CN101809264A - 改良的低热损高效发动机*** - Google Patents

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Abstract

一种用于两冲程绝热内燃发动机的改良的低热损高效发动机***，包括与至少一个燃烧室连接的绝热部件，以便尽可能减少运行期间的热损耗，该***具有至少一个进气孔，该进气孔从泵缸顺滑连接到传送孔，该进气孔用于在工作周期的进气阶段引入新混合气，进气孔在工作周期通过进气阀进行开启和闭合动作，其特征在于进气阀在工作周期的开启时长小于180°的循环角度。

Description

改良的低热损高效发动机***
技术领域
本发明涉及车用发动机和传动系，特别是低热损发动机和传动系的效率改进领域。
背景技术
本发明的发明者曾活跃于发动机***领域，特别是提高发动机效率技术方面，例如美国专利号US6,571,755和US5,265,564。本发明中的相关发动机引用了这两个专利中所述的发动机。
暴露于热加工气体的表面绝热措施(包括涂层、气隙、衬垫或低传热材料在部件上的采用)的应用可提高运行热效率，这是内燃发动机领域所共知的。
但在实践中，如现有技术中所示，此类措施对运行效率的提高程度远低于预计或推算值。
除了偏小(如割草机和踏板车)和偏大(如货船)设备应用外，四冲程循环发动机仍然是市场上的主导。
传统发动机会将燃料燃烧所得能量的四分之一到三分之一排入冷却***。绝热措施可用于限制或减少能量损失，将其收集在汽缸(由曲轴工作输出)或排气装置内(由排气内热流上升，然后通过涡轮混合装置转换能量工作)。通过收集残留热量，提高了整体发动机热效率。
自从上世纪80年代起，该领域的科研人员就开始了这方面的研究，如在美国机动工程师协会刊发的SP-571-绝热发动机的技术方案中的全球回顾，以及美国专利号为4018194、4046114和4074671的专利文件。
根据材料分析可知，由于实际可获取的热效益水平较低，此类措施的成本/效益受到了很大影响，因此发动机的绝热研究也逐渐淡出人们的视线。
最主要的原因在于，一旦采用了绝热措施，就会降低发动机的容积效率。由于绝热发动机的燃烧室表面温度和汽缸壁面温度比标准水冷发动机的相应位置高(高出200℃或更高)，所以在进气循环期间导入汽缸的气体(或充入的新鲜空气)从周围吸收大量热量并发生膨胀，这样就减少了进入汽缸的新鲜空气，进而降低容积效率。
由于减少了充入的新鲜空气，一般会出现导致热效率降低、标准污染物排放增加的降级燃烧。
该吸热造成的其它后果包括：
由于较短的点火延迟(由于较高气体温度)，使气体/燃料混合效率降低，在较高温度和压力下的气体密度增加；
由于吸入的充入气体温度更高、压力更大，需要的压缩工作量增加。
因此，如果为使绝热发动机获得整体发动机热效率优势，提供一种用于绝热发动机的可减少绝热发动机的燃烧降级和污染物排放的***和设备，将是现有技术的巨大贡献。
应该清楚的是，如果本发明引用了之前的发表文件，该文件引用并不表示承认该发表文件为澳大利亚或任何其它国家现有技术中共知的一部分。
发明内容
本发明的目的在于提供一个改良的低热损高效发动机***，该***可至少部分克服上述缺点的一条或为消费者提供一种有用或商业化的选择。
如上所述，本发明的一种形式在于，概括来说，提供一种用于两冲程绝热内燃发动机的改良的低热损高效发动机***，包括与至少一个燃烧室连接的绝热部件，以便尽可能减少运行期间的热损耗，该***具有至少一个进气孔，该进气孔从泵缸顺滑连接到传送孔，该进气孔用于在工作周期的进气阶段引入新混合气，进气孔在工作周期通过进气阀进行开启和闭合动作，其特征在于进气阀在工作周期的开启时长小于180°的循环角度。
