CN103216359A - 一种持续燃烧的内燃机 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种持续燃烧的内燃机，包括：若干气缸，每一所述气缸的活塞在气缸中做往复运动；燃烧室，所述燃烧室连接若干所述活塞，并且所述燃烧室靠近每一所述气缸压缩循环的末端，当活塞在下止点中心附近用于交换各自气缸燃烧室中的压缩空气和空气燃料混合气；每一所述气缸具有连通阀；一开关装置连接所述连通阀以连接至所述燃烧室作为输入部分，引导压缩空气至所述燃烧室中，并且所述燃烧室引导油气混合物至所述气缸中。使用本发明一种持续燃烧的内燃机使得活塞在上止点位置区间的气体交换可以在不超出内燃机的机械和热负荷极限的条件下进行。

Description

一种持续燃烧的内燃机

技术领域

本发明涉及一种内燃机，尤其涉及一种具有多个往复运动的活塞，并配置有持续燃烧的内燃机。

背景技术

德国专利DOS NO.1,776,047公布了一款内燃机。在这种内燃机中，其活塞为旋转活塞或者带有旋转壳体的轴向活塞。在其工作或者燃烧室内，二冲程的燃烧过程以如下述的方式进行：在各活塞位于下止点附近时，新鲜的空气被鼓入到气缸中；在上止点附近时，压缩的气体被强制压入燃烧室；随后来自燃烧室的燃烧气体进入工作空间膨胀做功；在活塞到达下止点附近，新鲜空气进入气缸进行扫气。

上面所述的工作过程的优点是，加到燃烧室里的压缩空气的燃料，可以实现以稳定的火焰并持续的完全燃烧，可以使得有害的燃烧副产物的排放达到相对较低的水平。为了防止环境污染，汽车尾气排放标准要求越来越高，其结果是，上述这样的过程或原理特别适用于装有内燃机的机动车辆。而不连续燃烧的传统发动机则需要克服很大的技术困难和付出高额成本才能够满足这样的要求。

上述采用连续燃烧原理的轴向活塞内燃机，其活塞位于转筒内，其结构是非常独特的。在活塞上止点位置附近进行的工作或燃烧空间和燃烧室之间的气体交换在布置在发动机前侧固定位置的燃烧室内完成；燃烧室具有入口和出口，并与旋转的工作空间配合运作，旋转的工作空间会扫过这些阀口，进出阀口的开与关由旋转的工作空间的外壁控制。从环境保护角度出发，这种发动机具有很大的优势；但为了提供支持上述工作过程的环境，这种非常独特的发动机也具有缺点，即该种发动机的零件完全不同于众所周知的传统的往复式内燃机的零件。

美国专利NO.3,577,729公布了另一种采用连续燃烧过程的内燃机，其采用的是传统的往复式内燃机，但是其整个工作过程是由发生在两个不同气缸内的四冲程工作过程构成的。其中一个气缸吸入新鲜空气，然后被压缩；在接近压缩冲程的末期，空气被强制压入另一个动力气缸的燃烧室，然后来自燃烧室的燃气在活塞到达上止点位置附近时膨胀，并在接下来的循环冲程中被强制排出。

这种内燃机的气体交换的控制要借助气阀来实现。例如，为了实现气体压缩，压缩气缸设置有进气阀和较小的排气阀，而膨胀或者动力气缸设置有进气阀使来自于燃烧室的高温高压燃气进入气缸；并且设置有排气阀，用于排出膨胀的废气。除了由于燃烧室和动力缸的膨胀空间之间的阀门经受高温气体冲刷而导致其要承受很大的热负荷之外，冷热气缸在周围环境下明显区分，这些都是这种发动机的缺点。在这种发动机结构中，通过气阀装置控制空气供给到燃烧室和燃烧气体返回到动力缸的技术难度极大。更具体的说，强制压缩气体进入燃烧室和炙热燃气返回到动力缸做功的一系列过程，都必须在很小的曲轴转角区间范围内完成，因此气阀的开、合时间是非常短的。术语中，曲柄转角区间的定义是两个曲轴位置对应的相位角的角度差。因为在0°到360°的旋转过程中，在每个曲轴转角位置，活塞在气缸中都会有一个对应的确切位置。曲柄转角差也就定义了活塞在气缸内的两个位置的位置差。根据曲轴旋转速度，曲柄转角差最终的体现是在气缸中活塞的两个位置之间的时间差；或者是体现为活塞冲程中开启或关闭进气阀或排气阀的两个固定时间点的时间差。例如在上面提到的发动机结构中，最大许用的进气和进气阀开启时间与运动学无限大压缩比的关系遵从下列表达式：

