CN1269866A - 具有排放及增压气体再循环装置的内燃发动机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种无机械增压装置的n气缸(C1,…,C4)内燃发动机,每个气缸有一个作往复直线运动的活塞、q个排气阀和r个进气阀,q和r为不小于1的整数,在一个工作周期中,吸入空气和燃油,接着燃烧膨胀使发动机做功并将燃烧过的气体排出,n气缸的排气阀连接p个集气支管,在同一支管连接有n'个气缸,其中n'< n且p< n,每个集气支管(D)通过关闭装置(B)连接排气管并通过至少一个通气阀连通大气,每个气缸的工作周期的一部分包括三个连续阶段Φ1、Φ2、Φ3,连接到公共集气支管的n'个气缸n'组的三个阶段包括了发动机的全部工作周期。

Description

具有排放及增压气体 再循环装置的内燃发动机
本发明涉及一种具有排放和增压的气体的再循环装置的内燃发动机。
众所周知，由内燃发动机排放的氮氧化物(NOx)污染水平可以借助位于排气集气支管上的一个阀将排出气体的一部份返回到进气管来降低，该阀由计算机来控制。
特别是从专利申请WO 95/14853中可了解一种机械增压发动机，利用排出气体的压力波通过后充气效应进行自动增压。这种发动机利用该排出气体所经过的涡轮驱动的压缩机来增压，该涡轮起限制排气的作用，以便使压力波进行后充气。
本发明的目的是提出一种发动机，装备有即使排出的气体进行再循环、又利用排气的压力波进行自增压的装置，这种内燃发动机没有机械的增压装置。
因此，本发明的目的是提出一种没有机械增压装置的内燃发动机，它有n个气缸，每个气缸装备有一个作往复直线运动的活塞、每个气缸装备有q个排气阀和r个进气阀、q和r是大于或等于1的整数，对于不同气缸可能会不同，每个气缸的一个工作周期包括吸入空气和燃油、燃烧并膨胀、使发动机作功并排出燃烧后的气体，n个气缸的排气阀连接到p个排气集气支管上，在同一条集气支管上连接有n’个气缸。其中n’＜n且p＜n，其特征在于，每个排气集气支管用一个关闭机构连接到排气管出口并通过至少一个通气阀连通到大气，发动机的每个气缸在其工作周期的一部分上包括三个连续阶段1、2、3，对于所有连接到同一支管的n’个气缸，n’组的三个阶段包括了发动机的全部工作周期，对于一个气缸C，该三个阶段定义如下：
-在第一阶段1，至少一个排气阀和至少一个进气阀是开启的，在连接到C的集气支管中至少一个通气阀是开启的，而该集气支管的关闭机构是关闭的，气缸C中的活塞向下顶点运动，以便将气体吸入气缸；
-在第二阶段2，该关闭机构及集气支管的一个(或多个)通气阀一样是关闭的，所有的进气阀是关闭的，至少一个排气阀是开启的；在同一集气支管上的n’个其他气缸C’中的至少一个气缸有至少一个开启的排气阀，在该阶段将排出的气体排空，其活塞向上顶点运动，从气缸C’排到集气支管中的压力波在其排气阶段驱动空气和可能燃烧过的气体进入未进行排气的气缸C中：
-在第三阶段3，该关闭机构是开启的，一个(或多个)通气阀是关闭的，气缸C的排气阀和进气阀是关闭的，气缸C的活塞向上顶点运动，同时与同一个集气支管相连的气缸C’至少有一个排气阀开启，所有的气缸进气阀均关闭，气缸C’的活塞上冲程向上顶点运动，造成燃烧后的气体经关闭机构被排空；
其后，气缸C当压缩时进入到燃烧阶段，于是活塞被燃烧气体膨胀所驱动向下返回到下顶点，直至活塞恢复到其工作周期的1阶段的开始点为止。
