CN1928333A

CN1928333A - 内燃机

Info

Publication number: CN1928333A
Application number: CNA2006101417686A
Authority: CN
Inventors: 袁辉; 袁晓斌; 王军如; 袁卫兵; 刘敏
Original assignee: 袁辉
Priority date: 2006-10-01
Filing date: 2006-10-01
Publication date: 2007-03-14

Abstract

本发明涉及一种活塞往复式内燃机。它包括缸体、缸盖、活塞、曲轴和连杆，活塞在缸体内往复运动并通过连杆与曲轴相连，活塞顶部空间由缸盖密封形成燃烧室，在燃烧室上方的缸盖内设有进气阀、排气阀和火花塞，所述燃烧室之外的缸体内还设有空气压缩单元，空气压缩单元包括吸气阀、出气阀、副活塞和副连杆，副活塞在空气压缩单元内往复运动并通过副连杆与所述曲轴相连，出气阀出口连接至一个耐压中空的储气室，储气室内设有热交换器、温度传感器、燃料喷嘴和燃料蒸发混合室，储气室出口连接至所述燃烧室进气阀入口。本发明可以使尾气中有害气体NOx的排放因燃烧温度的降低而大幅减少，提高燃气做功效率、降低燃烧噪声。

Description

内燃机

技术领域

本发明涉及一种活塞往复式内燃机。

背景技术

目前，公知的活塞往复式内燃机工作原理有由“进气”冲程、“压缩”冲程、“燃烧膨胀”冲程和“排气”冲程组成的四冲程及由“压缩(及换气)”冲程和“燃烧膨胀(及换气)”冲程组成的二冲程这二种模式，它们共同的特征是：压缩和燃烧膨胀过程都在燃烧室内完成，即气体工质(新鲜空气或燃油-空气混合气)在燃烧室内被压缩至高温高压后又在燃烧室内立即进入燃烧膨胀过程，因此给实际应用中带来以下原理性缺陷：

1.由于极高的燃烧温度，造成了大量的氮氧化合物NOx有害气体排放，为满足日益严格的有害气体排放标准，不得不采用成本高昂又复杂的尾气后处理装置；

2.对于点燃式内燃机(如汽油机)，为避免爆震(燃油-空气混合气在压缩过程因高温高压导致燃料局部自行着火现象)，不得不压缩比控制在一个相对较低的水平，同时炼油工业还要花高额成本以提高燃料的抗爆性能指标；

3.降低压缩比虽然可以在一定程度上降低NOx排放和对燃料抗爆性的要求，但低的压缩比就意味着低的燃烧效率，即低的燃油经济性；

4.为追求更高的燃烧效率，燃烧过程都尽量控制在活塞越过上止点附近，此时活塞下行速度较慢、压力升高率较高，造成较大机械冲击力和燃烧噪声。而降低机械冲击力和燃烧噪声的大部分措施，如降低压缩比、推迟着火时刻和延长着火时期等都必然以牺牲燃油经济性为代价。

发明内容

为克服当前普遍应用的四冲程和二冲程内燃机的上述原理性技术缺陷，本发明第一目的在于提供一种可以采用较高的压缩比，但最高燃烧温度却可以保持在较低且受控的范围内的、热效率高的、氮氧化合物NOx排放低的、震动和噪声污染低的点燃式内燃机。

本发明第一目的是这样实现的。

一种内燃机，包括缸体、缸盖、活塞、曲轴和连杆，活塞在缸体内往复运动并通过连杆与曲轴相连，活塞顶部空间由缸盖密封形成燃烧室，燃烧室上方的缸盖设有进气阀、排气阀和火花塞，所述燃烧室之外的缸体内还设有空气压缩单元，空气压缩单元包括吸气阀、出气阀、副活塞和副连杆，副活塞在空气压缩单元内往复运动并通过副连杆与所述曲轴相连，出气阀出口连接至一个耐压中空的储气室，储气室内设有热交换器、温度传感器、燃料喷嘴和燃料蒸发混合室，储气室出口连接至所述燃烧室进气阀入口。

上述目的还可通过以下技术方案作进一步完善。

所述排气阀在活塞到达或接近下止点时开启、到达上止点时关闭，同时所述进气阀开启，随即活塞向下运动至10～45度曲轴转角、燃烧室内的混合气量达到设定值时，进气阀关闭同时火花塞点火。