本发明的第二种形式在于，一种用于提高两冲程绝热内燃发动机效率的方法，包括与至少一个燃烧室连接的绝热部件，以便尽可能减少运行期间的热损耗，该发动机具有至少一个进气孔，该进气孔从泵缸顺滑连接到传送孔，用于泵缸在工作周期的进气阶段吸入新混合气，进气孔在工作周期通过进气阀进行开启和闭合动作，该方法包括缩短进气阀在工作周期的开启时长到小于180°循环角度的步骤。
本发明的第三种形式在于，一种两冲程内燃发动机，包括至少一个具有泵缸的单元，一个在该泵缸内往复移动的泵塞，两个动力缸，设在每个动力缸上的一个往复移动的动力塞和一个相连的燃烧室，其中该泵塞的往复循环速度为动力塞的两倍，该动力塞相距约一冲程，具有一个或多个汽缸盖盖住所有汽缸的顶部，该汽缸盖设有可连同泵缸和动力缸的通孔，进气阀控制泵缸和动力缸之间的连通，通过汽缸盖的出气孔使气体可从动力缸流出，排气阀控制排出气体的流动，泵压头至少有一个与泵缸连通的进气孔，进气阀与进气孔连接并在泵塞远离其上止点位置移动时，将大部分进气混合气量导入泵缸内，该泵塞可选择在泵塞向上止点位置移动时将混合气量通过传送口和进气孔传送入动力缸内，该泵塞引导送入混合气量的汽缸的动力塞移动到上止点位置，动力缸的进气阀在泵塞位于上止点后方70°位置和290°位置之间时打开，在泵塞位于上止点前方70°和后方70°位置之间时闭合，排气阀在相连的动力塞在下止点前面或上面时打开，其中进气阀在工作周期开启时长小于180°循环角度。
本发明的第四种形式在于，一种两冲程往复发动机，顶盖设有进气阀和排气阀和给汽缸加油的外部泵，其中：该外部泵为往复式正排量泵，该泵上包括至少两个汽缸的发动机组设置的各自泵室(或缸)，每个泵室(或缸)通过泵塞进行扫出运动，该扫出排量大于发动机每个汽缸的扫出排量；该泵固定安装在发动机的汽缸旁边，而泵的出气孔与发动机的进气孔的距离很近；发动机曲轴的曲柄销以360°的角度间隔安装，按汽缸组数量分配；每组汽缸的曲柄销以360°的角度间隔安装，按汽缸组数量分配；泵在发动机上按步进传动方式驱动，该步进指在每泵室(或缸)的发动机的每组汽缸内的汽缸数量比率；加油通道以多支管方式将每个泵室(缸)的出气孔与需加油的每组汽缸的进气孔互相连通，发动机和泵之间的连接和发动机的进气阀和排气阀的操作同步进行，以便所有或每个泵塞分别轮流引导加油的动力塞活动至各自的上止点位置；每个需加油的动力缸的进气阀在下止点前开启，在上止点前关闭，需加油的动力缸的排气阀在下止点前开启，在上止点前关闭，其中进气阀在工作周期的开启时长小于180°循环角度。
本发明的第五种形式在于，将四冲程往复活塞发动机转化为两冲程发动机的方法，包括：具有为至少两个汽缸的发动机组设置各自泵室(或缸)的往复式正排量泵，其中每个泵室(或缸)通过泵塞进行扫出运动，该扫出排量大于发动机每个汽缸的扫出排量；该泵固定安装在发动机的汽缸旁边，而泵的出气孔与发动机的进气孔的距离很近；每组汽缸曲轴的曲柄销以360°的角度间隔安装，按汽缸组数量分配；泵在发动机上按步进传动方式驱动，该步进指在每泵室(或缸)的发动机的每组汽缸内的汽缸数量比率；加油通道以多支管方式将每个泵室(缸)的出气孔与需加油的每组汽缸的进气孔互相连通，发动机和泵之间的连接和发动机的进气阀和排气阀的操作同步进行，以便所有或每个泵塞分别轮流引导加油的动力塞活动至各自的上止点(TDC)位置；每个需加油的动力缸的进气阀在下止点(BDC)前开启，在TDC(上止点)前关闭，需加油的动力缸的排气阀在BDC(下止点)前开启，在TDC(上止点)前关闭，其中进气阀在工作周期开启时长小于180°循环角度。
