超膨脹四行程內燃機的製作方法
2023-06-09 03:08:06
專利名稱:超膨脹四行程內燃機的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種內燃機，特別是一種以超膨脹作功、低溫排氣模式工作的超膨脹
四行程內燃機。
技術背景
現有內燃機經過一百多年的發展、完善，機械效率已近極至，近年來有電子技術的 支持，燃燒效率得到了提高，而作功效率受固有作功模式的約束難以進一步提高，原因在 於
1、自內燃機問世以來都是以等容作功模式工作的，即在理論循環上，現有內燃機 的進氣、壓縮、燃燒、排氣四個行程是等容(等行程)的；活塞的燃燒作功行程等於進氣行程 (氣缸的工作容積等於進氣容積)。因此在燃燒作功終了時，氣缸內燃氣的溫度和壓力仍很 高，廢氣是以火焰的形式排出的。這種等容膨脹作功、高溫排氣的方式所造成的熱量損失約 佔總熱量的35%。這是因現有內燃機的結構決定了氣缸的工作容積等於進氣容積的必然 結果(因排氣提前角有50。 -60° ，減少了有限的作功行程，實際上作功行程要小於進氣行 程)。高溫排氣現象是因活塞到下止點後，無法繼續作功，只能作為廢氣排出，而廢氣中仍含 有大量熱能。
2、為避免內燃機出現過熱現象，必須對缸體進行強制循環冷卻，冷卻系帶走的熱 量約佔總熱量的30%，根據高溫排氣的產生原理，以等容作功模式工作的內燃機，即使採取 保溫絕熱措施提高工作溫度，但其結果只是提高了排氣溫度，這是因為熱力轉換模式沒有 本質的區別，這些熱能不被冷卻系帶走，便被排氣系帶走，對熱效率的提高不會產生積極的 效果。
3、現有內燃機有點燃式和壓燃式，用壓縮比來表示活塞到壓縮終點時氣體被壓縮 的程度。早期內燃機的壓縮比較低，點燃式5-8 : 1、壓燃式10-18 : l，其熱效率低；近年 來點燃式提高到8-11 : 1、壓縮度約為0.7-lMpa，壓燃式提高到16-22 : 1、壓縮度約為 1. 5-2Mpa，熱效率得到了顯著提高。可見壓縮比的高低與內燃機的熱效率密切相關；原因在 於高壓縮比可產生較高的燃燒溫度和壓力，作用於活塞的平均有效作功壓力得到提高，故 熱效率提高。現有內燃機因受到爆燃和機械結構強度的約束，其壓縮比難以再繼續提高。 4、現有內燃機的理論壓縮比是固定的，在低轉速、重負荷工況時(即最大進氣量) 能達到設計壓縮度，而在高轉速、輕負荷工況時(進氣量少)雖理論壓縮比不變，而壓縮到 上止點時的實際壓縮度降低，熱效率降低，因此在不同工況時的熱效率會出現較大差異，也 正是質調節內燃機比量調節內燃機熱效率高的主要原因。
5、現有內燃機的點火或噴油時間都是在上止點前約20° -30° ，混合汽需經過一 個物理、化學的反應過程後進入主燃期，通過控制點火時間使最高燃燒溫度和壓力產生在 上止點後6。左右。實際上在此範圍內即使產生的溫度和壓力再高也只是力的概念，在過 上止點附近時壓力達到最高而活塞的速度接近"零"，所以作功甚少。並且燃燒氣體通過活 塞環向外洩漏在所難免，而在此時所洩漏的"質"是不容忽視的；在此階段熱量集中、溫度
3最高、所以熱量損失也最多。例如踏自行車，在踏板的最高點(相當上止點)無論怎樣用力 都無濟於事，待轉過一定角度後才能產生力矩作功。有鑑於此，內燃機的點火時間應向後推 遲，讓最高燃燒溫度和壓力產生在上止點後15°左右。
現有內燃機在各種工況時都是提前點火或噴油，而在上止點以前已有部分燃料開 始燃燒，釋放出熱能，溫度和壓力急劇升高，增加了壓縮負功，並具有潛在的爆燃趨勢，使工 作粗暴。現有內燃機之所以不實行點火或噴油推遲的根本原因在於只有在上止點時的壓縮 度最高、等容度最高，所產生的燃燒溫度和壓力最高，是最佳的點火時機，但不是最佳作功 時機，最佳作功時機是在上止點後15°以後，因此應推遲點火時間。但點火推遲又會使壓縮 度下降、等容度下降，當活塞過上止點已開始下行時，未燃氣體隨活塞的下行而膨脹，已有 的壓縮度被降低，使熱效率降低。