有利的是，根据本发明的发动机的特征在于，它包括：至少一个排气集气支管连接至少两个相应的气缸，其中活塞作相同的向上顶点和向下顶点运动；一方面，该排气集气支管装有至少一个用任意合适的装置来控制的通气阀，另一方面，该排气集气支管通过中间的关闭机构通向排气输出管，该关闭机构也由任意合适的装置来进行控制；进气阀、排气阀和通气阀以及关闭机构是同步工作的。于是在发动机内出现下述过程：气缸在进气冲程时，空气经进气阀进入气缸；存在于与气缸相连的集气支管中的所排出的气体与经通气阀而进入集气支管的空气一起，经该气缸的排气阀进入气缸；于是通过另外相应气缸的燃烧气体的压力脉冲效应预先由通气阀进入到集气支管的空气经排气阀被驱动进入气缸，相应气缸的排气阀打开，从而获得增压；最后，相应气缸所残余的燃烧后气体通过处于开启位置的关闭机构释放到排气管中。
最好，根据本发明的发动机为四冲程的四缸发动机，气缸按顺序1、3、4、2同步工作，该发动机具有两个集气支管，每个支管与一对气缸相配合，每个集气支管具有至少一个通气阀并通过中间的关闭机构连接到排气总管上进行排放，这样在发动机工作周期，出现下述过程：
a)空气通过第一气缸的一个或多个进气阀在进气冲程时进气；
b)存在于与该第一气缸相连的集气支管中所排出的气体，经第一气缸的一个或多个排气阀进气，该集气支管上的至少一个通气阀是开启的；
c)进入到该排气集气支管的一定量空气的进气；
d)有利地与第一气缸相连接的气缸的一个或多个排气阀的开启，由于进入到相应集气支管的压力波，驱赶在排气集气支管内的气体通过其排气阀或多个排气阀进入到第一气缸中；
e)有利地与第一气缸相连接的气缸的排气的释放，这些气体受到气缸活塞的压迫，经处于开启位置的关闭机构进入排气总管；
f)第一气缸中燃油的注入，第一气缸一方面通过它的一个或多个进气阀吸入新鲜空气，另一方面又通过同样的一个或多个排气阀吸入附加的新鲜空气，最后又通过这个或多个排气阀吸入再循环的排出气体；然后将这种空气-燃油-再循环气体所组成的混合气体燃烧，活塞被驱动向下到下顶点，直至其回到其周期的起点；
用这种方法同时获得增压和排出气体的再循环，以降低污染。
在第一种变型中，关闭机构B由任何适当的装置来控制，它可以按要求任意确定其开启和关闭的开始时间和持续时间。在另一种变型中，该关闭机构具有一个旋转的旋塞，其上加工有两个由两个区域隔开的开口，它与相移系统相连或不相连，这样就可依据旋塞的旋转和开口的尺寸确定其速度、按要求任意确定其开启和关闭的起始时间和持续时间。
在另一种变型中，该关闭机构是一个具有两对孔的旋转圆盘，该两对孔相对于圆盘的轴线是对称的，但距轴线的距离不同。
有利的是，每个通气阀可由任何适当的装置来控制，它可以按要求确定其开启和关闭的起始时间和持续时间。还可以设置一个通气阀，由它所处的排气集气支管的压降来开启。
为了更好的了解本发明，现参照附图对若干非限制性实施例加以描述。
在附图中：
-图1到图3示意地示出四缸四冲程的喷注式内燃发动机的两个气缸，该气缸按顺序1、3、4、2的通常方式工作，这三个图示出了该发动机的三个连续工作阶段；
-图4是根据本发明的图1到图3所示的这种类型的发动机的平面示意图；
-图5是用于图4发动机上的关闭机构的第一个实施例的示意立体图；
-图6是用于图4发动机上的关闭机构的第二个实施例的示意立体图；
-图7系沿旋转盘轴线方向的图6中的关闭机构的示意图；
-图8示出图1到图3的气缸1和4的阀的提升行程L、在整个周期内作为曲轴转角θ的一个函数，一方面示出了关闭机构的开关阶段(曲线20)，另一方面示出了通气阀的开关阶段(曲线30)，这两条曲线开启和关闭的位置分别用字母O和F来表示；气缸4的阀提升行程曲线示于图形的上部，有关气缸1的曲线示于前一条曲线的下面和曲线20的上面；有关每个进气阀和排气阀的阀提升行程用相应阀的标记来表示。
在图1到图3中，气缸1和4(C1和C4)的活塞P1和P4一同进行或者是在图1中的向下顶点(PMB)、或者是在图2和3中的向上顶点(PMH)的相同的直线运动。
