双缸循环内燃发动机及其基本实现绝热和均质稀燃的方法.pdf

本发明涉及一种有数个可以独立的小的双缸循环系统的往复式内燃发动机及其能基本实现绝热和均质稀燃的方法。目的是要制造一种能较为彻底地解决效率和排放问题又比较简单的内燃发动机。该机压缩和膨胀在各自的缸中进行，独立燃烧室以活动隔板为界分为内室和外室，燃烧只发生在内室，用压缩后的工质气体助喷，不调空燃比用改变小系统的起停组合来改变输出转矩，能基本实现绝热和均质稀燃。该机可大幅度降低油耗和减少排放。

1、  一种双缸循环内燃发动机，主要由气缸、进、排气门、曲柄连杆构成，其特征是：发动机由数个工作单元组成，每个工作单元包含两个汽缸，一个是压缩缸(2)，在其缸盖上设有进气门(1)，另一个是膨胀缸(3)，在其缸盖上设有排气门(4)，两汽缸盖相连，缸盖上设有独立燃烧室，独立燃烧室通过其与缸的分界面处的入口阀(8)和出口阀(9)分别与压缩缸和膨胀缸相连接，活动隔板(7)将独立燃烧室分隔成内室(5)和外室(6)二部分，喷油机构与独立燃烧室连接。

2、  根据权利要求1所述的双缸循环内燃发动机，其特征是：整机由数个结构相同而排量可不同的工作单元通过起动与离合机构各自与公共输出元件相连接的方式组合而成。

3、  根据权利要求1所述的双缸循环内燃发动机，其特征是：所说的独立燃烧室的喷嘴(10)与独立燃烧室的外室(6)壁固接伸向内室，在喷嘴(10)出口处有内室(5)与外室(6)之间的气流通道，在这一通道处设有防窜止回阀(14)，反锥针阀(11)通过弹簧(15)可将喷嘴(10)堵住，由喷嘴、反锥针阀与计量隔离塞所限定的腔内有经单向阀进入的燃油，计量隔离塞无燃油一侧有隔离润滑油室(18)，油室(18)经传压通道与独立燃烧室外室连通。

4、  根据权利要求1所述的双缸循环内燃发动机，其特征是：将阀杆及活动隔板的导向杆的伸出部分用壳体封闭起来，在上部设口并让其与外室相通，用润滑油尽量多的充占壳体所封闭的空间，对阀及活动隔板的驱动用转轴从壳体的有占容油部位引入。

5、  根据权利要求1所述的双缸循环内燃发动机，其特征是：膨胀缸(3)的缸径大于压缩缸(2)。

6、  一种权利要求1所述的双缸循环内燃发动机实现基本绝热运行的方法，其特征是：在独立燃烧室处采用让外室的温度较低的气体包围燃后会产生高温的内室的方法来减少热的散失和降低热负荷；还采用加大过量空气系数的方法来降低燃气的温度从而减小与工质气体接触部位的热负荷；在防窜热方面，首先是让压缩和膨胀不在同一缸中进行，而是在各自的缸中进行；在膨胀开始时先让热的内室气体从出口阀快速排向膨胀缸，然后再让外室气体充占内室并从内、外二面流经和冷却内室壁、活动隔板及出口阀；在膨胀已基本结束压缩已开始并且是二缸的压力基本相等时，让出口阀和入口阀有一段同时开启的时间，扫走上一循环留下的温度要高一些的气体。

7、  一种权利要求1所述的双缸循环内燃发动机实现接近均质稀燃的方法，其特征是：在混合气的形成方面，主要是依靠由于压缩后工质气体助喷雾化效果好且伴有高强度紊流而使混合气生成速度快这一特点以燃前向内室直喷的方式制备接近均质的混合气；对于柴油机由于是压燃，必须在滞燃期内完成接近均质混合气的制备，因而还借助于喷油时驱动活动隔板使内室的当时压力降低而导致的温降和由于采用了防止让燃烧所产生的热窜留到压缩过程的措施而使该机压缩后的工质气体的温度比同压缩比的现一般柴油机要低来延长滞燃期；在混合气的燃烧方面，采用加大内室混合气的空燃比的方法使燃烧温度降至接近NO生成的冻结温度，并让汽油机和柴油机一样都采用较大的压缩比，使在这一不变空燃比下发生的燃烧能够是迅速甚至是激烈的，以减少HC排放，而利用外室气体通过活动隔板与之均压的作用来缓解在这一空燃比下并采用较大压缩比时可能出现的粗暴或类似敲缸现象。

