六冲程逐步添加式燃烧汽柴油发动机
技术领域
本发明涉及发动机技术,具体为一种六冲程逐步添加式燃烧汽柴油发动机。
背景技术
内燃发动机(汽油机和柴油机)主体为缸体,缸体的上口由缸盖封盖,缸体内设有活塞,活塞在缸体内的运动上止点和运动下止点间往复运动,所述的往复运动的驱动为曲轴连杆机构。
内燃发动机(汽油机和柴油机)常规的工作方式为四冲程。
四冲程工作方式中,活塞的往复运动分为进气、压缩、爆炸做功和排气四个过程。
1、进气。活塞自上止点向下运行,进气口进气(排气口关闭),喷油嘴喷油,油气混合。
2、压缩。活塞自下止点向上运行,进气口和排气口关闭。
3、爆炸做功。活塞运行至上止点,混合燃烧体于燃烧室内瞬间燃烧爆炸(汽油为火花塞点燃,柴油则被压缩高温气体点燃或压燃),推动活塞向下止点运行输出动力。
4、排气。活塞自下止点向上运行,进气口关闭,排气口开启,将燃烧爆炸产生的废气排出。
现有汽油机存在的问题:
1、汽油发动机燃烧温度问题。汽油机都是在进气冲程一次完成进气和进油,混合燃料被活塞压缩并在非常狭小的燃烧空间点燃,过多的油料和氧气堆积在小空间里爆燃,使燃烧温度很容易超过1700℃,超过这个温度将导致氮氧不稳定,而产生大量的氮氧化合物,这是造成汽油机排放超标的主要原因之一,燃烧室的空间狭小也是导致燃烧不好高温的原因。
2、汽油机压缩比问题。压缩比越高,动力越好,燃油消耗越少,但目前大多数汽油机的压缩比都超不过11:1,只是近年才出现马自达蓝天技术发动机的压缩比14:1,压缩比过高,不仅排放不合格,更重要的是产生燃烧爆震而损坏发动机。
3、传统汽油发动机氧气、汽油燃烧不同步问题。目前大多数汽油发动机采用11:1的压缩比(少数的采用14:1的压缩比),它的供油虽经喷射进缸雾化,但油料颗粒度怎么也没有助燃剂氧气分子细小,发动机点火燃烧因为油雾的燃尽速度远逊于氧气的消耗速度,这就造成了目前不理想的碳氢化合物排放指标,这也是目前汽油机动力和燃油转换效率发展的矛盾体,没有完全燃烧的油料是碳氢化合物,不符合越来越严格的排放标准,还造成燃油浪费。
4、汽油机做功冲程的功率浪费问题。现有汽油机的活塞运行到上止点时才点火,此时缸压处于最大,且活塞连杆和曲轴几乎处于垂直线上,做功时大部分动力抵消在曲轴的固定螺丝上,这是最大的内部能量消耗,并且随着活塞下行空间的增大,做功气体压强也迅速下降,导致做功行程动力消减太快,抵消过程还会使活塞撞击缸壁产生燃烧噪音以及造成缸体和活塞不必要的磨损。
现有柴油机问题:
1、柴油机高缸压与高压共轨技术的排放问题。柴油机为了让柴油进缸容易点燃都采用高缸压,即使达到了22:1的燃烧比还不够理想,于是博士公司开发高压共轨系统,在大幅增加喷油压力使其提高雾化有利燃烧的情况下,还在做功行程做预喷油燃烧提高缸内温度以后再主喷油,让主喷油燃烧更干净。目前这样的设计还是存在问题,原来的粗放认识,柴油喷入遇到高温气体马上就开始燃烧,然而实际柴油喷射后就会产生冷量降低缸内空气温度,使本已经极化的压缩温升效果降低,冷油喷入的瞬间油头开始燃烧但尾油温低呈黑烟颗粒化,这也是目前最先进的高压共轨柴油机要安装尿素黑色颗粒捕捉器的原因。
