CN101839165B - 界面压缩发动机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种界面压缩发动机，包括工质包络空间、活塞、进气门和排气门，所述工质包络空间至少包括活塞缸套配合区、燃烧区和高压气体压气区三个区域，在所述高压气体压气区的外壁上设有高压气体进口，所述高压气体进口经压气控制阀与高压气体源相连通，所述高压气体源中高压气体的压力大于发动机充气完了时所述工质包络空间内的新鲜充气的压力。本发明解决了现有内燃机压缩冲程中大量消耗机械功的问题，大大提高了发动机的热功转化效率，同时结构简单、体积小、重量轻，成本低廉。

Description

界面压缩发动机

技术领域

本发明涉及发动机领域，尤其涉及一种界面压缩发动机。

背景技术

现有内燃机无论是活塞式内燃机还是涡轮式内燃机，都必须通过机械式压气部件对充入的新鲜充气进行压缩，以使已经充入的新鲜充气的压强和温度达到随后的爆炸燃烧所需的条件。但是，这一过程会消耗大量的机械功，使得从燃气热能中好不容易获得的宝贵的机械功，其很大的一部分在压缩冲程中又转化为了低品质的压缩充气热能，这是一种巨大的浪费。并且由于机械式压气部件的存在，使得发动机结构复杂。如果能找到一种方法，可以在不利用机械式压气部件、不消耗机械功的前提下，对充入气缸内的新鲜充气进行压缩，以使其同样能够达到随后的爆炸燃烧所需的压强和温度条件，将巨大的提高现有内燃机的热功转化效率，并且使得现有发动机的结构大大简化。

另外，本人向中国国家知识产权局递交的申请号为CN200910136747.9的中国发明专利公开了一种同缸内外燃发动机，该发明在对发动机冷却系统和排气系统的余热进行回收利用的过程中产生了大量的高温高压蒸汽。如果能找到一种方法，利用该高温高压蒸汽来压缩已经充入气缸内的新鲜充气，以使其达到随后的爆炸燃烧所需的压强和温度条件，将解决上述提到的现有内燃机压缩冲程中大量消耗机械功的问题。

如果在发动机中另外增加一个气动马达，利用上述高压高温蒸汽推动气动马达预先对新鲜充气进行压缩，使之达到在气缸中开始爆炸燃烧所需的压力后，再通过正时机构将该高压新鲜充气通入气缸以备爆炸燃烧，虽然解决了压气冲程中消耗大量机械功的问题，但是在现有技术条件下，蒸汽马达必须做的很大，这不仅提高了发动机的制造成本，而且使得发动机结构复杂，体积庞大，笨重，大大限制了发动机的实际应用价值。

如何能找到一种不另外增加气动马达，利用上述高压蒸汽来压缩已经充入气缸内的新鲜充气，以使其达到随后的爆炸燃烧所需的压强和温度条件，从而解决现有内燃机的压缩冲程中大量消耗机械功的问题是现有发动机技术领域中亟待解决的问题。

气体界面压气现象是自然界和工程技术中大量存在的一种现象，其原理在于：在一个充满低压气体A的空间内，通入高压气体B，如果A、B气体混合，则无论B气体压力多高，A气体实际上都不会被压缩，因为虽然混合后的A、B混合气的总压力已经大于A气体原来的压力，但A气体的分压并没有改变。但如果能够使得A、B气体不混合或者不完全混合，即当B气体充入时，在A、B气体之间形成一个界面，则无论该界面多厚，在该界面之外的A气体则必然没有跟B气体混合，则随着B气体的不断充入，该没有混合的A气体的压力会不断的升高，直至最后接近甚至等于B气体的压力，即A气体被B气体压缩了，这就是气体界面压气现象。

气体喉管扩张作用，是指气体的速度在经过喉管后其扩张会变得更加均匀平稳的现象。如果气体B通过喉管充入一个充满气体A的容器，由于气体喉管扩张作用的存在，气体B会在容器中更加均匀平稳的推进，从而在气体A、B之间形成一个更加稳定的界面，可以更加有效的防止气体A、B之间的混合。

