外循环系统； 所述外循环系统包括： 进气加热组件(2)，排气组件(3)和连接组件(5)； 所述进气加热组件(2)通过连接管路与所述内燃机的进气道(104)和/或所述连接组件(5)连通； 所述进气加热组件(2)包括风机(201)和空气过滤器(202)，以及 与所述风机(201)的出气端连通的进气连接管路组，所述风机(201)通过所述进气连接管路组与所述内燃机的进气道(104)和/或所述连接组件(5)连通。 所述排气组件(3)具有与所述内燃机的排气道(105)连通的排气管(301)； 所述进气加热组件(2)通过连接组件(5)和/或所述内燃机的排气道(105)输出的气体经过所述排气组件(3)的排气管(301)排放； 所述连接组件(5)包括连接组件管路(501)和设置在连接组件管路(501)上的第三流量调节阀(403)，所述连接组件连接进气加热组件(2)和排气组件(3)，以通过该第三流量调节阀(403)控制所述连接组件管路(501)的开关。 所述外循环系统能够在内燃机不运转时循环工作，在进行进气加热和/或者排气加热时实现对进气空气的大幅度升温，从而改善内燃机的冷启动性能，并帮助实现低压缩比发动机(1)的压燃的工作方式。 2.根据权利要求1所述的具有外循环系统的内燃机，其特征在于，所述进气连接管路组包括：第一进气连接管路(203)； 所述第一进气连接管路(203)上安装有第一流量调节阀(401)，以通过该第一流量调节阀(401)控制所述第一进气连接管路(203)的开关。 3.根据权利要求2所述的具有外循环系统的内燃机，其特征在于，所述第一进气连接管路(203)上安装有电加热器(205)以及燃料喷嘴(206)，所述燃料喷嘴(206)喷射燃料至电加热器(205)，实现喷射燃料燃烧，释放能量以提高进气温度； 所述第一进气连接管路(203)与所述内燃机的进气道(104)连通以向所述内燃机内输送空气，或与所述连接组件管路(501)连通以向所述连接组件(5)输送空气。 4.根据权利要求2或3所述的具有外循环系统的内燃机，其特征在于，所述进气连接管路组还包括旁路设置在第一流量调节阀(401)两端的第二进气连接管路(204)和热交换器(303)； 所述第二进气连接管路(204)上安装有第二流量调节阀(402)，以通过该第二流量调节阀(402)控制所述第二进气连接管路(204)的开关； 所述第二进气连接管路(204)与所述第一进气连接管路(203)和所述热交换器(303)的外侧通道连通，并与所述第一进气连接管路(203)连通，所述热交换器(303)的内侧通道与排气管(301)连通。 5.根据权利要求3所述的具有外循环系统的内燃机，其特征在于，所述电加热器(205)的下游具有进气氧化触媒(207)，所述进气氧化触媒(207)进一步氧化燃料喷嘴喷射的未燃烧燃料，以进一步提高进气温度。 6.根据权利要求1所述的具有外循环系统的内燃机，其特征在于，所述排气组件(3)还包括： 安装于所述排气管(301)的排气端的排气后处理器(302)。 7.权利要求1至6任一项所述的具有外循环系统的内燃机的工作方法，其特征在于， 降低内燃机发动机的冷启动过程中的有害排放物的工作过程如下： 在发动机(1)运转之前先开启外循环系统，进行进气空气加热，使进气温度提高，特别是使排气管(301)中的进行尾气后处理的排气后处理器(302)中触媒温度提高，使其达到对尾气进行处理的温度条件；具体工作过程为：在发动机(1)不运转的条件下，开启电加热器(205)、并完全开启第三流量调节阀(403)，待电加热器(205)温度达到能够点燃由燃料喷嘴(206)所喷入的燃料后，开始喷入燃料，燃料开始在电加热器(205)的高温作用下开始燃烧，并由燃料放出的热量进一步提高电加热器(205)和进气氧化触媒(207)的温度，在喷入燃料的同时，开启风机(201)送入循环空气，送入的空气量要与喷入的燃料量相适应，在持续的电加热和燃料燃烧的作用下，进气空气温度增加，排气后处理器(302)的触媒的温度不断升高，此时开始运转发动机(1)，发动机(1)无须在高浓度的燃料空气混合比下运转，并且发动机(1)排出的有害废气能及时得到排气后处理器(302)的触媒的处理，因此降低发动机(1)尾气的排放； 