CN1099100A - 有限温度循环内燃机 - Google Patents

Abstract

一种以开式热力循环工作的膨胀腔室活塞式内 燃机，包括一个带有一定容(等容)阶段接着一个定温 (等温)阶段的燃烧过程。

Description

本发明涉及一种内燃机，特别是一种以开式热力循环工作的可膨胀腔室活塞发动机。

汽车和发动机的制造商，燃料喷射装置的供应商，以及实际上整个社会都有实现高效率的运输的愿望。产生动力的燃烧过程与那些产生污染的过程之间的平衡是通过提高发动机的基本工作效率来很好地获得的。

众所周知，理想的卡诺循环对于给定的较高和较低的工作温度而言均是最有效的发动机循环，其中等温加热和绝热与等熵压缩和膨胀结合在了一起。然而，由于非常高的压缩比（大于50∶1）需要产生足够大的功率，因此卡诺循环对于膨胀腔室活塞发动机并不适用。此外，能够利用高效率的卡诺过程的实际过程将是本领域的一个进步。

大多数实用的发动机，即占主导地位的发动机，都是奥托循环发动机，它包括伴随着非控制燃烧的燃料-空气混合物的压缩过程。众所周知，对于一个给定的压缩比而言，标准的奥托循环是最有效的膨胀腔室活塞发动机循环，因为奥托循环将高的峰值温度与输入热量的实际平均温度结合到了一起。但是，奥托发动机的高峰值燃烧温度会导致部分燃料空气混合物自燃，使发动机产生噪音并损坏发动机，也会产生过多量的NOx。

以前，奥托循环发动机的自燃是通过向燃料中加入化学添加剂，诸如铅化合物（已被法律禁止），锰化合物（会造成火花塞处的沉积，导致点火失败），苯（其使已被立法机关禁止）或者燃料重新配制来消除，以防止有害的自燃影响环境。自燃也可以通过限制燃烧温度来消除，这既可以通过采用降低压缩比的方法（既降低功率也降低效率），也可以通过废气再循环，稀混合物燃烧或者层状进气技术来实现，所有这些都将导致功率损失。

对于通常公路上的使用，受排气约束的载入轿车的发动机其压缩比被限制在大约10∶1。大于这个限制，增加的燃料控制系统的成本以及废气催化转换器的更多铂或铑的价格的增加就会超过高压缩比的好处。能够让奥托压缩过程在高于10∶1的压缩比下工作的技术将是本领域的一个进步。

由高压缩比表示的一种奥托循环的改进是标准的荻塞尔循环，它包括等温加热和等容（定容）绝热与等熵压缩及膨胀的结合。该标准荻塞尔循环通过在压缩过程中只使用空气而在燃烧过程的一部分中将燃料与进气进行混合来克服奥托循环燃料辛烷值的限制。这使得其不仅可以使用低辛烷值燃料，而且必需要低辛烷值燃料（增强自燃）。然而，在上述标准荻塞尔循环的等温过程中发现其不能实行，因为需要极高的压缩比（50∶1），而且要用到一个预加热过程（定压或者等压的）。

标准荻塞尔循环的另一个变化是其标准有限的压力循环包括等容与等压加热过程的结合，以及等容绝热与等熵压缩及膨胀过程的结合。其燃烧过程可让发动机在中等压缩比下工作（对于大的开式燃烧室发动机而言为14∶1到17∶1），也可以在高压缩比下（对于小气缸工作容量的发动机而言为20∶1至25∶1）。

当荻塞尔型发动机达到最高效率时，由于其高压缩比，它比同样工作容量的奥托发动机都重，功率都低。另外，所有的荻塞尔型直喷式发动机都具有点火滞后，而降低了对燃烧过程的控制及其效果。克服这一点火滞后的一种方式是在点火之前预先将燃料加热到1500°R。这会在喷射中产生自燃，但却是一种不实用的方法，因为喷射器喷嘴的工作寿命很短。