鑑於上述現象，相繼出現了多種技術方案，如中國專利CN1417463A、 CN1388307A 等，均提出在原有內燃機的基礎上，不改變原有結構進行改造，通過減少進氣量或增加氣缸 的工作容積來增大活塞的作功行程，以期達到節省燃料的效果，其減少進氣量的方法有① 用節氣門的節流作用來實現。②用進氣門在吸氣過程中提前關閉來實現。③用排氣門在壓 縮行程開始時打開，待空氣排出一部分後關閉來實現，等等。
這些方案在理論上可以節省燃料，因氣缸的進氣量減少後，也就是進入氣缸的工 質減少了，在作功的開始階段(即等容作功階段)保持了原有的燃燒溫度和壓力，在作功的 後一階段(希望獲得增益階段，理論上在此階段燃燒氣體中還含有30% _35%的熱能)氣 缸內的氣體雖有大量熱能，但問題在於這些熱能的品位很低，實際能夠得到的功甚少(除 非採取提升其品位的措施)。關鍵在於進入氣缸的工質減少後、總熱量也減少了，而氣缸散 熱的比面積增大了 ，散熱量相對增加，缸內的氣體被水套冷卻後雖有壓力存在而不能有效 作功，理論上增加的行程所得到的功與機械損失大體相抵，尤其高轉速、大功率工況則負功 大於正功而得不償失。因此，僅僅靠減少進氣量或增大活塞的行程是不夠的，如此改進後的 內燃機不可避免的導致功率不足，失去實用價值。
發明內容
本發明的目的是利用含有大量熱能的低品位燃燒氣體繼續膨脹作功，即超膨脹作
功。實現超膨脹作功僅僅形成超膨脹作功的條件是不夠的，必須要提升含有大量熱能的燃 燒氣體的品位，建立符合超膨脹作功要求的熱力循環模式，才能減少熱力轉換過程中的冷 卻損失和排氣損失，從而提高熱效率。
本發明提供了一種全新設計的以超膨脹作功、低溫排氣模式工作的四行程內燃 機，為產生較高的燃燒溫度和壓力大幅度提高了壓縮度，並根據所產生的有效作功壓力可 以實現的超膨脹比來設計大於進氣容積V2的氣缸的工作容積，充分利用燃燒氣體等容作 功後的熱能在絕熱條件下繼續作功。本發明是現有四行程內燃機作功原理的延伸和發展， 提高熱效率的措施是1、增加壓縮度、實行點火或噴油推遲，讓最高燃燒溫度和壓力產生在 上止點後10-20° ，以15°左右為最佳。2、利用廢氣中的熱能在絕熱條件下繼續作功，即超 膨脹作功。3、在燃燒室和氣缸的上部分布少量冷卻水套，在氣缸的下部無冷卻水套並採取 保溫絕熱措施，減少燃燒氣體在膨脹作功過程中的熱量損失，增強超膨脹作功效果。4、減小 進氣門直徑，在有限的空間內增大排氣門直徑以減少排氣提前角(現有內燃機均為進氣門
4直徑大於排氣門直徑)，以增加超膨脹作功行程。[0013] 本發明的目的是按如下的技術方案實現的。
本發明超膨脹四行程內燃機，包括氣缸、活塞，其特徵是保持滿足功率要求的進
氣容積在壓縮行程終點時的壓縮度達到1. 8-5Mpa，形成提高燃燒溫度和壓力的條件；根據
有效作功壓力可以實現的超膨脹比，來設計大於進氣容積的氣缸的工作容積，利用燃燒氣
體等容膨脹作功後的熱能在絕熱條件下繼續膨脹，形成所述的超膨脹作功條件。
還包括可變壓縮度/等容度補償裝置；目的是保持點火推遲時的等容度、壓縮度
不降低，使最高燃燒溫度和壓力產生在上止點以後的IO。
-20°範圍內。
所述的可變壓縮度/等容度補償裝置包括補償活塞，所述的補償活塞可上下運動
於補償室中，所述的補償室與燃燒室相連通。
在燃燒室和所述的氣缸的上部，設有冷卻水套，在氣缸的下部無冷卻水套並設有保溫層。
所述的排氣門的直徑大於所述的進氣門的直徑。
