CN101109344A - 进氧式单冲程发动机及其运行方法 - Google Patents

Abstract

一种进氧式单冲程发动机，在气缸的进气门的进气口上连接一压缩氧气进气管的一端，进气管的另一端连氧气储气罐及可调气阀，进气装置、排气门、喷油嘴以及火花塞上的各开关的装置相互匹配：活塞由下止点向上止点位移排气门打开，至上止点排气门关闭，进气门瞬间打开，进氧气，同时喷油嘴开启，进气门和喷油嘴在点火前瞬间关闭，点火，活塞移动至下止点；本发明还提供进氧式单冲程发动机的运行方法。本发明提供的进氧式单冲程发动机通过在进气门中输入高浓度氧气实现了单冲程无压缩高效率的运转模式。提供高浓度氧气的装置只是一套储气罐和高浓度氧气输送管路，结构非常简单，本发动机结合并提升了现有发动机的功能，工作效率高、燃烧充分、能耗低。

Description

进氧式单冲程发动机及其运行方法

技术领域

本发明属于发动机技术领域，尤其是涉及一种进氧式单冲程发动机。本发明还提供一种在工作环节中伴有气体输入的单冲程发动机的运行方法。

背景技术

现有技术中的发动机通常都包括四个工作过程：吸气、压缩、爆炸(点火喷油)和排气，曲轴转动两周方能完成一次工作周期，做功一次，效率较低。为了提高工作效率，现有技术中出现二冲程的汽油发动机，二冲程发动机曲柄旋转360°完成一个工作循环，即曲柄旋转一圈发动机燃烧做功一次，它是靠气缸壁上的扫气口、排气口完成进、排气过程的。由于二冲程发动机曲柄旋转一圈做一次功，所以二冲程发动机的扭矩较四冲程发动机均匀；同时在相同曲轴转速和相同工作容积的情况下，二冲程发动机输出的功率比四冲程发动机高一倍，但因二冲程发动机有扫气损失，并且换气时减少了有效工作行程，所以它的实际输出功率仅比四冲程发动机高50％～70％。另外，现有技术中的二冲程汽油发动机还存在以下一些缺陷：1、工作粗暴，汽油要与润滑油混合，致使发动机寿命降低；2、燃烧不充分，排放污染严重。

综上所述可知，现有技术中的发动机总是需要经过一个压缩过程，这一过程需要消耗能量，使得发动机的效率降低。

发明内容

本发明的目的在于改进现有技术的不足，提供一种高功率，低能耗，清洁排放的进氧式单冲程发动机。

本发明的另一个目的在于提供一种进氧式单冲程发动机的运行方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明提供的进氧式单冲程发动机是在现有四冲程发动机的基础上改造而成的。

本发明提供的进氧式单冲程发动机，包括一个现有的电喷四冲程发动机，其中的气缸中设有活塞将气缸分隔成相互隔绝的两个腔室，在与活塞连杆相对的活塞一侧腔室的气缸盖上设有进气装置、排气门、喷油嘴和火花塞，所述进气装置和所述排气门上连接启闭装置，以完成进气、排气，在喷油嘴上连接开关装置，以向汽缸中喷油和根据气缸的进氧气量调节进油量，所述火花塞上连接点火控制装置；在所述进气装置的进气口上通过管道连接一个压缩氧气罐；所述进气装置、排气门、喷油嘴以及火花塞上的各控制启闭或开关的装置相互匹配，其匹配关系为：当活塞由下止点向上止点位移时排气门打开，上行至上止点时排气门关闭，进气门瞬间打开，进入所需量的氧气，同时喷油嘴开启，进气门和喷油嘴在点火前瞬间关闭，之后点火，活塞从上止点移动至下止点。

本发明提供的进氧式单冲程发动机在气缸的进气口上连接一个压缩氧气罐，在进气中不再如现有各种发动机一样通过活塞从上止点向下止点后撤在气缸中形成负压而吸入常压的空气，然后经过压缩再喷油点火。本发明的发动机，在将汽缸内的废气排放掉之后，开启进气装置，氧气罐中具有一定压力的氧气就可自动进入气缸，由于进入气缸的是纯氧气，其充满燃烧室就足够爆炸和使得喷入的燃料油充分燃烧，不会有未烧净的废气排出。由于在活塞位于上止点处即吸氧喷油，之后即点火爆炸做功。因此，完全没有了压缩过程。

