喷射进气二冲程柴油机
一．技术领域
又称混合动力发动机,以传统内燃机为主体结构,将压缩空气发动机的动力构成原理,用于往复活塞的压缩功能,使压缩空气动力和燃烧膨胀动力相结合,它属于内燃机领域和压缩空气发动机领域.
二．背景技术
石油资源的短缺和价格高涨、以及环境污染逐渐加重,使人们急需找到替代石油的能源,或寻求高效率无污染的动力机械.压缩空气发动机的出现,为此带来了希望.但是目前的压缩空气发动机并不完善,有诸多需要克服的难题,推广普及还需要较长过程.然而它却为传统内燃机的发展进步带来新机遇.在活塞式内燃机的压缩行程中,具备了将空气转换成部分能量的功能.由于自然吸气方式的局限,一直不能完全满足内燃机对进气数量的需求.各种增压技术、多气门技术和诸多可变技术,虽然都有一定的效果,却均不能摆脱自然吸气条件下活塞泵吸能力的限制,更不能克服高温气缸的高蒸发效应对进气数量的排斥和阻碍.导致这些繁杂制造工序和高制造成本、高使用成本的技术,难以发挥理想的作用,因此限制了汽车节能减排能力和动力性能的提高.混合动力发动机解决了这些问题.
三．发明内容
１． 目的
混合动力发动机是为减少内燃机对石油燃料和其它燃料的过度依赖和过度消耗,以及因此而造成的过度环境污染所发明的.
２． 效果
混合动力发动机,融合了空气动力原理,依靠低量或微量柴油的直喷引燃技术,可实现石油燃料和其它生物燃料的混合压燃;它还能依靠强制喷射的高进气能力和更高的压缩比,调节或部分弥补各种液体和气体燃料之间所存在的能量密度和热值上的差异.与传统内燃机相比,燃料消耗降低40%,功率增加1/3以上.压缩空气在减少燃料消耗的同时,还有降低柴油机燃爆噪声的作用.空气动力与燃烧膨胀动力的结合、燃料的混合、活塞环的完全密封和超稀燃能力等综合功能,对克服柴油机微粒(PM)排放过多的难题是可以预期的.它或许能将微粒生成量接近甚至低于现有汽油机水平.这是此发动机所具有的潜能.
３． 方案
混合动力发动机,是将内燃机气缸分成两部分,一部分设为气体压缩机构(以下称泵气缸),另一部分进行二冲程压燃作功(以下称作功缸).泵气缸将被压缩气体蓄集于蓄压管内,通过减压阀调节来平衡稳压管内的气体压力,以形成强制进气方式.高压进气能力,使缸内的充填效率显著增加,经过作功活塞的压缩,既满足了透彻燃烧需要,也使充足的气体转化为部分膨胀能量,因此节省或替代可观的燃料数量.高密度气体的进入和压缩,促使其预先占领了燃烧室内的各个角落和缝隙,增强了空气对燃烧室内壁的附着力,加之燃料中心喷射、中心混合,可大幅度减少燃料着壁现象,实现中心燃烧,避免淬熄问题.与传统的全部混合、分散燃烧相比,燃烧效率将会有较大提高,稀燃范围得以拓宽.值得提及的是:三集中方法为降低最高燃烧温度,减少氮氧化物(NOx)排放,开辟了新途径.
四．附图说明
图1:四缸发动机示意图
图2:作功缸示意图
图3:双气门泵气缸示意图
图4:单气门泵气缸示意图
图5:蓄压管和稳压管示意图(图中(31)为安全阀;(32)为气压表)
五．具体实施方法
混合动力发动机(图1)的实施,包括两缸以上的内燃机和以压缩空气为动力的发动机.其中偶数缸发动机的作功缸与泵气缸之间的比例为1:1;奇数缸发动机作功缸与泵气缸之间的比例为2:1、3:2、4:3和5:4......依此类推.两种气缸的排列,要以作功缸在前,泵气缸在后,呈一对一互相隔离式错开设置.以(图1)为例:其中第1、3缸为作功缸,第2、4缸为泵气缸;三缸机由中间的气缸作为泵气缸,两侧的两个气缸均为作功缸.作功缸将空气压缩转化成膨胀能量,与燃料的燃爆能量共同完成二冲程作功;泵气缸将空气和废气压缩后通过蓄压和稳压装置,向作功缸喷气,实现强制进气和不间断废气再循环(EGR).
１.作功缸(图2)工作过程:在燃烧膨胀后期,活塞(8)下行至下止点前10度、曲轴(5)转角170度时,排气凸轮(15)将排气门(9)打开,排出废气,随后活塞(8)到达下止点时,进气凸轮(14)将进气门(10)开启,稳压管(30)内的高压气体经出气口(27),或冷却后经进气管(13),自动喷入缸内,将残余废热气体扫出缸外.随着活塞(8)运行越过下止点,曲轴(5)转角在190度至210度前,先后将排气门(9)进气门(10)关闭.进气门(10)关闭时机,可稍晚于排气门(9).此时活塞(8)进入压缩行程.在压缩后期,依靠电控系统的喷射提前角,将燃料一次性正时喷入缸内压燃作功,并进行下一轮循环.高压气体喷射简化了排气和进气行程,提前排气,缩短了燃烧后的废气在缸内滞留时间,加之强制喷射的扫气速度,取代了整个排气行程,完全中断了废热气体向机体的热传导.此一项为采用空气冷却,实现"轻量化"创造了条件.进气门头的缩小和进气门垂直设置,强化了高压喷气的穿透力,长驱直入的高压空气,可使处于下止点的活塞顶部得到清扫和降温,对积炭形成还将有较高的遏制作用.
