CN101413424A - 以四冲程发动机为主体的中冷回热内燃机 - Google Patents

Abstract

一种以四冲程发动机为主体的中冷回热内燃机，包括四冲程主体机(1)、压气机(23)、中间泵(20)、中间冷却器(36)和回热器(50)。由于在原来大副缸所进行的回热等压作功过程改在四冲程主体机(1)的汽缸中进行，从而使不同的汽缸得到了结构上的合并。利用四冲程发动机作为中冷回热内燃机的主体机，最大限度保留了四冲程发动机的基本结构，同时仍可实现高效率的中冷回热等压作功和燃烧作功循环过程。并且这种结构的中冷回热内燃机还可制成大中小功率，适合作为车辆、船舶和发电等的动力装置。

Description

以四冲程发动机为主体的中冷回热内燃机

技术领域  本发明涉及一种内燃机，特别是涉及一种以四冲程发动机为主体的中冷回热内燃机。

背景技术  在专利号ZL02125235.1的中冷回热二冲程内燃机中，虽然也具有多种不同的结构类型，但在主汽缸与副缸进行具体结构组合时，因要求副缸与主汽缸之间应符合一定的位置配合关系，这样在实际应用中受到的约束较大。同时，因主汽缸的曲轴和副缸所需的曲轴不在同一位置，两者之间还要经齿轮进行传动，增加了传动机构的复杂性。

发明内容  本发明的目的是在上述中冷回热二冲程内燃机基础上提供一种把汽缸功能合并、结构布置优化的以四冲程发动机为主体的中冷回热内燃机，该内燃机不仅最大限度的保留了普通四冲程发动机的基本结构，而且仍能实现高效率的中冷等压回热作功、内燃作功循环。

为达到上述目的，本发明以四冲程发动机为主体的中冷回热内燃机包括由带可变容积燃烧室及储压活塞的汽缸、进气门、排气门及喷油点火系统所构成的低散热四冲程主体机，还包括压气机、中间冷却器和回热器，压气机经出气管路与中间冷却器连通，其特征在于：中间冷却器经中间泵与置于低散热四冲程主体机的排气管路内的回热器连通，回热器再经隔热管路分别与四冲程主体机中各汽缸的被进气门控制的进气管连通，所设的中间泵是一种无内压缩过程的罗茨泵，中间泵的排量适当小于压气机，使两者之间能形成相应的较低压缩比。

为减少气缸的无益容积，在所述四冲程主体机中设有可变容积燃烧室和储压活塞，可变容积燃烧室内的储压活塞经连杆与自由曲轴的曲柄销相连，该曲柄销还经其上的推座被弹簧作用，该弹簧装在从推座伸出、并穿进另一侧转座或其上导管的导杆上，转座所处的位置让导杆和其上的弹簧通过推座把曲柄销推到偏离上止点40°左右的适当角度，使储压活塞在受到压缩过程中的压缩空气压力作用时，能随时向下止点移动。

为适应发动机的低功率状态，压气机和中间泵被共同的驱动轴带动，该驱动轴经离合器与四冲程主体机的曲轴传动相连，在低功率状态时，离合器被控制分离，使压气机和中间泵停转。

另外为完善循环系统，在中间冷却器之前的出气管路上接出有补气管，该补气管经出气单向阀与回热器之后的隔热管路。在空气滤清器之后的进气管路上设有旁通管，该旁通管经出气单向阀与回热器之后的隔热管路连通。在所述四冲程主体机中的活塞上，所设的气环与油环之间隔开一定的距离布置，两者之间的活塞圆周面相应收缩形成隔热带。

为适应回热温度不同时的功率变化，中冷回热内燃机设有功率稳定系统，该系统包括喷油泵、喷油器、油门传动机构、发动机的电控单元和相应的温度、压力传感器，温度传感器设在回热器的隔热管路上，压力传感器设在回热器的隔热管路或连通管路上，两传感器分别经各自的信号线与电控单元相连接，在油门传动机构上插接有油门稳定器，该稳定器通过所设的螺纹套和其内螺杆的两侧分别与油门传动机构和喷油泵的控制杆相连，在螺纹套上装有传动轮，螺纹套通过其上的滑键可被传动轮带动旋转，传动轮经控制轮可被与电控单元相连的执行器控制；当操纵油门踏板增大功率后，在温度传感器检测到回热器的出口温度升高、压力传感器检测到回热器内的压力相应增大后，在油门踏板位置不变的条件下，发动机的电控单元会发出信号，让执行器带动油门稳定器改变长度，使喷油泵相应减少供油量。