${\mathrm{Cosa}}_{\mathrm{uo}}=\frac{3-{\mathrm{\ϵ}}_t}{1\_{\mathrm{\ϵ}}_t}$

其中a_uo是气阀打开时段执行强制将气体压入燃烧室所对应的曲柄角度差；ε_t是热力学压缩比。当热力学压缩比ε_t=16，且在运动学压缩比为无限大时，所允许的气阀最大开启段所占的曲柄转角范围a_uo为30°，事实上运动学压缩比为无限大的情况是不存在的。在如此小的曲柄转角范围区间内开启切换气阀，排气和进气阀的开启和关闭会非常急速，而产生冲击，这将导致气阀承受非常高的机械负载。此外，至少应该考虑到进气阀暴露在来自燃烧室燃气的非常高温的条件下。

发明内容

本发明的目的在于提供一种持续燃烧的内燃机，以解决现有内燃机的缺点，从而使得活塞在上止点位置区间的气体交换可以在不超出内燃机的机械和热负荷极限的条件下进行。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种持续燃烧的内燃机，其中，包括：

若干气缸，每一所述气缸的活塞在气缸中做往复运动；

燃烧室，所述燃烧室连接若干所述活塞，并且所述燃烧室靠近每一所述气缸压缩循环的末端，当活塞在下止点中心附近用于交换各自气缸燃烧室中的压缩空气和空气燃料混合气；

每一所述气缸具有连通阀；

一开关装置连接所述连通阀以连接至所述燃烧室作为输入部分，引导压缩空气至所述燃烧室中，并且所述燃烧室引导油气混合物至所述气缸中。

上述的一种持续燃烧的内燃机，其中，所述开关装置包括一旋转活塞，所述旋转活塞连接所述旋转阀和发动机曲柄轴。

上述的一种持续燃烧的内燃机，其中，所述旋转阀包括一位于所述旋转阀轴向平面的连接孔，以连接所述旋转阀预定位置中的通孔；并且所述连通阀和所述燃烧室入口以及另一位置处的所述旋转阀连接所述连通阀和所述燃烧室的出口。

上述的一种持续燃烧的内燃机，其中，一对通孔垂直位于所述旋转阀的轴向平面，并且每一所述通孔交替连接所述旋转阀、所述燃烧室的入口和所述燃烧室的出口。

上述的一种持续燃烧的内燃机，其中，一对通孔设置在所述旋转阀内，一通孔连接所述旋转阀和所述燃烧室的入口，另一通孔连接所述旋转阀和所述燃烧室的出口。

上述的一种持续燃烧的内燃机，其中，所述开关装置包括用于多缸内燃机的旋转阀。

上述的一种持续燃烧的内燃机，其中，所述旋转阀包括一圆柱形阀体，一开口设置在发动机缸盖上，以连接所述阀体。

上述的一种持续燃烧的内燃机，其中，所述旋转阀的材料为硬质陶瓷。

上述的一种持续燃烧的内燃机，其中，所述开关装置的材料为硬质陶瓷。

根据本发明，每个气缸中的气体交换是由连通旋转阀控制出气口执行的，开关装置交替地将出气口与燃烧室入口或者出口连通。

根据本发明，因为这种共用的旋转阀在刚开始输送压缩空气时就打开，并当整个所需量的燃烧气体导入操作空间后才关闭，因此其出气口或旋转阀的开启时间可以加倍。开关装置执行正确地选择燃烧室入口或出口，有利其性能的提升。例如,因为只有燃烧室入口和出口存在的压力差才对其有影响，因此开关装置完全无压力负荷，同时旋转阀的尺寸设计完全可以适应并承担工作空间中可变的压力。此外，中间开关装置布置在旋转阀和燃烧室之间，由于与燃烧室隔离，使旋转阀本身基本上不会承受过大的热负荷。由于开关装置的冷却与气门冷却相比可以更简单和效果更好，因此其承受热负荷也可以大幅下降。