本發明中，保持滿足功率要求的進氣容積V2在壓縮行程終點時的壓縮度達到1. 8-5Mpa，形成提高燃燒溫度和壓力的條件，實行點火推遲，讓最高燃燒溫度和壓力產生在上止點後IO。 -20° ;根據有效作功壓力可以實現的超膨脹比來設計氣缸的工作容積V，利用燃燒氣體等容膨脹作功後的熱能在絕熱條件下繼續膨脹，形成超膨脹作功的條件。[0020] 所述的進氣容積V2必須是滿足功率要求的進氣容積，本發明靠所設計的進氣歧管、節氣門和進氣門的流通截面積的最大進氣容積為V2實現的。
所述的提高壓縮度高於現有內燃機的壓縮度一倍以上，是本發明實現超膨脹作功的重要條件。
所述的可變壓縮度/等容度補償裝置是為了保證實行點火推遲而不使等容度降
低，讓最高燃燒溫度和壓力產生在上止點後10° -20° ，例如15°左右的最佳作功時機，從
根本上解決了提高壓縮度與引發爆燃的矛盾；推遲點火與等容度降低的矛盾。
所述的增大排氣門的直徑，減小進氣門的直徑，減小排氣提前角增加作功行程，是
本發明超膨脹作功的組成部分。
所述的超膨脹四行程內燃機在燃燒室和氣缸上部分布少量冷卻水套，在氣缸的下部無冷卻水套並採取保溫絕熱措施，避免燃燒氣體在超膨脹作功過程中的熱量損失，是本發明增強超膨脹作功效果的技術措施。
本發明超膨脹四行程內燃機，包括點燃式內燃機和壓燃式內燃機。其理論工作循環是進氣、壓縮、膨脹作功——超膨脹作功、排氣四個行程。
如所述的內燃機為點燃式內燃機，所述的活塞壓縮到上止點時，氣體的壓縮度為1. 8-3Mpa。
其進氣門的關閉角在曲軸轉O。 -360°中的下止點前IO。 -20° ;其排氣門的開啟角在曲軸轉360。
-720°中的下止點前15。
-25° 。
如所述的內燃機為壓燃式內燃機，所述的活塞壓縮到上止點時，氣體的壓縮度為3-5Mpa。
其進氣門的關閉角在曲軸轉O。 -360°中的下止點前IO。 -20° ;其排氣門的開啟角在曲軸轉360。
-720°中的下止點前15。
-25° 。
5[0030] 所述的滿足功率要求的進氣容積為V2，壓縮度為1. 8-5Mpa，當點火燃燒後，在上止點後10° -20°產生高於現有內燃機的溫度和壓力，燃燒氣體推動活塞下行到V2時，即做完該進氣容積等容膨脹的功，缸內氣體的溫度和壓力相當於現有內燃機作功終了時排氣的溫度和壓力，因此以後的活塞行程就是利用低品位熱能在絕熱條件下的超膨脹作功行程。例如，氣缸的工作容積是等容進氣容積的二倍，點火燃燒後，活塞下行到工作容積的二分之一時，缸內的溫度為該進氣容積在等容膨脹作功終了時的溫度，則活塞的後二分之一的行程就是在絕熱條件下所獲得的1倍的超膨脹作功行程；若氣缸的工作容積是等容進氣容積的三倍，即可獲得2倍的超膨脹作功行程。因此，超膨脹四行程內燃機的壓縮度越高、可實現的超膨脹作功的行程越長、保溫絕熱措施越好，排氣溫度就越低，獲得的增益就越高。
設計超膨脹四行程內燃機需根據滿足功率要求的進氣容積V2和超膨脹比，設計氣缸的工作容積，如設計2倍的超膨脹則V = V2X3。
本發明需按超膨脹作功原理設計氣缸、活塞、冷卻水套、燃燒室、配氣系統、進氣門、排氣門、電噴部分的節氣門、進氣歧管、排氣歧管、自動點火或噴油推遲/提前裝置、可變壓縮度/等容度補償裝置，使之滿足超膨脹作功的技術要求。[0033] 本發明的優點為
1、大幅度提高了壓縮度，可獲得較高的燃燒溫度和壓力，實現在絕熱條件下的超膨脹作功、低溫排氣是作功性質實質性的提高；提高熱效的途徑是利用提高燃燒溫度和壓力的燃燒氣體等容作功後的熱能在絕熱條件下繼續作功，可獲得較高的增益；提高熱效不僅使單位功的燃料消耗減少，同時還意味著使單位功的排放減少。
