CN100360773C - 超高增压双循环变排量内燃机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种内燃机。本发明是采用增压循环，加上兰金循环形成的具有完整循环的内燃机，它是由两个小气缸加上其中间一个大气缸构成。利用缸体产生动力，曲轴箱产生增压进气，在大气缸中再次膨胀做功，并且可以很方便地通过控制油门使大气缸很方便，很平滑的停止工作或开起工作。该发明内燃机利用缸体本身就完成了增压，排气能量回收，部分气缸工作状态选择，两个小气缸有螺旋或偏心轴等控制的，上下可移动改变汽缸工作容积的活塞，实现可变压缩比。并且，理论上增压可轻易达到5倍环境压力以上，排气温度和压力更接近环境温度和压力，燃气最高温度降低，氧气充足，HC，CO和NO排放极低，噪音极低。

Description

超高增压双循环变排量内燃机

技术领域

本发明属内燃机，特别涉及一种超高增压双循环变排量内燃机。

背景技术

内燃机经历了自然循环(煤气机)，压缩循环(奥托循环即汽油机)，压燃循环(狄塞尔循环即柴油机)，利用增压技术等，热效率逐步提高。为回收利用排气余压余热(排气能量占全部能量的40--50％)，普遍使用废气涡轮增压技术，提高热效率。大部分内燃机，特别是交通工具上的内燃机，50％以下功率运行时间占全部运行时间90％以上。所以，为节约燃油，进一步提高内燃机热效率，人们开发了可变排量发动机，即根据需要而适时地关闭或启动部分气缸。但缺点也是显而易见的，一半的气缸损失90％运行时间，90％运行时间一半的气缸机件白白磨损，整机成本大大提高，提高100％以上。早先一些欧洲和美国很多公司都开发过可变排量发动机，但都因为上述缺点没有成功。在此以前，人们还没有一种技术方案把超高增压，双循环，变排量这三种技术集成到一种内燃机上。

发明内容

本发明采用增压循环的概念，用两个小气缸加上其中间一个大气缸，它们在同一根曲轴上，两个小气缸和其中间的大气缸冲程相差180度，利用缸体产生动力，曲轴箱产生增压进气，结合自然进气，利用机体本身形成完整的进气，压缩，膨胀，排气四冲程循环，利用两个小气缸的排气(第一循环)，在大气缸中再次膨胀做功(第二循环即兰金循环或称蒸汽机循环，总膨胀比可达100以上)，并且可以通过控制油门使大气缸很方便，很平滑的起动工作或停止工作。停止工作时，中间大气缸利用两个小气缸的排气再次膨胀做功，回收排气能量；喷入燃油起动工作时，中间大气缸相当于一台兼有增压功能的二冲程发动机，实现变排量运行。该发明内燃机利用本身的缸体，曲轴箱就完成了增压，排气能量回收，部分气缸工作状态选择。并且，理论上增压可轻易达到5倍环境压力以上(增压比小于1.8为低增压，增压比1.8-2.5为中增压，增压比2.5-3.6为高增压，增压比＞3.6为超高增压)，排气温度和压力更接近环境温度和压力，燃气最高温度降低，氧气充足，HC，CO和NO排放极低，噪音极低，在环境，排放要求极高的今天有重要意义。

本发明的共同结构是两个小气缸1和2中间有一个大气缸3，大气缸3的工作容积是小气缸1和2工作容积的1.5-30倍(在此我们选为10倍)，它们在同一根曲轴上，两个小气缸和其中间的大气缸冲程相差180度，两个小气缸1和2的冲程相差360度，两个小气缸的排气管和其中间的大气缸相通，大气缸3排量大于两个小气缸1和2的排量(可以是缸径大，也可以冲程大，或两者兼而有之)，这样才能建立起工作循环。大气缸的曲轴箱有增压作用，两个小气缸的曲轴箱也有增压作用。

增压循环方式一：小气缸1由缸体和曲轴箱组成。缸体上方有一个进气管，一个和曲轴箱相通的有单向阀的增压管，一个排气管。因为小气缸1工作循环为四冲程，增压过程为：

冲程一，燃气膨胀活塞向下曲轴箱增压的气体通过单向阀储存在增压管内；

冲程二，活塞向上燃气排出曲轴箱进气；

冲程三，进气活塞向下大气环境气体通过进气管进入气缸，在活塞运动到下止点附近进气管关闭，增压管打开，曲轴箱增压的气体通过单向阀和冲程一储存的增压气体一同进入气缸，在活塞通过下止点向上运动一小段时间后，增压管也关闭，此时进气增压理论上接近3个大气环境压力。

