CN1407215A - 复气式内燃机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一复气式内燃机，本机是增加公知内燃机膨胀做功的配气量而得之，提高热效，节油25％－30％。

Description

复气式内燃机

本发明涉及一复气式内燃机，本机在公知内燃机的爆燃做功行程初，适时地向汽缸内补入N_B些空气，由此吸热膨胀作功空气，由公知内燃机N些增加为(N+N_B)些，提高热效，节油25％-30％。

目前，公知的汽、柴油内燃机均为两大机构，分别具有五或四大系统，工作过程有吸、压、爆和排气行程，工作周期有2π和4π。

其热平衡方程：Q＝Q₁+Q₂+Q₃+Q₄+Q₅，其中：Q-进入汽缸中燃油产生的热能100％；

  Q₁-输出功率的热能约35％；

  Q₂-冷却耗的热能约25％；

  Q₃-废气耗的热能约25％；

  Q₄-摩擦、震动、带动辅助机构耗能约12％；

  Q₅-燃料未燃尽损失的热能约3％。

公知内燃机热效约35％，比热效约50％-60％的燃气轮机和喷气机偏低些。

燃油在汽缸中产生的热能ΔQ，直接转化为缸中气体的内能ΔE，其单位容积中一个分子的平均平动动能 $\left(\frac{1}{2}\right)m\stackrel{\‾}{V^2}.$

在进气行程进入汽缸内N些气体分子，每一质量m、在爆燃做功行程，它们热运动速度V平方平均值 它们碰撞活塞顶单位面积压强 $\mathrm{\ΔP}=\left(\frac{2}{3}\right)N\left[\left(\frac{1}{2}\right)m\stackrel{\‾}{V^2}\right],$ 在ΔP的推动下，活塞移动容积ΔV，得其反抗外力做功ΔA＝ΔPV。

转化ΔA的内能记为ΔE_A，相当Q₁和Q₄，由ΔE转化ΔA的做功行程，活塞向下止点运行汽缸容积ΔV不断扩大，单位容积中气体分子数相对减少，相应能量交换的碰撞数及其相关的压强ΔP也减弱，故(ΔE-ΔE_A)中有相当Q₃些内能，未来得及与活塞顶碰撞，能量未转为机械能就被排到大气中。

同时(-ΔQ₂)些热能，由高温汽缸内传导至缸外被冷却耗掉，温差大耗热多，上述是公知内燃机热效偏低的原因。

针对上述公知内燃机热效偏低，改其配气机构为复气式配气机构，本机构由吸供气、蓄补气和排气三部分组成。在复气式内燃机爆燃做功行程初、本机构适时将N_B些空气补入汽缸。使爆燃做功行程成为爆燃补气做功行程。“补气”功能是公知内燃机配气机构所不具备。

所谓适时补气，即在公知内燃机的爆燃做功行程初，活塞离开上止点后角β(β因机型而异)时，在本复气式配气机构作用下，将N_B些空气补入汽缸内，则缸内气体由公知N些增到(N+N_B)些，单位容积气体分子数增多，相应的能量交换的碰撞数及与其相关的压强ΔP_(N+NB)＝ΔP(1+N_B/N)，机械功ΔP_(N+NB)V＝ΔPV(1+N_B/N)也增加，废气和冷却的能量有所下降，则提高热效率η。

