CN2740785Y - 一种喷射燃式发动机 - Google Patents
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Abstract
一种喷射燃式发动机。本实用新型属于燃气式发动机,特别是改进的喷射燃式发动机。本装置的特点是在现有气缸盖上装有一喷燃体,喷燃体结构为在壳体空腔中分别装有耐热材料制备的预热室、燃烧室和火焰缓冲区,该三部分耐热材料腔之间的间隙为变窄喉管,壳体中所设的储气室通过气道连通喉管,储气室通过单向阀与发动机进气道相通,火焰缓冲区与气缸进气口连通,预热室与喷油嘴连通。本发动机结构简单,可减少热量损失,在提高热效率的同时,可以简化冷却机构,可提高燃烧质量,提高中小负荷下的燃油经济性,减少对曲轴的压力,增加输出扭矩。
Description
技术领域
本实用新型属于燃气式发动机,特别是改进的喷射燃式发动机。
技术背景
传统汽油机的工作原理是:在进气冲程吸入汽油和空气的混合气,然后进行压缩,在压缩上止点前某时刻通过火花塞点燃混合气作功。由于受到汽油自身化学特性的限制,其压缩比不能过高,否则会出现严重的爆震现象,因此其热效率低于柴油机。
传统的柴油机的工作原理是:吸入和压缩的是空气,在压缩终了气缸内的温度超过柴油的自燃温度,在上止点前某时刻喷入柴油时,边混合边燃烧。但由于在上止点前一次全部喷入柴油,混合气形成的时间很短,柴油很难充分燃烧。其压缩比虽然比汽油机高,但也不能进一步提高,否则其爆发压力过大,会对机件造成损害,这种现象称之为“工作粗暴”。
上述两种发动机的燃烧室都是由气缸盖、气缸壁、活塞所围成的空间组成,燃气在其中燃烧时,为了保证活塞等运动机件不至于过热而卡死,必须有相应的冷却机构,有相当一部分热量被冷却机构带走了,不能有效地转化成机械功率。为了减少热量的散失,混合气都是在缸内活塞刚越过上止点后瞬间燃烧,这时虽然爆发力很大,但由于此时活塞刚越过上止点,大部分作用力通过活塞连杆后都被曲轴抵消了,能形成扭矩的力很小,提高压缩比和燃烧爆发力只会增加曲轴的负担,对提高动力和扭矩并没有太大的帮助。
从现有对发动的改进方法来看,主要集中在三个方面:一是改善燃油在气缸中的雾化效果,譬如采用预燃室技术,采用提高喷油压力技术,改进气缸顶的燃烧室形状等等。二是采用计算机控制燃油喷射技术和控制点火等技术,以提高喷油量和点火正时的准确性。三是采用稀薄燃烧技术,以提高燃油的经济性。但这些技术由于受到传统发动机本身结构的缺陷和工作原理的限制,在提高大量成本之后收到的效果并不是很大。
发明内容
本实用新型所要解决的技术问题是提供一种新型的喷射燃式发动机,其结构简单,可减少热量损失,在提高热效率的同时,可以简化冷却机构,可提高燃烧质量,提高中小负荷下的燃油经济性,减少对曲轴的压力,增加输出扭矩。
解决本实用新型的技术问题所采用的方案是:在传统的主要由气缸、活塞、曲轴机构组成的发动机基础上,在气缸盖上安装一喷燃体。该喷燃体的结构为,在其壳体的空腔中分别装入由耐热材料制成的预热室、燃烧室和火焰缓冲区三个耐热腔体,该三部分耐热腔之间的间隙为变窄喉管,即文氏管。壳体中的剩余空间为储气室,它通过气道连至各喉管处,储气室还通过单向阀与发动机进气道相通,耐热材料的火焰缓冲区与气缸进气口连通,而预热室则与喷油嘴连通。