为克服当前普遍应用的四冲程和二冲程内燃机的上述原理性技术缺陷，本发明第二目的在于提供一种可以采用较高的压缩比，但最高燃烧温度却可以保持在较低且受控的范围内的、热效率高的、氮氧化合物NOx排放低的、震动和噪声污染低的压燃式内燃机。

本发明第二目的是这样实现的。

一种内燃机，包括缸体、缸盖、活塞、曲轴和连杆，活塞在缸体内往复运动并通过连杆与曲轴相连，活塞顶部空间由缸盖密封形成燃烧室，在燃烧室上方的缸盖内设有进气阀、排气阀和喷油器，所述燃烧室之外的缸体内还设有空气压缩单元，空气压缩单元包括吸气阀、出气阀、副活塞和副连杆，副活塞在空气压缩单元内往复运动并通过副连杆与所述曲轴相连，出气阀出口连接至一个耐压中空的储气室，储气室内设有热交换器和温度传感器，储气室出口连接至所述燃烧室进气阀入口。

上述目的还可通过以下技术方案作进一步完善。

所述排气阀在活塞到达或接近下止点时开启、到达上止点时关闭，同时所述进气阀开启，随即活塞向下运动至30～45度曲轴转角、燃烧室内的空气量达到设定值时，进气阀关闭同时喷油器开启喷油。

本发明完成一个内燃机工作循环所必须的压缩和燃烧做功两个过程分开在两个专门的装置高压空气压缩单元和燃烧室中完成。压缩过程在高压空气压缩单元中完成，而燃烧过程在燃烧室中完成。空气压缩单元新鲜空气预压缩至高温高压后，充入一个带温度控制的储气室内储存，经喷入燃料形成的燃油-空气混合气(或接新鲜空气)引入燃烧室，在燃烧室内完成一个由“进气、燃烧膨胀做功”冲程和“排气”冲程组成的新型二冲程工作循环，实现对外输出机械功。

应用于点燃式内燃机时，在缸盖内、燃烧室上部还设有火花塞，储气室内设有热交换器、温度传感器、燃料喷嘴和燃料蒸发混合室，热交换器被预压缩后的高温高压新鲜空气冷却至低于燃料自燃点的设定温度，然后燃料喷嘴一定量的燃料喷入燃料蒸发混合室，与新鲜空气蒸发混合形成均匀且有适于燃烧的空燃比的燃油-空气混合气，储气室出口连接至燃烧室单元进气阀入口。在燃烧室单元中，“进气、燃烧膨胀做功”冲程是这样完成的：当活塞到达上止点时(此时燃烧室空间最小)，关闭排气阀、开启进气阀，使储气室内高温高压的燃油-空气混合气与燃烧室相连通，随着活塞向下运动至10～45度曲轴转角、燃烧室内的燃油-空气混合气量达到设定值时，进气阀关闭同时通过火花塞点火点燃燃油-空气混合气，发生着火燃烧，缸内空气受热膨胀推动活塞下行，活塞通过连杆和曲轴机构对外做功，除驱动空气压缩单元等辅助装外，剩余能量通过曲轴对外输出，到活塞到达或接近下止点时，排气阀开启，“进气、燃烧膨胀做功”结束；

应用于压燃式内燃机时，在缸盖内、燃烧室上部还设有喷油器，储气室内设有热交换器和温度传感器，热交换器被预压缩后的高温高压新鲜空气冷却至设定温度，储气室出口连接至燃烧室单元进气阀入口。在燃烧室单元中，“进气、燃烧膨胀做功”冲程是这样完成的：当活塞到达上止点时(此时燃烧室空间最小)，关闭排气阀、开启进气阀，使储气室内高温高压的新鲜空气与燃烧室相连通，随着活塞向下运动至30～45度曲轴转角、燃烧室内的新鲜空气量达到设定值时，进气阀关闭同时喷油器开启喷油，燃油雾遇高于其自燃温度的新鲜空气，发生自行着火燃烧，缸内空气受热膨胀推动活塞下行，活塞通过连杆和曲轴机构对外做功，除驱动空气压缩单元等辅助装外，剩余能量通过曲轴对外输出，到活塞到达或接近下止点时，排气阀开启，“进气、燃烧膨胀做功”结束。

不论应用于点燃式或压燃式内燃机，在燃烧室单元中，“排气”冲程都是这样完成的：活塞到达下止点并开启排气阀后，活塞开始上行废气通过排气阀推出燃烧室，到活塞到达上止点，关闭排气阀，开启进气阀，进入下一个二冲程工作循环。