本发动机的进气装置后面连接氧气罐，由此取消了现有技术中的空气滤清器等部件。

所述进气装置可以是一个现有的设置在气缸缸盖上的进气门，其如同现有技术一样地与启闭进气门和排气门的凸轮机构相关联。即其与启闭进气门的凸轮机构相关联，启闭排气门的凸轮机构与启闭进气门凸轮机构的凸轮的形状和位置匹配，该匹配关系为：当活塞由下止点向上止点位移时排气门打开，上行至上止点时排气门关闭，进气门瞬间打开，氧气罐中的具有一定压力的所需量的氧气进入气缸的燃烧室，然后，进气门在点火前瞬间关闭。

可以在进气口上设置的连接氧气罐的管路中设有调压阀，该调压阀与油门踏板相关联，以调节进气量，继而，喷油量也随之增大，使得进气量与油门大小相关联，进气量越大，油门越大，进油量也越大；或者，即随着气缸进油量的增加，使得氧气的进入量也增加。

该调压阀通过其中的调压伸缩阀杆与油门踏板之间连接一杠杆，其一端与阀杆连接，另一端与油门踏板关联。

所述进气装置还可以是一个喷气嘴，该喷气嘴上的开关装置与现有气缸盖上的喷油嘴的启闭机构相关联，使得喷气嘴的启闭与喷油嘴同步。

所述喷气嘴上的开关装置可以为与喷油嘴共用的电磁阀；或者所述喷气嘴上的开关装置是与喷油嘴上的电磁阀联动连接的电磁阀；使之达到与喷油嘴同步启闭。

这时，也可以在进气口和氧气罐之间的管路上设有调压阀，该调压阀与油门踏板相关联。以此调节气缸进气量，从而调节喷油量，来调节发动机的转速。

本发明提供的进氧式单冲程发动机的运行方法为：在一个进氧式单冲程发动机中进行，其包括一个现有的电喷四冲程发动机，其中的气缸里设有活塞将气缸分隔成相互隔绝的两个腔室，在与活塞连杆相对的活塞一侧腔室的气缸盖上设有进气装置、排气门、喷油嘴和火花塞，所述进气装置和所述排气门上连接启闭装置，以完成进气、排气，在喷油嘴上连接开关装置，以向汽缸中喷油和根据气缸的进氧气量调节进油量，所述火花塞上连接点火控制装置；在所述进气装置的进气口上通过管道连接一个压缩氧气罐；该发动机在曲轴转动一周的一个周期中，按照进气喷油、点火、爆炸产生动力和排气几个过程工作，该运行方法包含的步骤有：

(1)排气：活塞位于气缸的下止点，在曲轴惯性作用下向上止点位移，排气门开启，排气，到达上止点，排气门关闭；

(2)喷油喷气：活塞到达气缸上止点，喷油嘴向与活塞与气缸盖之间设有一个空隙构成的燃烧室中喷油，同时进气装置开启，带有压力的高压氧气进入燃烧室，然后，进气装置瞬间关闭；

(3)点火：进气装置关闭后，火花塞点火；

(4)爆炸：气缸内的油气、氧气被点火爆炸，活塞向下止点位移做功，最后到达下止点，之后排气门开启；

如此，在曲柄转动一周过程中发动机做功一次。

所述喷油喷气过程在排气门关闭后开始。

所述喷油喷气过程结束后进气装置瞬间关闭。在所述进气装置关闭后方进行点火过程。

输入的高压氧气的压力根据车辆的型号、气缸的型号大小而变化，通常，可以是0.5-1.5MPa。

当所述进气装置为喷气嘴时，所述凸轮机构只是与现有技术相同地与排气门相关联，而凸轮的形状和位置为：在活塞到达下止点时，排气阀开启，活塞从下止点向上止点运行中，排气阀为开启状态，到达上止点，排气门即关闭。喷气嘴通过管路连接所述氧气罐。喷气嘴的启闭通过其上设有的与喷油嘴联动的电磁阀控制。油门开启的同时喷气嘴也开启。

所述喷油嘴喷入的可以是汽油、柴油、氢气、酒精等。

所述进气装置输入的可以是高压氧气，也可以是其它助燃剂。

通过油门踏板控制所述调压阀。调压阀的作用为：控制气缸的氧气的进气量。由于电子喷油发动机的喷油量是根据进气量控制的，所以，通过控制压缩气体进入气缸的量，可以达到控制发动机的转速及功率的目的。

在设置喷气嘴的实例中，也可以通过电磁阀的开启度控制气缸的氧气进气量，其控制方法与喷油嘴控制喷油量相同，而且联动，喷油量小，同时喷气量也小，喷油量大，喷气量相应也增大。

