CN1030962A - 内燃机 - Google Patents

Abstract

一种催化点火式内燃机有一空气缸和一个燃料 控制缸，盖端用燃烧室连接，各有活塞按同一周期往 复运动。压缩冲程中汽油喷入燃料控制缸在空气中 气化，形成极浓燃/气混合气，而不能靠发动机中的 高压缩力自然。在压缩冲程中，将空气缸中的空气压 入燃烧室和从燃料缸进入燃烧室的燃/气混合物混 合。燃烧室的壁上有一个薄铂层，触发热/气混合物 的压燃。催化剂的连续点火造成混合物的完全燃 烧。由于催化剂可点燃火花不能点燃的稀燃/气混 合物，便可因完全燃烧和低废气污染而大大节约燃 料。

Description

本发明与内燃机有关。

本发明目的在于提出内燃机的一种改进形式。

因此，本发明提出了一种压燃式内燃机，其中至少有一对第一及第二气缸，它们的缸盖端用一个燃烧室连接，该第一缸用于接受一个充入量的空气，该第二缸是燃料控制缸，用于接受一个充入量的燃料;

该燃烧室中有一个催化点火装置;

第一及第二活塞，在各气缸内，分别作与该燃烧室靠近和运离的往复运动;

协助将该燃料控制缸供给的燃/气混合物，和该第一缸供给的空气，在该燃烧室中迅速混合的装置;

这种内燃机的该燃烧室的发火，与将该燃料充入量引入燃料管控制的定时无关连。

本文所用“空气之类”一词，包括氧和通常为惰性的气体的任何适当混合气，以及基本纯净的氧，用于和气态或液态（即汔化液态）燃料共同燃烧。可能含再循环的曲轴箱蒸汽，和存在于再循环曲轴箱蒸汽中的少量烃类物质。

作为举例，在下文中将进一步参照附图叙述本发明，附图中相同的部件用相同标号表示，内容如下：

图1为本发明直列式内燃机局部剖面的示意图;

图2为通过本发明理想实用形式的局部剖视图;

图3为沿图2中Ⅲ-Ⅲ的剖视图;

图4为图2中之发动机，示出活塞处于内死点（IDC）位置上;

图5为图2中之发动机，示出发动机燃烧室罐被拆卸;

图6为一种改进形式燃烧室的剖面侧视图，发动机圆柱形燃烧室同图2至图5;

图7为沿图6中Ⅶ-Ⅶ线的剖视图;

图8，9和10，11和12，13为与图6和7相似的视图，示出燃烧室罐的另一些改进的形式;

图14为本发明发动机另一实施方案的局部剖视图;

图15为沿图14中ⅩⅤ-ⅩⅤ线的剖视图，示出燃烧室罐的细节;

图16为沿图18中，ⅩⅥ-ⅩⅥ线的剖视图，示出用于图19发动机的燃烧室罐的另一实施方案;

图17为图16沿箭头A方向观察的燃烧室罐;

图18为沿图16中ⅩⅧ-ⅩⅧ线的剖视图;

图19为本发明内燃机的另一实施方案的局部剖视图;

图20为沿图19中ⅩⅩ-ⅩⅩ线的剖视图;

图21为沿图19中ⅩⅪ-ⅩⅪ线的剖视图;

图22为本发明内燃机另一实施方案的俯视示意图;

图23为沿图22中ⅩⅩⅢ-ⅩⅩⅢ线的局部剖视图;

图24为本发明三角型多缸内燃机的局部剖视图。

为便于参考，兹将图中使用的标号列表如下：

12大气缸

14小气缸

16大活塞

18小活塞

20燃烧室

22催化表面

24进气阀

25进气孔

26排气阀

27排气孔

28进气管

30排气管

32进气管节流阀

34燃料喷咀孔

36燃料喷咀

38小气缸端隔板表面

40隔板38上的孔

42大气缸端隔板表面

44隔板42上的孔

46可卸罐燃烧室

48可卸燃烧室罐46上用于插入白热塞或火花起动点火器的孔

50旋涡式燃烧室（圆筒双旋涡型）

52白热塞或火花起动点火器

54大曲柄轴

56小曲柄轴

58缸盖中装燃烧室罐46的空腔

60旋涡型燃烧室（圆筒单旋涡轴流型）

61旋涡型内燃机（球型或球体型）

62大气缸缸盖

64燃烧室内催化表面间隙

66大活塞上的压挤突块

68容纳活塞压挤突块的气缸盖凹槽

70压挤过程中槽68保持开放的部分

72两冲程发动机的进气孔

74两冲程发动机的排气孔

现参看附图，图1为表示本发明发动机10的示意图，其实用的举例见的以后各图。发动机10有一对或多对互相配合的气缸12，14，其中有相应的活塞16，18，气缸12，14的轴线在轴向上对正。气缸12，14的缸盖端用一个其中有一个燃烧室20的共同余隙容积连接。一个气缸12，即大气缸，有比另一气缸14大的工作容积，气缸12称为空气缸。小气缸14有较小的工作容积，被称为燃料控制缸。

