專利名稱：具有排放及增壓氣體再循環(huán)裝置的內燃發(fā)動機的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種具有排放和增壓的氣體的再循環(huán)裝置的內燃發(fā)動機。
眾所周知，由內燃發(fā)動機排放的氮氧化物(NOx)污染水平可以借助位于排氣集氣支管上的一個閥將排出氣體的一部份返回到進氣管來降低，該閥由計算機來控制。
特別是從專利申請WO 95/14853中可了解一種機械增壓發(fā)動機，利用排出氣體的壓力波通過后充氣效應進行自動增壓。這種發(fā)動機利用該排出氣體所經(jīng)過的渦輪驅動的壓縮機來增壓，該渦輪起限制排氣的作用，以便使壓力波進行后充氣。
本發(fā)明的目的是提出一種發(fā)動機，裝備有即使排出的氣體進行再循環(huán)、又利用排氣的壓力波進行自增壓的裝置，這種內燃發(fā)動機沒有機械的增壓裝置。
因此，本發(fā)明的目的是提出一種沒有機械增壓裝置的內燃發(fā)動機，它有n個氣缸，每個氣缸裝備有一個作往復直線運動的活塞、每個氣缸裝備有q個排氣閥和r個進氣閥、q和r是大于或等于1的整數(shù)，對于不同氣缸可能會不同，每個氣缸的一個工作周期包括吸入空氣和燃油、燃燒并膨脹、使發(fā)動機作功并排出燃燒后的氣體，n個氣缸的排氣閥連接到p個排氣集氣支管上，在同一條集氣支管上連接有n’個氣缸。其中n’＜n且p＜n，其特征在于，每個排氣集氣支管用一個關閉機構連接到排氣管出口并通過至少一個通氣閥連通到大氣，發(fā)動機的每個氣缸在其工作周期的一部分上包括三個連續(xù)階段1、2、3，對于所有連接到同一支管的n’個氣缸，n’組的三個階段包括了發(fā)動機的全部工作周期，對于一個氣缸C，該三個階段定義如下-在第一階段1，至少一個排氣閥和至少一個進氣閥是開啟的，在連接到C的集氣支管中至少一個通氣閥是開啟的，而該集氣支管的關閉機構是關閉的，氣缸C中的活塞向下頂點運動，以便將氣體吸入氣缸；-在第二階段2，該關閉機構及集氣支管的一個(或多個)通氣閥一樣是關閉的，所有的進氣閥是關閉的，至少一個排氣閥是開啟的；在同一集氣支管上的n’個其他氣缸C’中的至少一個氣缸有至少一個開啟的排氣閥，在該階段將排出的氣體排空，其活塞向上頂點運動，從氣缸C’排到集氣支管中的壓力波在其排氣階段驅動空氣和可能燃燒過的氣體進入未進行排氣的氣缸C中-在第三階段3，該關閉機構是開啟的，一個(或多個)通氣閥是關閉的，氣缸C的排氣閥和進氣閥是關閉的，氣缸C的活塞向上頂點運動，同時與同一個集氣支管相連的氣缸C’至少有一個排氣閥開啟，所有的氣缸進氣閥均關閉，氣缸C’的活塞上沖程向上頂點運動，造成燃燒后的氣體經(jīng)關閉機構被排空；其后，氣缸C當壓縮時進入到燃燒階段，于是活塞被燃燒氣體膨脹所驅動向下返回到下頂點，直至活塞恢復到其工作周期的1階段的開始點為止。