双缸循环内燃发动机及其基本实现绝热和均质稀燃的方法
(一)技术领域
本发明涉及一种往复式内燃发动机及其能基本实现绝热和均质稀燃的方法。
(二)背景技术
现有的内燃发动机存在着影响提高热效率减少排放的诸多问题，如有冷却损失和时间损失，排出的废气中的热没有被充分利用，怠速及部分负荷时有效热效率低，汽油机不能采用较大的压缩比，使燃油消耗率大为增加，同时燃中、燃后的高温、混合气中的富油区，不完全燃烧、失火等原因会产生CO、HC、NOx、PM等有害物质的排放。为此人们做了许多努力，开发了GDI分层稀燃系统和让发动机仅工作在油耗低、排放少区域的动力复合系统，取得了明显的节油效果，但其复杂、控制难度大，排放还不算低；研制了陶瓷发动机，没有取得理想的效果；还对火花点火直喷均质混合气系统和用于柴油机的预混稀燃系统进行大量研究，虽验证了均质稀燃是彻底解决排放问题的有效途径，可使其降到一个极低的水平，但也遇到了似乎是难以克服的困难，如早燃、失火、敲缸、运行范围小、油耗高等，造成无法被实际使用。然而人们依然认为内燃发动机技术并没有发展到顶点，还存在巨大的改进潜力。参考文献：《汽车工程手册》2001年出版，基础篇(555页)、设计篇(1098页)；《内燃机燃烧与排放学》蒋德明著，2001年出版(605页、626页、655页及前言)；《发动机的浪漫》铃木孝著，(66页)。
(三)发明内容
本发明的任务是提供一种能较为彻底地解决效率和排放问题又不使其结构及其控制系统因此而导致复杂的内燃发动机。
上述目的是通过下列技术方案实现的。本发明所涉及的内燃发动机采用了有利于实现基本绝热运行和均质稀混合气燃烧的结构。该机是一种主要由汽缸、进、排气门、曲柄连杆构成的往复式内燃发动机，整个发动机由数个以单一工况运行的包括二个汽缸的完成循环过程的工作单元即小的工作系统组成。在需要改变整机的输出转矩的场合，这一小的工作系统就是一个可独自起动和停止的其输出转矩不变的二缸单机，而整机则是由数个这样的结构相同而排量可不同的单机通过起动与离合机构各自与公共输出元件相连接的方式组合而成。
该机的小的工作系统或单机主要由一个压缩缸，一个膨胀缸、一个独立燃烧室及喷油机构、进气门、排气门组成。压缩缸和膨胀缸的结构与现一般发动机大体相似，主要由缸体、缸盖、活塞或柱塞及密封件组成，二个缸的缸盖连在一起，实现活塞或柱塞行复运动的机构仍然是曲柄连杆。设在缸盖上的进气门和排气门的结构也与现一般发动机基本相同。独立燃烧室由内室、外室、活动隔板、入口阀、出口阀组成(对于汽油机在内室还应有火花塞)，也是设在缸盖上。置于外室中的入口阀设在外室与压缩缸的分界面处，即缸的内腔形面处，可使独立燃烧室与压缩缸接通和断开；置于内室中的出口阀设于内室与膨胀缸的分界面处，可使独立燃烧室与膨胀缸接通和断开。独立燃烧室的总容积分成内室和外室二个部分，内室部分除个别部位如出口阀处基本被外室所包围。活动隔板是处在内室和外室之间的可以单自由度运动的一块隔板，其运动方式可以是直线运动，也可以是绕定轴转动。活动隔板的周边与内室壁的一段处于配合状态，其间隙较小形成间隙密封，可将整个燃烧室的气体分割成二部分，而其移向使内室容积变得最小的终点时，该处的相应结构会将密封解除使内外室连通。