冲程四，活塞向上运动压缩进气。

小气缸2增压过程与小气缸1增压过程相同，冲程相差360度，即差两个冲程。

以上循环因为理论上增压比接近3，为高增压，而且只利用单一气缸机体本身自有的结构就完成工作循环，增压适时，没有增压时间滞后现象，所以，该循环应该是续自然循环，压缩循环，压燃循环之后，又一新的热机循环——增压循环。现在的增压是利用机体本身之外的结构，不构成循环，且增压有时间滞后，不能成为增压循环。本增压循环可以象现在的内燃机一样单缸，多缸直接应用。大大提高内燃机的功率密度。

增压循环方式二：因为本发明还有大气缸3，利用大气缸3其曲轴箱增压的作用，通过小气缸1和2和大气缸3之间的进排气共用管将一部分大气缸3中的气体压入小气缸1和2，使小气缸1和2很容易达到增压比为5以上的超高增压。比如当大气缸3的工作容积是小气缸1和2工作容积的10倍时，将60％的气体压入小气缸1和2，使小气缸1和2增压比理论上为6，并且还有剩余40％气体供大气缸3自身二冲程循环运行用。

双循环：(压缩循环或压燃循环或增压循环+兰金循环)：两个小气缸1和2除在本气缸作压缩循环或压燃循环或增压循环外，其排气尚有余压余热，在分别排入大气缸3时，因为气缸工作容积变大，排气和大气缸3中的剩余压缩气体混合降温增压，继续膨胀作功，降低温度和压力，降低了噪音，回收了排气中的能量，提高了热机效率。小气缸1和2的排气相当于大气缸3的新鲜蒸汽，原理很象“多次膨胀蒸汽机”即兰金循环。

变排量：因为大气缸3除了供小气缸1和2增压外，还有一部分剩余气体供自身压缩燃烧使用。在需要增加功率时，向大气缸3中喷入燃油，此时小气缸的排气和大气缸3中的燃气共同作用，推动大气缸3中的活塞向下运动，此时大气缸3相当于一台单缸二冲程内燃机，实现变排量运行。

可变压缩比：可变压缩比发动机燃料油消耗降低了30％适合于多元燃料驱动，有利于降低排放，提高运行稳定性，是一项重大的技术发展，可以满足汽车业有关环境和能源方面的主要的关键要求。

小气缸20和21缸体上方仅有一个进排气共用管和大气缸22相联。因为大气缸22的进气量足够小气缸20和21的增压循环，自然进气可以舍去，而小气缸20和21缸体上方仅有一个进排气共用管和大气缸22相联，有足够空间安排螺旋或偏心轴等机械机构控制的，上下可移动改变气缸工作容积的活塞，实现可变压缩比。

本发明完整循环过程为：

冲程一，  小气缸1进气，    大气缸3排气并进气，  小气缸2膨胀；

冲程二，  小气缸1压缩，    大气缸3膨胀，        小气缸2排气；

冲程三，  小气缸1膨胀，    大气缸3排气并进气，  小气缸2进气；

冲程四，  小气缸1排气，    大气缸3膨胀，        小气缸2压缩；

根据小气缸进气增压方式不同有七种主要结构方式：

进气增压方式一：

小气缸1和2进气由自然进气，小气缸本身曲轴箱两次增压进气和大气缸3压缩进气组成。小气缸1和2由缸体和曲轴箱组成。缸体上方有一个进气管，一个和曲轴箱相通的有单向阀的增压管，一个排气管和大气缸3相联。

冲程一：

小气缸1燃气膨胀活塞向下曲轴箱增压的气体通过单向阀储存在增压管内。

大气缸3排气并进气，后期将一部分气体压入小气缸2，将剩余部分气体压缩，大气缸3曲轴箱进气。

小气缸2进气，进气活塞向下大气环境气体通过进气管进入气缸，在活塞运动到下止点附近进气管关闭，增压管打开，曲轴箱增压的气体通过单向阀和冲程一储存的增压气体一同进入气缸，大气缸3的一部分气体通过小气缸2的排气管压入小气缸2，在活塞通过下止点向上运动一小段时间后，排气管，增压管也关闭。

