專利名稱：內(nèi)燃機的循環(huán)工作方法及實施該方法的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種內(nèi)燃機循環(huán)工作的方法及實施該方法的裝置內(nèi)燃機是一種把燃料燃燒產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)換為機械能的熱力式發(fā)動機裝置。燃燒發(fā)生在做功工質(zhì)內(nèi)，通過工質(zhì)膨脹驅(qū)動機械運動而做功。根據(jù)做功機械的運動形式，內(nèi)燃機又可分為活塞式和轉(zhuǎn)子式，其中活塞式內(nèi)燃機的應(yīng)用最廣。
內(nèi)燃機與其他熱力發(fā)動機相比，具有質(zhì)量輕，體積小，效率高，功率范圍廣，啟動快和操作簡便等優(yōu)點。而被廣泛地應(yīng)用于汽車、能源、農(nóng)業(yè)、礦山等機械中作為動力使用。僅以汽車內(nèi)燃機為例，全世界已擁有6億臺，每年生產(chǎn)7千萬臺，其中80％是活塞式汽油機。年耗油量近15億噸，是最主要的石油能源消耗者。據(jù)估計，地球上可供開采的石油僅供人類50-70年的需要。因此，提高內(nèi)燃機的效率，節(jié)約能源，減少廢氣污染，開發(fā)新的代用能源，已成為世界各國最關(guān)注的議題之一。我國也不例外，年產(chǎn)內(nèi)燃機300萬臺，但內(nèi)燃機的質(zhì)量和效率遠低于發(fā)達國家的水平。
第一臺實用的工業(yè)內(nèi)燃機是1860年由法國人雷諾發(fā)明的以煤氣為燃料電火花點火二沖程內(nèi)燃機。1876年德國工程師奧托發(fā)明電火花點火四沖程煤氣內(nèi)燃機。1885年戴姆勒發(fā)明電火花點火四沖程汽油機并得到廣泛應(yīng)用。1897年德國人魯?shù)婪虻胰麪柊l(fā)明以壓燃點火四沖程柴油機。在二十世紀初，內(nèi)燃機的工作方法和基本結(jié)構(gòu)即已確定，成為一項成熟的技術(shù)。在隨后的一百多年中，人們?yōu)楦纳苾?nèi)燃機的經(jīng)濟性、動力性、穩(wěn)定性、耐久性、潔靜性等方面而不懈地努力，其性能得到了很大的提高。但內(nèi)燃機的工作方法、基本結(jié)構(gòu)卻一直沒有改變。也即現(xiàn)在所有內(nèi)燃機的每一個工作氣缸都按照奧托的四行程循環(huán)來運作。各氣缸每做功一次，都要經(jīng)過進氣、壓縮、(燃燒)作功和排氣四個行程。這種在一個氣缸內(nèi)完成四個行程的循環(huán)工作方法可簡稱為1×4方法。
為更好地理解本發(fā)明的技術(shù)背景，以下以活塞式內(nèi)燃機為例簡述這四個工作行程。其他方式的內(nèi)燃機，如汪克爾三角轉(zhuǎn)子式內(nèi)燃機等，其循環(huán)工作方法與此相同，只是氣缸的形成與形態(tài)等不同。
(1)進氣行程 活塞自上止點向下止點移動，其頂上方容積逐步增大，進氣門開，排氣門閉，新鮮空氣或可燃混合氣在真空吸力作用下進入氣缸，曲軸轉(zhuǎn)過180度，活塞到達下止點，進氣門關(guān)閉。
(2)壓縮行程 活塞自下止點向上止點移動，其頂上方容積逐步縮小，進、排氣門閉，空氣或可燃混合氣被壓縮，溫度和壓力升高，曲軸轉(zhuǎn)過360度，活塞到達上止點時，如被壓縮的是新鮮空氣，則由噴嘴噴出高壓燃油霧化形成可燃混合氣。
(3)做功行程 活塞在上止點附近，可燃混合氣高溫自燃或由火花塞放電點燃燃燒，氣體溫度壓力急劇升高而膨脹，推動活塞自上止點向下止點移動，通過連桿使曲軸轉(zhuǎn)動做功。氣體溫度壓力下降。曲軸轉(zhuǎn)過540度，活塞到達下止點。
(4)排氣行程 在做功行程終了時，排氣門開，活塞自下止點向上止點移動，做功后的廢氣在自身余壓及活塞擠壓下被排除氣缸，曲軸轉(zhuǎn)過720度，活塞到達下止點后，排氣門關(guān)閉。內(nèi)燃機在上述循環(huán)過程中存在如下熱損失1).工質(zhì)損失；2).傳熱損失；3).散熱損失；4).燃燒損失早燃、滯燃、后燃、補燃及不完全燃燒；5).機械損失。其中以尾氣的散熱損失為主，約占35-45％，冷卻傳熱損失其次，約占15-25％，其他損失為5-10％。內(nèi)燃機的真正有效效率則只有20-45％。
在不考慮傳熱與其他損失時，內(nèi)燃機的指示效率為η＝1-(λρκ-1)/(εκ-1(λ-1)+κλ(ρ-1))式中，ε為壓縮比，λ為定容升壓比，κ為比熱比，ρ為定壓預(yù)脹比。增大壓縮比ε、升壓比λ，比熱比κ及減少預(yù)脹比ρ均能提供發(fā)動機熱效率。
但是，汽油機的壓縮比受汽油爆燃的制約而難以提高，ε＝6-10，指示效率僅為40-55％。柴油機的壓縮比較高，ε＝16-24，但燃燒時間長，預(yù)脹比較大ρ＝1.5-2.5，指示效率η＝50-60％。柴油機與汽油機相比，因壓縮比高而獲得較高的功率和效率，經(jīng)濟性好，同時廢氣排污(CO，HC)少。但動力性和平穩(wěn)性差，尾氣含碳煙，噪音大，制造成本與難度高。
