CN103748336A - 具有内部废气能量回收装置的往复活塞式内燃机的工作方法及往复活塞式内燃机 - Google Patents

Abstract

具有内部废气能量回收装置的往复活塞式内燃机的工作方法，新鲜充量通过从周围绕过气缸头换热器（42）而流入气缸（10）的动力室（16）内。在之前的排气冲程中气缸头换热器被废气渗透并被加热。在压缩冲程期间，气缸头换热器（42）从气缸头内形成的凹陷（40）内移出，从而已压缩的新鲜充量可通过从周围绕过气缸头换热器而流至凹陷内。在压缩冲程接近结束时，气缸头换热器移回至凹陷内，使得位于凹陷内的已压缩新鲜充量流过热的气缸头换热器，从而在紧接点火前被加热。

Description

具有内部废气能量回收装置的往复活塞式内燃机的工作方法及往复活塞式内燃机

技术领域

本发明涉及一种具有内部废气能量回收装置的往复活塞式内燃机的工作方法。本发明进一步涉及一种具有内部废气能量回收装置的往复活塞式内燃机。

背景技术

从US4790284中已知一种具有内部废气能量回收装置的往复活塞式内燃机，在该内燃机中，整体式的板状换热器可在内燃机气缸内的气缸头与每个相对应的活塞之间往复移动。该换热器填充气缸的整个横截面，并通过以密封方式穿过气缸头的轴而可移动。只有通过穿过换热器流动，位于气缸内的流体才可从换热器上方的空间移动至换热器下方的空间内。在进气冲程期间，换热器与活塞的上侧面邻接，然后在活塞从上止点移动至下止点的过程中跟着活塞一起移动。在压缩冲程的第一阶段，活塞从下止点朝上止点移动时，换热器继续与活塞一起移动并同时与活塞的上侧面邻接，在活塞到达其上止点前，换热器明显地远离活塞而移动并与气缸头邻接。结果是，气缸内流过换热器的充量被换热器加热。然后，燃料喷入已加热的充量内，并通过自燃而燃烧，从而使活塞移动至其下止点，在这个过程中，换热器保持与气缸头邻接。在活塞到达其下止点，然后朝上止点移动以排出充量时，换热器朝活塞移动，使得燃烧过的充量穿过换热器而流动，并加热换热器。然后，换热器与活塞一起移动至活塞的上止点，使得位于换热器与气缸头之间的充量通过开启的排气阀而排出。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有内部废气能量回收装置的往复活塞式内燃机的工作方法，并提供一种内燃机，其利用简单的流通能力和/或简单的构造而在提高效率的情况下工作。

本发明目的中涉及方法的一部分通过权利要求1的特征而达到。

从属权利要求2至5涉及本发明方法的优选实施例。

权利要求6表示了一种内燃机的构造，以达到本发明该方面的目的。

利用权利要求7-10的特征，本发明内燃机以优选的方式进一步改进。

根据本发明的一个方面，气缸头换热器不完全填充气缸的横截面，使得当换热器位于其上止点时，进气阀可开启，新鲜充量从气缸头换热器邻近流至气缸内。在压缩冲程期间，气缸头换热器从其上止点移动至其冲程的下止点，该冲程小于活塞的冲程，并在压缩冲程结束时，气缸头换热器移回至其上止点。在排气冲程期间，排气阀开启，气缸头换热器从其上止点移开，并随着排气阀的关闭，气缸头换热器移回其上止点。尽管与活塞的冲程相比，气缸头换热器的冲程较小，但在利用废气内包含的热能方面，可获得较高的效率。

附图说明

下面将以示例的方式参照附图及进一步详述对本发明予以解释。

图1至图5示出了往复活塞式内燃机的一个气缸的截面图，按顺序对应于4冲程循环中的各阶段。

图1：进气阶段（流入阶段）.

图2：压缩阶段

图3：充量的点火

图4：膨胀阶段

图5：排气阶段

图6示出了气缸头换热器的立体示意图。

具体实施方式

在图1至图5中，仅图1和图2全面地标记了标号。在随后的图3至图5中，为清楚起见，仅特别提到的那些元件标记了标号。

参照图1和图2，往复活塞式内燃机包括至少一个气缸10，活塞12可在气缸内向上及向下移动。活塞12以已知方式通过活塞杆13与曲柄组件连接，其中活塞的线性往复运动转化为曲轴的旋转运动。

气缸10的上方由前壁14封闭，而前壁由气缸头形成，且在气缸头内形成有引入气缸10的动力室16的进气通道18和从动力室16引出的排气通道20。

在进气通道18通往动力室16的进气开口内，进气阀22在进气凸轮24的促动下工作。在排气通道20起始于动力室16的排气开口内，排气阀26在排气凸轮28的促动下工作。