发明内容

本发明利用气体界面压气现象解决了上述现有发动机中存在的问题，为此本发明公开了一种界面压缩发动机。其技术方案如下：

一种界面压缩发动机，包括工质包络空间、活塞、进气门和排气门，所述工质包络空间至少包括活塞缸套配合区、燃烧区和高压气体压气区三个区域，在所述高压气体压气区的外壁上设有高压气体进口，所述高压气体进口经压气控制阀与高压气体源相连通，所述高压气体源中高压气体的压力大于发动机充气完了时所述工质包络空间内的新鲜充气的压力。

所述高压气体源中高压气体的压力大于将所述工质包络空间内的新鲜充气压缩到发动机设定的压缩比所需的压力。

所述高压气体源中高压气体的压力大于发动机爆炸冲程中的爆炸压力。

在所述界面压缩发动机上设排气热交换器，所述排气热交换器的被加热流体入口处设高压泵，所述排气热交换器的被加热流体出口设为高压气体源；或在发动机缸套外和/或缸盖内设高压流体通道，所述高压流体通道的流体入口处设高压泵，所述高压流体通道的流体出口设为所述高压气体源；或在所述界面压缩发动机上设排气热交换器，在所述发动机缸套外和/或缸盖内设高压流体通道，在所述排气热交换器的被加热流体入口处设高压泵，所述排气热交换器的被加热流体出口与所述高压流体通道的流体入口连通，所述高压流体通道的流体出口设为所述高压气体源；或在所述界面压缩发动机上设排气热交换器，在所述发动机缸套外和/或缸盖内设高压流体通道，在所述高压流体通道的流体入口处设高压泵，所述高压流体通道的流体出口与所述排气热交换器的被加热流体入口连通，所述排气热交换器的被加热流体出口设为所述高压气体源。

在所述工质包络空间的外壁上设高压流体通孔，所述高压流体通孔经高压流体通孔控制阀与高压储气罐连通，所述高压储气罐设为所述高压气体源。

所述高压气体源设为密封高压储气罐，控制所述压气控制阀，使所述压气控制阀在发动机缸内压力高时打开，使部分高压气体充入所述密封高压储气罐，在作功冲程开始前后关闭所述压气控制阀，使部分高压气体保存在所述密封高压储气罐中，在发动机完成下次充气过程时，打开所述压气控制阀对新鲜充气进行压缩。

所述进气门设在发动机缸盖上，或所述进气门设在高压气体压气区的上端，或所述进气门设在所述活塞运动到上止点时高于活塞上表面的发动机缸套的侧壁上，所述进气门通过控制阀与有压新鲜充气源相连通。

所述高压气体压气区上设有燃料喷嘴。

所述燃烧区远离所述活塞，所述高压气体压气区位于所述燃烧区和所述活塞缸套配合区之间；或者所述燃烧区靠近活塞，所述燃烧区位于所述气体压气区和所述活塞缸套配合区之间。

所述高压气体进口为喉管状或/和所述高压气体进口附近设有喉管状通道，或/和所述高压气体进口的附近设有多孔隔板，或/和所述气体压气区为多孔管式气体压气区。

本发明中所谓的工质包络空间，是指由活塞、气缸套、气缸盖等所包络成的、作功冲程中的作功工质所能够充满的空间。

本发明中所谓的活塞缸套配合区，是指工质包络空间中与活塞相配合的部分，即活塞上止点与活塞下至点之间的气缸段。本发明中所谓的燃烧区，是指工质包络空间中用于可燃混合气爆炸燃烧的部分，即可燃混合气即将开始爆炸燃烧时，新鲜充气和高压气体之间的界面的一侧，新鲜充气所在的工质包络空间部分。本发明中所谓的高压气体压气区，是指工质包络空间中用于高压气体压缩新鲜充气的部分，即可燃混合气即将开始爆炸燃烧时，新鲜充气和高压气体之间界面一侧，高压气体所在的工质包络空间部分。

