CN105927379A - 季差绝热式活塞内燃机技术及所制造的内燃机 - Google Patents

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Abstract

季差绝热式活塞内燃机技术及所制造的内燃机，属机械领域。为使绝热满足膨胀保压的同时也要不破坏压缩点火时的温度压力环境，4冲程分为2个独立汽缸分别流程化实现：由压缩室汽缸组件(12)参与完成进气及压缩2个过程；由燃烧室汽缸组件(23)参与完成燃烧及作功2个过程。压缩室汽缸组件(12)与燃烧室汽缸组件(23)的气道连接是由：带有深度中冷机会的冷‑热通气道(4)完成；所谓“中冷机会”的就是完全可以对冷‑热通气道(4)完进行风冷或水冷却将使得综合性能首次超过传统活塞连杆技术，有巨大的成本空间用于减排改良。

Description

季差绝热式活塞内燃机技术及所制造的内燃机
所属领域：
本发明属于机械领域。具体的讲：是一种针对活塞内燃机进行“独特的季差绝热”化改造的一种结构性技术。
技术背景：
50年来，尤其在1970-1980年代，以美国、欧洲、日本及中国为代表的几乎全球的科研机构，投入了具大的人力物力，进行了绝热技术之探索，除了在绝热材料取得了重大进展外，绝热机本身的研究却完败了。
目前绝热内燃机实现除了部分柴油机应用外，汽油机鲜见应用，其失败的决定性原因在于：结构性布局思路上，对于4冲程连杆--曲轴构造来说，在同一个汽缸空间内完成热力学循环，散热—绝热自身就是不可调和的矛盾。
一方面在点火前期，室温下的混合气体开始时就被汽缸环境加热，接着就在7-12倍左右压缩比的压缩下继续加热，并有超出汽缸环境器壁温度的趋势，当混合气超过(约300-400度)下，反而还需要燃烧室器壁散热(相当于温度嵌位作用)，否则温度将超过600度以上，无须火花塞就爆燃了，而另一方到了燃烧作功期间，也是在同一个燃烧室，则要求器壁环境尽可能的绝热，用以尽可能的保持高压(高温是不可摆脱的随带结果)。
但是同一个燃烧室，逻辑上无法完成这一矛盾，乃完败之原因也。
关于与本发明有关的转子内燃机的绝热研究，报道较少；美国柯蒂斯·莱特公司(Curtiss Wright Corporation)隔热技术研究表明，采用陶瓷涂层，可以达到50％绝热度，要达到更高的绝热度，则要采用整体陶瓷零件，但仍然是对气缸体、盖体及相关气道进行不加选择的绝热化处理。
技术方案：
本发明的目的就在于解决已有技术的不足之处：解决转子发动机的耗油量略高于传统活塞—连杆式内燃机问题，这就要先行解决绝热难题，因为绝热是双刃剑，满足膨胀保压的同时也要不破坏压缩点火时的温度压力环境。但是对于转子内燃机而言，它的“季差绝热”是其独有的结构才能实现的，这一点在目前的传统活塞—连杆机构中是无法实现的。
本技术带来2个重大进步：由高的绝热度所决定的燃油效率聚增及由高的进气量决定的功率密度陡增。
原因何在？因为：4冲程分为2个独立汽缸分别流程化实现：由压缩室汽缸组件(12)参与完成进气及压缩2个过程；由燃烧室汽缸组件(23)参与完成燃烧及作功2个过程。压缩室汽缸组件(12)与燃烧室汽缸组件(23)的气道连接是由：带有深度中冷机会的冷-热通气道(4)完成；所谓“中冷机会”的就是完全可以对冷-热通气道(4)完进行风冷或水冷却，由于所通过的是压缩了的空气，冷活塞(11)的压缩功已经使得混合气体加温了，在进入燃烧室前有机会排除热 量。
