CN111636962A - 一种高压气体压燃式发动机 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种高压气体压燃式发动机，包括气缸缸体、活塞和缸盖，活塞安装于气缸缸体由缸盖封闭密封后形成用于燃料工作的燃烧室，缸盖上分别设有进气门和排气门；还包括：燃料供给系统，其燃料箱中的燃料经燃料通道并由泵体加压后供给至气缸缸体的燃烧室内；燃料喷射装置，用于将燃料喷射至进气门；压燃点火系统，其连接于排气道上或外部气源处并将燃烧室做功冲程排掉的部分尾气能量回收或吸入外部气源、并压缩后存储于压燃储气罐中，在缸盖上设有用来压燃燃烧室内喷入燃料的压燃气阀组件；将排掉的气体能量或外部气源增压成高压气体，不受燃料的抗爆震性能限制，用于燃烧室自动压燃点火，降低油耗和减少污染，有效提高压缩比和动力性。

Description

一种高压气体压燃式发动机

【技术领域】

本发明涉及内燃发动机技术，尤其涉及一种高压气体压燃式发动机。

【背景技术】

目前，作为安装在诸如轿车或卡车等车辆上的诸如汽油发动机或柴油发动机的内燃发动机，大多采用直接喷射式或缸内喷射式内燃发动机，在这种内燃发动机中，燃料直接喷射至燃烧室(气缸)中而不是喷射至进气口中。在所述直接喷射式内燃发动机中，当进气门开启时，从相应的进气口将空气吸入燃烧室中，并且，在进气行程期间或在活塞上升以便压缩进气的压缩行程期间，燃料喷射阀(喷射器)直接将燃料喷射至燃烧室中。因而，高压空气和雾状燃料彼此混合，且所得到的燃料～空气混合气被火花塞点燃以在燃烧室中燃烧做功。然后，当排气门开启时，废气经排气口排出。在直接喷射式内燃发动机的燃料系统中，电动低压燃料泵汲取燃料箱中的燃料并将所述燃料的压力升高至既定低压，并且高压燃料泵升高所述低压燃料的压力以提供高压燃料。随后，将高压燃料储存于输送管路中，且安装于所述输送管路上的多个燃料喷射阀(喷射器)以微粒形式将燃料喷射至相应的燃烧室中。

现有的直接喷射式或缸内喷射式内燃发动机，通过活塞压缩空气燃油混合气、再借助火花塞进行点火产生动能，即现有的发动机使用高压缩比来进行点火，空气燃油混合气有可能在压缩比还没达到最大时就点火成功，在压缩做工时受燃料的抗爆震的性能影响，一般的压缩比控制在8.5～9.5之间，压缩比再大，燃烧的空气燃油混合气再继续压缩，气缸工作时就容易产生爆震，进而出现爆缸，损坏整个发动机；因此，发动机在压缩行程时受燃料的抗爆震性能限制，压缩比不能设计高于燃料的抗爆震性能，造成汽车发动机在设计阶段，会根据压缩比设定所用燃油的标号，导致发动机存在动能损失过大的缺陷。

所以，压缩比是发动机的一个非常重要的结构参数，它表示活塞在下止点压缩开始时的气体体积与活塞在上止点压缩终了时的气体体积之比。从动力性和经济性方面来说，压缩比应该越大越好；压缩比高，动力性好、热效率高，车辆加速性、最高车速等会相应提高。但是，受气缸材料性能以及燃料燃烧爆震的制约，发动机的压缩比又不能太大。综上情况，高压缩比车动力性好、热效率高，车辆加速性、最高车速等会相应提高；反之，低压缩比车发动机压缩比较低，油耗大，车辆加速慢、无力。

【发明内容】

本发明针对压缩行程时受燃料的抗爆震性能限制，压缩比不能设计高于燃料的抗爆震性能问题，提供一种将做功行程排掉的能量回收，不受燃料的抗爆震性能限制，通过对回收气体增压至高压气体、用于自动压燃点火，降低油耗、减少污染物的排放量，有效提高压缩比、热效率、动力性和经济性的高压气体压燃式发动机。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种高压气体压燃式发动机，包括气缸缸体、活塞和缸盖，所述活塞安装于气缸缸体由缸盖封闭密封后形成用于燃料工作的燃烧室，缸盖上分别设有与进气道连通的进气门和与排气道连通的排气门；还包括：