中冷回热内燃机还可采用另外一种功率稳定系统，该系统包括电控单元、被电控单元控制的喷油器或喷油泵、以及相应的温度、压力传感器，温度传感器设在回热器的隔热管路上，压力传感器设在回热器的隔热管路或连通管路上，两传感器分别经各自的信号线与电控单元相连接；当操纵油门踏板增大功率后，在温度传感器检测到回热器的出口温度升高、压力传感器检测到回热器内的压力相应增大后，在油门踏板位置不变的条件下，发动机的电控单元会发出信号，让被控制的喷油器或喷油泵相应减少喷油量。

采用以低散热四冲程发动机为主体的结构组合后，由于在原大副缸所进行的回热等压作功过程移到了四冲程主体机的汽缸内，并让其相当于四冲程发动机中的进气过程，从而直接利用了目前现有四冲程发动机的基本结构，并且也避免了原大副缸所压缩的高温高压空气在向作功汽缸输送过程中产生的密封及阀门过热等问题。由于在四冲程主体机中采用了可变容积燃烧室和相应的储压活塞，使四冲程主体机虽然压缩比较低，但因减少了汽缸的无益容积，仍可达到较高的基础效率，从而让这种结构经优化布置后的中冷回热内燃机更适合制成不同功率，作为车辆、船舶和发电等的动力装置。

附图说明  下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

图1为本发明以四冲程发动机为主体的中冷回热内燃机的总体结构及构成图。

图2为四冲程主体机中汽缸和可变容积燃烧室的放大剖视图，图中的储压活塞处于上部位置。

图3为燃烧室中的储压活塞处于下部位置。

具体实施方式  在图1所示的中冷回热内燃机中，作为发动机主体的四冲程主体机1包括带可变容积燃烧室及储压活塞的汽缸2、汽缸上的进气门7、排气门9、喷油器5和所需的点火用电热塞(未画)，还包括汽缸内的活塞12、连杆17及曲轴18等。除上述四冲程主体机之外，为进行中冷回热等压作功循环还设有压气机23、中间冷却器36、中间泵20和回热器50。压气机23的出气管路32经中间冷却器36、中间泵20和连通管路49通向回热器50，回热器再经隔热管路51分别与四冲程主体机中各汽缸2的被进气门7控制的进气管8连通。当然，在小功率动力装置中，四冲程主体机也可以是一种单缸机。回热器50被布置在四冲程主体机1的排气管路10内，为获得更高的排气温度，在四冲程主体机1的缸盖3底面和活塞12的顶部，都采用了陶瓷隔热材料11，以构成低散热发动机。并且，在活塞12上，所设的气环13与油环14之间也隔开了一定的距离布置，两者之间的活塞圆周面相应收缩成隔热带15，以适应汽缸2的绝热。在这里，所设的中间泵20是一种无内压缩过程的罗茨泵，中间泵的排量适当小于压气机23，使两者之间能形成相应的较低压缩比。压气机23因压缩比较低，为减小压气机的体积，压气机适合采用旋转式容积泵，本实施例的中冷回热内燃机采用了螺杆泵作为压气机。

为最大限度减小四冲程主体机中燃烧室所占的无益容积，以减少回热作功和燃烧作功中所存在的容积损失，在本发明中冷回热内燃机的主体机中，采用了可变容积燃烧室和储气活塞结构，该燃烧室的放大结构如图2和图3所示，可变容积燃烧室25中的储压活塞28经连杆30与自由曲轴31的曲柄销33相连，该曲柄销还经其上的推座(参看图3)被弹簧27作用。弹簧27装在从推座34伸出、并穿进另一侧转座38(或其上的导管)的导杆35上，转座38所处的位置让导杆和其上的弹簧通过所顶的推座34把曲柄销33推到偏离上止点40°左右的适当角度，即图2中所示位置。图2中从回热器而来的压缩空气经开启的进气门7进入汽缸2，让活塞12被回热后的低压力压缩空气推动向下移动作功，这时也相当于四冲程主体机在进行进气过程，但因压缩空气的压力较低(2—3bar)，可变容积燃烧室25中的储气活塞28并不会被推动下移，从而避免了作功压缩空气的浪费。