在图4中可见，气缸1和4用一根相同长度的集气支管D耦合在一起，同时气缸C2和C3用一根相同长度的集气支管D’耦合在一起，集气支管D和D’连到一个关闭机构B上，它的运动部分由发动机曲轴来驱动；这一驱动是通过传动装置11a、11b、11c来进行的，它在图4中用皮带轮和皮带系统的形式示出，驱动还可借助相移系统12，使关闭机构的运动部分可相对曲轴有一个相移。发动机由供给系统13供给。
在图1到4的实施例中，气缸C1和C4用一根排气集气支管D连接在一起，该支管连接气缸C1和C4的排气阀E1和E4。在该集气支管D上装有附加的通气阀SS，该阀由任意适合的装置14所控制。集气支管D通过关闭机构B与排气出口管F相通，关闭机构按这样一种方式进行控制，即有时是关闭的(参见图1和2)，有时是开启的(参见图3)。
在关闭机构B的第一个实施例中，如图5所示、并在图1到4中示意示出的，制造一个圆柱形的旋塞，它在固定缸体中转动，转动的圆柱形旋塞10有两对开口B1径向相对地位于圆柱体上；一对开口向支管D的进口运动，而另一对开口离开集气支管D’的进口运动，这样当一对开口正对着集气支管的开口时，排出的气体可以穿过转动的圆柱体10所构成的障碍，通到在与安装有集气支管D和D’相对的母线上的排气管，排气管F应足够大，以便能接纳从孔B1中排出的气体。图5中，圆柱体10上的开口位置正好接通集气支管D’和排气出口管F。该转动圆柱体10由图4中的装置11a、11b、11c、12所驱动。
图6和7示出另一种关闭机构B的实施例。在这一实施例中，集气支管D和D’通向截锥体的底部，其上为具有两对孔B1的旋转圆盘15，该两对孔相对于圆盘15的轴线对称，但离轴线的距离不同。其中一根集气支管按这样一种方式连接到截锥体的底部上，即它处在一对孔B1的旋转路径上，同时另一集气支管D’按同样的方式连接到截锥体的底部上，即它处在另一对孔B1的路径上。圆盘15可以由电机16驱动，或由如图4中所示的系统驱动。
在图5到7中的实施例中可以看到，关闭机构B的开启和关闭在发动机工作周期内可以任意控制。
图1到3示出装置的运行状态，其工作周期的完整过程示于图8的曲线中。工作周期包括有三个连续的阶段1、2、3。气缸1的每个阶段i用(i)1来表示，同时气缸4的每个阶段i用(i)4来表示。
为简化图形，已经假定发动机四个气缸中的每一个气缸只有一个进气阀(Aj对应气缸号为j)和一个排气阀(Ej对应气缸号为j)。
当在阶段1时：
-在气缸C1中，两个阀A1和E1均开启，活塞P1接近下顶点并向下运动到达下顶点位置；
-在气缸C4中、两个阀A4和E4均关闭，活塞P4的运动完全与活塞P1相同。
在气缸C4中，燃烧的气体膨胀作功，而在气缸C1中进行吸气并使空气通过阀A1进入气缸内。当然，此时的排气阀E1一直是开启的且关闭系统处于关闭位置，由于通气阀SS是开启的，可使空气进入到集气支管内。滞留的支管D内的排气因而也被吸入，于是造成排气再循环(EGR)。随后，空气进入，但不一定到达阀E1。关闭机构B处在关闭位置。
在阶段2，气缸C1和C4的活塞P1和P4刚好越过下顶点并开始在气缸内作向上返回运动。进气阀A1和A4关闭，两个排气阀E1和E4开启。在气缸C4中，燃烧的气体已膨胀驱动活塞P4，仍然有相当高的压力(对于轻载约为10巴，重载约为40巴，负载对应于加速器的位置)。所以有一个压力波经过排气阀E4进入到集气支管D，该压力波的幅值在轻载时约为150毫巴，在重载时约为2.5巴。该压力波向气缸C1的方向运动、即使关闭机构相对于阶段1的位置作转动，关闭机构仍保持在关闭状态。压力波驱动曾由阀SS进入的且又保留在集气支管D内的空气进入到气缸C1，该阶段阀SS已关闭；这就在气缸C1中形成增压。于是，本发明借助排气再循环，同时实现既增压又降低氮氧化物的污染。阀E1可以在排出的气体进入气缸C1之前进行关闭，也可以为了获得稍微多一点的EGR而稍微延后一点时间进行关闭。