在直接喷射燃料的内燃机构造中，燃料通过设置在前壁14内的喷嘴30喷入动力室16内。

上述的布置为已知的，因此不再进一步详述。

在前壁14的与动力室16接界的一侧，形成有空穴和/或凹陷40，与前壁上形成有进气开口的区域相比，在凹陷处，前壁与动力室16接界的前侧面距离活塞12更远。整体式的板状气缸头换热器42可放置在凹陷40内，使得至少基本充满凹陷40的气缸头换热器42，至少基本与关闭状态的排气阀26邻接，并至少与前壁14的内侧区域平齐地延伸，其中进气开口设置在该区域内。因此，当气缸头换热器位于其最上方位置（换热器上止点）时，关闭状态的进气阀22、进气开口周围的前壁14区域、及气缸头换热器42面朝动力室16的侧面，优选地形成了动力室16的平坦的边界表面。

气缸头换热器42由可承受高温的材料制成，且具有平行于气缸轴而延伸的小细孔形成的通路（图6）。

气缸头换热器42与轴44刚性连接，轴以密封的方式穿过前壁14和/或气缸头而被引导，并通过换热器凸轮46促动，该凸轮具有彼此基本相对设置的两个凸轮凸部。凸轮24、26、28可以已知方式形成在共同的凸轮轴上，凸轮轴由未示出的内燃机曲轴驱动。

气缸头换热器42具有孔，使得喷嘴30可穿过气缸头换热器而突出至动力室16内。

活塞12包括横截面整体上呈ω形的燃烧室54。

图6示出了气缸头换热器42示例的立体示意图。气缸头换热器42由可承受高温的材料如金属或陶瓷并包含孔70的板而制成，喷嘴30（图1）穿过该孔而喷射燃料至燃烧室54内（图3）。板状的气缸头换热器42形成有复数个如细孔等的通路72，使得气体可沿横穿板延伸的方向渗透，且气缸头换热器吸收包含在气体内的热能和/或把其内贮存的热能传递至气体。气缸头换热器42与轴44刚性连接，或与轴44形成为一体的，轴可被换热器凸轮46促动。在示出的示例中，气缸头换热器42的形状为长方形的，该形状是可改变的。优选地，气缸头换热器42形成为，使得其外周边与凹陷40（图2）的内周边一致，并使得其完全覆盖排气阀26，而未覆盖进气阀22，且基本覆盖燃烧室54（图2）。

已描述布置的功能如下：

参照图1，在进气（吸气式发动机）或增压进气（增压式发动机）期间，当进气阀22开启且排气阀26关闭时，气缸头换热器42完全位于前壁14的凹陷40内，优选地其顶面与前壁14及排气阀26的底面邻接。因此，新鲜充量或新鲜空气完全绕过气缸头换热器42或在气缸头换热器42附近，流入动力室16内，从而新鲜充量或填充物几乎不受气缸头换热器42的影响。

参照图1，气缸头换热器的位置为其最高的抬高位置，在下文中将称为换热器上止点。

在进气冲程结束后且排气阀22关闭、活塞12从其下止点朝上止点移动以压缩吸入的冲量时，通过换热器凸轮16的凸轮凸部，气缸头换热器42从其换热器上止点移动至换热器下止点。气缸头换热器42的冲程优选地比凹陷40的深度大些，从而气缸头换热器42可移出凹陷40且新鲜充量从周围绕过气缸头换热器42而进入凹陷40内。从图中可知清晰地看出，气缸头换热器42的换热器上止点与换热器下止点之间的冲程远小于活塞的上止点与下止点之间的冲程。

当活塞12移动至其上止点时，气缸头换热器42移回至凹陷40内。结果是，活塞12优选地至少基本邻接气缸头换热器42，从而已压缩的新鲜充量穿过气缸头换热器42而从凹陷40内挤出，并进入燃烧室54内。

在活塞的上止点处，即活塞到达对应于图3的位置，通过位于其换热器上止点的气缸头换热器42，燃烧室54至少被基本关闭。在紧接着到达此位置前或在此位置时，如柴油燃料等的燃料，从喷嘴30喷入燃烧室54内并自点火，从而做功或膨胀循环开始，在此期间气缸头换热器42保持在其换热器上止点（图4）。