2、大幅度提高壓縮度，使輸出功率、效率得到提高；在本發明中是靠ECU(圖中未示出)實時控制點火或噴油提前/推遲來避免發生爆燃現象，在低轉速、重負荷工況點火時間會推遲到上止點以後。在本發明中是靠實行點火或噴油推遲避免引發爆燃，是靠等容度補償裝置補償點火推遲後的等容度，使最高燃燒溫度和壓力產生在上止點後10° -20° ，所以不會影響到結構強度、不會造成工作粗暴。
3、在燃燒室和氣缸的上部分布少量冷卻水套，在氣缸的下部無冷卻水套並採取保溫絕熱措施，避免燃燒氣體在超膨脹作功過程中的熱量損失，以增強超膨脹作功的效果，建立一個符合超膨脹作功原理的熱力循環系統。
4、在氣缸直徑有限的空間內可增大排氣門直徑、減小進氣門直徑減小排氣阻力，目的是將排氣提前角到減到25。以下，增加超膨脹作功行程。(現有內燃機的排氣提前角為50° -60° ，排氣提前帶走的熱量佔總排氣損失的40%。)
綜上所述，本發明方法可實現超膨脹作功，增大壓縮度、實行點火推遲，採取絕熱措施、減少膨脹過程的熱量損失，減小排氣提前角，從而提高熱效率，節省燃料、降低排放。
圖1為本發明超膨脹四行程內燃機的示意圖。
圖2為本發明超膨脹四行程內燃機的工作循環示意圖。
圖3為本發明超膨脹四行程內燃機的配氣相位示意圖。
圖4為本發明超膨脹四行程內燃機的可變壓縮度/等容度補償裝置示意圖。
6[0043] 圖5為本發明超膨脹四行程內燃機的可變壓縮度/等容度補償裝置的補償凸輪工作相位示意圖。
圖6為本發明超膨脹四行程內燃機的冷卻水套及保溫層分布示意圖。[0045] 圖中代號說明
S 2補償活塞開始向下運動角
具體實施方式
以超膨脹四行程內燃機為例加以說明[0056]
實施例一 用減少進氣量的方法改造現有內燃機
本實施例中，用改變進氣凸輪型線、相位角的方法改變進氣相位，使進氣門在下止點前50°提前關閉，可減少進氣量35%。並將燃燒室容積相應減少35%，保持原壓縮度，理論上增加了 35%的作功行程。排氣相位、進氣門直徑、排氣門直徑、點火時間和冷卻水套仍保持原有狀態，本實施例為點燃式內燃機。
將該內燃機裝車做百公裡等速油耗試驗，在同等條件下，冷卻水溫比未改造前低l(TC左右。百公裡等速(60km/h)油耗下降約28%，節油效果明顯。
將該內燃機做臺架試驗，試驗條件為油耗儀、轉速儀、測功機，臺架試驗結果與改造前相比，功率下降32%，比油耗(kw □ h)g曲線在低速時下降15%左右，中速時基本相同，高速時增加8%。
根據本實施例的等速油耗試驗和臺架試驗結果，百公裡等速油耗降低28%的原因
在於功率下降，屬降功率應用性質，雖試驗條件為相同等速，改造前儲備功率大，而改造後功率降低，儲備功率小，因此油耗降低。而水溫降低是因燃燒工質減少後，總熱量減少，而散
熱比面積增大的原因。本實施例用減少進氣量的方法改造的內燃機在低轉速時有較明顯的節油效果，而在高轉速時機械損失增大，作用於活塞的平均有效作功壓力降低，在作功的後一階段，缸內雖仍有壓力但不足以推動活塞有效作功，無法達到期望的節油效果。實質上，本實施例的工作性質就是將原內燃機減少了定量的進氣量，增加了定量的壓縮比，保持了該進氣量的壓縮度，相當於在改進前以中、小功率工作(進氣量減少)並將壓縮比相應提高，因此在中、小功率時的熱效率得到改善。
圖1為本發明超膨脹四行程內燃機的示意圖，包括氣缸1、活塞2，其特徵是保持滿足功率要求的進氣容積V2在壓縮行程終點時的壓縮度達到1. 8-5Mpa，形成提高燃燒溫度和壓力的條件；根據有效作功壓力可以實現的超膨脹比來設計大於進氣容積V2的氣缸的工作容積V，利用燃燒氣體等容膨脹作功後的熱能在絕熱條件下繼續膨脹，在只有膨脹降溫、無冷卻降溫下，形成超膨脹作功的條件。