活动隔板除喷油和在终点位置时，无别的约束对其运动加以限制，可随独立燃烧室中的气流自由移动或是被气流所推动。在向独立燃烧室压入气体时和从独立燃烧室排出气体去膨胀做功时气流都会使活动隔板移向终点位置，将内外室连通。在采用压缩后的工质气体助喷时，喷油机构与独立燃烧室融为一体，共同参与喷油。喷油机构主要由喷嘴、反锥针阀、单向阀、计量隔离塞、防窜止回阀、弹簧组成。喷嘴与外室壁固接伸向内室，在喷嘴出口处有内室与外室之间的气流通道，在这一通道处设有防窜止回阀，反锥针阀通过弹簧可将喷嘴堵住，由喷嘴、反锥针阀与计量隔离塞所限定的腔内有经单向阀进入的燃油，计量隔离塞的无燃油一侧有隔离润滑油室，该油室经传压通道与外室连通，导致喷油过程发生的机构是活动隔板的驱动机构。
该机的小工作系统或单机的工作方式和原理是：进气和压缩过程由压缩缸来完成，膨胀和排气过程由膨胀缸来完成。在压缩缸将进入其中的工质气体压入独立燃烧室的过程中，独立燃烧室一般只与压缩缸连通，即入口阀开启而出口阀处于关闭状态。在压缩缸到达上止点的时刻，入口阀应完成关闭动作，压缩缸转为进气阶段，缸中气体除余隙中的气体外被压入了独立燃烧室。由于让膨胀缸和压缩缸的运动有一定的相位差、即让膨胀缸迟到达上止点一段时间，因而在压缩缸已到达上止点入口阀关闭后，膨胀缸还处于排气阶段，出口阀未打开会有一段入口阀和出口阀全部关闭的时间。让燃烧在这段时间内，在处于定容状态的独立燃烧室中发生，并基本完成。其具体过程和做法是：在压缩即将结束，进入内室的气体的量已达到喷油前所应达到地量之后的一个合适的时刻驱动活动隔板，切断内外室通道并向内室直接喷油，通过压燃或点燃，使燃烧在压缩已完成入口阀关闭后发生，且只发生在内室之中，具有多种功能的外室气体并不参加燃烧，燃烧产生的热会使内室气体的温度和压力快速上升，推动活动隔板去压缩外室气体，在经历因活动隔板惯性导致的过冲之后，内外室压力将会趋同，即内外室气体之间的均压过程完成。均压可使汽油机和柴油机一样采用较大的压缩比。在膨胀缸到达上止点的时刻出口阀开启，独立燃烧室与膨胀缸接通，燃后的气体将从独立燃烧室排向膨胀缸去膨胀做功。在膨胀初期排出的只是内室之中的气体，在活动隔板还没有将内外室连通前，后期的燃烧仍可进行，应控制喷油和点火时刻使燃烧在连通之前完成，但也不要过于提前完成。在膨胀过程即将结束、压缩缸已将进入其中的气体压缩到与膨胀缸的气体压力大致相同时，可以在出口阀还没关闭的情况下开启入口阀进行扫气。在出口阀关闭后下一个向独立燃烧室压入气体的过程开始。
该内燃发动机为了避开现发动机在部分负荷的怠速时的效率问题，同时也是为了给用加大过量空气系数的方法来实现本发明所希望获得的某些功能创造条件，在运行过程中不对燃油供给量进行调节而是始终使用一个确定的空燃比，即以单一工况运行。在需要改变输出转矩时则采用改变各单机的起动与停止的组合方式来有级变换整机的输出转矩。这种变换方式仅对有级而言与汽车在行进中换挡有相似之处；让不该工作的部分停下来，减少了能量损失也延长了机器的寿命；多个二缸单机组合结构发动机的实现在技术上是不困难的，其结构也不复杂，因而没有理由不接受这种方式。