在阶段3，阀SS保持关闭，但旋塞B开启。阀A1和E1均关闭。阀A4同样也呈关闭状态，但阀E4保持开启并且旋塞B呈开启状态。从气缸C4排出的气体经过旋塞B流向排气管F。活塞P4排空气缸C4、而活塞P1压缩吸入到气缸C1中的空气至燃油喷射时为止；然后，混合物在气缸C1中燃烧，驱动活塞P1向下顶点运动，直至这样的位置，恰好是气缸C4在前面描述的阶段1的状态。
在所描述的例子中，关闭机构B是有两个孔B1且由两个实体部分B2隔开的旋转旋塞。当然，这种关闭机构还可是受控阀门。旋塞的开启或关闭的持续期可由它的关闭部分B2和开口部分B1的尺寸和旋转速度任意确定。在对应阶段1和2的图1和2中，关闭机构B的旋塞处在关闭位置；当然，旋塞的开口可以采用相移器12进行偏置，于是可调整增压后的EGR的程度。
当然，每个气缸可以有多个排气阀和多个进气阀。在进气的情况下，所有的阀可能同时开启。相反，在排气的情况下，可能只有q个阀开启，在阶段1和2只开启q’个阀，少于q个阀，之所以这样做，特别是为了不干扰在气缸中空气增压的涡流旋转，该涡流旋转对于达到理想燃烧和由此获得高效是很重要的。在该系统中，阀可通过任何方式控制，例如用凸轮轴，用液压或电磁或气动装置，或是用这些不同方案的混合装置。
该系统可工作于任何n个数目的气缸(n大于1)和p个数目的用以连接n’个气缸到一支管上的集气支管D、其中n’＜n且p＜n。对于p个集气支管的每个支管，需要安装一个关闭机构B。其工作周期与前面在图1到3中描述的工作周期相同。

Claims (8)

1.一种内燃发动机，不备有机械增压装置，具有n个气缸(C1，…C4)，每个气缸装备有一个作往复直线运动的活塞，每个气缸装备有q个排气阀和r个进气阀，q和r是大于或等于1的整数，对于不同气缸可以不同，每个气缸的一个工作周期包括吸入空气和燃油，燃烧并膨胀、使发动机作功并排出燃烧后的气体，n个气缸的排气阀连接到p个排气集气支管上，在同一条集气支管上连接有n’个气缸，其中n’＜n且p＜n；其特征在于，每一排气集气支管(D，D’)用一个关闭机构(B)连接到排气管出口并通过至少一个通气阀(SS)连通到大气，发动机的每个气缸(C1，…，C4)在其工作周期的一部分上包括三个连续阶段1、2、3，对于所有连接到同一个支管上的n’个气缸，n’组的三个阶段包括了发动机的全部工作周期，对于一个气缸(C)，该三个阶段定义如下：
-在第一阶段1，至少一个排气阀(E1)和至少一个进气阀(A1)是开启的、在连接到(C1)的集气支管中至少一个通气阀(SS)是开启的，而该集气支管的关闭机构(B)是关闭的，气缸(C1)中的活塞(P1)向下顶点运动，以便将气体吸入气缸；
-在第二阶段2，将关闭机构(B)及集气支管的一个(或多个)通气阀(SS)一样是关闭的，所有的进气阀(A1)是关闭的，至少一个排气阀(E1)是开启的；在同一集气支管上的n’个其它气缸(C4)中的至少一个气缸有至少一个开启的排气阀(E4)，在该阶段将排出的气体排空，其活塞(P4)向上顶点运动，从气缸(C4)排到集气支管(D)中的压力波在其排气阶段驱动空气和可能的燃烧过的气体进入未进行排气的气缸(C1)中；
-在第三阶段3，该关闭机构(B)是开启的，一个(或多个)通气阀(SS)是关闭的，气缸(C1)的排气阀(E1)和进气阀(A1)是关闭的，气缸(C1)的活塞向上顶点运动，同时与同一个集气支管(D)相连的气缸(C4)至少有一个排气阀开启，所有的气缸进气阀均是关闭的，气缸(C4)的活塞上冲程向上顶点运动，造成燃烧后的气体经由关闭机构(B)被排空；
其后，气缸(C1)当压缩时进入到燃烧阶段，于是活塞(P1)被燃烧气体膨胀所驱动向下返回到下顶点，直至活塞恢复到其工作周期的1阶段的开始点为止。