有利的是，根據(jù)本發(fā)明的發(fā)動機的特征在于，它包括至少一個排氣集氣支管連接至少兩個相應的氣缸，其中活塞作相同的向上頂點和向下頂點運動；一方面，該排氣集氣支管裝有至少一個用任意合適的裝置來控制的通氣閥，另一方面，該排氣集氣支管通過中間的關閉機構通向排氣輸出管，該關閉機構也由任意合適的裝置來進行控制；進氣閥、排氣閥和通氣閥以及關閉機構是同步工作的。于是在發(fā)動機內出現(xiàn)下述過程氣缸在進氣沖程時，空氣經(jīng)進氣閥進入氣缸；存在于與氣缸相連的集氣支管中的所排出的氣體與經(jīng)通氣閥而進入集氣支管的空氣一起，經(jīng)該氣缸的排氣閥進入氣缸；于是通過另外相應氣缸的燃燒氣體的壓力脈沖效應預先由通氣閥進入到集氣支管的空氣經(jīng)排氣閥被驅動進入氣缸，相應氣缸的排氣閥打開，從而獲得增壓；最后，相應氣缸所殘余的燃燒后氣體通過處于開啟位置的關閉機構釋放到排氣管中。
最好，根據(jù)本發(fā)明的發(fā)動機為四沖程的四缸發(fā)動機，氣缸按順序1、3、4、2同步工作，該發(fā)動機具有兩個集氣支管，每個支管與一對氣缸相配合，每個集氣支管具有至少一個通氣閥并通過中間的關閉機構連接到排氣總管上進行排放，這樣在發(fā)動機工作周期，出現(xiàn)下述過程a)空氣通過第一氣缸的一個或多個進氣閥在進氣沖程時進氣；b)存在于與該第一氣缸相連的集氣支管中所排出的氣體，經(jīng)第一氣缸的一個或多個排氣閥進氣，該集氣支管上的至少一個通氣閥是開啟的；c)進入到該排氣集氣支管的一定量空氣的進氣；d)有利地與第一氣缸相連接的氣缸的一個或多個排氣閥的開啟，由于進入到相應集氣支管的壓力波，驅趕在排氣集氣支管內的氣體通過其排氣閥或多個排氣閥進入到第一氣缸中；e)有利地與第一氣缸相連接的氣缸的排氣的釋放，這些氣體受到氣缸活塞的壓迫，經(jīng)處于開啟位置的關閉機構進入排氣總管；f)第一氣缸中燃油的注入，第一氣缸一方面通過它的一個或多個進氣閥吸入新鮮空氣，另一方面又通過同樣的一個或多個排氣閥吸入附加的新鮮空氣，最后又通過這個或多個排氣閥吸入再循環(huán)的排出氣體；然后將這種空氣-燃油-再循環(huán)氣體所組成的混合氣體燃燒，活塞被驅動向下到下頂點，直至其回到其周期的起點；用這種方法同時獲得增壓和排出氣體的再循環(huán)，以降低污染。
在第一種變型中，關閉機構B由任何適當?shù)难b置來控制，它可以按要求任意確定其開啟和關閉的開始時間和持續(xù)時間。在另一種變型中，該關閉機構具有一個旋轉的旋塞，其上加工有兩個由兩個區(qū)域隔開的開口，它與相移系統(tǒng)相連或不相連，這樣就可依據(jù)旋塞的旋轉和開口的尺寸確定其速度、按要求任意確定其開啟和關閉的起始時間和持續(xù)時間。
在另一種變型中，該關閉機構是一個具有兩對孔的旋轉圓盤，該兩對孔相對于圓盤的軸線是對稱的，但距軸線的距離不同。
有利的是，每個通氣閥可由任何適當?shù)难b置來控制，它可以按要求確定其開啟和關閉的起始時間和持續(xù)時間。還可以設置一個通氣閥，由它所處的排氣集氣支管的壓降來開啟。
為了更好的了解本發(fā)明，現(xiàn)參照附圖對若干非限制性實施例加以描述。
在附圖中-

圖1到圖3示意地示出四缸四沖程的噴注式內燃發(fā)動機的兩個氣缸，該氣缸按順序1、3、4、2的通常方式工作，這三個圖示出了該發(fā)動機的三個連續(xù)工作階段；-圖4是根據(jù)本發(fā)明的圖1到圖3所示的這種類型的發(fā)動機的平面示意圖；-圖5是用于圖4發(fā)動機上的關閉機構的第一個實施例的示意立體圖；-圖6是用于圖4發(fā)動機上的關閉機構的第二個實施例的示意立體圖；-圖7系沿旋轉盤軸線方向的圖6中的關閉機構的示意圖；-圖8示出圖1到圖3的氣缸1和4的閥的提升行程L、在整個周期內作為曲軸轉角θ的一個函數(shù)，一方面示出了關閉機構的開關階段(曲線20)，另一方面示出了通氣閥的開關階段(曲線30)，這兩條曲線開啟和關閉的位置分別用字母O和F來表示；氣缸4的閥提升行程曲線示于圖形的上部，有關氣缸1的曲線示于前一條曲線的下面和曲線20的上面；有關每個進氣閥和排氣閥的閥提升行程用相應閥的標記來表示。
