CN203214163U - 提高内燃机热效率的换气装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种提高内燃机热效率的换气装置。排气损失是现有内燃机的主要热损失之一，本实用新型的技术核心是：以分路排气、串联增压和在压缩冲程初期适当释放气缸内的压力这三项技术措施，把传统内燃机废气中的能量，在进气冲程中转化为有用功。同时降低了排气阻力，并能把最高燃烧压力及最高燃烧温度等参数都控制在适当的范围内。本实用新型为提高内燃机的热效率开辟了一个新的途径。理论上讲本实用新型也可以提高内燃机的升功率。现广泛采用的双顶置凸轮轴内燃机在结构上已经十分接近实施本实用新型的基本要求，因此，本实用新型可以比铰方便的以现有的双顶置凸轮轴内燃机为基础付诸实施。

Description

提高内燃机热效率的换气装置

技术领域

本实用新型涉及一种内燃机的换气装置，尤其是一种提高内燃机热效率的换气装置，属于内燃机技术领域。 

背景技术

排气损失是内燃机各项损失中比例较大的一项，它几乎与有用功相当，如果能把废气中的膨胀功转化为有用功，就能使内燃机的效率得到显著提高，现广泛采用的废气涡轮增压方案就是在这一方面进行的探索和实践。随着废气涡轮增压方案的应用，内燃机的升功率得到了显著提高，但这一方案不能提高内燃机的热效率，表现在增压内燃机的燃油消耗率指标没有显著降低，这主要是因为废气涡轮增压方案存在以下缺陷：(1)推动废气废气涡轮增压器增加了排气阻力，使排气的推出损失功升高；(2)进气压力的提高增高了压缩冲程中气缸内的压力，使压缩的损失功升高；(3)由于进气压力的升高会使压缩和做功冲程中气缸内的压力和温度大幅度升高，为了避免压力和温度过高而损坏机器，对增压的幅度必须加以限制，这就使废气中的能量得不到充分利用。 

专利号为200620149819.5，专利名称为“利用废气中的能量提高内燃机热效率和升功率的装置”的实用新型专利公开了一种能够采用分路排气降低排气阻力、采用串联增压将废气中的膨胀功最大限度转化为有用功、采用压缩初期适当释放气缸内压力限制压缩和做功冲程中气缸的压力的方法，将废气中的能量最大限度转变成有用功，显著提高内燃机热效率。这种方法在理论上是可行的，但在实际实施过程中难度较大，因为它需要增加压力释放管道和压力释放阀，如果以现有的DOHC内燃机为基础实施，压力释放阀就要占据一个进气阀的位置，并且需要在气缸盖上为其开辟专用的气道，这不仅会影响进气效率，实施的难度也很高。 

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种易于实施的提高内燃机热效率的换气装置。 

为解决上述技术问题，本实用新型所采取的技术方案是：一种提高内燃机热效率和升功率的换气装置，包括气缸、进气管、排气管和串联设置的两级废气涡轮增压器，所述排气管包括自然排气管和强制排气管，所述两级废气涡轮增压器包括初级涡轮机及其对应的初级压气机和末级涡轮机及其对应的末级压气机；所述进气管的进气端与空气滤清器连通，其出气端依次经各级压气机后、通过由凸轮控制的两个进气阀与气缸连通；所述自然排气管和强制排气管的进气端分别通过由凸轮控制的自然排气阀和强制排气阀与气缸连通，自然排气管的出气端依次经各级涡轮机后与消声器连通，强制排气管的出气端与消声器连通。 

所述废气涡轮增压器的级数为三级。 

所述气缸的缸盖中对应于每个气缸有与自然排气阀和强制排气阀相对应的、相互分隔开的排气道。 

所述强制排气阀的凸轮上对应于进气冲程到达下止点的位置正负30至45度曲轴转角的范围内设有一个凸缘。在进气冲程到达下止点前45°至下止点后45°的范围内打开强制排气支路排气阀，利用强制排气支路及排气阀释放气缸内的压力。 

所述自然排气管和强制排气管位于内燃机的同一侧，且强制排气管位于自然排气管的上方。 

所述自然排气阀的开启角与强制排气阀的关闭角之间的曲轴转角范围覆盖整个排气冲程。采用分路排气技术后，两路排气分别完成自然排气过程和强制排气过程，自然排气阀的开启角与强制排气阀的关闭角之和等于现有内燃机排气阀打开的持续角才能够完成排气冲程。 