该内燃发动机虽然可以采用现有发动机的喷油方式，但其独立燃烧室的结构为采用压缩后的工质气体助喷创造了很有利的条件，会较为方便地取得更好的混合效果。其工作原理是：在独立燃烧室压力较低的时段，燃油供给压力会高于这一压力，燃油会顶开单向阀进入喷油机构，但油压低于反锥针阀的开启压力，只能推动计量隔离塞，待进入的燃油到量后，计量隔离塞被挡住，不会再有燃油进入。当独立燃烧室压力升高之后，外室的压力会通过传压通道和隔离润滑油加到计量隔离塞的无燃油一侧，燃油压力也会随之升高，反锥针阀前后无压差不会开启，因而燃油被困于喷油机构之中。在一个合适的时刻，采用合适的方式驱动活动隔板向外室移动，使之先切断外室通道，然后再压缩外室气体，所谓合适的方式是指驱动机构不能影响活动隔板在燃后的均压动作和膨胀时返回终点接通内外室的动作，这时内室与外室产生压差，外室气体会开启防窜止回阀经过喷嘴处的气流通道高速流向内室，当压差达到设定值时，反锥针阀会被顶开，燃油从喷嘴喷出并与因被压缩温度和密度都高的气流相遇，被吹散、雾化，而伴生的高强度紊流又会使其与内室气体快速混合。当计量隔离塞在另一端再次被挡住后，反锥针阀关闭、喷油结束。当燃烧发生后内室压力升高时，反锥针阀确保不会被顶开，防窜止回阀此时也可防止内室的燃气窜入外室。燃后被燃气推向外室的活动隔板会因过冲使外室气压再次大于内室，产生气流从嘴处喷出、扰动燃气促进燃烧，此时不会再有燃油喷出，但嘴的参数选择应能让燃油在燃前一次喷完。
该发动机可实现基本绝热运行。因绝热意味着系统与外界没有热量交换，而自然界中不存在严格的绝热过程，所以本发明要实现的只是在一定程度上的基本绝热，并且是分别针对压缩过程或是膨胀过程而言的，因而实现基本绝热不仅要防止热的散失和解决热负荷及材料的耐热问题，而且还要解决压缩和膨胀二个过程之间的窜热问题。其实现的方法是：在防散热和材料的耐热方面，除不对与工质气体接触部位进行冷却，反而要防止其与外界之间的对流传热，淡化润滑油的冷却作用，并采用导热系数低的材料外，本发明在独立燃烧室处采用让外室的温度较低的气体包围燃后会产生高温的内室的方法来减少与外界的温差，从而减小热的散失量，同时外室壁的热负荷也因此而大为降低，内室壁也会因外室气体的冷却作用而不会在燃后温度升得很高。还采用加大过量空气系数的方法来降低燃气的温度从而减小与工质气体接触部位的热负荷，这也降低了对材料的耐热性能的要求。在防窜热方面，首先是让压缩和膨胀不在同一缸中进行，而是在各自的缸中进行。这使膨胀过程中的热不致通过气缸窜留到压缩过程中，但独立燃烧室还是压缩与膨胀二个过程都参与。由于独立燃烧室中的气体在喷油开始后被活动隔离板分割成内室气体和外室气体二部分，又只让内室气体参与燃烧，结果使燃烧所产生的热只有一小部分通过压缩外室气体的形式传给了外室气体，而大部分热被困留在内室。同时也有了一定量的只是因被压缩而致热、温度要比内室气体低很多的外室气体。还由于内室壁因燃后内室气体可以通过活动隔板与外室气体均压，所承受的气压负荷不大而可以制作的较薄，蓄热量较小。因而可以在膨胀开始时先让热的内室气体从出口阀快速排向膨胀缸，然后再让外室气体充占内室并从内、外二面流经和冷却内室壁、活动隔板及出口阀。燃烧和膨胀初期留存的热会被带走，而基本不会窜留到压缩阶段。总的来说，会比现在的有冷却的一般发动机窜留到压缩阶段的热要少。还可以在膨胀已基本结束压缩已开始并且是二缸的压力基本相等时，让出口阀和入口阀有一段同时开启的时间，扫走上一循环留下的温度要高一些的气体。