在随后的排气循环中，排气阀20开启，在此期间活塞12从其下止点移动至上止点，在排气阀的开启动作开始前，气缸头换热器42首先从其换热器上止点移出，且至少在排气循环结束前完全移出凹陷40。气缸头换热器42的移动冲程优选地比排气阀的开启冲程大些。在排气冲程结束时，活塞到达其上止点，与排气阀26的关闭一致，气缸头换热器移回至其换热器上止点。

在图示的移动序列过程中，发生下面的热传递：

在活塞12已从其下止点移动后，从排气开始至活塞离开下止点后约60°时，气缸头换热器42并没有完全移出凹陷40，从而气缸头换热器42的与轴平行的外边缘、与凹陷40的与轴平行的内周壁一起，形成具有较小开口截面的环形间隙，使得最初非常热的燃烧气体穿过气缸头换热器42并通过开启的排气阀而进入排气通道20内。随着活塞12进一步朝上止点移动，通过换热器凸轮46，气缸头换热器42完全移出凹陷40，使得现在较冷的燃烧过的气体从周围绕过气缸头换热器42而至排气通道20内。以这种方式，在排气冲程期间，气缸头换热器42被排出的气体强烈加热。根据内燃机的工作条件，如增压或未增压，在活塞位于下止点时或例如在下止点后120°时，气缸头换热器42可已完全移出凹陷。

在压缩冲程（图2）接近结束时，已完全移出凹陷40的气缸头换热器42移回至凹陷40内，位于凹陷40的新鲜充量，这些新鲜充量是通过从周围绕过气缸头换热器42而流至凹陷40内的，穿过热的气缸头换热器流出，结果是，新鲜充量吸收废气贮存在热的气缸头换热器42内的热能。以这种方式，位于燃烧室54内的已压缩的新鲜充量在紧接点火前被强烈加热，从而内燃机的效率显著提高，因为在紧接燃烧前，压缩过程结束温度被热回收装置提升。

优选地，气缸头换热器42可完全移出凹陷40，使得凹陷40的内周壁与气缸头换热器42的外周，可以轴平行的方式互补地形成，且只要气缸头换热器至少部分地位于凹陷40内时，气体流动必然基本穿过气缸头换热器42而产生。

从上述描述可清楚地了解，气缸头换热器42在压缩冲程中相对凹陷40的移动可与在排气冲程中的移动不同，从而气缸头换热器42的两个凸轮凸部可不同。

参照图2，气缸头换热器42相对燃烧室54的布置可优选地为，使得在压缩冲程结束时，位于进气阀22下面的已压缩冲量通过气缸头换热器42与活塞52之间的间隙而移至燃烧室54内。优选地，总体上，在活塞的上止点位置（图3），通过气缸头换热器42尽可能地使燃烧室54完全关闭。

示例描述的布置可以各种方式改进。例如，燃烧室54的壁可相对于活塞12热绝缘。

如果内燃机构造为奥托（Otto）发动机，可附加设置火花塞。另外，混合物的形成可在外部进行，从而喷嘴30可被火花塞代替。

标号清单

10       气缸

12       活塞

13        活塞杆

14         前壁

16        动力室

18       进气通道

20        排气通道

22       进气阀

24       进气凸轮

26       排气阀

28       排气凸轮

30         喷嘴

40        凹陷

42       气缸头换热器

44       轴

46       换热器凸轮

70        孔

Claims (10)

1.具有内部废气能量回收装置的往复活塞式内燃机的工作方法，其中在气缸（10）内，由活塞（10）和前壁（14）划分出一动力室（16），所述活塞可沿所述气缸的轴向往复移动，所述前壁设置有至少一个进气阀（22）和至少一个排气阀（26），在所述动力室（16）内，气缸头换热器（42）可沿所述气缸的轴向往复移动，且只覆盖所述动力室的横截面上没有被所述进气阀覆盖的部分，所述方法包括下面的步骤：

通过所述活塞（12）从其上止点移动至其下止点而吸入新鲜充量，此时所述进气阀（22）开启而所述排气阀（26）关闭，其中在进气期间，所述气缸头换热器（42）位于其换热器上止点，使得新鲜充量通过从周围绕过所述气缸头换热器而流入所述动力室（16）内，

通过所述活塞（12）从所述下止点移动至所述上止点而压缩吸入的充量，此时所述进气阀（22）关闭且所述排气阀（26）也关闭，其中在压缩过程中所述气缸头换热器（42）从其换热器上止点移动至其换热器下止点，形成在所述换热器上止点与所述换热器下止点之间的冲程小于所述活塞在所述上止点与所述下止点之间的冲程，在压缩过程结束时，所述气缸头换热器移回至其换热器上止点，