2、柴油机的堆积燃烧问题。现有的高压共轨都设置了预喷油的供油系统,进气以及压缩冲程一次完成进气和压缩,在活塞压缩冲程完成开始预喷油点火的时候,喷射进缸的油料雾颗粒度再怎么雾化,也没有助燃剂氧气分子细小,油雾的燃尽速度远逊于氧气的消耗速度,预喷油点火就已经消耗大部分氧气,到主喷油的时更需要相应的助燃剂氧气,但此时缸体内已经过度消耗氧气,导致主喷油量在预喷油造成的高温缺氧环境气体里勉强燃烧,我们把这个情况称之为“烧炭效应”,这也是造成黑颗粒排放的主要原因,导致油料动力转换利用低下。
3、柴油机排量小型化问题。现在世界上可以生产1.3L排量的4缸发动机只有意大利的菲亚特,其他车企还没有做出过符合排放且相同缸数低于1.3L的发动机,因为低于1.3L要做4缸发动机就要减小缸径和行程,这样压缩比不能无限制的提高,就不能保证压缩温度,如果做太高压缩比,又会在全油门的时候爆燃损坏发动机,要是不提高缸压又会怠速缸内失火,这是个两难的问题,太高的压缩比也是柴油机历来的毛病,不能像汽油机那样做高功率,所以要柴油机小型化产业化必须解决以上问题。
发明内容
针对现有技术的不足,本发明所要解决的技术问题是提出了一种工作平稳、节能降耗的六冲程逐步添加式燃烧汽柴油发动机。
能够解决上述技术问题的六冲程逐步添加式燃烧汽柴油发动机,其技术方案包括至少两个气缸体,对应于各气缸体,设有气缸盖封闭气缸体的上口,所述气缸盖上设有进气口、排气口和喷油嘴,设有由曲轴连杆机构带动的活塞于气缸体内上、下往复运动,所不同的是对于加油门工况,第一气缸体内活塞的运动包括循环往复的怠速进气、压缩、爆炸做功、排废气、主进气和向第二气缸体给气的六个冲程,第二气缸体内活塞的运动包括循环往复的排废气、主进气、向第一气缸体给气、怠速进气、压缩和爆炸做功的六个冲程,所述爆炸做功冲程中伴随着少量多次的进油量,对于添加燃料为汽油,所述怠速进气冲程中伴随着怠速进油量;对于怠速工况,第一气缸体内活塞的运动包括循环往复的怠速进气、压缩、爆炸做功、排废气、自进气和自排气的六个冲程,第二气缸体内活塞的运动包括循环往复的排废气、自进气、自排气、怠速进气、压缩和爆炸做功的六个冲程,对于添加燃料为汽油,所述怠速进气冲程中伴随着怠速进油量。
第一气缸体和第二气缸体之间通过管路相互给气,所述管路连通于第一气缸体和第二气缸体之间,或管路连通于第一气缸体的气缸盖燃烧室与第二气缸体的气缸盖燃烧室之间。
所述管路上设有电磁控制阀,在怠速工况,电磁控制阀处于常闭状态(避免第一气缸体和第二气缸体之间串气),在加油门工况,对应于第一气缸体活塞的爆炸做功冲程(与之对应的是第二气缸体活塞的向第一气缸体给气冲程)和第二气缸体活塞的爆炸做功冲程(与之对应的是第一气缸体活塞的向第二气缸体给气冲程),所述电磁控制阀分别开启导通管路。
所述电磁控制阀的开启时机为第一气缸体与第二气缸体之间的压力平衡,通过第一气缸体与第二气缸体内分别设置的压力传感器进行压力平衡检测。
对于加油门工况,所述爆炸做功冲程中,气缸体内活塞下行3/4行程时停止进油。
通过设于曲轴连杆机构上的曲轴传感器检测气缸体内活塞3/4的下行行程。
上述结构的发动机的燃料为汽油和柴油均可,使用汽油作为燃料时,所述气缸盖上设置火花塞。
使用柴油作为燃料时,所述气缸盖上无需配置火花塞。
本发明发动机可采用多个气缸体,所述气缸体的个数为2的偶数倍,其中的两两气缸体配对使用。
本发明的有益效果:
1、本发明解决了传统汽油发动机燃烧温度问题。从传统汽油发动机的一次进气入手,把爆炸做功冲程的一次进气改成,先怠速量进气后压缩至上止点点火,等曲轴转到约10点钟位置开始持续进气同步多次小油量喷油,这样解决了燃料和氧气助燃剂过多的拥挤在燃烧室的狭小空间内,造成燃烧室温度过高(1700度)的问题,怠速油量进气冲程的怠速进油进气量,由于油少气少只能产生少许热量,之后的多次(7~8次)进气进油也是这个原则,由于是添加燃烧还有利于将上一次没有燃烧干净的燃料再次燃烧干净,最后的喷油动作在进气结束的时候,进气还在持续到与做功行程一起完结,有利于最后四分之一冲程,将燃烧剩下的极少油料用富氧环境燃烧干净,由于多次少量喷油,不会产生1700度的高温了,也就不会产生氮氧化合物。
2、本发明解决了传统汽油发动机压缩比问题。一缸爆炸做功冲程的第一次怠速供油量,点燃后活塞下行,等二缸主供气时一缸喷油嘴开始持续少量主供油,就可以将设计高压缩比和燃烧爆震的矛盾关系进行切割,可以获得既有头次点火的高压缩比的高缸压,又有良好有利于主燃烧的大空间(点燃怠速供油活塞下行让出的空间),大空间又可以用怠速进油进气的燃烧过的膨胀气体填充保存缸压,该设计可以使做高压缩比但不爆震,压缩比只和怠速进气量冲程和爆炸做功冲程初期有关系,这样我们可以把怠速进气量与燃烧室,按15︰1来设计压缩比(甚至更高的压缩比),这样可以用更加经济的油耗来做发动机怠速运转,以及推动活塞为主燃烧创造出良好的燃烧空间,由于爆炸做功冲程的主持续添加进气量和汽油在活塞下行之后,这个供油供气过程根本不受高压缩比狭小燃烧室的影响,可以保证气缸做功冲程的主持续添加进气量和进油,不会像传统汽油机堆积燃烧而产生1700℃的高温,不会因为超高压缩比产生爆震了,这样的怠速油量工作的高压缩比,还可以赋予发动机在高寒地带良好启动性。
3、本发明解决传统汽油发动机氧气与油燃烧不同步问题。传统汽油机由于一次性进气喷油,压缩,点火爆炸,油雾颗粒度粗,其燃尽速度远逊于氧气的消耗速度,这就造成了目前不理想的碳氢化合物排放,是目前汽油机动力和燃油转换效率发展的矛盾体之一,没有完全燃烧的油料随碳氢化合物排放掉了,没有做功不算还造成燃油浪费,解决的办法让另外一个缸进主要做功气体,让燃烧的这个缸做怠速进气(在发动机怠速至节气门全开的最大工况情况下,都保证怠速进气量喷油量不变),在第一次怠速进气进油点火后,推动曲轴到10点的位置(这个位置相当于活塞做功冲程下降了四分之一),如果做功缸是一缸的话,才开始从紧挨着的二缸通过联通的电磁阀控气道向一缸进行主进气供气,同时一缸喷油嘴持续小油量7次~8次喷油,这个时候每次的燃烧油料,都有相应量的新鲜空气持续助燃,避免了传统汽油机的堆积式燃烧,油和气燃烧时消耗速率不一致的根本问题,尽量做到精确供油供气,特别在做功行程最后四分之一已经停止了喷油但还保持新空气进入,让剩余的没有燃烧完全的油料继续燃烧干净,这个时候即使是富氧燃烧,由于主燃料(没有完全燃烧的剩余燃料)量非常少不足以造成高温,从而良好的遏制碳氢化合物形成和排放,在一缸燃烧做功排气以后,进入主进气冲程,然后反向向二缸燃烧做功冲程进气做相同动作。
4、本发明解决了传统汽油发动机做功冲程的做功浪费问题。活塞到上止点点火的只是最少的怠速油量点火,等活塞下降到大概做功行程的四分之一时(曲轴转到大约10点钟位置)才开始主做功供气以及油料供给,活塞连杆和曲轴不再是处于垂直线上,这样曲轴相对于曲轴轴心为优良的杠杆力臂点,并逐步转进至强大的9点钟方向,相对于传统汽油机不在最有杠杆力的上止点点火,少抵消很多做功,发动机不仅力大了还节省燃料,而且随活塞下行空间增大,持续添加的做功空气与喷油继续保持做功气体持续增强,解决了传统汽油机后行程做功压强消减太快的顽症,持续添加燃烧的过程温和,使活塞减少了撞击缸壁和燃烧噪音,消除了缸体和活塞不必要的磨损。