图3所示四冲程主体机汽缸2中的活塞12已快移到上止点，因这时汽缸中的压缩空气压力也较高(10bar以上)，使可变容积燃烧室25中的储压活塞28在压缩空气压力作用下已及时移到下部位置，形成所需的燃烧室容积。此时喷油器5也提前开始喷油，以便进行接下来的燃烧作功过程。

在燃烧作功过程中，随着活塞12的下移作功，汽缸2中的作功燃气压力便相应下降，在燃气压力降低到一定程度后，可变容积燃烧室中的储压活塞28也及时把所储存的作功燃气推入汽缸2参与作功，使燃烧室中的作功燃气仍能转变为输出动力。虽然作用于储压活塞28的弹簧27在压缩过程中已被压缩到极限位置，但在进行更大压力的燃烧过程中，因有连杆30和曲轴31承受这一压力，弹簧27不会再被压缩。同样，在作功燃气压力迅速下降、弹簧27也快速伸张过程中，因有连杆30和曲轴31的拉动，储压活塞28也不会上移到与燃烧室顶相碰撞的位置。为更好组织燃烧室内燃气的燃烧，可变容积燃烧室25的通气口26应设在燃烧室的切线位置，以便让进入燃烧室的压缩空气能形成旋转涡流。当然，把本发明中的可变容积燃烧室和储压活塞结构用于普通低压缩比汽油机中也是完全可行的，以便让汽油机达到与柴油机相同的效率。

在图1所示的采用四冲程发动机为主体的中冷回热内燃机中，虽然它是中冷回热内燃机，但它以四冲程内燃机为主体，为中冷回热所设的各部件更应属于附件部分，显然，四冲程主体机在脱离这些附件后是仍能独立运转的。由于进行中冷回热过程需要较高的排气温度，为适应发动机功率很小没有高温排气的工作状态，四冲程主体机的曲轴18是经离合器(未画)与带动压气机23和中间泵20的驱动轴传动相连的。让压气机和中间泵共同被驱动轴带动，在发动机排气温度较低不值得回收利用时，便可控制曲轴与驱动轴之间的离合器分离，让压气机和中间泵停转，以减少低功率状态的不必要摩擦损失。在空气滤清器40之后的进气管路41上设有旁通管43，该旁通管经出气单向阀44与回热器50之后的隔热管路51连通，当压气机和中间泵被离合器停转后，四冲程主体机1经单向阀44直接从空气滤清器40之后的进气管路41吸气。

同样，在中冷回热内燃机运转中，当输出功率相应减少，排气温度也相应降低时，会让回热器50内的压力低于中间冷却器36内的压力，为避免这一情况，在中间冷却器36之前的出气管路32上接出有补气管54，该补气管经出气单阀55与回热器50之后的隔热管路51连通，这样，在发动机功率减小、排气温度降低时，即可越过中间泵20向回热器的管路中补充部分未中冷的压缩空气，也可相应减少中冷散热的热量损失。

由于进行中冷回热作功过程是依靠从排气中回收排气热量而进行的，在发动机功率变化而让排气温度发生改变时，也必然会引起整个发动机输出功率的变化，为稳定发动机的功率输出，中冷回热内燃机还设有功率稳定系统，该系统如图1所示，包括喷油泵6、喷油器5、油门传动机构46、发动机的电控单元45和相应的温度、压力传感器47、48，温度传感器47设在回热器50的隔热管路51上，压力传感器48设在回热器的隔热管路51或连通管路49上，两传感器分别经各自的信号线与电控单元45相连接，在油门传动机构46上插接有油门稳定器60，该稳定器通过所设的螺纹套52和其内螺杆53的两侧分别与油门传动机构46和喷油泵6的控制杆56相连，在螺纹套52上装有传动轮57，螺纹套通过其上的滑键可被传动轮57带动旋转，传动轮57经控制轮58可被与电控单元45相连的执行器59控制；当操纵油门踏板增大功率后，在温度传感器47检测到回热器50的出口温度升高、压力传感器48检测到回热器内的压力相应增大后，在油门踏板位置不变的条件下，发动机的电控单元45会发出信号，让执行器59带动油门稳定器60改变长度，使喷油泵6相应减少供油量。