參照圖2，圖2為本發明超膨脹四行程內燃機的工作循環示意圖，工作循環為 [0048][0049][0050][0051][0052][0053]
l氣缸 2活塞 3進氣門 4排氣門
5燃燒室 6冷卻水套
7保溫層 8補償室
9補償活塞 10回位彈簧
11補償凸輪
V氣缸的工作容積
V2進氣容積VI燃燒室容積 S上止點 X下止點
a進氣門3的開啟角(進氣提前角)、進氣門3的關閉角P排氣門4的開啟角(排氣提前角)
P工排氣門4的關閉角 S1補償活塞開始向上運動角
7進氣、壓縮、燃燒作功(包括等容作功和超膨脹作功)、排氣四個行程，在曲軸的每一個
0° -720°中完成一個理論工作循環。
曲軸在0° -360°完成進氣、壓縮行程
進氣行程進氣行程是活塞2由上止點S至下止點X的行程，設計氣缸的工作容積V是進氣容積V2的三倍(即二倍的超膨脹)。
參照圖3，進氣容積V2表示在大氣壓下該進氣容積在氣缸內所佔的容積。設計的進氣歧管、節氣門和進氣門流通截面積的最大進氣容積為滿足功率要求的進氣容積V2，達到該進氣容積V2的進氣過程在下止點前的關閉角a1 = 10° -20°結束。目的是讓進氣結束時接近下止點X(接近180。)，使曲軸轉720。中的例如4個缸保持均勻進氣(如靠進氣門提前關閉方式會在進氣歧管內每一個循環產生一個短促的負壓脈衝，進氣不穩定)，有利於保證進氣流量的穩定，計量準確，以保證空燃比的控制精度。
壓縮行程壓縮行程是活塞2由下止點X至上止點S的行程。本發明提高了活塞壓縮到終點時的壓縮度，到上止點S時，達到設計壓縮度1. 8-5Mpa，遠遠高於現有內燃機的壓縮度。
曲軸在360° -720°完成燃燒作功、排氣行程
燃燒作功行程燃燒作功行程是活塞2由上止點S至下止點X的行程。靠自動點火或噴油提前/推遲裝置保證最佳點火時間或噴油時間，讓最高燃燒溫度和壓力產生在上止點後15°左右。燃燒氣體推動活塞2作功，當活塞2下行到進氣容積V2時，完成其等容膨脹作功行程；從V2至下止點X前的開啟角13是在絕熱條件下的超膨脹作功行程。[0069] 排氣行程排氣行程是活塞由下止點X至上止點S的行程。排氣提前角13在下止點X前15。 -25° (現有內燃機的排氣提前角13 = 50° -60° )，活塞2由下止點X至上止點S，進行強制排氣。
圖3為本發明超膨脹四行程內燃機的配氣相位示意圖，本發明內燃機靠電控燃油噴射系統跟蹤控制空燃比，進氣歧管和進氣門的流通截面積的最大進氣流量為滿足功率要求的進氣容積V2，保持進氣門3的開啟角a、排氣門4的關閉角！^重疊，以進行掃氣；其進氣門3的關閉角、在曲軸轉(T -360°中的下止點X前IO。 -20° ;其排氣門4的開啟角P在曲軸轉360。 -720°中的下止點X前15。 -25° ，以增加超膨脹作功行程。[0071] 圖4為本發明超膨脹四行程內燃機的可變壓縮度/等容度補償裝置示意圖，在燃燒室內有一個能夠上下運動的補償活塞9，補償活塞9運動的空間為補償室8，補償室8的容積屬於燃燒室容積V1的一部分，補償室容積是燃燒室容積(包括補償室容積)的1/5左右。補償活塞9是由補償凸輪11和回位彈簧10驅動並可變升程(採用現有技術"可變氣門升程、可變配氣相位"，在此不再贅述)，也可以由電磁閥、液壓、氣動等機構驅動。補償活塞9的最低位置與燃燒室5平齊，停在此位置時形成燃燒室的最小容積，可增加壓縮度；停在最高位置是帶有補償室8的燃燒室5的最大容積，為正常工作工況；靠補償凸輪11和回位彈簧10驅動，在最高位置至最低位置之間運動，以實現等容度補償。[0072]
可變壓縮度/等容度補償裝置的功能
①補償活塞9停在最高位置(圖示位置)為中轉速、中負荷時，不需要增加壓縮度、不需要等容度補償的正常工況。