根据本发明，开关装置可以设计成旋转阀式的，具有连接孔，其与阀的轴向横向相交，根据旋转阀的位置，连接孔可以通过通道连通燃烧室的入口和出口。综上所述，此类旋转阀非常有效，由于旋转阀在开关装置之前，使开关装置免受了压力负荷，并且其冷却方式也相对简单。

根据本发明，在垂直于旋转阀轴的一个平面设置一对连接孔，用来交替连通燃烧室的入口或出口，由于这样的实施方式中的旋转阀，一对连接孔位于同一个平面，这样的孔交替接触冷、热气流，因此这样的结构是解决旋转阀热负荷问题的理想方案。

根据本发明，一对连接孔也可以设置在旋转阀的横断面上，并且与旋转阀的轴线有一定的偏移，据此，一个连接孔总是会与燃烧室的入口发生连通，而另一个连接孔总是会与燃烧室的出口发生连通。

根据本发明，也可以实现内燃机的所有气缸共用同一个旋转阀。

附图说明

图1是本发明一种持续燃烧的内燃机的示意图；

图2是图1中Ⅱ-Ⅱ处的剖视图；

图3是使用本发明一种持续燃烧的内燃机的四个气缸的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

参照图1可以看出，往复运动活塞1被放置在气缸2中，其在气缸2中往复运动期间形成可变容积的工作空间4，在缸盖3端面结束。工作空间4从布置在缸盖3上的进气道5得到新鲜空气。进入进气道5的新鲜空气由进气阀6控制。图2所示排气阀7控制废气在工作行程结束时由排气道8排至工作空间4。根据本发明开口9在工作空间4终止，并由连通阀10控制，依次连通开口9，通过开关或者旋转阀12作为控制开关装置连通导管11，并布置在缸盖3上。旋转阀12沿箭头13方向旋转装备有通孔14和15，位于垂直于旋转阀12轴的平面内。旋转阀12的位置它的通孔14和15连接导管11与导管16进入燃烧室17入口19或者交替的与导管18进入燃烧室17出口20。燃烧室17可以单独构建或者整个的布置在缸盖3中。燃烧室17相连的是供油装置喷油器21和用于点火燃烧的火花塞。

根据本发明原理内燃机的工作流程如下：

在说明实施例中发动机具有四循环工作原理，在第一个循环中新鲜空气经过进气道5通过进气阀6被吸入，在第二个循环中当活塞1到达上止点中心附近，大量被吸入的空气开始压缩并被强制通过连通阀10进入燃烧室17，随后一定量的热燃气在燃烧室17的压力下被强制进入工作空间4，关闭连通阀10后在工作过程的第三个循环富含能量膨胀的热废气伴随活塞1工作。最后一个循环，燃烧膨胀的废气通过排气阀7和排气道8、发动机消音器排出。

在相对较冷的压缩空气和燃烧室17的热燃气交换过程中，在活塞到达上止点之前交换启动曲柄角度，然后活塞再离开上止点中心时完成几个曲柄角度，连通阀10完全打开。此时连接导管11通过开口9连通工作空间4，然后根据预定时间旋转阀12控制位置开始连接燃烧室17的入口19和出口20，期间导管16和18工作路径发生交换。

图1中内燃机图示位置是活塞1在上止点中心，此时连通阀10打开，导管11中间位置的旋转阀尚未连接燃烧室17。在活塞1从上止点中心进一步远离，旋转阀12由曲轴28驱动，沿着箭头13进一步旋转，靠通孔14通过导管18和导管11连通到燃烧室出口20和工作空间4，因此大量的热燃气将通过出口20从燃烧室17到工作空间4。在活塞位置之前，旋转阀12在一个位置，在此位置通过通孔15，连接导管11和导管16连通到达燃烧室17的入口19，让压缩气体从工作空间4进入燃烧室17。

