CN103953437B - 一种双活塞内燃机 - Google Patents

Abstract

一种双活塞内燃机，包括活塞（1）、气缸（2）、汽缸盖（3），汽缸盖（3）设置在气缸（2）上端，活塞（1）下端连接有连杆，连杆与曲轴相连接构成活塞曲柄连杆机构，还包括有压力传感器（11）、压力应变活塞（4）、气囊（5）和受力活塞（6），压力应变活塞（4）、气囊（5）和受力活塞（6）设置在汽缸盖（3）中，受力活塞（6）一端抵靠在气囊（5）下方，受力活塞（6）另一端通过连接杆（8）与压力应变活塞（4）相连接，气囊（5）上分别连接有泄压管（12）和加压管（13），泄压管（12）和加压管（13）上分别设置有常闭电磁阀（10）。实现了对内燃机燃烧状态及其特征的控制。

Description

一种双活塞内燃机

技术领域

本发明涉及内燃机，更具体的说涉及一种双活塞内燃机，属于内燃机燃烧控制技术领域，具体对象是内燃机燃烧室，直接对内燃机燃烧过程控制，涉及内燃机燃烧终点状态控制、燃烧循环过程控制和内燃机运行工况控制。

背景技术

内燃机燃烧控制技术的发展，主要受节能和低排放需求的推动。内燃机节能技术是追求定容加热过程，提高燃烧温度，实现燃料利用的高效率，达到节能目的，而内燃机低排放则要求降低燃料的燃烧温度，减少有害燃烧产物的发生，由此，节能和低排放之间存在的矛盾，对提高内燃机循环热效率、降低排放污染和生产成本造成了很大的影响，是当代内燃机燃烧控制技术解决的核心问题。现有的内燃机节能和低排放控制，是对混合气燃烧前的压缩比、混合比、温度和压力等状态采取多种技术控制，是选择在节能和低排放两者之间折中优化的燃烧技术方案，是寻求多种新技术对两者的再平衡，其系统复杂，成本较高，效能低。

中国发明专利申请公开号：CN1263205A、公开日：2000年8月16日、名称为《一种可提高输出功率的双活塞引擎内燃机及其方法》的发明专利申请中，公开了一种可提高输出功率的双活塞引擎内燃机，主要包括一个气缸、两个活塞、一传动装置及一偏心轮，当第一活塞越过上始点而欲往下移动时，利用传动装置带动的偏心轮将向下压挤第二活塞，使得第一活塞与第二活塞同步向下保持气缸内气室的固定压缩比，而后点火、引爆油气，由于引擎从点火到爆炸完成时，第一活塞完全是利用做功的状态，将引擎因爆发所得的能量完全作用在正功上，达到节省燃料及减少空气污染的功效。但是，当凸轮行程确定后，压缩比就已经确定，因此本发明专利申请中只能通过凸轮变行程控制压缩比，满足内燃机不同工况的需要，不能对燃烧加热状态及其特征进行控制；而且压缩比确定后，燃烧室容积也就确定了，因此在一定工况下，燃烧室容积没有改变，不能通过第二活塞改变燃烧室容积，所以无法利用燃烧室容积成为有效做功容积，仍然属于定容加热过程；同时，本发明专利申请中在上止点后燃烧，实际上燃烧的时间减少了，在实践中，内燃机高速运转，燃料被排出气缸仍然没有燃烧完，排气温度提高，燃料利用率低。

发明内容

本发明的目的在于针对现有的内燃机燃烧控制技术节能和低排放之间存在矛盾、或者双活塞内燃机燃料利用率低等问题，提供一种双活塞内燃机。

为实现上述目的，本发明的技术解决方案是：一种双活塞内燃机，包括活塞、气缸、汽缸盖，所述的汽缸盖设置在气缸上端，活塞下端连接有连杆，所述的连杆与曲轴相连接构成活塞曲柄连杆机构，还包括有压力传感器、压力应变活塞、气囊和受力活塞，所述的压力应变活塞、气囊和受力活塞设置在汽缸盖中，所述的气囊设置在压力应变活塞上方，所述的受力活塞一端抵靠在气囊下方，受力活塞另一端通过连接杆与压力应变活塞相连接，所述的气囊上分别连接有泄压管和加压管，所述的泄压管和加压管上分别设置有常闭电磁阀。