冲程二：

小气缸1活塞向上燃气排出至大气缸3，曲轴箱进气。

大气缸3中的剩余压缩气体与小气缸1排出的燃气混合降温增压，继续膨胀作功。如果此时需要增加功率，则向大气缸3中喷入燃油，实现内燃机的变排量运行。

小气缸2开始压缩，曲轴箱进气。

冲程三：

小气缸1进气，进气活塞向下大气环境气体通过进气管进入气缸，在活塞运动到下止点附近进气管关闭，增压管打开，曲轴箱增压的气体通过单向阀和冲程一储存的增压气体一同进入气缸，大气缸3的一部分气体通过小气缸1的排气管压入小气缸1，在活塞通过下止点向上运动一小段时间后，排气管，增压管也关闭。

大气缸3排气并进气，后期将一部分气体压入小气缸1，将剩余部分气体压缩，大气缸3曲轴箱进气。

小气缸2燃气膨胀活塞向下曲轴箱增压的气体通过单向阀储存在增压管内。

冲程四：

小气缸1开始压缩，曲轴箱进气。

大气缸3中的剩余压缩气体与小气缸2排出的燃气混合降温增压，继续膨胀作功。如果此时需要增加功率，则向大气缸3中喷入燃油，实现内燃机的变排量运行。

小气缸2活塞向上燃气排出至大气缸3，曲轴箱进气。

进气增压方式二：

小气缸4和5进气由自然进气，大气缸6压缩进气组成。小气缸4和5曲轴箱则将进气压入大气缸6的曲轴箱，增加了大气缸3的进气量，间接增加了大气缸6压缩进气量。小气缸4和5由缸体和曲轴箱组成。缸体上方有一个进气管，一个排气增压共用管和大气缸6相联。优点是小气缸4和5缸体上方只有两个管，比较好排列和制造。

进气增压方式三：

小气缸7和8进气由大气缸9压缩进气组成。小气缸7和8曲轴箱则将进气压入大气缸9的曲轴箱，增加了大气缸9的进气量，间接增加了大气缸9压缩进气量。小气缸7和8由缸体和曲轴箱组成。缸体上方仅有一个进排气共用管和大气缸9相联。因为大气缸9的进气量足够小气缸7和8的增压循环，自然进气可以舍去，而小气缸7和8缸体上方仅有一个进排气共用管和大气缸9相联，加工工艺简单许多。

进气增压方式四：

小气缸10和11进气由自然进气，小气缸本身曲轴箱两次增压进气和大气缸12压缩进气组成。小气缸10和11由缸体和曲轴箱组成。缸体上方有一个进气管，一个和曲轴箱相通的有单向阀的增压管，增压管上有中冷器13，一个排气管和大气缸12相联。该进气增压方式的优点是小气缸10和11增加了中冷器13，适合大功率内燃机。

进气增压方式五：

小气缸14和15进气由小气缸本身曲轴箱两次增压进气和大气缸16压缩进气组成。小气缸14和15由缸体和曲轴箱组成。缸体上方有一个和曲轴箱相通的有单向阀的增压管，一个排气管和大气缸16相联。该进气增压方式的优点是小气缸14和15进气冲程从上止点至下止点全程进气，进气时间比较长。

进气增压方式六：

大气缸19缸体上方有两个和小气缸17和18相联的进气管(即小气缸17和18的排气管)，一个和自身曲轴箱相通的增压管，一个和环境大气相通的排气管，其有优点是CH排放比较低。

可变压缩比进气增压方式七：

小气缸20和21进气由大气缸22压缩进气组成。小气缸20和21曲轴箱则将进气压入大气缸22的曲轴箱，增加了大气缸22的进气量，间接增加了大气缸22压缩进气量。小气缸20和21由缸体和曲轴箱组成。缸体上方仅有一个进排气共用管和大气缸22相联。因为大气缸22的进气量足够小气缸20和21的增压循环，自然进气可以舍去，而小气缸20和21缸体上方仅有一个进排气共用管和大气缸22相联，加工工艺简单许多，并且有足够空间安排螺旋或偏心轴等机械机构控制的，上下可移动改变气缸工作容积的活塞，实现可变压缩比。

根据各缸体上方进，排气管和曲轴箱相通的进气，增压管的相互排列不同，可以有许多显而易见的结构方案。大气缸缸体上方也可安排螺旋或偏心轴等机械机构控制的，上下可移动改变气缸工作容积的活塞，实现可变压缩比。本发明也可以使用现有的其它对内燃机有益的技术，也是显而易见的。

