CN1138907C - 六冲程内燃机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种六冲程内燃机，包括气缸、活塞、进气门、排气门和曲轴，其完成一个工作循环包括吸气冲程、压缩冲程、作功冲程、放气压缩冲程、喷水膨胀冲程和排气冲程。本发明与四冲程内燃机相比，有三大优点：从经济性相比其耗油量只有四冲程内燃机的二分之一；从动力性相比其升功率要比四冲程内燃机大35%；从环保方面相比其有害废气排量只有四冲程内燃机二分之一。

Description

六冲程内燃机

本发明涉及一种内燃机，特别是六冲程内燃机。

大家都知道目前广泛使用的内燃机热效率不高，汽油机热效率为25％，柴油机热效率为40％。普通内燃机完成一个工作循环一般包括四个冲程，为吸气冲程、压缩冲程、作功冲程和排气冲程，内燃机每转2圈作功一次，普通内燃机中燃烧所释放出的热量只有三分之一被转变为机械功，其废气温度在400°～800°之间，大部分热量随冷却水和废气从内燃机中排出。人们一直在探索提高内燃机效率的途径，而没有重大突破。

本发明的目的是提供一种利用内燃机作功冲程产生的高温废气继续作功的六冲程内燃机，从而大幅度提高内燃机的热效率。

本发明的目的是以下述技术方案来实现的：一种内燃机，包括气缸、活塞、进气门、排气门和曲轴，其完成一个工作循环包括吸气冲程、压缩冲程、作功冲程，所述的吸气冲程是，进气门打开，活塞由上止点向下止点移动，混合气被吸入气缸，压缩冲程是，进气门关闭，活塞由下止点向上止点移动，气缸内混合气被压缩，作功冲程是，活塞移动接近上止点时，火花塞提前点火，混合气燃烧，燃烧产生高温高压气体在气缸内膨胀，将活塞由上止点向下止点推动，活塞移动到下止点时，开始放气压缩冲程，排气门打开，一部分废气迅速排出，排气门关闭，活塞由下止点移动到上止点，气缸内剩余的部分高温气体被压缩，活塞移动到上止点，开始喷水膨胀冲程，喷水泵通过气缸上设有的喷水嘴向气缸里喷水，水接触到焰热的气体，产生水爆，汽水混合物体积急剧地膨胀，产生的高压气体推动活塞从上止点向下止点移动，最后是排气冲程，排气门第二次打开，废气和水蒸汽迅速排出。

控制进气门和排气门开关的进气门凸轮和排气门凸轮的凸轮轴与曲轴的传动比为1∶3，可以采用齿轮传动或链式传动，排气门凸轮为并列双凸轮或单列双凸点凸轮，双凸轮或单凸轮的两个凸点间隔120°。

喷水泵包括进水管，高压出水管、凸轮、凸轮轴和调速器，进水管连接水箱，高压出水管连接喷水嘴，凸轮轴与曲轴传动比为1∶3。

由于普通内燃机的废气温度在400°～800°之间，因此有再利用的价值。本发明完成一个工作循环比普通内燃机多了放气压缩冲程和喷水膨胀冲程，在喷水膨胀冲程中，向内燃机气缸内炽热的气体中喷水，水滴会如同进入油锅里的水一样产生一种水爆的物理现象，水在完全汽化时其体积膨胀1000多倍，持续向气缸里喷水，水在瞬间转变成水蒸汽，气缸里的水蒸汽将迅速膨胀，去推动活塞做功，把废气的热能转变成机械能。同时，喷水嘴向气缸里喷水也属于一种内部冷却方式，它同外部冷却气缸道理一样，水汽化时会吸收大量的热能，使气缸和活塞温度降低，即被冷却，水汽混合物带走了大量的热，由排气孔排出。因此本发明可以省略外部冷却系，使结构简单化，降低制造成本。本发明也可以采用外部冷却作为辅助冷却，可利用风冷作为外部冷却手段，以使内燃机主要部件保持正常的工作温度。与普通内燃机相比，它有三个明显的优点：1、其最大的特点是热效率高，是普通内燃机的2倍，这是人类轻易地把内燃机的热效率提高到50％以上界限，本发明每一工作循环有两个作功冲程，其中第二个喷水膨胀冲程作功不需要另耗燃料，通过回收利用废气的热量完成作功冲程，因此，它的热效率比普通内燃机高一倍，有50～60％的热量被转变为机械功。它的耗油率只有普通内燃机的二分之一，因此该内燃机的经济性比普通内燃机高一倍。2、从动力性相比其升功率要比普通内燃机大35％，因为本发明内燃机每转3圈作功二次，而普通内燃机每转2圈作功一次；3、排气对环境污染小。同样功率内燃机其有害废气排量只有普通内燃机的二分之一。因此，六冲程内燃机从经济性、动力性和环保上考虑，它都比普通内燃机优越，它必将取代和淘汰普通内燃机，成为一种新型的最经济的高动力性的环保内燃机。