燃烧已压缩的新鲜充量，此时所述进气阀（22）和所述排气阀（26）都关闭，且所述活塞从所述上止点移动至所述下止点，其中所述气缸头换热器（42）保持在所述换热器上止点，及

通过所述活塞（12）从所述下止点至所述上止点的移动，排出燃烧过的充量，此时所述排气阀（22）开启而所述进气阀（22）关闭，其中所述气缸头换热器（42）从其换热器上止点随着所述排气阀的开启而一起移动，当排气过程结束而所述排气阀关闭时，所述气缸头换热器随着所述排气阀的关闭移回至所述换热器上止点。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述气缸头换热器在其换热器上止点位置时，至少基本邻接所述前壁（14）及关闭状态的所述排气阀（26），并放置在所述气缸（10）的前壁（14）的凹陷（40）内，所述凹陷的深度小于所述气缸头换热器（42）在所述换热器上止点与所述换热器下止点之间的冲程。

3.根据权利要求2所述的方法，其中当所述气缸头换热器移出所述凹陷时，所述气缸头换热器（42）与所述凹陷（40）之间的空间通过形成在所述气缸头换热器外的通道而与所述动力室（16）连接。

4.根据权利要求2或3所述的方法，其中至少在燃烧后充量的排出过程结束之前，所述气缸头换热器（42）完全移出所述凹陷。

5.根据权利要求2至4任一项所述的方法，其中在所述压缩冲程结束时，所述气缸头换热器（42）移回至所述凹陷内，使得位于所述凹陷与所述气缸头换热器之间的空间内的已压缩充量，在紧接着的充量点火之前，首先穿过所述气缸头换热器而流至形成在所述活塞与所述气缸头换热器之间的燃烧室内。

6.具有内部废气能量回收装置的往复活塞式内燃机，包括气缸（10），在所述气缸内，由往复移动的活塞（10）和前壁（14）划分出一动力室（16），其中所述前壁内设置有至少一个进气阀（22）和至少一个排气阀（26），

气缸头换热器（42），在所述活塞与所述前壁之间可往复移动，所述气缸头换热器只覆盖所述动力室没有被所述进气阀覆盖的横截面部分，且流体可沿所述气缸头换热器的可移动方向渗透，及

促动装置（24、28、44、46），用于协调所述活塞、所述阀及所述气缸头换热器（42）相对彼此的运动，使得可执行包括下面步骤的方法：

通过所述活塞（12）从其上止点移动至其下止点而吸入新鲜充量，此时所述进气阀（22）开启而所述排气阀（26）关闭，其中在进气过程中，所述气缸头换热器（42）位于其换热器上止点，使得新鲜充量通过从周围绕过所述气缸头换热器而流入所述动力室（16）内，

通过所述活塞（12）从所述下止点移动至所述上止点而压缩吸入的充量，此时所述进气阀（22）关闭且所述排气阀（26）也关闭，其中在压缩过程中所述气缸头换热器（42）从其换热器上止点移动至其换热器下止点，形成在所述换热器上止点与所述换热器下止点之间的冲程小于所述活塞在所述上止点与所述下止点之间的冲程，在压缩过程结束时，所述气缸头换热器移回至其换热器上止点，

燃烧已压缩的新鲜充量，此时所述进气阀（22）和所述排气阀（26）都关闭，且所述活塞从所述上止点移动至所述下止点，其中所述气缸头换热器（42）保持在所述换热器上止点，及

通过所述活塞（12）从所述下止点至所述上止点的移动，排出燃烧过的充量，此时所述排气阀（22）开启而所述进气阀（22）关闭，其中所述气缸头换热器（42）从其换热器上止点随着所述排气阀的开启而一起移动，当排气过程结束而所述排气阀关闭时，所述气缸头换热器随着所述排气阀的关闭移回至所述换热器上止点。

7.根据权利要求6所述的往复活塞式内燃机，其中在设置所述至少一个排气阀(26)的区域，所述气缸的前壁（14）以远离所述活塞(12)的方向偏移，从而形成凹陷（40），其中所述气缸头换热器（42）在其换热器上止点时放置在所述凹陷内。

8.根据权利要求6或7所述的往复活塞式内燃机，其中喷嘴（30）设置在所述前壁（14）内，所述喷嘴穿过形成在所述气缸头换热器(42)内的孔而喷射燃料至所述动力室(16)内。

9.根据权利要求6至8任一项所述的往复活塞式内燃机，其中所述气缸头换热器(42)与至少一个轴（44）刚性连接，该轴以密封的方式穿过所述前壁（14）而被可移动地引导。

10.  根据权利要求9所述的往复活塞式内燃机，其中所述轴(44)由凸轮（46）促动。

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