混合式发动机的工作已经发展到综合了柴油机与点燃式发动机的特点的程度，但这对于公路上应用则被证明不实用。这些混合过程例如包括：Texaco的TCCS，福特的PROCO，里卡多，MAN-FM以及KHD-AD。所有的均使用开式燃烧室。直接喷射火花塞点火发动机，采用层状进气技术以改善效率。这些改进的发动机均存在由于点火滞后而带来的较大功率损失，进气未能充分利用以及燃料/空气进气混合不良的问题。

由于存在现有技术的限制，就产生了获得一种在发生的功率，燃料效率，产生的污染及污染控制之间通过使用更加实用的热力过程的燃烧实现更好的平衡的内燃机。

本发明基本上满足了上述需求并且通过应用一种新的热力过程的燃烧限制了其最高燃烧温度，从而能使内燃机的高压缩比，给定燃料的高功率输出或低峰值温度下工作。

概括地说，根据一个实施例，本发明是通过控制内燃机中直接喷射系统的燃料量和喷射时刻以便形成一个由等容（定容）阶段及等温（定温）阶段构成的燃烧过程来实现的。这样实现的发动机有限温度循环可以在给定燃料或给定NOx的排放限度下采用高一些的压缩比，从而通过燃料/空气的测量或对发动机实际测试数据的分析得到较通常低压缩比的奥托循环更高的实际热效率。

另外，这样实现的有限温度循环可以在给定压缩比下以较少的燃料量获得高的功率输出及低的NOx的产生率。

根据本发明的另一方面，它提供了一种新的操作膨胀腔室活塞式内燃机产生有限温度燃烧的方法。该发动机包括至少一个气缸，其上构成有燃烧室有相应活塞，该活塞带有一上止点中心位置;一个工作循环，它包括：一进气冲程，一压缩冲程和一膨胀冲程;还有一个燃料供给系统。按照本发明的操作发动机的方法，它包括以下步骤：首先，通过喷入使进气完全燃烧所需总燃料量的一个或多个不连续的量的预定一小部分形成一种预定的燃料/空气混合物;接着，在活塞位于上止点时点燃如此供入的较稀的燃料/空气混合物，这一燃烧的第一阶段进而包括一是等容或定容的过程。用于定容过程的燃料供入量会产生一个大大降低的工作流体温度，如3300度兰金温度或者更少，即使在高压缩比下。最后，在作功冲程的开始时，供入完全燃烧所需燃料总量的第二部分（以一个或多个不连续量的方式）。由第二部分的供入导致的燃烧是一个等温过程。该等温过程在大大低于具有相同或者较低压缩比的奥托循环发动机所达到的温度下发生。从而限制了NOx的排入而且这种降低是在低于现有系统的成本下获得的。

本领域的技术人员会了解，本发明的方法是在输入热量或者燃烧过程的第一阶段采用了奥托过程，而在热量输入或者燃烧过程的第二阶段采用了卡诺过程。将本发明的工作循环与用理想燃料/空气的标准奥托循环进行分析比较显示出了一个意想不到的优点：发动机的总工作效率（给定压缩比下）采用本发明的有限温度循环在考虑到高的温度损失时比采用奥托循环的要高。在给定压缩比下的这种效率的增加是由于降低循环温度而获得的好处。

本发明的另一个优点是它可以让发动机以比本发明的发动机所能够做到的更加有效地工作（在更高的压缩比下）。最现成的汽车发动机用汽油其燃烧质量为辛烷值90，这通常将很多公路上使用的发动机的压缩比限制在10∶1。由于辛烷值间接地与高燃烧温度相关（高燃烧温度需要高的辛烷值），而本发明降低了工作温度，这样本发明就可以通过采用更高的发动机压缩比而取得在发动机效率方面的相应收益。

简而言之，本发明的方法可以让一台实用的发动机采用理想的过程：在等温燃烧过程中，热能直接转化为功。本发明采用现有的发动机设计和材料，并可以通过修改现有内燃机使之具有所需的压缩比以及安装适当的燃料供给系统来实施。

本发明的更进一步的目的、优点及特性将结合附图从对最佳实施例的详细说明中变得更为显著，其中：

图1是利用本发明的原理的四冲程内燃机的部分简示图;

