CN103925082A - 二级压缩内燃机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及的“二级压缩内燃机”是在传统活塞式内燃机的基础上，将压缩过程由一级压缩改变成二级压缩，并结合压缩中冷等措施，使内燃机(尤其是汽油型内燃机)的压缩比得到显著提高，从而提高发动机的热能利用效率。

Description

二级压缩内燃机

一、技术领域

本发明涉及的“二级压缩活塞式内燃机”属于交通机械(含各类汽车、摩托车等)发动机领域。 

二、背景技术

本发明涉及的二级压缩活塞式内燃机(以下简称二级压缩内燃机)是一种与传统活塞式内燃机类似的动力机械。它与传统内燃机的主要区别是：其压缩过程采用二级压缩。本发明通过将内燃机的压缩过程由传统的一级压缩变成二级压缩，并结合压缩中冷等措施，使内燃机(尤其是汽油型内燃机)的压缩比得到显著提高，从而提高了热能利用效率。 

三、发明内容

1、本发明涉及的二级压缩活塞式内燃机(以下简称二级压缩内燃机)是一种类似于传统活塞式内燃机的动力机械，它区别于传统活塞式内燃机的核心特征为：空气压缩过程采用二级压缩，空气膨胀过程为一级膨胀，(不含吸气增压及废气经过涡轮膨胀等部分)。 

2、该二级压缩内燃机可用于大多数需要将燃料的热能转化为机械能的场合，如用于驱动各类车辆、船舶、发电设备、压缩机、油泵、水泵、及各类工程机械等。 

3、该二级压缩内燃机可实现以下功能： 

(1)通过“吸气→压缩→吸热膨胀做功→排气”的往复循环，消耗热能获得机械能； 

(2)消耗少量燃料空转的功能(即怠速功能)； 

(3)停机功能； 

(4)停机后再次启动功能； 

(5)随时起停功能； 

该二级压缩内燃机的功能可为以上(1)～(5)项功能的部分或全部。 

4、该二级压缩内燃机的燃料可为汽油、柴油、石油液化气、天燃气、氢气、醇类等，可采用混合燃料，可利用废气余热。 

5、该二级压缩内燃机可通过吸气增压(机械增压或废气涡轮增压)提高工作效率。 

四、附图说明

图1为该二级压缩内燃机以最少的气缸个数(2个)实现时的空气循环原理。图中各编 号对应的组件名称如下： 

1——一级压缩气缸及活塞 

2——二级压缩气缸及活塞 

3——节气阀(可选) 

4——一级压缩吸气门 

5——一级压缩排气门 

6——压缩级间冷却器(可选) 

7——中冷转换(比例)阀(可选) 

8——二级压缩吸气门 

9——二级压缩排气门 

10——废气余热利用热交换器(可选) 

11——冷、热分配混气阀(可选) 

12、14——膨胀过程吸气门 

13、15——膨胀过程排气门 

16——气瓶(可选) 

17——气瓶充、放控制阀门(可选) 

18——充气阀(可选) 

19——限压阀(可选) 

20——储气冷却器(可选) 

图1中，各气门之间的气路管道兼有储气功能，若有需要，可在管路中的适当部位增加储气设备。 

五、具体实施方式

1、二级压缩内燃机的组成 

本发明所述的二级压缩内燃机主要由以下部分组成： 

(1)机体 

(2)气缸、活塞组(至少有两个气缸，当只有两个气缸时，承担一级压缩任务的气缸排量需大于承担二级压缩任务的气缸排量)； 

(3)气缸、活塞、曲轴、连杆组成的曲柄连杆机构； 

(4)吸气→压缩气路——从外界吸入空气，经二级压缩后提高空气压强的路径(图1中，气路实线部分为吸气→压缩气路，含进气空滤、节气阀3、气门4、5、8、9、冷却器 6、中冷转换气阀7等) 

(5)膨胀→排气气路-高压空气经过气缸膨胀后被排向自然界的路径(图1中，气路虚线部分为膨胀→排气气路，含气门12、13、14、15、以及连接各气门间的管路等)； 

(6)供油(气)燃烧系统——提供燃料燃烧使高压空气温度升高的系统； 

(7)配气调节系统——调节内燃机吸气量的系统； 

(8)余热利用系统(可选)——利用废气余热对高压空气提供热能的系统(根据废气余热利用价值选用)； 

(9)气瓶(可选)——用于储存压缩空气； 

2、二级压缩内燃机各种功能的简称定义 

为便于描述简洁，先对该二级压缩内燃机各种功能简称定义如下： 

功能一：正常运行输出动力(消耗燃料，输出机械能) 

功能二：怠速功能(即消耗少量燃料维持低速运转) 