两个气缸内的活塞和两根曲轴连接，两个曲轴机械连接，例如用传动皮带或传动链连接，大活塞16和发动机的大曲轴连接。或者，小活塞18可用一个摆臂装置和大活塞的曲轴相连，而不设第二个，即小曲轴。在发动机的理想形式中，两活塞作同相位连接，协同动作，也就是同时到达IDC（内死点）和ODC（外死点），但是发动机运轴时，小活塞18略比大活塞16滞后。最好当发动机转速增减时两活塞间设有相位变化，如果需要，也可将相位随转速变化而变化。多缸发动机中的大小曲轴是平行的。

空气缸12和进气管及排气管28，30的相应进气孔25及排气孔27连接。两孔的开闭最好由菌状气门之类的阀24，26控制，阀由凸轮或旋转套筒阀促动。虽然图1所示，两个孔的开口都在内死点，或接近内死点处，但在活塞运动时，活塞16本身可能将一个或两个孔关闭或开放，尤其当发动机的构造为按两冲程原理运转时。可以将一个或两个孔直接和燃烧室20接通。

燃烧室20有催化剂22形式的点火装置，最好形式为薄膜，覆盖燃烧室部分或全部的内壁。

理想燃料为挥发性液体，如汽油。如有选择可用无铅汽油，或无抗 爆剂汽油，即使发动机有高压缩比（如10-16）也可使用。也可将中度压力下的气态燃料喷入。

燃料通过燃料进口孔34，引入燃料控制气缸14。对挥发性液体燃料，诸如汽油，可以用一个低压燃料喷咀36，其位置适合将燃料排放入进口孔，喷咀可用电磁促动。最好将燃料进口孔放在缸壁上，尽量靠近活塞的外死点，以适应按需要量喷射燃料的要求，从而可以按理想接近吸气冲程的后期，和压缩冲程的前期喷射。这样可以在压缩冲程后期和膨胀冲程前期遇高压时，使活塞18挡住喷射36。喷射最好能将燃料雾化为小滴珠。在较小的气缸中可以将一个耐高压和高温的喷咀设置在靠近一个孔口的任何地方。

在燃料喷射过程中，将挥发燃料喷到引入燃料控制14的较小的一部分空气中，这部分空气和发动机吸入气缸12及14的空气的总量相比，比例较小。这样可使小气缸在全功率或高功率工况中，浓混合气的可燃性高于极限，并且，当将压缩比用于适当低的低辛烷燃料或无铅汽油时，避免压缩生热造成的过早点火。

和柴油机比较，喷油过程定时，不决定发动机发火定时。因此，便不需提前或延迟喷油过程开始的定时。

在压缩冲程中，小气缸14的空气中的雾化燃料气化时，从这空气中吸取热量，作为气化所需的潜热，这样，便将气缸14的燃气混合物的温度和压力降低，达到不存燃料的大气缸12中的空气的当时的压强以下。这样，在压缩冲程中，由于造成或增高两气缸之间的压差，便有助于空气从缸12向缸14转移。

在循环的吸气和压缩阶段中，燃料管理缸14的运转，使燃料和部分空气可以进入，气化，并初步混合，形成燃/气的浓气态混合物，然后送入燃烧室20。

在压缩冲程中，两个活塞16及18都将气体送入燃烧室20，就小缸14 而言，这发生于压缩冲程接近结束，这时空气停止从缸12向缸14转移。浓燃/气混合气进入燃烧室时，伴随由适当方法和装置造成的迅速混合，下文中进一步叙述。

催化发动机的点火是一个压燃过程且决定于发动机的设计，当两活塞靠近内死点时，将压缩的压缩力和温度峰值，提到适当的高度。由催化剂辅助点火。催化剂引发早期的化学反应，于是产生足够的热，以点燃其余的燃料。点火阶段中燃烧室里的涡旋活动持续，保证在一段时间内和催化剂有持久的接触，促进迅速完全燃烧。