图2是可用于图1的电磁操纵燃料喷射器的侧视剖视图，该喷射器包括一个根据本发明来提供燃料喷射空间及喷射率的柱塞凸轮;

图3是根据本发明的一个典型工作状态的（1）燃料喷射器柱塞升程相对于发动机曲轴转角，（2）喷射出的燃料容积相对于发动机的曲轴转角之间的曲线;

图4表示的是压力容积及相应的发动机循环曲线，进一步解释了本发明的这种循环;

图5A-5C共同描绘出了分析本发明的发动机循环及计算发动机性能和其它工作参数的步骤的流程图;

图6是表示定温燃烧所供燃料的百分比，在两个最大温度3300°R和4000°R下相对于压缩比之间的曲线图：

图7是在根据本发明的3300°R的最高温度下工作的放热率与曲轴转角之间的曲线图;

图8所示为相应于本发明的另一实施例的压力容积及相应发动机循环的曲线。

参见图1，它示出了一台常规进气四冲程点燃式发动机10用于讲解本发明。对于本领域的一般技术人员应该了解，本发明的优点也可以应用到二冲程点燃式发动机中，以及不论其是涡轮增压还是普通增压的发动机中。另外，虽然图1中作为例子显示的是一台单缸机，但应明白本发明发动机特别适用的是具有多个缸的。

发动机10包括一个机体12，一个气缸盖14和一个气缸16，气缸16带有一个可在气缸16中的上下止点之间往复运动从而给其限定出一个燃烧室20的活塞18。活塞18的往复运动通过连杆22和曲轴组件24转换为旋转运动，所有这些均是公知的。而正如下面要详细说明的那样，根据本发明，发动机10的压缩比将大大高于传统自动点火内燃机的。例如，当传统内燃机的压缩比为8∶1到10∶1时，用于讲解本发明的发动机的压缩比则可到18∶1。

该发动机10还包括一空气进气系统26，该系统带有一位于气缸盖14中的空气进气阀28。阀28与排气阀（图1中未示出）一道由传统的凸轮轴30及相应阀门传动机构32驱动。气缸盖14还带有一火花塞34，通过公知的装置控制其加电及定时。

参见图2，燃料由燃料喷射系统36供入发动机10中，该系统精确地调节燃料/空气混合物从而控制燃烧及废气排放。燃料喷射系统36带有电动燃料喷射泵38，它安装在气缸盖14中或相邻处并可通过喷射管路40和喷嘴41直接向燃烧室20喷入预定量的燃料，该喷嘴41设置在燃烧室20内邻近火花塞34处。例如，喷射泵38可以采用AMBAC国际公司制造的200型喷射装置，它带有如下所述的改进凸轮并附加有电磁线圈44。喷射泵38具有一个溢流阀42，它通过弹簧43施压，由电磁驱动装置（SDU）46加电的电磁线圈44驱动克服弹簧的压力。驱动装置46由电子控制装置48（ECU）进行控制，而后者通过适当的传感器检测选定的发动机工作状态，诸如进气和排气管压力，发动机速度，点火起燃位置、节气门位置，发动机温度等等。表示这些状态的电信号由入口50送入控制装置48中。如公知技术中所述，基于多个入口50的电子控制装置则计算出燃料通过喷射泵38喷入燃烧室20的时刻和数量。

燃料以一个足够高到产生适当流动并防止在持续高温工作期间燃料系统中出现蒸汽的压力通过一供给泵（未示出）经一燃料管路52供入到燃料喷射装置38中。当电磁线圈44由电磁驱动装置46加电时，阀42被关闭，由于柱塞54的移动是公知的，因而喷出的燃料量只通过改变该喷射器的脉冲宽度来控制，即靠阀42被保持关闭的时间来控制。