作功缸内两个燃料喷嘴(11),分别为气体和液体燃料喷嘴,两个喷嘴倾斜角度应根据进排气门(9、10)和进排气凸轮(14、15)占据后的有限面积、燃料喷射压力、喷孔的出油角以及对高密度气体的穿透力等各数值进行优选,以燃料喷入时能集中在燃烧室中心部位混合为首要标准.它将对降低燃烧温度、改变燃烧方式、提高燃烧效率和实现超稀燃等均有特殊效果.
活塞顶部第一道气环的合并技术,从1987年开始使用,至今已经20年之久.它除了密封增功、杜绝漏气窜油、避免椭圆形和其它不规则磨损之外,还有一种奇特功能:将发动机运行初期或磨合后所得到的最低油耗、最低排放和最高功率等数值锁定,在发动机的整个寿命期内,此几种最佳数值可长期保持不变.这是令业界极为欣喜的功能.
２.凸轮轴(3)结构:直列型发动机使用一根凸轮轴(3),V型和对置型发动机可使用两根凸轮轴(3),作功缸(图2)的进气凸轮(14)和排气凸轮(15)两种凸轮,各设为双面180度对置(图2);泵气缸(图3)内有两个气门(18、19)的,应设两个单面凸轮(22、23),并呈180度错开布置(图3);泵气缸(图4)内只有一个气门(25)的,应设一个双面呈180度对置凸轮(24) .本凸轮轴转动半周180度完成一次配气,与曲轴旋转一周360度作功一次的二冲程方式相对应.
３.泵气缸(图3、图4)的设置:泵气活塞(16)为平顶,它与作功活塞(8)共用同一曲轴(5);偶数缸的泵气活塞(16),与排列在前的相邻作功缸内(1)的作功活塞(8)相位180度(图1);泵气活塞(16)由上止点下行时,泵气缸(图3、图4)顶部的一个(25)或两个进气门(18、19)中的一个进气门开启,将空气或废气吸入缸内(图3),活塞(16)到下止点后,泵气结束,进气门关闭,泵气活塞(16)上行开始压气.被压缩的气体经单向阀(17)和蓄压口(26)进入蓄压管(29);压气行程结束后活塞(16)下行,开始又一轮泵气循环.只有一个泵气缸(图4)的发动机,如两缸机和三缸机,泵气缸内只设一个净空气进气门,不设废气进气门;具有两个泵气缸的发动机(图1)，应由其中一个泵气缸内所设双进气门(图3)中的一个气门,作为吸入废气的气门(18或19),另一个气门(18或19)泵入空气,而另一个泵气缸单独泵入净空气,并只设一个净空气进气门(图4);具有三个或四个泵气缸的发动机,要有一个泵气缸专门用于废气泵入,此缸只设一个废气进气门(25)，其余两个或三个泵气缸,均泵入净空气,并各设一个进气门;具有更多泵气缸的发动机,泵入空气与泵入废气的泵气缸比例为3:1或4:1,具有专用泵气缸泵入废气的发动机中,泵气缸内均设一个进气门.泵气缸不设排气门.泵气缸内的气门均垂直于活塞运动方向.经过滤后的空气,通过进气管(20)或(21)泵入泵气缸.奇数缸的泵气活塞,以三缸机为例:与分别处在上止点和下止点的两个作功活塞各相位90度.两个以上泵气活塞之间各相位180度.
４.蓄压管(29)和稳压管(30)的设置: 泵气缸泵入并压缩的气体,通过单向阀(17)和蓄压管连接口(26),进入蓄压管(29)蓄集,再经减压阀(28)减压后进入稳压管(30).稳压后的高压气体,通过出气口(27)和进气管(13)连接,待进气门(10)开启时自动向作功缸(图2)喷入气体,也可经冷却后再向缸内供气.稳压管(30)内高压气体的喷射力,提高了排气和进气速度,使曲轴(5)转角在170度-210度之间,快速完成排气和进气.不仅最大限度地清除了残余废气,提高了进气充量,也降低了气缸温度,并实现了四冲程润滑与二冲程作功的完美结合.
５.废气导入管的作用:在排气管上设一分支管,将部分废气引入双气门泵气缸(图3)中的一个进气门,或引入专用泵气缸内,废气经泵入压缩后,通过单向阀(17)和蓄压管口(26),进入蓄压管(29)与净空气混合,再经减压阀进入稳压管,以备向作功缸供入空气与废气的混合气.
６.曲轴(5)连杆(7)与作功活塞(8),以及气缸垫和缸盖螺栓的承压强度,可根据缸内燃烧压力的提高而增强;作功缸(图2)的进气门弹簧和油封的承压力也要提高,避免高压气体的泄漏.
７.作功活塞(8)与泵气活塞(16)形状不同,质量有区别,但是两种活塞的重量一定要相同.
发明专利号：200710123462.2
申请日：2007.06.26
公开日：2008.03.05
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