因此，发动机曲轴每转一周(360度，此期间活塞从上止点运行至下止点，继而又从下止点运行至上止点)，在燃烧室内即完成一个由“进气、燃烧膨胀做功”冲程和“排气”冲程组成的新型二冲程工作循环，其中0～180度曲轴转角期间，活塞从上止点运行至下止点为“进气、燃烧膨胀做功”冲程；180～360度曲轴转角期间，活塞从下止点运行至上止点为“排气”冲程。空气压缩单元作为一个附件，为燃烧室单元提供源源不断的高压高温新鲜空气。

应用于点燃式时，可以在非常宽的范围内选用燃料，如汽油、柴油、物油、醇类燃料及气体燃料等；应用于压燃式时，则应采用有较低自燃温度的燃料，如柴油等。

由于完成一个内燃机循环所必须的压缩和燃烧两个过程被分开在其专门的装置中完成，使得燃料着火燃烧之前的气体压力和温度可以得到更具柔性且更精确的控制，因此本发明可以获得以下有益效果：

尾气中有害气体NOx的排放因燃烧温度的降低而大幅减少，不须后处理措施就可达到非常严格的排放标准；

燃料着火燃烧过程发生在上止点后、活塞有较高下行速度的区段内，可以进一步提高燃烧放热速率而气缸最高爆发压力和相对曲轴转角的压力升高率却不会很高，有利于提高燃气做功效率、降低燃烧噪声；

压缩机的出气阀和主气缸的进气阀通道截面较小，从而可以让出更大的压缩机吸气阀和主汽缸排气阀流通截面积，减少了泵气损失，提高了有效功率输出；

主气缸与空气压缩机的排量、活塞线速度、材料及冷却条件等方面均可以进行更加专业化的设计，可以实现主气缸个数不等于空气压缩机气缸个数的结构布置，有利于降低成本，提高整机功率质量比；

采用火花塞点燃方式时，提高了燃料技术指标的适应性，调整少量参数就可以实现多种燃料通用。

附图说明

图1是本发明第一个实施例点燃式的构造示意图。

图2是本发明第一个实施例点燃式的工作过程示意图。

图3是本发明第二个实施例压燃式的构造示意图。

图4是本发明第二个实施例压燃式的工作过程示意图。

图中：1.曲轴，2.副连杆，3.副活塞，4.空气压缩单元，5.进气管，6.吸气阀，7.出气阀，8.储气室，9.热交换器，10.温度传感器，11.进气阀，12.进气阀凸轮，13.喷油器，14.排气阀凸轮，15.排气阀，16.排气管，17.缸盖，18.燃烧室，19.活塞，20.缸体，21.连杆，22.燃料喷嘴，23.燃料蒸发混合室，24.进气阀驱动装，25.进气阀位置传感器，26.火花塞。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详述。

实施例1，结合图1和图2，所示第一个实施例中，内燃机工作于点燃方式并采用汽油作为燃料。燃烧室18单元包括缸体20、缸盖17、活塞19、曲轴1和连杆21，活塞19在缸体20内往复运动并通过连杆21与曲轴1相连，活塞19顶部空间由缸盖17密封形成燃烧室18，在缸盖17内、燃烧室18上部设有进气阀11、排气阀15和火花塞26，进气阀11由进气阀驱动装24驱动，排气阀15由排气阀凸轮14驱动，进气阀驱动装24设有进气阀位传感器25，燃烧室18之外的缸体20内还设有空气压缩单元4，空气压缩单元4包括吸气阀6、出气阀7、副活塞3和副连杆2，副活塞3在空气压缩单元4内往复运动并通过副连杆2与曲轴1相连，出气阀7出口连接至一个耐压中空的储气室8，储气室8内设有热交换器9、温度传感器10、燃料喷嘴22和燃料蒸发混合室23，储气室8出口连接至所述燃烧室18进气阀11入口。

如图2-③所示，新鲜空气从进气管5、吸气阀6吸入高压空气压缩单元4中被预压缩至大约30～60bar(相当于压缩比13～23左右)后，充入储气室8储存，储气室8内的热交换器9新鲜空气冷却至设定温度，如图2-①所示，当活塞19到达上止点时(此时燃烧室18空间最小)，关闭排气阀15、开启进气阀11，使储气室8内高温高压的燃油-空气混合气与燃烧室18相连通，如图2-②所示，随着活塞19向下运动至10～45度曲轴转角、燃烧室18内的燃油-空气混合气量达到设定值时，进气阀11关闭同时通过火花塞26点火点燃燃油-空气混合气，发生着火燃烧，缸内空气受热膨胀推动活塞19下行，活塞19通过连杆21和曲轴1机构对外做功，除驱动空气压缩单元4等辅助装外，剩余能量通过曲轴1对外输出，到活塞19到达或接近下止点时，如图2-④所示，排气阀15开启，随后活塞19开始上行废气推出燃烧室18至排气管16中，到活塞19到达上止点，关闭排气阀15，开启进气阀11，进入下一个工作循环。