②補償活塞9停在最低位置為可變壓縮度功能，如前所述內燃機的理論壓縮比是
8固定的，在高轉速、輕負荷或怠速工況時的進氣量少，雖壓縮比不變而壓縮到上止點時的壓縮度顯然要低於設計壓縮度，所以熱效率降低。在此工況下點火時間在上止點前，等容度不會降低，而需增加壓縮度。補償活塞9在增加壓縮度位置(最低位置，即與燃燒室平齊)停止不動，因補償室容積屬燃燒室容積的一部分，所以使燃燒室容積變小、壓縮度得到提高。[0075] 當負荷逐漸增大進氣量增加，為避免因壓縮度的大幅度提高而引發爆燃，點火時間逐漸向後推遲使等容度下降，此時補償活塞9由停止狀態開始上下運動，其升程隨點火推遲角度的增加而增大，此時可變壓縮度功能轉變為等容度補償功能。
③補償活塞9上下運動為等容度補償功能，如前所述內燃機在低轉速、重負荷工況時，進氣量最大時可達到設計壓縮度，在此工況下點火或噴油時間會推遲到上止點以後。當活塞2開始下行，未燃混合汽隨活塞2下行而膨脹使壓縮度下降。等容度補償功能就是在活塞2開始下行時，補償活塞9跟隨活塞2下行，將補償室8內的混合汽推出，用以補償活塞2下行的容積，由ECU(圖中未示出)根據當前點火推遲角度的大小，即活塞2下行的容積多少，決定補償凸輪ll可變升程的高度，即所需補償的容積(補償率要小於100%，使補償活塞9在下行過程中不作壓縮功，以減輕補償活塞負荷)，在點火前活塞2下行的容積由補償室8的容積來補充，在點火推遲時能保持原壓縮到上止點S時的壓縮度在超過上止點以後不降低，達到了等容度補償效果，使最高燃燒溫度和壓力產生在上止點S後15°左右。
實際應用中，當點火時間逐漸向後推遲需進行等容度補償時，補償活塞9的運動升程由"零"逐漸增大，在活塞2的壓縮行程，補償活塞9向上運動，部分氣體隨補償活塞9的上行進入補償室8。補償活塞9的升程隨點火時間的推遲而增加，因補償室容積屬於燃燒室容積，所以進入補償室8的氣體是暫存在補償室8內，當活塞2過上止點S開始下行時，壓縮度降低、等容度下降，補償活塞9受補償凸輪11推動跟隨活塞2下行，將補償室8內的氣體推出，用以補償活塞2下行的容積，此時的活塞2雖已下行而燃燒室內氣體的壓縮度並不降低，直至點火燃燒。
圖5為本發明超膨脹四行程內燃機的可變壓縮度/等容度補償裝置的補償凸輪11的工作相位示意圖。超膨脹四行程內燃機在中轉速、中負荷工況，補償活塞9停在最高位置；在高轉速、輕負荷工況停在最低位置；在低轉速、重負荷工況，點火時間推遲到上止點S以後，需進行等容度補償，在活塞2壓縮行程中，補償凸輪11先處於S 1位置，補償活塞9由回位彈簧10推動開始上行，部分氣體進入補償室8，當活塞2至上止點(即補償凸輪11的S2位置)時，補償活塞9開始下行，將補償室8內的氣體推出，進行等容度補償。[0079] 圖6為本發明超膨脹四行程內燃機的冷卻水套及保溫層分布示意圖，在燃燒室5和氣缸1的上部分布少量冷卻水套6，在氣缸1的下部無冷卻水套並採取保溫絕熱措施7，目的是減少膨脹作功過程中的熱量損失。
實施例二 設計所述氣缸的滿足功率要求的進氣容積V2為300ml，設計氣缸的工作容積V為600ml，工作容積V是進氣容積V2的2倍(為一倍的超膨脹作功行程)。[0081] 1、如實施的內燃機為點燃式內燃機，所述的活塞2壓縮到上止點S時，氣體的壓縮度為2Mpa;所述氣缸的進氣容積V2為300ml與燃燒室容積V2之比即理論壓縮比為20 : 1，則VI為300 + 20 = 15ml。
本實施例中，點燃式內燃機的節氣門、進氣歧管和進氣門的流通截面積的最大進
