CN106304839B - 带有预冷压缩的二冲程内燃机 - Google Patents

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Abstract

本“二冲程”内燃机具有单次或多次预冷压缩，能高度控制发动机气缸摄入气体的温度和气压，可实现更高的压缩比和压缩气体燃前压力，同时实现温度在自燃点以下。由于此设计能有效调控、设定空气与燃料混合物的最高燃前温度，本内燃机可燃烧任何液体碳氢燃料，并避免爆震。由于本“二冲程”内燃机具有更高的压缩比，它比四冲程“CWPSC”内燃机的效率更高，在外形更小更轻巧的情况下，它甚至比四冲程内燃机的功率更高。

Description

带有预冷压缩的二冲程内燃机
相关申请
本申请要求申请号为14/285,169的美国非临时性专利申请的备案日期(2014年5月22日)利益。此申请号为14/285,169的申请是美国非临时性专利申请14/200,234(备案日期2014年3月7日)的部分继续申请。
发明领域
本发明涉及内燃机领域，具体来说涉及“二冲程”火花点火内燃机领域(SI-ICE)。
发明背景
通过使用带有预冷压缩(CWPSC)的“二冲程”内燃机(下称“二冲程CWPSC内燃机”)，可提高带有预冷压缩(CWPSC)的四冲程汽油内燃机(该发明已于申请号为14/279,580的申请中披露并详细描述)的效率。由于本内燃机有更小的体积，更少的曲轴转动，故发动机气缸内的摩擦力较小，能量流失也较少，因此相较于四冲程内燃机，本内燃机结构更紧凑，体积更小，也更有效率。带有预冷压缩发动机的四冲程汽油内燃机(下称“四冲程CWPSC内燃机”)的所有优点，本内燃机均具有。
发明内容
与四冲程CWPSC内燃机相似，本“二冲程”CWPSC汽油内燃机具有传统的四个冲程：进气冲程、压缩冲程、做功冲程，以及排气冲程。区别在于，四冲程CWPSC内燃机中，这四个冲程是在曲轴转动两圈之内完成的，而在本二冲程内燃机中，这四个冲程是在曲轴转动一圈之内完成的。本二冲程内燃机的压缩比(CR)被选定为24，即CR＝24。因此，做功冲程在曲轴转动的0°到166°之间完成，排气阀打开之时也意味着做功冲程结束。排气冲程在曲轴转动的166°到281°(具体度数是CR值的函数，即内燃机参数的函数，可能轻微变动)之间完成。这时，进气冲程已经开始，这是由于进气阀在此之前已经开启(在276°时或之前几度，具体度数是内燃机参数的函数，可能轻微变动)，随后，排气阀将在曲轴转动281°时关闭。进气冲程在曲轴转动276°到294°(具体度数是CR值的函数，即内燃机参数的函数，可能轻微变动)之间完成，这时，进气阀将关闭。
这种内燃机里进行的是一种受迫进气冲程，因为它不像传统内燃机那样，依靠活塞向下朝下止点移动时创造出的真空来完成吸气过程。进气过程中，这种发动机的活塞向上朝上止点移动，这时气缸内的剩余气体压强接近大气压，低于进气口外经过压缩的气体气压，因此气体就被压入汽缸中。此时，由于此前的排气冲程，绝大多数的废气已经漏出气缸，缸内剩余废气气压接近大气压。因为在曲轴转动276°到281°(会依情形略微变化)时，进气阀打开的同时排气阀正在关闭，气缸中的气体被挤出，这一部分被挤出汽缸的气体积由进气阀和排气阀运动重合时间的长短决定。进气阀关闭时，曲轴转动到294°，也就是活塞从下止点到上止点行进到约2/3的位置，这时，活塞在汽缸中只能再行进1/3的长度。活塞继续向上运动，将空气与燃料的混合物加压到引燃前的压力。压缩冲程是曲轴从294°转动到360°或者0°位置(具体度数是CR值的函数，即内燃机参数的函数，可能轻微变动)。压缩冲程是气体压缩过程的延续，压缩过程发生在压缩单元，随后这一过程被热交换单元中压缩气体的冷却打断。压缩冲程结束时，空气与燃料的混合物被火花点燃，燃烧产生的能量使活塞向下运动，进入前文所述的做功冲程。
