CN102392734B - 活塞式发动机气缸活塞运动控制方法及实现该方法的设备 - Google Patents

Abstract

本发明属于发动机控制技术领域，涉及一种活塞式发动机气缸活塞运动控制方法及实现该方法的设备，活塞运动按以下步骤进行控制：步骤A，活塞在曲轴带动自下止点X1向上运动至位置X2，排气门打开，进气门关闭，废气自排气口排出；步骤B，当活塞到达位置X2时，进气门打开，排气门关闭，高温高压助燃空气自进气门进入，活塞继续上行至位置X3；步骤C，当活塞到达位置X3时，进、排气门均关闭，活塞继续运行至上止点X4；步骤D,进、排气门均关闭，混合气体燃烧对活塞做功，活塞自上止点X4运行到下止点X1。本发明可以获得相同条件下比二冲程和四冲程发动机功率更大、平稳性更高、噪音更小、节能与减排更加显著。

Description

活塞式发动机气缸活塞运动控制方法及实现该方法的设备

技术领域

本发明属于发动机控制技术领域，涉及一种活塞式发动机气缸活塞运动控制方法及实现该方法的设备。

背景技术

目前，活塞式发动机分为二冲程和四冲程两种，其中二冲程发动机气缸体上有三个孔，即进气孔、排气孔和换气孔，这三个孔分别在一定时刻由活塞关闭，二冲程发动机气缸活塞运动如图1所示，具体为：㈠第一行程：活塞自下止点X1向上移动，三个气孔同时被关闭后，进入气缸的混合气被压缩，在进气孔露出时，可燃混合气流入曲轴箱；㈡第二行程：活塞压缩到上止点X4附近时，火花塞点燃可燃混合气，燃气膨胀推动活塞从上止点X4向下止点X1下移作功，这时进气孔关闭，密闭在曲轴箱内的可燃混合气被压缩，当活塞接近下止点X1时排气孔开启，废气冲出，随后换气孔开启，受预压的可燃混合气冲入气缸，驱除废气，进行换气过程。

四冲程发动机气缸活塞运动如图2所示，具体为：㈠进气行程：进气门打开，活塞从上止点X4下行运行至下止点X1，汽油和空气的混合气被吸进汽缸内；㈡压缩行程：进气门和排气门同时关闭，活塞从下止点X1上行运行至上止点X4，混合气被压缩；㈢燃烧做功行程：当混合气被压缩到最小时火花塞跳火点燃混和气，燃烧产生的压力推动活塞从上止点X4下行运行至下止点X1，并带动曲轴旋转；㈣排气行程：当活塞下行到下止点X1时，排气门打开，废气排出，活塞继续上行至上止点X4把多余的废气排出。四冲程发动机要完成一个工作循环，活塞在气缸内需要往返4个行程（即曲轴转2转720°）。

二冲程和四冲程发动机各自存在自己的优缺点。二冲程发动机优点：曲轴每旋转一周发动机燃烧做功一次，旋转较平稳；往复运动产生的惯性力小，振动小、噪音低；与四冲程发动机相比，在相同的容积相同的转速下，如平均有效压力相同，则功率为四冲程发动机的约1.7倍。二冲程发动机缺点：进气排气过程的时间短，所以燃油损失大，环境污染大；在气缸壁的一侧有气口，活塞环接触到这里易于磨损；由于排气口在气缸上，所以易于过热。四冲程发动机优点：不存在二冲程发动机那样的窜气回流损失，燃油消耗率低；容积效率、平均有效压力高；排量大，可设计成大功率发动机。四冲程发动机缺点：曲轴每旋转两周发动机燃烧做功一次，所以旋转平衡不稳定，机械噪音大；吸气、压缩、排气三冲程均靠消耗发动机所做的功驱动；高压缩比的追求和燃料自燃之间存在着很大的矛盾需要众多手段进行排解；废气对环境污染也较为严重。