功能三：停机功能 

功能四：停机后再次启动功能 

功能五：随时起停功能 

该二级压缩内燃机可全部实现以上功能，也可根据需要选择实现其中一部分功能。 

3、二级压缩内燃机各种功能的实现途径 

下面，结合图1，说明以最少的气缸数(2个不同排量的气缸)、采用汽油为燃料的二级压缩内燃机的各种功能的实现途径及对应的工作原理。 

(一)功能一的实现 

功能一：正常运行输出动力(消耗燃料，输出机械能)。 

该二级压缩内燃机按功能一工作时，它通过“吸气→压缩→吸热升温→膨胀做功→排气”的往复循环对外做功，结合图1，对功能一各个环节的说明如下： 

①、吸气： 

进气(空气过滤)→节气阀3(可选)→一级压缩活塞在上止点位置，气门4打开，活塞下行吸入空气，活塞运行到下止点位置，气门4关闭，吸气完成。 

②、压缩： 

该二级压缩内燃机的压缩过程为二级压缩，大、小气缸分别承担一级、二级压缩任务；压缩过程可细分为“一级压缩→中冷(可选)→二级吸气→二级压缩”几个环节： 

一级压缩：一级压缩活塞从下止点上行开始压缩空气，当缸内压强大于气门5外的压强时，气门5打开，活塞继续上行，压缩空气从一级气缸排出，一级压缩结束； 

中冷(可选)：经过一级压缩后，气体温度升高，此时可视需要对气体采取中冷、非中冷、或部分中冷措施；若进行中冷，则中冷转换(比例)阀7接通冷却气路，关闭非冷却旁路，空气流经冷却器6进行冷却；若不中冷，气阀7接通非冷却旁路，关闭冷却气路，空气从非冷却旁路进入下一级压缩；若部分进行中冷、部分不进行中冷，通过转换(比例)阀7调节中冷与非中冷的空气比例。高、低压气缸间的气路可采取单一冷却气路，此时只保留冷却器6，转换气阀7与非中冷旁路被取消；也可采取单一非中冷气路，此时冷却器6、气阀7被取消，压缩气路的气门5、气门8之间用管路联通即可。 

二级吸气：二级活塞在上止点位置，气门8打开，活塞下行吸入空气，活塞运行到下止点位置，气门8关闭 

二级压缩：二级活塞从下止点上行对空气进行压缩，当缸内压强大于气门9外的压强时，气门9打开，活塞继续上行，高压空气被排出气缸进入高压气路，活塞运行到上止点，二级压缩结束，气门9关闭。 

③、吸热升温、膨胀做功 

空气压缩完毕后进入吸热升温(供油燃烧)过程。该二级压缩内燃机的膨胀过程为一级膨胀，两个气缸在膨胀过程中的工作方式相同(相位可不同)。 

图1所示的原理图中，可在压缩终端的高压气路上喷射汽油(喷油点可设在吸气门12、14之前的适当位置)，喷油后汽油与空气混合；大、小活塞位于上止点位置时，吸气门14、12打开、活塞下行吸入一定高压混合油气，气门关闭，然后火花塞点火爆发，空气温度及压强迅速升高，其体积膨胀推动活塞下行，活塞运行到下止点，膨胀过程结束。 

该二级压缩内燃机的燃油供给方式可采用缸外喷油与空气混合，或采用缸内直喷，或两种方式并行；高压空气从气门9到气门12、14之间的管路中，可视情况对废气余热进行选择性利用。 

④、排气 

空气膨胀做功结束后，大、小活塞到达下止点，打开对应气缸排气门15、13，活塞上行排气；活塞到达上止点时，排气结束，排气门关闭，完成一个工作循环。 

该二级压缩内燃机工作时，各活塞上下2次(对应曲轴旋转2周)完成一个工作循环。 

(二)功能二的实现 

功能二：怠速功能(即消耗少量燃料维持低速运转) 

该二级压缩内燃机消耗少量燃料空转时的工作状态与功能一相同，差别仅是将供油量和 节气阀3开度置于维持内燃机运转所需的最低状态(或只减少供油量)，使空气动力循环做功仅能维持发动机运转即可。 

(三)功能三、功能四的实现 

功能三：停机功能 

功能四：停机后再次启动功能 

该二级压缩内燃机需要停机时，停止对发动机供油，发动机在摩擦、缸内气压等作用下减速，就可以实现停机。 

该二级压缩内燃机的停机启动可通过多种方式实现，可利用压缩空气启动，或采用一般内燃机常用的外力驱动——如可采用启动电机驱动(当内燃机设置电机等外力启动设备时，图1中编号16～19的组件可取消)。 