9氣流量為滿足功率要求的進氣容積V2，保持進、排氣門重疊角進行掃氣；進氣門3的開啟提前角a為10° ，排氣門4的關閉遲后角|^為12° 。靠電控燃油噴射系統跟蹤控制空燃比。進氣門3的關閉角、在曲軸轉0。 -360°中的下止點X前15。。排氣門4的開啟角P在曲軸轉36(T -720°中的下止點X前20。，採用的排氣門4的直徑是進氣門3的直徑的1. 8倍。
2、如實施的內燃機為壓燃式內燃機，所述的活塞2壓縮到上止點S時，氣體的壓縮度為3Mpa;所述氣缸的進氣容積V2為300ml與燃燒室容積Vl之比即理論壓縮比為30 : 1，則VI為300 + 30 = 10ml。
本實施例中，壓燃式內燃機進氣歧管和進氣門的流通截面積的最大進氣流量為滿足功率要求的進氣容積V2，靠噴油系統控制噴油量，保持進、排氣門重疊角進行掃氣。進氣門3的開啟提前角a為15° ，排氣門4的關閉遲后角|^為18° 。進氣門3的關閉角、在曲軸轉O。 -360°中的下止點X前15。；排氣門4的開啟角13在曲軸轉36(T -720°中的下止點X前20° ，採用的排氣門4的直徑是所述的進氣門3的直徑的2倍。[0085] 實施例三設計所述氣缸的滿足功率要求的進氣容積V2為300ml，工作容積V為900ml，工作容積V是進氣容積V2的3倍，為2倍的超膨脹作功行程。
1、如實施的內燃機為點燃式內燃機，所述的活塞2壓縮到上止點S時，氣體的壓縮度為2Mpa;所述氣缸的進氣容積V2與燃燒室容積Vl之比即理論壓縮比為20 : l，則Vl為300 + 20 = 15ml。
本實施例中，點燃式內燃機的節氣門、進氣歧管和進氣門的流通截面積的最大進氣流量為滿足功率要求的進氣容積V2，保持進、排氣門重疊角進行掃氣；進氣門3的開啟提前角a為10° ，排氣門4的關閉遲后角|^為12° 。靠電控燃油噴射系統跟蹤控制空燃比。進氣門3的關閉角、在曲軸轉0。 -360°中的下止點X前15。。排氣門4的開啟角P在曲軸轉36(T -720°中的下止點X前2(T 。採用所述的排氣門4的直徑是所述的進氣門3的直徑的1.8倍。
2、如實施的內燃機為壓燃式內燃機，所述的活塞2壓縮到上止點S時，氣體的壓縮度為3Mpa;所述氣缸的進氣容積V2與燃燒室容積Vl之比即理論壓縮比為30 : l，則Vl為300 + 30 = 10ml。
本實施例中，壓燃式內燃機進氣歧管和進氣門的流通截面積的最大進氣流量為滿足功率要求的進氣容積V2，靠噴油系統控制噴油量，保持進、排氣門重疊角進行掃氣。進氣門3的開啟提前角a為15° ，排氣門4的關閉遲后角|^為18° 。進氣門3的關閉角、在曲軸轉O。 -360°中的下止點X前15。；排氣門4的開啟角13在曲軸轉36(T -720°中的下止點X前20。。採用所述的排氣門4的直徑是所述的進氣門3的直徑的2倍。[0090] 在實施例二、三中，在燃燒室5和氣缸1的上部分布少量冷卻水套6，在氣缸1的下部無冷卻水套並採取保溫絕熱措施7，目的是減少膨脹作功過程中的熱量損失，讓燃燒氣體在膨脹過程中只產生膨脹降溫，避免冷卻降溫。
在實施例二、三中，為產生較高的燃燒溫度和壓力而大幅度提高了壓縮度，靠實行點火或噴油推遲避免爆燃現象，在高轉速、輕負荷工況點火或噴油可適當提前，在低轉速、重負荷工況點火或噴油時間會推遲到上止點以後，讓最高燃燒溫度和壓力產生在上止點後15°左右，能有效的避免因提高壓縮度引起的爆燃，消除工作粗暴；靠可變壓縮度/等容度
10補償裝置在輕負荷、進氣量少、壓縮度低工況可增加壓縮度；在重負荷、進氣量多、壓縮度 高、點火或噴油推遲工況可補償等容度。