5、本发明解决了传统柴油发动机高缸压+高压共轨技术的排放问题。本发明设置了比传统柴油机更高的压缩比,这个压缩比也是按照怠速进气量的22:1设计的(或更高),这个高压缩比燃烧室是专门给全功况下的任何时候的怠速进油进气量使用的,这就切割了高压缩比和主做功全工况的关系,使本发明(柴油机类型)获得既有初次压燃的高压缩比的高缸压,又有良好有利于主燃烧的大空间(点燃怠速供油活塞下行让出的空间),大空间用怠速进油量进气量的燃烧过的膨胀气体填充,这样的设计可以使主燃烧获得良好宽松的燃烧空间,破除老式发动机获得高压缩比就影响做高转速和高功率的障碍。
6、本发明解决了传统柴油机的堆积燃烧问题。当一缸压缩点燃了怠速进油进气量以后,活塞下行至约四分之一(曲轴位置约10点方向),二缸供气缸开始持续主进气和做功缸多次(7~8次)的小油量主喷油,避免了像博士高压共轨供油系统,只精确控油不精确控气的尴尬燃烧局面(主喷油之前由于预喷油富氧燃烧而消耗大部氧气导致缺氧碳化燃烧),柴油如果缺氧或燃烧环境温度不够,就会生成大量黑色烟碳颗粒的生成,本发明做功冲程配合新空气持续供气以及多次小油量喷油,其燃烧环境温度和油的比例优于博士系统的三次喷油,特别是其第二次主喷油量较大的喷油更不容易燃烧干净,再也不会出现改进后的主喷油的炭烧效应。
7、本发明解决了柴油机排量小型化问题。本发明利用怠速油量点火使活塞下行,这样可以得到巨大燃烧空间可以用于主燃烧,避开了传统柴油机全功况下最高压缩比的燃烧室空间限制,如果传统柴油机为了照顾压缩冲程获得更高的温度有利于点燃油料,将失去开发大转速高功率柴油机的机会,反之把燃烧室放大降低压缩比,则容易冷车难以启动怠速失火,所以四缸车用传统柴油机最小只能做1.3L排量,而且不能做高功率,本发明可以提高怠速压缩比,缩小直径和缸体行程(减小了排量),为小排量大转速高功率低排放柴油机的设计制造打下坚实的基础。
附图说明
图1为本发明一种实施方式的结构示意图。
图号标识:1、第一气缸体;2、气缸盖;3、曲轴连杆机构;4、活塞;5、第二气缸体;6、管路;7、电磁控制阀;8、压力传感器;9、进气口;10、排气口;11、喷油嘴;12、火花塞;13、曲轴箱。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
图1所示为本发明六冲程逐步添加式燃烧汽柴油发动机的一种实施方式,表示为一种汽油发动机,发动机有2的偶数倍个气缸体,两两气缸体配对使用,图1所示的两个配对使用的气缸体分别定义为第一气缸体1和第二气缸体5。
单个的气缸体中,气缸体的上口由气缸盖2封闭,气缸盖2上开设有进气口9和排气口10、设置有喷油嘴11和火花塞12,气缸体的下口连接曲柄箱13,所述曲柄箱13内设有曲轴连杆机构3(曲轴带动连杆),气缸体内配合有活塞4,所述活塞4与曲轴连杆机构3的连杆铰连;发动机启动时,曲轴连杆机构3的运动转化为活塞4在气缸体内作上、下的往复运动,活塞4运动的上止点与气缸盖2之间的腔室定义为燃烧室,活塞4运动的下止点与气缸盖2之间的腔室定义为进气室,如图1所示。