该机可实现接近均质稀混合气燃烧，而且没有失火、敲缸运行范围等问题，是可以实用的。采用这种燃烧方式主要是为了减少排放，同时该机的特点也适合于采用这种方式。从前述可知这一燃烧是在定容、定空燃比无运行范围问题，在压缩基本完成后向内室直接喷油并使用压缩后的工质气体助喷的情况下进行的。柴油机和汽油机所使用的实现方法基本相同，只是某些措施所针对的问题有所不同。接近均质实质上是很不明显的很快会消失的分层状态，没有必要强求绝对均匀。其实现的方法是：在混合气的形成方面，主要是依靠由于压缩后工质气体助喷雾化效果好且伴有高强度紊流而使混合气生成速度快这一特点以燃前向内室直喷的方式制备接近均质的混合气。对于柴油机由于是压燃，必须在滞燃期内完成接近均质混合气的制备，因而还借助于喷油时驱动活动隔板使内室的当时压力降低而导致的温降和由于采用了防止让燃烧所产生的热窜留到压缩过程的措施而使该机压缩后的工质气体的温度比同压缩比的现一般柴油机要低来延长滞燃期。而对于汽油机由于是点燃，在采用上述喷油机构情况下用燃前向内室直喷的方式形成接近均质混合气虽然也需要尽量快、少占时间但相对较易，且无现GDI发动机的喷孔结垢和高压喷油泵的润滑和寿命问题。在混合气的燃烧方面，采用加大内室混合气的空燃比的方法使燃烧温度降至接近NO生成的冻结温度，并让汽油机和柴油机一样都采用较大的压缩比，使在这一不变空燃比下发生的燃烧能够是迅速甚至是激烈的，以减少HC排放，而利用外室气体通过活动隔板与之均压的作用来缓解在这一空燃比下并采用较大压缩比时可能出现的粗暴或类似敲缸现象。燃后活动隔板的过冲造成的对燃气的扰动有促燃减排的作用。
该发明所涉及的内燃发动机使用一个确定的空燃比，无部分负荷和怠速状态，总是在效率较高的状态工作；使用大的过量空气系数，汽油机也可以与柴油机一样采用较大的压缩比，这使理论热效率提高；让膨胀缸的直径大于压缩缸即可实现高膨胀比，使热能进一步得到利用；基本是定容状态时发生燃烧，无时间损失；更主要的是该机能在对其组成部件耐热性能要求不高的条件下实现基本绝热运行，避免了较多的冷却损失，该机能实现接近均质稀混合气燃烧，可将排放降到一个极低的水平。从上述事项可以看出该机较为彻底地解决了目前内燃发动机在效率和排放方面所存在的问题，这是现在的内燃发动机不可能做到或是很难做到的。其油耗将一定会大幅度降低，排放也会大幅度减少，而该机相对于现在的新型发动机及复合动力系统结构简单、控制容易。其冷起动性能及在噪音方面都会优于现发动机。
(四)附图说明
附图为本发明工作单元的结构示意图；
(五)具体实施方式
本发明的小的工作系统或单机主要由一个压缩缸2、一个膨胀缸3、一个独立燃烧室及喷油机构、进气门1、排气门4组成。压缩缸和膨胀缸的结构与现一般发动机大体相似，主要由缸体、缸盖、活塞或柱塞及密封件组成。独立燃烧室是指除喷油机构外与二个缸都发生联系部分的总称，它由内室5、外室6、活动隔板7、入口阀8、出口阀9组成，内室是指被内室壁、活动隔板、出口阀所隔开的空间，外室是指除内室外被外室壁、入口阀等所隔开的空间。活动隔板7由驱动机构16驱动，它将独立燃烧室的气体分割成二部分，而在其移向使内室容积变得最小的终点位置时，该处的槽形结构会将密封解除，使内外室连通。喷油机构由喷嘴10、反锥针阀11、单向阀12、计量隔离塞13、防窜单向阀14、弹簧15组成。它与独立燃烧室融为一体，共同参与喷油。其计量隔离塞的无燃油一侧有隔离润滑油室18，并经传压通道17与独立燃烧室的外室6连通。导致喷油的机构是活动隔板的驱动机构16。