二沖程內(nèi)燃機是將四沖程中的進氣和排氣過程合并于在活塞下止點處完成并以壓縮和做功行程為主。其主軸每旋轉(zhuǎn)一周即作功一次，比功率較大，平穩(wěn)性好，但進、排氣時間太短，尾氣排放不盡，效率低，耗油大，經(jīng)濟性差，廢氣污染嚴重。應(yīng)用面較窄。
在近幾十年中，有關(guān)內(nèi)燃機的主要研究和發(fā)明都是圍繞著提高內(nèi)燃機的效率、功率及減少污染而展開的，可概括為如下幾個方面×電子燃油噴射及點火系統(tǒng)×改善燃燒過程(分層稀薄燃燒，紊流、渦流燃燒)×提高壓縮比(汽油機抗爆震及表面點火技術(shù))×廢氣渦輪增壓×減少排氣污染(廢氣循環(huán)，加水燃燒，三元催化等〕參見如下引證文獻
1).“內(nèi)燃機設(shè)計總論”，H.李斯特，機械工業(yè)出版社，1980。
2).“九十年代內(nèi)燃機”，趙士林，上海交通大學(xué)出版社，19923).“開式與分開式燃燒室分層進氣發(fā)動機”，阿布蘭特，北京汽車，1979.24).“三菱MCP分層進氣發(fā)動機的最新發(fā)展”，M.Miyake，北京汽車，1979.35).“汽油機的爆震損壞機理及防止措施”，N.Adolph，小型內(nèi)燃機，1985.46).“內(nèi)燃機增壓技術(shù)”，宋守信，同濟大學(xué)出版社，19927).“燃油滲水燃燒的研究與應(yīng)用”，俞資生，小型內(nèi)燃機，1983.38).“內(nèi)燃機排氣凈化”，魏心存，金國棟，華中理工大學(xué)出版社，1991檢索自六十年代以來的世界專利(F02B)文獻，尚未發(fā)現(xiàn)與本發(fā)明相近的專利，而其他方面的專利又太多，故未引用。
以上種種努力雖然改善了內(nèi)燃機的性能，但內(nèi)燃機的結(jié)構(gòu)也相應(yīng)地越來越復(fù)雜，技術(shù)要求越來越高，制造成本也越來越大。而且，由于現(xiàn)在的四沖程內(nèi)燃機存在如下固有缺陷，制約了功率和效率的進一步提高。
A.主燃燒室由活塞、氣缸、缸蓋所形成，對于汽油機，為了提高效率而增大壓縮比(＞8-10)時，汽油就可能發(fā)生爆震，即引起燃燒室內(nèi)的一部分未燃混合氣在正?；鹧嫖吹絹碇暗亩帱c自燃現(xiàn)象，導(dǎo)致壓力急劇上升而形成沖擊波和高頻動載，作用在活塞、連桿、曲軸等主運動部件上，破壞各運動副的潤滑，輕則內(nèi)燃機不能正常工作，重則導(dǎo)致發(fā)動機的損壞。因此，汽油的爆震是提高汽油機效率的攔路虎，世界各國各大內(nèi)燃機廠商都投入了大量人力物力進行研究，如May火球式燃燒室，Texaco公司的TCCS、Ford公司的PPC、Honda公司的CVCC燒系統(tǒng)等,在使用高辛烷值汽油時壓縮比也只能達到12-13。低壓縮比也限制了增壓技術(shù)在汽油機上的應(yīng)用，阻礙了汽油機功率的提高。
B.主燃燒室與氣缸直通，燃料燃燒產(chǎn)生的高溫及爆發(fā)力直接作用在主運動部件上，各運動副的工況惡劣，對發(fā)動機曲軸、連桿、活塞、氣門、氣缸、缸蓋及各軸承副的材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計、加工精度、熱處理工藝和裝配要求都很高。特別是對壓縮比較高的柴油機，燃燒室內(nèi)混合氣幾乎同時著火燃燒，壓力升高率很大，工作粗暴，必然增大各部件的尺寸重量和強度，振動與噪聲也很大。
C.工質(zhì)燃燒與作功在同一行程內(nèi)，分配給燃燒過程的時間很有限，從(噴油、氣化、混合)點火經(jīng)過滯燃、速燃、緩燃和補燃過程，一般只有30-40度曲軸轉(zhuǎn)角。當(dāng)發(fā)動機的轉(zhuǎn)速3000rpm時，對應(yīng)的時間是2ms。如轉(zhuǎn)速進一步提高，一方面對配氣、點火、噴油等輔助機構(gòu)的要求更加苛刻，如柴油機噴油泵，要求在不同的負荷和轉(zhuǎn)速下按照給定的時間在1-2ms內(nèi)提供精確的高壓油量，其制造難度是相當(dāng)大的，對于汽油機，若想通過缸內(nèi)直噴，組織分層燃燒以提高壓縮比，實施起來也很困難。另一方面，一般燃料正常燃燒必需經(jīng)過物理和化學(xué)準備期，如汽油的滯燃期為0.5-1ms，柴油的的滯燃期為0.8-1.5ms，轉(zhuǎn)速升高給予燃燒過程的時間更短，燃燒不完全，熱效率降低，排污嚴重，同時壓力升高率更大，工作更為粗暴，振動噪聲急劇增大。在現(xiàn)行工作方式下提高效率和功率與降低工作粗暴度(爆震)是相互矛盾的，在時域中難以解決。因此，目前汽油機的轉(zhuǎn)速一般限制在6000rpm、柴油機在45rpm以。
D.主燃燒室是在活塞運動過程中形成的，隨著發(fā)動機的啟動、荷載的變化及轉(zhuǎn)速的高低，其溫度場、壓力場的變化很大，加之空間分布的不均勻性，特別是在缸壁、活塞與缸套、缸蓋間的間隙等處，燃料不能完全燃燒，是內(nèi)燃機尾氣污染的主要原因。另外，作功與壓縮在同一氣缸內(nèi)，行程相同，壓縮比等于膨脹比，限制了與渦輪增壓的最佳配合，制約了功率效率的進一步提高。
