CN104533564A - 一种双重阿特金森循环内燃机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双重阿特金森循环内燃机，内燃机在进气门采用阿特金森循环的要求调整正时，而排气门比通常情况更早时打开，让高温燃气提前喷出气缸，推动涡轮做功，且当气缸内的气压下降到与进气管近似时，活塞恰好到达下止点；高温高压燃气经过涡轮的进一步膨胀做功，吸收更多的能量；而涡轮通过一个变速器与内燃机曲轴相连，将吸收的机械功传递给曲轴，增加了内燃机的输出功率和效率，也实现了阿特金森循环，即在进气门和排气门均实现了阿特金森循环。本发明实现了平衡且大功率密度的阿特金森循环内燃机，是实用化的阿特金森循环内燃机。

Description

一种双重阿特金森循环内燃机

技术领域

本发明涉及一种双重阿特金森循环内燃机，具有阿特金森循环的特征和相似的效率，且功率密度更高。

背景技术

改进以便提高内燃机的热效率是内燃机最重要的改进设计。现在使用最普遍的四冲程和二冲程内燃机始终不能达到卡诺循环理论所指出的理论最高热效率。提高内燃机的热效率，目前主流的做法是采用早在1882年阿特金森就发明了阿特金森循环，这是一个膨胀冲程大于压缩冲程的四冲程热力学过程，可以令高温燃气充分膨胀从而提高热效率，但现在多使用米勒循环——一种改进型的阿特金森循环——在活塞膨胀的下止点处，气缸内的气压与进气管相似。另一种实现阿特金森循环内燃机的方法是在排气管上加装一个膨胀机来吸收内燃机排出的废气的热能并转化为输出功率。

传统的阿特金森内燃机是惯性不平衡的，因此很难实际采用。米勒循环内燃机虽然平衡性很好，但是因为进入气缸的空气比较少，因此功率密度一直是最大的缺陷而无法大规模使用。而直接在内燃机排气管上加膨胀机的做法，也因为没有合适的可调膨胀机而没有采用，并且加上之后对于内燃机的扭矩和输出功率有不利影响。

申请号为201310184706.3的专利名为应用二冲程阿特金森循环的多模全顶置气门二冲程内燃机，虽然可以实现等效四冲程阿特金森内燃机的效率，但是二冲程内燃机扫气过程的缓慢限制了转速，因此功率密度不能达到更高。

需要一种更好的方法来提高阿特金森内燃机的功率密度以支持其大规模实用化应用。

发明内容

本专利针对上述缺陷作出新的解决方案，提供了一种双重阿特金森循环内燃机，采用双阿特金森循环原理，即在进气门和排气门均可以采用阿特金森循环原理进行调整，进气门可以大幅度延后关闭，排气门可以大幅度提前开启；排气管连接动力涡轮，动力涡轮通过变速器连接到内燃机的曲轴；在内燃机转速较高需要更多功率时，进气门采用奥托循环的调整方法，此时内燃机在排气门采用阿特金森循环的调整方法。排气门采用阿特金森循环原理进行调整和设定的方法称为超前膨胀的阿特金森循环原理。