以下结合附图详细说明本发明工作原理。

图1为本发明结构示意图。

图2为图1的侧视图。

图3为本发明工作原理示意图。

图4为排气门凸轮的双凸轮结构示意图。

图5为图4的A-A剖视图。

图6为排气门凸轮的单列双凸点凸轮结构示意图。

图7为本发明热流图。

一种内燃机，包括气缸1、活塞2、进气门3、排气门4和曲轴5，其完成一个工作循环包括吸气冲程、压缩冲程、作功冲程、放气压缩冲程、喷水膨胀冲程和排气冲程，如图3a表示内燃机的吸气冲程，其过程和普通的内燃机一样。在活塞2接近上止点时，进气门3打开，活塞2由上止点向下止点移动，新鲜混合气被吸入气缸1，上一循环留在气缸中的废气被排出气缸外。新鲜气体进入气缸后，要受气缸中的高温机件和残余废气加热。因此，进气终了时的进气温度常高于大气温度。进气压力越高，进气温度越低，就表示进入气缸的充气量越多，燃烧过程可能放出的热量也越多，内燃机的动力性也就越好。因此，为了提高内燃机的动力性应尽量增加内燃机的充气量。如图3b表示内燃机的压缩冲程，进气门3关闭，活塞2由下止点向上止点移动，进入气缸1的可燃混合气与残余废气继续混合，并被压缩。压缩冲程的作用在于增大工作过程的温差，从而保证内燃机在实际工作时，获得尽可能大的膨胀比，提高热功转换的效率。同时，也为燃烧的迅速完成创造良好条件。在压缩冲程中，混合气的温度和压力升高，当活塞2移动到上止点时，压缩冲程结束。作功冲程如图3c所示，活塞2移动接近上止点时，火花塞6提前点火，混合气燃烧，燃烧所放出的热量使气体压力与温度剧增，高温高压气体在气缸1内膨胀，将活塞2由上止点向下止点推动，气缸容积增加，而压力与温度均降低。燃烧产物所积聚的内能，在膨胀过程中，被转变为机械功，当活塞2移动到下止点时，做功冲程结束。放气压缩冲程开始，如图3d所示，这个冲程在普通内燃机中没有。排气门4打开，一部分废气迅速排出，气缸1内压力很快降至略高于大气压力的数值。当活塞2移动到下止点后90℃时，排气门4关闭，活塞2由下止点移动到上止点，气缸内剩余的部分高温气体被压缩，压缩冲程结束时，其废气压缩比要求和混合气的压缩比一样，汽油机废气压缩比可高于混合气压缩比10％，废气被压缩的作用在于集中充分利用废气热能，也保证内燃机在实际工作时，获得尽可能大的膨胀比，提高废气热功转换效率。排气门4具体关闭的时间应根据实验确定，只要保证废气压缩冲程结束时，其废气压缩比不超过设计允许压缩比。在放气压缩冲程中，为什么要释放一部分废气，而不全部压缩废气呢？这是因为作功冲程结束时，废气的体积、温度和压力都比吸气冲程时的混合气大，释放一部分废气，使其状况和吸气冲程时相同。如果压缩所有废气，活塞对气体作负功，磨擦损失增加，消耗大量的机械功能。而且放气压缩冲程结束时，废气的温度和压力都会升高，这时向气缸里喷水，气缸里所产生的蒸汽压力使气缸机械负荷超过设计能力，使内燃机零部件承受不了，所以要释放一部分废气，使放气压缩冲程结束时，废气压缩比不超过设计参数，这时向气缸里喷水，气缸里所产生的汽水混合物气体压力不会超过内燃机燃烧时所产生的压力。活塞2移动到上止点，开始喷水膨胀冲程，如图3e所示，喷水泵7通过气缸1上设有的喷水嘴8提前向气缸1里喷水，喷水是为了把燃气的热能转变成蒸汽的热能，然后再把蒸汽的热能转变成内燃机轴的机械能。水是怎样被加热汽化的？汽油机的废气温度可达1000℃，进入气缸里的水滴是在瞬间喷入气缸，遇热废气会产生水爆，水迅速被汽化，为了扩大水滴和废气的接触面，喷水嘴8将水滴喷射的越细越好，这样才能使水滴快速吸收热量迅速膨胀。喷水嘴8在气缸1盖上的位置，一般情况下可以和火花塞6或喷油嘴平行安装，或以一夹角安装。喷水嘴8喷出水滴状可采用四花形状、梅花形、雪花形或米字形等。喷水一直持续到上止点后45℃，汽水混合物体积急剧地膨胀，产生的高压气体推动活塞2从上止点向下止点移动，将热能转变为机械功。在这个冲程中工质是由废气和水蒸汽组成的混合气。气缸里水滴遇热体积膨胀，气缸内混合气压力升高，温度却急剧降低，容积无显著变化，当活塞2由上止点向下止点移动的情况下，容积略有增大，使气体的压力增高不大，即整个喷水膨胀冲程可视为接近定容加热和接近定压加热两部分组成。最后是排气冲程，如图3f所示，当水汽混合物膨胀产生的压力将活塞2推移到下止点时，排气门4第二次打开，废气和水蒸汽迅速排出。气缸内压力很快降到略高于大气压力的数值。这个冲程同普通内燃机一样，但排出的是汽水混合物。内燃机排气温度受很多因素的影响，但在这里它要比普通内燃机排气温度低的多，一般在200℃～300℃。单从热功转换来看，如加热量一定，即燃烧同样多燃料，热转换为功越多，则排气温度越低。从上述几个冲程中可以看出，它比普通内燃机工作循环中，多了两个压缩冲程和作功冲程。工质在作功冲程和喷水膨胀冲程两次作功，而在压缩冲程和放气压缩冲程中作负功。在这里，工质为两种气体，即燃气和水蒸汽，燃气在燃烧过程中吸热，而在放气压缩冲程与排气冲程中，均散热于冷却系或大气中，水蒸汽在膨胀冲程中吸热，而在排气冲程向外部散热。同进也看到，在每次工作循环中，排气门开启和关闭两次，这一点是和普通四冲程内燃机不同。同时可以明显看到，该内燃机每转3圈作功两次，它要比四冲程内燃机每转2圈作功一次升功率大35％。