在圖1到圖3中，氣缸1和4(C1和C4)的活塞P1和P4一同進行或者是在圖1中的向下頂點(PMB)、或者是在圖2和3中的向上頂點(PMH)的相同的直線運動。
在圖4中可見，氣缸1和4用一根相同長度的集氣支管D耦合在一起，同時氣缸C2和C3用一根相同長度的集氣支管D’耦合在一起，集氣支管D和D’連到一個關閉機構B上，它的運動部分由發(fā)動機曲軸來驅動；這一驅動是通過傳動裝置11a、11b、11c來進行的，它在圖4中用皮帶輪和皮帶系統(tǒng)的形式示出，驅動還可借助相移系統(tǒng)12，使關閉機構的運動部分可相對曲軸有一個相移。發(fā)動機由供給系統(tǒng)13供給。
在圖1到4的實施例中，氣缸C1和C4用一根排氣集氣支管D連接在一起，該支管連接氣缸C1和C4的排氣閥E1和E4。在該集氣支管D上裝有附加的通氣閥SS，該閥由任意適合的裝置14所控制。集氣支管D通過關閉機構B與排氣出口管F相通，關閉機構按這樣一種方式進行控制，即有時是關閉的(參見圖1和2)，有時是開啟的(參見圖3)。
在關閉機構B的第一個實施例中，如圖5所示、并在圖1到4中示意示出的，制造一個圓柱形的旋塞，它在固定缸體中轉動，轉動的圓柱形旋塞10有兩對開口B1徑向相對地位于圓柱體上；一對開口向支管D的進口運動，而另一對開口離開集氣支管D’的進口運動，這樣當一對開口正對著集氣支管的開口時，排出的氣體可以穿過轉動的圓柱體10所構成的障礙，通到在與安裝有集氣支管D和D’相對的母線上的排氣管，排氣管F應足夠大，以便能接納從孔B1中排出的氣體。圖5中，圓柱體10上的開口位置正好接通集氣支管D’和排氣出口管F。該轉動圓柱體10由圖4中的裝置11a、11b、11c、12所驅動。
圖6和7示出另一種關閉機構B的實施例。在這一實施例中，集氣支管D和D’通向截錐體的底部，其上為具有兩對孔B1的旋轉圓盤15，該兩對孔相對于圓盤15的軸線對稱，但離軸線的距離不同。其中一根集氣支管按這樣一種方式連接到截錐體的底部上，即它處在一對孔B1的旋轉路徑上，同時另一集氣支管D’按同樣的方式連接到截錐體的底部上，即它處在另一對孔B1的路徑上。圓盤15可以由電機16驅動，或由如圖4中所示的系統(tǒng)驅動。
在圖5到7中的實施例中可以看到，關閉機構B的開啟和關閉在發(fā)動機工作周期內可以任意控制。
圖1到3示出裝置的運行狀態(tài)，其工作周期的完整過程示于圖8的曲線中。工作周期包括有三個連續(xù)的階段1、2、3。氣缸1的每個階段i用(i)1來表示，同時氣缸4的每個階段i用(i)4來表示。
為簡化圖形，已經(jīng)假定發(fā)動機四個氣缸中的每一個氣缸只有一個進氣閥(Aj對應氣缸號為j)和一個排氣閥(Ej對應氣缸號為j)。
當在階段1時-在氣缸C1中，兩個閥A1和E1均開啟，活塞P1接近下頂點并向下運動到達下頂點位置；-在氣缸C4中、兩個閥A4和E4均關閉，活塞P4的運動完全與活塞P1相同。