在燃烧室17中首先压缩空气由燃油喷油器注入提供然后油气混合物在燃烧室中持续燃烧后，这就意味着燃烧持续不断。火花塞22在燃烧室内只用来点燃开始燃烧过程。

旋转阀而不是位于剖切面的通孔14和15，当旋转阀12转动，交替引导热的或者冷的气体，旋转阀12可以通过这样的方式构建：位于一对平面内的通孔14和15关于彼此轴向移动并以相同的方式引导气体流动，无论是冷空气或者热气体。旋转阀12也采用这样的工作方式。例如，为其设计适当的驱动或者为旋转设计适当转换比例。其中一个通道14和15将总是被类似气体流通，即相同通道由热气体而其他的由冷气体，对于目前现有的实施中的优势在于具有良好的气体交换效率，因为较少未使用新鲜空气被来自燃烧室17返回的气流阻止回到工作空间。

在本发明范围内而不是描述的旋转阀12一个完全不同旋转阀以适当的方式用来连通通道或者导管11。在任何情况下本发明原理要求包含旋转阀12的开关装置控制必须这样：当连通阀10在活塞到达其下止点之前上升，连通导管11和导管16将到达燃烧室17的入口连接必须转换到出口燃烧室17的通道18，同时活塞1到达下止点中心位置。

包含旋转阀12的开关装置由发动机的曲柄轴较好的驱动完成，连通阀10以类似的方式驱动，并且是关于发动机曲柄轴转速具有固定关系的一种特殊驱动装置。例如，连通阀10以一个类似发动机入口6和排气阀7由特殊凸轮轴驱动，例如，可以有一半转速与四冲程内燃机的曲柄轴旋转次数比较。此时连通阀10的凸轮必须以这样的方式运行：连通阀10短暂开启在活塞1到达下止点中心并在活塞离开上止点中心关闭。即发动机曲柄轴每第二个循环期间，意味着每个压缩循环。

相对于旋转阀12驱动器的要求是当连通阀10打开时旋转阀12必须完成与导管11和导管16连接进入燃烧室17并且当活塞1在下止点中心时导管11必须连接燃烧室17的导管18，这意味着，旋转阀12必须与一个发动机曲柄轴转速量有固定关系。

当形状类似圆柱形活塞的连通阀10的阀体设置在开口9，如附图所示，燃烧室压力导致连接导管11将发现实质上没有表面将产生不利影响，也就是说，它可以以一种方式强制阀体，当它是朝向闭合状态打开。连通阀10的开始呈圆柱活塞状的只需要相对较小的开启力。

根据本发明旋转阀12和/或者连通阀10可以由硬质陶瓷材料制作。这种硬质陶瓷材料优先选用包含三氧化二铝或者如果他们是用氧化物陶瓷以外的材料制作的，那么通常采用感应烧结或者热压的硅氮化物的形式，并且通常显示出良好的硬度，质量和热特性，作为优先选择，上述的阀元件暴露于非常高的温度下工作。

事实上上述具有连续燃烧的内燃机，根据本发明目的在于燃料完全燃烧，以避免有毒燃烧副产物污染大气，燃烧室采用外部操作或者自身气缸的燃烧室。与现有技术的参考文献中示出类型的发动机相反，本发明采用往复运动式活塞并且根据本发明需求在传动往复式发动机基础上做了较小的机构改变，根据本发明原理的连通阀暴露在燃烧室热负荷压力下。

元件上剧烈负载最好的处理方式是根据各自具体的功能分布，当活塞到达其上止点中心时非常精确可靠地控制气体交换。图1和图2示出根据本发明原理的单缸内燃机，然而当前现有的多缸机结构如图3所示。