所述的受力活塞下方设置有缓冲弹簧，所述的缓冲弹簧上端固定在受力活塞底面上，缓冲弹簧下端固定在缸盖的支撑板上。

所述的压力传感器设置在气囊上，或者压力传感器设置在加压管上并位于常闭电磁阀与气囊之间，或者压力传感器设置在泄压管上并位于常闭电磁阀与气囊之间。

所述加压管与汽缸盖外的高压气瓶相连通。

与现有技术相比较，本申请的有益效果是：

1、结构简单，实现了对内燃机不同工况的燃烧状态及其特征控制。本申请中包括有压力传感器、压力应变活塞、气囊和受力活塞，压力应变活塞、气囊和受力活塞设置在汽缸盖中，气囊设置在压力应变活塞上方，受力活塞设置在气囊中，压力应变活塞与受力活塞之间通过连接杆相连接，让气囊内压力约束气缸内的燃烧最大压力及其最大温度；气囊上分别连接有泄压管、加压管和压力传感器，泄压管和加压管上分别设置有常闭电磁阀，改变气囊内压力而满足内燃机不同工况控制需要；从而实现了对燃烧加热过程的控制，提高了内燃机循环热效率，直接解决了内燃机在节能和排放之间的矛盾。

2、其柔性燃烧室，减少无效做功的燃烧容积，增加内燃机做功的能力，提高内燃机功率。本申请中包括的压力应变活塞、气囊和受力活塞，让气囊内压力约束气缸内的燃烧最大压力的初始位置，是压力应变活塞处在曲柄连杆活塞的上止点位置，压力应变活塞行程容积将现有内燃机燃烧室为零容积的状态，而在最大的燃烧压力和温度下，压力应变活塞产生最大的燃烧行程容积，相对于背景技术中凸轮刚性推动第二活塞运动、形成固定容积的燃烧室，构成了柔性燃烧室。压力应变活塞在最大的燃烧压力和温度下回到初始位置时，产生的燃烧容积成为了做功容积，增加了内燃机做功能力，彻底解决了内燃机燃烧室容积不能做功的无效容积。

3、其变压缩比，实现内燃机最佳工况运转，减少油耗。本申请中包括的压力应变活塞、气囊和受力活塞，让气囊内压力约束气缸内的燃烧最大压力及其最大温度的初始位置，是压力应变活塞处在曲柄连杆活塞的上止点位置，气囊内压力对压力应变活塞初始位置的预紧压力的改变，改变了燃烧的最大压力，就改变了压缩比，使压缩比在内燃机全工况范围内实现可变，实现全工况内节油。

4、扩大了内燃机燃烧范围，实现高压缩比、多种燃料和减少有害燃烧产物。本申请中包括的压力应变活塞、气囊和受力活塞，让气囊内压力约束气缸内的燃烧最大压力及其最大温度，减少现有内燃机对燃料的燃烧特性的敏感性，减少了现有内燃机的不规则燃烧压力波动范围，扩大了爆燃的极限，增加了混合气空燃比使用范围，可提高压缩比；让气囊内压力约束气缸内的燃烧最大压力及其最大温度的初始位置，是压力应变活塞处在曲柄连杆活塞的上止点位置，此时在上止点前，内燃机燃烧已经开始燃烧，比现有内燃机增加了燃烧氧化反应时间；在压力应变活塞在最大的燃烧压力和温度下回到初始位置时，保持了高温的燃烧化学还原反应，比现有内燃机增加了燃烧化学还原反应时间，对减少有害燃烧产物有益。

附图说明

图1是本发明中压力应变活塞初始位置示意图。

图2是本发明中活塞在上止点状态示意图。

图3是本发明中活塞在下行状态示意图。

图4是本发明中与经典加热理想循环关系示意图。

图中：活塞1，气缸2，汽缸盖3，压力应变活塞4，气囊5，受力活塞6，高压气瓶7，连接杆8，缓冲弹簧9，常闭电磁阀10，压力传感器11，泄压管12，加压管13，支撑板14。