燃料供给系统，其燃料箱中的燃料经燃料通道并由泵体加压后供给至气缸缸体的燃烧室内；

燃料喷射装置，其设置于所述燃烧室，用于将所述燃料喷射至燃烧室内；

压燃点火系统，其连接于排气道上或外部气源处并将所述燃烧室做功冲程排掉的部分尾气能量回收或吸入外部气源、并高压压缩后存储于压燃储气罐中，对应的缸盖上设有通过压燃管路与所述压燃储气罐连通、并将预存的高压气体喷射入燃烧室内并在做功冲程中用来压燃燃烧室内喷入燃料的压燃气阀组件；所述外部气源为外部空气、氧气、二氧化碳、氢气、氮气等可燃性气体。

进一步地，所述压燃点火系统包括至少一个废气涡轮、压燃储气罐和压燃气阀组件，所述废气涡轮、压燃储气罐和压燃气阀组件通过管路依次串联连接，所述废气涡轮通过管路连接于缸盖上排气门的排气道上，所述废气涡轮将所述燃烧室做功冲程排掉的部分尾气能量回收或吸入外部气源后、经涡轮增压后排入压燃储气罐中，所述压燃储气罐通过管路及压燃气阀组件在燃烧室做功冲程、活塞从气缸缸体上止点开始向下时压燃气阀组件打开并提供高压气源来压燃燃烧室内的可燃混合气。

进一步地，所述压燃点火系统包括两个废气涡轮、压燃储气罐和压燃气阀组件，两个废气涡轮、压燃储气罐和压燃气阀组件通过管路依次串联连接，缸盖侧的废气涡轮通过管路连接于缸盖上排气门的排气道上，缸盖侧的废气涡轮将所述燃烧室做功冲程排掉的部分尾气能量回收或吸入外部气源后、经涡轮增压后，再经过第二个废气涡轮涡轮增压后排入压燃储气罐中，所述压燃储气罐通过管路及压燃气阀组件在燃烧室做功冲程、活塞从气缸缸体上止点开始向下时压燃气阀组件打开并提供高压气源来压燃燃烧室内的可燃混合气。

进一步地，所述压燃气阀组件包括预存气阀、用于预存一定量压燃储气罐分流的高压气体来压燃燃烧室的预存冲压缸和压燃点火气阀，所述预存气阀通过管路与所述压燃储气罐连通，所述预存冲压缸内的工作气压大于气缸缸体内燃烧室的工作气压，所述压燃储气罐内存储的高压气体气压大于预存冲压缸内的工作气压，所述压燃点火气阀设置于所述预存冲压缸内并且通过开启预存冲压缸、将预存的高压气体喷射入燃烧室内并在做功冲程中用来压燃燃烧室内喷入的燃料；所述压燃储气罐分配至所述预存冲压缸的高压气体保持发动机在怠速状态下、所述预存冲压缸也可连续对所述燃烧室压燃点火。

进一步地，所述压燃气阀组件相对燃烧室供给的高压气体的压缩比不小于9.5；其中，根据燃烧室工作腔的大小、以及不同的燃烧燃料来适应调整压燃气阀组件相对燃烧室供给的高压气体的压缩比，以提供最大的能效比。

进一步地，所述废气涡轮还通过管路并联连接有当废气涡轮产生的气压不足时备用设置有对压燃储气罐进行辅助增压至设定值的机械增压器或\和电动机增压器。

进一步地，所述废气涡轮与所述压燃储气罐之间的管路上还设置有用于防止压燃储气罐内高压气源逆流至废气涡轮出口处的第一单向阀。

进一步地，所述压燃储气罐与所述压燃气阀组件之间的管路上还设置有用于防止压燃储气罐内高压气源逆流的第二单向阀。

进一步地，所述机械增压器或\和电动机增压器与所述压燃储气罐之间的管路上还设置有用于防止压燃储气罐内高压气源逆流至机械增压器或\和电动机增压器出口处的第三单向阀。

进一步地，所述压燃点火系统还包括至少一个脉动减小装置，该脉动减小装置将从所述废气涡轮的出口至所述压燃储气罐的管路通道长度设定为使得因所述废气涡轮运转而发生的气源脉动不会被传递至所述压燃储气罐。