而高的绝热采用是综合因素的作用结果，原因是可以方便的控制进入燃烧室混合气体的温度，不但允许混合气体的高密度也允许燃烧室的高绝热性，因为不再需要单一靠灼热的同一汽缸空间来冷却混合气体，完成回到循环起始点状态。
“季差绝热式”6个优点：
第一：选择性降温/保温条件：可以有条件对压缩室与燃烧室进行选择性降温，而有潜力吸取压缩混合气热量。改善低速特性。
第二：减小重量：来自于2个方面：效率提高缩减机体体积，机体排热量的减小也缩减了冷却器。
第三：涡轮增压作用：由于压缩室与燃烧室是分立的，它们的容积、活塞行程可以是不同的，当压缩室的排量容积大于燃烧室的排量容积时，可以压入更大体积的混合气体，等效于涡轮增压作用。
第四：压缩室与燃烧室构件系列在除了材料外，结构上也可以独立选择；由于压缩室处于低温状态，压力也比燃烧室低出1个数量级，因而在材料的选择性可以不用考虑兼顾问题。
第五：中冷机会；对冷-热通气道(4)进行适度冷却，甚至可以考虑使用热管技术、半导体制冷及水冷却。
第六：压缩比调空功能：当改变压缩室与燃烧室各自活塞的相位时，可以改变充气质量多少；当压缩室的活塞相位逐渐落后于燃烧室的活塞相位时；由于燃烧室的进气门的开启时间区间处于压缩室相对较低的混合气体压力区段，充气质量减少；反之将处于压缩室相对较高的混合气体压力区段，充气质量相对增加。
技术关键的补充表述：就理论而言：对于奥托循环，只有将膨胀做功冲程进行绝热处理(绝热度高)，而其它冲程满足良好的散热条件(选择绝热度低)，就能获得极其良好的热力学循环。具体表现：综合因素才能获得良好的燃油经济性，首先对排气冲程、吸气冲程及压缩冲程所对应的气缸工作空间表面进行满足良好的散热条件(绝热度低)处理；使得即使在高的压缩比下(比如10-15)；也会将油气混合气体的温度箝位在合理的温度范围内，不至于引起爆燃等其它不良问题；就像一年四季轮回一样，古老的奥托循环在不同的阶段有着不同的散热条件，否则同样的散热条件将使得无法兼顾做工冲程的保温保压的需要及其它冲程的强的散热降温需要。
具体工作过程描述：进气及压缩2个冲程是由：冷活塞(11)、压缩室汽缸组件(12)、冷进气门(13)、冷曲轴(14)、同步齿轮(15)、冷连杆(16)及喷油嘴(17)等组成；由凸轮驱动冷进气门(13)进气，被冷活塞(11)压缩的油气混合气体是由冷-热通气道(4)排入燃烧室；在进气及压缩2个冲程喷油嘴(17)负责喷油。
由燃烧室汽缸组件(23)参与完成燃烧及作功2个过程是由：强绝热层(21)、热活塞(22)、燃烧室汽缸组件(23)、热进气门(24)、热排气门(25)、热曲轴(26)、正时小齿轮(27)及热连杆(28)等组成；当来自同步运行的压缩室的高压压缩混合气体经由冷-热通气道(4)排入燃烧室中，充满燃烧室中并关闭热进气门(24)，继续由热活塞(22)进行最后阶段的最终压缩，同时在适当的点火提前角度下，由火花塞(30)完成点火，进行膨胀作功过程，最后由热排气门(25)进行排放废气，在排放废气接近终了还未关闭热排气门(25)时，热进气门(24)开启，进入短暂的扫气过程：高压混合气体的急速进入将瞬间驱除残留废气，随后热排气门(25)完全关闭，在随后热进气门(24)也被完全关闭， 循环往复。
正时及配气***工作如下：热曲轴(26)带动正时小齿轮(27)同时驱动同步齿轮(15)及正时大齿轮(2)；正时小齿轮(27)与同步齿轮(15)齿数相同，是正时大齿轮(2)齿数的1/2。