本复气式内燃机与公知内燃机相比，除复气式配气机构增些设置，其余的曲柄连杆机构、冷却、润滑、起动、供给及点火系统均相同。

以下讲述本机的复气式配气机构的构造及如何将提高热效的N_B些空气适时补入汽缸。

■结合图1与图4讲述单缸机的复气式配气机构的构造及工作过程。

▲构造：(1)吸供气部分设置：涡轮空气压缩机①、蓄气罐②、进气门③和供气门④。

曲轴拖动机①吸进冷却主机的空气，经其压缩蓄存于罐②中，罐②另端连通门④，进气门③与汽缸连通，门③另端柴油机通大气，汽油机则接汽化器。

(2)蓄补气部分设置：蓄气腔⑤和补气门⑥；腔⑤一端连通门④，另经门⑥通汽缸。

(3)排气部分设置：排气门⑦其一端连通汽缸，另一端通大气。

新增置的气门由与原凸轮同步的相应凸轮驱动。

▲工作过程：

(1)吸供气行程：活塞由上止点向下运动，相应角度为(0°-180°)，门③由0°开启至180°关闭，N些气体经门③吸入汽缸内。

(2)压蓄气行程：活塞由下止点向上运动，相应角度为(180°-360°)，N些气体压缩。汽、柴油机分别进入点燃期或备燃期，同时N_B些空气经门④进入蓄气腔⑤。

(3)爆燃补气做功行程：活塞由上止点向下运动，相应角度为(360°-540°)，活塞距上止点后角β(β因机而异)时，蓄气腔⑤储存的N_B些空气经门⑥注补入汽缸，同时门④关闭。即时吸收缸内燃油燃烧产生的热能，膨胀做功的空气由公知的N些增为(N+N_B)些，提高了压缩比，这是提高热效的根据所在。活塞下行距下止点前角γ(γ因机而异)时，排气门⑦开启排气，门⑥已关闭。

(4)排气行程：活塞由下止点向上运动，相应角为[(540°-γ)-720°]，将废气排出，720°时门⑦关闭。

有益效果：以定容燃烧汽油机为例，讲述本复气式配气机构，补气增大压缩比提高热效。

当进气为N些、压缩比λ＝7、N_B＝0.5N，则(N+N_B)些气体的压缩比λ_(N+NB)＝1.5λ＝10.5：

N些气体热效η_N＝1-1/λ_K-1，(N+N_B)些气体η_(N+NB)＝1-1/(1.5λ)_K-1；双原子气体定压定容摩尔热容量比K＝1.41，依上式有 $\frac{{\mathrm{\η}}_{(N+\mathrm{NB})}}{{\mathrm{\η}}_N}=1.21;$

则η_(N+NB)＝1.21η_N＝1.21×35％＝43％，热效提高8％是设N_B＝0.5N算得，如N_B＞0.5N，则亦有η_N+NB＞43％；同时又因：□、补入N_B些空气Q₅燃尽，热效又增3％。□、采用排气制动。可部分将动能和势能转化为压缩空气补气做功。上述几点将热效由35％提至近50％，节油25％-30％。

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

图1为单缸机的复气式配气机构构造原理图；

图2为四、二行程外压补气汽。柴油机复气式配气机构构造原理图；

图3为四、二行程内压补气柴油机复气式配气机构构造原理图；

图4为四行程外压补气汽、柴油机复气式配气机构工作过程图；

图5为二行程外压补气汽、柴油机复气式配气机构工作过程图；

图6为四行程内压补气柴油机复气式配气机构工作过程图；

图7为二行程内压补气柴油机复气式配气机构工作过程图；

图8为外压补气法的蓄气腔⑤和补气门⑥组合体的构造示意图；

图9为内压补气法的蓄气腔⑤和补气门⑥组合体的构造示意图；

在图中：涡轮空气压缩机①、蓄气罐②、进气门③、供气门④、蓄气腔⑤、补气门⑥、排气门⑦和涡轮引排气机⑧。

补气用的N_B些空气的压缩方式有外压和内压法，工作过程有四行程和二行程，因此复气式配气机构有四种类型。

■结合图2、图4，讲述外压补气四行程汽、柴油机复气式配气机构的构造及工作过程。

▲构造：

(1)吸供气部分、(2)蓄补气部分和(3)排气部分的装置，基本同于前述单缸机的复气式配气机构。

▲工作过程：

本机的复气式配气机构在(1)吸供气行程、(2)压蓄气行程、(3)爆燃补气做功行程和(4)排气行程的作用，基本与前述单缸机的复气式配气机构相同。

■结合图2、图5讲述外压补气二行程汽、柴油机复气式配气机构的构造及工作过程。

▲构造：

本复气式配气机构的构造同于前述单缸机的复气式配气机构，但增置涡轮

引排气机⑧；柴油机进气门③一端接罐②，另端通汽缸；汽油机门③一端

通汽缸，另端接汽化器，汽化器另端接罐②；机⑧一通门(⑦另通大气。

▲工作过程：

(1)爆燃补气做功行程：活塞由上止点向下运动，相应角度为(0°-180°)，这一行程同于前述单缸机的复气式内燃机相应的行程。其余三行程与其差异为：

(2)引排气行程：活塞由下又转向上运动，相应角度为[(180°-γ)-(180°+δ)]行程，机⑧将废气排尽；于角(180°-γ)时，门⑦开启，门⑥关闭，在角(180°+δ)时，门⑦关闭。