喷射泵38包括一个由凸轮56驱动的活塞式泵油柱塞54，凸轮则带有一凸轮随动表面或凸轮的凸出部分58与柱塞54贴合;凸轮是以发动机曲轴速度旋转的。

如图3所示，凸轮56具有一个型线，作为曲轴转角的函数，具有一自基圆62开始经180°的曲轴转角移动到达大约1/2英寸的最高升程的第一线性部分60以及一在60°曲轴转角内回到基圆的第二线性部分64。

图3表示了一台单独的在典型工作状态下，即有限温度循环的节气门开度较大的四冲程发动机的燃料喷射表，该发动机的压缩比为18∶1，峰值温度大约为3300°R。图4的燃料喷射表显示了两个燃料容积A和B的连续喷射。正如已经阐明的那样，燃料容积A和B只是喷射器38动作时的状态，由电子控制装置48限定。

通常燃料喷射泵是以凸轮轴的速度运动，即发动机曲轴转速的二分之一。在这里，图2中所示的实施例的泵是以发动机的曲轴转速转动的，该实施例具有其凸轮凸部分58，它基本上是从发动机进气冲程开始时（0°）开始提升的。这提供了在进气冲程的第一喷射容积（如图3中A所示），与奥托发动机相似。泵的凸轮56在发动机的压缩冲程（360°）末期完成其第一个旋转。泵的凸轮56的下个旋转将会在作功冲程期间以产生定容燃烧的方式喷射第二燃料容积（容积B）。

燃料容积A在进入冲程的活塞18于上止点后约10°到120°之间喷射，它包括要使反应空气完全燃烧所需的总燃料量的56%。差不多在压缩冲程的末尾（360°或上止点），第二容积B喷入，它包括用于完全燃烧所需的总燃料量的剩余的44%，这一第二次喷射在TDC后的约60°结束，即大约420°。从举例上考虑火花塞34的点火主要是在上止点前的5°至10°。

基于喷入的容积A燃料/空气混合物的燃料包括一第一燃烧阶段，如同标准的奥托循环，是一个定容过程。当然这个第一燃烧阶段将会含有很稀的混合物，在没有所述的第二燃烧阶段时，将明显导致发动机功率的降低。燃料容积B的燃烧则以基本上定温的方式进行，即，等温从而提供出功率及效率。它确定出该第二燃烧阶段产生的温度被限制到少于既使是最大压缩比，例如8∶1或者10∶1的标准奥托循环发动机所达到的温度。这样，本发明的有限温度循环确保了设计者大大地增加给定燃料的发动机的压缩比，例如到大约18∶1，从而获得众多的优点，包括高效率和高功率，派生出高压缩比的而又没有高温，爆震及排放问题的发动机。

用于定容燃烧的多数燃料是预先混合的，通常有50%到90%。该第一过程是与燃烧过程期间第二部分燃料的供给相结合的，这种结合是有一定比率的，即第一，限制最大压力，第二，限制最高汽缸温度。

本发明的发动机循环具有高于同样热量输入平均温度的卡诺循环的热效率。

图4显示了三个发动机循环图表（压力与容积，温度与容积，温度与熵），包括本发明两个最大燃烧室温度（Tmax），的有限温度循环的例子，即3300°R和4300°R。第一例（Tmax＝3300°R）是由图4中点1-2-3-4-5-1确定的曲线，而第二例（Tmax＝4300°R）则是由点1-2-3′-4′-5′-1确定的。在图4中，轨迹1-2是18∶1的等熵压缩，轨迹2-3和2-3′是在第一例中用空气完全燃烧所需燃料的56%的定容燃烧过程。轨迹3-4和3′-4′是在第一例中用剩下的44%的燃烧的等温过程。轨迹4-5和4′-5′是等熵膨胀过程，而轨迹5-1和5′-1是定容排气过程。