本实用新型采用二至三级废气涡轮增压器的理由如下：理论上，对内燃机的进气实施多级废气废气涡轮增压器进行串联增压，可以最大限度的提高进气压力，使废气中的膨胀功在进气冲程中最大限度的转变成有用功。但是实际上，如果使用的废气涡轮增压器太多，必然会造成内燃机体积和重量的大幅增加，而且当进气压力上升到一定程度后，再增加废气涡轮增压器的数量，也不会有显著的增压效果了，因此废气涡轮增压器的级数不宜过多，本实用新型采用二 至三级废气涡轮增压器，以二级最佳，在保证增压效果的同时，不会造成内燃机体积和重量的大幅增加。 

本实用新型设置两条排气支路的理由如下：根据排气冲程中自然排气阶段和强制排气阶段在时间上的差别，把排气的途径分为自然排气支路和强制排气支路，利用气阀的驱动机构分别控制这两个排气支路的排气阀，使自然排气阀在自然排气阶段打开，在强制排气阶段关闭；强制排气阀在强制排气阶段打开，排气结束时关闭。两个排气阶段排出的废气各行其道，互不干扰，用自然排气支路排出的废气中携带的膨胀功推动废气涡轮增压器，对进气实施增压，使废气中的能量得到利用；从强制排气支路排出的废气绕过涡轮机，直接经消声器排入大气，使强制排气阶段的排气阻力降低。这一措施为充分利用废气中的能量，而不增加排气阻力创造了条件。 

本实用新型在压缩冲程初期利用强制排气阀经强制排气管释放气缸内的压力，这只要在强制排气阀凸轮的适当位置增加小段凸起的轮廓即可实现，采取这一措施之后，即使将进气压力提高到5bar以上，也能使压缩冲程开始时气缸内的压力不至于过高，从而使压缩和做功冲程中气缸内的压力和温度不会过高。这一措施能够解决现有内燃机由于进气压力的升高使压缩和做功冲程中气缸内的压力和温度大幅度升高而损坏机器的问题，为最大限度的提高进气压力，使废气中的膨胀功在进气冲程中充分转化成为有用功创造了条件。 

本实用新型能够将废气中的膨胀功在进气冲程中最大限度地转化成有用功，同时内燃机的推出损失和压缩损失都不会增高，机械负荷和热负荷等参数也都能被控制在适当的范围内，因此能够显著提高内燃机总的热效率。内燃机排气中的膨胀损失功约为输入能量的24％，本发明除去气阀的节流损失和一些转换损失，至少能将其中1/3的能量转化为有用功，也就是说，如果配气相位设置合理，增压器组合得当的话，它至少可以使内燃机的热效率提高8％。 

本实用新型的有益效果如下：相对于现有技术，省去了专门的压力释放阀及相应的压力释放管道，降低了实施难度；同时在进气管出气口与气缸连接处设置两个进气阀，使进气效率得到提高，从而使内燃机的运行成本降低，动力性能提高；提高内燃机的升功率和总的热效率。 

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。 

图1是本实用新型整体结构示意图； 

图2是进气阀凸轮结构示意图； 

图3是自然排气阀凸轮结构示意图； 

图4是强制排气阀凸轮结构示意图； 

图5是本实用新型各阀门及进、排气管的布置结构示意图； 

图1中，1、气缸，2、进气管，3、自然排气管，4、强制排气管，5、进气阀，6、自然排气阀、7、强制排气阀，8、初级压气机，9、末级压气机，10、初级涡轮机，11、末级涡轮机，12、消声器，13、空气滤清器； 

图2中大写英文字母所标注的点分别对应：A、下止点，B、上止点，J、进气阀开启点，M、进气阀开到最大点，N、进气阀关闭点，K、现有内燃机进气阀关闭点； 

图3中大写英文字母所标注的点分别对应：A、下止点，B、上止点，C、自然排气阀开启点，F、自然排气阀开到最大点，G、自然排气阀关闭点，D、现有内燃机排气阀关闭点； 

图4中大写英文字母所标注的点分别对应：A、下止点，B、上止点，H、强制排气阀开启点，I、强制排气阀开到最大点，P、放气阶段开启点，Q、放气阶段强制排气阀开到最大点，R、放气阶段结束点，C、现有内燃机强制排气阀开启点，D、现有内燃机强制排气阀关闭点。 