具体实施方式

以下结合附图说明和具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。

参见图1，一种双活塞内燃机，包括活塞1、气缸2、汽缸盖3、压力传感器11、压力应变活塞4、气囊5和受力活塞6，所述的汽缸盖3设置在气缸2上端，活塞1下端连接有连杆，所述的连杆与曲轴相连接构成活塞曲柄连杆机构。所述的压力应变活塞4、气囊5和受力活塞6设置在汽缸盖3中，所述的气囊5设置在压力应变活塞4上方，所述的受力活塞6一端抵靠在气囊5下方，受力活塞6另一端通过连接杆8与压力应变活塞4连接，要保证受力活塞6的往复运动空间。压力应变活塞4为圆柱形，压力应变活塞4与其密封的摩擦副形成的往复运动空间和活塞1与其密封的摩擦副形成的往复运动空间构成内燃机燃烧加热循环空间；受力活塞6为圆柱形，其受力面积与压力应变活塞4受力面积相等。压力应变活塞4作用是感应活塞1压缩混合气产生的压力、燃烧过程产生的压力和膨胀压力并将压力传递给气囊5，气囊5是橡胶做成的可收缩的弹性密封体，其具有弹性、刚度低，即当气囊5内压力有较小变化、气囊5体积就会产生较大的变形，从而实现近似定压做功过程；工作时通过设定气囊5中不同的压力，实现对内燃机燃烧过程的燃烧状态、循环特征进行控制。所述的气囊5上分别连接有泄压管12和加压管13，所述的泄压管12和加压管13上分别设置有常闭电磁阀10；所述加压管13与汽缸盖3外的高压气瓶7相连通，高压气瓶7中为惰性气体。所述的压力传感器11可以设置在气囊5、泄压管12或者加压管13上，但是实际使用中为了尽量减少气囊5的密封面，压力传感器11通常设置在泄压管12或者加压管13上；当压力传感器11设置在泄压管12或者加压管13上时，应位于泄压管12或者加压管13上的常闭电磁阀10与气囊5之间，所述的受力活塞6下方设置有缓冲弹簧9，所述的缓冲弹簧9上端固定在受力活塞6底面上，缓冲弹簧9下端固定在缸盖3的支撑板14上；缓冲弹簧9缓解了受力活塞6和压力应变活塞4对汽缸盖3的冲击力。

参见图1-图4，工作时，根据内燃机运行在不同工况的最大燃烧压力值p ₃ ，此压力在内燃机工况控制系统中是确定的，设定气囊5内压力值为p ₃ ，此处的最大燃烧压力值p ₃ 为图4中3点的压力值；气囊5内压力设定是通过压力传感器11和加压管13或者泄压管12上的常闭电磁阀10实现气囊5的压力设定和调节，从而实现内燃机不同工况下的最大燃烧压力控制。具体工况控制过程如下：一、当内燃机运行工况所需要的最大燃烧压力确定后，电子控制单元打开加压管13上的常闭电磁阀10，高压气瓶7里的惰性气体进入气囊5，使气囊5中的压力升高，当压力传感器11感应到气囊5内压力升高到预定压力值后，电子控制单元关闭加压管13上的常闭电磁阀10，而气囊5通过受力活塞6、连接杆8对压力应变活塞4预压，从而控制气缸内最大燃烧压力。二、当内燃机的工况发生变化、需要提高最大燃烧压力时，电子控制单元打开加压管13上的常闭电磁阀10，高压气瓶7内的高压惰性气体经加压管13注入气囊5中，从而提高了气囊5内的压力；当压力传感器11感应到气囊5内压力达到设定值时，电子控制单元关闭加压管13上的常闭电磁阀10。三、当内燃机的工况发生变化、需要减小最大燃烧压力时，电子控制单元打开泄压管12上的常闭电磁阀10，使让气囊5内的惰性气体经泄压管12泄出，从而降低了气囊5内的气体压力；当压力传感器11感应到气囊5内压力达到设定值时，电子控制单元关闭泄压管12上的常闭电磁阀10。

当内燃机在一个确定的工况下工作时，在每个加热循环过程中，气囊5内最大燃烧压力值p ₃ 就已确定，根据气囊5变化过程中压力变化小与容积变化大的特点，即当气囊5内压力状态变化较小、可以视为相对不变时，使压力应变活塞4产生较大的行程，满足定压加热燃烧控制的基本特征，控制气缸内的最大燃烧压力保持相对不变，从而控制内燃机燃烧加热循环状态及其循环特征。具体燃烧控制过程如下：