本实用新型所采用的上述技术方案可达到以下效果:
(1)通过分离式的燃烧室使混合气在缸外燃烧,由于专门的燃烧室中没有运动的机件,便于采用一些耐热保温的材料制造,最大限度地减少了热量的损失。
(2)由于专门的燃烧室内压缩终了时的温度很高,无论喷入的是现有的哪一种燃料,燃料喷入后都能很快自燃,不用专门的点火机构。
(3)不受燃料爆燃等因素影响,可以最大限度地提高压缩比,还可以在不预先混合的前提下,方便地同时使用性质不同的燃料。
(4)降低了气缸中的气体温度,减少了热量的散失,在提高热效率的同时,可以简化冷却机构,甚至可以取消专门的水冷或油冷机构。
(5)改变了气压作用的时间,减小了对曲轴的压力,增加了输出的扭矩。
(6)采用了高压喷射、高温加热雾化、燃烧中二次进气的方法,最大限度地提高了燃烧质量。同时由于其结构的特殊性,喷入很少量燃油也能燃烧,大大减提高了中小负荷下的燃油经济性。
(7)能最大限度地利用现有发动机的成熟技术,结构的移植性和兼容性好,研发经费少,设备投资少,经济效益高。
附图说明
图1为本实用新型的结构示意图;
图2为本实用新型的进气过程工作原理示意图;
图3为本实用新型的压缩过程工作原理示意图;
图4为本实用新型的做功过程工作原理示意图;
图5为本实用新型的排气过程工作原理示意图。
图中各标号依次表示:气门弹簧1、弹簧座2、辅助进气门3、喷油嘴4、耐热材料5、壳体6、喉管7、气道A、辅助燃料入口B、火焰缓冲区C、燃烧室D、储气室E、预热室F。
具体实施方式
参见图1,本喷射燃式发动机是在传统发动机的气缸盖上安装一喷燃体,该喷燃体的结构为,在其壳体6的空腔中从上到下依次分别装入预热室F、燃烧室D和火焰缓冲区C三个腔室,该三部分由耐热材料5制成,它们之间的间隙为变窄喉管7,即文氏管,当有流体从喉管7处流过时,可产生负压。壳体6中除了预热室F、燃烧室D和火焰缓冲区C占据的空间外,剩余空间为储气室E,它通过气道A连至各喉管7处。储气室E还通过单向阀与发动机进气道相通,耐热材料制成的火焰缓冲区C与气缸进气口连通,而预热室F则与喷油嘴4连通。
为了能同时使用两种燃料,并能减少燃料供给系的能量消耗,在预热室F与燃烧室D间的喉管处设有辅助燃料入口B。在本实施例所述的喷射燃式发动机中,由壳体6、预热室F、燃烧室D、火焰缓冲区C以及单向阀组成的空间总容积与汽缸燃烧室容积相当,耐热材料5内部各室(预热室F、燃烧室D和火焰缓冲区C)的容积与总容积的比例在30%~60%之间,耐热材料5可采用改性陶瓷或陶瓷合金。图1所示的本例的单向阀由气门弹簧1、弹簧座2、辅助进气门3连接组成,喷油嘴4的油孔孔径选择0.2mm~0.8mm。
本实用新型装置的工作原理如图2~5所示:
一、进气过程:当四冲程柴油机的活塞处于进气冲程时,原发动机进气门打开,开始进气。气缸中的压力低于进气管中的压力,本装置的辅助进气门3的上方与发动机的进气管相通,火焰缓冲区C的下部与气缸相通。在压力差的作用下辅助进气门3克服气门弹簧1的弹力而打开,发动机进气管中的空气在通过正常渠道进气的同时,空气还可通过辅助进气门3、储气室E和气道A,流经燃烧室D和火焰缓冲区C进入气缸中。新进入的空气可以扫除残留在燃烧室D中的废气。