本发明中采用绝热措施的发动机***可获得绝热发动机的所有发动机热效率优势，而大大减少了新混合气量吸收掉的热量，这是因为吸入混合气量送入汽缸的时间仅约为传统的四冲程发动机的50％，这就意味着通过进入混合气量吸热的时间和机会大大减少，而进入混合气量会导致本发明上文所讨论的缺点。
其它优点还包括：
由于涡流衰减，气/燃油混合效率降低，传统的绝缘四冲程在吸气时会造成涡流衰减，而本发明通过在吸入过程中较高的气体传送率加强涡流。
本发明所述的***可较好地处理绝热措施引起的汽缸压力，因为双循环运行意味着相对于四冲程较低的汽缸运行压力。
本发明的较适宜绝热材料为陶瓷材料。陶瓷材料的性能依赖于许多因素，例如启用粉料和加工技术等。大部分陶瓷加工技术都已应用氧化锆材料，如干压成型、均压成型、注塑成型、挤出成型和流延成型等。另外，在加工过程中多余的杂质也会造成瑕疵，降低性能，减少绝热内层本应发挥的功效。
绝热方法：
1.在表面喷涂一层绝热涂层；
2.将发动机上安装预制好的绝热部件；或
3.上述方法的组合。
具有代表性的绝热发动机和/或内燃发动机的表面包括：
1.燃烧甲板(汽缸顶盖暴露于燃烧的部分)，但实践中可包括汽缸顶盖面层全部。
2.活塞顶，包括活塞上所有碗型顶。
3.阀门关闭时，暴露于燃烧室的阀门表面。
4.阀盘垫片(不包括密封面)。
5.暴露于燃烧室的喷嘴表面。
6.预燃烧室。
7.出气孔，出气支管。
也可采用与汽缸内部完全配套的部件内衬等，然后由活塞在内衬里紧密抓住。
Figure G2008800212099D00051
表1：可能的绝热材料
上表1中给出了本发明采用的绝热材料和相关的性能。本发明中有用的两个重要性能(不受理论限制)为：
比热低于0.3cal/gdegC；和导热性低于25W/mdegK。
也可采用表中未列的材料。
根据本发明，进气阀在工作周期开启时长小于180°循环角度。如上所述，正常的四冲程循环设有约220°循环角度的进气阀。
阀门打开定时按度(°)测量，而打开程度按数千英寸(或mm)测量，称为扬程。凸轮凸角尺寸决定了扬程，而凸轮凸角的形状决定了定时。
进气阀在工作周期开启优选时长约为100°到180°和循环角度，约100°到140°循环角度最佳。
本发明的部分优势通过提高新混合气到所需的燃烧室的速度，以便在同样的超短时间内吸入同样的混合气量来实现。
由于凸轮轴上各凸轮凸角的形状决定了阀门开合的定时，进气阀开启的时长将通过凸轮凸角的形状进行调节。本发明可包括一个可变的阀门定时凸轮***，以便尽可能提高绝热发动机在不同发动机速率下的效率。
附图说明
本发明实施例将结合下图进行详细说明，其中：
图1是本发明中发动机汽缸可能采用绝热材料的位置的示意图。
图1A是图1可能采用绝热材料的位置的虚线框内的汽缸上部分详细示意图。
图2是传统四冲程发动机循环的阀门定时图。
具体实施方式
根据本发明的优选实施例，提供一种用于量冲程绝热内燃发动机的改良的低热损高效发动机***。
图1为专利US6,571,755和US5,265,564公开的典型两冲程内燃发动机的一个汽缸10，该汽缸与进气孔11和用于新鲜混合气量进气的传送孔20连接，混合气量来自泵21在工作周期的吸入阶段，并通过进气阀12在工作周期进行开合动作。汽缸10也和在工作周期的排气阶段用于排气混合气量出气的出气孔13连接，该排气孔通过排气阀14在工作周期进行开合动作。