(3)吸供气行程：活塞由下向上运动，相应角度为[(180°+δ)-(180°+κ)]行程，罐②中压缩的N些气进入汽缸；于角(180°+δ)时，门③开启，在角为(180°+κ)时，门③关闭。

(4)压蓄气行程：活塞继续向上止点运动，相应角度为[(180°+κ)-360°]，N些空气仍压缩进入点燃期或备燃期，同时N_B些空气经门④进入腔⑤。

■结合图3、图6讲述内压补气四行程柴油机复气式配气机构的构造及工作过程。

▲构造：

本复气式配气机构的构造在前述单缸机的复气式配气机构的基础上做了相应的改动而得之。罐②通门③，不设门④。

▲工作过程：

(1）吸供气行程：活塞由上止点向下运动，相应角度为(0°-180°)，罐②中的(N+N_B)些气体经门③进入汽缸内，0°时门③开启，门⑥开启，180°角时门③关闭。

(2)压蓄气行程：活塞由下止点向上运动，相应角度为(180°-360°)，在活塞运行至上止点前角α(α因机而异)时，补气门⑥关闭，N_B些空气储入腔⑤，余下N些空气仍压缩，进入备燃期。

(3)爆燃补气做功行程：与前述单缸机的复气式内燃机的相应行程相同。

(4)排气行程：与前述单缸机的复气式内燃机的排气行程相同。

■结合图3、图7讲述内压补气二行程柴油机复气式配气机构的构造及工作过程。

▲构造：

本复气式配气机构的构造将前述单缸机的复气式内燃机的配气机构做了相应的改动而得之。罐②连通门③，不设门④；增置机⑧，其一端通门⑦，另端通大气。

▲工作过程：

(1)爆燃补气做功行程：活塞由上止点向下运动，相应角度为(0°-180°)，这一行程的工作过程同于前述单缸机的复气式内燃机相应的行程。其余三行程与其差异为：

(2)引排气行程：活塞由下又转向上运动，相应角度为[(180°-γ)-(180°+δ)]行程，机⑧将废气排尽；于角(180°-γ)时，门⑥已关闭；门⑦开启，在角(180°+δ)时，门⑦关闭。

(3)吸供气行程：活塞由下向上运动，相应角度为[(180°+δ)-(180°+κ)]行程，罐②中压缩的(N+N_B)些气体进入汽缸；于角(180°+δ)时，门③开启，门⑥开启，在角(180°+κ)时，门③关闭。

(4)压蓄气行程：活塞下止点向上运动，相应角度为[(180°+κ)-360°]，于上止点前角α(α因机而异)时，门⑥关闭，N_B些空气储于腔⑤，余下N些空气仍压缩进入备燃期。

■采用“注入”方式向汽缸补入N_B些空气，即注入补气方法，利用蓄气腔

  ⑤，补气门⑥构成组合体。

▲结合图8、图3，说明外压补气复气式配气机构的蓄气腔⑤、补气门⑥组合体构造及注入补气工作过程。

●构造：

补气门⑥、带有进气窗口的蓄气腔体A、窗口B、蓄气腔⑤、大柱塞C、小柱塞D、大柱塞内腔E。

窗口B一端通供气门④，另端通蓄气腔⑤，大柱塞C在腔⑤之中，有轴向运动工作行程，小柱塞D固定在门⑥杆上的适当位置，又置于腔E中，有轴向运动工作行程，组合体置于汽缸盖。

●注入补气工作过程：

图⑧是补气门⑥关闭时的结构示意图，当气门⑥开启动作时，即时由摇臂F、驱动大柱塞C向汽缸方向运动，大弹簧被压缩、进而窗口B被封堵、N_B些气体被压缩，仍到大柱塞C内腔E顶推动小柱塞D同向运动，小弹簧被压缩，同时门⑥开启，N_B些气体进入汽缸，直到补气门⑥开启到极限位置止。此时，蓄气腔⑤实际有效容积趋于至小，足可不计。