关于机械效率：由于采用了外室气体、并希望内室中的燃烧是稀混合气燃烧，因而整个燃烧室中的过量空气系数是较大的，可能会大于3.5，这相当于现一般内燃发动机的低负荷，但本发明所涉及的内燃发动机的机械效率要比使用相同过量空气系数时的一般内燃发动机高。因为机械效率η_m与平均机械损失压力P_m和平均指示压力P_i的关系是：η_m＝1-P_m/P_i。其中P_i因该机指示热效率高而会比现一般发动机高得多，而P_m也因无风扇和水泵会低些。在实施中还可以设法进一步减小P_m的大小，这不仅可以提高机械效率，而且对利用低压燃气中的能量和组合结构发动机会经常发生的起动也十分有意义。为此可以采用新的气缸密封结构，低摩轴承等措施，而使机械效率在运行中始终处于一个较高水平。
关于余隙：在压缩和膨胀过程分别在二个缸中进行的情况下余隙问题难以避免，在设计如阀、气门、缸的密封等具体结构时应尽量减小余隙容积，将其控制在4％以下是可以做到的。余隙可能造成的能量损失可以利用其逆过程来克服，即在压缩缸到达上止点时，入口阀关闭后迟开进气门，待余隙中的气体膨胀到接近大气压力时再开。而在膨胀缸即将到达上止点时，则提前关闭排气门，预压一定量气体，使缸在到达上止点时余隙中的气压基本与独立燃烧室中的压力相同，膨胀开始后这部分气体随独立燃烧室中的气体一起膨胀。上述过程中的损失主要来自不可逆因素，可以看出余隙造成的能量损失不可能大于现发动机的时间损失。同时上述做法还可以防止活塞或柱塞到达上止点返回时可能与缸盖发生的碰击和对气门运动的干扰。
关于独立燃烧室入口阀、出口阀的阀杆及活动隔板采用直线运动时其导向杆与其导向套之间的密封和润滑等问题：如果在此处直接将阀杆或导向杆从独立燃烧室中引出，将会面对诸如高温、高压气体与外界的密封，阀杆或导向杆的不确定轴向力，润滑、过热等问题。比较好的方法就是避开这些问题，将阀杆及导向杆的伸出部分，用与导向套无泄漏地连接在一起的壳体密封起来，而在壳体上部设口，用通道使之与外室相通，并让润滑油在不会流到外室情况下尽量多地占据壳体所封闭的空间，对阀与活动隔板的驱动可通过与壳体有转动密封的转轴从壳体的已被占容润滑油充占部位引入。这样阀杆及导向杆与导向套间隙的燃烧室室内一侧与充油一侧基本无压差存在，可以采用与现发动机气门杆油封相似的密封方式，杆也得到了润滑和冷却；动作引入转轴与壳体之间密封也变成是封油而不是封气，使密封变得容易而可靠，即使是漏几滴油也影响不大。在对该结构进行实际设计时，最好让用于不同部位的占容润滑油及喷油机构所用的隔离润滑油全部连通，而只用一个传压通道与外室相连。并适时的对油液进行更换和补充，使油位和油温都稳定在一个合适的范围内。
关于独立燃烧室出口阀的开启：由于为了减小气流阻力，出口阀的口径不可能太小，在其前后压差较大情况下其开启就会成问题。依然还是用提前关排气门、压缩废气让膨胀缸与独立燃烧室之间没有压差或压差很小的方法使出口阀的开启能较为轻松。但由于气门及气缸的密封状态会影响最终的压差值，因而最好让要压缩的废气量稍多一些。当然还可以采用增设小泄荷阀，让其先被顶开消除压差的方法来解决这一问题。
关于喷油定时：应该根据当时转速对喷油定时进行调节，以使燃烧基本结束的时刻总是在出口阀即将开启的时刻。可以采用先预压弹簧并将其挡住或是勾住，然后在合适的时刻利用电磁铁或是机械的方法释放弹簧，让其去驱动活动隔板实现喷油的方法来调节。不释放弹簧就意味着停止喷油，发动机将会停机。
其他说明：用切断燃油供给的方法也可以停机；进、排气门，独立燃烧室的出入口阀及活动隔板的驱动可以通过凸轮来完成。