第一气缸体1和第二气缸体5内分别设有压力传感器8,所述压力传感器8的设置位置处于燃烧室,对应于燃烧室位置,第一气缸体1和第二气缸体5之间通过管路6导通,所述管路6上设有电磁控制阀7;第一气缸体1和第二气缸体5所对应的曲轴连杆机构3中,两曲轴之间的相位角相差180°,致使第一气缸体1和第二气缸体5中的活塞4均为反向运动,即第一气缸体1的活塞4下行时第二气缸体5中的活塞4上行,第一气缸体1的活塞4上行时第二气缸体5中的活塞4下行,如图1所示。
一、在加油门工况,第一气缸体1内活塞4的循环往复运动设定为怠速进气、压缩、爆炸做功、排废气、主进气和向第二气缸体5给气的六个冲程,第二气缸体5内活塞4的循环往复运动定义为排废气、主进气、向第一气缸体1给气、怠速进气、压缩和爆炸做功的六个冲程(相互之间冲程的对应关系见下表1);所述怠速进气冲程中伴随着怠速进油量,所述爆炸做功冲程中伴随着少量多次的进油量。
表1
具体的:
1、第一气缸体1的第一冲程(怠速进气)中,活塞4下行,进气口9通入怠速进气量(排气口10关闭),与之相配合,喷油嘴11喷出怠速进油量。
相对应的,第二气缸体5的第一冲程(排废气)中,活塞4上行,将爆炸做功产生的废气通过排气口10排出(进气口9关闭)。
2、第一气缸体1的第二冲程(压缩)中,活塞4上行(进气口9和排气口10关闭),将混合的怠速进气和怠速进油进行压缩。
相对应的,第二气缸体5的第二冲程(主进气)中,活塞4下行,进气口9通入满缸气(排气口10关闭)。
3、第一气缸体1的第三冲程(爆炸做功)中,火花塞12点火(进气口9和排气口10关闭),活塞4下行,气缸体内的压力由压力传感器8进行检测。
相对应的,第二气缸体5的第三冲程(向第一气缸体1给气)中,活塞4上行(进气口9和排气口10关闭),气缸体内的压力由压力传感器8进行检测。
当检测到第一气缸体1和第二气缸体5内的压力平衡时(第一气缸体1的1活塞4已下行约1/4行程,曲轴转到约10点钟位置),电磁控制阀7接收信号开启,将管路6导通,活塞4将第二气缸体5内的满缸气向第一气缸体1压送,使得第一气缸体1内不断有空气补充,伴随着空气的补充,喷油嘴11以每次相同的少油量多次喷油,汽油不断的燃烧爆炸,活塞4持续稳定做功。
通过设于曲轴连杆机构3上的曲轴传感器检测气缸体内活塞4的下行行程,在气缸体内活塞4下行3/4行程时喷油嘴11停止喷油。
4、第一气缸体1的第四冲程(排废气)中,活塞4上行,排气口10打开(进气口9关闭),将废气排出汽缸体。
相对应的,第二气缸体5的第四冲程(怠速进气)中,活塞4下行,进气口9打开(排气口10关闭)通入怠速进气量,与之相配合,喷油嘴11喷出怠速进油量。
5、第一气缸体1的第五冲程(主进气)中,活塞4下行,进气口9打开(排气口10关闭)通入满缸气。
相对应的,第二气缸体5的第五冲程(压缩)中,活塞4上行(进气口9和排气口10关闭),将混合的怠速进气和怠速进油进行压缩。
6、第一气缸体1的第六冲程(向第二气缸体5给气)中,活塞4上行(进气口9和排气口10关闭),气缸体内的压力由压力传感器8进行检测。
相对应的,第二气缸体5的第六冲程(爆炸做功)中,火花塞12点火(进气口9和排气口10关闭),活塞4下行,气缸体内的压力由压力传感器8进行检测。