另外，在采用电控的喷油器或喷油泵时，也可取消传动机构46上的油门稳定器60，但其它所需的零部件仍不变，让电控单元45直接控制喷油器5或喷油泵6在回热温度及压力发生变化时调整喷油量。

在图1的这种中冷回热内燃机运转过程中，由压气机23完成进气过程和压缩排出过程。被压气机23排出的压缩空气在经中间冷却器36散热降温后进行的是中间冷却过程。从中间冷却器排出的低温压缩空气(2—3bar)再经中间泵20进入回热器50，因低温压缩空气吸收了回热器外面高温排气的热量温度升高，这部分压缩空气在经开启的进气门7进入四冲程主体机的汽缸2中后，使压缩空气的体积得到膨胀(如图1中状态所示)，推动汽缸中的活塞12下行进行回热作功，也使四冲程主体机在利用排气余热进行回热等压作功的同时，完成了四行程主体机中的进气过程。汽缸2中的活塞12在下行进行回热作功时，所受到的是压力不变的等压推动力(在中等以上功率时压力为2—3bar)。

汽缸2中的活塞12完成回热等压作功过程后开始上行进行压缩过程，与普通内燃机不同，由于汽缸绝热和高温回热的共同作用，虽然四冲程主体机的压缩比不是很高(6：1—8：1之间)，但压缩终点后的压缩空气温度仍将很高。活塞行到上止点后，喷油器5开始向燃烧室4内喷油，形成燃烧作功所需的高温高压燃气，并推动活塞12下行、进行燃烧作功过程。完成燃烧作功后，排气门9开启，活塞12上行把汽缸2内的高温废气沿排气管路10排向回热器50及外界，废气中的热量在流经回热器时，因等压回热其热量被基本吸尽(中等功率以下的排气热量)。由于在四冲程主体机中的燃烧室内设有储压活塞28，所设定的压缩比虽然较低，但由于储压活塞能及时把燃烧室内的作功燃气推入汽缸作功，让四冲程主体机的基本效率不会低于一般的高压比柴油机。

由上述工作循环过程可知，中冷回热内燃机的压气机、中间冷却器、中间泵和四冲程主体机在完成自身的各循环过程中，分别有回热等压作功和燃烧膨胀作功两个作功过程，比普通循环的热力发动机增加了一个回热等压作功过程，同时加上实际中再对四冲程主体机进行最大限度的绝热，从而让中冷回热内燃机的有效效率大幅度提高。

在本发明的中冷回热内燃机中，假定四冲程主体机的排气量是10升，压气机23的排气量可定在7升，让其少于四冲程主体机的排量。压气机23与中间泵20之间在形成2：1的压缩比后，如中冷后的低温压缩空气经回热器回热使温度升高到650℃，则回热后的压缩空气在四冲程主体机中便可以2bar的等压状态充满汽缸。此时，汽缸虽然是增压进气过程并让活塞进行回热作功，但实际进入汽缸的空气量经冷却后是少于汽缸排量的，从而可让汽缸在接下去的燃烧作功过程中获得更多的膨胀功。

从上述中冷回热内燃机的结构和循环过程可知，中冷回热内燃机实际上就是把所设的压气机、中间冷却器、中间泵和回热器与四冲程发动机进行了系统的优化组合，使这种动力系统可以利用外围的这些附件先进行低压力的中冷压缩及回热，再利用四冲程主体机的进气过程实现回热等压作功循环，然后在四冲程主体机中进行接下来的高压燃烧作功循环。中冷回热内燃机所包括的中冷等压回热作功循环其热源是四冲程主体机的高温排气，四冲程主体机作功后的高温排气再被回热循环吸收。中冷回热内燃机使曾经开发过的内燃机绝热技术重新变得更有必要，因为减少气缸散热损失，也会让排气温度相应提高，有助于使所回收的排气热量更多，从而使效率更高。这也是除进行高效中冷回热循环之外为提高效率而应在发动机结构上采取的必要措施。当然，在四冲程主体机中所进行的高温压缩和燃烧，也会让排气中的氮氧化物含量增多，需对发动机采取排气再循环及排气进行进一步的后处理。

Claims (8)