一、参见图1、图4，在图4中1-2-3-4-5-1为传统内燃机的加热循环过程，图4中的1点对应表示活塞1运行的下止点，2点对应表示上止点，C处的容积为活塞1在上止点的容积，也为传统内燃机的燃烧室容积为V _C 。在图1中活塞1初始位置处于下止点位置并由下止点开始对混合气压缩过程，压力应变活塞4初始位置处在活塞1的上止点位置，此时对应图4中压力应变活塞4位置是将压力p-容积V坐标系从0点移动到C点处，0点与C点重合，使图4中传统内燃机的燃烧室容积改变为V _C =0。在活塞1压缩均质混合气到图4中的2点前，因活塞1压缩均质混合气的压力小于气囊5内设定的p ₃ ，此处的p ₃ 即是图4中3点处的压力，此时图1中的压力应变活塞4处在上止点位置保持不变。当活塞1压缩均质混合气接近上止点时，对应图4中压缩接近2点前，此时图1的活塞1到上止点形成的空间为上止点前的燃烧室容积，当此时被压缩的混合气产生的压力温度达到自燃时，均质混合气开始初期燃烧，同时活塞1继续压缩，增加了燃烧温度，促进了快速燃烧，提高了燃料利用率；此时气缸内燃烧产生的压力没有达到气囊5内设定的压力p ₃ ，压力应变活塞4仍然处在上止点位置保持不变，压力应变活塞4的行程容积为零，图4中压力应变活塞4位置仍然将压力p-容积V坐标系0点保持在C点处，而活塞1接近上止点C处，与压力应变活塞4在C点处形成的容积为燃烧室容积，因燃烧室容积很小，燃烧速度快，时间短，近似为2点处的燃烧，气缸内的燃烧过程在图4中可为2点到3点（2-3）的定容燃烧过程，是活塞1在上止点前的燃烧。

二、参见图2、图4，图2中活塞1处在行程的上止点处，气囊5被压缩，压力应变活塞4快速离开活塞1的上止点位置，产生可变的燃烧室容积，在图4中是活塞1处在C点处。此时气缸内的燃烧压力，在图4中，因气囊5的刚性特点，压力应变活塞4控制在3点处的p ₃ 状态保持不变，随着燃烧温度的迅速升高产生行程容积，燃烧控制过程是3点到Z点（3-Z点）的定压加热过程，是压力应变活塞4的行程容积由零向V _C 增大过程，气囊5产生变形吸收能量的过程。此过程中，当气缸内燃烧压力高于气囊5内设定的压力p ₃ 时，或者是大于图4中3点的燃烧温度，此时图2中的压力应变活塞4向上移动，气囊5因其弹性刚度小具有小的压力差，变形大的近似定压p ₃ 变形过程特点，压力应变活塞4产生较大的行程容积，使气缸内燃烧热产生膨胀，将热能转换为机械能，保持压力p ₃ 不变，抑制温度升高；压力应变活塞4产生的容积，在图4中原来0点与C点重合，使0点的离开C点，使C点的容积增大。因定压加热燃烧过程相对于定容加热燃烧过程燃烧温度低，控制了最大燃烧温度，减少了高温有害燃烧物的产生，降低了排气污染。此过程对应图4中表现了压力p-容积V坐标系原点0由C点向左移动的过程，开始出现C-3-Z-0-C的面积，也是C-3-Z-0-C面积增加的过程。

三、参见图3、图4，当活塞1越过上止点后下行，燃烧继续进行，此时对应图4中3点到4点（3-4过程）的预膨胀燃烧过程 。此过程中，燃烧温度继续升高，推动图3压力应变活塞4在图4中3-Z的过程中间，向Z点靠近，压力应变活塞4保持气缸内压力p ₃ 不变，继续向上移动，行程增长，容积增大，气囊5继续加大变形；而活塞1 向下容积也在增加，此时在图4中活塞1处在3-4的过程中间，燃烧膨胀的容积由3点向4点增加；气缸内的燃烧压力和温度，因受到活塞1上止点后下行容积增加对外做功和压力应变活塞4受到气囊5弹性刚度控制，保持压力p ₃ 不变，压力应变活塞4行程容积在增加，继续吸收热能，使C-3-Z-0-C的面积增加，推动压力p-容积V坐标系原点0点继续离开C点向左移动。

当活塞1运行到图4中的4点时，燃烧基本完成，燃烧温度最高，在图3中最高燃烧温度膨胀推动压力应变活塞4产生的容积V _c 最大，气缸内燃烧压力仍然受到气囊5刚性影响，控制在p ₃ 的状态下，此时图4中压力p-容积V坐标系原点0点离开C点距离最大，继续向左移动停止，在4点处，图3中的气囊5内的压力p ₃ 通过受力活塞6、连接杆8和压力应变活塞4与气缸内的燃烧产生的压力是相等的，平衡的，也是p ₃ 。