總之，現(xiàn)在的四沖程內(nèi)燃機的工作方法，由于主燃燒室由活塞、缸蓋共同形成，燃燒室與氣缸直通，工質(zhì)壓縮、燃燒與做功在同一行程中，導(dǎo)致了汽油機的效率低，經(jīng)濟性差，排污嚴重；柴油機工作粗暴，重量和尺寸較大，輔助機構(gòu)要求高，振動、噪聲和碳煙大等問題。
本發(fā)明的目的是通過提供一種新的內(nèi)燃機循環(huán)工作方法及實施該方法的相應(yīng)裝置來全面提高內(nèi)燃機的動力性(功率與扭矩特性)、經(jīng)濟性(效率)、平穩(wěn)性(沖擊和振動)、耐久性(壽命)和潔靜性(排污與噪聲)，簡化內(nèi)燃機結(jié)構(gòu)，減少內(nèi)燃機的體積、重量，降低制造成本，并能適合多種燃料。
本發(fā)明是通過如下方式實現(xiàn)的將內(nèi)燃機的進氣、壓縮、(燃燒)做功、排氣四個工作行程的循環(huán)(1×4)轉(zhuǎn)換成分別由兩個氣缸來進行的兩個兩行程的循環(huán)(2×2)；其中一個為進氣、壓縮的兩行程循環(huán)，簡稱壓氣循環(huán)，完成該壓氣循環(huán)的氣缸即為壓氣缸；另一個為做功、排氣的兩行程循環(huán)，簡稱工作循環(huán)，完成工作循環(huán)的氣缸即為工作缸；同時，將燃燒過程從做功行程中分離出來，放入在氣缸外設(shè)置的兩個獨立的但每個都有由氣門控制的通道分別和壓氣缸與工作缸相連接的燃燒室A、B中交替進行，通過氣門的順序控制將壓氣與工作這兩個循環(huán)按如下工作過程有機的連接起來主軸旋轉(zhuǎn)0-180度壓氣缸完成第一次進氣行程，工作缸完成第一次排氣行程，燃燒室A中的壓縮空氣經(jīng)噴油點火燃燒形成高溫高壓燃氣；主軸旋轉(zhuǎn)180-360度壓氣缸完成第一次壓氣行程，并將被壓縮的空氣儲存于燃燒室B中；燃燒室A中的高溫高壓燃氣噴入排氣后的工作缸中膨脹做功，工作缸完成第一次工作行程；主軸旋轉(zhuǎn)360-540度壓氣缸完成第二次進氣行程，工作缸完成第二次排氣行程，燃燒室B中的壓縮空氣經(jīng)噴油點火燃燒形成高溫高壓燃氣。主軸旋轉(zhuǎn)540-720度壓氣缸完成第二次壓氣行程，并將被壓縮的空氣儲存于燃燒室A中；燃燒室B中的高溫高壓燃氣噴入排氣后的工作缸中膨脹做功，工作缸完成第二次工作行程。內(nèi)燃機恢復(fù)到循環(huán)初始狀態(tài)，又開始下一輪循環(huán)；由此可見，主軸每旋轉(zhuǎn)二周，壓氣缸完成二次進氣、壓縮循環(huán)，工作缸完成二次做功排、氣循環(huán)，燃燒室A、B各完成一次充氣、噴油、點火、燃燒和放氣的循環(huán)。在將上述基本循環(huán)過程應(yīng)用于不同形式的內(nèi)燃機，如后述的三缸基本結(jié)構(gòu)活塞式內(nèi)燃機或轉(zhuǎn)子式內(nèi)燃機時，氣缸和燃燒室完成上述循環(huán)所對應(yīng)的主軸轉(zhuǎn)角有所不同。
與此相對應(yīng)，實施該方法的內(nèi)燃機裝置將至少包括一個完成壓氣循環(huán)的壓氣缸，一個完成工作循環(huán)的工作缸，兩個位于壓氣缸與工作缸之外但每個都有由氣門控制的通道分別和壓氣缸與工作缸相連接的燃燒室A和B，以及一套配合上述部件實施本發(fā)明所述循環(huán)的配氣、供油、點火等機構(gòu)。
對于實施該方法的活塞式內(nèi)燃機，由于壓氣缸與工作缸的相對獨立性，因此可以組成兩種基本結(jié)構(gòu)單元，一種是由一個壓氣缸、一個工作缸和一個內(nèi)部有兩個獨立燃燒室的燃燒室箱組成的壓氣缸-燃燒室箱-工作缸形式的兩缸基本結(jié)構(gòu)，并以此為單元而組合擴展成直列、V型或者其他形式的二缸、四缸、六缸、八缸或者八缸以上的多缸活塞式內(nèi)燃機；另一種是由一個壓氣缸、二個工作缸和兩個燃燒室箱(每一個內(nèi)部都有兩個燃燒室)所組成的工作缸-燃燒室箱-壓氣缸-燃燒室箱-工作缸形式的三缸基本結(jié)構(gòu)，其中壓氣缸同時向兩個工作缸對應(yīng)的燃燒室供氣，并可以此三缸基本結(jié)構(gòu)為單元而組合擴展成直列、V型或者其他形式的三缸、六缸或者六缸以上的多缸活塞式內(nèi)燃機。
在如上所述的活塞式內(nèi)燃機裝置中壓氣缸的容積可等于或者不等于工作缸的容積，壓氣缸容積取決于壓縮比，工作缸的容積取決于膨脹比。當(dāng)膨脹比大于壓縮比時，效率提高而功率下降，需要根據(jù)內(nèi)燃機的用途平衡考慮，在無增壓裝置時一般可選膨脹比為壓縮比的1-2倍。如內(nèi)燃機的負荷穩(wěn)定，體積不受限制時，應(yīng)選大膨脹比以獲得較高熱效率提高經(jīng)濟性，節(jié)約燃料當(dāng)內(nèi)燃機配置廢氣增壓器時，壓縮比與膨脹比可根據(jù)增壓器的特性靈活選擇，達到最佳配合。