利用图5A-5C的理想燃料/空气分析，图4中的两个例子的每个点的状况或状态便可以按下面方式计算：

第一例

CR＝18.0 T_max＝3300°R

点1-在BDC处的初始状态，进气冲程：

P1＝14.7 绝对压力磅/英寸²

V1＝50.3英寸³

T1＝530°R

N＝2000RPM

N_s＝.95

F/A＝.0416

M_a＝130磅/小时

LHV＝18，300英国热单位/磅

N_v＝100%

NCOMB＝100%

点2-接着的等熵压缩（轨迹1-2）：

K_a＝1.37

C_v（air）＝.186英国热单位/磅质量°R

V2＝V1/CR＝ 50.3/18 ＝2.79英寸³

P2＝P1( (V1)/(V2) )^K＝14.7（18）^1.37＝771绝对压力磅/英寸²

WC＝C_v（T1-T2）＝.186（530-1597）＝-198英国热单位/磅质量点3-接着的限制温度燃烧@等容（轨迹2-3）：

T₃＝Tmax＝3300°R

P3＝P2（T3/T2）＝（771）（ 3300/1597 ＝1593绝对压力磅/英寸²

C_V（ex）＝.242英国热单位/磅质量°R

V3＝V2＝2.79英寸³

Q_CV＝C_V（T3-T2）＝.242（3300-1597）＝412英国热单位/磅质量

M_f＝F/A（Ma）＝（.0416）（130）＝5.408磅/小时

Q_tot＝（M_f）（LHV）＝（5.408）（18，300）＝98.966英国热单位/小时

Q

＝ ((N_C)(QTOT))/((1+OFAR)(TMA)) ＝ (（1.0）（98.966）)/(（1.0416）（130）) ＝731英国热单位/磅质量

Q_cv/Q_cycle＝412/731＝56.4%←%在C.V处的波峰

点4-接着的等温燃烧和膨胀（轨迹3-4）：

Q_ct＝Q_CYCLE-Q_CV＝731-412＝319英国热单位/磅质量（43.6%在C.T处

T4＝T3＝3300°R

V4＝（V3）e

＝（2.79）e (（319）（778）)/(（53.4）（3300）) ＝11.41英寸³

P4＝P3（ (V3)/(V4) ）＝1593（ 2.79/11.41 ）＝389绝对压力磅/英寸²

W_CTE＝ (（R）（T4）)/(J) （1n (P3)/(P4) ）N_T＝ (（53.4）（3300）)/778 1n（ 1593/389 ）（.95）＝303英国热单位/磅质量

点5-接着的等熵膨胀（轨迹4-5）：

K_ex＝1.26

C_pex＝.325

C_vex＝.25

V₅＝V₁＝50.3英寸³

T5＝T4[1-N_s（1-（ (V4)/(V5) ）^K-1）]＝3300[1-.95（1- (11.41^1.26-1)/50.3 ）]＝2297°R

P5＝P4（ (V4)/(V5) ）^Kax＝389( 11.41/50.3 )^1.26＝60绝对压力磅/英寸²

W_EX＝C_V（T4-T5）＝.25（3300-2297）＝251英国热单位/磅质量

第一例循环的性能概略：

W_net＝WC+WEXT+WEX＝-198+303+251＝356英国热单位/磅质量

IHP＝ ((1+F/A)(Ma)(Wnet))/2545 ＝ (（1.0416）（130）（356）)/2545 ＝18.94马力

IMEP＝ (（792，000）（IHP）)/(（N）（V1-V2）) ＝ (（792000）（18.94）)/(（2000）（50.3-2.79）) ＝158绝对压力磅/英寸²