此种带预冷压缩内燃机的压缩气缸容量等于发动机气缸的容量。举例来说，本内燃机的发动机气缸容量Ve为1/2升，压缩气缸容量Va因此也为1/2升，即Ve＝Va。为了更简单明了地和四冲程CWPSC内燃机进行比较，考虑到本二冲程内燃机的两个完全燃烧循环或两圈完整曲轴转动，将发动机气缸容量Ve和压缩气缸容量Va设为其真实大小的两倍，即1升。如前文所述，本二冲程CWPSC内燃机的大小是标准四冲程CWPSC内燃机大小的一半，同时和四冲程内燃机的输出功率大小一致。据前文讨论的二冲程内燃机来看，其进气量Vt只有发动机容量Ve的3/10，即Vt＝0.3Ve，因为此时发动机内容量较小，因此压缩机将压缩气体。应用气体绝热过程公式，P(V)γ＝常数(气体压缩系数γ为1.3)，压缩机将在压力为Pc时压缩气体：
Pa(Va)1.3＝Pc(Vc)1.3
(1)(1)1.3＝Pc(0.3)1.3
Pc＝4.78巴
应用混合气体定律(Combined Gas Law),压缩气体温度Tc可如下计算：
PaVa/Ta＝PcVc/Tc
(1)(1)/300＝(4.78)(0.3)/Tc
Tc＝430°K＝157℃
应用混合气体定律，并将压缩气体冷却、保持在318°K，进气气压Pt将随即变小，具体计算如下：
PcVc/Tc＝PtVt/Tt
(4.78)(0.3)/430＝Pt(0.3)/318°
Pt＝3.53巴
这些压缩气体以及空气与燃料混合物将在上文提到的曲轴转动276°到294°间的进气冲程中进入发动机内，占据3/10的发动机气缸容量Ve。此过程中，进气阀保持开启，气体高速进入发动机气缸，将剩余废气推出，与此同时，排气阀将在曲轴转动到281°时闭合。我们将这个过程视为等压过程，因为发动机气缸进气量Vt＝0.3升，比其他所有储气空间以及风冷散热器容量都要小，同时压缩机也在不断压缩气体。进气温度Tt将保持恒定的318°K(45℃)，不受周围温度的影响。比如，在本内燃机中，当进气冲程结束时，即曲轴旋转到294°时，发动机气缸内的空气与燃料混合物的温度为27℃，气压为3.53巴，进入发动机气缸的气体温度为恒定的318°K。
随着气缸向上朝上止点运动的同时并转向360°或0°，空气与燃料混合物在其运动到上止点点燃前将受到压缩。选定压缩比CR＝24，那么压缩室体积Vi＝1升/24＝0.042升，进气量为Vt＝0.3升，压缩混合物点燃前的压力Pi可用气体绝热过程公式计算：
Pt(Vt)1.3＝Pi(Vi)1.3
(3.53)(0.3)1.3＝Pi(0.042)1.3
Pi＝45.48巴
压缩混合物内燃前的温度Ti可用混合气体定律计算：
PtVt/Te＝PiVi/Ti
(3.53)(0.3)/318＝(45.48)(0.042)/Ti
Ti＝574°K＝301℃
此CR值为24的内燃机运行时，混合气体燃前压力大约为46巴，周围温度为27℃，如以上的计算结果所示，压缩混合气体燃前温度为恒定的301℃，此温度比标准火花点火内燃机的燃前温度低(该燃前温度为314℃，前文详细比较的申请号为14/279,580的四冲程CWPSC内燃机有描述)。利用本原理可实现任何所需的燃前温度，塑造任何发动机，燃烧任何燃料，因此能够在不牺牲效率的前提下塑造出多燃料发动机。
如果假设燃烧室中燃料混合物的燃烧所消耗的能量将温度提高，压力Pf也随之提高2.5倍，同时假设燃烧室容量Vi在点燃过程中保持不变，那么温度Tf可用如下混合气体定律公式计算：
PiVi/Ti＝PfVf/Tf
