CN101054920A - 压缩做功独立室往复式四冲程发动机 - Google Patents

Abstract

将现有的四冲程发动机两个相邻燃烧室，一个只用于吸气压缩，另一个只用于膨胀做功排气，用于压缩的汽缸盖上没有了现有发动机排出废气的排气菌阀与排气通道，用于做功的汽缸盖上没有了现有发动机吸入空气进气菌阀与进气通道，汽缸盖上有通道连通这两个汽缸，通道在用于压缩的汽缸端有让压缩气体排入通道的单向气阀，通道靠近用于做功的汽缸端有一定时隔断通道的气阀，在用于做功汽缸端的通道壁上涂有催化剂或者通道内装有蓄热器。该发动机采用催化或蓄热点燃，燃烧完全排放好，结构比现有的往复式四冲程发动机简单、重量减轻、效率提高。可以实现膨胀容积大于压缩容积。

Description

压缩做功独立室往复式四冲程发动机

技术领域：

本发动机属于一种四冲程往复活塞式内燃机。

背景技术：

1883年葛·戴姆勒(Gottlieb Daimler)制成第一台四冲程往复活塞式汽油机，1897年狄赛尔首先制成了柴油机。现有四冲程往复活塞式发动机是在一个汽缸内完成发动机的进气、压缩、燃烧膨胀做功、排气循环。进气过程中冷的空气在吸气与压缩过程吸收温度高的汽缸壁、活塞、汽缸盖上的热量，压缩空气消耗的功等于绝热压缩功加上空气吸收热量增加的压缩功；燃烧膨胀做功过程中，高温的燃气的热量传给温度低的汽缸壁、活塞、汽缸盖，燃气做的膨胀功等于绝热膨胀功减去因热量损失而减少的膨胀功。汽油机采用火花塞点燃、柴油机采用压缩自燃方式点燃。燃料的燃烧在温度较低的汽缸壁、活塞顶部、汽缸盖底部上燃烧不完全，产生CO、CH、碳烟等有害物质，燃烧室中心的高温会产生NO。为了改善燃烧现采用电子控制喷射燃油，为降低有害物质的排放采用催化剂使排气中的有害物质转化成无害物质。1987年英国的牟利特(Merritt)研制成功表面催化燃烧的汽油机使得燃烧大大改善，但结构过于复杂。

发明内容：

为了降低压缩功、提高膨胀功与改善发动机的燃烧就有了本发明压缩做功独立室往复式四冲程发动机。本发明的发动机结构上与现在的往复活塞式发动机结构大部分相同，本发明的发动机的进气压缩冲程与做功排气冲程分别在两个容腔内进行，点燃方式采用催化点燃或蓄热点燃，应用于汽油机没有了现有发动机的火花塞点火系统。本发明的发动机异于现有的往复式活塞发动机的有以下单元：

1、两个由活塞、缸套、汽缸盖组成容腔，一个用容腔用于吸气与压缩(以下称压缩室)，另一容腔用于膨胀做功与排气(以下称做功室)，两个缸套平行相邻，活塞连着连杆曲轴，做功室活塞运动滞后于压缩室活塞一定曲柄角度；

2、压缩室汽缸盖上的进气道与进气阀，做功室汽缸盖上的排气道与排气阀；

3、在汽缸盖上连接压缩室与做功室的通道(以下称两室通道)；

4、在两室通道压缩室端让压缩气体进入通道的单向阀(以下称压缩室出气阀)；

5、在两室通道上靠近做功室的闸阀(以下称通道闸阀)，通道闸阀定时地打开与关闭通道；

6、在通道闸阀与压缩室之间两室通道上的容腔(以下称中间室)；

7、涂在通道闸阀与做功室之间两室通道壁上的催化剂膜或在这段通道内的蓄热器，用于点燃混合气体；

8、装在通道闸阀与做功室之间两室通道上的加热器，用于发动机启动时加热催化剂膜或蓄热器；

9、驱动进气阀、排气阀、通道闸阀定时地打开与关闭的凸轮机构，进气阀在压缩活塞从上止点运行到过下止点后一定角度时间内(即压缩室处于进气冲程)打开、排气阀在做功活塞从下止点前一定角度运行到上止点时间内(即做功室处于排气冲程)打开、通道闸阀在做功活塞从上止点前一定角度运行到过下止点后一定角度时间内(即做功室在做功冲程及做功冲程前后一定时间内)打开，凸轮轴的转速等于曲轴转速。

