CN101319628A - 外压缩式二冲程发动机 - Google Patents

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Abstract

一种新型(无压缩冲程，只有做工和排气两个冲程，气体压缩在汽缸外完成并且冷却)的点燃式二冲程往复式发动机。包括汽缸、活塞、曲轴，汽缸盖上设有进气阀门、进油阀门和扫气阀门(兼做进气阀门)和汽缸外的二级空气压缩、储存***。具体描述如下：当活塞做功冲程向下运行接近下止点时，排气阀门开启，当活塞越过下止点、进入排气冲程时，扫气阀门短暂开启，然后关闭。活塞继续上升超过冲程一半时，排气阀门关闭，进气阀门、扫气阀门、燃油喷雾器、电火花塞随之开启，输入汽缸的是经过冷却的高压气体(已经达到发动机所需的压缩比)，随后燃料燃烧，达到发动机所需的压缩比后，进气阀门关闭，活塞越过上止点进入做功冲程。

Description

外压缩式二冲程发动机
本发明所属技术领域
本发明涉及发动机技术领域，具体设计一种新型(无压缩冲程，只有做功和排气两个冲程，气体压缩在汽缸外完成并且冷却)的点燃式二冲程往复式发动机。
本发明之前的现有技术
目前广泛使用的二冲程发动机(克拉克)有扫气不彻底，四冲程点燃发动机(奥托机)有容易发生爆震，压缩比低，四冲程压燃机(狄塞尔Diesel)有燃烧温度低的缺点，而且都是气体在汽缸内压缩从而产生高温，导致效率下降。
发明目的
本发明的目的在于针对上述问题提供一种进气温度低，燃烧温度高，压缩比大，升功率高，大幅度提高热效率，节约燃料的点燃式二冲程往复式发动机。它更适合燃烧气体燃料
本发明采用的技术方案
原理
1降低进气(空气或可燃气)的初始温度
卡诺循环效率
效率＝1-低温/高温(η＝1-Tcold/Thot)
现代汽油机之所以效率高是因为其间断性燃烧而从高温热源吸热产生高温，但燃烧初始温度高导致现代奥托机效率低，奥托汽油机进气在汽缸内停留时间长，经过汽缸壁传热和气体压缩产后热后，在压缩冲程结束时可燃气温度达750K，汽缸爆发冲程中最高温度达2700K，而本型发动机气体在汽缸内停留时间极短，而且汽缸内无气体压缩过程，所以温度上升很少，点火燃烧时气体温度约330K，这样在其他条件不变的情况下热效率可提高15.6％
η本发动机-η奥托机＝(1-Tcold/Thot)--(1-Tcold/Thot)
(1-330/2700)-(1-750/2700)＝(1-0.122)-(1-0.278)＝0.878-0.722＝0.156
而柴油机压缩结束时的温度更高达1000K，但爆发时最高温度低，仅2100K，在这方面效率不如汽油机。
2提高压缩比
现代柴油机之所以效率高是因为压缩比大。每增加一个大气压的压缩比，热效率可提高4％～5％，虽然在相同压缩比下柴油机的热效率比汽油机低，但是柴油机可以达到更高的压缩比，因此柴油机综合效率更高。
而限制汽油机提高压缩比的主要因素是爆震，爆震产生的原因是可燃气的高温和高压，尤其是高温，本型发动机输入的是经过冷却的气体(空气或可燃气)，无气体压缩的升温及极少的汽缸壁传热，点火燃烧时气体温度在330K左右，加上高压气体具有强大的动能，可以形成剧烈的涡流，因而可以大幅度提高压缩比。
具体技术方案
外压缩式二冲程活塞发动机包括汽缸主体和气体压缩***，汽缸主体又包括汽缸、活塞、活塞连杆、曲轴、进气阀门、排气阀门和扫气阀门。汽缸、活塞、连杆和曲轴与奥托机无区别，区别在于燃烧室的进气阀门(2～4个，电子控制开关，也可以机械控制开关，均匀分布在燃烧室的汽缸盖上)，排气阀门(2～4个，机械控制开关，均匀分布在燃烧室的汽缸盖上)，扫气阀门(1～2个，电子控制开关，分布在燃烧室汽缸盖靠近汽缸壁的两侧，同时兼有进气阀门的功能)及气体压缩***(包括与排气管相连的涡轮式空气压缩机和与动力输出轴(曲轴)相连的机械式空气压缩机，组成串联的二级压缩泵和带有循环水冷却的压缩空气储存瓶组成，压缩空气储存瓶具有储压、调压、冷却、防漏的功能，它与奥托机的区别在于运行方式。具体方式是：当汽缸中活塞处于爆发(做功)冲程时，活塞向下运动，当活塞运动到接近下止点时，排气阀门开启，汽缸内的高压废气排出，活塞继续运动，当活塞通过下止点时，扫气阀门开启，高压空气冲向汽缸下方的活塞表面，扫气喷口设计成特定的口径、数量和角度，能形成强烈的涡流，将汽缸中的低压剩余废气推出气缸，在通入足够的扫气空气量后，扫气阀门关闭，活塞继续上行，开始排气冲程，当活塞上行距离超过冲程的一半距离时，在适当的时刻排气阀门关闭，同时进气阀门、电控燃油喷油泵和电火花塞也同时开启，由于喷入的气体(空气或可燃气)是高压气体，加上电子控制的进气阀门体积、口径都很小，可以做到多个进气阀门同时开启，这样在极短的时间内(活塞运行到上止点之前)就可以充满燃烧室并使其达到发动机所需的压缩比，而且高压气的喷射本身就具有强大的动能，再加上喷口的特殊设计能够形成强烈的涡流，有利于燃料的快速和充分燃烧，并且由于输入的气体在汽缸内停留的时间极短又无汽缸内的气体压缩，所以可燃气温度升高很少，这就降低了发生爆震的可能性。加上高压气体输入的压力大、速度快不会出现回火现象，可以做到像燃气轮机一样边燃烧边喷油、喷气，当活塞到达上止点附近，进气阀门关闭，燃料进入快速燃烧期，推动活塞向下运行，进入爆发(做功)冲程。