本发明的有益效果是：

与现有技术相比，采用废气涡轮、机械增压器或电动机增压器，将做功冲程在排气行程排掉的能量，尽可能的最大地回收，并通过压燃储气罐和压燃气阀组件将存储的高压气体喷射入燃烧室内做功冲程中，用来压燃燃烧室内的可燃混合气；即在低于爆燃的条件下，在压缩行程完成后到做功冲程前，通过高压气体来压燃混合气体，来完成做功冲程中混合气体的压燃及带动活塞做功；这样，压燃气阀组件的预存冲压缸中预存压缩的是空气含量比较高的废气，不会出现爆燃而导致发动机损坏，使发动机在压缩行程时不受燃料的抗爆震性能限制，有效提高发动机的压缩比、热效率、动力性和经济性，同时降低油耗、减少污染物的排放量，有效的实现节能减排；其中，相比现有的往复活塞式发动机，采用压燃的方式，远高于现有发动机中40％左右的燃料利用率，有效的提高了发动机的燃烧效率。

因此，相较于现有的往复活塞式发动机，本发明采用替换现有的掉火花塞，采用冲压压燃的方式点火，通过高压缩比来提高热效率，在任何工况下，如大负荷、小负荷都可以用高压缩比进行点火，点火方式始终为冲压压燃，不会出现爆缸而导致发动机损坏，适用于多种标号汽油和柴油的共用，且对混合气的喷入方式采用电喷和直喷都可以用，适用性广，安全稳定，使用寿命长，工作效率高，更加省油，降低使用成本。

【附图说明】

图1是本发明实施例一的工作原理示意图；

图2是本发明实施例二的工作原理示意图。

【具体实施方式】

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

一种高压气体压燃式发动机，如图1所示，包括气缸缸体1、活塞2和缸盖3，该活塞2安装于气缸缸体1由缸盖3封闭密封后形成用于燃料工作的燃烧室4，燃烧室4内的压缩比10～25；缸盖3上分别设有与进气道连通的进气门5和与排气道连通的排气门6；该高压气体压燃式发动机还包括燃料供给系统7、燃料喷射装置8和压燃点火系统9，燃料供给系统7中将燃料箱70中的燃料经燃料通道并由泵体71加压后供给至气缸缸体1的燃烧室4内；该燃料喷射装置8设置于燃烧室4上用于将燃料箱70中的燃料喷射至燃烧室4内；该压燃点火系统9连接于排气道上并将燃烧室4做功冲程排掉的部分尾气能量回收、并高压压缩后存储于压燃储气罐中，对应的缸盖3上设有通过压燃管路10与压燃储气罐连通、并将高压气体喷射入燃烧室4内做功冲程中用来压燃燃烧室4内喷入燃料的压燃气阀组件92。

继续如图1所示，该压燃点火系统9包括废气涡轮90、压燃储气罐91和压燃气阀组件92，废气涡轮90、压燃储气罐91和压燃气阀组件92通过管路依次串联连接，废气涡轮通过管路连接于缸盖3上排气门6的排气道上，废气涡轮90将燃烧室4做功冲程排掉的部分尾气能量回收后、经涡轮增压后排入压燃储气罐91中，工作时，压燃储气罐91通过管路及压燃气阀组件92在燃烧室4做功冲程、活塞2从气缸缸体1上止点开始向下时压燃气阀组件92打开并提供高压气源来压燃燃烧室4内的可燃混合气。其中，由于受燃料的抗爆震的性能影响，现有技术中发动机的气缸压缩比控制在8.5～9.5之间，本发明中，由于采用压燃的点火方式，压燃气阀组件92相对燃烧室供给的高压气体的压缩比远大于9.5，当然，实际情况中，需要根据燃烧室工作腔的大小、以及不同的燃烧燃料来适应调整压燃气阀组件相对燃烧室供给的高压气体的压缩比，以提供最大的能效比。

继续如图1所示，该压燃气阀组件92包括预存气阀920、用于预存一定量压燃储气罐91分流的高压气体来压燃燃烧室4的预存冲压缸921和压燃点火气阀922，预存气阀920通过管路与压燃储气罐91连通，预存冲压缸921内的工作气压大于气缸缸体1内燃烧室4的工作气压，压燃储气罐91内存储的高压气体气压大于预存冲压缸921内的工作气压，该压燃点火气阀922设置于预存冲压缸921内并且通过开启预存冲压缸921、将预存的高压气体喷射入燃烧室4内并在做功冲程中用来压燃燃烧室4内喷入的燃料；而且，在工作过程中，该压燃储气罐91分配至预存冲压缸921的高压气体保持发动机在怠速状态下、预存冲压缸921也可连续对燃烧室4压燃点火。