附图说明

图1是双重阿特金森循环内燃机的系统总图，示出额外膨胀的机械原理。

图2是四冲程双重阿特金森循环内燃机的气门正时图，示出进排气门同时采用阿特金森循环的原理。

图3是四冲程双重阿特金森循环内燃机高功率运行时的气门正时图，示出进气门从阿特金森循环正时变为正常正时。

图4是二冲程双重阿特金森循环内燃机的气门正时图，示出低功率运行状态。

图5是二冲程双重阿特金森循环内燃机的气门正时图，示出高功率运行状态。

具体实施方式

在解释双重阿特金森循环内燃机之前，必需先解释在排气门采用阿特金森循环正时的设计，即超前膨胀的阿特金森循环。

参考图1，虚线里面的部分是内燃机的气缸和曲轴的部分，气缸的排气管引出来并进入动力涡轮，动力涡轮的轴通过一个变速器链接到内燃机的曲轴，即动力涡轮的动力可以传递给曲轴。超前膨胀的阿特金森循环内燃机的技术与传统的米勒循环的阿特金森内燃机区别在于：米勒循环是在内燃机进气的冲程中，延迟关闭进气门，因此将一部分空气或者混合气推出气缸，降低了气缸内的空气或者混合气的量，因此使得燃烧膨胀后在活塞下止点时气缸压力接近进气管压力；而超前膨胀的阿特金森循环内燃机并不降低进气的量，而是提前打开排气门释放一部分高温高压燃气，特别是在活塞处于膨胀冲程的过程中，燃气在推动活塞的同时，也通过排气管排出气缸，并在涡轮叶片上做功。这样的工作方式，不降低气缸进气的量，因此功率密度比米勒循环内燃机要高很多甚至可以达到高一倍。

排气门提前打开的时机是本发明的关键，是根据活塞在膨胀冲程的下止点位置时，气缸内的气体压力大致等于进气管内的气体压力，从而满足阿特金森循环的要求。阿特金森循环的效率高来自于活塞膨胀到下止点时气缸压力等于进气管压力，而提前排出的燃气在涡轮叶片上做功并通过变速器传回内燃机曲轴，增加了曲轴所获得的机械功率，通过这样的方式让高压燃气充分膨胀做功，因此理论效率最接近卡诺循环效率。因此，排气门开启不能太早，造成过多的功率从排气管排出，超出涡轮的额定功率造成功率浪费，而且导致活塞上得到的机械功不足；也不能太晚，造成涡轮功率不足，活塞在进入排气冲程时气缸压力依然很大，产生很多用于排出高压气体的能量损耗而降低了热效率。因为不同内燃机的极限转速、排气管几何形状等诸多因素的不同，导致所需要的排气门提前开启的时机会不同，这个排气门的开启时机可以通过试验数据获得。在得到排气门开启时机的数据后，将这个数字加在排气门的凸轮的角度上，就得到新的凸轮角度值，例如从通常的四冲程奥托内燃机的240°曲轴角增加到290°曲轴角，并设定排气门关闭时机是普通内燃机的数值，相应就得到了排气门提前开启的时机，即排气门打开提前，但在常规时间关闭。排气门提前开启的数值是随着内燃机转速的变化而变化的，因此需要全可变气门正时技术来精确实现准确的气门开闭时机。进气门最好皆由全可变气门正时机构来驱动，全可变气门正时机构已经具有很多具体的设计和专利技术，全可变气门正时机构可以让气门的打开时间长短连续可调，并且凸轮与曲轴的相位也连续可调，因此形成气门的开闭时间可以分别的独立的调整，因此气门可以完全按照需要打开和关闭，最大限度的发挥本发明的技术优势。

参考图1，本发明选用普遍使用的涡轮增压器中的动力涡轮作为气体膨胀做功的部件，因为其转速高体积小。而发明了可变截面的涡轮以后，使得涡轮在较低转速时的效率增加了，更加适合直接与内燃机的曲轴使用变速器相连。尽管排气管和涡轮或者膨胀机还是会产生一些的热量的散失，但是也是可以大幅度提高内燃机整体的热效率，而且内燃机转速不受限制，功率密度得到大幅度提高。当然，如果能够做到给排气管和动力涡轮做一些保温措施，将可以提高内燃机整体热效率。

动力涡轮并不是膨胀机唯一的选择，不排除有更好的可调节排气量的膨胀机出现后应用于本发明。又或者涡轮获得了更好的改进技术从而使得涡轮从低转速到高转速都具有最佳的热能转换成机械功的效率。但是，采用增加的并行气缸做膨胀机是不好的，因为活塞的冲程一般都是固定的，在节气门变化时排气的流量也在连续变化，因此固定容积的膨胀机不能保证所有工况下的热效率。