二、压缩过程:当四冲程柴油机的活塞处于压缩冲程时,发动机进、排气门关闭,气缸内的压力提高,在气压作用下,本装置的辅助进气门3关闭。本装置与气缸形成一个密封腔。随着活塞从下止点向上止点运动,气缸中的空气被压入本装置的储气室E、气道A、燃烧室D、预热室F和火焰缓冲区C中。压缩终了时,在增大压缩比的情况下,本装置中各室的气体温度高于普通柴油机的燃烧室中的温度。
三、作功冲程:当四冲程柴油机的活塞到达压缩上止点时,喷油嘴4向缸内喷入燃油,此时喷入的燃油约为普通柴油机同功率条件下的1/4至1/2。由于预热室F的气温和耐热材料5的温度比普通柴油机高,喷入的燃料能迅速气化,在喷油压力作用下以较高速度冲入燃烧室中。在预热室F下方为文氏喉管7结构,当燃料蒸气快速流过时,将在喉管7部位会形成负压,此负压可以吸入储气室E中的空气,进一步加强燃料的混合和蒸发,此时形成浓混合气。当浓混合气进入到燃烧室D中时,遇高温空气而迅速燃烧膨胀,由于喷入的燃料少于普通柴油机,此时燃烧室中的压力比普通柴油机燃料喷入后的压力低20%左右。在此高压作用下,燃气以较高的流速通过火焰缓冲区进入气缸,推动活塞向下运动作功。由于燃烧室下方也是喉管结构,当燃气流经时,也会在喉管部位形成负压,将储气室E中的空气吸尽,同时在此负压作用下吸开辅助进气门3二次吸入空气。剩余的油料被喷油器持续喷入,此时燃烧室内的温度很高,又有被二次吸入的空气,可以持续稳定燃烧。燃烧的气体进入火焰缓冲区C中,未燃尽的很少部分燃料可以继续充分燃尽。燃气进入气缸时,体积变大,流速降低,压力增大。由于有被二次吸入的空气的冷却,此时的温度比普通柴油机低40%左右。当停止喷油后,燃烧室D中的燃烧气流停止,喉管7处的负压消失,辅助进气门3在压力和弹簧1弹力作用下关闭。活塞在燃烧废气剩余压力作用下继续膨胀作功,直到下止点前排气门打开为止。如果使用两种燃料,比如柴油和汽油、柴油和酒精、柴油和天燃气等,可以选择柴油为喷射燃料,另一种燃料可以通过设在喉管7处的辅助燃料入口B被吸入,不用事先将两种燃料进行混合。特别是用柴油和酒精作为燃料,能充分发挥两种燃料各自的特点,对减少大气污染具有很好的现实意义。
四、排气冲程:与普通发动机的排气过程完全一样。
本新型实用装置的积极效果:
1、传统发动机相比,其燃烧室独立于气缸之外,不受运动机件的限制和影响,制造材料的选择余地更大,可以尽可能地选择耐热性好,导热性差的材料,以保证尽量减少热损失。其结构强度也可由包围在外部的金属层来保证。燃烧后进入气缸的废气温度比普通发动机低,因此从缸壁散发的热量比传统发动机少。可以选择低强度的冷却系统。带来的好处是在提高热效率的同时,降低了散热的能耗。
2、由于采用了特殊的燃烧室形状,燃料燃烧越快越猛烈,形成的喷射气流越强,吸入的空气越多,燃烧越充分,对推动活塞作功越有利。因此不存在普通发动机爆震和工作粗暴的影响,可以进一步提高压缩比,以进一步提高发动机的热效率,同时提高其低温起动性能。
3、由于减少了初始供油量,既便在高压比下,也不会因混合气爆发压力过大而对相关机件造成损害。由于燃料集中在耐热层内燃烧,耐热层内的容积只占总压缩容积的1/2左右,因此,当初次喷入少量燃油时,形成的混合气浓度仍然可以达到可燃浓度。而且由于提高了压缩比,耐热层内壁温度又很高,在普通发动机燃烧室中不能燃烧的稀薄混合气,在这种环境中也能燃烧。这对于降低中小负荷,特别是怠速工况的油耗将起到关键作用。