2.根据权利要求1所述的发动机，其特征在于，它包括：至少一个排气集气支管(D)连接至少两个相应的气缸(C1，C4，…)，其中活塞(P1，P4，…)作相同的向上顶点(PMH)和向下顶点(PMB)的运动；一方面，该排气集气支管(D)装有至少一个用任意合适的装置来控制的通气阀(SS)，另一方面，该排气集气支管通过中间的关闭机构(B)通向排气输出管(F)，该关闭机构由任意合适的装置来进行控制；进气阀(A1，A4，…)、排气阀(E1，E4，…)和通气阀(SS)以及关闭机构(B)是同步工作的，于是在发动机内出现下述过程：气缸在进气冲程时，空气经进气阀进入气缸；存在于与气缸相连的集气支管中的所排出的气体，与经通气阀(SS)而进入集气支管的空气一起，经该气缸的排气阀进入气缸；于是通过另外相应气缸燃烧气体的压力脉冲效应，预先由通气阀(SS)进入到集气支管(D)的空气经由排气阀被驱动进入该气缸，相应气缸的排气阀打开，从而获得增压；最后，相应气缸的残余燃烧气体通过处于开启位置的关闭机构(B)释放到排气管(F)中。
3.根据权利要求2所述的内燃发动机，具有四缸(C1，C2，C3，C4)四冲程，气缸按顺序1、3、4、2同步工作，该发动机具有两个集气支管(D)，每个集气支管与一对气缸(C1-C4或C2-C3)相配合，每个集气支管(D)具有至少一个通气阀(SS)，并通过中间的关闭机构(B)连接到排气管(F)上，这样在发动机工作周期出现下述过程：
a)空气通过第一气缸(C1)的一个或多个进气阀(A1)在进气冲程时进气；
b)存在于与该第一气缸(C1)相连的集气支管(D)中的排出气体，经第一气缸的一个或多个排气阀(E1)进气，该集气支管上的至少一个通气阀是开启的；
c)进入到该集气支管(D)的一定量空气的进气；
d)有利地与第一气缸(C1)相连接的气缸(C4)的一个或多个排气阀(E4)的开启，由于进入到相应集气支管(D)的压力波，驱赶存在集气支管(D)中的气体通过其一个或多个排气阀(E1)进入到第一气缸(C1)中；
e)有利地与第一气缸(C1)相连接的气缸(C4)的排气的释放，这些气体受到气缸活塞(P4)的压迫，经处于开启位置的关闭机构(B)进入排气管(F)；
f)第一气缸(C1)中燃油的注入，该气缸一方面通过它的一个或多个进气阀(A1)吸入新鲜空气，另一方面又通过同样的一个或多个排气阀(E1)吸入附加的新鲜空气，最后又通过这个或多个排气阀(E1)吸入再循环的排出气体；然后将这种空气-燃油-再循环气体所组成的混合气体燃烧，活塞(P1)被驱动向下到下顶点(PMB)，直至回到其周期的起点；
用这种方法同时获得增压和排出气体的再循环。
4.根据权利要求1至3之一所述的内燃发动机，其特征在于，关闭机构(B)由任何适当的装置来控制，它可以按要求任意确定其开启和关闭的开始时间和持续时间。
5.根据权利要求1至3之一所述的内燃发动机，其特征在于，关闭机构(B)具有一个旋转的旋塞，配有两个由两个区域(B2)隔开的开口(B1)，与一个相移系统相连或不相连，这样就可依据旋塞的旋转速度和开口(B1)的大小，按要求任意确定其开启和关闭的开始时间和持续时间。
6.根据权利要求1至3之一所述的内燃发动机，其特征在于，关闭机构(B)是一个具有两对孔(B1)的旋转圆盘，该两对孔相对于圆盘的轴线是对称的，但距轴线的距离不同。
7.根据权利要求1至6之一所述的内燃发动机，其特征在于，一个通气阀(SS)由任何适当的、能确定其开启和关闭的起始时间和持续时间的装置来控制。
8.根据权利要求1至6之一所述的内燃发动机，其特征在于，一个通气阀(SS)由它所处的集气支管(D)的压降来控制开启。
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