N_cyc＝ (W_net)/(Q_tot) ＝ 356/731 -48.7%

第二例

点1-在BDC处的初始状态，进气冲程：

与第一例相同

点2-接着的等熵压缩（轨迹1-2）：

与第一例相同

点3'-接着的限制温度燃烧@等容（轨迹2-3'）：

T_3′＝Tmax＝4300°R

P3′＝P2（T3′/T2）＝（771）（ 4300/1597 ）＝2076绝对压力磅/英寸²

C_V（exh）＝.242英国热单位/磅质量°R

V3′＝V2＝2.79英寸³

Q_cv＝C_V（T3′-T2）＝.242（4300-1597）＝654英国热单位/磅质量

M_f＝F/A（Ma）＝（.0416）（130）＝5.408磅/小时

Q_tot＝（M_f）（LHV）＝（5.408）（18，300）＝98.966英国热单位/小时

Q

＝ ((N_C)(QTOT))/((1+OFAR)(TMA)) ＝ (（1.0）（98,966）)/(（1.0416）（130）) ＝731英国热单位/磅质量

Q_cv/Q_cycle＝654/731＝89.5%←%在C.V处的波峰

点4'-接着的等温燃烧和膨胀（轨迹3'-4'）：

Q_ct＝Q_CYCLE-Q_cv＝731-654＝77英国热单位/磅质量（10.5%在C.T处

T4′＝T3′＝4300°R

V4′＝（V3′）e ＝（2.79）e (（77）（778）)/(（53.4）（4300）) ＝3.62英寸³

P4′＝P3′（ (V3′)/(V4′) ）＝2076（ 2.79/3.62 ）＝1600绝对压力磅/英寸²

W_CTE＝ (（R）（T4′）)/(J) （1n (P3')/(P4') ）N_T＝ (（53.4）（4300）)/778 1n（ 2076/1600 ）（.95）＝72.9英国热单位/磅质量

点5'-接着的等熵膨胀（轨迹4'-5'）：

K_ex＝1.26

C_pex＝.325

C_vex＝.25

V_5′＝V₁＝50.3英寸³

T5′＝T4′[1-N_s（1-( (V4')/(V5') )^K-1）]＝4300[1-.95（1- (3.62^1.26-1)/50.3 ）]＝2.275°R

P5′＝P4′( (V4')/(V5') )^Kax＝1600（ 3.62/50.3 ）^1.26＝58绝对压力磅/英寸²

W_EX＝C_V（T4′-T5′）＝.25（4300-2275）＝506英国热单位/磅质量

第二例循环的性能概略：

W_net＝WC+WEXT+WEX＝-198+72.9+506＝381英国热单位/磅质量

IHP＝ ((1+F/A)(Ma)(W_net))/2545 ＝ (（1.0416）（130）（3.81）)/2545 ＝20.27马力

IMEP＝ (（792，000）（IHP）)/(（N）（V1-V2）) ＝ (（792000）（20.27）)/(（2000）（50.3-2.79）) ＝169绝对压力磅/英寸²

N_cyc＝ (W_net)/(Q_tot) ＝ 381/731 ＝52%

在本发明的另一个实施例中，等容过程所供的燃料可以是能够产生4000度兰金温度工作流体的量，稍少于由非强制燃烧的，剩余的燃料的供给则成比例地在作功冲程期间增加容积，产生等温燃烧。

图6是两个最大燃烧温度下（3300°和4000°R），所提供的用于等温燃烧的燃料百分比与从8∶1到24∶1压缩比范围之间的函数曲线图。

图7是最高燃烧温度量3300°R（上述第一例）的放热率与发动机曲轴转角之间的函数曲线图。该曲线图的第一部分70表示等容过程（图4中的轨迹2-3）的放热率，曲线图的第二部分72表示等温过程（图4中的轨迹3-4）的放热率。

再次参见图3，本领域的普通技术人员就会明白，本发明可以通过安排第一次喷射（体积A）发生在压缩冲程的开始时而第二次喷射（体积B）则如同四冲程发动机那样进行从而简单地应用到双循环发动机中。在双循环应用中，凸轮凸出部位的作用部分必需从压缩冲程的起点延伸到等温燃烧过程的终点。由于这是一个具有提升斜道的非有效部分的延伸过程，可采用一个凸轮上的等直径部分以避免凸轮凸出部分的总尺寸过高。

本领域的技术人员应当明白，不用燃料喷射泵（如图2所示），也可以使用电磁控制的喷射器装置，或者还可以用一个由定流量高压泵供给的带有由电磁线圈单独控制的喷射器的供道式燃料喷射系统。再有，对于本领域技术人员而言很明显，可以用压电机构来代替电磁线圈产生所需的短暂的喷射器加电时间（即很小的燃料量）。压电机构也可以用来产生高强度的喷射控制，因为这种喷射器可用于喷射多个不连续的量，结果其过程将更加紧随着标准等温过程的轨迹。根据再一个可选择的方案，以用一个压电装置代替喷射器装置中的泵油柱塞，从而取消了用凸轮驱动喷射器的需求。为了实现压电机构的这种实际应用，压电机装置要通过电子控制装置起动很多次（例如，100次），以便让实用型压电元件喷射出所需的总燃料量。