(45.48)(0.042)/574＝(113.7)(0.042)/Tf
Tf＝1,435°K
其中，Pf为燃烧结束后的气压，比Pi高2.5倍，Vf为燃烧结束后的发动机容量，Tf为燃烧结束后的气体温度。如果进一步考虑到燃烧过程十分迅速，因此燃烧过程中发动机燃烧室容量Vf＝Vi＝0.042升。
再考虑此发动机做功的过程，当气体压缩指数为1.3时，通过应用气体绝热过程公式可算出废气气压Px:
Pf(Vf)1.3＝Px(Ve)1.3
(113.7)(0.042)1.3＝Px(0.985)1.3
Px＝1.88巴
由于做功冲程在曲轴转动到大约166°时结束，做功冲程中发动机气缸容量Ve略小于1升，等于0.985升。
通过应用混合气体定律公式，能算出排气冲程前的废气温度Tx:
PfVf/Tf＝PxVe/Tx
(113.7)(0.042)/1,435＝(1.88)(0.985)/Tx
Tx＝556°K
因此，本二冲程内燃机的废气气压Px＝1.88巴，废气温度Tx＝556°K。
图片3A和图片3B展示了二冲程CWPSC内燃机(容量为0.5升、压缩比CR为24)的气压-容量图(P-V diagram)，以与四冲程CWPSC内燃机进行比较，其中：
a–发动机压缩消耗的“功”＝1.96PV/2冲程，
b–发动机点火获取的“功”＝8.17PV/2冲程，
c–排气时无法获取继而流失的“功”＝1.06PV/2冲程，
d–通过燃烧燃料发动机获得热量，气压提高2.5倍，
e–发动机获取的“功”＝4.48PV/2冲程，
f–压缩机消耗的“功”＝1.09PV/2冲程，
g–进气气体冷却前流失的“功”＝0.635PV/2冲程。
简单来说，本发动机的效率为E＝4.48/5.54＝81％，比四冲程CWPSC内燃机“版本I”要高，这是由于每个完整的冲程循环中，本发动机的曲轴都少转动一圈，也因此发动机内的摩擦力更小。相较于四冲程CWPSC内燃机，本内燃机运行更加安静、流畅，因为做功冲程在曲轴转动一圈内完成，而不是两圈内完成。此简化后的效率计算公式忽略了因摩擦而流失的动力，发动机内的热量流失，以及废气达到1巴气压时的温度。
附图说明
图1为原理图，图解本发明“带有预冷压缩的二冲程内燃机”。
图2为原理图，图解本发明的“二冲程”内燃过程，并展示本内燃机中曲轴在每个冲程循环的细节。
图3A和3B为原理图，图解本发明的“二冲程”内燃过程，并展示曲轴转动两圈过程中的气压-容量图。
具体实施方式
图1中，描绘了单气缸、带预冷压缩的二冲程内燃机的原理图20。发动机区域1，包含了一个预压缩气缸2，一个发动机气缸(即发动机气缸)8，以及一个风冷热交换器4。此模型中，发动机气缸8和压缩机2与同一个曲轴9和飞轮17相连接。由于此“二冲程”内燃机的四冲程内燃过程19，压缩机2将在每个完整内燃循环中完成一次做功冲程。因此，发动机气缸8和压缩机气缸2应该大小一致。因此，每个内燃循环中，压缩机2将摄入、压缩与发动机气缸容量一致的空气量。虽然发动机气缸容量与压缩机气缸容量一致，等同于压缩机气缸容量的空气在压缩机中仍受到压缩，这是因为本模型中发动机气缸在进气冲程中只有1/3的容量可用。空气受到压缩后，经由带有气压控制阀5的储气缸3，流向一个热交换单元，此时风冷散热器4中的风扇已经将空气的温度降到大约318°K，空气体积不会变大。此模型中，压缩空气经过风冷散热器4时，已经达到目标进气气压Pt＝3.53巴和温度318°K。随后，空气进入高压缸6，准备进入发动机气缸8，也就是进气冲程。可选择性安装的废气扇22将帮助清出排气系统中的剩余废气。
如上文所述，因为此二冲程内燃机的进气为一种受迫进气过程，可能需要一个单独的小型电压缩机，另外可能需要一个能快速运转的备用高压储气缸为其它储气缸预备施压，以消除气压差，启动发动机(未展示)。