解决低压缩比发动机(1)实现压燃工作方式问题的工作过程如下： 在发动机(1)需要启动时，先不运转发动机(1)，而是开启外循环系统对发动机(1)的进气进行加热和排气后处理器(302)的预热，具体过程为：先关闭第二流量调节阀(402)，开启电加热器(205)，待电加热器(205)温度达到能够点燃由燃料喷嘴(206)喷入的燃料的温度后，燃料喷嘴(206)喷入燃料，同时开启风机(201)送风，风机(201)的风量要满足燃料燃烧的需要但降低进气温度，经过加热和燃烧后形成的气体中的燃料经过进气氧化触媒充分氧化放出热量，使气体温度进一步提高，由于此时发动机(1)不运转，燃烧后的气体只能通过第三流量调节阀(403)进入外循环系统的排气管(301)到达排气后处理器(302)，对排气后处理器(302)的触媒进行加热；随着外循环的不断进行，到达连接组件管路(501)内空气的温度进一步升高，当温度达到预设温度T1，此时开始运转发动机(1)，并关闭第三流量调节阀(403)，使加热后的气体完全进入发动机(1)，发动机(1)运转几个循环后，其排出的气体温度达到预设温度T2，此时发动机(1)气缸内的压缩冲程末了时刻喷入燃料，由于此时压缩后的气缸内气体温度超过了燃料自燃温度，燃料就着火燃烧了，燃烧做功进一步推动发动机(1)运转，实现了发动机(1)从启动到稳定运行的过程； 发动机(1)启动和稳定运行后，从发动机(1)的排气道(105)排出的废气温度进一步升高，此废气经过排气管(301)到达排气后处理器(302)，进行无害化处理和进一步放出热量，此时开启第二流量调节阀(402)并关闭第一流量调节阀(401)，进气空气通过热交换器(303)，在热交换器(303)内被高温排气加热，此部分空气经过管路也到达电加热器(205)，若经过第一进气连接管路(203)的空气温度已到达或者超过预设温度T1，则电加热器(205)停止加热，仅依靠发动机(1)排气对进气的加热能使发动机(1)的进气温度达到预设温度T1；同时，发动机(1)已启动和稳定运转，还能够通过推迟喷油开始时刻来调节排气温度，从而调整排气对进气的加热作用，使达到发动机(1)进气道(104)的气体温度保持在预设温度T1以上，从而保证气缸内燃料压燃所需要的温度条件； 当发动机(1)进入中负荷或大负荷状态后，由于排气温度高，热交换器(303)对进气的加热作用大，则完全或者部分关闭第二流量调节阀(402)并开启第一流量调节阀(401)来调节进气温度，使其温度保持在预设温度T1附近，保证燃料压燃所需的进气温度条件； 解决发动机(1)的低温冷机启动问题的工作过程如下： 当即将启动发动机(1)时，首先开启电加热器(205)，同时开启第三流量调节阀(403)，当电加热器(205)达到炽热状态，此时开启风机(201)，并通过燃料喷嘴(206)喷入燃料至炽热的电加热器(205)表面，燃料在高温作用下燃烧，并通过与电加热器(205)靠近的进气氧化触媒(207)进一步氧化，所喷入的燃料完全燃烧或者氧化放出热量，进一步提高进入的空气温度，所进入的空气的流量由风机(201)的运转控制，风机(201)的风量、电加热器(205)的温度和喷入的燃料量要相互匹配，进气空气经过电加热器(205)加热、又经过燃料燃烧氧化放出热量后的加热，形成高温废气，由于此时发动机(1)不运转，该高温废气只能通过开启的第三流量调节阀(403)、排气管(301)到达排气后处理器(302)，进行加热升温，当排气后处理器(302)的触媒温度达到能处理发动机(1)排出的有害气体排放温度后，此时逐渐停止燃料喷嘴(206)的喷射和逐步关闭第三流量调节阀(403)，启动运转发动机(1)，则发动机(1)因为有高的进气温度而容易启动，同时，因为排气后处理器(302)的触媒处于工作的温度状态，则发动机(1)启动运转时产生的废气中的有害产物，也会被排气后处理器的触媒处理掉，从而解决了发动机(1)低温启动困难和启动过程中产生大量的有害物的问题。