专利号为200710028439.5的中国专利提出一种外压缩式二冲程发动机，主要是在排气进行中增加一扫气过程，增加了一个副燃烧室或在进气歧管内安设燃料喷雾器，高压助燃空气的获得通过涡轮与机械二级增压实现，机械增压以发动机为动力源；权利要求书中称，活塞只有做功和排气两个冲程（而根据后文叙述判断，气体压缩环节仍然存在）。此专利公开的技术中，外压缩耗费大量发动机所做的功；扫气环节为尽可能的多排出废气，而废气中含有一定量的可燃有害物，大量排出后对节能和环保均不利，且扫气环节也要浪费一定的功；增加扫气阀门等零部件，在发动机制造和控制方面增加了一定的难度。此种发动机制造及工作过程过于复杂但想要取得的效果却不甚明显。

目前为发动机提供高压助燃空气的装置，分为涡轮增压器和机械增压器。其中涡轮增压器因工作环境因素导致其对制造材料和冷却液的要求过高，且在工作过程中常伴有迟滞现象，同时根据力的作用与反作用理论，废气在冲击涡轮的过程中，涡轮也将力经废气传导至发动机活塞，在节能的同时导致了另一部分无用功的出现；机械增压器，以发动机为动力源，消耗了发动机所做的功。

发明内容

本发明主要目的在于提供一种活塞式发动机气缸活塞运动控制方法，通过该控制方法控制发动机活塞运动，可以获得相同条件下比二冲程和四冲程发动机功率更大、平稳性更高、噪音更小、节能与减排更加显著。

本发明实现以上发明目的的技术方案是：

一种活塞式发动机气缸活塞运动控制方法，发动机气缸具有进气门、排气门和燃烧室，活塞在曲轴带动下进行上下运动（有时候是活塞驱动曲轴运动），活塞在气缸内运行具有下止点和上止点，将进气门通过进气管连接至高温高压助燃空气源，在下止点和上止点之间增设有两个止点，分为第一中止点和第二中止点，第二中止点位于第一中止点的上方，活塞运动按以下步骤进行控制：

步骤A，排气门打开，进气门关闭，活塞在曲轴带动下自下止点向上运动至第一中止点，废气自排气口排出；

步骤B，当活塞到达第一中止点位置时，进气门打开，排气门关闭，高温高压助燃空气由进气门开始进入，活塞在曲轴带动下继续上行至第二中止点，活塞自第一中止点至第二中止点的运行过程为进气过程；

步骤C，当活塞到第二中止点位置时，排气门和进气门均关闭，活塞在曲轴带动下继续运行至上止点，对气缸及燃烧室内气体进行压缩；

步骤D, 当活塞到上止点位置时，排气门和进气门均处关闭状态，混合气体在燃烧室内燃烧对活塞做功，驱动活塞自上止点运行到下止点，并返环步骤A，循环进行；

以上步骤B中控制高温高压助燃空气源的气体压强大于（只需略大于）活塞自第一中止点至第二中止点运行过程中活塞上方气体压强；

以上步骤B中控制高温高压助燃空气的进气量大于等于发动机单缸单次燃烧做功的需求量。

通过以上两点的控制，当活塞到上止点X4位置时，燃烧室内气体质量与温度可以达到发动机燃烧做功所需的质量与温度范围内。（常温常压定量气体在能量不流失的情况下体积缩小至燃烧室空间大小，其温度已达或超过发动机燃烧做功的温度）。