4、由于采用了二次进气结构,一方面,吸入的空气流对燃料的充分气化燃烧非常有利。另一方面,吸入的空气使燃烧更彻底,能大大降低一氧化碳的含量。第三方面,吸入的冷空气冷却了耐热层外壁的金属层,提高了金属的强度,同时减少了热量的散失。第四方面,处于火焰缓冲区上方吸入的冷空气能明显降低火焰的温度,使进入气缸的气体温度降低,减少了缸壁热传导损失,在提高热效率的同时,这对于降低废气中的二氧化氮、碳氢化合化等有害份很有帮助。
5、由于喷燃体采用类似于喷气式发动机的喷射燃烧结构,在发动机高速运转时,燃烧后的废气在喉管处会形成速度很高的气流,但当气流喷入气缸时,由于气缸直径比喷口直径大得多,气流一但进入缸体中,会由于体积膨胀而使温度下降,压力增大。二次被吸入的冷空气也会降低气温,因此,气缸中的机件不会因过热而损坏。也正因为缸内的气温远低于普通发动机,使得活塞在整个作功冲程的前三分之一甚至二分之一以上的行程内,燃烧室仍然在喷射燃烧成为可能。由于此时活塞已远离上止点,此时活塞上方的压力虽然比普通发动机低,但相对于发动机的曲柄连杆而言,但所形成的扭矩却大得多。因而能较大程度地改进普通发动机的扭矩特性。
6、由于采用了喉管吸气结构,因此能方便地吸入第二种不同的燃料,而不用在喷射前对燃料进行混合或加压,大大简化了第二燃料的供给方式。吸入的燃料直接进入高温燃烧室,就象在高温的火炉中加入燃油一样,不存在如何点燃的问题。这对于采用酒精之类的清洁燃料很有现实意义。既便只用柴油一种燃料,也可能只对其一半或更少进行加压喷射,而另一半采用吸入式供油,这有利于减少燃料供给系的能量消耗。
7、本新型实用发明结构简单,对现有发动机的改动量小,一方面有利于充分利用现有发动机的成熟技术,降低开发研制成本。二方面有利于利用现有发动机生产线迅速形成生产力,生产出成熟产品。第三方面自身结构简单,生产成本低,维修方便,可靠性高。
综上所述,本新型实用装置通过对传统发动机结构的局部创新和调整,对其工作原理作了的较大改进,能使现有发动机在热效率、扭矩特性、油耗、低污染等方面有较大改善。具有结构简单,成本低,可靠性高等特点,具有较高的经济价值,社会价值和发展潜力。
Claims (5)
1、一种喷射燃式发动机,主要由气缸、活塞、曲轴机构组成,其特征是在气缸盖上装有一喷燃体,喷燃体结构为在壳体空腔中从上到下依次分别装入预热室、燃烧室和火焰缓冲区这三个由耐热材料制备的腔室,该三部分耐热材料腔之间的间隙为变窄喉管,壳体中所设的储气室通过气道连通喉管,储气室通过单向阀与发动机进气道相通,火焰缓冲区与气缸进气口连通,预热室与喷油嘴连通。
2、按权利要求1所述的喷射燃式发动机,其特征是在预热室与燃烧室间的喉管处设有辅助燃料入口。
3、按权利要求2所述的喷射燃式发动机,其特征是由壳体、预热室、燃烧室、火焰缓冲区以及单向阀组成的空间总容积与汽缸燃烧室容积相等,耐热材料内部各室的容积与总容积的比例在30%~60%之间。
4、按权利要求3所述的喷射燃式发动机,其特征是耐热材料采用改性陶瓷或陶瓷合金,单向阀由气门弹簧、弹簧座、辅助进气门连接组成。
5、按权利要求4所述的喷射燃式发动机,其特征是喷油嘴的油孔为0.2mm~0.8mm。
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