本发明的发动机与现在的往复式四冲程发动机相比具有以下特点：

1、进气压缩冲程在低温的室内进行，充气系数高，降低了压缩功的损耗；

2、膨胀做功冲程在高温的室内进行，室壁温度高，传热损失小，热效率高，且可以通过增大做功室的活塞行程或缸径使得膨胀容积大于压缩容积，膨胀功可进一步提高；

3、采用催化剂或蓄热器点燃，燃烧是桶形燃烧，燃烧可靠完全，排放好，汽油机可省去火花塞点火系统；

4、压缩室不在承受爆炸压力，压缩室的缸套、活塞、连杆、汽缸盖的机械负荷与热负荷大大降低，零件可设计的轻、薄、小，减少材料消耗；

5、凸轮的转速等于曲轴转速，即两倍于现有往复活塞式发动机凸轮轴的转速。凸轮的动程角增大到现有往复活塞式发动机凸轮的两倍，凸轮轴传递的功率基本一样，凸轮轴传动系的扭矩减小，零件可设计的轻、薄、小，减少材料消耗；

6、进气阀与排气阀分别布置在压缩室、做功室的汽缸盖上，气道由现有往复活塞式发动机的两室四通道减少到两室两通道，流通截面增大了，阻力减小了，流通时间为每转一个冲程，利用率提高一倍，对应的进排气管支管少了一半，材料也减少了；

7、热负荷集中了，需要冷却空间变小了，冷却系统的效率提高了，降低冷却泵的功率消耗；

8、做功室的热负荷高了，对材料提出更高的要求；

9、燃料燃烧的好，减少了有害物质的排放。

附图说明：

图1：含一组压缩室与做功室发动机的压缩室与做功室的俯视图；

图2：含一组压缩室与做功室发动机的压缩室与做功室的A-A旋转剖视图；

图1-2中的零件

1、汽缸盖体              2、进气阀组             3、压缩室出气阀弹簧压板

4、螺丝                  5、喷油嘴               6、通道闸阀阀芯

7、排气阀组              8、通道闸阀滑套         9、通道滑阀弹簧

10、通道闸阀锁夹         11、通道闸阀弹簧压板    12、压缩室出气阀滑套

13、压缩室出气阀弹簧托板                         14、压缩室出气阀阀座

15、压缩室出气阀阀芯     16、压缩室出气阀弹簧    17、铂膜

18、汽缸体               19、压缩缸套            20、压缩活塞

21、做功缸套             22、做功活塞            23、压缩室

24、中间室               25、做功室

注：图1中的箭头表示气流方向。

图3：定时图

图3中符号意义如下：

1、进气阀升程折线图

2、排气阀升程折线图

3、通道闸阀升程折线图

横坐标为压缩室对应的曲柄角度，0度为压缩活塞在下止点的曲柄位置，BDC1、BDC2、TDC1、TDC2分别表示压缩活塞在下止点、做功活塞在下止点、压缩活塞在上止点、做功活塞在上止点位置压缩室对应的曲柄角度。

纵坐标为阀门升程，Si为进气阀的最大升程(进气阀处于打开最大位置)，So为排气阀的最大升程(排气阀处于打开最大位置)，Sm为通道闸阀的最大升程(通道闸阀处于关闭位置)。升程为零时，折线(1)、(2)表示进排气阀门处于完全关闭位置，折线(3)表示通道闸阀处于完全打开位置。

折线图只反映阀门的极限位置，而不反映具体的升降过程。

实施方式：

压缩做功独立室往复式四冲程发动机至少含有一组压缩室与做功室，四缸以上发动机由缸数一半组压缩室与做功室组成。而含有一组压缩室与做功室的发动机含有两个汽缸与现有的往复活塞式四冲程两缸发动机结构上相似，以下就以含有一组压缩室与做功室的发动机为例说明实施方式。四缸以上的发动机由缸数一半的以下单元组成。