超膨脹四行程內燃機因壓縮度的提高和可變壓縮度/等容度補償裝置的應用，輔 以保溫絕熱措施和減小排氣提前角的共同作用，熱效率可以達到60%以上。採用本發明超 膨脹四行程內燃機點燃式內燃機的比油耗達到160g/kwh-190g/kwh(現有點燃式內燃機 為260g/kwh-300g/kwh)，壓燃式內燃機的比油耗達到150g/kwh-180g/kwh(現有壓燃式內 燃機為200g/kwh-250g/kwh)，熱效率顯著提高，排氣溫度和壓力明顯降低，振動和噪音明顯 減弱，排放的量減少，排放的質得到改善。
11
權利要求
一種超膨脹四行程內燃機，包括氣缸(1)、活塞(2)，其特徵是保持滿足功率要求的進氣容積(V2)在壓縮行程終點時的壓縮度達到1.8-5Mpa，形成提高燃燒溫度和壓力的條件；根據有效作功壓力可以實現的超膨脹比，來設計大於進氣容積(V2)的氣缸的工作容積(V)，利用燃燒氣體等容膨脹作功後的熱能在絕熱條件下繼續膨脹，形成所述的超膨脹作功條件；還包括可變壓縮度/等容度補償裝置；目的是保持點火推遲時的等容度、壓縮度不降低，使最高燃燒溫度和壓力產生在上止點(S)以後的10°-20°範圍內。
2. 根據權利要求
1所述的超膨脹四行程內燃機，其特徵是所述的可變壓縮度/等容 度補償裝置包括補償活塞(9)，所述的補償活塞(9)可上下運動於補償室(8)中，所述的補 償室(8)與燃燒室(5)相連通。
3. 根據權利要求
1所述的超膨脹四行程內燃機，其特徵是在其燃燒室(5)和所述的 氣缸(1)的上部，設有冷卻水套(6)，在所述的氣缸(1)的下部無冷卻水套並設有保溫層 (7)。
4. 根據權利要求
l所述的超膨脹四行程內燃機，其特徵是其排氣門(4)的直徑大於 進氣門(3)的直徑。
5. 根據權利要求
1到4所述的任一項超膨脹四行程內燃機，其特徵是所述的內燃機 為點燃式內燃機，所述的活塞(2)壓縮到上止點(S)時，氣體的壓縮度為1.8-3Mpa。
6. 根據權利要求
5所述的超膨脹四行程內燃機，其特徵是其進氣門(3)的關閉角 (a》在曲軸轉0。 -360°中的下止點(X)前IO。 -20° ;其排氣門(4)的開啟角(P)在 曲軸轉360° -720°中的下止點(X)前15。
-25° 。
7. 根據權利要求
1到4所述的任一項超膨脹四行程內燃機，其特徵是所述的內燃機 為壓燃式內燃機，所述的活塞(2)壓縮到上止點(S)時，氣體的壓縮度為3-5Mpa。
8. 根據權利要求
7所述的超膨脹四行程內燃機，其特徵是其進氣門(3)的關閉角 (a》在曲軸轉0。 -360°中的下止點(X)前IO。 -20° ;其排氣門(4)的開啟角(P)在 曲軸轉360° -720°中的下止點(X)前15。
-25° 。
專利摘要
一種超膨脹四行程內燃機，包括氣缸(1)、活塞(2)，其特徵是保持滿足功率要求的進氣容積(V2)在壓縮行程終點時的壓縮度達到1.8-5Mpa，形成提高燃燒溫度和壓力的條件；根據有效作功壓力可以實現的超膨脹比，來設計大於進氣容積(V2)的氣缸的工作容積(V)，利用燃燒氣體等容膨脹作功後的熱能在絕熱條件下繼續膨脹，形成超膨脹作功的條件；在燃燒室(5)和氣缸(1)的上部分布少量冷卻水套(6)，在氣缸(1)的下部無冷卻水套並採取保溫絕熱措施(7)，避免燃燒氣體在超膨脹作功過程中的熱量損失，以增強超膨脹作功的效果；減小進氣門(3)的直徑，增大排氣門(4)的直徑，減少排氣提前角增強超膨脹效果。本發明能顯著提高熱效率，降低燃料消耗並減少環境汙染。
文檔編號F02B41/00GKCN1934342 B發布類型授權 專利申請號CN 200580008399
公開日2010年4月14日 申請日期2005年5月20日
發明者楊增利 申請人:楊增利導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan專利引用 (1),