壓氣缸蓋上設(shè)置有1-4個同步工作的進氣門與進氣道相連，在壓氣缸進氣行程中開啟，在壓縮行程中關(guān)閉。工作缸蓋上設(shè)置有1-4個同步工作的排氣門與排氣管相連，在工作缸排氣行程中開啟，在工作行程中關(guān)閉。進、排氣門的直徑為氣缸直徑的1/2-1/5。
燃燒室箱中的每個燃燒室都有一進一出兩個通道分別與壓氣缸與工作缸相連通，各通道中均設(shè)有氣門將燃燒室和氣缸分開并控制著各通道的適時開啟與關(guān)閉。在壓氣缸向燃燒室充氣時，充氣門開啟，放氣門關(guān)閉；在燃燒室向工作缸放氣時，放氣門開啟，充氣門關(guān)閉，控制放氣門的開啟度可調(diào)節(jié)氣缸內(nèi)壓力升高率；在其他狀態(tài)下，充、放氣門均關(guān)閉。燃燒室氣門直徑為氣缸直徑的1/4-1/20。充氣門端部設(shè)置一凸臺，當(dāng)燃燒室放氣門因故障被卡住時，室內(nèi)高壓作用于凸臺上將充氣門封閉，防止高壓燃氣通過充氣門反向沖入壓氣缸，引起曲軸損壞。
燃燒室的形狀為圓筒型、球型或其他形狀，圓筒型便于機械加工，在容積V一定時，取D＝(1.274V)1/3時燃燒室的面容比最小，有利于減少傳熱損失。兩個燃燒室合并做成一體化的燃燒室箱；燃燒室內(nèi)表面的高溫負荷最大，為減少傳熱損失，應(yīng)選擇導(dǎo)熱系數(shù)低的耐高溫材料整體制作或單獨做成燃燒室套嵌入箱中，或者以普通金屬材料制作機體，然后在燃燒室內(nèi)表面作耐高溫和耐高溫氧化腐蝕的表面處理。燃燒室箱制成后嵌入氣缸蓋中且位于壓氣缸和工作缸之間，并應(yīng)根據(jù)熱負荷的要求設(shè)計冷卻方法。
燃燒室的容積與內(nèi)燃機的壓縮比成反比，壓縮比根據(jù)燃料的性質(zhì)、內(nèi)燃機的用途等因素綜合確定，一般在6-40之間。對圓筒型燃燒室，在燃燒室蓋和圓筒間設(shè)置螺紋連接，控制旋接的圈數(shù)可調(diào)節(jié)燃燒室的容積即改變壓縮比，以補償加工誤差及磨損或適應(yīng)不同燃料和負荷的需要。燃燒室進氣口偏置與圓筒相切，以便形成強烈的旋流，有利于燃料液霧的擴散和火焰的傳播。
每個燃燒室都裝有高壓噴油嘴，控制噴油嘴的噴油量，可對內(nèi)燃機負荷實現(xiàn)質(zhì)的調(diào)節(jié)。噴油嘴可采用孔式或軸針式，后者噴油壓力低且有自潔作用，較為適用。高壓油由柱塞式油泵供給，因供油期對應(yīng)的凸輪轉(zhuǎn)角增大，凸輪壓力角減小，工況改善。由于供油壓力減低，柱塞偶件配合間隙可適度增大，加之相對運動速度降低，在使用黏度差的汽油時，可減少磨損。泵體內(nèi)應(yīng)設(shè)置通風(fēng)管至壓氣缸進氣道，以回收和排除泵內(nèi)泄漏的汽油氣。
燃燒室根據(jù)燃料特性選配電熱塞或火花塞，其位置應(yīng)按燃燒室旋流方向設(shè)在噴嘴之后靠近噴嘴，在冷啟動或壓縮比較低或燃料自燃性差等不能壓燃點火的情況下使用。在使用輕質(zhì)餾分的燃料如汽油時，通過噴油嘴針閥的動作驅(qū)動點火電路低壓觸點來控制從噴油開始到點火的時間間隔以及延長火花持續(xù)時間或者實施多次多火花點火可保證火花塞可靠點火。如在汽油中摻入一定量的柴油，利用其黏度大自燃性好的優(yōu)點，既有利于高壓油泵的潤滑，也有利于燃燒室的可靠點火。
供氣管中還可根據(jù)負荷特征的需要來設(shè)置節(jié)氣門控制壓氣缸進氣量，來對內(nèi)燃機負荷實施質(zhì)、量的聯(lián)合調(diào)節(jié)。
各缸及各燃燒室氣門的開啟都通過由主軸驅(qū)動的一至兩根凸輪軸上相應(yīng)的凸輪來控制。凸輪軸的轉(zhuǎn)速是主軸轉(zhuǎn)速的一半。在設(shè)置雙凸輪軸而兩軸間距離偏小時，由主軸齒形皮帶驅(qū)動其中一根，再以齒輪傳動另一根；當(dāng)只設(shè)置一根凸輪軸時，由于燃燒室的氣門中心線偏離氣缸中心線，必須設(shè)置搖臂或者倒L型驅(qū)動臂來驅(qū)動氣門。為消除凸輪與氣門桿間的間隙，可采用液壓挺桿。凸輪設(shè)計還應(yīng)當(dāng)根據(jù)氣門動特性和氣體運動慣性考慮各氣門的適度早開遲閉。
本發(fā)明比現(xiàn)有技術(shù)的優(yōu)點1).兩個燃燒室交替工作，當(dāng)其中一個工作時，另一個處于準備狀態(tài)，起緩沖作用。這樣，點火(噴油)、燃燒可以在180度以上的主軸轉(zhuǎn)角內(nèi)進行，時間余量比現(xiàn)在的工作方法擴大五倍以上。轉(zhuǎn)速3000，6000，9000rpm時對應(yīng)的時間分別為10，5，3ms，利用已有技術(shù)即可從容地實施向燃燒室連續(xù)噴射燃油，噴油量由小到大，并在噴射開始時射流形成的富油區(qū)內(nèi)點火或自燃，隨后，邊噴油邊燃燒，形成穩(wěn)定連續(xù)的燃燒火焰，使工質(zhì)的溫度和壓力逐步升高，直至噴油結(jié)束，其結(jié)果是a.對于汽油機，由現(xiàn)在的預(yù)混燃燒方式改變成液霧擴散燃燒方式，在火焰形成時非火焰區(qū)不存在或只有極稀的可燃混合氣，也就不可能產(chǎn)生爆震，從而在根本上解決了汽油爆震的難題，可以大幅提高汽油機壓縮比，不但增大了功率，而且大幅提高了熱效率，如壓縮比從8提高到20，汽油機指示效率從48％提高到65％，增幅達17％；特別在部分負荷時可作稀薄燃燒，改變了現(xiàn)在汽油機在低負荷和低轉(zhuǎn)速時氣門節(jié)流與低壓縮比導(dǎo)致的低效率的狀況；對于柴油機，點火時同時自燃的油量很少，可極大地改善燃燒室工作粗暴度，并對其配氣、供油、點火等輔助設(shè)施的要求大為降低。