六冲程内燃机配气机构和普通内燃机有两大区别，其一为控制进气门3和排气门4开关的进气门凸轮和排气门凸轮的凸轮轴12与曲轴5的传动比为1∶3，也就是说内燃机每转3圈完成一个工作循环，和普通内燃机每转2圈完成一个循环不同。所以，进、排气机构凸轮形线应在60℃夹角范围内选择。其二是排气门4在一个工作循环中开启和关闭两次，第一次为放气压缩冲程，要求排气门4开半程，第二次为排气冲程，要求排气门4开全程。因此，这就要求排气门凸轮41外形设计比较特殊。这里有两种设计方案，第一种采用并列双凸轮设计，如图4、5所示，一个凸轮控制放气压缩冲程中排气门4开启和关闭，另一个控制排气冲程中排气门4开启和关闭；第二种是采用单列双凸点凸轮设计，如图6所示，也就是说在一个凸轮平面内有两个凸点，一个凸点控制排气门4第一次开启和关闭，另一个凸点控制排气门4第二次开启和关闭。排气门凸轮41中双凸轮或单凸轮的两个凸点间隔120°。

在六冲程内燃机中，气缸就象一座锅炉把水加热成水蒸汽。蒸汽产生过程是在狭小的气缸空间内瞬间完成的。在六冲程内燃机中，有一套和柴油机喷油系统类似的喷水系统，它随内燃机转速和负荷变化而决定喷水量。六冲程内燃机喷水系统一般由喷水泵7、喷水嘴8和回水管9组成。喷水泵7包括进水管15，高压出水管10、凸轮11、凸轮轴12和调速器，进水管15连接水箱，高压出水管10连接喷水嘴8，凸轮轴12上设有与曲轴齿轮13啮合的凸轮轴齿轮14，凸轮轴12与曲轴5传动比为1∶3。单缸喷水泵可以和凸轮轴12共用一轴，双缸以上内燃机，喷水泵可以有自己的独立的传动轴，和曲轴5传动比为1∶3。在普通内燃机中存在着耗油率这个经济指标概念，而在六冲程内燃机中，还存在着耗水率概念。在这里要考虑每马力需要多少克水，耗水率越低越好。喷嘴每次向气缸里喷多少水，这和内燃机的功率大小有关。喷水后气缸压力升高一般控制在燃烧室里气体燃烧所产生的最高力为限，以免过高的压力使内燃机零部件承受不了。过量向气缸里喷水也会引起反结果，气缸压力降低，甚至会出现气缸积水现象，以至影响内燃机正常工作。内燃机功率确定后，喷水量也能推算出来。喷水量由调速器控制，随转速和负荷大小而变化。当转速和负荷增加时，喷水量也增加，反之，喷水量减少。喷水量控制应和燃油控制系统同步操纵。内燃机气缸和废气每一循环能产生多少卡的热量，向气缸里喷多少水？多少卡热量转换成机械功？喷水时产生的汽水混合物能带走多少千卡热量？这是六冲程内燃机设计中最关键的几个问题。一般情况下，普通汽油机冷却除带走的热量(400～800)N千卡/小时，柴油机(300～600)N千卡/小时，再加上废气带走的等量热量，实际上可利用的热量分别为汽油机2×(400～800)N千卡/小时，柴油机为2×(400～800)N千卡/小时。为了把一克水从0℃加热到100℃，需要消耗0.539千卡热量，那么汽油机可加热2×(400～800)N千卡/小时/0.539千卡克水，柴油机为2×(400～800)N千卡/小时/0.539千卡克水。精确的计算数值还有待以后样机试验确定。