本发明的另一个目的在于提供为实施上述控制而专门设计的获得高温高压助燃空气的设备，合理有效回收利用发动机流失的能量。

本发明实现以上发明目的的技术方案是：

为实施本发明控制方法步骤B而专门设计的获得高温高压助燃空气的设备，包括高温高压蒸汽制造器、储液输液箱、涡轮增压器、高温高压储气罐、同压管、第一输液管、第二输液管、高温高压空气输送管、发动机进气支管、废蒸汽输出管、空气进气管、冷凝器、冷却液回流管和蒸汽输送管；高温高压蒸汽制造器为设在发动机废气排气管外面的板体或管体与发动机废气排气管外壁形成的密封腔体；同压管和第二输液管均联通高温高压蒸汽制造器与储液输液箱，同压管上设有第一控制阀，第二输液管上设有第三控制阀；第一输液管联通发动机冷却系统与储液输液箱，第一输液管上设有第二控制阀；高温高压空气输送管联通高温高压储气罐与涡轮增压器，高温高压空气输送管上设有单向阀；高温高压储气罐通过发动机进气支管末端的各分管分别连通发动机各气缸进气门；空气进气管连接涡轮增压器的进气口，废蒸汽输出管的一端连接涡轮增压器的废蒸汽出口，另一端通过冷凝器连接冷却液回流管的一端，冷却液回流管的另一端连通发动机冷却系统；蒸汽输送管通过设限压阀联通高温高压蒸汽制造器与涡轮增压器。

以上设备以发动机排气管为内壁的高温高压蒸汽制造器，回收利用发动机废气余热并迅速将发动机冷却系统流入的高温液体气化，继而利用高温高压蒸汽冲击涡轮，带动同轴的叶轮将空气吸进并增压，后存于高温高压储气罐中，继而为发动机燃烧室提供高温高温高压助燃空气。

本发明进一步限定的技术方案是：

前述的活塞式发动机气缸活塞运动控制方法，其中高温高压助燃空气源可以是现有的涡轮增压器或机械增压器。

前述的获得高温高压助燃空气的设备，同压管具有位于所述高温高压蒸汽制造器上的第一蒸汽流通口和位于储液输液箱上的第二蒸汽流通口；垂直地面而言，第一蒸汽流通口位于高温高压蒸汽制造器内部空间的最高处，第二蒸汽流通口位于储液输液箱内部空间的最高处，高温高压蒸汽制造器内部空间最高处高于所述储液输液箱内部空间最高处，高温高压蒸汽制造器内部空间最低处低于储液输液箱内部空间最低处，发动机冷却系统内部冷却液液面高于储液输液箱内部空间最高处。这样的设置，当第二控制阀关闭，第一控制阀与第三控制阀同时打开时，高温高压蒸汽制造器与储液输液箱两腔体内可保证同压，储液输液箱内高温液体实时输入高温高压蒸汽制器，保证高温高压蒸汽制器内液体不过量不缺量；当第二控制阀打开，第一控制阀与第三控制阀同时关闭，发动机冷却系统内高温液体可顺利流入储液输液箱内。

前述的获得高温高压助燃空气的设备，高温高压储气罐上设有第一安全阀，高温高压蒸汽制造器上设有第二安全阀。可进一步保证使用安全。

前述的获得高温高压助燃空气的设备，高温高压储气罐内设有温度传感器、压力传感器及保温与调温装置。

本发明的有益效果是：本发明克服了现行二、四冲程发动机的缺点，综合应用了它们的优点，同时部分废气参与二次燃烧（活塞自下止点向上运动至第一中止点，废气自排气口排出，这一过程气缸内的废气没有完全排出，仍存在部分废气），发动机废气中含有一氧化碳与炭烟一氧化碳吸入人体后，由于它与血液中红蛋白结合的亲和力极强，因而，肺里的血红蛋白不与氧结合而与一氧化碳结合，致使人体缺氧而中毒，甚至死亡，炭烟是柴油发动机燃料燃烧不完全的产物，其内含大量黑色炭粒，影响道路的能见度及引起人的头晕、恶心，而这两种物质均为可燃烧物质，参与二次燃烧节能且环保；高温高压助燃空气快速流入燃烧室不仅从量上而且从空气与燃料的混合充分度上确保燃料在上止点附近迅速而完全地燃烧；这几个方面使得与相同条件下的二、四冲程发动机比较，发动机功率更大、平稳性更高、噪音更小、节能与减排更加显著。此外进入燃烧室的助燃空气温度更加适宜，能更好地解决高压缩比与燃料自燃之间的矛盾，从而更好地解决了爆燃带来的震动和冲击，延长了发动机寿命，提高了热效率。