b.內(nèi)燃機壓縮比可設(shè)計得較高，而且燃燒過程既可適用于汽油，也可適用于柴油或其他氣態(tài)、液態(tài)燃料。特別是可以使用辛烷值低的餾程在300-650K的中、輕質(zhì)餾份，可減少分餾和提高辛烷值所耗能源與費用，降低燃料成本價格。
c.燃燒時間增長，這樣可以燃燒從煤中提煉的氫碳比低的合成燃料，開辟更廣泛的燃料來源。
d.在現(xiàn)有技術(shù)下內(nèi)燃機轉(zhuǎn)速可有較大提高而基本上不受燃燒過程的制約，功率相應(yīng)增大。汽油機還可配置廢氣增壓，使比功率大幅提高。
e.燃燒可以充分而且是在容積不變的燃燒室內(nèi)進行，避免了補燃、后燃等預(yù)漲因素對效率的不利影響，有利于提高效率，減少尾氣中CO，HC或碳黑的排放。2).燃燒室在氣缸之外，把燃燒產(chǎn)生的高溫、高壓集中在結(jié)構(gòu)簡單尺寸小的燃燒室內(nèi)。而不直接作用在活塞及其他發(fā)動機主構(gòu)件上，控制放氣門的開啟度可調(diào)節(jié)氣缸內(nèi)壓力升高率，改善了活塞等主構(gòu)件的受力和各運動副的工況，提高了運轉(zhuǎn)的平穩(wěn)性，這樣a.內(nèi)燃機主構(gòu)件的強度和技術(shù)要求降低，減少了內(nèi)燃機的尺寸和重量，降低生產(chǎn)成本；b.運動副工況改善減少了摩擦力，內(nèi)燃機轉(zhuǎn)速可相應(yīng)提高，有利于功率的增大；
c.燃燒室形狀不受氣缸的限制，選取合理的參數(shù)可使面容比降低50％以上,高溫部件的放熱面積減少，且采用導(dǎo)熱系數(shù)低的材料，冷卻熱損失可相應(yīng)減少；d.內(nèi)燃機的振動、噪聲大幅減少。3).壓氣與膨脹作功分別在兩個缸內(nèi)完成，這樣a.通過沒置兩缸的容積比使循環(huán)的壓縮比小于膨脹比，以提高熱效率；或者通過節(jié)氣門控制壓氣缸進氣量，既可以實施負荷調(diào)節(jié)，在大負荷時滿功率輸出；又可在中低負荷時使循環(huán)的實際壓縮比小于膨脹比，降低尾氣排放的溫度和壓力，提高指示熱效率。當(dāng)配置廢氣增壓時，可靈活選擇膨脹比和壓縮比來達到與增壓裝置的最佳配合。
b.工作缸與壓氣缸及其他主運動部件的受力及熱負荷波動減少，有利于其使用壽命的提高。4).主軸每旋轉(zhuǎn)一次，工作缸即作功一次。當(dāng)采用三缸基本結(jié)構(gòu)的內(nèi)燃機時，三個氣缸的工作等同于1×4循環(huán)的四個缸，從而簡化了發(fā)動機的結(jié)構(gòu)，減少了發(fā)動機的體積重量。在發(fā)動機尺寸和效率相同時氣缸當(dāng)量工作容積可增大38％，即功率相應(yīng)增大38％以上。5).進排氣管分別對應(yīng)于壓氣缸與工作缸，互不干涉，結(jié)構(gòu)簡單，易于布置，有利于安裝廢氣增壓裝置。另外，還可在進氣管中開設(shè)通道，設(shè)置氣門，在必要時將廢氣或水蒸氣引入循環(huán)，改善排污。6).本發(fā)明的活塞式內(nèi)燃機，其曲軸、活塞、連桿等基本構(gòu)件與現(xiàn)有活塞式內(nèi)燃機相近，可以利用現(xiàn)有的制造設(shè)備和技術(shù)來生產(chǎn)，易于實施。甚至對現(xiàn)有的內(nèi)燃機，通過更換其缸蓋、進排氣管等和增設(shè)少量部件即可改造成本發(fā)明方式的內(nèi)燃機。
本發(fā)明的所有目的、優(yōu)點和技術(shù)方案通過以下結(jié)合附圖所闡述的兩個具體實施例將更為清楚明確。
附

圖1為現(xiàn)有技術(shù)四行程內(nèi)燃機工作方式示意圖。附圖2為本發(fā)明的內(nèi)燃機工作方式示意圖。附圖3為本發(fā)明第一實施例的結(jié)構(gòu)原理示意圖。附圖4為本發(fā)明第一實施例的結(jié)構(gòu)示意B-B剖視圖。附圖5為本發(fā)明第一實施例的結(jié)構(gòu)示意A-A剖視圖。附圖6為本發(fā)明第一實施例的結(jié)構(gòu)示意C-C剖視圖。附圖7為本發(fā)明第一實施例的結(jié)構(gòu)原理示意圖。附圖8為本發(fā)明第二實施例的曲軸結(jié)構(gòu)示意圖。
實施例一 兩氣缸結(jié)構(gòu)活塞式內(nèi)燃機活塞式內(nèi)燃機可以以本例提供的兩氣缸結(jié)構(gòu)為單元進行組合擴展，形成直列或V型四缸、六缸、八缸等多缸內(nèi)燃機以滿足不同的需要。