当气门⑥关闭动作时，摇臂F先松动复位，大小柱塞C和D在其弹簧的作用下复位，补气门⑥回到关闭位置。

▲结合图9、图3说明内压补气复气式配气机构的蓄气腔⑤、补气门⑥组合体构造及注入补气工作过程。

●构造：补气门⑥、蓄气腔体A、蓄气腔⑤、大柱塞C、小柱塞D及大柱塞内腔E。

腔⑤经门⑥通气缸、大柱塞C在腔⑤中，有轴向运动工作过程，小柱塞D固定门⑥汽门杆适当位置，又置于腔E中，有轴向运动工作行程，组合体置于汽缸盖上。

●注入补气工作过程：

图⑨是补气门⑥关闭时结构示意图；补气门⑥有两个不同性质的工作要求，故工作过程不同之：

(1)爆燃补气做功行程及(引)排气行程的工作过程：当门⑥开启动作时，即时由摇臂F驱动柱塞C向汽缸方向运动，大弹簧压缩，腔⑤N_B些气体被压缩，仍到腔E顶推动小柱塞D同向运动，小弹簧压缩，直到门⑥开启到极限位置停。同时门⑥开启，N_B些气体进入缸内，此时，腔⑤容积至小，可以不计。

当气门⑥关闭时，摇臂F松动，大小柱塞C和D复位，气门⑥关闭。此过程，摇臂H始终非动作状态。

(2)吸供气及压蓄气行程时的工作过程：补气门⑥开启至关闭的整个工作过程，摇臂F始终非动作状态，只摇臂H驱动气门⑥杆工作，大柱塞C始终处于蓄气腔⑥有最大容积的行程位置上。

Claims (6)

1、本复气式内燃机、构造及工作原理基本同公知内燃机，其特征是：本机在公知条件爆燃做功行程初，于上止点后角β(β因机而异)时，向汽缸内补入适量N_B些空气，由此吸热膨胀做功空气，由公知内燃机的N些增至(N+N_B)些，此种补气方法是公知内燃机所不具备的，公知内燃机的爆燃做功行程，在本机转化为爆燃补气做功行程；

2、根据权利要求1所述，外压补气四行程汽—柴油机其特征：复气式配气机构的构造，由新增置涡轮压气机①、蓄气罐②、供气门④、蓄气腔⑤及补气门⑥等，与公知的进气门③及排气门⑦等构成之；

机①通罐②，罐②另端连通门④；进气门③与汽缸连通，门③另端柴油机时通大气，汽油机时与汽化器接通；腔⑤一端连通门④，另经门⑥通汽缸；排气门⑦一端通汽缸，另端通大气，工作过程有：吸供气行程、压蓄气行程、爆燃补气做功行程和排气行程；

3、根据权利要求1、2所述，外压补气二行程汽—柴油机其特征：复气式配气机构的构造，同权利要求1所述的复气式配气机构，增置涡轮引排气机⑧；柴油机时进气门③一端接罐②，另端通汽缸，汽油机时门③一端通汽缸，另端通汽化器；机⑧一通门⑦，另通大气，工作过程有：吸供气行程、压蓄气行程爆燃补气做功行程和引排气行程；

4、根据权利要求1、2所述，内压补气四行程柴油机其特征：复气式配气机构的构造，在权利要求1所述的复气式配气机构的基础上做了相应的改动而得之；罐②通门③，不设门④，工作过程有：吸供气行程、压蓄气行程、爆燃补气做功行程和排气行程；

5、根据权利要求1、2所述，内压补气二行程柴油机其特征：复气式配气机构的构造，将权利要求1所述的配气机构做了改动而得之；罐②连通门③不设门④，增置机⑧，其一端通门⑦，另通大气，工作过程有：吸供气行程、压蓄气行程、爆燃补气做功行程和引排气行程；

6、根据权利要求1、2所述，蓄气腔⑤、补气门⑥组合体特征：采用注入补气方法向汽缸补入N_B些空气，能使蓄气腔⑤容积变动至小可不计；

□外压补气复气式配气机构的蓄气腔⑤、补气门⑥组合体的构造：补气门⑥、带有进气窗口的蓄气腔体A、窗口B、蓄气腔⑤、大柱塞C、小柱塞D、大柱塞内腔E；

窗口B一端通供气门④，另端通蓄气腔⑤，大柱塞C在腔⑤之中，有轴向运动工作行程，小柱塞D固定在门⑥杆上的适当位置，又置于腔E中，有轴向运动工作行程，组合体置于汽缸盖；

□内压补气复气式配气机构蓄气腔⑤、补气门⑥组合体的构造：补气门⑥、蓄气腔体A、蓄气腔⑤、大柱塞C、小柱塞D及大柱塞内腔E；

腔⑤经门⑥通气缸、大柱塞C在腔⑤中，有轴向运动工作过程，小柱塞D固定门⑥汽门杆适当位置，又置于腔E中，有轴向运动工作行程，组合体置于汽缸盖上。

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