本发明专门设计的获得高温高压助燃空气的设备可获得高效的高温高压助燃空气，另外还具有以下优点：⑴对制造材料要求不高；⑵不耗费发动机所做的功；⑶吸收了排放废气的热量，降低了对大气的污染，同时减小了排气压强，从而降低了活塞排气时所耗费的功；⑷为助燃空气增压的功率大；⑸合理有效回收利用发动机流失的能量。

使用本发明控制方法的发动机与现存四冲程发动机相比较，其优点在于：1、曲轴每旋转一周发动机燃烧做功一次，旋转较平稳，往复运动产生的惯性力小，振动小、噪音低；2、条件相同情况下所述发动机功率为现存四冲程发动机功率的二倍以上，可设计成大功率发动机，或在功率要求一定时，减小发动机排量，从而缩小发动机的体积；3、消除了现存四冲程发动机在吸气、压缩、排气三冲程中所消耗的发动机所做的功的一部分，从而达到节能的效果；4、高温高压储气罐5内的可调高温高压助燃空气的应用，很大程度上克服了高压缩比的追求和燃料自燃之间的矛盾从而在一定程度上克服了发动机爆燃爆震现象，减小了发动机的震动，降低了发动机的噪音，延长了发动机的使用寿命；5、可调高温高压助燃空气快速纳入不仅从量上而且从与燃料混合充分度上提高了燃料燃烧率，在节能减排方面有很大的实际效益；6、同时所述发动机的附属设备的应用在节能减排方面也具有很大的作用。

附图说明

图1是二冲程发动机气缸活塞运动过程图。

图2是四冲程发动机气缸活塞运动过程图。

图3是本发明的活塞运动过程图。

图4是本发明获得高温高压助燃空气设备的结构示意图。

具体实施方式

    实施例1

本实施例提供一种活塞式发动机气缸活塞运动控制方法，过程如图3所示，发动机气缸具有进气门、排气门和燃烧室，活塞在曲轴带动下进行上下运动（做工冲程中活塞驱动曲轴旋转），活塞在气缸内运行具有下止点X1和上止点X4，将进气门通过进气管连接至高温高压助燃空气源，在下止点X1和上止点X4之间增设有两个止点，分为第一中止点X2和第二中止点X3，第二中止点X3位于第一中止点X2的上方，活塞运动按以下步骤进行控制：

步骤A，排气门打开，进气门关闭，活塞在曲轴带动下自下止点X1向上运动至第一中止点X2，废气自排气口排出；

步骤B，当活塞到达第一中止点X2位置时，进气门打开，排气门关闭，高温高压助燃空气由进气门开始进入，活塞在曲轴带动下继续上行至第二中止点X3，活塞自第一中止点X2至第二中止点X3的运行过程为进气过程；

步骤C，当活塞到第二中止点X3位置时，排气门和进气门均关闭，活塞在曲轴带动下继续运行至上止点X4，对气缸及燃烧室内气体进行压缩；

步骤D, 当活塞到上止点X4位置时，排气门和进气门均处关闭状态，混合气体在燃烧室内燃烧对活塞做功，驱动活塞自上止点X4运行到下止点X1，并返还步骤A，循环进行。

以上控制过程中第一中止点X2和第二中止点X3的位置可以任意设定，只需满足步骤B中控制高温高压助燃空气源的气体压强大于等于活塞自第一中止点X2至第二中止点X3运行过程中活塞上方气体压强；步骤B中控制高温高压助燃空气的进气量略大于等于发动机单缸单次燃烧做功的需求量。因为通过以上两点的控制，当活塞到上止点X4位置时，燃烧室内气体质量与温度可以达到发动机燃烧做功所需的质量与温度范围内。