參見附圖3，活塞式內(nèi)燃機由兩個氣缸組成。氣缸1為工作缸，氣缸2為壓氣缸。工作缸1和壓氣缸2之間有兩個燃燒室A，B。壓氣缸與工作缸的直徑行程等具體尺寸根據(jù)膨脹比、壓縮比及其他技術(shù)要求確定。
曲軸的兩個活塞曲柄180度對置，以確保曲軸運轉(zhuǎn)平穩(wěn)。曲軸轉(zhuǎn)角以壓氣缸活塞在上止點為起點(0度)，此時壓氣缸2已完成向燃燒室B的充氣，活塞下行進氣。工作缸1活塞上行排氣，各缸及燃燒室狀態(tài)隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化如下表過程主軸轉(zhuǎn)角(度)壓氣缸燃燒室A燃燒室B工作缸10-180 進氣 空置 噴油點燃排氣2 180-360壓縮 充氣 放氣 做功3 360-540進氣 噴油點燃空置 排氣4 540-720壓縮 放氣 充氣 做功上述過程中，點燃可理解為壓燃點火或電火花點火。為了配合以上過程，各氣缸及燃燒室的氣門在凸輪軸的驅(qū)動下在各行程開始時開啟，在行程結(jié)束時關(guān)閉。
參見附圖4、5、6，工作缸(1)和壓氣缸(2)并列，缸蓋(4)安裝在缸體(3)上，兩根凸輪軸(5)通過前后兩個滾動軸承支承在缸蓋上，并由齒形皮帶和帶輪(12)驅(qū)動；它們與主軸的轉(zhuǎn)速比為1∶2，這樣可同時控制各缸及燃燒室的進出氣門。凸輪軸每轉(zhuǎn)一圈，工作缸的排氣門(11)和壓氣缸的進氣門(6)上下工作兩次，與其對應(yīng)的凸輪應(yīng)為軸對稱形狀。兩個燃燒室的充氣門(7)和排氣門(10)則各上下一次。
氣缸蓋(4)上固定有一個燃燒室箱(9)，箱內(nèi)有兩個圓筒形的燃燒室，其尺寸由發(fā)動機的壓縮比決定。燃燒室蓋(8)與燃燒室箱(9)以螺紋連接，控制旋入的圈數(shù)可適量調(diào)節(jié)壓縮比。每個燃燒室有一進一出兩個通道與壓氣缸和工作缸連通，其中進氣道偏置與燃燒室圓筒相切，壓縮空氣進入后在燃燒室內(nèi)形成強烈旋流；通道口處設(shè)置氣門(7)和(10)，氣門面積不宜過大或過小，過大，則室內(nèi)氣體壓力通過氣門桿作用在凸輪軸上的壓力大，引起凸輪軸變形，過小，則氣體通過時的節(jié)流損失增大，效率降低，一般可選氣門直徑為工作缸直徑的1/4-1/20。
本例中如設(shè)氣缸的直徑為80mm，行程也是80mm，其容積為402ml，取壓縮比為18，則燃燒室容積為22.3ml，其直徑與高度可為30.5mm。燃燒室充、放氣門直徑為氣缸直徑的1/8，即10mm；氣缸的氣門直徑可取25-30mm。
燃燒室及其附件的耐高溫要求高，用耐高溫材料制造。目前常用的高溫材料有Ni基合金，其工作溫度可達1400K。其他還有Co基和Fe基合金等。陶瓷材料也是很好的耐高溫材料，而且導(dǎo)熱系數(shù)低，在滿足機械強度和沖擊韌性要求時可優(yōu)先應(yīng)用。箱體上根據(jù)熱負荷的需要來設(shè)置冷卻水道。
對應(yīng)于每個燃燒室，箱體上還按照室內(nèi)旋流方向順序安裝有噴油嘴(14)和電熱塞或火花塞(13)。在以柴油為燃料時，安裝電熱塞；在使用其他難以壓燃點火燃料時換裝火花塞。
燃燒室氣門(7)和(10)的末端為圓錐形，位于燃燒室內(nèi)側(cè)，進氣門末端設(shè)置凸臺，在燃燒室高壓時將進氣門封閉，防止高壓燃氣反沖或泄漏入壓氣缸內(nèi)，影響正常工作。工作缸和壓氣缸的進、排氣門(6)，(11)的末端為圓盤形，位于氣缸的內(nèi)側(cè)。為增大進、排氣門的面積(6)和(11)可以是雙氣門或多氣門結(jié)栬。氣門組件可采用傳統(tǒng)的氣門結(jié)構(gòu)，由氣門桿、氣門導(dǎo)管、氣門彈簧、液壓挺柱等組成。
燃燒室高溫將產(chǎn)生NOx。在溫度超過1800K時，N2的分子鏈被活性的O原子分解為N原子而與氧反應(yīng)生成Nox?？刹捎萌缦乱种品椒╝.減少燃油供應(yīng)，組織稀薄燃燒，減低燃燒溫度。
b.調(diào)節(jié)噴油泵使噴油及點火燃燒盡量靠近做功行程，縮短高溫維持時間。
c.在進氣管中開設(shè)通道和節(jié)門，引入廢氣或水霧或水蒸氣。廢氣中含有較多水蒸氣，水蒸氣和碳可在較低的溫度下?lián)屜劝l(fā)生水煤氣反應(yīng)及氧化反應(yīng)，能有效地抑制NOx的生成。廢氣或水汽的引入量通過節(jié)門控制，一般在空氣量的0-20％之間。
內(nèi)燃機的負荷調(diào)節(jié)方式，根據(jù)負荷的性質(zhì)而定，一般采用質(zhì)調(diào)節(jié)即可，但也可以采用輔助性量調(diào)節(jié)。如在以柴油為燃料時，壓縮比不能太小一般應(yīng)大于16，以保證可靠的壓燃點火。對汽車發(fā)動機而言，實施質(zhì)、量聯(lián)調(diào)，則負荷調(diào)節(jié)的范圍更廣，其功率與扭矩貯備系數(shù)更大，動力性更好。實施例二三氣缸結(jié)構(gòu)活塞式內(nèi)燃機活塞式內(nèi)燃機可以以本例提供的三氣缸結(jié)11為單元進行組合擴展，形成直列或V型六缸等多缸內(nèi)燃機以滿足不同的需要。三缸機相當(dāng)于1×4循環(huán)的四缸機，六缸機相當(dāng)于1×4循環(huán)的八缸機。