因为因为本发明的内燃机在吸气冲程与普通的四冲程内燃机没有任何差别，因此这样的内燃机可以很易于使用各类增压方法来提高内燃机的功率，例如机械增压器或者涡轮增压器。当采用任何一种增压器之后，与曲轴相连的涡轮必需增加额定流量，以充分将排气的热量转换为热功。当采用涡轮增压的时候，排气实际上先进入与曲轴相连的涡轮，此涡轮的排气再进入涡轮增压器的涡轮。在具体设计时，将内燃机的活塞系统和与曲轴相连的涡轮看作一个整体，这个整体所采用的热力学循环是阿特金森循环，即排气和进气的压力相同。

这里所说的连接涡轮和内燃机曲轴的变速器是广义的变速器，既包含固定传动比的齿轮变速器，也包括可变传动比的其他变速器，例如钢带的CVT变速器，或者其他形式的变速器。变速器的采用有利于优化涡轮的做功能力，将更多排气中的热功转化为曲轴的输出功率，提高内燃机整体效率。

以上解释了在排气门上所做的调整可以实现阿特金森循环，而根据已有技术在进气门的调整也可以实现阿特金森循环，所以在一台普通的内燃机通过气门控制的调整可以同时在进气门和排气门实现阿特金森循环，因此就是双阿特金森循环内燃机。

因此，参考图2和图3，可以看到四冲程内燃机上实现的双阿特金森循环内燃机的气门正时特征：图2是双阿特金森循环内燃机在转速较低的时候的气门调整，显然低功率的要求不需要有很多进气，故进气门采用阿特金森循环的调整方式，进气门标准时刻打开，延迟关闭，进气门打开时间长，排气门打开时间短，因此空气量较少，功率较低，活塞膨胀充分，排气的温度和压力较低，因此曲轴输出的功率较大，而外部的动力涡轮功率极少。图3是双阿特金森循环内燃机在转速较高的时候的气门调整，因为需要大功率，因此进气门采用奥托循环的调整方式，在通常的时机开闭，造成气缸充气最充分最多，而在排气门上采用阿特金森循环调整，排气门提前打开，普通时机关闭，因而进气门打开时间短，排气门打开时间长，曲轴和动力涡轮得到的功率都很大，仍然保持了阿特金森循环，功率却很大。因此，比以往的阿特金森循环内燃机更具有实用性。

无论是四冲程或者二冲程内燃机皆可应用以上调整四冲程内燃机的方法。参考图4和图5，进气门打开的时机晚于排气门打开时机，这样动力涡轮可以得到比较大的功率。而进气门的打开时间的长短和气门交叠的角度，决定了空气量和功率，图4是小功率状态，相应的图5就是大功率状态。对比二图，图4的进气门和排气门打开时间的交叠比图5要小，进气少，而且进气门延迟关闭，排出一部分空气，而图5进气门关闭较早，是考虑气体惯性的最大进气量的调整，因此功率最大。从以上分析看，二冲程内燃机的气门必需是顶置气门或者顶置-活塞气门，例如申请号为201310184706.3的专利名为应用二冲程阿特金森循环的多模全顶置气门二冲程内燃机，因为此二者可以调节气门的开闭时机，从而实现本发明的原理。通常的二冲程内燃机的气门开在气缸壁上，是固定的、不可调的，扫气必需是膨胀冲程和压缩冲程对称的，无法做到提前排气。而气门必需是顶置气门或者顶置-活塞气门的二冲程内燃机可以让气门独立调整。而顶置-活塞气门是指顶部具有气门，而活塞上也有气门，并且一般而言气缸顶部的气门与活塞上的气门分别是进气门或者排气门，而且考虑到曲轴箱不能承受高温，所以排气门在气缸顶，而进气门在活塞上。而且，同理四冲程内燃机，二冲程内燃机也可以分别在进气门和排气门调整以实现阿特金森循环。这样做的目的是在大功率和小功率状态下，内燃机皆具有最好的效率，并可提高功率。

