CN1260469C - 一种废气涡轮增压内燃机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种属于四冲程涡轮增压内燃机技术领域内的一种废气涡轮增压内燃机，包括排气阀、单缸排气道、单缸进气道、进气总管、排气总管、排烟总管和增压器，单缸排气道为排气阀的阀后通道，增压器包括有涡轮机和压气机，排气总管接通涡轮机的进气口，涡轮机的出气口接通排烟总管，压气机的进气口接通大气，压气机的出气口通向进气总管，进气总管接通单缸进气道，排气阀与排气总管之间设有开关动作滞后于排气阀定时、开关速度快于排气阀的排气控制阀。排气控制阀根据排气阀开闭规律，在下止点附近迅速开启，在上止点附近迅速关闭，可提高排气能量的利用率；排气控制阀在排气阀后打开，可使气缸内气体膨胀功加大；提高了内燃机的效率。

Description

一种废气涡轮增压内燃机
技术领域
本发明涉及一种内燃机，特别涉及一种四冲程涡轮增压内燃机。
背景技术
为提高四冲程内燃机的效率，目前广泛采用增加增压器的手段来提高热效率，具体而言，废气涡轮增压内燃机，包括单缸排气道、单缸进气道、进气总管、排气总管、排烟总管和增压器，增压器上设置有涡轮机和压气机，单缸排气道接通排气总管，排气总管接通涡轮机的进气口，涡轮机的出气口接通排烟总管，压气机的进气口接通大气，压气机的出气口接通进气总管，进气总管接通单缸进气道。工作时，汽缸排气阀打开，排气依次经单缸排气道、排气总管、涡轮机、排烟总管排出大气，排气在经过涡轮机时，吹动涡轮机转动，涡轮机带动压气机转动，压气机将来自于外界大气的空气压缩后，再依次经进气总管、单缸进气道供给各缸燃烧，能提高内燃机的热效率。
同时，我们也应当看到，现有技术中排气能量的利用也是很有限的；下面结合四冲程增压柴油机的理论示功图(见图1)，分析说明可被涡轮增压器利用的内燃机排气中的能量。
如附图1所示，面积1-2-a-3-1为压气机耗功，其中面积8-2-a-6-8为进入发动机气缸并留在气缸内的空气的压缩耗功，面积1-8-6-3-1为扫气空气的压缩耗功Es。面积a-c-z-z1-b-a为柴油机缸内气体膨胀功，面积6-7-4-a-6为柴油机泵吸正功，这两块面积之和为柴油机指示功。面积b-9-K1-b为柴油机排气阀打开时排气等熵膨胀至大气压力pa时所能作的功，用Eb表示，其中面积b-4-T1-b为排气经排气阀节流和排气管中自由膨胀所损失的能量，用E1表示；另一部分，即面积4-9-K1-T1-4为排气在涡轮中进一步膨胀所回收的能量，用ET表示，则
Eb＝E1+ET
面积1-K-T-5-1为涡轮中排气的总能量，用E2表示，由四部分组成：(1)面积1-8-7-5-1为扫气空气进入涡轮后具有的能量，用Es1表示；(2)面积8-9-4-7-8为活塞推出排气使排气增加的能量，用Ec表示；(3)面积4-9-K1-T1-4为排气在涡轮中的膨胀功，即ET；(4)面积T1-K1-K-T-T1为E1损失的能量中的一小部分，转变为热能，加热排气，使焓值增加而得的附加能量，用Eq表示，故
E2＝Es+Ec+ET+Eq
由此可见，排气的最大可用能E由三部分组成：(1)排气阀打开时，气缸内气体等熵膨胀到大气压力所作的功；(2)活塞推出排气，排气得到的能量Ec；(3)扫气空气所具有的能量。
Es＝Es1+Es2
式中，Es2为面积5-7-6-3-5所代表的扫气空气节流损失。
这样，排气的最大可用能量可表示如下
E＝Eb+Ec+Es＝E1+ET+Ec+Es
能量传递中的损失：排气阀前排气具有的能量，在流经排气阀、气缸盖排气道、排气管，最后到达涡轮前，存在着一系列的损失，总能量损失ΔE包括如下几个方面：
ΔE＝ΔEv+ΔEc+ΔED十ΔEM+ΔEF+ΔEh
式中，ΔEv为流经排气阀处的节流损失；ΔEc为流经各种缩口处的节流损失；ΔED为管道面积突扩时的流动损失；ΔEM为不同参数气流掺混和撞击形成的损失；ΔEF为由于气体的粘性而形成的摩擦损失；ΔEh为气流向外界散热所形成的能量损失。这些损失直接影响着排气的能量可被涡轮回收的程度，也是排气涡轮增压柴油机排气系统设计和改进时所必须关注的重要方面。
ΔEv是能量传递中的主要损失，约占总损失的60％～70％。尤其是在初期排气，气缸中高压高温气体流出时，因排气管中压力低而形成超临界流动，造成超临界节流损失，所以减少这部分节流损失对提高排气中能量的利用率是很重要的。
发明内容
本发明的目的是提供一种废气涡轮增压内燃机，能更加充分利用内燃机排气能量，使其热效率更高。
本发明的目的是这样实现的：一种废气涡轮增压内燃机，包括排气阀、单缸排气道、单缸进气道、进气总管、排气总管、排烟总管和增压器，单缸排气道为排气阀的阀后通道，增压器包括有涡轮机和压气机，排气总管接通涡轮机的进气口，涡轮机的出气口接通排烟总管，压气机的进气口接通大气，压气机的出气口通向进气总管，进气总管接通单缸进气道，排气阀与排气总管之间设有开关动作比排气阀定时滞后、开关速度快于排气阀的排气控制阀。