參見附圖7，發(fā)動機由三個氣缸組成。氣缸1和3為工作缸，氣缸2為壓氣缸。工作缸1、3和壓氣缸2之間分別有兩個燃燒室A，B及C，D。壓氣缸同時向兩個燃燒室供氣，當(dāng)設(shè)壓縮比等于膨脹比時，壓氣缸2的容積是工作缸1容積的兩倍，但其直徑則只是1.414倍。
本例中如設(shè)發(fā)動機的膨脹比/壓縮比＝1，兩個工作缸(1)，(3)的直徑為100mm，行程為100mm，則容積為785ml，壓氣缸容積應(yīng)是工作缸的2倍，為1570ml，其行程與工作缸相同，亦為100mm，可求得直徑為141mm。三缸總?cè)莘e為3140ml，其功率當(dāng)量于相同容積的四行程發(fā)動機，而縱向長度縮短60mm，且省略了一套曲拐、軸承、活塞、連桿及氣門等部件，減少內(nèi)燃機重量，降低生產(chǎn)成本。
參見附圖8，曲軸的兩個工作缸活塞曲柄180度對置，以確保曲軸運轉(zhuǎn)平穩(wěn)。壓氣缸活塞曲柄在二者之間，相差90度。曲軸轉(zhuǎn)角以壓氣缸活塞在上止點為起點(0度)，壓氣缸正好完成向燃燒室A、C的充氣此時工作缸1活塞上行排氣，缸3活塞在燃燒室D中熱氣驅(qū)動下下行作功，各缸及燃燒室狀態(tài)隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化如下表曲軸轉(zhuǎn)角(度)缸2燃A燃B 缸1燃C燃D缸3-90-0 壓氣 充氣 點燃 排氣 充氣 放氣 做功0-90 進氣 過渡 燃燒 排氣 過渡 放氣 做功90-180 進氣 過渡 放氣 做功 點燃 過渡 排氣180-270 壓氣 過渡 放氣 做功 燃燒 充氣 排氣270-360 壓氣 點燃 充氣 排氣 放氣 充氣 做功360-450 進氣 燃燒 過渡 排氣 放氣 過渡 做功450-540 進氣 放氣 過渡 做功 過渡 點燃 排氣540-630 壓氣 放氣 過渡 做功 充氣 燃燒 排氣本實施例的三缸內(nèi)燃機的氣缸、氣門、燃燒室及其他輔助裝置的結(jié)構(gòu)與實施例一的結(jié)構(gòu)相似，不再重述。
權(quán)利要求
1.一種內(nèi)燃機的循環(huán)工作方法，它由工質(zhì)的進氣、壓縮、(燃燒)做功、排氣四個行程的循環(huán)所組成，將燃料燃燒所產(chǎn)生的熱量轉(zhuǎn)換為機械能；本發(fā)明的特征是將工質(zhì)的四行程循環(huán)(1×4)轉(zhuǎn)換成分別由兩個氣缸來完成的兩個兩行程的循環(huán)(2×2)，其中一個為壓氣循環(huán)，包括進氣、壓縮兩個行程，由壓氣缸來完成；另一個為工作循環(huán)，包括做功、排氣兩個行程，由工作缸來完成；同時將燃燒過程從做功行程中分離出來，放入在氣缸外設(shè)置的兩個獨立的但每個都有由氣門控制的通道分別和壓氣缸與工作缸相連接的燃燒室A、B中交替進行，通過氣門的順序控制將壓氣與工作這兩個循環(huán)按如下工作過程有機的連接起來主軸旋轉(zhuǎn)0-180度壓氣缸完成第一次進氣行程，工作缸完成第一次排氣行程，燃燒室A中的壓縮空氣經(jīng)噴油點火燃燒形成高溫高壓燃氣；主軸旋轉(zhuǎn)180-360度壓氣缸完成第一次壓氣行程，并將被壓縮的空氣儲存于燃燒室B中；燃燒室A中的高溫高壓燃氣噴入排氣后的工作缸中膨脹做功，工作缸完成第一次工作行程；主軸旋轉(zhuǎn)360-540度壓氣缸完成第二次進氣行程，工作缸完成第二次排氣行程，燃燒室B中的壓縮空氣經(jīng)噴油點火燃燒形成高溫高壓燃氣；主軸旋轉(zhuǎn)540-720度壓氣缸完成第二次壓氣行程，并將被壓縮的空氣儲存于燃燒室A中；燃燒室B中的高溫高壓燃氣噴入排氣后的工作缸中膨脹做功，工作缸完成第二次工作行程；內(nèi)燃機恢復(fù)到循環(huán)初始狀態(tài)，又開始下一輪循環(huán)；因此，主軸每旋轉(zhuǎn)二周，壓氣缸完成二次進氣、壓縮循環(huán)，工作缸完成二次做功、排氣循環(huán)，燃燒室A、B各完成一次充氣、噴油、點火、燃燒和放氣的循環(huán)；當(dāng)在不同形式的內(nèi)燃機上實施此方法時，各氣缸和燃燒室完成上述循環(huán)所對應(yīng)的主軸轉(zhuǎn)角將有所不同。