还可以在所述喷气嘴和氧气罐之间连接的管道上设有一限压阀，限制进入气缸的氧气压力不受氧气罐较大压力的影响而比较恒定。

本发明提供的进氧式单冲程发动机通过将普通进气改为进高压氧气，由此使得本发动机无须压缩行程，在进气口中输入氧气实现了单冲程高效率的运转模式。在发动机的运行中没有消耗能量的压缩过程，曲轴转动一周，即有一次做功，比起现有的四冲程发动机提高效率一倍，本发明提供的进氧式单冲程发动机又不同于现有技术中的二冲程发动机，因为是在现有四冲程发动机基础上作改进，没有二冲程发动机的扫气损失以及汽油要与润滑油混合，致使发动机寿命降低、燃烧不充分，排放污染严重的诸多缺点。本发明提供的发动机结构非常简单，本发动机摈弃了常规发动机的压缩行程，最大可能地降低发动机内耗，燃料在高浓度氧气中点燃所产生的能量比在压缩空气中点燃所产生的能量要大的多，所以在达到相同功率的前提下所耗氧气量是非常小的，且燃烧完全排放清洁，因此，进氧式单冲程发动机的油耗将在常规发动机油耗的三分之一以下。本发动机是在现有广泛使用的四冲程发动机基础上简单的改进，在现有汽车上稍加改动就可实施本发明提供的发动机的运行方法，实现高效节能工作模式，因此，其有利于节能模式的推广普及。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明。

图1为现有电喷四冲程汽油发动机的结构示意图；

图2为本发明提供的进氧式单冲程发动机的一种实施例的结构示意图；

图3为图2所示的发动机上的可调气阀的结构示意图；

图4为本发明提供的进氧式单冲程发动机的另一种实施例的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示为现有的四冲程汽油发动机，其包括气缸1，在气缸1中设有活塞2，其将气缸分成相互隔绝的两个腔室，在与活塞2的活塞连杆21相对的一个腔室的端头设置气缸盖3，其与气缸接合处为外凸的形状，形成一弧形空间，在活塞2处于与气缸盖3最接近的前端点(即上止点)时，活塞2的端面与弧形气缸盖3之间设有的该空间称为燃烧室。在气缸盖3上设有进气门4、排气门5、喷油嘴6和火花塞7。

本发明提供的进氧式单冲程发动机是在如图1所示的现有的四冲程汽油发动机基础上改进的，即将前述的进气门变成进气装置，并且在进气装置上连接一根管路的一端，在该管路的另一端上连接一个氧气罐。具体地，可以有如下一种实施例：

如图2所示，其中的气缸1中同样地设有活塞2将气缸1分隔成相互隔绝的两个腔室，在与活塞连杆21相对的活塞2一侧腔室的气缸盖3上设有进气门4、排气门5、喷油嘴6和火花塞7，还包括启闭进气门4和排气门5的凸轮机构(图中未示出)，如同现有技术一样，活塞2与连杆与曲轴(图中未示出)相连接，进气门4和排气门5上的凸轮机构中的凸轮形状、结构和位置为按照适应进氧式单冲程发动机气阀启闭的要求设置(既曲轴旋转一圈进、排气门各开启一次)；在进气门4的进气口上连接一个氧气进气管8的一端，在进气管8的另一端设有一氧气储气罐10；

所述进气门4和所述排气门5上连接的启闭装置，以完成进气、排气，在喷油嘴上连接开关装置，以向汽缸1中喷油和根据气缸的进氧气量调节进油量，所述火花塞7上连接点火控制装置；进气门4、排气门5、喷油嘴6以及火花塞7上的各控制启闭或开关的装置相互匹配，其匹配关系为：当活塞2由下止点向上止点位移开始时排气门5即打开，活塞2上行至上止点时排气门5即关闭，然后，进气门4瞬间打开，进入所需量的氧气，同时喷油嘴6开启，向气缸1中喷油；进气门4和喷油嘴6在点火前瞬间关闭，之后火花塞7点火，爆炸，活塞2从上止点移动至下止点。

这种发动机的运行方式为：

该发动机在曲轴转动一周的一个周期中，按照进气喷油、点火、爆炸产生动力和排气几个过程工作，该方法包含的步骤有：

(1)排气：活塞2位于气缸1的下止点，在曲轴惯性作用下向上止点位移，位移开始时排气门5即开启，排气，到达上止点，排气门5关闭；

(2)喷油喷气：活塞2到达气缸1上止点，与气缸盖3之间形成一个燃烧室，喷油嘴6向燃烧室中喷油，同时进气门4瞬间开启向燃烧室内输入基本数量的带有压力的高压氧气，之后，进气门4瞬时关闭；