实施例2，结合图3和图4，所示第二个实施例中，内燃机工作于压燃方式并采用柴油作为燃料。燃烧室18单元包括缸体20、缸盖17、活塞19、曲轴1和连杆21，活塞19在缸体20内往复运动并通过连杆21与曲轴1相连，活塞19顶部空间由缸盖17密封形成燃烧室18，在缸盖17内、燃烧室18上部设有进气阀11、排气阀15和喷油器13，进气阀11由进气阀凸轮12驱动，排气阀15由排气阀凸轮14驱动，燃烧室18之外的缸体20内还设有空气压缩单元4，空气压缩单元4包括吸气阀6、出气阀7、副活塞3和副连杆2，副活塞3在空气压缩单元4内往复运动并通过副连杆2与曲轴1相连，出气阀7出口连接至一个耐压中空的储气室8，储气室8内设有热交换器9和温度传感器10，储气室8出口连接至所述燃烧室18进气阀11入口。

如图4-③所示，新鲜空气从进气管5、吸气阀6吸入高压空气压缩单元4中被预压缩至大约30～60bar(相当于压缩比13～23左右)后，充入储气室8储存，储气室8内的热交换器9新鲜空气冷却至设定温度，如图4-①所示，当活塞19到达上止点时(此时燃烧室18空间最小)，关闭排气阀15、开启进气阀11，使储气室8内新鲜空气与燃烧室18相连通，如图4-②所示，随着活塞19向下运动至30～45度曲轴转角、燃烧室18内的空气量达到设定值时，进气阀11关闭同时喷油器13开启喷油，燃油雾遇高于其自燃温度的新鲜空气，发生自行着火燃烧，缸内空气受热膨胀推动活塞19下行，活塞19通过连杆21和曲轴1机构对外做功，除驱动空气压缩单元4等辅助装置外，剩余能量通过曲轴1对外输出，到活塞19到达或接近下止点时，如图4-④所示，排气阀15开启，随后活塞19开始上行废气推出燃烧室18至排气管16中，到活塞19到达上止点，关闭排气阀15，开启进气阀11，进入下一个工作循环。

Claims

1、一种内燃机，包括缸体、缸盖、活塞、曲轴和连杆，活塞在缸体内往复运动并通过连杆与曲轴相连，活塞顶部空间由缸盖密封形成燃烧室，燃烧室上方的缸盖设有进气阀、排气阀和火花塞，其特征是：所述燃烧室之外的缸体内还设有空气压缩单元，空气压缩单元包括吸气阀、出气阀、副活塞和副连杆，副活塞在空气压缩单元内往复运动并通过副连杆与所述曲轴相连，出气阀出口连接至一个耐压中空的储气室，储气室内设有热交换器、温度传感器、燃料喷嘴和燃料蒸发混合室，储气室出口连接至所述燃烧室进气阀人口。

2、根据权利要求1所述的内燃机，其特征是：所述排气阀在活塞到达或接近下止点时开启、到达上止点时关闭，同时所述进气阀开启，随即活塞向下运动至10～45度曲轴转角、燃烧室内的混合气量达到设定值时，进气阀关闭同时火花塞点火。

3、一种内燃机，包括缸体、缸盖、活塞、曲轴和连杆，活塞在缸体内往复运动并通过连杆与曲轴相连，活塞顶部空间由缸盖密封形成燃烧室，在燃烧室上方的缸盖内设有进气阀、排气阀和喷油器，其特征是：所述燃烧室之外的缸体内还设有空气压缩单元，空气压缩单元包括吸气阀、出气阀、副活塞和副连杆，副活塞在空气压缩单元内往复运动并通过副连杆与所述曲轴相连，出气阀出口连接至一个耐压中空的储气室，储气室内设有热交换器和温度传感器，储气室出口连接至所述燃烧室进气阀入口。

4、根据权利要求3所述的内燃机，其特征是：所述排气阀在活塞到达或接近下止点时开启、到达上止点时关闭，同时所述进气阀开启，随即活塞向下运动至30～45度曲轴转角、燃烧室内的空气量达到设定值时，进气阀关闭同时喷油器开启喷油。