本发明中所谓的新鲜充气，是指发动机在吸气过程中充入的新鲜空气或新鲜空燃混合气等。

本发明中所谓的有压新鲜充气源，是指经过排气涡轮增压或其它增压系统增压后的新鲜充气源。

本发明中所谓的发动机作功工质，是指发动机工质包络空间内的可燃混合气爆炸燃烧后形成的高温高压燃气。

本发明中所谓的压力，是指压强，因为用压力来指代压强几乎已经成为了发动机领域一种不成文的惯例，因此本发明的说明书中沿用了该惯例。

本发明中高压气体源中的高压蒸汽可以产生于对发动机冷却系统或/和排气中余热的回收，也可以产生于发动机外带的独立的锅炉。

本发明中的所述活塞可以是普通活塞，也可以为悬浮式活塞或者准悬浮式活塞。悬浮式活塞，是指活塞的结构使得气缸与活塞之间既不发生接触又维持相当小的间隙，从而实现既密封又不磨损的目的。所谓准悬浮活塞，是指活塞的结构使得活塞和气缸之间处于接触与非接触的临界状态，这样就可以进一步提高密封性，又可避免磨损。有关悬浮式活塞和准悬浮式活塞的详细介绍请参见本人向中国国家知识产权局申请的申请号为CN200910176960.2的发明专利。

本发明中，高温高压气体受正时控制机构控制充入气缸后，其与已经充入气缸内的新鲜充气之间形成界面，利用该高温高压气体来压缩界面另一端的新鲜充气，以使其达到随后的爆炸燃烧所需的压强和温度条件，从而减少或避免了压气冲程中消耗大量的机械功的问题，并且使得发动机的结构简单，制造成本低。

本发明的有益效果如下：

1、本发明结构简单、体积小、重量轻，成本低廉。

2、本发明解决了现有内燃机压缩充气过程中大量消耗机械功的问题，大大提高了发动机的热功转化效率。

3、本发明可以实现在爆炸作功冲程中，当活塞越过上止点一定角度时，活塞内的压力达到最大，从而避免了现有技术中当活塞位于上止点时缸内压力达到最大，而此时活塞连杆机构的力矩为零的矛盾。

4、由于可以通过电磁阀实时调整通入气缸内的高压气体，从而可以实现对气缸内新鲜充气压缩比的及时、连续调节，相比于现有技术中利用机械机构调节气缸内新鲜充气压缩比，能够巨大的改善发动机的负荷响应特性。

附图说明

图1所示的是本发明实施例1的结构示意图；

图2所示的是本发明实施例2的结构示意图；

图3所示的是本发明实施例3的结构示意图；

图4所示的是本发明实施例5的结构示意图；

图5所示的是本发明实施例5中多孔隔板的A-A向剖视图；

图6所示的是本发明实施例5中多孔管状的气体压气区的B-B向剖视图；

图7所示的是本发明实施例8中的结构示意图；

图8所示的是本发明实施例9中的结构示意图；

图9所示的是本发明实施例10中的结构示意图；

图10所示的是本发明实施例11中的结构示意图；

图11所示的是本发明实施例12中的结构示意图；

具体实施方式

实施例1

如图1所示的界面压缩发动机，包括工质包络空间1、活塞2、进气门3和排气门4，工质包络空间1至少包括活塞缸套配合区5、燃烧区6和高压气体压气区7三个区域，在高压气体压气区7的外壁上设有高压气体进口8，高压气体进口8经压气控制阀9与高压气体源10相连通，高压气体源10中高压气体的压力大于发动机充气完了时工质包络空间1内的新鲜充气的压力。高压气体源10设为密封高压储气罐1000，控制压气控制阀9，使压气控制阀9在发动机缸内压力高时打开，使部分高压气体充入密封高压储气罐1000，在作功冲程开始前后关闭压气控制阀9，使部分高压气体保存在密封高压储气罐1000中，在发动机完成下次充气过程时，打开压气控制阀9对新鲜空气进行压缩。

本实施例中在吸气冲程中吸入的新鲜充气为可燃混合气，由于燃烧区6和高压气体压气区7的容积之和相对于活塞缸套配合区5的比值设置的较大，如果在压缩冲程中仅靠活塞2的压缩，即使当活塞2位于上止点时，被压缩的可燃混合气也无法达到随后的爆炸燃烧所需的压力。为解决这一问题，可以在吸气冲程完了后的压缩冲程中，在工质包络空间1内的气体压力小于高压气体压力的某一时刻压气控制阀9打开，高压气体经由高压气体进口8进入工质包络空间1，该高压气体与已经充入气缸内的可燃混合气之间形成界面，同时活塞2上行与高温高压的高压气体共同来压缩可燃混合气，当工质包络空间1的气体总压力接近高压气体压力时压气控制阀9关闭，活塞2继续上行压缩可燃混合气，以使可燃混合气达到随后的爆炸燃烧所需的压强和温度条件。其后，新鲜充气爆炸燃烧，爆炸燃烧产生的高温高压燃气和已经通入气缸内的高压气体共同推动活塞2作功。本实施例与现有技术中内燃机仅靠活塞压缩新鲜充气以使其达到随后的爆炸燃烧所需的压强和温度条件相比，减少了压气冲程中消耗的机械功。