需要指出：变压缩比相位调整栓(29)是有着键槽及涡槽构造，***冷曲轴(14)及同步齿轮(15)的内孔洞中，用来联接冷曲轴(14)及同步齿轮(15)的转动力矩的传递；键槽与冷曲轴(14)的轴向平行，该键槽与冷曲轴(14)的内孔突起成嵌合关系，且2者可以轴向相对滑动，滑动时伴不会随冷曲轴(14)与变压缩比相位调整栓(29)的相对转动；而涡槽则是螺旋状的槽体，该槽体同步齿轮(15)与的内圈突起成嵌合关系，且2者可以轴向相对滑动，滑动时伴随着同步齿轮(15)与变压缩比相位调整栓(29)的相对转动；因而在保持冷曲轴(14)与同步齿轮(15)与轴向约束不动的情况下，轴向抽动变压缩比相位调整栓(29)可以使得冷曲轴(14)与同步齿轮(15)产生相互转动；做到这一点可以利用液压装置、电机等来完成，是常规技术，易于实现。
从时序图中可以清楚看出：压缩室及燃烧室各自的容积变化图(同步于活塞的行程)；各个气门(热排气门(25)、热进气门(24)及冷进气门(13))的开关时续图，由于是向燃烧室高压充气，因而的热进气门(24)面积无须太大，这样将给热排气门(25)留有较大的面积增加余地。
其根本技术特征是：在本技术中使用了2个汽缸、活塞，即：压缩室汽缸、活塞与燃烧室汽缸、活塞；按时序顺序完成原来1个汽缸来完成的4冲程工作过程，前者完成吸气、压缩冲程，后者完成末段压缩及燃烧膨胀作功、排气冲程，且压缩室活塞的运行相位超前于燃烧室活塞的运行相位5-90度；如果采用绝热处理，也仅仅对燃烧室汽缸、活塞及汽缸盖进行处理，而不对压缩室汽缸、活塞及汽缸盖进行实施；使用了冷-热通气道，即中冷器构造这一目前已知技术中唯一有机会对混合可燃气体进行咽喉冷却的构造，所谓咽喉冷却指的是：高温高压下的混合可燃气体的流通暴露在冷-热通气道中，这冷-热通气道中便成为咽喉冷却的要地，给了着手处理的可能性急机会。
可以通过改变压缩室与燃烧室各自活塞的相位差时，可以改变充气质量多少，当压缩室的活塞相位逐渐落后于燃烧室的活塞相位时；由于燃烧室的进气门的开启时间区间处于压缩室相对较低的混合气体压力区段，充气质量减少，反之将处于压缩室相对较高的混合气体压力区段，充气质量相对增加；或是通过连通压缩室的辅助汽缸、活塞来完成；所谓辅助汽缸的方法，早就被采用过，所不同的是直接燃烧汽缸上，由于已有技术，只有一个汽缸完成4各冲程，别无选择。
实施案例：
本实施案例是一个4缸“季差绝热式活塞内燃机”压缩室及燃烧室各所对应的2组汽缸平行排列且共用同一个正时凸轮(1)轴，压缩室的2汽缸的冷活塞(11)使用1个冷曲轴(14)驱动，燃烧室的2汽缸的热活塞(22)使用1个热曲轴(26)驱动。
其技术优点可以逐一实现：
第一：选择性降温/保温的实现：可以对压缩室部分使用导热更好的材料(诸如：铜/铝系列合金等)来制造，而燃烧室进行绝热化的表面处理(处理内容包括涉及：活塞顶部、汽缸壁及汽缸盖等)，由于排热量的较大减少，可以使用风 冷方式或较大的减少水冷散热器的体积及风扇的功率等。
第二：减小重量因素来自于2个方面：效率提高缩减机体体积，机体排热量的减小也缩减了冷却器。
第三：涡轮增压作用：由于压缩室与燃烧室是分立的，压缩室的容积可以2倍于燃烧室的容积，表现为活塞行程与面积的参数调整，可以压入更大体积的混合气体进入燃烧室，等效于涡轮增压作用，且增压程度可以通过改变冷活塞(11)的运动的相位调整来实现连续调节。
第四：由于压缩室与燃烧室在结构上可以独立选择；由于压缩室处于低温状态，压力也比燃烧室低出1个数量级，因而在材料的选择性可以不用考虑兼顾问题。
第五：中冷机会；对冷-热通气道(4)进行适度冷却；对于高压/高温下混合气体的冷却，由于在10倍的压缩比压缩后的混合气体的温度升高可达1000度以上，当高温混合气体流经冷-热通气道(4)时的冷却效率极高；中冷的深度直接决定增压大小(充入混合气体质量的多少)，增加功率。