在氣缸C4中，燃燒的氣體膨脹作功，而在氣缸C1中進行吸氣并使空氣通過閥A1進入氣缸內。當然，此時的排氣閥E1一直是開啟的且關閉系統(tǒng)處于關閉位置，由于通氣閥SS是開啟的，可使空氣進入到集氣支管內。滯留的支管D內的排氣因而也被吸入，于是造成排氣再循環(huán)(EGR)。隨后，空氣進入，但不一定到達閥E1。關閉機構B處在關閉位置。
在階段2，氣缸C1和C4的活塞P1和P4剛好越過下頂點并開始在氣缸內作向上返回運動。進氣閥A1和A4關閉，兩個排氣閥E1和E4開啟。在氣缸C4中，燃燒的氣體已膨脹驅動活塞P4，仍然有相當高的壓力(對于輕載約為10巴，重載約為40巴，負載對應于加速器的位置)。所以有一個壓力波經(jīng)過排氣閥E4進入到集氣支管D，該壓力波的幅值在輕載時約為150毫巴，在重載時約為2.5巴。該壓力波向氣缸C1的方向運動、即使關閉機構相對于階段1的位置作轉動，關閉機構仍保持在關閉狀態(tài)。壓力波驅動曾由閥SS進入的且又保留在集氣支管D內的空氣進入到氣缸C1，該階段閥SS已關閉；這就在氣缸C1中形成增壓。于是，本發(fā)明借助排氣再循環(huán)，同時實現(xiàn)既增壓又降低氮氧化物的污染。閥E1可以在排出的氣體進入氣缸C1之前進行關閉，也可以為了獲得稍微多一點的EGR而稍微延后一點時間進行關閉。
在階段3，閥SS保持關閉，但旋塞B開啟。閥A1和E1均關閉。閥A4同樣也呈關閉狀態(tài)，但閥E4保持開啟并且旋塞B呈開啟狀態(tài)。從氣缸C4排出的氣體經(jīng)過旋塞B流向排氣管F?；钊鸓4排空氣缸C4、而活塞P1壓縮吸入到氣缸C1中的空氣至燃油噴射時為止；然后，混合物在氣缸C1中燃燒，驅動活塞P1向下頂點運動，直至這樣的位置，恰好是氣缸C4在前面描述的階段1的狀態(tài)。
在所描述的例子中，關閉機構B是有兩個孔B1且由兩個實體部分B2隔開的旋轉旋塞。當然，這種關閉機構還可是受控閥門。旋塞的開啟或關閉的持續(xù)期可由它的關閉部分B2和開口部分B1的尺寸和旋轉速度任意確定。在對應階段1和2的圖1和2中，關閉機構B的旋塞處在關閉位置；當然，旋塞的開口可以采用相移器12進行偏置，于是可調整增壓后的EGR的程度。
當然，每個氣缸可以有多個排氣閥和多個進氣閥。在進氣的情況下，所有的閥可能同時開啟。相反，在排氣的情況下，可能只有q個閥開啟，在階段1和2只開啟q’個閥，少于q個閥，之所以這樣做，特別是為了不干擾在氣缸中空氣增壓的渦流旋轉，該渦流旋轉對于達到理想燃燒和由此獲得高效是很重要的。在該系統(tǒng)中，閥可通過任何方式控制，例如用凸輪軸，用液壓或電磁或氣動裝置，或是用這些不同方案的混合裝置。
該系統(tǒng)可工作于任何n個數(shù)目的氣缸(n大于1)和p個數(shù)目的用以連接n’個氣缸到一支管上的集氣支管D、其中n’＜n且p＜n。對于p個集氣支管的每個支管，需要安裝一個關閉機構B。其工作周期與前面在圖1到3中描述的工作周期相同。
權利要求