图2中，此单气缸“二冲程”内燃机的四冲程循环包括一个简短的进气冲程11，在曲轴转动276°到294°时(可能轻微变动)完成，压缩冲程14在大约294°到360°或0°时(可能轻微变动)完成，做功冲程12在0°到166°时(可能轻微变动)完成，排气冲程15在66°到281°时(可能轻微变动)完成。压缩比CR10为24：1。
压缩机气缸2和发动机气缸8相对容量的选择是为了达到设计的压缩气压值。图片1的模型中，发动机气缸8为1/2升，压缩机气缸2也为1/2升，因此，每个做功冲程内，压缩机2都将摄入、压缩1/2升空气。如果空气的气压为Pa，温度为Ta，那么应用气体定律可算出压缩后空气气压Pc大约为4.78巴，温度Tc大约为157℃。通过增加压缩机气缸2容量相对于发动机气缸8容量，或者改变压缩空间14大小，能提高Pc与Tc的数值以达到所需的更大设计值。本设计中，压缩空间14等于整个发动机气缸8容量的1/3。
气压为Pc，温度为Tc的压缩空气储存在预备储气缸3中，储气缸上带有气压控制阀5，以保持气压Pc不变。随后，储气缸3中的压缩空气被释放到风冷散热器4中，此过程中，气体体积不变。散热器18的散热速度由风扇速度控制。
在压力感应器5数值和散热器前的节流阀21的基础上，散热速度的控制可由一个中央处理器(CPU，未展示)调节，以达到发动机气缸的目标进气温度Tt。基于燃料的自燃温度，以及发动机的设计压缩比CR＝10，选定合适的进气温度Tt能避免爆震。此外，可通过程序控制中央处理器，进而控制散热，实现发动机气缸进气的不同温度Tt，以避免在不同压缩比和(或)不同燃料自然温度的情况下，发动机发生爆震。
图3A和图3B图解本单气缸“二冲程”内燃过程中四冲程循环的气压-容量图。压缩比CR＝24，发动机气缸容量Ve＝1/2升。假想的1.6升发动机气缸容量代表的是一个不存在的气缸容量，此时为达到废气气压为1巴，发动机气缸必须向下伸展，而不管此时的废气温度Tex是什么，发动机都无法做更多功。此气压-容量图代表了，当有效发动机容量等于1升时(2*Ve＝1升)，2个完整的发动机循环，或2圈完整的曲轴转动，发动机所能做的功。
为了使废气气压达到1巴，也就是大气气压，这个不存在的发动机容量大小Vex可如下计算：
Pf(Vf)1.3＝Pa(Vex)1.3
(113.7)(0.042)1.3＝1(Vex)1.3
Vex＝1.60升
当发动机容量为不存在的1.6升时，在排气冲程开始前，应用混合气体定律公式可计算出假想的废气温度Tex：
PfVf/Tf＝PaVex/Tex
(113.7)(0.042)/1,435＝(1)(1.60)/Tex
Tex＝481°K
其中，为了尽可能多的获取功，此时假想的发动机气缸容量为Vex，Pa为大气气压。
根据此气压-容量图，本发动机的简化效率为81％，也就是发动机所做功的总和除以发动机在假想的1.6升气缸中做功时流失的功。此简化的效率计算公式忽略了因摩擦损失的功，热量流失，以及气压达到大气气压，即1巴时的废气气温，如上文所述，此时发动机容量为假想值，气温为481°K or 208℃，因为此时气体虽然还有温度但已经不能继续做功。

Claims (6)

1.一个“二冲程”火花点火式内燃机，包括：