附图说明：
图1 季差绝热式活塞内燃机技术原理及时序示意图
图2 4缸季差绝热式活塞内燃机结构示意图
以下结合附图就较佳实施例对本发明作进一步说明：
附图标注说明：
(1)正时凸轮
(2)正时大齿轮
(3)
(4)冷-热通气道(中冷器)
(5)
(6)
(7)
(11)冷活塞
(12)压缩室汽缸组件
(13)冷进气门
(14)冷曲轴
(15)同步齿轮
(16)冷连杆
(17)喷油嘴
(20)齿带
(21)强绝热层
(22)热活塞
(23)燃烧室汽缸组件
(24)热进气门
(25)热排气门
(26)热曲轴
(27)正时小齿轮
(28)热连杆
(29)变压缩比相位调整栓
(30)火花塞
如图1所示：
上半部分为各个气门及活塞运行的时序图：(t为时间轴，T为完成4冲程运行的周期，Δt1为压缩室的冷活塞(11)滞后于燃烧室的热活塞(22)是的时间差值；Δt2为扫气持续时间；θ为点火提前角度)
a-为冷进气门(13)的运行时序图；凸平顶部分代表开启，下底部分代表关闭。
b-为冷活塞(11)的位移图(实际上是正弦曲线，为了简便起见，本图简化为三角波)，最高点为上止点，最低点为下止点。
c-为热进气门(24)的运行时序图；凸平顶部分代表开启，下底部分代表关闭。
d-为热排气门(25)的运行时序图；凸平顶部分代表开启，下底部分代表关闭。
e-为热活塞(22)的位移图(实际上是正弦曲线，为了简便起见，本图简化为三角波)，最高点为上止点，最低点为下止点。
f-为的点(30)火花塞火脉冲，持续时间很短，可以多次点火。
冷曲轴(14)与热曲轴(26)的同步是由齿带(20)齿合传动同步齿轮(15)与正时小齿轮(27)来实现的。
基本工作原理为：4冲程功能分为2个汽缸各自完成2个冲程(分为压缩室汽缸与燃烧室汽缸)，它们是压缩室汽缸组件(12)及燃烧室汽缸组件(23)；(16)为冷连杆，(28)为热连杆，吸气及压缩冲程是由：凸轮驱动冷进气门(13)进气，被冷活塞(11)压缩的油气混合气体是由冷-热通气道(4)排入燃烧室；在进气及压缩2个冲程喷油嘴(17)负责喷油，由于热活塞(22)的运行滞后于冷活塞(11)运行Δt1时间，压缩室中高压混合气体进入燃烧室后热活塞(22)的还未达到上止点，离上止点还有略大于点火提前角度θ值；热活塞(22)继续向上止点移动压缩气体，达到点火提前角度θ时开始点火。
燃烧室进入燃烧过程后，推动的作功，接近下止点时，热排气门(25)开启并开始排气，当热活塞(22)排气接近火提前角度θ时，热进气门(24)又打开，又开始继续下一轮循环。
(21)为强绝热层，由于本技术有着强劲的独立混合气体的冷却汽缸及具有深透冷却潜力的“冷-热通气道(4)”，可以选择高绝热度的材料，能承受目前已知的任意高绝热的材料。
如图2所示：
(内燃机的其他***、部件属于公知内容，对本发明的运行完全遵循传统常识，不在敷述)
活塞的运转模式：4缸季差绝热式活塞内燃机结构主要包括有：2个(12)压缩室汽缸组件(23)及2个燃烧室汽缸组件；它们排成2排，交叉分组，即处于对角线的2个活塞：冷活塞(11)和热活塞(22)搭配为1个4冲程完成组：剩下的对角线的另外2个活塞为另一个4冲程搭配组，2组的运行相位相差180度(半个周期：T/2)，2组活塞轮流做工输出。
正时与同步方法：