具体实施方式

如图1-图5所示的实施例可知，本实用新型所述的能够提高内燃机热效率和升功率的换气装置，包括气缸1、进气管2、排气管和串联设置的两级废气涡轮增压器，所述排气管包括自然排气管3和强制排气管4，所述两级废气涡轮增压器包括初级涡轮机10及其对应的初级压气机8和末级涡轮机11及其对应的末级压气机9；所述进气管2的进气端与空气滤清器13连通，其出气端依次经各级压气机后、通过由凸轮控制的两个进气阀5与气缸1连通；所述自然排气管3和强制排气管4的进气端分别通过由凸轮控制的自然排气阀6和强制排 气阀7与气缸1连通，自然排气管3的出气端依次经各级涡轮机后与消声器12连通，强制排气管4的出气端与消声器12连通。 

所述气缸1的缸盖中对应于每个气缸有与自然排气阀和强制排气阀相对应的、相互分隔开的排气道。 

所述强制排气阀7的凸轮上对应于进气冲程到达下止点的位置正负30至45度曲轴转角的范围内设有一个凸缘。 

所述自然排气管3和强制排气管4位于内燃机的同一侧，且强制排气管4位于自然排气管3的上方。 

所述自然排气阀6的开启角与强制排气阀7的关闭角之和等于现有内燃机排气阀打开的持续角。 

本实用新型在压缩冲程初期利用强制排气阀经强制排气管释放气缸内的压力，这只要在强制排气阀凸轮上对应于进气冲程到达下止点的位置正负45度曲轴转角的范围内设有一个凸缘即可实现，如图4所示，采取这一措施之后，即使将进气压力提高到5bar以上，也能使压缩冲程开始时气缸内的压力不至于过高，从而使压缩和做功冲程中气缸内的压力和温度不会过高。这一措施能够解决现有内燃机由于进气压力的升高使压缩和做功冲程中气缸内的压力和温度大幅度升高而损坏机器的问题，为最大限度的提高进气压力，使废气中的膨胀功在进气冲程中充分转化成为有用功创造了条件。 

Claims (6)

1.一种提高内燃机热效率的换气装置，其特征在于，包括气缸(1)、进气管(2)、排气管和串联设置的两级废气涡轮增压器，所述排气管包括自然排气管(3)和强制排气管(4)，所述两级废气涡轮增压器包括初级涡轮机(10)及其对应的初级压气机(8)和末级涡轮机(11)及其对应的末级压气机(9)；所述进气管(2)的进气端与空气滤清器(13)连通，其出气端依次经各级压气机后、通过由凸轮控制的两个进气阀(5)与气缸(1)连通；所述自然排气管(3)和强制排气管(4)的进气端分别通过由凸轮控制的自然排气阀(6)和强制排气阀(7)与气缸(1)连通，自然排气管(3)的出气端依次经各级涡轮机后与消声器(12)连通，强制排气管(4)的出气端与消声器(12)连通。 

2.根据权利要求1所述的提高内燃机热效率的换气装置，其特征在于，所述废气涡轮增压器的级数为三级。 

3.根据权利要求1所述的提高内燃机热效率的换气装置，其特征在于，所述气缸(1)的缸盖中对应于每个气缸设有与自然排气阀和强制排气阀相对应的、相互分隔开的排气道。 

4.根据权利要求1所述的提高内燃机热效率的换气装置，其特征在于，所述强制排气阀(7)的凸轮上对应于进气冲程到达下止点的位置正负45度曲轴转角的范围内设有一个凸缘。 

5.根据权利要求1所述的提高内燃机热效率的换气装置，其特征在于，所述自然排气管(3)和强制排气管(4)位于内燃机的同一侧。 

6.根据权利要求1所述的提高内燃机热效率的换气装置，其特征在于，所述自然排气阀(6)的开启角与强制排气阀(7)的关闭角之间的曲轴转角范围覆盖整个排气冲程。 

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