如图1、图2所示：

汽缸盖体(1)左边部分与压缩缸套(19)、压缩活塞(20)形成压缩室(23)，汽缸盖体(1)右边部分与做功缸套(21)、做功活塞(22)形成做功室(25)，压缩缸套(19)与做功缸套(21)的汽缸中心线平行。汽缸盖体(1)左边部分有进气阀组(2)及引入空气的通道。汽缸盖体(1)右边部分有排气阀组(7)及排出废气的通道。汽缸盖体(1)上有连接压缩室(23)与做功室(25)的通道；通道在压缩室(23)端有压缩室出气阀，压缩室出气阀由镶在汽缸盖体(1)上的压缩室出气阀阀座(14)、压缩室出气阀阀芯(15)、压缩室出气阀弹簧托板(13)、压缩室出气阀滑套(12)、压缩室出气阀弹簧(16)、压缩室出气阀弹簧压板(3)组成；螺丝(4)将压缩室出气阀弹簧压板(3)固定在汽缸盖体(1)上；通道在靠近做功室(25)处有一通道闸阀，通道闸阀由通道闸阀阀芯(6)、通道闸阀滑套(8)、通道闸阀弹簧(9)、通道闸阀锁夹(10)、通道闸阀弹簧压板(11)组成，通道闸阀除阀芯外其它与现有发动机的进排气菌阀结构一样；通道上在通道闸阀与做功室之间的壁上涂有催化剂铂膜(17)，涂催化剂的通道壁上装有电加热器；压缩室出气阀与通道闸阀之间有一中间室(24)，中间室有喷油嘴(5)。进气阀组(2)与排气阀(7)均为现有发动机的进排气菌阀。压缩活塞(20)与做功活塞(22)为平顶活塞，两活塞在上止点时活塞顶部与汽缸盖的底部的距离小到刚好不会碰到，即活塞顶部与汽缸盖底部只留有运动间隙。做功活塞(22)顶部、缸盖在做功室的部分底部均可涂布催化剂使得燃烧更好。

含有一组压缩室与做功室的发动机具有凸轮轴转速与发动机曲轴同样转速的凸轮轴驱动系，凸轮轴以现有往复活塞式四冲程发动机进排气阀的凸轮机构一样的方式驱动进气阀组(2)以图3中的进气阀升程折线(1)运动、驱动排气阀组(7)以图3中的排气阀升程折线(2)运动、驱动通道闸阀以图3中的通道闸阀升程折线(3)运动。

含有一组压缩室与做功室的发动机具有使得压缩活塞(20)提前一定角度先于做功活塞(22)到达上止点的曲轴连杆机构，两活塞的相对位置如图3的横坐标所示。

燃油系统实现在每次通道闸阀打开前一定时刻将定量燃油由喷油嘴(5)喷入中间室(24)。

含有一组压缩室与做功室的发动机的其它部分与现有的往复活塞式四冲程两缸发动机结构相同，外形尺寸根据含有一组压缩室与做功室的发动机的机械负荷与热负荷做相应的改变。

工作原理：

发动机的启动系统使得曲柄活塞连杆机构运转起来，启动系统同时加热催化铂膜(17)。

当压缩活塞(20)从上止点向下运动时，凸轮机构驱动进气阀组(2)打开，空气进入压缩室(23)，压缩活塞(20)运行到下止点后一定曲柄角度时，进气阀组(7)关闭，到此压缩室(23)完成进气过程。接着压缩活塞(20)向上运动，压缩室(23)内的气体被压缩，压力升高，当压力升高到一定值时，顶开压缩室出气阀阀芯(15)，压缩气体进入中间室(24)；压缩活塞(20)回到上止点时，压缩活塞(20)与汽缸盖底部的距离只剩运动间隙，气体被压入中间室(24)，到此压缩室(23)完成压缩过程。随后压缩室进入吸气过程，中间室(24)的气体压力大于压缩室(23)的压力，压缩室出气阀阀芯(15)在中间室气体压力与压缩室出气阀弹簧(16)的作用下立即关闭。这样曲柄从压缩活塞(20)在上止点时旋转一周，压缩室(23)完成一次进气压缩循环。