动力输出轴上设有一联动控制齿轮-链条(皮带)传动机构，活塞通过该联动控制齿轮--链条(皮带)传动机构与出气阀门、进气阀门、进油阀门、扫气阀门和电火花塞同步联动(配气正时)。
有一电子控制装置，控制活塞与进气阀门、进油阀门、电火花塞、扫气阀门同步联动。
在动力输出轴与机械式空气压缩机的连接处安装电磁离合器，当储气瓶压力超过允许值时，离合器自动断开。
储气瓶设计成出厂时就储满高压空气，以后一直保持一定的压力并安装有高压泄气阀门进行保护，在储气瓶入口处安装单向止回阀门，出口及入口处都安装有自动锁死阀门，停机时自动锁死，以防漏气。
在机械式空气压缩机上安装电动机及离合器，由电瓶带动以防压力不足时启动困难。
当只需要小功率运转时，可以在活塞往复运动2～3次进气、喷油阀门开启一次，变成可变汽缸容量发动机，由于进气、进油和扫气都是电子控制，所以很容易做到这一点，这种方式运行时扫气阀门可以关闭。
附图说明
图1本发明所述汽缸的侧视剖面图及气体压缩***。
图2本发明所述燃烧室汽缸盖进、出气阀门图。
图3～6本发明的工作状态图。
图3做功冲程结束，排气阀门开启，高压废气排出
图4活塞越过下止点，进入排气冲程，扫气阀门开启，低压废气排出。
图5扫气阀门关闭，活塞上行，继续排气冲程。
图6排气阀门关闭，进气阀门、扫气阀门、电控燃油喷雾器开启，随后电火花塞开启。
图7达到发动机所需的压缩比后，进气阀门、扫气阀门、电控燃油喷雾器关闭。
图8活塞越过上止点，进入做功冲程。
图9副燃烧室结构侧视图。
1汽缸  2活塞  3曲轴  4扫气进气管及扫气阀门  5排气管及排气阀门6进气管及进气阀门  7电控燃油喷雾器  8电火花塞  9动力输出轴10机械式空气压缩机  11尾气增压涡轮式空气压缩机  12高压空气储存瓶13循环水冷却器  14副燃烧室15活塞连杆
下面结合实施例及附图对本发明做进一步做详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1 汽缸燃烧室内安装电控燃油喷雾器，燃料缸内直喷，进气阀门喷入高压空气方案(图1、图2)。
当发动机进入做功冲程，活塞下行接近下止点时，排气阀门开启高压废气排出，发动机进入排气冲程(图3)，活塞越过下止点后，扫气阀门开启，高压空气冲入汽缸，扫除高温低压废气(图4)，然后扫气阀门关闭(图5)。活塞继续上升，当上升距离超过活塞冲程一半以上距离时，排气阀门在适当的时候关闭，电控进气阀门，喷油阀门同时开启，高压空气的强大动能以及进气阀门的口径、开口数量、角度及位置的精心设计使之产生强烈涡流，使燃料与空气在极短时间内充分混合，并达到发动机所需之压缩比，紧接着电火花塞点火(图6)，点火时进气、喷油可以同时进行，直到达到发动机所需的压缩比，在活塞到达上止点之前完成点火过程(图7)，活塞越过上止点后，进入做功冲程，燃料进入急燃期，在最佳扭矩点达到爆发顶点(图8)，然后下行重复同样过程。
实施例2
高压进气歧管内，加装电控燃料喷雾器，进气阀门直接喷入预混合可燃气方案。
电控燃油喷雾器安装在进气歧管内，在进气阀门开启之前(或同时)，喷油阀门开启与高压空气在进气歧管内形成可燃气，然后在排气冲程的后半程进入燃烧室，可燃气进入汽缸时火花塞点火，其它过程与前述相同。
实施例3
加装副燃烧室方案，在汽缸盖的正中央位置安装副燃烧室(图9)，副燃烧室的进气歧管上安装电控喷油器，进气歧管的喷油部位周围可被汽缸壁或尾气加热，副燃烧室内通入均匀混合的可燃气，电火花塞安装在副燃烧，同时有一条扫气进气管与副燃烧室相通，副燃烧室有一至多条火焰通道与主燃烧室相连，主燃烧室进气阀门通入高压空气，燃料由电控喷油阀门在主燃烧室内直喷，由副燃烧室的火焰点燃主燃烧室燃料，其它运行方式与前述相同。
实施例4
进气阀门和出气阀门都采用传统的菌型(蘑菇状)气门，两个进气阀门，两个排气阀门，1～2个扫气阀门，由机械控制关闭，燃油喷雾器将燃料喷射在进气阀门的背面使之气化(与四气门奥托机相同)，其它运行方式与前述相同。