当检测到第一气缸体1和第二气缸体5内的压力平衡时(第二气缸体5的1活塞4已下行约1/4行程,曲轴转到约10点钟位置),电磁控制阀7接收信号重新开启,将管路6导通,活塞4将第一气缸体1内的满缸气向第二气缸体5压送,使得第二气缸体5内不断有空气补充,伴随着空气的补充,喷油嘴11以每次相同的少油量多次喷油,汽油不断的燃烧爆炸,活塞4持续稳定做功。
通过设于曲轴连杆机构3上的曲轴传感器检测气缸体内活塞4的下行行程,在气缸体内活塞4下行3/4行程时喷油嘴11停止喷油。
由此可见,第一气缸体1和第二气缸体5在各自的一个六冲程循环中交替爆炸做功,第一气缸体1和第二气缸体5不断循环爆炸做功,向外持续输出动力。
二、在怠速工况(电磁控制阀7始终处于关闭状态,不受压力传感器8的信号影响),第一气缸体1内活塞4的循环往复运动设定为怠速进气、压缩、爆炸做功、排废气、自进气和自排气的六个冲程,第二气缸体5内活塞4的循环往复运动定义为排废气、自进气、自排气、怠速进气、压缩和爆炸做功的六个冲程(相互之间冲程的对应关系见下表2);所述怠速进气冲程中伴随着怠速进油量。
表2
具体的:
1、第一气缸体1的第一冲程(怠速进气)中,活塞4下行,进气口9通入怠速进气量(排气口10关闭),与之相配合,喷油嘴11喷出怠速进油量。
相对应的,第二气缸体5的第一冲程(排废气)中,活塞4上行,将爆炸做功产生的废气通过排气口10排出(进气口9关闭)。
2、第一气缸体1的第二冲程(压缩)中,活塞4上行(进气口9和排气口10关闭),将混合的怠速进气和怠速进油进行压缩。
相对应的,第二气缸体5的第二冲程(自进气)中,活塞4下行,进气口9通入满缸气(排气口10关闭)。
3、第一气缸体1的第三冲程(爆炸做功)中,火花塞12点火(进气口9和排气口10关闭),活塞4下行。
相对应的,第二气缸体5的第三冲程(自排气)中,活塞4上行,气缸体内的满缸气通过排气口10释放(进气口9关闭)。
4、第一气缸体1的第四冲程(排废气)中,活塞4上行,排气口10打开(进气口9关闭),将废气排出汽缸体。
相对应的,第二气缸体5的第四冲程(怠速进气)中,活塞4下行,进气口9打开(排气口10关闭)通入怠速进气量,与之相配合,喷油嘴11喷出怠速进油量。
5、第一气缸体1的第五冲程(自进气)中,活塞4下行,进气口9打开(排气口10关闭)吸入满缸气。
相对应的,第二气缸体5的第五冲程(压缩)中,活塞4上行(进气口9和排气口10关闭),将混合的怠速进气和怠速进油进行压缩。
6、第一气缸体1的第六冲程(自排气)中,活塞4上行,排气口10打开(进气口9关闭),气缸体内的满缸气从排气口10释放。
相对应的,第二气缸体5的第六冲程(爆炸做功)中,火花塞12点火(进气口9和排气口10关闭),活塞4下行。
由此可见,怠速工况时的第一气缸体1和第二气缸体5在各自的一个六冲程循环中交替爆炸做功,第一气缸体1和第二气缸体5不断循环爆炸做功,使发动机在怠速状态下稳定运转,不死火。
发动机一旦加油,怠速工况随即进入加油门工况,第一气缸体1和第二气缸体5呈现出如表1所述的工作状态;发动机丢油,加油门工况随即变为怠速工况,第一气缸体1和第二气缸体5呈现出如表2所述的工作状态。
对于柴油发动机,第一气缸体1和第二气缸体5的怠速进气冲程中没有怠速进油量,压缩冲程中只是对气体的压缩,所述的怠速进油量(喷油)发生在爆炸做功的开始阶段,所述的喷油被高压高温的压缩气体压燃。