实施例2

如图2所示的界面压缩发动机，其与实施例1的区别在于，高压气体源10中的高压气体为发动机排气。燃烧区6上设有燃料喷嘴13。燃烧区6远离活塞2，高压气体压气区7位于燃烧区6和活塞缸套配合区5之间。

本实施例中在吸气冲程中吸入的新鲜充气为新鲜空气。同样，由于燃烧区6和高压气体压气区7的容积之和相对于活塞缸套配合区5的比值设置的较大，如果在压缩冲程中仅靠活塞2的压缩，即使当活塞2位于上止点时，被压缩的新鲜空气也无法达到随后的可燃混合气开始爆炸燃烧所需的压力。为解决这一问题，可以在吸气冲程完了后的压缩冲程中，在工质包络空间1内的气体压力小于发动机排气压力的某一时刻压气控制阀9打开，发动机排气经由高压气体进口8进入工质包络空间1，该发动机排气与已经充入气缸内的新鲜空气之间形成界面，同时活塞2上行与高温高压发动机排气共同来压缩新鲜空气，当工质包络空间1的气体总压力接近发动机排气压力时压气控制阀9关闭，活塞2继续上行压缩新鲜空气，以使新鲜空气达到随后的爆炸燃烧所需的压强和温度条件。其后，燃料喷嘴13打开向被压缩的新鲜空气中喷入燃料形成可燃混合气，可燃混合气爆炸燃烧，爆炸燃烧产生的高温高压燃气和已经通入气缸内的发动机排气共同推动活塞2作功。本实施例与现有技术中内燃机仅靠活塞压缩新鲜空气以使其达到随后的爆炸燃烧所需的压强和温度条件相比，同样减少了压气冲程中消耗的机械功。

实施例3

如图3所示的界面压缩发动机，其与实施例2的区别为，高压气体源10中高压气体的压力大于将工质包络空间1内的新鲜充气压缩到发动机设定的压缩比所需的压力。高压气体源10中的高压气体为发动机作功工质。进气门3通过控制阀90与有压新鲜充气源12相连通。燃烧区6靠近活塞2，燃烧区6位于气体压气区7和活塞缸套配合区5之间。

由于进气门3通过控制阀90与新鲜充气源12相连通，可以省略掉吸气和压缩冲程，在排气冲程的末期进气门3和控制阀90打开，新鲜充气源12中的新鲜空气通过进气门3进入工质包络空间1进行扫气，扫气完成时排气门4关闭，新鲜空气继续进入工质包络空间1进行充气，充气完成时进气门3和控制阀90关闭，此时压气控制阀9打开，高压的发动机作功工质经由高压气体进口8进入工质包络空间1，该高压的发动机作功工质与已经充入的新鲜空气之间形成界面，利用该高温高压发动机作功工质来压缩界面另一端的新鲜空气，以使其达到随后的爆炸燃烧所需的压强和温度条件。其后，燃料喷嘴13打开向被压缩的新鲜空气中喷入燃料形成可燃混合气，可燃混合气爆炸燃烧，爆炸燃烧产生的高温高压燃气和已经通入气缸内的发动机作功工质共同推动活塞2作功。本实施例与现有技术中内燃机依靠活塞压缩新鲜充气以使其达到随后的爆炸燃烧所需的压强和温度条件相比，避免了压气冲程中消耗的机械功。本实施例与实施例1和实施例2相比，由于取消了吸气和压缩冲程，避免了此过程中机械功的消耗，因此更彻底的解决了现有内燃机压缩冲程中要消耗大量宝贵的机械功的问题，进一步提高了发动机的热功转化效率。

实施例4

如图3所示的界面压缩发动机，其与实施例3的区别是，高压气体源10中高压气体的压力大于发动机爆炸冲程中的爆炸压力。高压气体源10中的高压气体为高压蒸汽。高压蒸汽产生于对发动机冷却系统或/和排气中余热的回收。