同时，如图1所示，该废气涡轮90还通过管路并联连接有当废气涡轮90产生的气压不足时备用设置有对压燃储气罐91进行辅助增压至设定值的机械增压器93，当然机械增压器93也可以采用电动机增压器替换，在废气涡轮90与压燃储气罐91之间的管路上还设置有用于防止压燃储气罐91内高压气源逆流至废气涡轮90的第一单向阀94，在压燃储气罐91与压燃气阀组件92之间的管路上还设置有用于防止压燃储气罐91内高压气源逆流的第二单向阀95，在机械增压器93与压燃储气罐91之间的管路上还设置有用于防止压燃储气罐91内高压气源逆流至机械增压器93的第三单向阀96。

实施例二

如图2所示，该实施例与实施例一的不同之处在于，该压燃点火系统包括两个废气涡轮90、压燃储气罐91和压燃气阀组件92，两个废气涡轮90、压燃储气罐91和压燃气阀组件92通过管路依次串联连接，缸盖3侧的废气涡轮90通过管路连接于缸盖3上排气门6的排气道上，缸盖3侧的废气涡轮90将燃烧室做功冲程排掉的部分尾气能量回收后、经涡轮增压后，再经过第二个废气涡轮90’涡轮增压后排入压燃储气罐91中，压燃储气罐91通过管路及压燃气阀组件92在燃烧室做功冲程、活塞从气缸缸体1上止点开始向下时压燃气阀组件92打开并提供高压气源来压燃燃烧室4内的可燃混合气。同时，在缸盖3侧废气涡轮90出口的管路上还设置有用于防止高压气源逆流的第一单向阀94’，两个废气涡轮之间的管路上还设有防止第二个废气涡轮90’逆流的第四单向阀97。

另外，以上两个实施例中，压燃点火系统还包括至少一个脉动减小装置(图中未示)，该脉动减小装置将从废气涡轮的出口至压燃储气罐的管路通道长度设定为使得因废气涡轮运转而发生的气源脉动不会被传递至压燃储气罐；当然，该脉动减小装置还可为设置于废气涡轮的出口至压燃储气罐的管路通道中用于减小管路通道面积的节流器(图中未示)。

使用时，发动机按吸气、压缩、做功、排气四个冲程运行，到做功冲程时，当活塞2从气缸缸体1上止点开始向下时，压燃储气罐91和发动机气缸之间的压燃气阀组件92打开，高压气源进入发动机气缸缸体1内并压燃燃烧室4内的可燃混合气，混合气燃烧时放出大量热量，使气缸缸体1燃烧室4内的压力骤增，推动活塞2向下运动，在高压气体推动下活塞2向下止点移动，使曲轴旋转做功。最后排气冲程将可燃混合气燃烧后生成的废气排出，完成整个循环。

相较于现有的往复活塞式发动机，本发明采用替换现有的掉火花塞，采用冲压压燃的方式点火，通过高压缩比来提高热效率，在任何工况下，如大负荷、小负荷都可以用高压缩比进行点火，点火方式始终为冲压压燃，不会出现爆缸而导致发动机损坏，适用于多种标号汽油和柴油的共用，且对混合气的喷入方式采用电喷和直喷都可以用，适用性广，安全稳定，使用寿命长，工作效率高，更加省油，降低使用成本。

以上所述实施例只是为本发明的较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，凡依本发明之形状、构造及原理所作的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种高压气体压燃式发动机，包括气缸缸体、活塞和缸盖，所述活塞安装于气缸缸体由缸盖封闭密封后形成用于燃料工作的燃烧室，缸盖上分别设有与进气道连通的进气门和与排气道连通的排气门；其特征在于，还包括：