(3)点火：进气门4和喷油嘴6关闭后，火花塞7点火；

(4)爆炸：气缸内的油气、氧气被点火爆炸，活塞2向下止点位移做功，最后到达下止点，之后排气门5开启，活塞又从下止点向上止点移动排气；

如此，在曲柄转动一周过程中发动机做功一次。

在进气管8与氧气储气罐10间的管路上设一可调气阀10c。如图3所示，可调气阀10c上具有一个阀杆11，该阀杆11的一端置于该调气阀阀体13内，连接阀件14，阀杆11的另一端密封地伸出在阀体之外，位于阀体13内的阀杆11上套设一复位弹簧12，该复位弹簧设在阀件14和阀盖即导向块18之间。

如图2所示，伸出在阀体13外的阀杆11的一端连接一连接杠杆15的一端，该杠杆15的另一端用于连接油门踏板16，在该杠杆15两端之间设有一支点轴孔，穿设在一支点轴17上，使用时该支点轴17固定支撑在车体上。复位弹簧12使得：当踩下油门踏板16时，通过杠杆15拉动阀杆11，调气阀的气体通过截面增大，送气压力提高，送气量增大，并压缩该复位弹簧12，松开油门踏板16时，复位弹簧12复位，调气阀的气体通过截面减小。在阀件14上设有的对中导向块18固定在阀体上，导向块上设有导向槽，阀杆密封地设于导向槽中，该导向块使得阀件14在相对于阀体移动调节开度时可以保证其对中性。

踏下油门踏板16通过油门拉索拉动调气阀的拉杆11，拉杆11与调气阀的活塞式阀件14相联，活塞式阀件14的锥形前端与阀座的锥形座拉开，使的气管流通面积增大，高压罐10内的高压氧气加速进入气缸以达到加大气缸进气量的目的。因调气阀活塞式阀件14与阀座为相合的锥形，所以可通过踏下油门踏板的高低来自由的控制进气量，而现有技术中的喷油嘴的喷油量是可以调节使之与进气量匹配，使得进气量和喷油量同步匹配增减。因此，通过脚踏板可调节气缸进油量。松开踏板后，活塞式阀件14通过弹簧12及两侧的气压差回向阀座13，完全抬起油门踏板，在无外力作用状态下活塞式阀件14与阀座间仍留有适当间隙，调气阀的气体通过截面最小，供给发动机怠速运转时所需的压缩氧气量。

由于电子喷油发动机的喷油量是根据进气量控制的，所以，这时，可以通过控制压缩气体进入气缸的量，达到控制发动机的转速及功率的目的。

在本发明提供的另一个实施例中，如图4所示，所述进气装置可以取代现有技术中气缸盖上设置的进气门4，而设置一个喷气嘴41，进气管8连接在喷气嘴41的进气口上，该喷气嘴41与现有气缸盖3上的喷油嘴6的启闭机构相关联，使得喷气嘴41的启闭与喷油嘴6同步。具体的，就是所述喷气嘴41上的启闭机构为一个电磁阀，其与喷油嘴上的电磁阀联动连接，即可以是与喷油嘴共用控制喷油时间的导线，使之达到与喷油嘴同步启闭。

在该实施例中，同样可以在进气管8上设置调压阀10c。这时，对应的喷气嘴6可以是只控制启闭而不控制开启度的喷气嘴。进气量通过调压阀10c来调节。

在所述喷气嘴41和氧气罐10之间连接的进气管8上也可以设有一现有技术中已有的限压阀，限制进入气缸1的氧气压力不受氧气罐较大压力的影响而比较恒定。这时，喷气嘴41为具有通过凸轮机构控制其启闭且可控制进气量的喷嘴，与现有的喷油嘴结构相同，其中的进气量控制装置与油门踏板或其它控制装置关联，控制进气量，继而控制喷油嘴的喷油量。

输入的高压氧气的压力根据车辆的型号、气缸的型号大小而变化，通常，可以是0.5-1.5MPa。

当所述进气装置为喷气嘴41时，所述凸轮机构只是与现有技术相同地与排气门相关联，喷气嘴41通过进气管8连接氧气罐10，喷气嘴41上设置电磁阀，其与控制喷油嘴的现有控制机构相关联，使之与喷油嘴同步地喷高压氧气。

所述喷油嘴喷入的可以是汽油、柴油、氢气、酒精等。

所述进气装置输入的可以是高压氧气，也可以是其它助燃剂。

Claims (10)