与实施例3相比，本实施例中由于高压气体源10中高压蒸汽的压力大于发动机的爆炸压力，可燃混合气爆炸燃烧后，压气控制阀9能够继续保持打开状态，高压蒸汽继续持续不断的充入工质包络空间1。这样爆炸燃烧产生的高温高压燃气和继续通入工质包络空间1内的高压蒸汽共同推动活塞2作功，当作功冲程结束时，压气控制阀9关闭，排气门4打开，开始排气。因此本实施例与实施例3相比，高压蒸汽在整个作功冲程中可以持续不断的充入工质包络空间1以推动活塞2作功，从而提高了高压蒸汽参与作功的比例。

实施例5

如图4所示的界面压缩发动机，其与实施例4的区别在于，高压气体进口8附近设有喉管状通道14。高压气体进口8附近设有的喉管状通道14可以使得高压蒸汽经由高压气体进口8进入工质包络空间1时以均匀的方式扩散，利于该高压蒸汽与已经充入气缸内的新鲜之间形成界面，减少其相互之间的混合，利于界面压气效果的实现。

实施例6

如图5所示的界面压缩发动机，其与实施例4的区别在于，高压气体进口8的附近设有多孔隔板15。高压气体进口8的附近设有多孔隔板15，可以使得经过该多孔隔板15后的高压蒸汽更加均匀的扩散，进一步利于该高压蒸汽与已经充入气缸内的新鲜空气之间形成界面，减少其相互之间的混合，以利于界面压气效果的实现。

实施例7

如图6所示的界面压缩发动机，其与实施例4的区别在于，气体压气区7设为为多孔管状气体压气区16。这样，高压蒸汽与新鲜空气在孔管状气体压气区16的一个个孔管内形成界面，由于每个管孔的直径相对于气体压气区7的直径大大降低，更加有利于高压蒸汽与已经充入气缸内的新鲜空气之间形成界面，减少其相互之间的混合，以利于界面压气效果的实现。

实施例8

如图7所示的界面压缩发动机，其与实施例1的区别在于，在所述工质包络空间1的侧壁上设高压流体通孔112，所述高压流体通孔112与高压流体通孔控制阀1120连通，所述高压通孔控制阀1120的另一接口与高压储气罐113连通，所述高压储气罐113设为所述高压气体源10。

实施例9

如图8所示的界面压缩发动机，其与实施例1的区别在于，在界面压缩发动机上设排气热交换器11，排气热交换器11的被加热流体入口1100处设高压泵110，排气热交换器11的被加热流体出口1101设为高压气体源10，高压气体压气区7上设有燃料喷嘴13。这样设置的目的是为了回收发动机排气的余热，进一步提高发动机的燃料利用率。

实施例10

如图9所示的界面压缩发动机，其与实施例1的区别在于，在发动机缸套100外和/或缸盖101内设高压流体通道111，高压流体通道111的流体入口处设高压泵110，高压流体通道111的流体出口设为高压气体源10。这样设置的目的是为了回收发动机冷却系统的余热，进一步提高发动机的燃料利用率。

实施例11

如图10所示的界面压缩发动机，其与实施例1的区别在于，在界面压缩发动机上设排气热交换器11，在发动机缸套100外和/或缸盖101内设高压流体通道111，在排气热交换器11的被加热流体入口1100处设高压泵110，排气热交换器11的被加热流体出口1101与高压流体通道111的流体入口连通，高压流体通道111的流体出口设为高压气体源10。这样设置的目的是为了回收发动机冷却系统和排气的余热，进一步提高发动机的燃料利用率。

实施例12

如图11所示的界面压缩发动机，其与实施例1的区别在于，在界面压缩发动机上设排气热交换器11，在发动机缸套100外和/或缸盖101内设高压流体通道111，在高压流体通道111的流体入口处设高压泵110，高压流体通道111的流体出口与排气热交换器11的被加热流体入口1100连通，排气热交换器11的被加热流体出口1101设为高压气体源10。这样设置的目的同样是为了回收发动机冷却系统和排气的余热，进一步提高发动机的燃料利用率。

Claims (10)