Claims (10)

1：外压缩式二冲程点燃式发动机，包括汽缸、活塞、曲轴，汽缸盖上设有进气阀门、进油阀门和扫气阀门(兼做进气阀门)和汽缸外的二级空气压缩、储存***，其特征在于如下工作原理：活塞只有做功和排气两个冲程，气体压缩不依赖活塞而是依靠汽缸外空气压缩机，经过冷却的压缩气体是在排气冲程的后半程、活塞接近上止点时输入汽缸。具体描述如下：当活塞做功冲程向下运行接近下止点时，排气阀门开启，当活塞越过下止点、进入排气冲程时，扫气阀门短暂开启，然后关闭。活塞继续上升超过冲程一半时，排气阀门关闭，进气阀门、扫气阀门、燃油喷雾器、电火花塞随之开启，输入汽缸的是经过冷却的高压气体(已经达到发动机所需的压缩比的空气或可燃气)，随后燃料点燃，达到发动机所需的压缩比后，进气阀门关闭，随后活塞越过上止点进入做功冲程。
2：根据权利要求1所述外压缩式二冲程发动机，燃烧室顶部有2～4个由机械控制开关的排气阀门，均匀分布在燃烧室顶部，与活塞的联动由曲轴带动的齿轮——皮带(链条)控制。
3：根据权利要求1所述外压缩式二冲程发动机，燃烧室顶部有2～4个冷却高压气体(空气或可燃气)进气阀门，进气阀门由电子控制开关(也可机械控制)，均匀分布在汽缸盖上，燃油喷雾器可以安装在进气歧管、主燃烧室或副燃烧室内。
4：根据权利要求1所述外压缩式二冲程发动机，在燃烧室顶部外侧靠近汽缸壁的地方有1～2个扫气进气阀门(兼做进气阀门)，向汽缸输入高压空气进行扫气，扫气阀门由电子控制(也可机械控制)。
5：根据权利要求1所述外压缩式二冲程发动机，有一空气压缩、储存***，包括由发动机尾气驱动的涡轮式空气压缩机和由动力输出轴驱动的机械式空气压缩机，以及带有循环水冷却***的高压空气储存瓶，为发动机的运转及启动提供稳定的空气压缩比。
6：根据权利要求5所述外压缩式二冲程发动机，曲轴与机械式空气压缩机连接处安装电磁离合器，并与电动机相连，可由电瓶驱动，高压空气储存瓶有高压泄气保护阀门，进气口装有单向止回阀，进、出气口都安装有自动锁死装置，停机时自动关闭。
7：根据权利要求1所述外压缩式二冲程发动机，可以在主燃烧室的顶部正中安装副燃烧室，副燃烧室有高压可燃气进气阀门和扫气阀门。
8：根据权利要求1所述外压缩式二冲程发动机，可以在往复运动2～3次时，进气阀门、燃油喷雾器开启一次，变成可变排量发动机，这时扫气阀门可关闭。
9：根据权利要求1所述外压缩式二冲程发动机，动力输出轴上设有一联动控制齿轮——链条(皮带)传动机构，活塞通过该联动机构与进气阀门、排气阀门、扫气阀门、燃油喷雾器及电火花塞同步联动。
10：根据权利要求1所述外压缩式二冲程发动机，有一电子控制装置控制活塞与进气阀门、排气阀门、扫气阀门、燃油喷雾器及电火花塞同步联动。
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