附图说明

图1进气增压方式一结构示意图。

图2进气增压方式二结构示意图。

图3进气增压方式三结构示意图。

图4进气增压方式四结构示意图。

图5进气增压方式五结构示意图。

图6进气增压方式六结构示意图。

图7可变压缩比进气增压方式七结构示意图。

具体实施方式

实施例一

超高压双循环变排量内燃机由小气缸1和2和大气缸3组成。小气缸1和2进气由自然进气，小气缸本身曲轴箱两次增压进气和大气缸3压缩进气组成。小气缸1和2由缸体和曲轴箱组成。缸体上方有一个进气管，一个和曲轴箱相通的有单向阀的增压管，一个排气管和大气缸3相联。

实施例二

超高压双循环变排量内燃机由小气缸7和8进气由大气缸9压缩进气组成。小气缸7和8曲轴箱则将进气压入大气缸9的曲轴箱，增加了大气缸9的进气量，间接增加了大气缸9压缩进气量。小气缸7和8由缸体和曲轴箱组成。缸体上方仅有一个进排气共用管和大气缸9相联。因为大气缸9的进气量足够小气缸7和8的增压循环，自然进气可以舍去，而小气缸7和8缸体上方仅有一个进排气共用管和大气缸9相联。加工工艺简单许多。

实施例三

小气缸20和21进气由大气缸22压缩进气组成。小气缸20和21曲轴箱则将进气压入大气缸22的曲轴箱，增加了大气缸22的进气量，间接增加了大气缸22压缩进气量。小气缸20和21由缸体和曲轴箱组成。缸体上方仅有一个进排气共用管和大气缸22相联。因为大气缸22的进气量足够小气缸20和21的增压循环，自然进气可以舍去，而小气缸20和21缸体上方仅有一个进排气共用管和大气缸22相联，加工工艺简单许多，并且有足够空间安排螺旋或偏心轴等机械机构控制的，上下可移动改变气缸工作容积的活塞，实现可变压缩比。

Claims (8)

1、一种超高增压双循环变排量内燃机，其结构由两个小气缸和其中间一个大气缸构成，它们在同一根曲轴上，其特征在于大气缸的工作容积是两个小气缸各自工作容积的1.5-30倍，两个小气缸和其中间的大气缸冲程相差180度，两个小气缸的冲程相差360度，两个小气缸的排气管和其中间的大气缸相通，中间大气缸的有增压作用的曲轴箱有通向自身气缸或其它曲轴箱的通气管，将两个小气缸的排气排入大气缸，使大气缸膨胀作功，通过起动或停止大气缸的工作来实现发动机变排量运行。

2、根据权利要求1所述的超高增压双循环变排量内燃机，其中，小气缸(1)和(2)由缸体和有增压作用的曲轴箱组成，缸体上方有一个进气管，一个和曲轴箱相通的有单向阀的增压管，一个排气管和大气缸(3)相联。

3、根据权利要求1所述的超高增压双循环变排量内燃机，其中，由小气缸(4)和(5)由缸体和有增压作用的曲轴箱组成，缸体上方有一个进气管，一个排气管和大气缸(6)相联。

4、根据权利要求1所述的超高增压双循环变排量内燃机，由其中，小气缸(7)和(8)由缸体和有增压作用的曲轴箱组成，缸体上方仅有一个进排气共用管和大气缸(9)相联。

5、根据权利要求1所述的超高增压双循环变排量内燃机，其中，由小气缸(10)和(11)进气由自然进气，小气缸本身有增压作用的曲轴箱两次增压进气和大气缸(12)压缩进气组成，小气缸(10)和(11)由缸体和曲轴箱组成，缸体上方有一个进气管，一个和曲轴箱相通的有单向阀的增压管，增压管上有中冷器(13)，一个排气管和大气缸(12)相联。

6、根据权利要求1所述的超高增压双循环变排量内燃机，其中，由小气缸(14)和(15)由缸体和有增压作用的曲轴箱组成，缸体上方有一个和曲轴箱相通的有单向阀的增压管，一个排气管和大气缸(16)相联。

7、根据权利要求1所述的超高增压双循环变排量内燃机，其结构由大气缸(19)缸体上方有两个和小气缸(17)和(18)相联的进气管(即小气缸17和18的排气管)，一个和自身曲轴箱相通的增压管，一个和环境大气相通的排气管。

8、根据权利要求1所述的超高增压双循环变排量内燃机，其结构由小气缸(20)和(21)和大气缸(22)组成，小气缸(20)和(21)由缸体和有增压作用的曲轴箱组成，缸体上方有一个进排气共用管和大气缸(22)相联，并且有可控制的，上下可移动改变气缸工作容积的活塞。

Images