利用压缩空气启动内燃机时，需要设置储存压缩空气的气瓶，同时还须保证内燃机停机相位固定在一定范围(可通过停机装置实现)，需启动时气瓶向特定气缸提供高压空气使其启动。以图1为例，通过停机装置使发动机固定停在膨胀过程进气门14的吸气终止角之后一个较小的角度范围，需要启动时，启动装置打开气阀17及气门14，让气瓶中的压缩空气流入气缸即可实现内燃机的启动。 

若该二级压缩内燃机利用压缩空气启动，须使气瓶气压维持在一定水平。维持气瓶压力的途径为：内燃机运转时，若气瓶压力低于设定值，打开气阀17，让内燃机压缩过程产生的高压空气充入气瓶，储气压强达到设计值后，关闭气阀17；若特殊情况下气瓶内压高于设计容许的最大值，限压阀19自动放气降压；特殊情况下气瓶内压低于启动内燃机需要的最低压强时，可利用外部起源对气瓶进行充气。 

(四)功能五的实现 

功能五：随时起停功能 

该二级压缩内燃机的随时起停功能建立在功能三、功能四的基础上。 

当二级压缩内燃机不需要输出动力时，可停止供油让其减速停机；当需要它输出动力时，若发动机已停止运转，通过功能四使其启动(随时起停功能可通过油门控制，当不触发油门时，就停止对发动机供油，当触发油门时，就使其运转)。 

(五)二级压缩内燃机动力控制的实现 

内燃机的动力(功率)控制总体上是通过两条基本途径来实现：一是改变扭矩，二是改变转速。转速调节可通过动力机械自身改变扭矩来实现，也可通过变速机构来实现。对发动机本身而言，动力控制的核心是改变扭矩。本二级压缩内燃机输出扭矩可通过改变燃料供应 量和配气量进行调节：当需要加强动力输出时，增加供油量和配气量；当需要减弱动力时，减少供油量和配气量。燃料供应量的调节通过供油系统来实现。配气量的调节可在两个节点进行，一是通过改变节气阀4的开度或改变气门5的开度及开放时间来调节吸气量；二是通过改变气门12、14的开度及开放时间来调节参与膨胀做工过程的空气量。(动力调节也可仅通过改变燃料供应量来实现，此时不调节进气系统，视动力需求仅对供油量进行增减)。 

(六)多种形式的燃料、热能利用及废气余热利用 

前面关于该二级压缩内燃机的运行原理中以汽油为例阐述了其工作循环过程。由于该二级压缩内燃机压缩终点(气门9)到膨胀起点(气门12、14)之间的气路可根据需要灵活布置，这一特点使得该二级压缩内燃机可利用多种形式的燃料及热能，常见的固态、液态、气态燃料它均可使用。它获得热能的方式，可采用像传统内燃机在缸内燃烧(前述说明即为缸内燃烧的方式)，可在中间气路的恰当部位燃烧，可采用外部燃烧传热，可利用尾气余热，可采用非燃烧式的热能——如太阳能等(当利用煤炭燃烧、太阳能等形式的热量时，一般采用缸外吸热的方式，如图1所示气路中，吸热范围可选择在气门9到气门12、14之间的高压管路的恰当位置)。 

该二级压缩内燃机利用热能的灵活性使得它可以充分利用一切值得利用的热能，废气余热利用可轻易实现。图1中，如果废气温度与膨胀过程进气门12、14之前的高压气路上的温度有足以值得利用的温差，可以设置热交换器利用废气余热对高压空气进行加热，从而提高热能的利用效率。图1示意了通过设置热交换器10及冷、热分配混合气阀11利用余热的一种方法(冷、热分配混合气阀11的作用是当废气余热温度较高时，根据燃料的温度要求调节流经余热利用热交换器的气体工质比例)。 

(七)通过吸气增压提高做功能力的实现 

活塞式内燃机可通过吸气增压的方式增加吸气量提高其做功能力，目前常用的吸气增压方式有机械式增压和废气涡轮增压两大类。该二级压缩内燃机可采用与传统内燃机类似的增压技术。 

Claims (4)

1.本发明涉及的二级压缩活塞式内燃机(以下简称二级压缩内燃机)是一种类似于传统内燃机的动力机械，它区别于传统活塞式内燃机的核心特征为：空气压缩的过程为二级压缩，空气膨胀的过程为一级膨胀，(不含吸气增压及废气经过涡轮膨胀等部分)。

2.该二级压缩内燃机可用于大多数需要将燃料的热能转化为机械能的场合，如用于驱动各类车辆、船舶、发电设备、压缩机、油泵、水泵、及各类工程机械等。

3.该二级压缩内燃机的燃料可为汽油、柴油、石油液化气、天燃气、氢气、甲醇等，可采用混合燃料，可利用废气余热。

4.该二级压缩内燃机可通过吸气增压(机械增压或废气涡轮增压)提高工作效率。