一个或多个发动机气缸，每个气缸有一个总气缸容量，一个进气量，一个上止点，和一个下止点，并且每个气缸具有一个或多个进气阀和一个或多个排气阀，每个气缸中有一个往复运动的活塞，活塞与一个曲轴和一个飞轮机械地相连接；其中曲轴，进气阀和排气阀被配置和控制，使得每个气缸执行一个双冲程燃烧过程，包括一个做功冲程，其中进气阀和排气阀关闭，并且在此期间活塞轴向沿第一曲轴角度间隔向下止点移动，但不达到下止点；紧随其后的是排气冲程，在此期间进气阀保持关闭，排气阀打开，在此期间活塞继续轴向朝下止点方向移动，直到触及下止点，然后轴向沿第二个曲轴角度间隔向气缸的上止点移动，并且将一部分废气排出气缸，然后是组合的排气和进气冲程，在此期间进气阀打开,排气阀也保持打开，并且在此期间活塞继续通过第三曲轴角度间隔朝向气缸的上止点轴向移动，并且在此期间加压的进气通过打开的进气阀被吸入气缸，通过打开的排气阀排出剩余的废气；然后是一个进气冲程，在此期间,进气阀保持打开，排气阀关闭，并且在此期间，加压的空气和燃料混合物通过打开的进气阀被吸入气缸，同时，活塞沿过第四曲轴角度间隔朝向上止点轴向移动；随后的压缩冲程，在此期间进气阀关闭，排气阀也保持关闭，在此期间活塞继续轴向沿第五曲轴角度间隔朝气缸的上止点移动，将空气与燃料混合物压缩到燃前体积、气压以及温度；随后，空气与燃料混合物由火花点燃，随即推动活塞向下止点运动，开启下一个做功冲程，随后是一个排气冲程，并且其中进气量与压缩后的燃前体积之比为压缩比；
一个或多个预备空气压缩机，每个压缩机都连接到曲轴，并且每个压缩机都有一个压缩空气量，其中曲轴被配置和控制，使得压缩机将其中压力为大气压，温度为室温的空气压缩到进气前的体积、温度以及气压-超过2.1巴；
一个或多个散热器，每个散热器由中央处理单元(CPU)控制，该中央处理单元被配置和编程以调节散热器，压缩后的气体在散热器中冷却，体积不变大的情况下，气压变为1.8巴，温度至少降低50℃，以达到进气状态，与燃料混合，完成自燃；
其中，散热器由中央处理单元调控，不管室温为多少，进气气温因而得以保持恒定，并比压缩前气温大幅度降低。
2.根据权利要求1中所述的内燃机，其中所述散热器由中央处理单元调控，因此可将进气气温调节到不同的燃前温度，每个不同的燃前温度对应相应的压缩比，相应的自燃温度。
3.根据权利要求1或权利要求2中所述的内燃机，每个预压缩机都包含一个压缩气缸和一个压缩活塞，每个压缩气缸都有一个总气缸容量，一个上止点和下止点，而压缩活塞与曲轴和飞轮机械地相连接，并且其中曲轴被配置和控制，每个压缩气缸中都进行着一个两个步骤的压缩过程，此过程与二冲程内燃过程同时进行，压缩过程包含一个进气过程,该过程中活塞朝压缩气缸的下止点移动，摄入等量于压缩气缸容量的空气，随后是一个压缩过程，该过程中活塞朝压缩气缸的上止点移动，并将气缸中的空气压缩到进气前的储气缸里。
4.权利要求3所述的内燃机，其中每个燃烧气缸的进气量不等于每个燃烧气缸的总气缸容量。
5.权利要求3所述的内燃机，其中每个燃烧气缸的总气缸容量是活塞在下止点时气缸的容量，其中每个燃烧气缸的燃烧室容量是活塞在上止点时的气缸的容量，并且总气缸容量与燃烧室容量的比率定义为标称压缩比，并且此标称压缩比至少为18，并且其中第一曲轴角度间隔为从0°至大约166°，第二曲轴角度间隔约为从166°至约276°，第三曲轴角度间隔约为从276°至约281°，第四曲轴角度间隔约为281°至约294°，第五曲轴角度间隔约为294°至360°。
6.权利要求4中的内燃机，其中每个燃烧气缸的总气缸容量是活塞在下止点时气缸的容量，其中每个燃烧气缸的燃烧室容量是活塞在上止点时的气缸的容量，并且总气缸容量与燃烧室容量的比率定义为标称压缩比，并且此标称压缩比至少为18，并且其中第一曲轴角度间隔为从0°至大约166°，第二曲轴角度间隔约为从166°至约276°，第三曲轴角度间隔约为从276°至约281°，第四曲轴角度间隔约为281°至约294°，第五曲轴角度间隔约为294°至360°。
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