当活塞1运行到图4中的4点后时，图3中压力应变活塞4随着活塞1向下运动, 压力应变活塞4减少前期燃烧产生的容积V _c ，弥补活塞1下行增加的容积，保持活塞1在图4中4点的容积V ₄ 不变。因在图4中，压力应变活塞4在前期燃烧控制过程中，压缩气囊5，得到的C-3-Z-0-C的做功能力是保持压力p ₃ 不变，产生的容积V _c ，当活塞1在图4中4点后，气缸内的容积增加，压力低于p ₃ 时，气囊5内的压力p ₃ 通过受力活塞6、连接杆8和压力应变活塞4与气缸内的压力建立的平衡被打破，气囊5内压力p ₃ 就要维持气缸内的压力达到平衡，推动压力应变活塞4下行，维持图4中活塞1在4点的气缸容积V ₄ ，保持在4点的气缸压力和气囊5压力相等，使气缸内压力达到p ₃ ，因为没有热损失，保持了图4中4点的温度保持不变。此时图4中压力p-容积V坐标系，随压力应变活塞4的容积减少，坐标系原点0点开始向C点靠近。

当压力应变活塞4容积减少到零时，回到压力应变活塞4的初始位置，此时图4中压力p-容积V坐标系原点0与C点重合，停止移动。本发明对内燃机加热燃烧循环中的燃烧状态及其燃烧特征控制结束。活塞1开始了图4中的4-5点的膨胀过程，排气和进气5-1过程，直至压缩1-2过发生燃烧前，本发明不产生任何作用。

本发明中在一个确定的工况下，对设定的最大燃烧压力p ₃ 的控制，是在活塞1上止点前和后进行的，是通过压力应变活塞4产生的行程容积由0到V _c ，再由V _c 到0的独立变化，与活塞1的曲柄连杆机构运行相结合，实现了对燃烧加热循环的控制，解决了内燃机在节能和排放之间的矛盾，产生多种效应，具体包括如下：一、使传统内燃机燃烧室无效做功容积转变为做功容积，在传统内燃机加热循环的基础上获得了图4中C-3-Z-0-C的有用功，提高了内燃机加热循环的热效率，提高了内燃机做功能力；二、实现对加热循环燃烧的压力温度的状态及压力温度变化过程特征的最大压力控制，解决了排放燃烧最大温度的控制问题，降低了对燃料燃烧特性的敏感性，提高了爆燃极限，增加了压缩比；三、上止点前开始燃烧到燃烧完结上止点后的温度的保持，增加了燃烧化学反应还原时间，减少了燃烧有害物；四、实现图4中压力p-容积V坐标系来回移动的过程，即是燃烧过程相位发生变化过程，从而增加了燃烧控制的自由度。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的工程技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，上述结构都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种双活塞内燃机，包括活塞（1）、气缸（2）、汽缸盖（3），所述的汽缸盖（3）设置在气缸（2）上端，活塞（1）下端连接有连杆，所述的连杆与曲轴相连接构成活塞曲柄连杆机构，其特征在于：还包括有压力传感器（11）、压力应变活塞（4）、气囊（5）和受力活塞（6），所述的压力应变活塞（4）、气囊（5）和受力活塞（6）设置在汽缸盖（3）中，所述的气囊（5）设置在压力应变活塞（4）上方，所述的受力活塞（6）一端抵靠在气囊（5）下方，受力活塞（6）另一端通过连接杆（8）与压力应变活塞（4）相连接，所述的气囊（5）上分别连接有泄压管（12）和加压管（13），所述的泄压管（12）和加压管（13）上分别设置有常闭电磁阀（10）。

2.根据权利要求1所述的一种双活塞内燃机，其特征在于：所述的受力活塞（6）下方设置有缓冲弹簧（9），所述的缓冲弹簧（9）上端固定在受力活塞（6）底面上，缓冲弹簧（9）下端固定在缸盖（3）的支撑板（14）上。

3.根据权利要求1所述的一种双活塞内燃机，其特征在于：所述的压力传感器（11）设置在气囊（5）上，或者压力传感器（11）设置在加压管（13）上并位于常闭电磁阀（10）与气囊（5）之间，或者压力传感器（11）设置在泄压管（12）上并位于常闭电磁阀（10）与气囊（5）之间。

4.根据权利要求1所述的一种双活塞内燃机，其特征在于：所述加压管（13）与汽缸盖（3）外的高压气瓶（7）相连通。