调整高温高压储气罐5中气体的温度与压强可以相对缩小本发动机工作步骤B的第一中止点X2至第二中止点X3间距离与步骤C的第二中止点X3至上止点X4间距离，以减小发动机在B、C两步骤中所做的功。

以上控制过程，燃料进入气缸，压缩自燃做功或点火燃烧做功等原有环节参照现行四冲程活塞发动机。所述的燃料为活塞式发动机所适用的各种燃料。

本实施例高温高压助燃空气的获得为图4所示的获得高温高压助燃空气的设备，包括高温高压蒸汽制造器2、储液输液箱20、涡轮增压器7、高温高压储气罐5、同压管15、第一输液管17、第二输液管23、高温高压空气输送管8、发动机进气支管6、废蒸汽输出管3、空气进气管9、冷凝器22、冷却液回流管21和蒸汽输送管10；高温高压蒸汽制造器2为设在发动机废气排气管1外面的板体或管体与发动机废气排气管外壁形成的密封腔体；同压管15和第二输液管23均联通所述高温高压蒸汽制造器2与储液输液箱20，同压管15上设有第一控制阀14，第二输液管23上设有第三控制阀24；第一输液管17联通发动机冷却系统19与储液输液箱20，第一输液管17上设有第二控制阀18；高温高压空气输送管8联通所述高温高压储气罐5与涡轮增压器7，高温高压空气输送管8上设有单向阀；高温高压储气罐5通过发动机进气支管6末端的各分管分别连通发动机各气缸进气门；空气进气管9连接涡轮增压器7的进气口，废蒸汽输出管3的一端连接涡轮增压器7的废蒸汽出口，另一端通过冷凝器22连接冷却液回流管21的一端，冷却液回流管21的另一端连通发动机冷却系统19；蒸汽输送管10通过设限压阀11联通高温高压蒸汽制造器2与涡轮增压器7。高温高压储气罐5上设有第一安全阀4，高温高压蒸汽制造器2上设有第二安全阀12。高温高压储气罐5设有温度传感器、压力传感器及保温与调温装置。

当储液输液箱20内缺液时，第二控制阀18打开，第一控制阀（14）与第三控制阀（24）关闭，发动机冷却系统19中高温冷却液注入储液输液箱20，当储液输液箱20中液体足量时，第二控制阀18关闭，第一控制阀14与第三控制阀24打开，高温液体流入高温高压蒸汽制造器2中，在发动机排气管1内高温废气的作用下迅速气化成高温高压蒸汽。在限压阀11作用下蒸汽积聚增压达一定压强后，限压阀11打开经蒸汽输送管10导出驱动涡轮增压器7的涡轮，带动同轴叶轮高速旋转。空气自空气进气管9吸入涡轮增压器7并增压，经装有单向阀的高温高压空气输送管8导入并存于高温高压储气罐5中。冲击涡轮后的废蒸汽，由废蒸汽输出管3导入冷凝器22，冷凝后回流至发动机冷却系统19中。发动机进气支管6末端各分管分别连通发动机各气缸进气门。

实施例2

本实施例提供另一种获得高温高压助燃空气的设备，本实施例的结构与实施例一相同，只是对一些部位的具体高度（垂直于地面的距离）进行了限定，具体为：同压管15具有位于高温高压蒸汽制造器2上的第一蒸汽流通口13和位于储液输液箱20上的第二蒸汽流通口16；垂直地面而言，第一蒸汽流通口13位于高温高压蒸汽制造器2内部空间的最高处，第二蒸汽流通口16位于储液输液箱20内部空间的最高处，高温高压蒸汽制造器2内部空间最高处高于储液输液箱20内部空间最高处，高温高压蒸汽制造器2内部空间最低处低于储液输液箱20内部空间最低处，发动机冷却系统19内部冷却液液面高于储液输液箱20内部空间最高处，以上最高处、最低处及冷却液液面均为垂直于地面的距离。这样设置当第二控制阀18关闭，第一控制阀14与第三控制阀24同时打开时，高温高压蒸汽制造器2与储液输液箱20两腔体内可保证同压，储液输液箱 20内高温液体实时输入高温高压蒸汽制器2，保证高温高压蒸汽制器2内液体不过量不缺量；当第二控制阀18打开，第一控制阀14与第三控制阀24同时关闭，发动机冷却系统19内高温液体可顺利流入储液输液箱20内。