所述汽缸组件还包括一个喷嘴15和一个通过连杆18连接到曲轴17的活塞16。燃烧甲板(汽缸顶盖暴露于燃烧的部分)和活塞顶(包括碗型活塞16)组成了燃烧室19。
将在以下部位中的一个或多个位置采取绝热措施
1.燃烧甲板；
2.活塞顶，包括活塞的碗型顶；
3.阀门关闭时，暴露于燃烧室的阀门表面；
4.阀盘垫片(不包括密封面)；
5.暴露于燃烧室的喷嘴表面；
6.预燃烧室(如有)；和或
7.出气孔13，出气支管。
这是现有技术中的典型低热耗发动机。
图2给出了传统四冲程发动机的阀门定时图。
图2中，参考字母指四冲程循环发生的如下动作：
IVO-进气阀开
IVC-进气阀关
EVO-排气阀开
EVC-排气阀关
TDC-上止点
BDC-下止点
INJ-喷射
该图清楚地说明了四冲程发动机中IVO和IVC之间的定时约为220°。
根据本发明最佳实施例，进气阀12在工作周期开启的时长范围在100°到140°循环角度之间，小于180°。当进气阀12根据本发明开启时，如图2所示，排气阀开启和下止点之间设置了一个窗孔。在进气阀关闭或即将关闭时关闭进气阀12将实现本发明上述优点。
本发明说明书和权利要求(如有)中的“包括(comprising)”和其衍生词汇“包括(comprises)”和“包括(comprise)”包括了规定的所有整体，但不包括一个或多个整体的包含内容。
本说明书中所述的“一个实施例(one embodiment)”或“一个实施例(anembodiment)”指本发明的至少一个实施例包含的与实施例有关的特性、结构或特征。因此，本说明书中不同位置出现的“在一个实施例中(in oneembodiment)”或“在一个实施例中(in an embodiment)”并不一定指同一个实施例。此外，在一个或多个组合实施例中也可能以适当方式结合了所述的特性、结构或特征。

Claims (15)

1.一种用于两冲程绝热内燃发动机的改良的低热损高效发动机***，包括与至少一个燃烧室连接的绝热部件，以便尽可能减少运行期间的热损耗，该***具有至少一个进气孔，该进气孔从泵缸顺滑连接到传送孔，该进气孔用于在工作周期的进气阶段引入新混合气，进气孔在工作周期通过进气阀进行开启和闭合动作，其特征在于进气阀在工作周期的开启时长小于180°的循环角度。
2.一种两冲程内燃发动机，包括至少一个具有泵缸的单元，一个在该泵缸内往复移动的泵塞，两个动力缸，设在每个动力缸上的一个往复移动的动力塞和一个相连的燃烧室，该泵塞的往复循环速度为动力塞的两倍，该动力塞相距约一冲程，具有一个或多个汽缸盖盖住所有汽缸的顶部，该汽缸盖设有可连通泵缸和动力缸的通孔，进气阀控制泵缸和动力缸之间的连通，通过汽缸盖的出气孔使气体可从动力缸流出，排气阀控制排出气体的流动，至少有一个通过顶盖的进气孔与泵缸连通，进气阀与进气孔连接并在泵塞远离其上止点位置移动时，将大部分进气混合气量导入泵缸内，该泵塞可选择在泵塞向上止点位置移动时将混合气量通过传送口和进气孔传送入动力缸内，该泵塞引导送入混合气量的汽缸的动力塞移动到上止点位置，动力缸的进气阀在泵塞位于上止点后方70°位置和290°位置之间时打开，在泵塞位于上止点前方70°和后方70°位置之间时闭合，排气阀在相连的动力塞在下止点前面或上面时打开，其中进气阀在工作周期开启时长小于180°循环角度。