当压缩活塞(20)从上止点向下运动，曲柄转过一定角度时，做功活塞(22)上行到达上止点前一定曲柄角度，排气阀组(7)即将关闭，凸轮机构驱动通道闸阀阀芯(6)打开通道，连通中间室(24)与做功室(22)，中间室(24)内的压缩燃料空气混合气体将通道闸阀与做功室之间通道的上次燃烧废气通过排气阀组(7)排出，混合气体与热的催化剂铂膜(17)接触着火燃烧，随即做功活塞(22)运行到上止点，排气阀组(7)关闭。接着做功活塞(22)下行，燃烧产生的高温高压燃气推动做功活塞(22)，做功活塞(22)通过曲柄连杆输出扭矩，做功活塞(22)下行到下止点前一定曲柄角度，凸轮机构驱动排气阀组(7)打开，到此做功室(25)完成膨胀做功过程。接着燃烧做功后的废气从打开的排气阀组(7)排出；做功活塞(22)运行到下止点后一定曲柄角度时，凸轮驱动通道闸阀阀芯(6)关闭通道，隔断中间室(24)与做功室(22)；做功活塞(22)继续上行到上止点前一定曲柄角度，凸轮驱动通道闸阀阀芯(6)再次打开通道；随即做功活塞(22)再次运行到上止点，排气阀组(7)关闭；到此做功室(25)完成排气过程。这样曲柄从做功活塞(22)在上止点时旋转一周，做功室(25)完成一次膨胀做功排气循环。

凸轮轴转速与曲轴相同的凸轮机构驱动进气阀组(2)按图3折线(1)升降、驱动通道闸阀阀芯(6)按图3折线(3)升降、驱动排气阀组(7)按图3折线(2)升降。这样随着曲轴转动，压缩室不断地吸气压缩，将空气压入中间室(24)，燃油定时地喷入中间室(24)，燃料混合气定时地由铂膜(17)催化点燃，做功室(25)不断地膨胀做功排气，做功活塞(22)通过曲柄连杆机构带动曲轴转动，发动机将燃料的化学能转化成机械能。

以上实施方式中的进气阀或排气阀的个数为一个或多个。燃料的注入也可以在进气道、压缩室。催化剂可以为其它能催化点燃燃料混合气体的材料。点燃方式还可采用蓄热点燃，即将在涂布铂膜的通道内安装蓄热器及其加热器；在启动时将蓄热器的温度加热到燃料燃点以上，即可点燃从其表面流过的混合气体，燃烧的混合气体反过来加热蓄热器为下一次点燃混合气体做准备。

Claims (10)

1、一种往复式四冲程内燃机，包括：

a)、由缸套、活塞、缸盖组成只用于吸气、压缩的容腔；

b)、由缸套、活塞、缸盖组成只用于膨胀做功、排气的容腔；

c)、连通只用于吸气、压缩的容腔与只用于膨胀做功、排气的容腔的通道；

d)、在通道只用于吸气、压缩的容腔端的单向阀；

e)、在靠近只用于膨胀做功、排气的容腔会定时连通与隔断通道的阀门；

f)、在定时连通与隔断通道的阀门与只用于膨胀做功、排气的容腔之间的通道有催化剂或蓄热器。

2、如权利1所述的只用于吸气、压缩的容腔的汽缸盖上有一个或多个进气菌阀与进气通道。

3、如权利1所述的只用于膨胀做功、排气的容腔的汽缸盖上有一个或多个排气菌阀与排气通道。

4、如权利1所述的只用于膨胀做功、排气的容腔的工作容积大于或等于只用于吸气、压缩的容腔的工作容积

5、如权利1所述的在通道只用于吸气、压缩的容腔端的单向阀由阀座(14)、阀芯(15)、气阀弹簧托板(13)、气阀滑套(12)、气阀弹簧(16)、气阀弹簧压板(3)组成。

6、如权利1所述的在靠近只用于膨胀做功、排气的容腔会定时连通与隔断通道的阀门由阀芯(6)、滑套(8)、弹簧(9)、锁夹(10)、弹簧压板(11)组成。

7、如权利1所述的在靠近只用于膨胀做功、排气的容腔会定时连通与隔断通道的阀门，权利2所述的进气菌阀，权利3所述的排气菌阀均由凸轮机构驱动。

8、如权利7所述的凸轮机构的结构与现有发动机驱动进排气阀的凸轮机构的结构一样，凸轮轴的转速等于发动机曲轴的转速。

9、如权利1所述的活塞为平顶活塞。

10、如权利1所述的内燃机活塞运行到上止点时，活塞顶部与汽缸盖底部的距离为活塞过上止点不与汽缸盖底部相碰的运动间隙。

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