实施例3

本实施例为一种活塞式发动机气缸活塞运动控制方法，控制过程与实施例一相同，本实施例的高温高压助燃空气的获得利用现有的涡轮增压器或机械增压器。高压空气输送管8连通涡轮增压器或机械增压器与高温高压空气储气罐5，然后通过进气支管6导入发动机各燃烧室，从而省略其他零部件。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (4)

1.获得高温高压助燃空气的设备，包括高温高压蒸汽制造器（2）、储液输液箱（20）、涡轮增压器（7）、高温高压储气罐（5）、同压管（15）、第一输液管（17）、第二输液管（23）、高温高压空气输送管（8）、发动机进气支管（6）、废蒸汽输出管（3）、空气进气管（9）、冷凝器（22）、冷却液回流管（21）和蒸汽输送管（10）；其特征在于：所述高温高压蒸汽制造器（2）为设在发动机废气排气管（1）外面的板体或管体与发动机废气排气管外壁形成的密封腔体；所述同压管（15）和第二输液管（23）均联通所述高温高压蒸汽制造器（2）与储液输液箱（20），所述同压管（15）上设有第一控制阀（14），所述第二输液管（23）上设有第三控制阀（24）；第一输液管（17）联通发动机冷却系统（19）与所述储液输液箱（20），所述第一输液管（17）上设有第二控制阀（18）；所述高温高压空气输送管（8）联通所述高温高压储气罐（5）与涡轮增压器（7），所述高温高压空气输送管（8）上设有单向阀；所述高温高压储气罐（5）通过发动机进气支管（6）末端的各分管分别连通发动机各气缸进气门；所述空气进气管（9）连接所述涡轮增压器（7）的进气口，所述废蒸汽输出管（3）的一端连接所述涡轮增压器（7）的废蒸汽出口，另一端通过所述冷凝器（22）连接所述冷却液回流管（21）的一端，所述冷却液回流管（21）的另一端连通发动机冷却系统（19）；所述蒸汽输送管（10）通过设限压阀（11）联通所述高温高压蒸汽制造器（2）与涡轮增压器（7）。

2.如权利要求1所述的获得高温高压助燃空气的设备，其特征在于：所述同压管（15）具有位于所述高温高压蒸汽制造器（2）上的第一蒸汽流通口（13）和位于所述储液输液箱（20）上的第二蒸汽流通口（16）；所述第一蒸汽流通口（13）位于所述高温高压蒸汽制造器（2）内部空间的最高处，所述第二蒸汽流通口（16）位于所述储液输液箱（20）内部空间的最高处，所述高温高压蒸汽制造器（2）内部空间最高处高于所述储液输液箱（20）内部空间最高处，所述高温高压蒸汽制造器（2）内部空间最低处低于所述储液输液箱（20）内部空间最低处，所述发动机冷却系统（19）内部冷却液液面高于所述储液输液箱（20）内部空间最高处，以上所述最高处、最低处及冷却液液面均为垂直于地面的距离。

3.如权利要求1或2所述的获得高温高压助燃空气的设备，其特征在于：所述高温高压储气罐（5）上设有第一安全阀（4），所述高温高压蒸汽制造器（2）上设有第二安全阀（12）。

4.如权利要求1或2所述的获得高温高压助燃空气的设备，其特征在于：所述高温高压储气罐（5）内设有温度传感器、压力传感器及保温与调温装置。

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