和进口孔24接通的进口管28，和空气的运动一般无约束的关系，但进口管中可以有一限流或节流的装置，例如一个蝶阀32，以控制进入发动机的空气量。

如采用节流控制，则最好由安装在发动机控制系统中的适当的控制系统，进行自动控制。

发动机的设计，使之可以在循环的阶段中，当达到最高的压缩力和温度时，即到达内死点或接近内死点时，对混合气点火，并在此时，将混合良好的燃气混合体，向催化剂暴露。在某些情况下，例如在低速的全功率情况下，假如在某一发动机设计中点火太早，那么便可用蝶阀32，对空气的吸入略微节流，略降低内死点压力和温度的峰值，延迟点火定时。

发动机最少要求有一个进气阀，一个排气阀，最好设在空气缸侧;一个喷油孔，进气阀和排气阀和大气缸12直接相连，喷油孔34使燃料可直接喷入小气缸14。

燃烧室20基本占据发动机的全部余隙容积，也就是当两活塞最接近时的最小容积。催化剂22可以用铂，钯或铑，或铂铑合金，形式为金属网，或沉积在金属载体表面上，载体诸如形成燃烧室壁的高温钢或陶瓷衬，催化剂有在低于其他可能的温度下触发氧化过程的性能，以触发适 用于发动机的迅速化学反应，并且燃/气质量比为特别稀的比率，超出了可用自燃点火的限度。

适用于发动机的、可由催化剂迅速触发化学反应所要求的温度通过在发动机中压缩燃气而取得，并且当燃气的体积接近最小时，有最高的温度。循环中的点火定时利用这原则设定，因为催化剂可在正确温度下，极迅速触发化学反应。因而发动机在催化剂协助下压缩点火。

最好将催化剂在燃烧室的壁上，或壁的一部分上沉积，以尽量减少其热容量。

发动机的运转效率，取决于下述过程;由活塞18向燃烧室供给浓燃/气混合物与由活塞16供给燃烧室的空气混合，否则，催化剂对化学反应的触发，还是只能局限于浓混合气。于是燃/气混合物就可能缺氧而燃烧不完全。

发动机有装置，保证在接近内死点时，燃烧室20里的空气和燃料混合相当充分，以促进火焰在发生点火的催化剂表面向前的活动。

有一个隔板表面38，放在小活塞18的内死点位置的附近。设孔40，以提高燃/气初级混合体进入燃烧室20的速度，将燃/气初级混合体分布，提高混合体和燃烧室中室气温合的均匀性。

图2至7示出本发明内燃机的一个实用的实施方案，气缸12，14的轴线互相垂直。可以看到燃烧室50为大致的圆筒形，但任何其他的适当形状，使燃气能够旋转即可使用。燃烧室的纵向轴线基本和气缸12及14的轴线垂直，虽然也可以采用其他的适当的定向。燃烧室本身放在一个可拆卸的罐46内，以便于将燃烧室拆卸或更换，从而在有需要时（例如作更新或清洁时）可以更换催化剂22。

一个促使燃烧室20中有非常迅速的混合的方法，是使燃烧室为圆筒形，球形或球体形，并通过一个孔将大气缸的空气引入燃烧室，孔的位置可使燃烧室中的空气有急速的旋转或涡流的运动。燃/气混合体可以 按相同的方式即切向，（例如图8所示）或径向（例如图6所示）或轴向（例如图16）从小气缸14进入燃烧室，使混合最好和最迅速，同时避免过早点火。

从图2，4和5至7可见，燃烧室50有一个进口孔44，在切向上开口通入燃烧室50。孔将大气缸12中的空气送入燃烧室，有切向分速，使空气按涡流型运动高速旋转，造成燃烧室中的涡流，协助混合从燃料控制缸14，通过孔40进入燃烧室的燃/气混合体。

燃烧室罐46还设有一个孔48，供插入白热塞52或火花塞或其他适当的点火器，在发动机发动时使用。

图8及9和10及11表示燃烧室50的其他混合装置，其中气缸14的燃/气混合气和气缸12中的空气都向圆筒形燃烧室供给，并有燃烧室切向的分速。

图12及13表示与图6及7相似的燃烧室，但燃烧室61为球形。

在图14及15中，将空气缸12的空气，通过孔44切向引入圆筒形燃烧室60，造成燃烧室中的涡流。小气缸的初级燃/气混合体通过隔板表面38上的孔40，轴向进入燃烧室，隔板表面38引导混合体，使之和旋转空气作最完善的混合。