1、以四冲程发动机为主体的中冷回热内燃机，包括由带可变容积燃烧室及储压活塞的汽缸(2)、进气门(7)、排气门(9)及喷油点火系统所构成的低散热四冲程主体机(1)，还包括压气机(23)、中间冷却器(36)和回热器(50)，压气机(23)经出气管路(32)与中间冷却器(36)连通，其特征在于：中间冷却器(36)经中间泵(20)与置于低散热四冲程主体机(1)的排气管路(10)内的回热器(50)连通，回热器再经隔热管路(51)分别与四冲程主体机中各汽缸(2)的被进气门(7)控制的进气管(8)连通，所设的中间泵(20)是一种无内压缩过程的罗茨泵，中间泵的排量适当小于压气机(23)，使两者之间能形成相应的较低压缩比。

2、根据权利要求1的中冷回热内燃机，其特征在于：所述四冲程主体机(1)中可变容积燃烧室(25)内的储压活塞(28)经连杆(30)与自由曲轴(31)的曲柄销(33)相连，该曲柄销还经其上的推座(34)被弹簧(27)作用，该弹簧装在从推座(34)伸出、并穿进另一侧转座(38)或其上导管的导杆(35)上，转座所处的位置让导杆和其上的弹簧通过推座(34)把曲柄销(33)推到偏离上止点40°左右的适当角度，使储压活塞(28)在受到压缩过程中的压缩空气压力作用时，能随时向下止点移动。

3、根据权利要求1或2的中冷回热内燃机，其特征在于：压气机(23)和中间泵(20)被共同的驱动轴带动，该驱动轴经离合器与四冲程主体机(1)的曲轴(18)传动相连，在低功率状态时，离合器被控制分离，使压气机和中间泵停转。

4、根据权利要求1或2的中冷回热内燃机，其特征在于：在中间冷却器(36)之前的出气管路(32)上接出有补气管(54)，该补气管经出气单向阀(55)与回热器(50)之后的隔热管路(51)连通。

5、根据权利要求1或2的中冷回热内燃机，其特征在于：在空气滤清器(40)之后的进气管路(41)上设有旁通管(43)，该旁通管经出气单向阀(44)与回热器(50)之后的隔热管路(51)连通。

6 根据权利要求1或2的中冷回热内燃机，其特征在于：在所述四冲程主体机中的活塞(12)上，所设的气环(13)与油环(14)之间隔开一定的距离布置，两者之间的活塞圆周面相应收缩形成隔热带(15)。

7、根据权利要求1或2的中冷回热内燃机，其特征在于：中冷回热内燃机设有功率稳定系统，该系统包括喷油泵(6)、喷油器(5)、油门传动机构(46)、发动机的电控单元(45)和相应的温度、压力传感器(47，48)，温度传感器(47)设在回热器(50)的隔热管路(51)上，压力传感器(48)设在回热器的隔热管路(51)或连通管路(49)上，两传感器分别经各自的信号线与电控单元(45)相连接，在油门传动机构(46)上插接有油门稳定器(60)，该稳定器通过所设的螺纹套(52)和其内螺杆(53)的两侧分别与油门传动机构(46)和喷油泵(6)的控制杆(56)相连，在螺纹套(52)上装有传动轮(57)，螺纹套通过其上的滑键可被传动轮(57)带动旋转，传动轮(57)经控制轮(58)可被与电控单元(45)相连的执行器(59)控制；当操纵油门踏板增大功率后，在温度传感器(47)检测到回热器(50)的出口温度升高、压力传感器(48)检测到回热器内的压力相应增大后，在油门踏板位置不变的条件下，发动机的电控单元(45)会发出信号，让执行器(59)带动油门稳定器(60)改变长度，使喷油泵(6)相应减少供油量。

8、根据权利要求1或2的中冷回热内燃机，其特征在于：中冷回热内燃机设有功率稳定系统，该系统包括电控单元(45)、被电控单元控制的喷油器(5)或喷油泵(6)、以及相应的温度、压力传感器(47，48)，温度传感器(47)设在回热器(50)的隔热管路(51)上，压力传感器设在回热器的隔热管路(51)或连通管路(49)上，两传感器分别经各自的信号线与电控单元(45)相连接；当操纵油门踏板增大功率后，在温度传感器(47)检测到回热器(50)的出口温度升高、压力传感器(48)检测到回热器内的压力相应增大后，在油门踏板位置不变的条件下，发动机的电控单元(45)会发出信号，让被控制的喷油器(5)或喷油泵(6)相应减少喷油量。

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