图3所示四缸发动机的各个气缸编号从2^Ⅰ-2^Ⅳ，输入，排气，连通阀以及与每个气缸相关的和布置在缸盖3载有适当的标记，各自的参考标号6，7和10。值得注意的是，通用旋转阀12用于所有的四个气缸。如下所示，其与曲轴28耦合通过齿形带30。耦合还包括固定在曲轴28上的链轮27和一次固定在旋转阀12上的链轮29。值得注意的是链轮29的直径是固定在曲轴28上的链轮27直径的四倍，所以旋转阀12的旋转次数将是曲轴28旋转次数的四分之一。

从旋转阀12导管16^Ⅰ-16^Ⅳ终止到一个总管23和分支到导管25，然后依次在燃烧室27的入口19终止，气体沿着箭头方向进入燃烧室然后通过与喷油器22喷射的燃料混合，热燃气通过排气口20进入引导到收集管24，从各个分支导管18^Ⅰ-18^Ⅳ返回到旋转阀12的控制口14^Ⅰ-14^Ⅳ和15^Ⅰ-15^Ⅳ。

从图3中还可以发现为每个气缸设置了连通阀10，但是旋转阀12和燃烧室对所有气缸是常见的。

注意的是，旋转阀转速关于曲柄轴28的转速在四冲程内燃机的比例是1:4，如上所述，旋转阀12具有如图1所示结构，及通孔14和15位于一个平面内，进行冷热气体交换。

但是上述的旋转阀12交换结构，通孔14和15将以相同的方式交换气体，其中一个将压缩空气带入燃烧室17而另一个将热燃气从燃烧室中排出。四缸四冲程发动机旋转阀12与曲柄轴28旋转比为1:2或者1:1。

尽管附图示出了内燃机根据四冲程原则运转，本发明原理应用在两冲程内燃机效果一样的好。此时连通阀10的控制开关包含旋转阀12必须改变方式，连通阀10在活塞到达上止点中心之前旋转并且必须在活塞离开下止点之后关闭。正如已经提到的与四冲程发动机中的连通阀10工作对比，上述提到的连通阀10在曲柄轴第二次旋转后打开。

以上所述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种持续燃烧的内燃机，其特征在于，包括：

若干气缸，每一所述气缸的活塞在气缸中做往复运动；

燃烧室，所述燃烧室连接若干所述活塞，并且所述燃烧室靠近每一所述气缸压缩循环的末端，当活塞在下止点中心附近用于交换各自气缸燃烧室中的压缩空气和空气燃料混合气；

每一所述气缸具有连通阀；

一开关装置连接所述连通阀以连接至所述燃烧室作为输入部分，引导压缩空气至所述燃烧室中，并且所述燃烧室引导油气混合物至所述气缸中。

2.根据权利要求1所述持续燃烧的内燃机，其特征在于，所述开关装置包括一旋转活塞，所述旋转活塞连接所述旋转阀和发动机曲柄轴。

3.根据权利要求2所述持续燃烧的内燃机，其特征在于，所述旋转阀包括一位于所述旋转阀轴向平面的连接孔，以连接所述旋转阀预定位置中的通孔；并且所述连通阀和所述燃烧室入口以及另一位置处的所述旋转阀连接所述连通阀和所述燃烧室的出口。

4.根据权利要求2所述持续燃烧的内燃机，其特征在于，一对通孔垂直位于所述旋转阀的轴向平面，并且每一所述通孔交替连接所述旋转阀、所述燃烧室的入口和所述燃烧室的出口。

5.根据权利要求2所述持续燃烧的内燃机，其特征在于，一对通孔设置在所述旋转阀内，一通孔连接所述旋转阀和所述燃烧室的入口，另一通孔连接所述旋转阀和所述燃烧室的出口。

6.根据权利要求1所述持续燃烧的内燃机，其特征在于，所述开关装置包括用于多缸内燃机的旋转阀。

7.根据权利要求1所述持续燃烧的内燃机，其特征在于，所述旋转阀包括一圆柱形阀体，一开口设置在发动机缸盖上，以连接所述阀体。

8.根据权利要求1所述持续燃烧的内燃机，其特征在于，所述旋转阀的材料为硬质陶瓷。

9.根据权利要求1所述持续燃烧的内燃机，其特征在于，所述开关装置的材料为硬质陶瓷。

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