对于脉冲涡轮增压系统：因排气阀刚打开时，气流在单缸排气道内的流动可简化成超临界不可逆的绝热过程，所以工质熵必然增加，节流后的工质的作功能力必将减小，在内燃机排气阀与排气总管之间，增加排气控制阀，在排气初期，排气控制阀处于关闭状态，排气道内的压力迅速得到提高，减小气体经排气阀处的超临界节流损失，同时还可加大脉冲能量的利用，从而提高排气能量的利用率；排气控制阀在滞后于排气阀打开后打开，可使内燃机缸内气体膨胀功(面积a-c-z-z1-b-a)加大。当某个缸排气控制阀在开启时，其他缸排气控制阀都处于关闭，消除了与排气总管相连的各单缸排气道的影响。所有这些，均使内燃机效率提高。
对于定压涡轮增压系统：同样因排气阀刚打开时，气流在单缸排气道内的流动可简化成超临界不可逆的绝热过程，所以工质熵必然增加，节流后的工质的作功能力必将减小，在内燃机排气阀与排气总管之间，增加一排气控制阀，将减小气体在单缸排气道内超临界的流动损失，提高排气中能量的利用率；同样，排气控制阀在排气阀后打开，可使内燃机缸内气体膨胀功加大，提高内燃机效率。
排气控制阀可为机械阀，也可以是电控控制阀；排气控制阀可以设置于单缸排气道内，也可以设置于单缸排气道与排气总管之间，控制阀愈靠近排气阀，排气能量的超临界损失越小，热利用效率愈高。
为进一步加大内燃机的功率，降低排放，所述压气机的出气口与进气总管之间可设有中冷器。
附图说明
图1为四冲程增压柴油机理论示功图。
图2为本发明的结构示意图。
图3为排气控制阀的结构示意图。
其中，10排气控制阀，11压气机，12中冷器，13进气总管，14气缸盖，15排气总管，16涡轮机，17排烟总管，18单缸进气道，19单缸排气道，20排气阀，21齿轮，22旋转阀轴，23轴套，24开口。
具体实施方式
如图2，为废气涡轮增压内燃机，主要由排气阀20、单缸排气道19、单缸进气道18、进气总管13、排气总管15、排烟总管17和增压器等组成，单缸排气道19为排气阀20的阀后通道，增压器包括有涡轮机16和压气机11，排气总管15接通涡轮机16的进气口，涡轮机16的出气口接通排烟总管17，压气机11的进气口接通大气，压气机11的出气口通向进气总管13，压气机11的出气口与进气总管13之间设有中冷器12，进气总管13接通单缸进气道18，单缸排气道19内设有开关动作比排气阀定时滞后、开关速度快于排气阀的排气控制阀10。排气控制阀10根据排气阀开闭规律，在下止点附近迅速开启，在上止点附近迅速关闭。
图3为一种机械式排气控制阀的结构示意图，包括齿轮21、旋转阀轴22和轴套23组成，轴套23套接在旋转阀轴22上，轴套21设置于汽缸盖14上的单缸排气道19与排气总管15之间，旋转阀轴22上与各单缸排气道19相对应的位置设有贯穿旋转阀轴的开口24，所述开口24与各缸定时相对应，各开口24之间有相应的相位差，工作时，柴油机正时齿轮通过间歇传动机构，带动齿轮21旋转，齿轮21的旋转是有间歇的旋转，齿轮21带动与它相连的旋转阀轴22转动，旋转阀轴22安装在旋转阀轴套23内，旋转阀轴上设有贯穿旋转阀轴的开口24。当开口24与单缸排气道19、排气总管15相通时，气缸内的废气由排气道19流向排气总管，当旋转阀轴22开口24与单缸排气道19、排气总管15不通时，气缸内的废气则不能流向排气总管。当排气阀20刚打开时，旋转阀轴22开口24与排气道19、排气总管15并不通，而当活塞快到下止点时，齿轮21迅速带动与它相连的旋转阀轴22转动，旋转阀轴22开口24与排气道19、排气总管15开始相通，当它们之间完全相通时，齿轮21停止或缓慢旋转；当活塞快到上止点时，排气阀还没有完全关闭，齿轮21迅速带动与它相连的旋转阀轴22转动，旋转阀轴22开口24与排气道19、排气总管15开始不通，齿轮21停止或缓慢旋转；这样，就使排气控制阀的开启和关闭动作比排气阀定时滞后、开关速度快于排气阀。为实现排气控制阀的快速开关和间歇运动，可采用不完全齿轮驱动机构、棘轮棘爪驱动机构，槽轮机构等。
本发明并不局限于上述实施例，所述的中冷器也可以没有，所述排气控制阀也可以设置在单缸排气道与排气总管之间，也可以由电控控制阀来替代机械控制阀。

Claims (4)

1、一种废气涡轮增压内燃机，包括排气阀、单缸排气道、单缸进气道、进气总管、排气总管、排烟总管和增压器，单缸排气道为排气阀的阀后通道，增压器包括有涡轮机和压气机，排气总管接通涡轮机的进气口，涡轮机的出气口接通排烟总管，压气机的进气口接通大气，压气机的出气口通向进气总管，进气总管接通单缸进气道，其特征在于：排气阀与排气总管之间设有开关动作比排气阀定时滞后、开关速度快于排气阀的排气控制阀。
2、根据权利要求1所述的一种废气涡轮增压内燃机，其特征在于：排气控制阀设置于单缸排气道内。
3、根据权利要求1所述的一种废气涡轮增压内燃机，其特征在于：所述排气控制阀设置于单缸排气道与排气总管之间。
4、根据权利要求1-3任意一项所述的一种废气涡轮增压内燃机，其特征在于：压气机的出气口与进气总管之间设有中冷器。
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