作为对本发明的一种简化，参考图2和图3，取进气门打开时间的中间值，得到一种使用固定角度凸轮的阿特金森循环和奥托循环连续可调的双模式内燃机，特征在于进气门的凸轮角度满足内燃机在中等转速或者中等偏上转速时的进气门持续开启时间的要求，而排气门角度按照奥托循环设计；在内燃机转速较低时，调节凸轮轴与曲轴的相位关系，令进气门在正常时机打开，关闭时机延迟，而在转速较高时调整进气门凸轮的相位令进气门的开闭时机皆为正常时机，因而内燃机在转速较低时运行在阿特金森循环，而在高转速时，运行在奥托循环，而在进气门凸轮角度制定的最佳转速到低转速之间时，内燃机的工作模式介于阿特金森循环和奥托循环之间。比如，进气门凸轮角度设定在3000转/分钟时效率最高，怠速在1000转/分钟，那么在1000到3000转/分区间内燃机就是介于完全的阿特金森循环和奥托循环之间，而在1000转就是完全的阿特金森循环，而在高于3000转/分钟时就是纯粹的奥托循环。如果要提高内燃机最大功率就提高进气门凸轮角度设定的转速，比如升到4000转/分或者5000转/分。这种连续可调的双模式内燃机可以提高低转速低功率状态下的热效率，也可以提高最大功率，是一种比较简单的兼顾效率和功率的阿特金森循环内燃机。

本发明对传统往复活塞式内燃机的改动是比较少的，没有破坏内燃机的惯性平衡，很好的控制了改造成本。在具体应用时，最好应用全可变气门正时机构，至少在排气门上使用此类气门控制机构，因为这样可以最大程度优化气门特别是关键的排气门的开闭时机，对于降低泵气损失和发挥本发明的优点具有重要作用。

总而言之，本发明在不改变普通活塞往复式内燃机的基本结构和原理的基础上，通过过改变气门的正时控制和增设动力涡轮，能够实现平衡且大功率密度的阿特金森循环内燃机，是实用化的阿特金森循环内燃机。

Claims (4)

1.一种双重阿特金森循环内燃机，采用双阿特金森循环原理，即在进气门和排气门均可以采用阿特金森循环原理进行调整，进气门可以大幅度延后关闭，排气门可以大幅度提前开启；排气管连接动力涡轮，动力涡轮通过变速器连接到内燃机的曲轴；在内燃机转速较高需要更多功率时，进气门采用奥托循环的调整方法，此时内燃机在排气门采用阿特金森循环的调整方法。

2.如权利要求1所述的一种双重阿特金森循环内燃机，其特征在于所述排气门采用阿特金森原理进行调整是指采用一种超前膨胀的阿特金森循环内燃机的原理，在普通四冲程往复活塞内燃机的基础上，加大排气凸轮的曲轴角度，排气门比正常情况下更早打开，并在正常的时机关闭，排气门提前打开的曲轴角度的确定，是根据活塞在膨胀冲程的下止点位置时，气缸内的气体压力大致等于进气管内的气体压力，从而满足阿特金森循环的要求；排气门提前打开所释放的高压气体通过排气管进入涡轮或者其他可以起到令高压气体膨胀做功的机械装置中膨胀做功；涡轮或者膨胀做功的机械装置将排气的热能转换为旋转形式的机械功并经由一个变速器与普通四冲程往复活塞内燃机的曲轴相连。

3.如权利要求1所述的一种双重阿特金森循环内燃机，其特征在于进排气门使用全可变气门正时技术，气门打开的持续时间连续可调，并且气门开闭的时间独立可调。

4.一种使用固定角度凸轮的阿特金森循环和奥托循环连续可调的双模式内燃机，特征在于进气门的凸轮角度满足内燃机在中等转速或者中等偏上转速时的进气门持续开启时间的要求，而排气门角度按照奥托循环设计；在内燃机转速较低时，调节凸轮轴与曲轴的相位关系，令进气门在正常时机打开，关闭时机延迟，而在转速较高时进气门的开闭时机皆为正常时机，因而内燃机在转速较低时运行在阿特金森循环，而在高转速时，运行在奥托循环，而在进气门凸轮角度制定的最佳转速到低转速之间时，内燃机的工作模式介于阿特金森循环和奥托循环之间。