1.一种进氧式单冲程发动机，包括一个现有的电喷四冲程发动机，其中的气缸里设有活塞将气缸分隔成相互隔绝的两个腔室，在与活塞连杆相对的活塞一侧腔室的气缸盖上设有进气装置、排气门、喷油嘴和火花塞，所述进气装置和所述排气门上连接启闭装置，以完成进气、排气，在喷油嘴上连接开关装置，以向汽缸中喷油，所述火花塞上连接点火控制装置；其特征在于：在所述进气装置的进气口上通过管道连接一个压缩氧气罐；所述进气装置、排气门、喷油嘴以及火花塞上的各控制启闭或开关的装置相互匹配，其匹配关系为：当活塞由下止点向上止点位移开始时排气门即打开，活塞上行至上止点时排气门关闭，进气门瞬间打开，进入所需量的氧气，同时喷油嘴开启，进气门和喷油嘴在点火前瞬间关闭，之后点火，活塞从上止点移动至下止点。

2.根据权利要求1所述的进氧式单冲程发动机，其特征在于：所述进气装置是一个设置在气缸的缸盖上的进气门，其与启闭进气门的凸轮机构相关联，启闭排气门的凸轮机构与启闭进气门凸轮机构的凸轮的形状和位置匹配该匹配关系为：当活塞由下止点向上止点位移开始时排气门打开，上行至上止点时排气门关闭，进气门瞬间打开，进入所需量的氧气，然后，进气门在点火前瞬间关闭。

3.根据权利要求2所述的进氧式单冲程发动机，其特征在于：在所述进气口上设置的连接氧气罐的管路中设有调压阀，该调压阀与油门踏板相关联，使得进气量与油门大小相关联，油门越大，进气量越大；随之气缸进油量也增加。

4.根据权利要求1所述的进氧式单冲程发动机，其特征在于：所述进气装置是一个喷气嘴，该喷气嘴上的开关装置与所述喷油嘴的启闭机构相关联，使得喷气嘴的启闭与喷油嘴同步。

5.根据权利要求4所述的进氧式单冲程发动机，其特征在于：所述喷气嘴上的开关装置为与喷油嘴共用的电磁阀；或者所述喷气嘴上的开关装置是与喷油嘴上的电磁阀联动连接的电磁阀；使之达到与喷油嘴同步启闭。

6.根据权利要求4所述的进氧式单冲程发动机，其特征在于：在所述进气口上设置的连接氧气罐的管路中设有调压阀，该调压阀与油门踏板相关联，使得进气量与油门大小相关联，进气量越大，喷油量越大；即随着气缸氧气的进入量的增加，使得进油量也增加。

7.根据权利要求4所述的进氧式单冲程发动机，其特征在于：在所述喷气嘴和氧气罐之间连接的管道上设有一限压阀，限制进入气缸的氧气压力不受氧气罐较大压力的影响而比较恒定。

8.一种进氧式单冲程发动机的运行方法，其特征在于：是在一个进氧式单冲程发动机中进行，其包括一个电喷四冲程发动机的气缸，其中的气缸中设有活塞将气缸分隔成相互隔绝的两个腔室，在与活塞连杆相对的活塞一侧腔室的气缸盖上设有进气装置、排气门、喷油嘴和火花塞，所述进气装置和所述排气门上连接启闭装置，以完成进气、排气，在喷油嘴上连接开关装置，以向汽缸中喷油，所述火花塞上连接点火控制装置；在所述进气装置的进气口上通过管道连接一个压缩氧气罐；

该发动机在曲轴转动一周的一个周期中，按照进气喷油、点火、爆炸产生动力和排气几个过程工作，该方法包含的步骤有：

(1)排气：活塞位于气缸的下止点，在曲轴惯性作用下向上止点位移开始时，排气门即开启，排气，到达上止点，排气门关闭；

(2)喷油喷气：活塞到达气缸上止点，与气缸盖之间设有一个燃烧室，喷油嘴喷油，同时进气装置瞬间开启输入基本数量的带有压力的高压氧气，然后，进气装置瞬间关闭；

(3)点火：进气装置和喷油嘴关闭后，火花塞点火；

(4)爆炸：气缸内的油气、高压氧气被点火爆炸，活塞向下止点位移做功，最后到达下止点，之后排气门即开启；

如此，在曲柄转动一周过程中发动机做功一次。

9.根据权利要求8所述的进氧式单冲程发动机的运行方法，其特征在于：输入的高压氧气的压力是0.5-1.5MPa。

10.根据权利要求8所述的进氧式单冲程发动机的运行方法，其特征在于：所述喷油嘴喷入的是汽油、柴油、氢气或酒精。

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