1.一种界面压缩发动机，包括工质包络空间(1)、活塞(2)、进气门(3)和排气门(4)，其特征在于：所述工质包络空间(1)至少包括活塞缸套配合区(5)、燃烧区(6)和高压气体压气区(7)三个区域，在所述高压气体压气区(7)的外壁上设有高压气体进口(8)，所述高压气体进口(8)经压气控制阀(9)与高压气体源(10)相连通，所述高压气体源(10)中高压气体的压力大于发动机充气完了时所述工质包络空间(1)内的新鲜充气的压力。

2.根据权利要求1所述的界面压缩发动机，其特征在于：所述高压气体源(10)中高压气体的压力大于将所述工质包络空间(1)内的新鲜充气压缩到发动机设定的压缩比所需的压力。

3.根据权利要求1所述的界面压缩发动机，其特征在于：所述高压气体源(10)中高压气体的压力大于发动机爆炸冲程中的爆炸压力。

4.根据权利要求1所述的界面压缩发动机，其特征在于：在所述界面压缩发动机上设排气热交换器(11)，所述排气热交换器(11)的被加热流体入口(1100)处设高压泵(110)，所述排气热交换器(11)的被加热流体出口(1101)设为高压气体源(10)；或在发动机缸套(100)外和/或缸盖(101)内设高压流体通道(111)，所述高压流体通道(111)的流体入口处设高压泵(110)，所述高压流体通道(111)的流体出口设为所述高压气体源(10)；或在所述界面压缩发动机上设排气热交换器(11)，在所述发动机缸套(100)外和/或缸盖(101)内设高压流体通道(111)，在所述排气热交换器(11)的被加热流体入口(1100)处设高压泵(110)，所述排气热交换器(11)的被加热流体出口(1101)与所述高压流体通道(111)的流体入口连通，所述高压流体通道(111)的流体出口设为所述高压气体源(10)；或在所述界面压缩发动机上设排气热交换器(11)，在所述发动机缸套(100)外和/或缸盖(101)内设高压流体通道(111)，在所述高压流体通道(111)的流体入口处设高压泵(110)，所述高压流体通道(111)的流体出口与所述排气热交换器(11)的被加热流体入口(1100)连通，所述排气热交换器(11)的被加热流体出口(1101)设为所述高压气体源(10)。

5.根据权利要求1所述的界面压缩发动机，其特征在于：在所述工质包络空间(1)的外壁上设高压流体通孔(112)，所述高压流体通孔(112)经高压流体通孔控制阀(1120)与高压储气罐(113)连通，所述高压储气罐(113)设为所述高压气体源(10)。

6.根据权利要求1所述的界面压缩发动机，其特征在于：所述高压气体源(10)设为密封高压储气罐(1000)，控制所述压气控制阀(9)，使所述压气控制阀(9)在发动机缸内压力高时打开，使部分高压气体充入所述密封高压储气罐(1000)，在作功冲程开始前后关闭所述压气控制阀(9)，使部分高压气体保存在所述密封高压储气罐(1000)中，在发动机完成下次充气过程时，打开所述压气控制阀(9)对新鲜充气进行压缩。

7.根据权利要求1所述的界面压缩发动机，其特征在于：所述进气门(3)设在发动机缸盖(101)上，或所述进气门(3)设在高压气体压气区(7)的上端，或所述进气门(3)设在所述活塞(2)运动到上止点时高于活塞上表面的发动机缸套(100)的侧壁上，所述进气门(3)通过控制阀(90)与有压新鲜充气源(12)相连通。

8.根据权利要求1所述的界面压缩发动机，其特征在于：所述高压气体压气区(7)上设有燃料喷嘴(13)。

9.根据权利要求1所述的界面压缩发动机，其特征在于：所述燃烧区(6)远离所述活塞(2)，所述高压气体压气区(7)位于所述燃烧区(6)和所述活塞缸套配合区(5)之间；或者所述燃烧区(6)靠近活塞(2)，所述燃烧区(6)位于所述气体压气区(7)和所述活塞缸套配合区(5)之间。

10.根据权利要求1至9任意之一所述的界面压缩发动机，其特征在于：所述高压气体进口(8)为喉管状或/和所述高压气体进口(8)附近设有喉管状通道(14)，或/和所述高压气体进口(8)的附近设有多孔隔板(15)，或/和所述气体压气区(7)为多孔管式气体压气区(16)。