应该了解，图4中所示的工作曲线是理想过程。发动机实际轨迹将由于正时，热量及磨擦损失而偏离所示理想循环一段距离。这些因素在循环曲线中将通过例如圆角及工作曲线的移动来表露出来。

为了实施本发明，也可以为喷射器添加一个标准的化油器燃料供给系统。参见图3的实施例，通过这种系统，化油器提供第一个量（体积A），而喷射器则提供第二个量（体积B）。然而也可以使用一个喷射器供给两个燃料量以降低成本。

本发明也可以在不同的负载，不同的工作状态下，在同一台发动机上实现奥托，荻塞尔，稀混合气燃烧或者层状进气的发动机工作过程的结合。

在一些应用中会有一个值来限制最大的气缸压力。在这种情况下，本发明可以利用下面的一个实施例：在这个等容燃烧、等压燃烧和等温燃烧的结合。在这个实施例中，燃料在等容过程中以使其达到最佳压力限度的量供入。然后热量在等压状况下增加，直至达到一个最佳的有限温度。剩下的热量则等温加入。这一实施例的举例在图8的工作曲线中示出。参见图8，根据这一实施例工作的发动机包括以下工作轨迹：轨迹1-2是一等温压缩过程，在此期间供入燃料。燃料在压缩过程中很早供入有两个作用：第一，蒸发热降低了压缩功，第二，燃烧温度因供给燃料引起的冷却成比例地降低，第三，早期喷射可有一个时间使预燃在点火时刻之前发生。从而减少点火滞后（对于荻塞尔或其它主要直喷混合系统都是个很大的问题）。轨迹2-3是一个等熵压缩过程，已经作过讲解;轨迹3-4是一个等容燃烧过程，通过协调燃料量A（图3）限制其最大压力在一个预定值以内;轨迹4-5是一个定压，即等压过程，由燃料的小部分B（图3）表示的第一部分提供，该部分具有使等压过燃烧持续到达预定最高燃烧温度的量;轨迹5-6是一个在预定最高燃烧温度下的等温燃烧过程;轨迹6-7是一个等熵膨胀过程;轨迹7-1是一个等容排气过程。每次燃料的供入均包含一个或多个分散的量，以便尽量紧随标准工作过程。

再次参见图3，通过将总燃料量的第一部分（体积A）再细分为一个或更多的分散喷射燃料部分从而实现了本发明的再一个实施例。例如，如果使用两个这样的部分，它们将被标为部分A′和A″，这两个部分的总和等于体积A。根据该实施例，第一燃料部分A′，包含总燃料量的40%，将在从10°到80°的发动机曲轴转角期间喷射，而第二燃料部分A″，包含总燃料量的16%，将在从320°到350°的发动机曲轴转角期间喷射。该实施例为第一燃烧阶段提供了化学上适合的燃料/空气混合物包围住火花塞，用来延长不燃烧限度，即通过在第一燃烧阶段避免未燃烧氧的存在进一步降低NOx的产生。

应当明确，本发明可以使用各种燃料，诸如天然气，柴油，汽油和甲醇，也可以采用多重燃料，例如让天然气用在等容放热过程而让柴油用在等熵放热过程，将二者结合起来。

Claims (11)

1、一种操作膨胀室活塞式内燃机产生有限温度燃烧的方法，该发动机具有(1)至少一个气缸以及相应的构成燃烧室的活塞，该活塞带有一上止点中心位置，(2)一个工作循环，它包括：一进气冲程，一压缩冲程和一膨胀冲程，(3)还有一个燃料供给系统，所述方法包括以下步骤。