1.一種內燃發(fā)動機，不備有機械增壓裝置，具有n個氣缸(C1，…C4)，每個氣缸裝備有一個作往復直線運動的活塞，每個氣缸裝備有q個排氣閥和r個進氣閥，q和r是大于或等于1的整數(shù)，對于不同氣缸可以不同，每個氣缸的一個工作周期包括吸入空氣和燃油，燃燒并膨脹、使發(fā)動機作功并排出燃燒后的氣體，n個氣缸的排氣閥連接到p個排氣集氣支管上，在同一條集氣支管上連接有n’個氣缸，其中n’＜n且p＜n；其特征在于，每一排氣集氣支管(D，D’)用一個關閉機構(B)連接到排氣管出口并通過至少一個通氣閥(SS)連通到大氣，發(fā)動機的每個氣缸(C1，…，C4)在其工作周期的一部分上包括三個連續(xù)階段1、2、3，對于所有連接到同一個支管上的n’個氣缸，n’組的三個階段包括了發(fā)動機的全部工作周期，對于一個氣缸(C)，該三個階段定義如下-在第一階段1，至少一個排氣閥(E1)和至少一個進氣閥(A1)是開啟的、在連接到(C1)的集氣支管中至少一個通氣閥(SS)是開啟的，而該集氣支管的關閉機構(B)是關閉的，氣缸(C1)中的活塞(P1)向下頂點運動，以便將氣體吸入氣缸；-在第二階段2，將關閉機構(B)及集氣支管的一個(或多個)通氣閥(SS)一樣是關閉的，所有的進氣閥(A1)是關閉的，至少一個排氣閥(E1)是開啟的；在同一集氣支管上的n’個其它氣缸(C4)中的至少一個氣缸有至少一個開啟的排氣閥(E4)，在該階段將排出的氣體排空，其活塞(P4)向上頂點運動，從氣缸(C4)排到集氣支管(D)中的壓力波在其排氣階段驅動空氣和可能的燃燒過的氣體進入未進行排氣的氣缸(C1)中；-在第三階段3，該關閉機構(B)是開啟的，一個(或多個)通氣閥(SS)是關閉的，氣缸(C1)的排氣閥(E1)和進氣閥(A1)是關閉的，氣缸(C1)的活塞向上頂點運動，同時與同一個集氣支管(D)相連的氣缸(C4)至少有一個排氣閥開啟，所有的氣缸進氣閥均是關閉的，氣缸(C4)的活塞上沖程向上頂點運動，造成燃燒后的氣體經(jīng)由關閉機構(B)被排空；其后，氣缸(C1)當壓縮時進入到燃燒階段，于是活塞(P1)被燃燒氣體膨脹所驅動向下返回到下頂點，直至活塞恢復到其工作周期的1階段的開始點為止。
2.根據(jù)權利要求1所述的發(fā)動機，其特征在于，它包括至少一個排氣集氣支管(D)連接至少兩個相應的氣缸(C1，C4，…)，其中活塞(P1，P4，…)作相同的向上頂點(PMH)和向下頂點(PMB)的運動；一方面，該排氣集氣支管(D)裝有至少一個用任意合適的裝置來控制的通氣閥(SS)，另一方面，該排氣集氣支管通過中間的關閉機構(B)通向排氣輸出管(F)，該關閉機構由任意合適的裝置來進行控制；進氣閥(A1，A4，…)、排氣閥(E1，E4，…)和通氣閥(SS)以及關閉機構(B)是同步工作的，于是在發(fā)動機內出現(xiàn)下述過程氣缸在進氣沖程時，空氣經(jīng)進氣閥進入氣缸；存在于與氣缸相連的集氣支管中的所排出的氣體，與經(jīng)通氣閥(SS)而進入集氣支管的空氣一起，經(jīng)該氣缸的排氣閥進入氣缸；于是通過另外相應氣缸燃燒氣體的壓力脈沖效應，預先由通氣閥(SS)進入到集氣支管(D)的空氣經(jīng)由排氣閥被驅動進入該氣缸，相應氣缸的排氣閥打開，從而獲得增壓；最后，相應氣缸的殘余燃燒氣體通過處于開啟位置的關閉機構(B)釋放到排氣管(F)中。