3.一种两冲程往复发动机，顶盖设有进气阀和排气阀和给汽缸加油的外部泵，其中：该外部泵为往复式正排量泵，该泵上包括至少两个汽缸的发动机组设置的各自泵室，每个泵室通过泵塞进行扫出运动，该扫出排量大于发动机每个汽缸的扫出排量；该泵固定安装在发动机的汽缸旁边，而泵的出气孔与发动机的进气孔的距离很近；发动机曲轴的曲柄销以360°的角度间隔安装，按汽缸组数量分配；每组汽缸的曲柄销以360°的角度间隔安装，按汽缸组数量分配；泵在发动机上按步进传动方式驱动，该步进指在每泵室的发动机的每组汽缸内的汽缸数量比率；加油通道以传送支管方式将每个泵室的出气孔与需加油的每组汽缸的进气孔互相连通，发动机和泵之间的连接和发动机的进气阀和排气阀的操作同步进行，以便所有或每个泵塞分别轮流引导加油的动力塞活动至各自的上止点位置；每个需加油的动力缸的进气阀在下止点前开启，在上止点前关闭，需加油的动力缸的排气阀在下止点前开启，在上止点前关闭，其中进气阀在工作周期开启时长小于180°循环角度。
4.根据权利要求2或3所述的发动机，包括至少一个发动机部件采用如下绝热方法：在表面喷涂一层绝热涂层或将发动机部件上安装预制好的绝热部件或上述方法的组合。
5.根据权利要求2至4任一项所述的发动机，包括采用陶瓷材料进行绝热。
6.根据权利要求4或5所述的发动机，其中发动机和/或燃烧室的表面绝热的部分包括燃烧甲板、活塞顶、阀门关闭时暴露于燃烧室的阀门表面、阀盘垫片、暴露于燃烧室的喷嘴表面、预燃烧室、出气孔或出气支管。
7.上述权利要求中任一权利要求所述的发动机，其中采用的绝热材料的比热小于0.3cal/g℃.
8.上述权利要求中任一权利要求所述的发动机，其中采用的绝热材料的导热性小于25W/m°K。
9.上述权利要求中任一权利要求所述的发动机，其中进气阀在工作周期约100°到180°循环角度范围内开启。
10.上述权利要求中任一权利要求所述的发动机，其中进气阀在工作周期约100°到140°循环角度范围内开启。
11.上述权利要求中任一权利要求所述的发动机，其中通过提高新混合气到所需的燃烧室的速度，以便在同样的超短时间内吸入同样的混合气量来提高效率。
12.上述权利要求中任一权利要求所述的发动机，其中进气阀开启的时长将通过与进气阀连接的凸轮凸角的形状进行调节。
13.上述权利要求中任一权利要求所述的发动机，包括一个可变的阀门定时凸轮***，以便尽可能提高绝热发动机在不同发动机速率下的效率。
14.一种用于提高两冲程往复发动机效率的方法，包括与至少一个燃烧室连接的绝热部件，以便尽可能减少运行期间的热损耗，该发动机具有至少一个进气孔，该进气孔从泵缸顺滑连接到传送孔，用于泵缸在工作周期的进气阶段吸入新混合气，进气孔在工作周期通过进气阀进行开启和闭合动作，该方法包括缩短进气阀在工作周期的开启时长到小于180°循环角度的步骤。
15.一种将四冲程往复活塞发动机转化为两冲程发动机的方法，包括：具有为至少两个汽缸的发动机组设置各自泵室的往复式正排量泵，其中每个泵室通过泵塞进行扫出运动，该扫出排量大于发动机每个汽缸的扫出排量；该泵固定安装在发动机的汽缸旁边，而泵的出气孔与发动机的进气孔距离很近；每组汽缸曲轴的曲柄销以360°的角度间隔安装，按汽缸组数量分配；泵在发动机上按步进传动方式驱动，该步进指在每泵室发动机在每组汽缸内的汽缸数量比率；加油通道以传送支管的方式将每个泵室的出气孔与需加油的每组汽缸的进气孔互相连通，发动机和泵之间的连接和发动机的进气阀和排气阀的操作同步进行，以便所有或每个泵塞分别轮流引导加油的动力塞活动至各自的上止点位置；每个需加油的动力缸的进气阀在下止点前开启，在上止点前关闭，需加油的动力缸的排气阀在下止点前开启，在上止点前关闭，其中进气阀在工作周期开启时长小于180°循环角度。
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