同步的完成：主传动曲轴是由同步齿轮(8)及与之固定在一起的正时小齿轮(27)，一起再由变压缩比相位调整栓(29)连接热曲轴(26)，当变压缩比相位调整栓(29)不发生轴向相对运动时，当变压缩比相位调整栓(29)作为连接器，约束3者只能一起转动；需要指出：变压缩比相位调整栓(29)是有着键槽及涡槽构造，***冷曲轴(14)及同步齿轮(15)的内孔洞中，用来联接冷曲轴(14)及同步齿轮(15)的转动力矩的传递；键槽与冷曲轴(14)的轴向平行，该键槽与冷曲轴(14)的内孔突起成嵌合关系，且2者可以轴向相对滑动，滑动时伴不会随冷曲轴(14)与变压缩比相位调整栓(29)的相对转动；而涡槽则是螺旋状的槽体，该槽体同步齿轮(15)与的内圈突起成嵌合关系，且2者可以轴向相对滑动，滑动时伴随着同步齿轮(15)与变压缩比相位调整栓(29)的相对转动；因而在保持冷曲轴(14)与同步齿轮(15)与轴向约束不动的情况下，轴向抽动变压缩比相位调整栓(29)可以使得冷曲轴(14)与同步齿轮(15)产生相互转动；做到这一点可以利用液压装置、电机等来完成，是常规技术，易于实现；(16)为冷连杆，(28)为热连杆，与传统技术相同。
正时的完成：是由与(1)正时凸轮轴固定在一起的正时大齿轮(2)与固定在热曲轴(26)轴端上的正时小齿轮(27)，通过正时齿带(20)的传动完成的。
本文中所涉及的常规传统结构未被画出细节结构；包含有：正时凸轮、正时凸轮轴、曲轴、部分连杆及活塞等，所涉及的凸轮、曲轴的结构特点及装配关系完全遵循图1所述的时序关系；其未画出的部分包括，气门导套、气门拍子、气门弹簧、气门拍子轴、凸轮的凸凹细部、曲轴曲柄、曲柄轴销、润滑孔道、齿轮齿部、壳体、支架等等。

Claims (3)

1.季差绝热式活塞内燃机技术；核心构造是由：冷活塞(11)、热活塞(22)、曲轴、连杆、进气门、排气门、绝热层、喷油嘴、冷-热通气道、压缩室汽缸、燃烧室汽缸、同步***、正时***、电子***、润滑***组成；基本工作原理为：4冲程功能分为2个汽缸各自完成2个冲程，分为压缩室汽缸与燃烧室汽缸，它们是压缩室汽缸组件(12)及燃烧室汽缸组件(23)；(16)为冷连杆，(28)为热连杆，吸气及压缩冲程是由：凸轮驱动冷进气门(13)进气，被冷活塞(11)压缩的油气混合气体是由冷-热通气道(4)排入燃烧室；在进气及压缩2个冲程喷油嘴(17)负责喷油，由于热活塞(22)的运行滞后于冷活塞(11)运行Δt1时间，压缩室中高压混合气体进入燃烧室后热活塞(22)的还未达到上止点，离上止点还有略大于点火提前角度θ值；热活塞(22)继续向上止点移动压缩气体，达到点火提前角度θ时开始点火；燃烧室进入燃烧过程后，推动的作功，接近下止点时，热排气门(25)开启并开始排气，当热活塞(22)排气接近火提前角度θ时，热进气门(24)又打开，又开始继续下一轮循环；(21)为强绝热层，由于本技术有着强劲的独立混合气体的冷却汽缸及具有深透冷却潜力的“冷-热通气道(4)”，可以选择高绝热度的材料，能承受目前已知的任意高绝热的材料；时序逻辑为：上半部分为各个气门及活塞运行的时序图：t为时间轴，T为完成4冲程运行的周期，Δt1为压缩室的冷活塞(11)滞后于燃烧室的热活塞(22)是的时间差值；Δt2为扫气持续时间；θ为点火提前角度；a-为冷进气门(13)的运行时序图；凸平顶部分代表开启，下底部分代表关闭；b-为冷活塞(11)的位移图，实际上是正弦曲线，为了简便起见，本图简化为三角波，最高点为上止点，最低点为下止点；c-为热进气门(24)的运行时序图；凸平顶部分代表开启，下底部分代表关闭；d-为热排气门(25)的运行时序图；凸平顶部分代表开启，下底部分代表关闭；e-为热活塞(22)的位移图，最高点为上止点，最低点为下止点；f-为的点(