2.一種實施權(quán)利要求1所述方法的內(nèi)燃機裝置，它由氣缸、燃燒室及配氣供油點火等機構(gòu)所組成，其特征在于該裝置至少包括一個完成壓氣循環(huán)的壓氣缸，一個完成工作循環(huán)的工作缸，一個位于壓氣缸與工作缸之外又在此兩缸之間的內(nèi)部有兩個燃燒室A和B的燃燒室箱以及一套配合上述三個部件實施權(quán)利要求1所述循環(huán)的配氣、供油與點火等機構(gòu)；其中燃燒室箱中的每個燃燒室都有一進一出兩個通道分別與壓氣缸與工作缸相連通，各通道中均設(shè)有氣門將燃燒室和氣缸分開并控制著各通道的適時開啟與關(guān)閉。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的內(nèi)燃機裝置，是由氣缸、活塞、曲軸、連桿等機構(gòu)所組成的活塞式內(nèi)燃機，其特征在于它是一個由兩缸基本結(jié)構(gòu)為單元而組合擴展的直列、V型或者其他形式的二缸、四缸、六缸、八缸或者八缸以上的多缸活塞式內(nèi)燃機，該兩缸基本結(jié)構(gòu)是由一個壓氣缸、一個工作缸和一個燃燒室箱及其為之配套工作的配氣、供油點火等機構(gòu)所組成，其結(jié)構(gòu)形式為壓氣缸-燃燒室箱-工作缸。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的內(nèi)燃機裝置，是由氣缸、活塞、曲軸、連桿等機構(gòu)所組成的活塞式內(nèi)燃機，其特征在于它是一個由三缸基本結(jié)構(gòu)為單元而組合擴展的直列、V型或者其他形式的三缸、六缸或者六缸以上的多缸活塞式內(nèi)燃機，該三缸基本結(jié)構(gòu)是由一個壓氣缸、二個工作缸和兩個燃燒室箱及其為之配套工作的配氣、供油點火等機構(gòu)所組成，其結(jié)構(gòu)形式為工作缸-燃燒室箱-壓氣缸-燃燒室箱-工作缸，其中壓氣缸同時向兩個工作缸對應(yīng)的燃燒室供氣。
5.根據(jù)權(quán)利要求2、3或4所述的內(nèi)燃機裝置，其特征在于壓氣缸的容積等于或者不等于工作缸的容積；在壓氣缸缸蓋上設(shè)置有1-4個同步工作的進氣門與進氣道相連，在壓氣缸進氣行程中開啟，在壓縮行程中關(guān)閉；在工作缸缸蓋上設(shè)置有1-4個同步工作的排氣門與排氣管相連，在工作缸排氣行程中開啟，在工作行程中關(guān)閉。
6.根據(jù)權(quán)利要求2、3或4所述的內(nèi)燃機裝置，其特征在于在燃燒室與壓氣缸間的通道中設(shè)置有充氣門，在燃燒室與工作缸間的通道中設(shè)置有放氣門；當(dāng)壓氣缸向燃燒室充氣時，充氣門開啟，放氣門關(guān)閉；當(dāng)燃燒室向工作缸放氣時，放氣門開啟，充氣門關(guān)閉；在其他狀態(tài)下，充、放氣門均關(guān)閉；充、放氣門的末端為圓錐形，氣門直徑為工作缸直徑的1/4-1/20，充氣門末端還設(shè)置凸臺。
7.根據(jù)權(quán)利要求2、3或4所述的內(nèi)燃機裝置，其特征在于燃燒室的容積是壓氣缸容積的1/6-1/40之間；各燃燒室為圓筒型、燃燒室蓋與其以螺紋連接，控制旋接的圈數(shù)可調(diào)節(jié)燃燒室的容積即壓縮比；燃燒室進氣道偏置與圓筒相切；燃燒室以導(dǎo)熱系數(shù)低的耐高溫材料制作。
8.根據(jù)權(quán)利要求2、3或4所述的內(nèi)燃機裝置，其特征在于每個燃燒室都裝有高壓噴油嘴和選配電熱塞或火花塞，電熱塞或火花塞的位置沿燃燒室旋流方向在噴油嘴之后，并靠近噴油嘴；在以柴油為燃料時配裝電熱塞，在使用汽油或其他難以壓燃的燃料時配置火花塞，其點火是通過噴油嘴針閥的動作來觸發(fā)。
9.根據(jù)權(quán)利要求2、3或4所述的內(nèi)燃機裝置，其特征在于該裝置是以汽油，或者柴油，或者汽油與柴油的混合油，或者餾程在300至650K之間的中、輕質(zhì)石油餾分，或者從煤中獲取的合成燃油，或者其他可燃氣體或液體為燃料，通過噴油嘴噴入燃燒室內(nèi)，并在燃燒室內(nèi)完成氣體或液霧的擴散燃燒。
10.根據(jù)權(quán)利要求2、3或4所述的內(nèi)燃機裝置，其特征在于各缸及各燃燒室氣門的開啟都通過由主軸驅(qū)動的一至兩根凸輪軸上相應(yīng)的凸輪來控制，凸輪軸的轉(zhuǎn)速是主軸轉(zhuǎn)速的一半，凸輪驅(qū)動氣門控制同一燃燒室箱中的兩個燃燒室處于交替的充放氣狀態(tài)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種內(nèi)燃機循環(huán)工作的方法及實施該方法的裝置。本發(fā)明通過將內(nèi)燃機的進氣、壓縮、(燃燒)做功、排氣四行程的循環(huán)(1x4)轉(zhuǎn)換成分別由兩個氣缸來完成的兩個兩行程循環(huán)(2x2)，即壓氣循環(huán)(進氣、壓縮)與工作循環(huán)(做功、排氣)，并將燃燒過程放在氣缸之外的兩個獨立燃燒室A、B中交替進行；組成以兩缸或三缸基本結(jié)構(gòu)為單元的多缸內(nèi)燃機，能全面提高發(fā)動機的動力性、經(jīng)濟性、平穩(wěn)性、耐久性和潔凈性。簡化發(fā)動機結(jié)構(gòu)，減少發(fā)動機的體積、重量、降低制造成本，并適合多種燃料。
文檔編號F02B75/00GK1158940SQ9710064
公開日1997年9月10日 申請日期1997年3月6日 優(yōu)先權(quán)日1997年3月6日
發(fā)明者朱榮輝 申請人:朱榮輝