通过喷入使进气完全燃烧所需总燃料量的一个预定的部分，在燃烧室中形成一种预定的燃料/空气混合物；

在活塞位于上止点时点燃所述燃料/空气混合物；

在作功冲程的开始时，供入完全燃烧所需燃烧总量的第二部分，

其中，首先供入的燃料所形成的燃料/空气混合物的燃烧基本上是一个等容过程，

其中，由第二部分的供入导致的燃烧基本上是一个等温过程。

2、如权利要求1所述的方法，其特征在于：燃料是通过直接喷射供入的。

3、一种点燃式内燃机，包括一个燃烧室，所述发动机具有一个工作循环，该循环包括一个热量输入阶段，该阶段则包括一个基本等容的燃烧过程，接着是一个基本上等温的燃烧过程。

4、如权利要求3所述的点燃式发动机，其特征在于：它包括一个将燃料在相应于进行所述基本等容燃烧过程和等温燃烧过程的阶段直接喷入所述燃烧室中的装置。

5、如权利要求4所述的点燃式发动机，其特征在于它包括：与用与控制喷射的安排、时间和速率的所述燃料喷射装置以操作的方式相连接的一个装置，所述控制装置提供出了：

（1）第一次喷射，由一个或多个不连续的量构成，包括将进气完全燃烧所需的燃料总量的一个预定的部分，所述燃料第一喷射量的燃烧构成了所述的基本等容的燃烧过程。

（2）第二次喷射，由一个或多个不连续的量构成，包括完全燃烧所需的燃料总量的第二个部分，所述燃料第二喷射量的燃烧构成了所述基本等温的燃烧过程。

6、如权利要求5所述的点燃式内燃机，其特征在于：所述第二部分包括完全燃烧所需燃料总量的剩余部分。

7、如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述总燃料的第一预定部分是在压缩冲程期间供入的，以提供一个等温压缩过程。

8、如权利要求7所述的方法，其特征在于：

所述第一预定部分的燃烧被限制在一个预定的最大压力;而其中

供入总燃料的第二部分以便提供：第一，等压燃烧直到达到预定的最高燃烧温度，第二，在所述预定最高温度下等温燃烧。

9、一种操作内燃机的方法，所述发动机包括一个膨胀燃烧室，并具有一个包括一压缩过程接着是一个膨胀过程的工作循环，它具有一个热量输入阶段，该方法包括将燃料在所述压缩过程期间供入燃烧室中的步骤，如此供入的燃料的蒸发基本上转换了压缩功。

10、一种操作膨胀腔室活塞式内燃机获得高的热效率的方法，该发动机具有（1）至少一个气缸以及相应的构成燃烧室的活塞，该活塞带有一上止点中心位置，（2）一个工作循环，它包括一压缩冲程和一作功冲程，（3）还有一个燃料供给系统，所述方法包括以下步骤：

通过喷入使进气完全燃烧所需总燃料量的一个预定的部分在燃烧室中形成一种预定的燃料/空气混合物;

压缩所述燃料/空气混合物到一个不使之发生自燃的状态;

在活塞位于上止点时点燃所述燃料/空气混合物;

在膨胀冲程的开始时，供入完全燃烧所需燃料总量的第二部分;

在膨胀冲程的期间，供入完全燃烧所需燃料总量的第三部分;

其中，首先供入的燃料所形成的燃料/空气混合物的燃烧是一个等容过程;

其中，在等容过程期间工作压力低于一个预定值;

其中，在等容过程期间工作温度低于一个预定值;

其中，由第二部分的供入导致的燃烧是一个等压过程。

其中，在等压过程期间工作温度始终保持在低于一个预定的温度;

其中，供入燃料的第三部分所形成的燃烧是一个等温过程;

其中，在等温过程期间工作温度始终保持在低于一个预定的温度;

其中，预定的工作温度低于燃烧室中燃料/空气混合物的燃烧温度;

其中，压缩冲程中该第一燃料部分的供入和蒸发实质上导致了压缩功的转换。

11、如权利要求10所述的操作内燃机的方法，其特征在于：最后所述的预定工作温度低于大约4300°R。

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