汽油机和柴油机有两个重要的不同点。其一是两种内燃机的排气温度有很大差异，一般汽油机在金负荷时的排气温度约600℃～900℃，柴油机的排气温度为400℃～600℃。排气温度的不同，对于废气的利用也不尽相同，排气温度越高，越有利于废气的回收利用。对六冲程内燃机来说，废气的温度越高回收率越高。其二是两种内燃机的压缩比不同，产生的效果和废气回收率也不同。放气压缩冲程结束后，两种内燃机的压缩比不同，气体压缩后升温不同，压缩比高，升温后温度也高，这就使柴油机的废气回收率比汽油机高。这就使得喷水系统向气缸里喷水产生两种不同效果，压缩比大，废气升温越高，产生的蒸汽压力也越大。两种内燃机在喷水膨胀冲程中产生的蒸气压力分别不应超过混合气燃烧所产生的压力10％和柴油燃烧所产生的压力10％。在柴油机中，只有直接喷射式燃烧室才适宜采用六冲程内燃机。

以下我们简单分析一下六冲程内燃机的热平衡，如图7所示，在六冲程内燃机中，采用风冷作为辅助冷却措施，其冷却系所带走的热损失只有15％。在六冲程中内燃机中，废气所带走的热量只有20％，比普通内燃机低一倍，这是因为废气中一部分热量用于加热喷水，使其汽化，转变为机械功。关于燃料不完全燃烧所带走的热量和其它热量损失没有考虑在内。

Claims (3)

1、一种内燃机，包括气缸(1)、活塞(2)、进气门(3)、排气门(4)和曲轴(5)，其完成一个工作循环包括吸气冲程、压缩冲程、作功冲程，所述的吸气冲程是，进气门(3)打开，活塞(2)由上止点向下止点移动，混合气被吸入气缸(1)，压缩冲程是，进气门(3)关闭，活塞(2)由下止点向上止点移动，气缸(1)内混合气被压缩，作功冲程是，活塞(2)移动接近上止点时，火花塞(6)提前点火，混合气燃烧，燃烧产生高温高压气体在气缸(1)内膨胀，将活塞(2)由上止点向下止点推动，其特征在于：活塞(2)移动到下止点时，开始放气压缩冲程，排气门(4)打开，一部分废气迅速排出，排气门(4)关闭，活塞(2)由下止点移动到上止点，气缸(1)内剩余的部分高温气体被压缩，活塞(2)移动到上止点，开始喷水膨胀冲程，喷水泵(7)通过气缸(1)上设有的喷水嘴(8)向气缸(1)里喷水，水接触到焰热的气体，产生水爆，汽水混合物体积急剧地膨胀，产生的高压气体推动活塞(2)从上止点向下止点移动，最后是排气冲程，排气门(4)第二次打开，废气和水蒸汽迅速排出。

2、如权利要求1所述的内燃机，其特征在于：控制进气门(3)和排气门(4)开关的进气门凸轮和排气门凸轮的凸轮轴(12)与曲轴(5)的传动比为1∶3，可以采用齿轮传动或链式传动，排气门凸轮(41)为并列双凸轮或单列双凸点凸轮，双凸轮或单凸轮的两个凸点间隔120°。

3、如权利要求1所述的内燃机，其特征在于：喷水泵(7)包括进水管(15)，高压出水管(10)、凸轮(11)、凸轮轴(12)和调速器，进水管(15)连接水箱，高压出水管(10)连接喷水嘴(8)，凸轮轴(12)与曲轴(5)传动比为1∶3。

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