3.根據(jù)權利要求2所述的內燃發(fā)動機，具有四缸(C1，C2，C3，C4)四沖程，氣缸按順序1、3、4、2同步工作，該發(fā)動機具有兩個集氣支管(D)，每個集氣支管與一對氣缸(C1-C4或C2-C3)相配合，每個集氣支管(D)具有至少一個通氣閥(SS)，并通過中間的關閉機構(B)連接到排氣管(F)上，這樣在發(fā)動機工作周期出現(xiàn)下述過程a)空氣通過第一氣缸(C1)的一個或多個進氣閥(A1)在進氣沖程時進氣；b)存在于與該第一氣缸(C1)相連的集氣支管(D)中的排出氣體，經(jīng)第一氣缸的一個或多個排氣閥(E1)進氣，該集氣支管上的至少一個通氣閥是開啟的；c)進入到該集氣支管(D)的一定量空氣的進氣；d)有利地與第一氣缸(C1)相連接的氣缸(C4)的一個或多個排氣閥(E4)的開啟，由于進入到相應集氣支管(D)的壓力波，驅趕存在集氣支管(D)中的氣體通過其一個或多個排氣閥(E1)進入到第一氣缸(C1)中；e)有利地與第一氣缸(C1)相連接的氣缸(C4)的排氣的釋放，這些氣體受到氣缸活塞(P4)的壓迫，經(jīng)處于開啟位置的關閉機構(B)進入排氣管(F)；f)第一氣缸(C1)中燃油的注入，該氣缸一方面通過它的一個或多個進氣閥(A1)吸入新鮮空氣，另一方面又通過同樣的一個或多個排氣閥(E1)吸入附加的新鮮空氣，最后又通過這個或多個排氣閥(E1)吸入再循環(huán)的排出氣體；然后將這種空氣-燃油-再循環(huán)氣體所組成的混合氣體燃燒，活塞(P1)被驅動向下到下頂點(PMB)，直至回到其周期的起點；用這種方法同時獲得增壓和排出氣體的再循環(huán)。
4.根據(jù)權利要求1至3之一所述的內燃發(fā)動機，其特征在于，關閉機構(B)由任何適當?shù)难b置來控制，它可以按要求任意確定其開啟和關閉的開始時間和持續(xù)時間。
5.根據(jù)權利要求1至3之一所述的內燃發(fā)動機，其特征在于，關閉機構(B)具有一個旋轉的旋塞，配有兩個由兩個區(qū)域(B2)隔開的開口(B1)，與一個相移系統(tǒng)相連或不相連，這樣就可依據(jù)旋塞的旋轉速度和開口(B1)的大小，按要求任意確定其開啟和關閉的開始時間和持續(xù)時間。
6.根據(jù)權利要求1至3之一所述的內燃發(fā)動機，其特征在于，關閉機構(B)是一個具有兩對孔(B1)的旋轉圓盤，該兩對孔相對于圓盤的軸線是對稱的，但距軸線的距離不同。
7.根據(jù)權利要求1至6之一所述的內燃發(fā)動機，其特征在于，一個通氣閥(SS)由任何適當?shù)?、能確定其開啟和關閉的起始時間和持續(xù)時間的裝置來控制。
8.根據(jù)權利要求1至6之一所述的內燃發(fā)動機，其特征在于，一個通氣閥(SS)由它所處的集氣支管(D)的壓降來控制開啟。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種無機械增壓裝置的n氣缸(C1,…,C4)內燃發(fā)動機,每個氣缸有一個作往復直線運動的活塞、q個排氣閥和r個進氣閥,q和r為不小于1的整數(shù),在一個工作周期中,吸入空氣和燃油,接著燃燒膨脹使發(fā)動機做功并將燃燒過的氣體排出,n氣缸的排氣閥連接p個集氣支管,在同一支管連接有n'個氣缸,其中n'< n且p< n,每個集氣支管(D)通過關閉裝置(B)連接排氣管并通過至少一個通氣閥連通大氣,每個氣缸的工作周期的一部分包括三個連續(xù)階段Φ1、Φ2、Φ3,連接到公共集氣支管的n'個氣缸n'組的三個階段包括了發(fā)動機的全部工作周期。
文檔編號F02B27/02GK1269866SQ98808970
公開日2000年10月11日 申請日期1998年9月7日 優(yōu)先權日1997年9月11日
發(fā)明者達尼埃爾·德雷克 申請人:達尼埃爾·德雷克