燃料供给系统，其燃料箱中的燃料经燃料通道并由泵体加压后供给至气缸缸体的燃烧室内；

燃料喷射装置，其设置于所述燃烧室，用于将所述燃料喷射至燃烧室内；

压燃点火系统，其连接于排气道上或外部气源处并将所述燃烧室做功冲程排掉的部分尾气能量回收或吸入外部气源、并高压压缩后存储于压燃储气罐中，对应的缸盖上设有通过压燃管路与所述压燃储气罐连通、并将预存的高压气体喷射入燃烧室内并在做功冲程中用来压燃燃烧室内喷入燃料的压燃气阀组件。

2.根据权利要求1所述的一种高压气体压燃式发动机，其特征在于：所述压燃点火系统包括至少一个废气涡轮、压燃储气罐和压燃气阀组件，所述废气涡轮、压燃储气罐和压燃气阀组件通过管路依次串联连接，所述废气涡轮通过管路连接于缸盖上排气门的排气道上，所述废气涡轮将所述燃烧室做功冲程排掉的部分尾气能量回收或吸入外部气源后、经涡轮增压后排入压燃储气罐中，所述压燃储气罐通过管路及压燃气阀组件在燃烧室做功冲程、活塞从气缸缸体上止点开始向下时压燃气阀组件打开并提供高压气源来压燃燃烧室内的可燃混合气。

3.根据权利要求1所述的一种高压气体压燃式发动机，其特征在于：所述压燃点火系统包括两个废气涡轮、压燃储气罐和压燃气阀组件，两个废气涡轮、压燃储气罐和压燃气阀组件通过管路依次串联连接，缸盖侧的废气涡轮通过管路连接于缸盖上排气门的排气道上，缸盖侧的废气涡轮将所述燃烧室做功冲程排掉的部分尾气能量回收或吸入外部气源后、经涡轮增压后，再经过第二个废气涡轮涡轮增压后排入压燃储气罐中，所述压燃储气罐通过管路及压燃气阀组件在燃烧室做功冲程、活塞从气缸缸体上止点开始向下时压燃气阀组件打开并提供高压气源来压燃燃烧室内的可燃混合气。

4.根据权利要求1至3任意一项权利要求所述的一种高压气体压燃式发动机，其特征在于：所述压燃气阀组件包括预存气阀、用于预存一定量压燃储气罐分流的高压气体来压燃燃烧室的预存冲压缸和压燃点火气阀，所述预存气阀通过管路与所述压燃储气罐连通，所述预存冲压缸内的工作气压大于气缸缸体内燃烧室的工作气压，所述压燃储气罐内存储的高压气体气压大于预存冲压缸内的工作气压，所述压燃点火气阀设置于所述预存冲压缸内并且通过开启预存冲压缸、将预存的高压气体喷射入燃烧室内并在做功冲程中用来压燃燃烧室内喷入的燃料；所述压燃储气罐分配至所述预存冲压缸的高压气体保持发动机在怠速状态下、所述预存冲压缸也可连续对所述燃烧室压燃点火。

5.根据权利要求1至3任意一项权利要求所述的一种高压气体压燃式发动机，其特征在于：所述压燃气阀组件相对燃烧室供给的高压气体的压缩比不小于9.5。

6.根据权利要求2所述的一种高压气体压燃式发动机，其特征在于：所述废气涡轮还通过管路并联连接有当废气涡轮产生的气压不足时备用设置有对压燃储气罐进行辅助增压至设定值的机械增压器或\和电动机增压器。

7.根据权利要求2所述的一种高压气体压燃式发动机，其特征在于：所述废气涡轮与所述压燃储气罐之间的管路上还设置有用于防止压燃储气罐内高压气源逆流至废气涡轮出口处的第一单向阀。

8.根据权利要求1或2所述的一种高压气体压燃式发动机，其特征在于：所述压燃储气罐与所述压燃气阀组件之间的管路上还设置有用于防止压燃储气罐内高压气源逆流的第二单向阀。

9.根据权利要求6所述的一种高压气体压燃式发动机，其特征在于：所述机械增压器或\和电动机增压器与所述压燃储气罐之间的管路上还设置有用于防止压燃储气罐内高压气源逆流至机械增压器或\和电动机增压器出口处的第三单向阀。

10.根据权利要求2所述的一种高压气体压燃式发动机，其特征在于：所述压燃点火系统还包括至少一个脉动减小装置，该脉动减小装置将从所述废气涡轮的出口至所述压燃储气罐的管路通道长度设定为使得因所述废气涡轮运转而发生的气源脉动不会被传递至所述压燃储气罐。

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