30)火花塞火脉冲，持续时间很短，可以多次点火；对于柴油机的压燃情况下不存在火花塞及点火提前角问题，但曲轴的时序还是类似的；其特征就在于：在本技术中使用了2个汽缸、活塞，即：压缩室汽缸、活塞与燃烧室汽缸、活塞；按时序顺序完成原来1个汽缸来完成的4冲程工作过程，前者完成吸气、压缩冲程，后者完成末段压缩及燃烧膨胀作功、排气冲程，且压缩室活塞的运行相位超前于燃烧室活塞的运行相位5-90度；如果采用绝热处理，也仅仅对燃烧室汽缸、活塞及汽缸盖进行处理，而不对压缩室汽缸、活塞及汽缸盖进行实施；使用了冷-热通气道，即中冷器构造这一目前已知技术中唯一有机会对混合可燃气体进行咽喉冷却的构造。
2.使用季差绝热式活塞内燃机技术所制造的内燃机，核心构造是由：冷活塞(11)、热活塞(22)、曲轴、连杆、进气门、排气门、绝热层、喷油嘴、冷-热通气道、压缩室汽缸、燃烧室汽缸、同步***、正时***、电子***、润滑***组成；基本工作原理为：4冲程功能分为2个汽缸各自完成2个冲程，分为压缩室汽缸与燃烧室汽缸，它们是压缩室汽缸组件(12)及燃烧室汽缸组件(23)；(16)为冷连杆，(28)为热连杆，吸气及压缩冲程是由：凸轮驱动冷进气门(13)进气，被冷活塞(11)压缩的油气混合气体是由冷-热通气道(4)排入燃烧室；在进气及压缩2个冲程喷油嘴(17)负责喷油，由于热活塞(22)的运行滞后于冷活塞(11)运行Δt1时间，压缩室中高压混合气体进入燃烧室后热活塞(22)的还未达到上止点，离上止点还有略大于点火提前角度θ值；热活塞(22)继续向上止点移动压缩气体，达到点火提前角度θ时开始点火；燃烧室进入燃烧过程后，推动的作功，接近下止点时，热排气门(25)开启并开始排气，当热活塞(22)排气接近火提前角度θ时，热进气门(24)又打开，又开始继续下一轮循环；(21)为强绝热层，由于本技术有着强劲的独立混合气体的冷却汽缸及具有深透冷却潜力的“冷-热通气道(4)”，可以选择高绝热度的材料，能承受目前已知的任意高绝热的材料；时序逻辑为：上半部分为各个气门及活塞运行的时序图：t为时间轴，T为完成4冲程运行的周期，Δt1为压缩室的冷活塞(11)滞后于燃烧室的热活塞(22)是的时间差值；Δt2为扫气持续时间；θ为点火提前角度；a-为冷进气门(13)的运行时序图；凸平顶部分代表开启，下底部分代表关闭；b-为冷活塞(11)的位移图，实际上是正弦曲线，为了简便起见，本图简化为三角波，最高点为上止点，最低点为下止点；c-为热进气门(24)的运行时序图；凸平顶部分代表开启，下底部分代表关闭；d-为热排气门(25)的运行时序图；凸平顶部分代表开启，下底部分代表关闭；e-为热活塞(22)的位移图，最高点为上止点，最低点为下止点；f-为的点(30)火花塞火脉冲，持续时间很短，可以多次点火；对于柴油机的压燃情况下不存在火花塞及点火提前角问题，但曲轴的时序还是类似的；其特征就在于：在该内燃机中使用了季差绝热式活塞内燃机技术。
3.如权利要求1季差绝热式活塞内燃机技术及2季差绝热式活塞内燃机技术所制造的内燃机所述的压缩比调控指的是：可以通过改变压缩室与燃烧室各自活塞的相位差时，可以改变充气质量多少，当压缩室的活塞相位逐渐落后于燃烧室的活塞相位时；由于燃烧室的进气门的开启时间区间处于压缩室相对较低的混合气体压力区段，充气质量减少，反之将处于压缩室相对较高的混合气体压力区段，充气质量相对增加；或是通过连通压缩室的辅助汽缸、活塞来完成。
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