图16至18表示燃烧室罐46的另一形式，其隔板表面形成燃烧室罐的端壁，上面有弧形孔40围成圆形。

图19至21表示本发明内燃机的另一实施方案，方案中利用挤气原理促进进一步混合的过程。

图2至21的布置的一个重要优点，是将现有的缸体，仅通过将缸盖改换催化发动机缸盖，即转变为催化发动机的结构。

图22及23为本发明内燃机的另一实施方案。图22为俯视图，表示两对气缸12，14的一种布置，使全部气缸共用一个曲轴54。

图24表示一种三角型多缸布置，适用于重型货车。图示的布置按两 冲程原理运转。三角型的每一边有直列的大小气缸12，14，加压空气通过进口孔72引入，废气通过排气孔74排出，排气孔由活塞14，16按通常方法开放。

本发明的理想形式有下列优点：

1.利用高压缩比。

2.使用低烷无铅汽油。

3.可燃烧稀混合气。

4.喷油系统简单。

5.无火花电器。

6.高转速。

7.燃烧迅速，高功率输出。

8.四冲程或二冲程循环都可用。

9.燃烧室可拆卸作催化剂保养。

10.省略排气污染控制。

11.现有发动机可以改换缸盖。

虽然对本发明的叙述和图示涉及的是用催化剂点火，但也可以用火花点火器或热表面点火器，诸如插在孔48中的火花塞或白热塞52（见图4），或用热陶瓷表面。前面关于理想实施方案的叙述，也同样适用于火花点火和热表面点火器件。热陶瓷表面可放在燃烧室内，作燃烧室的部分或全部表面，和上面关于催化剂所作叙述相同。

熟悉本技术领域的人可以理解，上述关于发动机任何实施方案的特点，都可应用于任何其它上述的实施方案。

Claims (14)

1、一种内燃机，至少有一对第一及第二气缸，缸盖端用一个燃烧室连接，该第一缸用于接受一个充入量的空气，该第二缸是燃料控制缸，用于接受一个充入量的燃料；

点火装置在该燃烧室内；

第一及第二活塞在各该气缸内，分别作与该燃烧室靠近和运离的往复运动；

有协助将该燃料控制缸供给的燃/气混合物和该第一缸供给的空气，在该燃烧室中迅速混合的装置；

该燃烧室的燃烧发火，与将该燃料充入量引入燃料控制缸的定时无关。

2、如权利要求1中所述之内燃机，其特征为该燃料控制缸可将该燃/气混合物，以大致为燃气流，送入该燃烧室。

3、如权利要求1或2中所述之内燃机，其特征为燃烧室有一个内壁，围绕至少一条轴线，为基本连贯的弧形。

4、如权利要求3中所述之内燃机，其特征为该燃烧室有一个截面，基本为圆形或椭圆形。

5、如权利要求1至4中任何一项所述之内燃机，其特征为该混合装置可运转，至少将该空气的一个气流，按预定的角度引入该燃烧室，给予燃烧室中的该气流一个涡旋运动。

6、如权利要求5中所述内燃机，其特征为该混合装置可运转，将该燃/气混合物基本沿燃烧室的一条轴线，送入燃烧室。

7、如权利要求5中所述之内燃机，其特征为该混合装置可运转，将该燃/气混合物径向送入燃烧室。

8、如权利要求5至7中任何一项所述之内燃机，其特征为该混合装置可运转，将该空气和燃/气混合物作为流向互相相反的气流，送入该燃烧室。

9、如权利要求5中所述之内燃机，其特征为该混合装置可运转，将该空气和该燃/气/混合物作为基本向同方向旋转的气流，送入该燃烧室。

10、如权利要求1至9中任何一项所述之内燃机，其特征为该混合装置有分别的孔，按预定的与燃烧室倾斜的角度，与燃烧室接通，将空气和燃/气混合物从各该气缸，分别引入该燃烧室。

11、如权利要求1至10中任何一项所述之内燃机，其特征为该第二缸有在该气缸的一个侧壁上形成的燃料进口孔，并有燃料喷射装置通过该孔喷射燃料，并且该孔和该第二活塞的外死点位置有一个距离，距离大小为使内燃机要求的最大燃料喷射时间，至少等于该活塞将孔开放的时间。

12、如权利要求1至11中任何一项所述之内燃机，其特征为该活塞可往复活动，而该第一缸仅接受一个充入量的空气。

13、如前述任何一项权利要求中所述之压燃式发动机，其特征为该点火装置是一个催化剂点火装置。

14、如权利要求1至13中任何一项所述之压燃式发动机，其特征为该催化剂点火装置是在该燃烧室壁上形成的催化剂。

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